专利名称：使用化学和机械抛光技术生成滑动器衬底上微纹理的系统和方法
技术领域：
本发明目的是提供用于硬盘驱动器(HDD)头万向架组件的磁头滑动器。更特别地，本发明用于使用化学和机械抛光技术在滑动器衬底上生成微纹理。
背景技术：
现在，在电子消费品的市场中，硬盘驱动器产业正取得巨大的成功。成功的主要原因之一是，可以满足用户的需求，可以在不断减小形状参数的情况下获得不断增加的存储能力(例如，用于便携式音乐播放器的超过1Gb的1”以及以下的盘)。迄今为止，这些进步是在比竞争对手(例如闪存)投入最小成本的情况下获得的。
然而，继续进步需要克服引起的设计和制造困难。这些困难在驱动器级别和组件级别上都能找到。
通过背景技术，执行读/写指令时，硬盘驱动器的致动器(臂)进行操作，将磁头沿旋转盘片的表面放置。典型地，磁头使用一滑动器支撑。典型的滑动器体如图1所示。如图1所示，设计在通常的滑动器104中的ABS102可以通过一对平行的轨道106和108形成，此对轨道沿滑动器面向盘片的表面的外边缘延伸。典型地，此对轨道106和108离开滑动器从前缘110到后缘112的主体长度至少一部分。前缘110被定义为旋转的盘片在通过滑动器104的长度方向前所经过的，相对于后缘112的滑动器的边。典型地，如图1所示，换能器或磁头元件114配置于沿滑动器后缘112的某位置。
典型的滑动器的操作如图2所示。悬臂204支撑着位于移动的盘片206(具有边208)上方，并在箭头210所示方向移动的头万向架组件(HGA)202。在磁盘驱动器操作中，如图2所示，致动器212在盘片206的不同半径(例如内半径(ID)，中半径(MD)和外半径(OD))上的弧214上移动HGA。
为保持硬盘驱动器技术现有的优势，两大设计要点必须被不断应对和提高不同硬盘驱动器组件的a)浮动高度和b)表面粗糙度，同时保持头的最优浮动参数(例如，顶点，曲度，扭转，以及护膜和极端的凹陷)。
为获得硬盘驱动器的最大性能，磁头必须浮动到离盘表面尽可能近，同时仍维持一恒定的所需间隙。该间隙通常被称为盘的“浮动高度”或“磁隙”。在盘旋转时，会在其表面随之带来少量的流动空气(大体上平行于盘的线速度方向)，导致磁头向上浮起，从而造成了磁头在盘片上的“浮动高度”。典型地，支撑头的滑动器形成气动形状，以使用少量气流离旋转盘片表面的均匀距离，以防磁头接触盘片。磁头离盘片最近的表面(由流动的空气支撑)称为“空气支承表面”。在图1中，轨道106和108组成空气支承表面，滑动器浮动于其上，并通过与旋转盘片产生的气流相接触提供必要的升力。在盘旋转时，产生的风或者气流经过滑动器轨道106和108下面以及之间。气流从轨道106和108下面通过时，轨道与盘片间的空气压力增加，从而提供正向挤压和升力。总之，随着空气支承表面面积增加，所造成的升力量也增加。因此，设计要点之一是，需要一种方法，能够设计包含头与盘片之间最小间隙量的浮动高度，这是硬盘驱动器成功操作所需要的。
第二，任何有关表面粗糙度的问题必须被应对，以克服任何妨碍磁头浮动到离盘片表面尽可能近的能力的相关摩擦问题。除了通常的由于盘驱动器移动部分(例如，盘，加载或卸载区或者磁头)的摩擦阻力，不管对于盘还是磁头，过大的表面粗糙度都会显著增加HDI(头盘互动)的机率，经常导致间歇接触和/或碰撞。然而，如果平滑这些表面，那么同时持续增加的平滑度也会带来一些问题。越平滑的表面会导致作用在表面的分子间(范德瓦尔氏)力的增加，还会导致在操作模式中对于振幅和压力变化的敏感度变高。这些因素都会导致更多的非预期的浮动高度变化。因此，需要一种高成本效益的过程，可以轻松获得所需要的磁盘最优设计性能的光滑度。
盘驱动器组件的浮动高度和表面粗糙度必须被设计，以保留头的机械操作参数，如顶点，曲度和扭转。“顶点”代表外形向滑动器的前向或尾向(如所示的Y-Y平面)扭曲，而“曲度”代表外形向磁头滑动器的侧向(如所示的X-X平面)扭曲。顶点和曲度如图3所示。同样，在衬底上获得微纹理的期望值的同时，头的护膜凹陷和极顶凹陷参数也必须同样最优。护膜凹陷是头的氧化铝表面和空气支承表面之间的高度差。极预凹陷是极顶材料和空气支承表面之间的高度差。
