专利名称：动态飞行高度型滑块的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜磁读/写头的制造，具体地，涉及一种形成动态飞行高度
(DFH， Dynamic Flying Height)型滑块表面的方法，以在宽泛的条件下实现高的DFH效率、稳定的空气动力特性和最小的飞行高度变化。
背景技术：
如图1示意性所示，(基本上引自Meyer等，(US5,991,113 ))硬盘驱动器(HDD)采用封装的形成在陶资基板内的小薄膜磁读/写头52，以在磁介质或者存储盘20上读、写数据。读/写头采用已知的半导体沉积技术诸如电镀、CVD (化学气相沉积)和光刻图案化与蚀刻形成。头及基板的整体结构被称为滑块(slider) 7。
滑块7具有预图案化的气垫面(ABS)平面300，在HDD运行期间气垫面平面300面对旋转盘20。尽管如我们所见ABS平面基本上为平坦的，但是它具有图案化的形貌，该图案化的形貌延伸进入滑块主体中且垂直远离该表面平面。滑块安装在头万向节组件(HGA, head gimbal assembly) 22的远端，头万向节组件22由机电机构和控制电路致动以使头沿着盘(未示出)上的磁道定位在各种位置处。
当/f兹盘通过心轴马达(spindle motor)(未示出)快速力走转时，流体动力学压力引起滑块的ABS与盘表面之间的气流(箭头(25))。该气流举起滑块，使得它实际上在空气层上飞行在盘表面之上。在该位置处头与盘表面之间的间隔被称为"飞行高度(flying height)" 80。滑块的盘旋转(旋转也由气流箭头表示)进入的边缘被称为"前缘(leading edge)" 40，包括读/写头52的相反边缘被称为"尾缘(trailing edge)" 44。读/写头在滑块的尾缘处封装到滑块内，并且正如下面我们将看到的，在"动态飞行高度"(DFH)型滑块中，读/写头还由埋入的加热元件60围绕，或者邻近加热元件60。滑块的形貌也包括蚀刻入滑块表面的气流槽(该图中未示出)，以提供增强的空气动力学性能。埋入的加热元件60可以通过外部电路58被激励。滑块运动的空气动力特性使得前缘比尾缘在旋转盘表面之上上举得更高。
对于典型的盘驱动器(近似250G字节/盘片(platter))， ^磁头与介质之间的飞行高度距离80约为5-6nm (纳米)。在读和写期间滑块具有空气动力学稳定性地飞行在盘表面之上是必要的。通常有两类盘驱动设计(a)加载/卸载(LUL)设计和(b)接触起停(CSS)设计。在LUL设计中，在没有读或写进行时，滑块停留在磁盘周界外部的斜坡(ramp)上。在CSS设计中，当没有读或写进行时，滑块停放在盘上盘的最内半径(磁头停放区)处。与LUL设计相比，当在初始飞行阶段滑块在盘表面之上第一次起飞时CSS设计必须克服滑块和盘之间的粘滞/附着。使滑块/盘界面处的粘滞/附着最小的有效方法之一是降低实际的接触面积。目前，通过两种途径实现(a)通
在滑块表面上加垫，优选在该表面的尾缘处加垫。出于具有加垫滑块的CSS驱动器的粘滞考虑，要求滑块的飞行节距(flyingpitch)必须在一定值以上，使得在高海拔高度处垫和盘表面之间没有接触。出于这样的考虑，用于CSS驱动器的滑块通常具有高的飞行节距(>150微弧度)。
目前，通过一种一皮称作动态飞行高度(DFH， dynamic flying height)的技术，滑块和介质之间的距离在读处理期间已经被压低到5nm。该技术例如在Meyer等(US5,991，113 )中被描述并且在图1中被示出。该技术通过向埋入滑块主体中的加热器(图1中60)施加电压而实现局部飞行高度的减小。再一次参考图1,加热器60的示意性图示示出加热器60接近读/写头52设置。由加热器提供的热使加热器附近的滑块温度升高，并且这样的温度升高继而引起滑块表面因周围材料的热膨胀而突出。原理上，该突出将使读/写头更靠近盘表面，因此使飞行高度降低，并且使读/写处理中可以有更好的分辨率。
