具有降低的應(yīng)力各向異性的薄膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有降低的應(yīng)力各向異性的薄膜。一種裝置及其關(guān)聯(lián)方法提供一種磁性元件，該磁性元件具有在低溫基板上沉積的薄膜。該薄膜另外可以在初次退火期間經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)以降低不想要的應(yīng)力各向異性。該薄膜可配置成在初次退火之后具有近零內(nèi)部應(yīng)力。
【專利說明】具有降低的應(yīng)力各向異性的薄膜

【發(fā)明內(nèi)容】

[0001]本公開的各種實施方式一般涉及磁性元件，該磁性元件能夠從形狀因數(shù)減小的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中進行有效的數(shù)據(jù)讀取和記錄。根據(jù)各種實施方式，在低溫冷卻的基板上沉積的薄膜可以在初次退火期間進行應(yīng)力調(diào)整，以降低不想要的應(yīng)力各向異性并在初次退火之后產(chǎn)生近零內(nèi)部薄膜應(yīng)力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]圖1是數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的示例部分的框圖表示。
[0003]圖2大致示出了示例磁性元件的一部分的框圖表示，該磁性元件能夠用于圖1中顯示的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的該部分。
[0004]圖3以曲線圖示出示例磁性寫入元件的示例應(yīng)力特征。
[0005]圖4顯示了示例磁性元件的給定生長溫度的示例應(yīng)力特征。
[0006]圖5繪制了通常與根據(jù)各種實施方式構(gòu)造和操作的磁性元件相關(guān)聯(lián)的性能數(shù)據(jù)的圖表。
[0007]圖6以曲線圖示出示例磁性元件的各種操作特征。
[0008]圖7提供根據(jù)各種實施方式構(gòu)造的磁性元件制造例程的流程圖。
【具體實施方式】
[0009]數(shù)據(jù)存儲設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計致力于降低數(shù)據(jù)位的尺寸同時努力增加數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)存取速率，以提高數(shù)據(jù)容量、傳輸率和可靠性。隨著這種尺寸上的降低，數(shù)據(jù)讀取和寫入組件面臨尤其關(guān)于磁性特征進行精確執(zhí)行的挑戰(zhàn)。也就是說，降低數(shù)據(jù)存取組件的尺寸會影響那些組件如何運作，這可能禁止數(shù)據(jù)位的寫入和感測。
[0010]薄膜材料的沉積涉及機械應(yīng)力的積聚，這可能負(fù)面影響磁性元件的性能。明確地說，不想要的磁性各向異性可由沉積的磁性薄膜中出現(xiàn)的內(nèi)在應(yīng)力產(chǎn)生。薄膜中殘留的應(yīng)力亦可導(dǎo)致膜分層和破裂，這可產(chǎn)生設(shè)備的可靠性問題。因此，不管是否進行沉積后退火(post deposition annealing)，為了提供具有最小殘留應(yīng)力以及保持的磁性屬性的數(shù)據(jù)元件，本領(lǐng)域?qū)刂朴纱判院头谴判员∧に?jīng)歷的應(yīng)力方面的興趣越來越大。
[0011]因此，可在低溫基板上沉積諸如磁性屏蔽部和寫入磁極之類的軟磁薄膜，從而在初次退火期間調(diào)節(jié)應(yīng)力，以降低不想要的應(yīng)力各向異性。控制由該沉積薄膜感受到的應(yīng)力的能力可允許構(gòu)造數(shù)據(jù)元件，該數(shù)據(jù)元件展示了與高溫退火無關(guān)的軟磁特征，同時具有降低的晶粒尺寸。磁性屏蔽部和磁極的這種調(diào)節(jié)應(yīng)力進一步允許高產(chǎn)率和對升高的操作溫度的持續(xù)抵抗力，操作溫度升高在形狀因數(shù)減小的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中經(jīng)常遇到。
