影響電腦硬盤垂直記錄磁頭寫頭鍍層均勻性的因素

王冀康*，王永康

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院，河南省生物精神病學重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；

2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司新鄉(xiāng)市分公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

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【經(jīng)驗交流】

影響電腦硬盤垂直記錄磁頭寫頭鍍層均勻性的因素

王冀康1，*，王永康2

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院，河南省生物精神病學重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；

2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司新鄉(xiāng)市分公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

討論了在電腦硬盤垂直記錄磁頭寫頭電鍍FeCoNi合金時電鍍基層、晶片設計、電鍍掛架、電鍍速率、電流密度以及電鍍液pH和溫度等因素對鍍層厚度及成分均勻性的影響。

垂直記錄磁頭；寫頭；鐵鈷鎳合金；電鍍；均勻性；影響因素

First-author's address: The Second Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University， Henan Key Laboratory of Bio-psychiatry， Xinxiang 453002， China

機械式電腦硬盤容量不斷地增加，使用縱向記錄技術(shù)（longitudinal magnetic recording，LMR）生產(chǎn)的電腦硬盤磁頭已經(jīng)無法實現(xiàn)此目的［1］，必須利用垂直記錄技術(shù)（perpendicular magnetic recording，PMR）［2］。兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于硬盤磁頭的寫頭（writer）需要不同的材料、形狀及厚度，其對比如圖1和表1所示。

圖1 縱向記錄與垂直記錄磁頭寫頭差別示意圖Figure 1 Schematic differences between LMR and PMR head writers

表1 LMR與PMR技術(shù)的硬盤磁頭寫頭的對比Table 1 Comparison between LMR and PMR head writers

從如圖1及表1可以看出，PMR磁頭的寫頭較LMR磁頭更小、更窄，可以實現(xiàn)更大容量電腦硬盤的生產(chǎn)。LMR磁頭的寫頭在電鍍后其寬度一般約為2 μm，高度約為3 μm；后經(jīng)離子束研磨（ion milling，IM），寫頭寬度變?yōu)?.0 μm左右；再經(jīng)化學機械研磨（chemical & mechanical polishing，CMP），寫頭高度降為1.5 μm。而PMR磁頭的寫頭在電鍍后其最窄處寬度為0.2 μm，并且會隨著新產(chǎn)品開發(fā)的需要進一步變窄，僅為幾十納米；再經(jīng)CMP后，磁頭高度降為0.3 μm左右。

進行新產(chǎn)品研究開發(fā)時發(fā)現(xiàn)若垂直記錄磁頭寫頭寬度較窄，電鍍后鍍層成分均勻性較差。鍍層多點成分測試時如圖2所示，5點結(jié)果一般相差3% ～ 5%，并且整個晶片鍍層厚度均勻性也較差，成中間厚、周圍薄的凹面形分布。這將影響到磁頭在電腦硬盤記錄碟片上的寫入性能。為此，研發(fā)人員需要對所有可能影響電腦硬盤磁頭寫頭電鍍的因素進行分析，消除不良影響，改善鍍層厚度與成分的均勻性，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

圖2 垂直記錄磁頭寫頭鍍層成分檢測點Figure 2 Composition check points in PMR head writer

1　工藝流程

晶片表面濺射一層金屬鈦（Ti）黏附層及一層釕（Ru）種子層→涂布光刻膠→曝光并顯影所需圖形→烘干，使光刻膠定型→FeCoNi合金電鍍→去離子水清洗→褪除光刻膠→氬離子束刻蝕去除所要圖形以外的種子層，然后用光刻膠保護住所要的金屬區(qū)→用酸溶液腐蝕掉不需要的金屬→濺射Al2O3晶體→CMP研磨以達到所需寫頭厚度。