然而，在导致温度诱导突出的过程期间，由于头/盘界面内的空气挤压层，滑块由作用在该滑块上的增加的空气压力推回，该增加的空气压力由突出引起。该附加的空气压力相反地作用于加热器诱导的滑块突出意在产生的期望的飞行高度减小。因此，非常希望产生通过加热过程减小飞行高度而不相反地减小所期望的效果的方法。
在DFH技术中，加热器仅在要求读或写操作时导通。这大大改善了头/盘相互作用的可靠性，原因如下1 )磁头不必恒定地飞行在低的飞行高度；2)可以使飞行高度减小的幅度取决于环境条件，例如在高温和高海拔高度
下要求更小的高度减小；3)飞行高度最小点总是在加热器区域，潜在接触的其它区域总是较高，并且因此减少了接触的机会；4)即使在加热区域处有接触，则因接触面积的减小而使得接触力较小，并且因此产生头调制(modulation)和相关的读/写失败的可能性较'J、。
对于DFH应用中的滑块设计，以上引用的各种工艺产生了以下的巨大挑战。以下两个挑战与气垫面设计有关。
A、 在滑块的加热区域上施加非常高的压力。
这引出了什么被称为"推回(pushback)"或者ABS (气垫面)补偿，其是防止滑块主体局部变形的反效果，而滑块主体局部变形对于产生好的DFH效率是需要的。DFH效率被定义为实际飞行高度减小与滑块主体突出高度(或者等效于加热器功率)之比。如果给定的加热器功率输入产生的突出由推动滑块远离盘表面的附加压力无效，则它们的效果彼此抵消，并且需
要更大的加热器功率来实现给定的飞行高度减小。因此，减轻该问题的一个途径是简单地给加热器施加更大的功率。遗憾的是，经过长时间的运行，这会使阅读器的功能退化或者引起过多的功耗，或者二者兼而有之。作为选择，为了进一步改善DFH应用的气垫滑块的DFH效率，传统的设计试图减小作用于整个滑块主体上的压力。这个途径牺牲了飞行高度的西格马，即严格控制 一组滑块的飞行高度的统计学变化。
B、 盘在内径处的大的变形。
盘在盘夹持力作用下通常具有大的变形。这产生跨过盘表面的波状的盘表面以及滑块与盘之间的大的飞行高度变化。该变形在内径处比在外径(OD)处更加显著。这对于在整个盘表面上实现稳定的飞行高度又提出另一个挑战。降低负载有磁传感器的区域处的压力将明显增加对内径处盘的局部变形的l丈感性。
下面的挑战是因为消费电子的具体要求。
A、温度要求。
需要消费电子装置工作在-20。C与+80。C之间的大的温度范围内。磁头与介质表面之间的飞行高度会因系统中由于温度变化而产生的机械变化而改变。例如，头万向节组件(HGA)的静态节距海拔高度(PSA， static pitchaltitude)会改变，另外，温度变化会使滑块冠(slider crown)的形状发生改
6变。因此，所希望的是ABS设计能够补偿因滑块形状改变而引起的飞行高度改变。
B、 海拔高度要求。
通常需要消费电子装置工作在10，000ft的海拔高度处。因为这样海拔高度处的空气密度更低于海平面，所以高海拔高度直接影响磁头与介质之间的飞行高度。因此，所希望的是滑块ABS设计使由于高海拔高度造成的飞行高度改变最小。
C、 功率要求。
对消费电子装置在驱动操作期间所使用的功率还有量上的限制。较高的DFH效率将减小实现读和写所必需的飞行高度所需的功率。