[0012]出現(xiàn)在濺射薄膜中的應(yīng)力源自薄膜內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，譬如晶界、位錯、空隙和雜質(zhì)，以及源自膜與基板之間的界面，譬如晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異。在極低基板溫度下，若干影響對在這樣低的基板溫度下沉積的薄膜中的應(yīng)力改變做出貢獻。首先，至少部分由于降低的遷移率，反向散射的Ar中性粒子具有更高的概率被捕獲并埋入薄膜基質(zhì)。[0013]第二，當(dāng)在低溫冷卻的基板上沉積的薄膜升溫至室溫時，有效地經(jīng)歷了退火條件，其中薄膜和基板的不同熱膨脹導(dǎo)致不可逆的殘留應(yīng)力。第三，在沉積的薄膜中存在的拉伸應(yīng)力導(dǎo)致薄膜中產(chǎn)生微空隙，這強烈依賴于濺射壓力。在高濺射壓力下，由于氣體散射可產(chǎn)生較不致密、較容易生成拉伸應(yīng)力的薄膜，因此也降低了能量轟擊的大小。
[0014]同樣地，存在許多因素對薄膜的總應(yīng)力做出貢獻。在低溫冷卻的基板上沉積薄膜，可增大薄膜中的熱應(yīng)力，并提供較大的旋鈕來通過調(diào)整濺射壓力和功率來調(diào)節(jié)應(yīng)力，以在沉積或退火過的薄膜中獲取接近零的應(yīng)力，同時保持完全致密的膜結(jié)構(gòu)。
[0015]轉(zhuǎn)到附圖，圖1大致說明了數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)換能元件100的一部分。換能元件100在本公開的各種實施方式可有利地實施的環(huán)境中示出。然而要理解，本公開的各種實施方式并非如此限制于這樣的環(huán)境，并且可實現(xiàn)以減輕多個偶然的磁通量產(chǎn)生條件。
[0016]換能元件100具有致動組件102，其將換能頭104定位在存在于磁性存儲介質(zhì)108上的編程數(shù)據(jù)位106之上。存儲介質(zhì)108附接至主軸電機110，該主軸電機110在使用期間旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生空氣承載表面(ABS,airbearing surface) 112,在該空氣承載表面上,致動組件102的滑塊部分114飛動以定位磁頭萬向組件(HGA,head gimbal assembly) 116,磁頭萬向組裝件116包括在介質(zhì)108的期望部分之上的換能頭104。
[0017]換能頭104包括一個或多個換能元件，譬如磁性寫入器和磁響應(yīng)讀取器，該一個或多個換能元件操作以分別編程和讀取來自存儲媒介108的數(shù)據(jù)。這樣，致動組件102的受控運動導(dǎo)致?lián)Q能器與在存儲介質(zhì)表面上限定的數(shù)據(jù)磁道(未示出)相對齊，從而寫入、讀取和復(fù)寫數(shù)據(jù)。
[0018]圖2顯示了能夠用于圖1的致動組件的換能頭120的實施方式的橫截面方框表示。該換能頭120可具有一個或多個磁性元件，譬如磁性讀取器122和寫入器124，其可單獨、或者并發(fā)地操作以寫入數(shù)據(jù)至譬如圖1的介質(zhì)108之類的鄰近存儲介質(zhì)、或者自譬如圖1的介質(zhì)108之類的鄰近存儲介質(zhì)中檢索數(shù)據(jù)。每個磁性元件122和124由多個屏蔽部構(gòu)建，該多個屏蔽部用來限定對應(yīng)數(shù)據(jù)介質(zhì)的預(yù)定數(shù)據(jù)磁道126，在該對應(yīng)數(shù)據(jù)介質(zhì)上，數(shù)據(jù)位由相應(yīng)磁性元件122和124感測和編程。
[0019]如所示，磁性讀取元件122具有設(shè)置在前和后屏蔽層132和134之間的磁阻層130。與此同時，寫入元件124具有寫磁極136和至少一個返回磁極138，該至少一個返回磁極138創(chuàng)建寫入電路來將期望磁定向賦予鄰近存儲介質(zhì)。雖然不作為限制，但一些實施方式使用寫入元件124來垂直于鄰近數(shù)據(jù)介質(zhì)寫入數(shù)據(jù)。這種垂直記錄可允許更密集打包的數(shù)據(jù)位，而且也可在多個數(shù)據(jù)位受到殘留磁通量并發(fā)影響時提高EAW的效果。
[0020]在另一種非限制性實施方式中，寫入元件124可包括至少兩個返回磁極138，至少兩個返回磁極138毗鄰非磁性間隔層140和氣體軸承表面(ABS)屏蔽部142接觸地定位。寫入元件124可進一步包括線圈144和磁軛146，線圈144可以是一個或多個單獨的線，磁軛146附接至寫入磁極136并與線圈144 一起操作以賦予從寫入磁極136通過導(dǎo)電通路148至返回磁極138處結(jié)束的磁通量。應(yīng)注意到，所述換能頭120的各個方面可被表征為沿著Y軸向上磁道或者向下磁道，這取決于頭的運動。