其中電鍍工藝為：

Fe70Co10Ni Fe66Co30Ni

CoSO4·7H2O 3.3 25

NiSO4·6H2O 50 30

NiCl2·6H2O 35

FeSO4·7H2O 16 60

NaCl 5

H3BO327 25

糖精鈉 1.1

十二烷基硫酸鈉 0.05 0.05

苯磺酸 0.15

pH 3.10 2.65

溫度 19 °C 19 °C

輔助陰極電流 6.8 A

電源 直流 脈沖（頻率40 Hz，占空比25%）

電流 5.5 A 4.2 A

流速 （14 ± 2） L/min （11 ± 1） L/min

以下根據(jù)電腦硬盤磁頭晶片研發(fā)過程中寫頭電鍍因受電鍍基層、晶片設計、陽極尺寸、電鍍掛架、電鍍速率、電流密度、電鍍液溫度和pH等多種因素影響而出現(xiàn)的問題，探討如何消除其不良影響，改善寫頭鍍層厚度與成分均勻性。

2　影響PMR寫頭鍍層厚度與成分均勻性的因素

2. 1 電鍍基層的影響

2. 1. 1 晶片基材的清潔度

電腦硬盤磁頭晶片在電鍍前需要先在晶片基材上濺射電鍍基層，即鈦金屬層和釕種子層，其作用分別為：鈦作為黏附層，可增加基材與鍍層之間的結(jié)合力；釕種子層作為導電層，可實現(xiàn)整個晶片表面的電鍍。完成一道工序后，晶片需轉(zhuǎn)至下一道工序。雖然是在無塵室內(nèi)使用專用封閉盒子保存及運輸晶片，但仍會有一些極細微的顆粒粘附于晶片表面。這些微粒通常很小，粒徑為微米級，甚至納米級，仍會影響種子層與基材的結(jié)合性、種子層的平展性及均勻性，從而影響到鍍層質(zhì)量。因此，在濺射黏附層之前需要先進行一次氬離子束清洗，以除去晶片表面的污染物：將晶片移入濺射機器內(nèi)倉后，用氬離子束掃描10 s（大約研磨減薄5 ～ 6 nm），即可將晶片表面的污染物徹底去除，再開始濺射黏附層及種子層。

2. 1. 2 種子層材料的選擇

此金屬層不但是電鍍種子層，也是電腦硬盤寫頭間隙（write gap）材料，因此要求無任何磁性，且物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，遇熱不變形，抗腐蝕性強，在酸性電鍍?nèi)芤褐胁粫桓g。LMR磁頭生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗證明，金屬釕是目前最好的寫頭間隙材料，因此PMR磁頭晶片生產(chǎn)中依然使用釕作為種子層。

2. 1. 3 種子層的厚度與均勻性

如圖1所示，LMR磁頭晶片表面是平整的，電鍍種子層可用濺射的方法生成。但PMR磁頭晶片表面有窄而深的凹陷，電鍍種子層無法用濺射的方法生成（因金屬粒子難以進入凹陷內(nèi)部或底部，整個晶片表面無法形成完整的導電體）。PMR磁頭寫頭的電鍍層厚度僅為0.6 μm，種子層的厚度要適中。種子層較薄時，其電阻會變大，電鍍時電流較難到達晶片中心，也會導致整個晶片電流密度分布不均勻，電鍍層厚度相差較大；種子層較厚時，又會引入過多外來物質(zhì)，影響寫頭的讀取性能。經(jīng)過多次試驗證明，可使用原子層化學氣相沉積（atomic layer chemical vapor deposition，ALCVD）的方法將金屬釕做成種子層。此法是將金屬釕單原子一層一層地沉積在晶片凹陷的內(nèi)部及晶片表面，故其均勻性非常好，同時也實現(xiàn)了種子層要薄的目的，并且釕種子層導電性良好。但考慮到原子層化學氣相沉積金屬釕工序所需時間較長，種子層不宜過厚。經(jīng)測試，金屬釕厚度為50 nm即可。

2. 1. 4 種子層開孔

在電腦硬盤磁頭晶片電鍍過程中，晶片種子層與電鍍陽極對鍍層均勻性起著不同的作用。通常種子層厚度較薄，其電阻較高，電鍍時晶片邊緣的電流會比中心位置大，結(jié)果鍍層厚度分布為中心薄、周邊厚。而陽極因受到電鍍槽尺寸的限制，不可能做得很大，與晶片的比例一般為1∶1或略大，電鍍時電流密度是晶片中心大、周邊小，對鍍層的作用剛好與種子層的作用相反，鍍層厚度呈中間厚、周邊薄的趨勢。當這兩種因素同時發(fā)揮作用時，就可以“中和”二者的效果而使得電鍍層比較平整。

