磁头结构表面刻蚀深度对磁头飞行姿态影响的实验研究❋

牛荣军,刘红彬,黄 平

(1.河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003;2.华南理工大学机械设计及理论研究所,广州 510640）

随着磁盘面密度的迅猛增长,要求磁头滑块的飞行高度随之不断降低,降低飞高的主要方法就是要设计出满足特性要求的磁头表面结构[1],目前现代优化方法已广泛运用到磁头表面结构的设计[2-4].磁头根据受到气体压强作用可分为正压磁头和负压磁头,同正压磁头相比,负压磁头具有良好的稳定性能,从而得到进一步的发展.常见的负压型磁头都是 3层 2台阶结构,从下到上依次为 Recess(基层)、Shallow step(次景层)、 ABS(表层).为了达到高存储密度、高稳定性和高可靠性的要求,磁头结构设计中不但要考虑各个滑块表面形貌结构,同时各个滑块的台阶深度对飞行性能也将产生重要影响,各个台阶结构深度的变化将影响磁头承载面正负气膜压力的大小和分布,从而改变整个磁头磁盘系统的飞行性能参数.本论文中对于给定的负压型磁头面 ABS(air bearing surface)的形状和载荷后通过实验测试的方法主要考察基层和次景层的刻蚀深度变化对磁头的飞行特性如飞行高度 h,X方向的侧翻角h,Y方向的俯仰角θ的影响,从而根据实验测试结果选择最佳台阶设计深度,达到增大磁盘存储密度的目的.

1 实验测试装置

本论文的实验过程中主要使用的实验仪器是动态飞高测试仪 DFHT(dynamic flying height tester),该仪器是 Phase Metric公司依据三波长干涉法原理开发的,主要用来测试磁头在 nm级高度各种工况条件下磁头面各测试点的气膜厚度,通过这些点的膜厚可以算出飞行姿态(飞行高度、侧翻角和俯仰角)[5].除了光干涉测试所必须的结构外,要达到能够测试磁头滑块在不同半径、不同入射角下磁头面测试点的飞行高度以及寻找极大光强和极小光强所对应的膜厚,飞行高度测试仪必须具备某些高精度的机械运动.图1给出了DFHT测试箱中主要部件的布局.玻璃盘及其驱动电机被安装在工作台 1上,工作台在伺服电机的驱动下可以沿 X,Y方向移动,以便完成在不同半径和入射角下的测试工作,模拟硬盘中不同的磁道.其中,悬臂 3、加载驱动电机 5及其载荷调节装置作为一个整体能够在电机作用下绕 z轴(和玻璃盘主轴平行)旋转,在工作位置和装卸位置切换.图1中给出的是装卸位置,该位置主要是在测试前后完成磁头组件的安装、拆卸.测试时首先工作台搭载着玻璃盘移动到设定的位置(按照设定的气流入射角和半径自动计算),随着玻璃盘转速稳定,装好磁头的悬臂绕 z轴转入到玻璃盘下面,在加载电机 5的驱动下对磁头加载.光路系统同样可以沿着 X,Y两个方向运动,运动精度和分辨率均高于磁盘工作台.借助于放大的实时监测系统和移动光路系统,就可以测试出轴承面上不同点的飞行高度.

图1 DFHT运动机构细节Fig.1 Details of them echanisms in a DFHT

2 光干涉法测量膜厚的基本原理

光干涉法测量膜厚的基本原理如图2所示,当光束(Beam 0)入射时,一部分光在玻璃盘下部的镀膜(半透半反膜)表面发生反射形成光束(Beam 1),另一部分光透过镀膜并穿过气膜在磁头表面发生反射而形成光束(Beam 2),两束光由于光程不同将产生干涉形成干涉图像.当光垂直入射时,任一点的干涉光强与两束反射光的光强及该点的润滑膜厚度之间的关系[6]为

式中:I为对应膜厚点处的光强;I1为光束1的光强;I2为光束2的光强;λ为滤光片输出光的波长;h为对应于磁头反射点的气膜厚度;N为空气的折射率;h为附加相位差,是由于光波在空气和磁头之间反射时不连续造成的,可由式(2)计算

图2 光干涉法测量膜厚原理图Fig.2 Schematic diag ram of ligh t in terference method for measuring the th ickness of film

式中:光学常数 ns,ks分别是折射率和与磁头滑块表面材料有关的消光系数.

根据式(1),随着气膜厚度 h的不同,干涉光强也不相同,通过改变 h可以得到极大光强 Imax和极小光强 Imin.利用这两个参数可以反推出反射光强

以往的干涉法测膜厚仅利用了光的不同频率或光的绝对强度,因而分辨率较低或者外界光场变化对其结果的影响很大,利用相对光强原理则可以有效地改变这种状况[7].定义干涉光相对光强度

式中:平均光强 Ia=(Imax+Imin)/2,最大光强差 Id=Imax-Imin.相对光强 I变化范围为 0≤I≤2.将式(3)和式(4)代入式(1),并通过式(5)转化成相对光强,得膜厚与光波长、折射率及相对光强等的关系式为

相对光强的处理方案从原理上消除了因光场平移和线性变化等引起的测量误差,这是利用绝对光强法测膜厚难以做到的[8-9].

3 测试对象及其飞行姿态描述

由于读写元件光学特性比较复杂,无法直接测试其位置点的膜厚.除此之外 DFHT可以测出磁头轴承面上任意一点的膜厚,在实验研究中选择表1中较为典型的测试点和 DFHT坐标系统.图3给出了测试磁头的测试点分布和坐标系说明.