[0021]當(dāng)沉積時，尤其當(dāng)沉積在低溫基板上時，在磁性屏蔽126和132以及磁性活性結(jié)構(gòu)128中生成的軟磁材料中晶粒的微結(jié)構(gòu)在通過自然或人工退火升溫時可影響沉積層所經(jīng)歷的應(yīng)力和磁性屬性，即各向異性。雖然人工高溫退火(譬如400攝氏度以上的溫度)與自然地允許沉積薄膜從低溫升溫至室溫有差別，但通過使不想要的應(yīng)力各向異性的生成最小化，調(diào)節(jié)沉積層中的應(yīng)力的能力允許產(chǎn)生近零應(yīng)力。
[0022]圖3繪制了根據(jù)各種實施方式隨著基板溫度提升的示例數(shù)據(jù)換能器的應(yīng)力的圖表。實線140以曲線圖示出了軟磁薄膜的應(yīng)力的圖表，該軟磁薄膜利用8000W、50sCCm Ar流濺射在具有從低溫?50K到室溫、?300K范圍內(nèi)分布的多個溫度的基板上進行沉積。類似地，虛線142示出了另一種軟磁薄膜的應(yīng)力，該軟磁薄膜利用5000W、70sCCmAr流濺射針對各種基板溫度來進行沉積。每條線140和142說明了當(dāng)軟磁材料以低溫基板溫度進行沉積時，薄膜傾向于經(jīng)歷壓應(yīng)力，而室溫基板沉積對應(yīng)于拉應(yīng)力。
[0023]圖4以曲線圖示出了當(dāng)在不同基板材料上沉積的另一種示例數(shù)據(jù)換能器薄膜層的應(yīng)力。實線150示出了與以大約50KU50K和300K在硅基板上沉積軟磁層相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力。虛線152繪制了在AlTiC上沉積的軟磁層的應(yīng)力的圖表，AlTiC被控制成與線150相同的各種基板溫度。圖4的數(shù)據(jù)大致顯示了基板材料如何對隨著薄膜升溫至室溫所經(jīng)歷的熱應(yīng)力做出貢獻。分析由于基板和薄膜之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異而導(dǎo)致的薄膜中的熱應(yīng)力指示了熱應(yīng)力可構(gòu)成總殘留應(yīng)力的重要部分，并且對沉積溫度的控制可有效地調(diào)節(jié)薄膜應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力不是對沉積層的應(yīng)力做出貢獻的唯一參數(shù)時，選擇基板材料的能力可選擇性地與沉積功率和流速一起使用，從而允許調(diào)節(jié)薄膜中的應(yīng)力，以產(chǎn)生近零室溫應(yīng)力并降低不想要的應(yīng)力各向異性。
[0024]圖5繪制了按照根據(jù)各種實施方式低溫沉積的軟磁層的薄膜厚度的函數(shù)的薄膜應(yīng)力的圖表。實線160圖示了一個以5kW、70Ar流sccm進行沉積且厚度為1000埃到10000埃范圍內(nèi)的層，而虛線162提供了 一個以8kW、50Ar流sccm進行沉積的層的數(shù)據(jù)。線160和162說明了隨著沉積層的厚度增大，該沉積層的壓力如何馳豫。當(dāng)這種馳豫的原因是由于多種原因時，譬如較長濺射引起的基板溫度升高時，則該待沉積的層的厚度可在調(diào)節(jié)基板材料、沉積功率和沉積流速時被考慮，從而降低不想要的應(yīng)力各向異性的生成。
[0025]圖6提供了利用變化的流速和退火條件沉積的軟磁層的應(yīng)力測量。實線170和虛線172分別繪制出與利用和不利用225攝氏度退火2小時以及沉積功率為3kW進行沉積的層相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力的圖表。與此同時，實線和虛線180和182分別繪制了未經(jīng)退火和經(jīng)過退火的層的應(yīng)力的曲線圖，其中每個層利用8kw功率進行沉積。
[0026]在圖6中示出了上述室溫人工退火的存在增大了沉積層所經(jīng)歷的應(yīng)力。虛線172和182之間的差異說明了濺射功率如何急劇地改變應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力相對于壓應(yīng)力)，而不管流速或存在上述室溫退火。然而，在各種實施方式中，濺射功率、流速和退火分別用于產(chǎn)生具有接近零的應(yīng)力的磁性元件，該接近零的應(yīng)力與因應(yīng)力誘發(fā)的各向異性的降低而導(dǎo)致的減少的噪聲相對應(yīng)。
