氧刻蚀超薄碳膜在硬盘保护中的应用.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#氧刻蚀超薄碳膜在硬盘保护中的应用1,212**薛沛东，杨雷，刁东风（1.西安交通大学机械学院润滑理论及轴承研究所，西安710049；52.深圳大学纳米表面研究所，深圳518060）摘要：本文采用电子回旋共振技术（ECR）溅射沉积超薄碳保护膜，并在沉积过程后，分别使用氩离子和氧离子对碳膜进行刻蚀后处理，为实现硬盘在工作过程中的有效保护展开研究。使用通过离子刻蚀技术去除了表面商业碳膜的硬盘作为基体。首先采用不同的溅射偏压，10研究获得了抗刻划性能最佳的原始碳膜沉积参数。在此基础上分别采用氩等离子及氧含量为12%的氧氩等离子体对原始碳膜进行刻蚀加工获得总厚度为4nm的碳膜。采用原子力显微镜（AFM）对硬盘表面商业碳膜，ECR原始沉积碳膜及氧、氩离子刻蚀碳膜的表面形貌进行表征。之后使用AFM对碳膜进行刻划，并用AFM对刻划深度进行表征。研究表明ECR沉积及刻蚀加工碳膜其表面粗糙度与商业硬盘表面粗糙度相当，而氧刻蚀的碳膜在较大刻蚀15载荷下表现出比商业硬盘保护碳膜更加优异的抗刻划性能。关键词：硬盘保护；超薄碳膜；氧等离子体刻蚀;抗刻划中图分类号：TH145.9Applicationofoxygenetchedultrathincarbonfilmin20hard-diskprotection1,212XUEPeidong,YANGLei,DIAODongfeng(1.KeyLaboratoryofEducationMinistryforModernDesignandRotor-BearingSystem,SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049;2.InstituteofNanosurfaceScienceandEngineering(INSE)，ShenzhenUniversity，Shenzhen25518060)Abstract:Inordertoachievebetterprotectionofhard-diskinworkingcondition,electroncyclotronresonance(ECR)sputteringtechniquewithargonandoxygenpost-depositionetchingwereusedtofabricateultrathinprotectivecarbonfilms.Theoriginalprotectivecarbonfilmeliminatedcommercialhard-diskwaschosenasthesubstrate.Differentsubstratebiaseswereappliedinthedepositionprocess30tosearchforthedepositionparametersofthefilmwithbestscratchresistance.Thenargonand12%oxygenplasmawereappliedtoetchtheas-depositedcarbonfilmandfabricatecarbonfilmwithtotalthicknessof4nm.Atomicforcemicroscope(AFM)wasusedtoevaluatethesurfaceroughnessofthecommercialcarbonfilm,ECRas-depositedfilm,argonandoxygenplasmaetchedfilm.ScratchtestswerealsoconductedusinganAFMandthescratchdepthwasevaluted.Theresultsshowedthesurface35roughnessofECRdepositedandetchedcarbonfilmcouldmatchthecommercialcarbonfilmrequirement,whiletheoxygenetchedcarbonfilmshowedbetterscratchresistanceunderhighscratchloadcomparingwiththecommercialcarbonfilm.Keywords:hard-diskprotection;ultrathincarbonfilm;oxygenplasmaetching;anti-scratch0引言40硬盘作为一种常见的储存介质，在当今世界的信息总储存量中，所占比例超过20%，在信息的储存中占有非常重要的地位。