但上述聯(lián)合作用中，陽極的尺寸以及陽極到陰極的距離因受到電鍍槽尺寸限制等原因一般難以改變，因此陽極對鍍層的作用不易改善，但可通過調(diào)節(jié)種子層的作用來控制鍍層均勻性。為此，引入了開孔（window open，WO）設計的理念。

電腦硬盤磁頭晶片所用的基材是由 Al2O3與TiC按照一定的比例混合，經(jīng)特殊處理而成的晶體，具有導電性。晶片使用前，需要先在基材上濺射一層Al2O3晶體，經(jīng)研磨后再濺射黏附層與種子層，然后涂布光刻膠并進行曝光。由于晶片整個表面被種子層覆蓋，曝光設備無法自動識別晶片并對其進行精確對位，因此可以在種子層上開一些小孔，曝光設備可以借助這些小孔“看到”下層的特殊結(jié)構(gòu)，并借此對晶片進行識別和精確對位，如圖3所示。

圖3 種子層有無開孔的對比Figure 3 Comparison between seed layer with and without window open

開孔的方法為：整個晶片表面濺射種子層后，涂覆光刻膠并曝光，使光刻膠覆蓋開孔處以外的部位；然后經(jīng)氬離子束刻蝕，去掉暴露的種子層，去除光刻膠后即成為圖3c所示結(jié)構(gòu)。

電鍍時，若基材與種子層完全相通，整個晶片就成了一個導體，種子層的電阻很小，僅存在陽極對鍍層的影響，發(fā)揮不了種子層對鍍層均勻性的調(diào)節(jié)作用。而種子層上的這些開孔則有助于消除此現(xiàn)象：開孔處的種子層與基材部分斷開，種子層的電阻相對變大，這樣種子層又可以與陽極一起發(fā)揮對鍍層的“協(xié)同調(diào)節(jié)”作用，鍍層的均勻性得以控制。

上述開孔設計不僅對鍍層厚度均勻性產(chǎn)生影響，對鍍層成分均勻性也起到了非常大的控制作用。研究發(fā)現(xiàn)，在不改變其他條件的情況下僅增加上述的開孔設計，PMR磁頭寫頭鍍層成分差別由3% ～ 5%降為了小于1%，這種差別已經(jīng)完全可以滿足磁頭寫入性能的要求。

2. 2 電鍍掛架的影響

2. 2. 1 掛架設計

如2.1.4所述，電鍍所用陽極的面積與晶片相同或比晶片略大。電鍍時，鍍層厚度會因為陰陽極之間電流密度的不同而在晶片的不同部位產(chǎn)生差異。只有當晶片正面范圍內(nèi)的電流密度相對均一時，鍍層厚度才比較均勻。為此，可以將電鍍掛架設計成如圖4所示，在掛架上增加一個輔助陰極裝置（Thief）。此裝置與掛架分離，但又與掛架通電，其作用是在電鍍時從電流密集區(qū)“偷”一些電流，使得晶片與陽極之間的電流密度較為均勻，從而獲得厚度均勻的鍍層。此法在鍍層厚度小于1 μm時更加有效，適用于PMR磁頭寫頭。

圖4 電腦硬盤磁頭晶片電鍍常用掛架示意圖Figure 4 Schematic plating rack in HDD head wafer fabrication

2. 2. 2 輔助陰極裝置電流大小的影響

輔助陰極裝置電流的大小對鍍層的均勻性有較大的影響。晶片電鍍掛架一般的電鍍電流為 4通道，即電流從如圖4所示的4個電流輸入點輸入到晶片上。輔助陰極裝置電流也同為4通道，其大小很大程度上決定了電鍍時晶片鍍層厚度分布的大致趨勢。當其偏小時，沒能“偷走”足夠的電流，鍍層在晶片周邊的厚度較中心位置為厚；偏大時，又會將電流“推”向晶片中心，造成晶片周邊鍍層偏薄。輔助陰極電流一般為電鍍電流的1.5 ～ 1.6倍。電鍍時，電鍍液從電鍍槽底部流入，電鍍槽頂部溢出，晶片底部電鍍液的更新較頂部略快，所以輔助陰極底部的電流較頂部略高，其作用是將電鍍電流推向晶片頂部，使得鍍層厚度更為均勻。