已经提出了不同的途径来实现较高的DFH效率。 一个途径是通过ABS设计。Hashimoto等的美国专利申请2007/0058296和美国专利申请2006/0139810描述了隔离的ABS垫来实现DFH的飞行高度控制。垫的作用是通过将ABS上的压力峰值从垫本身移动到围绕垫的ABS上的位置来减少由突出引起的推回效应。因为在这样的隔离垫处的ABS压力是小的，所以在很低的加热器功率下可以实现大的变形/突出。然而，因两个原因而不是总希望DFH效率太高1)与DFH预放大器(pre-amplifier)不相容，由于低的预放大器分辨率，这引起对突出的控制很差；2)潜在可靠性(potentialreliability)涉及隔离垫处的弱的空气压力。因此，该滑块设计没有有效地控制DFH效率并保持空气动力学稳定性。
尽管新加坡的数据存储研究院(DSI)之前提出了有些类似的方法，但是也可以作为供选。他们提出了分离垫的特征以提供高的DFH效率。然而，来自DSI的该现有技术在HDD运行期间因设计的局限性而与非常高的飞行高度调制相联系，这是因为分离垫没有由围绕的ABS支撑。因此，任何盘变形将引起飞行高度的剧烈改变。考虑到与该技术装置的现有状态相关的这些可靠性问题，本发明提出新的ABS设计，用于加倍滑块的DFH效率，并保持稳定的飞行高度。
其他现有技术的途径可在下面的专利中找到。
美国专利5,761,003 (Sato),包括压力产生部以对滑块提供稳定举力的ABS滑块构造。
美国专利申请2007/0230021 ( Schreck等)，通过采用飞行高度控制器消除在从读到写或者从写到读的转变期间的飞行高度瞬态改变以通过控制加热元件来除去该净瞬态改变。
美国专利申请2006/0082917 ( Yao等)，描述了包括在滑块下方的压电片的飞行高度控制器。
美国专利申请2002/0024774 ( Berger等)，教导通过控制悬臂的弹性常数的变化来调整飞行高度。
本发明的观点是前述方法都无法实现本发明的稳定、可控的DFH滑块动力学以及改善的DFH效率，这些通过下述实现他们的目标和方法来限定。
发明内容
本发明的第 一 目标是改善滑块的DFH效率。
本发明的第二目标是改善滑块的DFH效率，并且保持其的空气动力稳定性。
本发明的第三目标是由于消费电子的需求诸如海拔高度范围、功耗和温度改变而在强加给它的宽范围的条件下保持DFH滑块的空气动力稳定性。
本发明的第四目标是最小化DFH滑块的飞行高度对旋转盘的表面变化的敏感性。
本发明的第五目标是提供具有非常高的DFH效率的滑块和DFH效率可
以被调整的滑块。
这些目标将通过新的ABS设计来实现，该新的ABS设计示意性地图解在作为局部3D图的图2和更详细的平面图的图3中，首先参考示出第一实施例的图3，该设计包括部分示出的分离的前ABS结构250和尾ABS结构150。这里，为了避免混淆，我们将ABS结构的包括滑块前缘200的部分称为前ABS结构，并且将ABS结构的包括尾缘(未示出)的部分称为尾ABS结构。应当注意的是，图2仅示出了图3中作为150被示出的尾ABS结构的3D示意性图解。如图2和3所示，尾ABS结构包括两侧轨(rail) 325、一对气流通道320和中间轨350。尾ABS结构还包括表面面积非常小的微型垫310，其包括读/写头(在图3中示出为30)和埋设的DFH加热器(在图2或图3中没有示出)。^f鼓型垫处于尾结构的极拖尾边缘处(如图3的箭头100所示)。微型垫基本上由从中间轨350向外(即在朝着滑块尾缘的方向上)突出的作为两翼355的结构侧向围绕。这两翼为尾缘ABS结构的部分。微型垫与该翼结构由沟槽(图3中标示为360)物理地分隔。该翼在中间轨的
尾缘周界中产生凹陷，并且微型垫位于该凹陷中，并通过沟槽与轨自身物理
分隔。该分开的微型垫显著地减小了作用在滑块DFH加热区域上的压力，以提供非常高标准的DFH效率。围绕的翼结构提供运行期间非常稳定的空气动力特性和飞行高度。微型垫的任务是将滑块的包含DFH加热器的磁性传感器区域(即读/写头)与其余的尾ABS结构分开。该分开防止空气压力集结在滑块的传感器部上，这是因为该部不再为集结产生提供足够的压力长度。传感器区域处的空气压力取决于进入的气流，特别是取决于空气相对于传感器区域通过的距离(即压力长度)。ABS结构的前部(仅在图3中示出为250 )、气流通道320和作为微型垫的前缘侧的中间轨350的图案的形状还将气流分开，并且限定流过^:型垫的气流。