表1 测试点名称及坐标(DFHT坐标系)Tab.1 The names and their coordination of measu ring poin ts

图3 轴承面形状Fig.3 The ABS shape

理论上,在轴承面结构确定的前提下,只需要轴承面上的三个点即可以确定其飞行姿态.实际中,往往选择 5个以上的测试点.通过已知的轴承面结构计算读写线圈位置的飞行高度和滑块倾角.为简单起见,可以假定轴承面为平面,将各点的测试结果代入下式求俯仰角θ和侧翻角φ.

式中:θ和h的单位为弧度;h为测试点膜厚,单位为 m.角标的含义:CT为中线 (Center Trailing);CL为中导(Center Leading);OT为外线(Outer Trailing);OL为外导(Outer Leading);IT为内线(Inner Trailing);IL为内导(Inner Leading).各点位置可以通过 DFHT随机软件设置坐标.

4 磁头结构刻蚀深度变化对飞行姿态影响的实验测试

下面对如图3所示的负压型磁头结构进行实验测试,来考察各个滑块的台阶深度变化对磁头飞行姿态的影响,在实验测试中主要对系统特性影响较大的次景层深度(shallow recess)和基层深度(main recess)变化进行测试研究.对于每种磁头,选取 40只样品分别测试,按式(7)和式(8)计算俯仰角和侧翻角,然后取平均值,这样可以消除因加工或装配等制造环节造成的实际参数误差带来的影响.

实验磁头的几何尺寸长为 1.24 mm,宽为0.80mm,磁头厚度为 0.23mm,其所在平面为基准面,基层厚度 (main recess)为1 275 nm～2 475 nm,次景层厚度(shallow recess)为 25 nm～ 140 nm.

图4 磁盘转速、磁头转动半径和入射角变化Fig.4 The sketch of th ree w orking parameters

硬盘工作参数为:磁盘转速10 000 rad/min,磁头静态载荷 1.5 g力,初时俯仰角为 1.7°,初时侧翻角为 0°.

下面分别对磁头处于外径 (OD),中径(MD)和内径 (ID)区域飞行时的飞行特性分别进行测试研究.因为磁头飞行时与磁盘的切向存在一定的角度,所以对磁头而言,气流并不是平行磁头滑块的长度方向流过,存在一定的入射倾角,如图4所示.表2给出 OD,MD,ID区域对应的半径和入射倾角.

4.1 次景层刻蚀深度变化对飞行姿态的影响

图5给出次景深度变化对最小特征膜厚、俯仰角和侧翻角的影响.由图5实验结果可以看出随着次景层深度的变化,测试磁头的飞行姿态发生显著变化.① 随着次景层结构深度的增加,最小飞行高度h min呈明显增大趋势,两者呈近似线性关系.磁头所处的飞行区域对最小膜厚的变化有一定影响,但影响不大,三种呈现相似的变化趋势;其中磁头处于内径区域的变化斜率稍小,而处于外径区域的变化斜率较大;② 俯仰角与最小膜厚表现相似的变化规律,随着次景层结构深度的增加,俯仰角在 70μrad和200μrad之间变化.其中磁头处于内径区域的变化范围稍小,而处于外径区域变化最大;③次景层结构深度变化对侧翻角的影响较小,随着次景层深度的增加,其仅在 -10μrad和 10μrad之间小范围变化,说明侧翻角对次景层深度变化不敏感.此外,磁头在内径区域的侧翻角都为负值,而磁头处于中经和外径区域侧翻角都为正值.

表2 飞行位置与气流入射角Tab.2 Configuration of the radius and flow angle

图5 次景深度对飞行姿态的影响Fig.5 Effect of shallow recess on flying attitude

4.2 基层刻蚀深度变化对飞行姿态的影响

图6给出基层深度变化对最小特征膜厚、俯仰角和侧翻角的影响.由图6实验结果曲线可以看出:

1)随着基层结构深度的增加,最小飞行高度 h min基本呈增大趋势,但两者呈明显的非线性关系.当基层厚度为 1.4μm时,磁头最小飞行高度值最小;当基层深度在 1.2μm～ 1.4μm之间区域时,最小飞行高度呈下降趋势,而过了拐点以后最小飞行高度又呈明显的增大趋势.磁头所处的飞行区域对最小膜厚的变化也有一定影响,其中磁头处于内径区域的变化范围稍小,而处于外径区域的变化范围最大;

2)俯仰角与基层深度称近似线性变化规律,随着基层结构厚度的增加,俯仰角呈下降趋势.这一点与次景层的变化刚好相反.其主要原因是随着基层深度的增加,从而增大了负压区域的影响,相对消弱了正压区域的作用.负压区域的增大有利于磁头更加贴近磁头,从而降低磁头飞行高度.其中磁头处于内径区域时俯仰角在稍小值域变化,而处于外径区域变化值域稍大;

3)基层深度变化对侧翻角的影响较小,基本在 0μrad区域值范围变化,这一点与次景层深度变化的影响相似.

图6 基层深度对飞行姿态的影响Fig.6 Effect ofmain recess on flying attitude

5 结 论

在纳米尺度下,磁头表面结构的形貌对磁头的飞行特性有重要的影响,在实际的磁头表面结构设计中不但要考虑磁头各个部分的形状,还要考虑磁头表面结构刻蚀深度变化对磁头飞行姿态的影响.通过合理选择磁头各个部分的形状和刻蚀深度的大小,达到增大磁存储容量的目的.通过上述实验测试分析可以得到以下结论:①随着次景层深度的增加,最小飞行高度和俯仰角都有明显增大趋势;②随着基层深度的增加,最小飞行高度虽有明显的变化拐点,但过了此点仍呈明显增大趋势,而俯仰角呈下降趋势;③侧翻角对次景层和基层深度变化不敏感,基本在 0微弧度范围变化.

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