2. 2. 3 掛架使用次數(shù)

PMR磁頭寫頭電鍍時使用的掛架必須是使用過的掛架。原因是若用新的掛架，其金屬部分（通常以Ti和不銹鋼做成）上電鍍的金屬容易脫落或卷起，在攪拌柄攪拌電鍍液時易造成晶片表面損壞。所以一般常用電鍍后的掛架。FeCoNi合金電鍍時只能使用已經(jīng)電鍍過8次NiFe合金的掛架。

2. 3 電鍍工藝參數(shù)的影響

2. 3. 1 鍍速

在鍍層成分允許的變化范圍內(nèi)，適當降低電鍍速率可以獲得厚度更均勻的鍍層，特別是對于鍍層厚度小于1 μm的電鍍，鍍速一般設為0.21 ～ 0.22 μm/min，而正常鍍速為0.23 ～ 0.24 μm/min。

2. 3. 2 pH

pH的微小變化將引起電鍍速率的變化，進而影響到鍍層厚度和成分的均勻性。當電鍍液pH較低時，電鍍速率較慢，且鍍層易發(fā)生腐蝕；pH較高時，F(xiàn)e2+又易被氧化為Fe3+。通過實驗，比較了電鍍液pH與FeCoNi合金電鍍速率的變化，找到了PMR磁頭寫頭電鍍速率最不敏感的pH范圍（即電鍍液的pH目標值及其容許波動范圍）為2.65 ± 0.01。

2. 3. 3 電流密度

電流密度與鍍層成分密切相關，使用過高或過低的電流都會使鍍層成分發(fā)生變化，因此對于FeCoNi等磁性材料的電鍍而言，電流密度一般不作改變，為363.64 A/m2。

2. 3. 4 鍍液溫度

通常情況下，電鍍液溫度較高時電鍍速率快，溫度低時電鍍速率慢。但對于FeCoNi合金電鍍液而言，高溫會使其中的Fe2+快速氧化成Fe3+，故不宜采用高溫條件，一般設為（19.0 ± 0.5） °C。

3　結(jié)語

本文針對晶片設計、電鍍掛架設計、電鍍液溫度及pH、電鍍速率、電流密度等不同因素對PMR磁頭寫頭鍍層厚度及成分均勻性的影響提出了相應的改進方法。但研發(fā)人員仍需在電腦硬盤PMR磁頭晶片的設計和生產(chǎn)中結(jié)合具體電鍍實際情況進行有針對性的分析和調(diào)整，才能行之有效地提高電鍍均勻性。

［1］ HEIDMANN J， TARATORIN A M. Chapter one： Magnetic Recording Heads ［M］ BUSCHOW K H J. Handbook of Magnetic Materials （Volume 19）. Amsterdam： Elsevier B.V.， 2011： 1-105.

［2］ KHIZROEV S， LIU Y， MOUNTFIELD K， et al. Physics of perpendicular magnetic recording： writing process ［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002， 246 （1/2）： 335-344.

［ 編輯：溫靖邦 ］

Factors affecting the uniformity of electroplated coating on head writer for perpendicular magnetic recording in hard disk driver

WANG Ji-kang*， WANG Yong-kang

The effects of seed layer， wafer design， plating rack， plating rate， current density as well as pH and temperature of plating bath on thickness and composition uniformity of electroplated FeCoNi coating on the writer of perpendicular magnetic recording （PMR） head in hard disk driver （HDD） were discussed.

perpendicular magnetic recording head； writer； iron-cobalt-nickel alloy； electroplating； uniformity； influential factor

TQ150.6

B

1004 - 227X （2016） 15 - 0803 - 05

2016-05-23

2016-07-14

王冀康（1971-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，講師，曾在美國從事電腦硬盤磁頭新產(chǎn)品研究開發(fā)工作，現(xiàn)研究方向為分析化學，已在國內(nèi)外發(fā)表論文25篇，其中SCI收錄2篇。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） jikangwang@hotmail.com。