在第二实施例中，所示出的是通过改变围绕微型塾且将其与翼结构分开的沟槽360的深度，可以获得非常灵敏地控制加热器产生传感器突出的量。因此，沟槽通过调整其深度的能力呈现为ABS动态性的决定因素，这可用于调整滑块的性能。
本发明的目标、特征和优点在下面描述的优选实施例的上下文内变得明
显易懂。
优选实施例的描述在附图的上下文内明显易懂，其中
图l是硬盘驱动器(HDD)内安装有读/写头的现有技术的DFH滑块的
示意图。
图2是被设计为利用容纳读/写头的分开的微型垫提供DFH控制的本发
明滑块的尾缘部的3D示意图。
图3是本发明任何一个实施例的气垫面(ABS)的示意性平面图。
图4是示出对于多种现有技术DFH设计的滑块作为加热器功率的函数
的飞行高度改变的图示。
图5是示出对于本发明设计的几个示例滑块作为加热器功率的函数的飞
行高度改变的图示。
图6是第二实施例示出沟槽深度和微型垫的滑块的示意性侧视图。
图7是示出对于本发明第二实施例作为沟槽深度的函数的被控制的突出高度的图示。
图8是示出对于本发明第二实施例以控制沟槽深度测得的跨过微型垫的 突出轮廓的图示。
具体实施例方式
第一优选实施例
参考图3，其示出了本发明第一实施例的滑块的示意性ABS平面图，该 图来自在ABS处从相邻的盘表面仰看所获得的透视图。参考图2，为了清楚 起见，其示出了与图3相同滑块的示意性3D形貌图，更加清楚地示出ABS 元件的相对高度和他们的垂直延伸。通常所称的滑块的ABS平面(图2中 的300)是假想平面与滑块3D形貌的最高结构表面的相交面(intersection)。
再一次参考图3，滑块的尾缘由箭头表示为100，而没有具体示出的前 缘大约在200处。滑块的ABS分成两个分开的部分，尾ABS部和前ABS 部。滑块的前ABS部表示为250，而尾缘部表示为150。尾缘部包括两个平 行的侧轨325和中间轨350。这些结构由纟艮深的气流通道320彼此分开，气 流通道320帮助提供滑块的稳定的空气动力学性能。这些结构的如平面透视 图给出的垂直"最高"表面(高度在朝着盘表面的方向上测量)形成滑块的 ABS平面，并且由较密集的阴影表示。气流通道320的深度由dc表示，并 且他们没有画阴影以表示他们为图中最深的结构。
磁传感器30用短线表示，并且相邻于但低于表面加热DFH元件(未示 出)，二者都埋在中间轨350的尾缘形成的微型垫310内。微型垫示出为近 似梯形形状，但是该形状可以是任意的。中间轨的尾缘的侧向边缘以两翼355 的形式向外突出，基本上关于中间轨的中心线对称设置，其两翼基本上围绕 微型垫310。如图可见，翼的延伸和形状在中间轨的尾缘周界内产生凹陷。 微型垫容纳在该凹陷内，并且具有表示为lmp的侧向尺寸(沿着尾缘测量) 和表示为Wmp的宽度尺寸(从尾缘向前缘测量)，而由两翼侧向围绕。
由wt表示的宽度尺寸的沟槽360将微型垫与凹槽周界的两翼及其余部 分分开，并且因此微型垫与中间轨物理隔离。正如下面我们将讨论的，由dt 表示的沟槽360的深度是设计特性上重要的决定性因素，并且滑块最终的动 态性能可以通过调整(改变)该深度显著和有利地进行调整。该深度在制造 工艺中单独地控制，并且它既不受诸如气流通道320的其它特征的限定也不受其约束。在本图的滑块中，微型垫宽度Wmp (从尾缘到前缘测量)优选为 约30与60微米之间，并且沟槽的宽度Wt(类似地测量)优选为约20微米。