[0027]例如，線182示出了 8kW濺射功率和大約50sccm空氣流速如何在人工退火之后(而不是沉積態(tài))產(chǎn)生近零應(yīng)力，如線180所示。利用流速調(diào)節(jié)應(yīng)力可并發(fā)地提供預(yù)定的薄膜粗糙度。同樣地，調(diào)整流速可同步地提供預(yù)定應(yīng)力和表面粗糙度。例如，流速可保持為低，同時基板溫度升高以產(chǎn)生同時具有近零應(yīng)力的材料屬性。
[0028]利用基于各種參數(shù)、沉積功率和流速、厚度、基板溫度和退火來調(diào)節(jié)給定軟磁薄膜的應(yīng)力的能力，應(yīng)力感應(yīng)的各向異性可最小化。同樣地，基板溫度提供可操縱的旋鈕(譬如沉積功率和流速)以形成具有近零殘留應(yīng)力的軟磁薄膜，從而避免不想要的應(yīng)力誘發(fā)的各向異性，具有近零殘留應(yīng)力的軟磁薄膜與改善的薄膜的可靠性相對應(yīng)。
[0029]雖然不要求或限制于一種用于形成用于數(shù)據(jù)寫入元件的軟磁薄膜的具體方式，但圖7提供了根據(jù)各種實施方式執(zhí)行的示例磁性元件制造例程210。例程210通過評估多個不同因素開始。例如，可在步驟212中確定薄膜的目的、材料和構(gòu)造。軟磁薄膜的目的可與磁性能準(zhǔn)則的評估一起同時或連續(xù)執(zhí)行，其可確定與沉積壓力、沉積功率、基板溫度和與該層的目的對應(yīng)的厚度相對應(yīng)的預(yù)定殘留應(yīng)力。
[0030]步驟212可進一步評估和確定薄膜如何以及是否進行退火。雖然隨著沉積層從低溫自然升溫至室溫發(fā)生退火條件，但步驟212可進一步評估室溫以上退火是否將調(diào)節(jié)薄膜中存在的應(yīng)力。利用在步驟212中設(shè)計的層的各個方面，步驟214開始在低溫基板上沉積薄膜，譬如圖2的基板122。也就是說，基板被冷卻且保持在低溫處，同時薄膜被沉積以具有與至少基板溫度、沉積流速、沉積功率和層厚度相對應(yīng)的經(jīng)調(diào)節(jié)應(yīng)力。
[0031]隨著該層在步驟214中沉積，決策216確定該沉積工藝的任意方面是否要進行調(diào)整。例如，如果沉積功率和空氣流速要被改變以在薄膜上提供更多或更少的壓應(yīng)力。如果步驟214中開始的沉積方式要改變，則步驟218實施那些改變以進一步調(diào)節(jié)該薄膜所經(jīng)歷的應(yīng)力。在沉積的調(diào)整完結(jié)時，或者在決策216中不選擇調(diào)整的情況下，步驟220開始利用決策216中確定的退火配置(anneal profile)對薄膜進行退火。退火配置僅僅涉及該層從低溫自然升溫到室溫，或者包括額外的室溫之上的退火，譬如大約225攝氏度退火2小時。
[0032]步驟220中的薄膜退火在決策222之后進行，其中考慮構(gòu)建額外的層。如果選擇了更多層，則該例程開始重新進行步驟212。然而，如果不形成額外的層，則例程210可終止或躍變至制造的另一個方面，譬如組裝及封裝。
[0033]利用例程210提供的各種決策和步驟，磁性讀取和寫入元件采用各種參數(shù)進行制造，該各種參數(shù)被調(diào)節(jié)為具有近零應(yīng)力，伴隨著不想要的應(yīng)力誘發(fā)的各向異性的減少。然而，程序210不限制于圖7示出的過程，因為各個決策和步驟可以省略、更改和增加。例如，決策216可在步驟220的任意退火之前進行，以便集中地對多個薄膜進行退火。
[0034]可以理解，通過提供具有利于用于高面密度數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的磁性屬性的軟磁薄膜，本公開中描述的磁性元件的構(gòu)造和材料特性允許增強的磁性讀取和編程。此外，調(diào)節(jié)及優(yōu)化各個層的內(nèi)部應(yīng)力的能力可允許應(yīng)力誘發(fā)的各向異性的精確減少并提高薄膜的機械屬性。另外，當(dāng)所述實施方式涉及磁性編程時，將理解要求保護的技術(shù)易于用于任意數(shù)目的其它應(yīng)用中，譬如數(shù)據(jù)感測和固態(tài)數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用。