随着储存技术的不断发展，硬盘的存储密度以一种非[1,2]常快的速度在增长。通常在硬盘中，数据是存储在Co-Cr-Pt合金层中，在磁记录层上会沉积一层类金刚石薄膜（DLC）作为保护膜。数据的读/写通过磁头在高速旋转的磁盘上进基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目：（20120201110029）作者简介：薛沛东(1991-)，男，博士，主要研究方向：碳纳米表面工程通信联系人：杨雷（1987-）,男，讲师、硕导，主要研究方向：碳纳米表面工程及分子动力学计算.E-mail:yanglxjtu@mail.xjtu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn行。为了获得更高的磁记录密度，需要通过降低磁头与磁记录层之间的间距以获得更小的比45特尺寸，而降低飞行间距需要进一步的降低碳保护膜的厚度。目前碳保护膜的厚度为4nm[3]而在将来需要降低到1-2nm。DLC薄膜拥有极其光滑，表面缺陷少及化学惰性等优点使得其适合作为硬盘表面的保护膜。随着薄膜沉积技术的不断发展，工业生产中逐渐开始使用阴极弧溅射或等离子体沉积来制备超薄的保护碳膜。电子回旋共振（ECR）技术具有衬底温度低、等离子体密度高、电离[4]50度高和工作气压低等优点，为制备新型优质碳膜提供了可能。在碳膜可控沉积的基础上，通过引入不同的气体，可以有效的对碳膜的结构和性能进行调控。氧等离子体由于其与碳材料具有较高的化学活性，使得其成为高效的碳薄膜材料加工方式。目前国内外学者的研究发[5]现，氧等离子体的刻蚀可以使得单层石墨烯的六元环晶格向非晶状态转变；在碳膜中氧等222[6]离子体会选择性的刻蚀掉类石墨的sp的团簇使其转化为sp和sp的网格；而在金刚石薄[7]55膜中使用氧等离子体刻蚀可以有效的降低薄膜的表面粗糙度。本研究的目标是在发散式电子回旋共振工作方式下，制备具有优异抗刻划性能的超薄碳保护膜，并通过氩等离子体和氧等离子体刻蚀加工对碳膜进行后加工，最后通过与商业硬盘上的保护碳膜的抗刻划性能及表面粗糙度进行比较，为未来高密度磁记录硬盘的开发打下基础。601实验部分1.1超薄碳膜制备本实验中所采用硬盘样品为希捷500GST3500320NS硬盘，使用电火花切割将硬盘切割为20mm*20mm的方块作为沉积基体。硬盘样品经过无水乙醇和丙酮的混合溶液清洗干燥后放入基片架，调节基片挡板与硬盘样品距离为7mm。抽真空直到等离子体室内真空度-4-265低于4×10Pa后，通入氩气，使真空度升高到4×10Pa。本文给出的真空度均为等离子体生成之前真空表的读数值，由于等离子体中的气体加热和吸附作用，使得放电时的实际气压值与之前的读数有一定的差距，而放电时的真空度无法控制，因此给出上述的名义真空度。升高磁线圈电流到420A，打开微波发生器，此时通过观察窗可看到明亮的紫色的氩等离子体。调节磁线圈电流直到从观察窗中看到的氩等离子体稳定状态并稳定20min，然后打开挡70板，用氩等离子体对硬盘样品表面进行刻蚀。硬盘样品刻蚀结束后，关闭挡板，施加靶材偏压，稳定3min，对靶材进行清洗。然后施加基片偏压至预定值，打开挡板，开始在硬盘样品上沉积碳膜。沉积参数如表1所示。表1原始碳膜沉积参数Tab.1originalcarbondepositionparameters样品号12345基片偏压-30V-10V0V+10V+30V沉积时间20min20min20min20min20min75选取原始碳膜沉积过程中的最佳参数进行刻蚀后处理，此时不再施加靶材偏压，对基片施加-10V偏压，分别采用氩离子及体积比为12%的氧等离子体进行刻蚀处理，由于-10V未到氩离子的刻蚀阈值，故其作为氧刻蚀对照实验。为保证测量参数的可比性，控制所有碳膜的厚度均为4nm。超薄碳膜制备的参数如表2所示。整体的沉积及刻蚀过程如图1所示。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn80表2超薄碳膜沉积和刻蚀参数Tab.2ultrathincarbonfilmdepositionandetchingparameters实验项目沉积偏压沉积时间刻蚀偏压刻蚀时间直接沉积碳膜-10V60s无无12%氧环境刻蚀-10V137s-10V5min氩环境刻蚀-10V60s-10V1min图1碳膜沉积及刻蚀过程示意图85Fig.1schematicdiagramofcarbondepositionandetchingprocess1.2碳膜性能表征测试1.2.1表面粗糙度表征采用美国Veeco公司生产的Innova原子力显微镜对碳膜的表面形貌进行表征。