沟槽的深度dt优选为约0.3与3微米之间。也可以看到，中间轨具有另外的 形貌特征，例如浅槽和较高的隔挡(barrier),其在滑块运转期间产生通过孩吏 型垫的所希望的气流。尽管这些浅槽的形状和尺寸可以调整以优化空气动力 学特性，但是微型垫和沟槽产生了满足本发明目标的性能。
通过在小的微型垫中埋设加热器元件和读/写头并且通过沟槽将其与滑 块的其余部分分开，在HDD运行期间以稳定的方式保持传感器区域上的空 气压力。这是因为传感器上的空气压力取决于进入的气流和"压力长度"， 该压力长度是空气沿着传感器区域行进的距离。另外，如上所述，中间轨在 微型垫后面(即，至前缘侧)的形貌形状也分隔气流，并且限制空气通过微 型垫的量。
如上所述，本发明的优选实施例是提供优秀的DFH效率的滑块ABS设 计，在传感器区域上消除严重的空气压力变化，并且产生作为提供给DFH 加热器的功率的函数的仔细调节的飞行高度变化。在没有分开的微型垫的传 统现有技术ABS设计中，传感器元件处测得的空气压力可高达23atm。如图 2和图3所示的本ABS设计在相同的区域中仅产生5atm的测得空气压力。 因为空气压力的推回已经显著减少，所以这对滑块的气垫特性提供极好的 DFH效率。另外，沿着本发明的ABS,特别是在传感器区域中的空气压力 的减少保证了飞行高度仅最低限度地受到旋转盘的表面热变形和其它表面 变化的影响，并且保证读/写操作期间优秀的DFH效率。
的功率的函数的所测飞行高度间隔(垂直轴)的图示。该设计示出了 100mW 的功率通常产生间隔9nm。参考图5，其示出了本发明几个滑块示例的类似 图示，其中如1 OOmW的功率输入的间隔19nm所示，接近使DFH效率加倍。 图5中的滑块都具有约1.5微米的沟槽深度和约19nm/100nW的效率。他们 之间的差别仅在于他们的飞行高度。 第二优选实施例
本发明的第二优选实施例是对于给定的加热器功率控制微型垫表面的 DFH突出的方法，并且因此控制围绕并且包括读/写头有源表面的区域的突 出。该方法为改变围绕微型垫的沟槽的深度。在上面的讨论中，我们指出沟槽的任务是使得微型垫与ABS的尾缘部分开，并且因此通过减少压力长度 来减少在微型垫表面上的压力。在本实施例中，我们论证沟槽由于能改变其 深度而为滑块的动力学提供附加的控制机制。
着重参考示意图6，其可见微型垫310、可调节沟槽360、加热器元件 60和部分中间轨330的垂直截面。
参考图7,其示出了对于固定加热器的功率到85mW作为沟槽深度的函 数的DFH突出的图示。如图所见，随着沟槽深度从约20微米改变到约80 微米，微型垫突出从约14nm平稳地变化到约18nm。可以看到，能使本发 明的具有控制沟槽深度能力的滑块产生21nm/100mW的微型垫突出，而现有 技术滑块的能够产生的不大于13nm/100mW。
参考图8，其示出了对于85mW的加热器功率作为沿着截面切割的距离 (mm)的函数的测得的示范性微型垫突出轮廓(nm)的图示。两个垂直线 表示围绕读/写头的有源部的上下屏蔽的位置。没有突出的区域对应于沟槽的 位置。
正如本领域技术人员所理解的，本发明的优选实施例是对本发明的说 明，而不是限制本发明。可以对方法、工艺、材料、结构和尺寸进行改变和 修改，由此形成在HDD运行期间具有提高和被控制的DFH效率及最小的飞 行高度变化的DFH型滑块，并仍然提供根据由所附权利要求定义的本发明 形成的DFH型滑块。
权利要求
