SixNy应用在硬盘磁头保护膜上的研究

摘要

当DLC(类金刚石)薄膜的厚度低于2nm时，传统的DLC/Si磁头保护膜已经起不到保护作用，而降低磁头保护膜的厚度可以提高硬盘存储密度，所以探索开发新的、性能更加优异的磁头保护膜成为了该领域的热点。DLC/SixNy磁头保护膜（以SixNy为基底的DLC磁头保护膜）是对传统DLC/Si磁头保护膜的拓展和创新。本文首次探讨将SixNy应用在硬盘磁头保护膜上，主要以制备的SixNy薄膜为研究对象，通过多项先进试验方法首先研究了N2流量和偏压对DLC/SixNy薄膜化学结构和表面形态的影响，接着着重研究了N2流量和偏压对薄膜抗腐蚀性能、电学性能等的影响，并与传统的DLC/Si磁头保护膜的抗腐蚀性能、电学性能作比较，寻找在什么条件下可以制备出性能更加优越的DLC/SixNy磁头保护膜。
　　本次研究采用电子回旋共振化学气相沉积工艺（Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition,ECR-CVD），将磁头表面已经镀好的Si层氮化从而形成SixNy薄膜，随后采用FCVA沉积工艺在SixNy薄膜上沉积DLC，最终得到厚度约5.5nm的DLC/SixNy磁头保护膜。
　　采用X射线光电子能谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）分析了N元素的含量，发现薄膜中N含量随着N2流量和偏压的增大都出现先上升后下降的趋势。在N2流量为120sccm时薄膜中N含量达到最大值为4.76％，N/Si比达到最大值0.4；在偏压为-150V时薄膜中N含量达到最大值为5.37%,N/Si比达到最大值0.46。同时采用俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy,AES）分析了N等元素的深度分布状态，发现界面区N的原子浓度随着N2流量的增加呈现出先增加后减少的趋势，在N2流量为120sccm时薄膜中的N含量达到最大值，这与用XPS对薄膜N含量的分析结果非常吻合，进一步证实了薄膜中的N含量随N2流量的这一变化规律；界面区N的原子浓度随着偏压的增加而增加。采用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）分析了DLC/SixNy磁头保护膜的粗糙度和表面形貌，发现了其表面状态没有随着N2流量和偏压的增加而出现明显变化。
　　采用XPS分析了C、N和Si的主要化学键结构，结果表明，薄膜中大部分的C元素以sp3C、sp3C-N和sp2C形式存在，其余C原子与Si原子形成C-Si键；薄膜中N元素主要以N-sp3C和N-sp2C形式存在，其余N原子与Si形成N-Si键；薄膜中Si元素以Si-N、Si-C和Si-O键形式存在。
　　采用Keithley2400型超薄薄膜电阻测量仪测试了不同N2流量和偏压下DLC/SixNy薄膜的电阻值，发现薄膜电阻随着N2流量和偏压的增加都出现增加的趋势，分别从1.64M上升到11.74M和从0.69M升到8.11M，均比相同厚度的DLC/Si薄膜电阻（0.17M）大。在薄膜电阻随偏压的变化趋势中出现了两个电阻变化缓慢区（A区和B区），与A区和B区相对应的偏压范围分别是0V--50V和-100V--150V。采用椭偏仪测试了DLC/SixNy薄膜的折射率，发现N2流量和偏压的变化没有对薄膜的折射率产生影响。
　　采用草酸腐蚀实验测试了DLC/SixNy磁头保护膜的抗腐蚀性能，在腐蚀时间为8分钟时，发现磁头的腐蚀率随N2流量的增加从3.3%上升到15.9%，随偏压的增加先从18.0%先下降到3.8%，然后又上升到23.8%。而在传统的DLC/Si薄膜保护下，磁头的腐蚀率为10.7%，与之比较，发现在N2流量小于90sccm时DLC/SixNy磁头保护膜体现出了更好的抗腐蚀性能；当偏压在-50V致-150V之间时DLC/SixNy磁头体现出了更好的抗腐蚀性能，尤其是在-150V时磁头的腐蚀率达到最低仅为3.8%。
　　本次研究探索开发了SixNy薄膜的新用途，即作为DLC膜的基底应用在磁头保护膜上。研究了DLC/SixNy磁头保护膜不同于传统的DLC/Si磁头保护膜的新特性，为开发下一代磁头保护膜，改善其性能提供了新思路；为新工艺、新产品的研发，提供了试验参考数据和理论依据，尤其是使进一步降低磁头保护膜的厚度成为可能，从而达到进一步提升硬盘存储密度的目的；为拓展DLC和SixNy薄膜制品的应用领域、巩固和扩大市场打下了基础。

目录

SixNy应用在硬盘磁头保护膜上的研究

Investigation on the application of SixNy on hard disc recording headCandidate:Kuang XupingSupervisor:Asso.Prof. Zhang HuayuAssociate Supervisor:Asso.Rese.Ma HongtaoAcademic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Materials ScienceAffiliation:Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence:June, 2008Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 本课题研究的目的和意义

1.3 氮化硅薄膜与硬盘磁头保护膜（DLC）简介

1.4 本文主要研究内容

第 2 章 SixNy薄膜的制备与表征

2.1 引言

2.2 SixNy薄膜的制备

2.3 SixNy薄膜的表征方法

2.4 本章小结

第 3 章 DLC/SixNy磁头保护膜成分结构和表面状态的分析

3.1 引言

3.2 DLC/SixNy薄膜成分分析

3.3 DLC/SixNy薄膜化学结构的XPS分析

3.4 薄膜深度分析

3.5 DLC/SixNy薄膜表面状态分析

3.6 本章小结

第 4 章 DLC/SixNy磁头保护膜的性能

4.1 引言

4.2 DLC/SixNy薄膜电学性能分析

4.3 SixNy对DLC薄膜光学性能的影响与分析

4.4 SixNy对DLC薄膜抗腐蚀性能的影响与分析

4.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