通常通过研磨和摩擦的过程使得头平滑和磨光。特别地，摩擦是一种材料去除过程，在此过程中，一个含有许多坚硬研磨砂砾的表面磨损较软的材料。研磨是一种采用磨料粒子(常为液态)从一表面去除不需要的胚料的制造方法。
在应对盘和头级别的问题方面已经有过一些尝试。例如，一定量的纹理可以设计在加载/卸载区域(例如，“区域纹理”)以便于减少上述影响。然而，事实证明这并非足以有效获得期望性能的方法。
另一选择可用于增加盘的粗糙度，如图4a所示。图4a所示的是浮动在具有纹理的盘表面的一光滑滑动器体表面。然而，同样如前所述，通过这一方式增加粗糙度可能造成这样的问题，当粗糙度增加导致更大的摩擦时，造成一高于所需的浮动高度。而且，增加盘(作为数据载体)表面的粗糙度通常并非有利。为最优性能增加表面粗糙度的另一选择实在滑动器体自身做出纹理，如图4b所示。图4b示出的是一具有纹理的滑动器体表面和一平滑的盘面。
通常，滑动器体可以包括一二相粒状混合陶瓷材料，称为AlTiC(碳化铝钛)，其中AlTiC通过Al2O3(氧化铝)和TiC(碳化钛)各自的晶体形成。滑动器的头部分典型地是一形成在滑动器部分的后缘面上的氧化铝薄层，在其上嵌入头的磁性部分。图5a-b为滑动器504的一个实施例的顶视和侧视图。那么衬底502可以通过一种喷溅的透明氧化铝的内涂层材料504沉积下来。屏蔽506和读/写传感器508可以使用常用的光平板印刷或电沉积技术制造在喷溅透明氧化铝之上。然后，读/写传感器508可以使用覆盖材料510(同样是氧化铝)仔细地沉积下来，该材料也可作为包住头的读/写传感器508的绝缘媒介使用。
然而，如果设计不正确的话，滑动器的氧化铝部分经常与盘片接触，从而造成故障。氧化铝覆层的过度延展通常会导致不恰当的研磨。因此，主要的设计目标是确保无论滑动器的操作环境如何，沿滑动器后缘的任何氧化铝的高度都不高于滑动器的空气支承表面的高度。
“用于以超声方法为硬盘驱动器的磁头ABS制造纹理的方法和装置”(美国专利号5967880)提出了一种用于制造滑动器体纹理的方法。在这种方法中，sonitrode形式的超声能量被用于与磨料氧化铝浆组合以产生滑动器体上的微纹理。特别的，头与盘片毗连，而磨料浆置于其间。最后，sonitrode被振动，从而沿头的空气支承面形成纹理。然而，这一方法有其局限。首先，使用来自sonitrode沿头表面的振动会导致制造的不规则，且滑动器体的任何过度震动都会降低头的性能。其次，由于磨料浆粒子与器体碰撞，粒子经常会熔化滑动器体。熔化的磨料经常无法去除，导致外部机体嵌入到滑动器中。结果，干扰浮动高度参数的可能性大幅提高，可能性的大小由熔入到头中的磨料浆的大小和数量决定。这一干扰如果足够大，在驱动器级的操作中，会导致灾难性的故障。
其三，在当今产业中采用的另一替代手段是使用蚀刻过程创造用于形成滑动器体材料的混合物(例如上文讨论的Al2O3和TiC的二相混合物)。氧化铝晶粒可以优先蚀刻在颗粒混合物材料上，以建立两晶粒高度间的相对差异，从而造成图6a-b所示的微纹理。这一技术提供的该微纹理是由于两种材料的蚀刻率不同造成的。然而，由于这一方法将离子束应用在滑动器表面，带来了将读取器的敏感元件暴露给离子束的高能量的风险(如图7所示)。制造的纹理数量直接与混合物暴露在能量束中的时间成比例。然而，若读取器暴露在过强的能量中，它会开始表现出消磁的征兆。一种抵消能量束效果的手段是使用光阻材料覆盖敏感的读取器(如图8所示)，然后再将其置于能量束下。然而，这会导致制造过程更为复杂，并降低磁头性能。
“生产滑动器的方法”(美国专利号6428715)中讨论了另一种手段，其中公开了去除氧化铝突出的方法，其中滑动器的空气支承面在pH值大约9-11的水性基础上处理。然而，这种方法的缺陷在于从制造的角度看，所公开的蚀刻过程实际上需要将选定器件浸入水性溶液中。这一过程不精确且成本效益低。