采用轻敲模式，扫描范围采用0.5m*0.5m。901.2.2刻划性能表征利用原子力显微镜的金刚石针头对碳膜表面进行刻划，对原始碳膜刻划时，由于其厚度较大，刻划载荷选择为1mN及1.5mN。对超薄碳膜进行刻划时，载荷分别选取为0.3mN，0.5mN及1mN。每一组刻划实验重复进行3次，以获得其平均值。在刻划结束后对划痕深度使用原子力显微镜进行表征，从而对不同碳膜的抗刻划性能进行比较。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn952结果与讨论2.1原始碳膜形貌及抗刻划性能2.1.1表面形貌图2展示了原始硬盘表面及不同照射偏压下制备的原始碳膜的表面形貌。如图所示，原始硬盘表面的粗糙度为0.159nm，这种超光滑的表面状态可以有效的的降低磁头/磁盘在工100作过程中发生碰撞的可能。对于不同偏压照射下的ECR碳膜，可以看到其表面粗糙度均在0.1nm左右，与商业硬盘的表面粗糙度在同一水平，故具有作为硬盘保护碳膜的可能性。图2硬盘表面原始碳膜及不同基片偏压ECR碳膜的表面粗糙度Fig.2surfaceroughnessofhard-diskcarbonfilmandECRcarbonfilmwithdifferentsubstratebias1052.1.2抗刻划性能图3(a)展示了-10V碳膜在1mN载荷下的划痕，将划痕处不同位置的横截面轮廓整理于图3(b)中，在整个划痕的范围内轮廓的重合性良好，最大划痕深度均约为0.6nm。图3划痕处形貌及截面轮廓110(a.划痕处AFM照片，b.不同位置划痕截面轮廓)Fig.3morphologyandcorss-sectionalprofileofthescratch(a.AFMimage,b.differentpositioncross-sectionalprofile)-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图4整理了不同基片偏压下制备的碳膜在不同刻划载荷下的划痕深度，可以看到随着基片偏压从-30V逐渐增加到+30V，碳膜的划痕深度先减小后增大，在-10V处达到最小值。115在偏压逐渐减小的过程中，当偏压为正偏压时，在基片照射过程中将会吸引带负电的电子对2碳膜表面进行加工，会使薄膜中sp团簇的数量增加，使得碳膜整体较软。而当在基片上施加负偏压时，将会吸引等离子体中带正电荷的氩离子对碳膜表面轰击，可以去除一些结合较3弱的团簇，提升整体的sp含量，但是较大的负偏压将会使得碳膜的内应力增大，在承受较大外界载荷时容易发生剥落，故在本研究中最佳的与暗使碳膜沉积参数为-10V。120图4不同偏压下的划痕深度Fig.4scratchdepthasafunctionofsubstratebias2.2超薄碳膜形貌及抗刻划性能2.2.1表面形貌125图5整理了在总厚度为4nm时硬盘表面原始碳膜，原始沉积碳膜及氩、12%氧等离子体刻蚀碳膜的表面形貌。可以看到氧刻蚀后，碳膜的表面粗糙度相较原始碳膜有略微的提升，而氩刻蚀的碳膜的表面粗糙度较原始碳膜略有下降。这可能是由于不同的刻蚀机理引起的，在氧等离子刻蚀的过程中，由于存在这化学刻蚀的过程，会优先将部分成键较为薄弱的地方[8]选择性刻蚀，使得表面的粗糙度变大。而氩离子的刻蚀过程中主要为物理过程，氩离子整[9]130体轰击在碳膜表面，使得其整体被氩离子夯实，从而表现为表面粗糙度的降低。但是即使在氧等离子体的刻蚀过程中，表面粗糙度有略微的上升，其最终的表面粗糙度依然与原始的碳膜相差不大，使得其均有作为硬盘表面保护膜的可能性。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图5不同处理方法获得的超薄碳膜表面粗糙度135Fig.5surfaceroughnessofcarbonfilmmodifiedwithdifferentmethod2.2.2抗刻划性能图6给出了不同刻划载荷下，硬盘表面原始碳膜及不同处理方法获得的超薄碳膜的划痕[10]深度，由于此时薄膜整体的深度较小，故抗刻划性能体现的是基体与薄膜的复合性能。可以看到在较小载荷下，ECR碳膜与硬盘表面原始碳膜划痕深度基本相当，但是当划痕深140度增加到1mN时，可以看到12%氧等离子体刻蚀的碳膜其划痕深度较原始硬盘表面碳膜低0.5nm左右，同时也比ECR原始沉积的碳膜低。这种抗刻划性能的增强是由于在氧等离子刻蚀刻划过程中，将表面成键较弱的基团刻蚀去除，保留下成键较为紧密的部分，从而体[11]现出整体的抗刻划性能提升。