1、一种动态飞行高度型滑块，具有提高的和可控的动态飞行高度效率，以及动态飞行高度滑块的运行飞行高度对盘表面不规则和环境条件的降低的敏感性，所述动态飞行高度型滑块包括气垫面形貌，包括分开的前部和尾部，其中所述尾部还包括一对侧向设置的平行的侧轨、实质上居中地形成在所述侧轨之间且平行于所述侧轨的形貌图案化的中间轨以及形成在所述中间轨和所述侧轨之间的气流通道；其中所述中间轨的尾缘包括关于所述中间轨的中心线对称设置的一对侧向设置的翼状突出，由此形成所述中间轨的尾缘周界内的凹陷并且其中微型垫形成在所述凹陷内，所述微型垫具有宽度尺寸wmp和侧向尺寸lmp，并且所述微型垫由所述翼状突出侧向围绕，并且所述微型垫通过具有宽度wt和独立可变的深度dt的沟槽与所述中间轨的尾缘周界分开，由此所述微型垫形成所述尾缘的具有小的表面面积的完全隔离部，并且其中读/写头和动态飞行高度加热元件埋设在所述微型垫内，由此所述加热器能够以减小的推回效应提供所述微型垫的热诱导突出。
2、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述微型垫在所述读/写头处提供短的压力长度和相应减小的压力，由此在滑块运行期间减小加热器诱导的推回效应。
3、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述中间轨的所述形貌图案分开在所述微型垫周围的气流，由此进一步减小所述推回效应，并且在滑块运行期间提供空气动力学稳定性。
4、 如权利要求2所述的动态飞行高度型滑块，其中对于给定的加热器功率水平，减小的压力和减小的推回效应使得飞行高度较大地减小，由此降低了功耗，并且延长了所述读/写头的寿命。
5、 如权利要求2所述的动态飞行高度型滑块，其中减小的压力和减小的推回效应使得所述滑块对由盘表面的变化引起的飞行高度变化的敏感性降低。
6、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述沟槽深度dt被改变以提供所希望范围的作为加热器功率的函数的微型垫突出。
7、 如权利要求6所述的动态飞行高度型滑块，其中通过在约0,3微米与约3微米之间改变所述沟槽深度，在约100mW的加热器功率下能够获得约13nm与21nm之间的樣t型垫突出。
8、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述微型垫的侧向尺寸lmp和宽度尺寸wmp中的每一个都在约30微米与60微米之间。
9、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述沟槽的宽度尺寸Wt为约20微米。
10、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中所述微型垫的侧向尺寸Up和宽度尺寸w呵的每一个在约30与60微米之间，并且其中所述沟槽的宽度尺寸wt为约20微米，因此在约85mW的加热器功率下在约20微米与80微米之间改变所述沟槽深度dt产生约14nm与18nm之间的飞行高度变化。
11、 如权利要求1所述的动态飞行高度型滑块，其中对于约1.5微米的沟槽深度，所述动态飞行高度效率为约19nm/100mW。
12、 如权利要求U所述的动态飞行高度型滑块，其中所述读/写头位置处的空气压力为约5atm。
全文摘要
本发明提供一种动态飞行高度(DFH，dynamic flying height)型滑块，该滑块的气垫面(ABS)设计显著地改善了DFH效率，并且降低了飞行高度对周围条件和盘表面变化的敏感性。这是因为将读/写头和加热器埋入表面积非常小的微型垫中。微型垫由从ABS中的中间轨突出的翼状结构围绕。微型垫与中间轨由围绕的沟槽分开，该沟槽的深度可以变化来调整DFH效率。微型垫的表面积很小而减小了在读/写头处的空气压力，并且突出的翼和相邻的形貌帮助引导围绕微型垫的气流。
文档编号G11B5/60GK101567194SQ20091013214
公开日2009年10月28日 申请日期2009年4月21日 优先权日2008年4月21日
发明者铸 冯, 沈新江, 罗伯特·查, 车泰昊 申请人:Sae磁学(香港)有限公司