“用于使用柔软，温和研磨处理制造薄膜磁转换器的方法和装置”(美国专利号6712985)中描述的另一种方法公开了一种化学机械处理，该过程限定使用研磨媒介浆，一起使用的是一种配合软垫。然后该研磨媒介被用于采用了配合软垫的头表面。应用后，配合垫的动作使得可以进行机械蚀刻，以消除头的磁阻传感器元件和屏蔽之间的异常。然而，这一过程局限于浆的使用不精确，并且通常其主要目的是异常和污渍的消除，而非滑动器体上微纹理的制作。
常用的研磨工艺典型地采用钻石作为浆中的机械磨料，用于磨光表面。钻石相对于磁阻传感器和相连的屏蔽相当坚硬，在接触后会留下残余应力点，会降低头的磁性。需要一种方法，采用较软的磨料，以防留下残余应力点。此外，使用钻石浆的研磨经常会导致磁头表面被擦伤而降低磁头性能。最后，使用钻石浆中嵌入钻石粒子的研磨常会在磁阻传感器和屏蔽区域留下印记(通常称为“黑点”)。
因此，显然需要开发一种新方法，以克服前述缺陷，并以最高成本效益的方式，精确的在滑动器基底上制造最优数量的微纹理。
图1给出了典型滑动器的说明。
图2给出了典型滑动器的典型操作的说明。
图3给出了滑动器体上顶点和弧面的说明。
图4b给出了平滑滑动器体表面和具有纹理的盘表面的说明。
图4b给出了具有纹理的滑动器体表面和平滑盘表面的说明。
图5a-b给出了滑动器一个实施例的顶视图和侧视图。
图6a-b给出了一种用于制造微纹理的蚀刻过程的说明。
图7给出了将读元件暴露在喷射的离子能量束中的说明。
图8给出了在暴露在喷射的离子能量束中时使用光阻材料覆盖读取元件的说明。
图9给出了化学机械抛光(CMP)垫600的一个实施例的说明。
图10给出了将松散氧化铝晶粒从滑动器体表面剥离的说明，同时还显示了残存的TiC晶粒。
图11给出了开环研磨装置的一个实施例的说明。
图12说明了根据本发明实施例的研磨装置，包含一固定实施例和一CMP垫盘实施例。
图13给出了作用在滑动器体上的浆的切向力的说明。
图14给出了滑动器使用真空刻纹处理后的纹理特性的说明。
图15给出了滑动器使用CMP刻纹处理后的纹理特性的说明。
具体实施例方式
一种使用化学或机械抛光技术生成滑动器衬底上微纹理的方法和装置将被公开。微纹理采用化学机械抛光技术制造。在一个实施例中，浆的磨料和碱性被用于制造滑动器体的微纹理。
通过背景技术可知，在滑动器的制造过程中，多个磁性换能器被同步沉积到圆片表面。该多个沿圆片表面的磁性换能器典型地分片成组以形成一滑动器长条。这些多个滑动器长条进一步包括安装在固定结构上的磁头，并且进一步准备(例如使用抛光或研磨技术)以确保磁头具有平整的轮廓。
在本发明的实施例中，一CMP(化学机械抛光)垫被用于协助获得所需的头表面的磨光。图9示出了CMP垫900的一个实施例。预定长度的纤维902从基座伸出。在优选实施例中，纤维长度约为600微米。CMP垫900与长条表面摩擦时，这些纤维俘获分散于头部的磨料氧化铝粒子。在这个实施例中，垫900具有位于其表面的孔901。孔901的作用是在研磨过程中使得过量的浆溢出以防浆液堆积。垫也可被擦拭(例如用布，下文讨论)以确保浆液在垫半径方向的统一分布，从而保证统一的去除率。
因此，在本发明的实施例中，使用旋转CMP垫处理磨料浆，使得长条与CMP垫表面浆液接触，从而擦去磁头过量的氧化铝护膜凹陷(使用上述的化学机械原理)。
研磨过程的另一关键要素是磨料浆的选择。在本发明的实施例中，用CMP垫处理的浆溶液具有一个公知的合适的pH值(酸度)。在优选实施例中，浆液平均直径中包含大约30nm的密集胶态二氧化硅微粒。本实施例中的磨料浆(例如“化学蚀刻剂”)包含相对较软的胶态二氧化硅微粒，分散在去离子水中，重量比为5％，导致溶液的pH值约为8。浆液被调配以获得最大的均匀性，从而在研磨过程中达到均匀，且对头材料的磨损最小。