[0035]要理解，即使本公開的各種實施方式的多種特性和優(yōu)點已在前面的說明書中和各種實施方式的結(jié)構(gòu)和功能的細節(jié)一起闡述，但是該詳細說明僅僅是說明性的，并且在本公開的原則范圍之內(nèi)，到由用于表述所附權(quán)利要求的術(shù)語的寬泛公知含義所指出的完整范圍上，可對細節(jié)作出改變，特別是在結(jié)構(gòu)的問題和部件的配置方面。例如，在不脫離本技術(shù)的精神和范圍的情況下，具體元件可取決于具體的應(yīng)用而變化。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，包括薄膜，所述薄膜被沉積在低溫基板上，并且在初次退火期間經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)以降低不想要的應(yīng)力各向異性。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述低溫基板是冷卻至室溫以下的溫度的基板。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述溫度大約為50開爾文。
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜是單獨的連續(xù)磁性屏蔽層。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜是通過調(diào)整濺射壓力而經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)的。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述濺射壓力響應(yīng)于將所述薄膜升溫至室溫而被調(diào)整。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜是響應(yīng)于所述薄膜的厚度而經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)的。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)以在加熱所述薄膜時維持壓力負(fù)荷。
9.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜是通過調(diào)整濺射功率而經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)的。
10.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，所述薄膜具有在初次退火之后在室溫下的近零應(yīng)力。
11.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，在執(zhí)行所述初次退火之后，在大約225攝氏度下執(zhí)行二次退火。
12.如權(quán)利要求11所述的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于，執(zhí)行所述二次退火大約2小時。
13.—種磁性元件，包括鄰近第二薄膜的第一薄膜，所述第一和第二薄膜均在低溫基板上形成，并且在初次退火期間利用可變?yōu)R射壓力經(jīng)過應(yīng)力調(diào)節(jié)以提供近零薄膜應(yīng)力。
14.如權(quán)利要求13所述的磁性元件，其特征在于，所述近零薄膜應(yīng)力在大約室溫下。
15.如權(quán)利要求13所述的磁性元件，其特征在于，所述濺射壓力在50和90sCCm之間調(diào)節(jié)。
16.如權(quán)利要求13所述的磁性元件，其特征在于，所述第一和第二薄膜分別形成。
17.一種方法，包括: 將基板冷卻至低溫基板溫度； 在所述基板上沉積第一薄膜；以及 在初次退火期間調(diào)節(jié)所述第一薄膜的應(yīng)力以降低不想要的應(yīng)力各向異性。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述初次退火是從低溫溫度至室溫。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，進一步包括:在所述基板上形成具有經(jīng)調(diào)節(jié)的屏蔽應(yīng)力的第二薄膜以提高粘附并減少分層。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述應(yīng)力在將所述第二薄膜加熱至室溫以上時經(jīng)過調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G11B5/31GK103500581SQ201310282017
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月30日
【發(fā)明者】M·朱, E·L·C·埃斯特瑞恩, 田偉, V·印圖瑞, M·C·考茨基 申請人:希捷科技有限公司