145图6不同方法处理碳膜的划痕深度Fig.6scratchdepthofdifferentmodificationmethodobtainedcarbonfilm-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3结论本文研究了电子回旋共振(ECR)碳膜作为硬盘保护碳膜可行性的研究。研究发现在-10V情况下制备的碳膜具有最佳的抗刻划能力，在进一步与商业硬盘表面碳膜对比的过程中，通150过直接沉积及氩等离子体，氧等离子体分别刻蚀制备了总厚度为4nm的超薄碳膜。结果显示ECR碳膜其表面粗糙度与商业硬盘表面碳膜粗糙度相当，而通过氧刻蚀获得的碳膜其在较大载荷下的抗刻划性能优于商业硬盘表面的碳膜。说明ECR碳膜有作为商业硬盘保护膜的可能性，为未来超高存储密度硬盘的开发打下了基础。致谢155本研究感谢高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20120201110029）的资助。[参考文献](References)[1]RobertsonJ.Requirementsofultrathincarboncoatingsformagneticstoragetechnology[J].TribologyInternational,2003,36(4):405-415.160[2]GogliaPR,BerkowitzJ,HoehnJ,etal.Diamond-likecarbonapplicationsinhighdensityharddiscrecordingheads[J].Diamondandrelatedmaterials,2001,10(2):271-277.[3]GrochowskiE,ThompsonDA.Outlookformaintainingarealdensitygrowthinmagneticrecording[J].IEEETransactionsonMagnetics,1994,30(6):3797-3800.[4]汪朋飞.MCECR等离子体溅射制备碳膜及其摩擦磨损性能研究[D].西安：西安交通大学，2007165[5]KimDC,JeonDY,ChungHJ,etal.Thestructuralandelectricalevolutionofgraphenebyoxygenplasma-induceddisorder[J].Nanotechnology,2009,20(37):375703.[6]ZhengX,MaZ,ZhangL,etal.Investigationontheetchingofthickdiamondfilmandetchingasapretreatmentformechanicalpolishing[J].Diamondandrelatedmaterials,2007,16(8):1500-1509.[7]JiangL,FitzgeraldAG,RoseMJ,etal.X-rayphotoelectronspectroscopystudiesoftheeffectsofplasma170etchingonamorphouscarbonnitridefilms[J].Appliedsurfacescience,2002,193(1):144-148.[8]YunDY,ChoiWS,YongSP,etal.EffectofH2,andO2,plasmaetchingtreatmentonthesurfaceofdiamond-likecarbonthinfilm[J].AppliedSurfaceScience,2008,254(23):7925-7928.[9]DiaoD,WangC,FanX.Frictionalbehaviorofnanostructuredcarbonfilms[J].Friction,2013,1(1):63-71.[10]SundararajanS,BhushanB.Micro/nanotribologyofultra-thinhardamorphouscarboncoatingsusingatomic175force/frictionforcemicroscopy[J].Wear,1999,s225-229(4):678-689.[11]GuoM,DiaoD,FanX,etal.Scratchbehaviorofre-structuredcarboncoatingbyoxygenplasmaetchingtechnologyformagneticdiskapplication[J].Surface&CoatingsTechnology,2014,251(29):128-134.-7-'