浆液相对较低的pH值作用为消除腐蚀屏蔽材料以及磁阻头其它含铁材料的危险。碱性溶液的作用是削弱氧化铝晶粒边界的接触，并且当与CMP垫附加的磨光动作结合时，松散的氧化铝晶粒被从滑动器体上剥离。随着氧化铝晶粒被从相邻的碳化钛晶粒上剥落，两种晶粒之间高度不同导致的微纹理便形成了，同时仍然维持较小的护膜凹陷。根据本发明一个实施例的微纹理在图10中说明。图10说明了氧化铝晶粒被剥落的同时，TiC晶粒仍然存在所形成期望的微纹理。
此外，胶态二氧化硅浆液的使用还作为避免“应力点”、“黑点”以及擦伤等上文讨论的问题。胶态二氧化硅具有远低于钻石的努普氏硬度，这样可以减轻残余应力问题导致的磁头性能的降低。
使用胶态二氧化硅浆液还有助于去除沿传感器区域的污点和金属短片，从而加强磁性。在制造过程中，磁头会受到多种力的作用，导致在读取器表面留下不想要的应力点和电短片。然而，浆液成分中的磨料胶态二氧化硅粒子会磨去少量的读取器表面材料，相对残留的短片和应力外面留下少许应力传感器层。
用于在CMP垫上研磨长条的研磨机可以是闭环系统也可以是开环系统。在图11所示的实施例中使用了开环系统，包括固定支持长条1101，擦布1102和CMP垫1103。在研磨过程中，CMP垫1103被旋转而固定支承的长条1101则在一预定压力下保持恒定接触(见图9所述)。如上所述，擦布1102被保持与旋转的CMP垫表面接触，以防过量浆液堵塞。
本发明研磨装置的一个实施例如图12所示。在该实施例中，长条1203被刻纹的面朝向CMP垫1203放置。CMP垫1203可以是旋转盘的形式。长条1203可以附着在胶塞1202上，而胶塞则进一步附着在固定物1206上。如图12所示，长条1203可以根据胶塞1202定位，这样当CMP垫1203旋转时，垫1204的转速即可进行对长条1203的研磨和磨光。固定物1206可以紧固到一振荡夹具(未示出)上，这样可以促进研磨进程。如上所述，在CMP垫旋转的同时压力1201可以施加到支撑多个长条1203的固定物1206上，以进一步确保研磨和磨光过程。在本发明的实施例中，可以如此固定，使得多个长条在同一时间被研磨，从而提高生产线的产量。
在本发明的实施例中，垫的旋转速度和固定物的振荡可以进行选择，以产生在盘旋转方向的切向力。关于滑动器区域1300和传感器区域1301的最终切向力(以及浆流的合成运动)的方向在图13中详示。
在一个实施例中，长条可以在研磨过程中被研磨2分钟。然后长条被使用异丙醇(IPA)彻底擦拭，以防硅的再结晶。然后长条被在皂液的超声浴中漂洗和清洗15分钟。这一清洁过程进一步确保磁头长条不附着粒子。
因此，在本发明公开的刻纹方法的各种实施例中，研磨时间，研磨过程中采用的压力，浆液浓度，旋转速度以及CMP垫的磨损性都被进行调整，以获得滑动器表面最优数量的微纹理。
本发明实施例中的方法所产生的微纹理可以产生更可期望的随机的氧化铝晶粒去除。这一随机去除有助于在滑动器头上制造额外的纹理，从而获得更好的浮动高度特性。
在测试中，本发明实施例中的所有头部纹理都在此后建造在悬架上，安装到驱动器中，并评估性能。如后边的表1所示，与常规的无纹理头相比时，高度和转速(rpm)的敏感性测试都显示了改善的特性。这些结果显示，CMP过程的不规则纹理点都被证明是有效的。如下表2所示，浮动高度也进行了测试，并显示浮动高度特性正常。
本发明实施例所涉及的成本可以非常微小，因为在半导体产业中，本发明实施例中所述的胶态二氧化硅和CMP垫都是廉价且触手可得的。与钻石基础的浆液不同，胶态二氧化硅远为低廉。而相比前述的真空处理，传感器并不会因暴露在高能束下而在长时间后导致磁性能的降低。
本申请参照之前提到的申请进行表述，对优选实施例的描述也并不仅限于其本身。应该理解的是，本发明的所有特征并不限于此处给出的特定叙述、配置和尺寸，而是可以根据其原理进行变化。本发明所公开的装置形式和细节的改变以及其它改变，都是本领域技术人员参照现有公开显而易见的。因而，不超出本发明的精神和范围，对本发明形式和细节上的各种变化，都属于附后权利要求所限定的范围。
下附表1和表2。
表1-(TDV/TOV结果) 表2-测试数据
权利要求
1.一种方法，包括配制一预定期望酸度的磨料浆液；使用该磨料浆液对一化学机械抛光垫进行处理；将至少一个滑动器体置于该化学机械抛光垫上；并且在一预定时间段内研磨和磨光该至少一个滑动器体。
2.如权利要求1所述的方法，其中该磨料浆液包括胶态二氧化硅。
3.如权利要求1所述的方法，其中该磨料浆液的预定酸度具有大约8的pH等级。
4.如权利要求1所述的方法，其中该磨料浆液由直径约30nm的粒子组成。
5.如权利要求2所述的方法，其中该磨料浆液以5％的比重分散在去离子水中。
6.如权利要求1所述的方法，其中该化学机械抛光垫进一步包括纤维，也使用该磨料浆液处理，该纤维从该化学机械抛光垫的基底上发散出来。
7.如权利要求6所述的方法，其中该纤维长度约600微米。
8.如权利要求6所述的方法，其中在研磨和磨光操作中，纤维俘获头上分散的磨料氧化铝粒子。
9.如权利要求1所述的方法，其中该化学机械抛光垫进一步包括用于防止磨料浆液过量堆积的孔。
10.如权利要求1所述的方法，其中该化学机械抛光垫旋转以加强研磨和磨光。
11.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个滑动器体被排列成至少一个长条附着在固定物上并排列在该化学机械抛光垫上。
12.如权利要求11所述的方法，其中固定物上施加压力以加强研磨和磨光。
13.如权利要求11所述的方法，其中固定物振荡以加强研磨和磨光。
14.如权利要求1所述的方法，其中该预定时间段为两分钟。
15.权利要求13所述的研磨盘，其中化学机械抛光垫的转速和固定物的振荡被选择以获得平行于化学机械抛光垫旋转方向的切向力。
16.一种装置，包括一预定期望酸度的磨料浆液；一使用该磨料浆液处理的化学机械抛光垫；至少一个附着在固定物上的滑动器体，置于该化学机械抛光垫上以在一预定时间段内研磨和磨光。
17.如权利要求16所述的装置，其中该磨料浆液包括胶态二氧化硅。
18.如权利要求16所述的装置，其中该磨料浆液的酸度大约为8。
19.如权利要求17所述的装置，其中该磨料浆液由紧密挤压的直径约30nm的粒子组成。
20.如权利要求16所述的装置，其中该化学机械抛光垫进一步包括纤维，也使用该磨料浆液处理，该纤维从该化学机械抛光垫的基底上发散出来。
21.如权利要求20所述的装置，其中该纤维长度约600微米。
22.如权利要求16所述的装置，其中该化学机械抛光垫进一步包括用于在研磨和磨光过程中防止磨料浆液过量堆积的孔。
23.如权利要求16所述的装置，其中该化学机械抛光垫在研磨和磨光处理期间旋转。
24.如权利要求16所述的装置，其中该至少一个滑动器体被排列成至少一个长条附着在固定物上并排列在该化学机械抛光垫上。
25.如权利要求16所述的装置，其中固定物上施加压力以加强研磨和磨光。
26.如权利要求16所述的装置，其中固定物振荡以加强研磨和磨光。
27.如权利要求16所述的装置，其中该预定时间段为两分钟。
28.如权利要求16所述的装置，其中该化学机械抛光垫的转速和固定物的振荡被选择以获得平行于化学机械抛光垫旋转方向的切向力。
29.如权利要求16所述的装置，其中采用开环系统。
30.如权利要求16所述的装置，其中采用闭环系统。
全文摘要
一种使用化学或机械抛光技术生成滑动器衬底上微纹理的系统和方法将被说明。在本发明的特定实施例中，完成方法包括配制一预定酸度(或pH值)的磨料浆液，使用该磨料浆制造一化学机械抛光垫，将磁头置于该化学机械抛光垫上处理，并研磨和摩擦磁头一预定时间段。在本发明的特定实施例中，完成磁头的研磨和摩擦使用的装置包括一预定酸度(pH值)的磨料浆液，使用该磨料浆液制造的一化学机械抛光垫，磁头被固定，使得磁头能在该化学机械抛光垫上进行处理。
文档编号B24B37/04GK101075472SQ200710101698
公开日2007年11月21日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者N·马哈德夫, W·乔斯, K·亚苏达, R·阿亚拉, T·阮 申请人:新科实业有限公司