曲面結構的制造方法

專利名稱：曲面結構的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種制造具有曲面的結構的方法。這種結構能夠用作包括磁頭在內的電子器件，光學器件，精密零件等器件。尤其是，本發明涉及一種制造曲面結構的方法，同時不改變該結構的特性。
近年來，為了滿足作為功能器件的復雜功能和低成本的要求，具有薄膜等功能膜層的結構常用作電子器件。使用了功能膜層的電子器件的器件結構由于是通過將原子級的特殊材料層疊起來制成的，因此這些電子器件對處理環境具有很高的敏感度。由于這種敏感度，因此在進行成形等后處理工作時需要避免對器件造成損害。
例如，在薄膜磁頭的制造中成形曲面時，后處理時進行的精研等研磨會引起這樣的問題，即由于研磨過程時產生的形狀變化會導致器件特性和功能的改變。
與此有關，日本專利No.2,552,068的說明書中公開了通過有選擇的成形來控制結構的曲面，其中這種有選擇的成形使用了激光處理和噴砂處理。另外，日本公開出版物No.HEI 1-30,082中公開了在加熱條件下和后繼的結構冷卻到常溫下通過在結構上形成不同熱膨脹系數的材料層來形成曲面。
參考圖6和圖7，下面對制造曲面結構的傳統工藝的上述實例進行描述。在圖6所示的第一個例子中，通過結構1的能量成形，如激光和噴砂2，使結構1成形為彎曲的形狀。在圖7所示的第二個例子中，將結構1放置在加熱室3內(如圖7A所示)并且在加熱條件下在結構1上形成熱縮材料層4(如圖7B所示)。然后將加熱室3冷卻到常溫，結果結構1成形為彎曲的形狀(如圖7C所示)。
然而，由于上述傳統曲面成形處理采用了精研和噴砂等研磨處理或激光處理和加熱等熱加工，因此存在的問題是，對于具有敏感器件功能的結構來說，結構的器件特性受到了損害和破壞，并且其功能膜層也不能發揮其固有的作用。
本發明的目的在于提供一種制造曲面結構的方法，并且不使用研磨處理和熱加工。
本發明的第一方面是提供一種制造曲面結構的方法，該方法包括提供一種結構主體；通過噴鍍在結構主體的一個表面上形成薄膜以通過薄膜內產生的內應力使結構主體彎曲，由此結構主體的一個表面和另一個表面形成為曲面。
根據本發明的第一方面，由于制造該結構沒有采用研磨處理和熱加工，因此能夠得到可以完全發揮其自身功能的曲面結構，并且不會損害器件的特性，即使結構的器件功能是敏感的。
構成薄膜的材料最好是具有不低于40和不超過240的原子量。通過采用具有該范圍原子量的材料，形成的薄膜具有足夠的內應力，因此能夠確保結構的形成，同時結構的表面具有必要的曲率。
在通過噴鍍形成薄膜期間，曲面的曲率能夠通過壓力調整。特別是，通過把壓力設定的比預定壓力高，與上面形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面，通過通過把壓力設定的比預定壓力低，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面。
另外，通過噴鍍形成薄膜是在真空室內進行的，表面的曲率能夠通過薄膜形成之前真空室內的初始壓力來調整。特別是，通過把初始壓力設定的比預定壓力高，與上面形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面，通過把初始壓力設定的比預定壓力低，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面。
通過噴鍍形成薄膜是通過對與結構主體相對的一個目標施加電壓進行的，表面的曲率能夠通過施加到目標上的電壓調整。特別是，通過把電壓設定的比預定電壓高，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面，通過把電壓設定的比預定電壓低，與上面形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面。
優選的是，在薄膜形成期間對結構主體進行冷卻。通過這種冷卻能夠防止薄膜形成期間結構溫度的升高。
例如，結構主體為Al2O3-TiC基底，噴鍍期間結構主體的溫度不低于20℃，并且不超過50℃，噴鍍期間真空室內的壓力不低于0.5Pa，并且不超過5.0Pa，薄膜由鉭(Ta)或鉻(Cr)組成。
本發明的第二方面是提供一種制造磁頭的方法，該方法包括提供具有單個或多個內置器件的磁頭基底；通過噴鍍在磁頭基底的一個表面上形成薄膜以通過薄膜內產生的內應力使磁頭基底彎曲，由此磁頭基底的一個表面和另一個表面成為曲面，其中的凸面作為磁頭表面。在薄膜形成后可以將磁頭基底切割分成多個磁頭。
本發明的第三方面是提供一種具有曲面的結構，該結構包括結構主體；通過噴鍍在結構主體的一個表面上形成的薄膜，其中結構主體通過薄膜的內應力彎曲，由此使結構主體的一個表面和與該表面相對的結構主體的另一個表面成為曲面。
本發明的第四方面是提供一種磁頭，該磁頭包括具有單個或多個內置器件的磁頭基底；通過噴鍍在磁頭基底的一個表面上形成的薄膜，其中磁頭基底通過薄膜的內應力彎曲，由此使磁頭基底的一個表面或與該表面相對的磁頭基底的另一個表面成為用作磁頭表面的凸面。
從下面結合附圖對優選實施例的詳細描述中，本發明的目的和優點將會更清楚，其中

圖1為根據本發明實施例用于制造曲面結構的方法中的噴鍍設備示意圖；圖2A為薄膜形成之前的磁頭基底的透視圖；圖2B為具有薄膜的磁頭基底的透視圖；圖2C為被薄膜的內應力(張力)彎曲的磁頭基底的透視圖；圖2D為磁頭基底切割過程的透視圖；圖3A為圖2A沿線III-III的剖視圖；圖3B為圖2B沿線III’-III’的剖視圖；圖3C為圖2C沿線III”-III”的剖視圖；圖4A為薄膜形成之前的磁頭基底的透視圖；圖4B為具有薄膜的磁頭基底的透視圖；圖4C為被薄膜的內應力(壓力)彎曲的磁頭基底的透視圖；圖4D為磁頭基底切割過程的透視圖5A為圖4A沿線V-V的剖視圖；圖5B為圖4B沿線V’-V’的剖視圖；圖5C為圖4C沿線V”-V”的剖視圖；圖6為曲面結構的傳統制造方法的示意圖；圖7A-7C為曲面結構的另一個傳統制造方法的示意圖。
下面參考附圖對本發明曲面結構的制造方法進行詳細的描述。
圖2D和圖3C，圖4D和圖5C分別示出了一種磁頭31，其為本發明具有曲面的結構。該磁頭31包括結構主體或磁頭基底32和通過噴鍍在磁頭基底32的一個表面32a上形成的薄膜33。磁頭基底32由Al2O3-TiC組成并具有內置器件34A和34B。薄膜33由鉭(Ta)或鉻(Cr)組成。
磁頭基底32通過薄膜33的內應力彎曲，由此上面形成有薄膜33的一個表面32a和與表面32a相對的另一個表面32b都成為曲面。
在圖3B和3C所示的實施例中，內應力δ1為張力。內應力δ1導致產生作用在磁頭基底32上的變形力，因此與薄膜33相對的另一個表面32b成為凸面。另外，成為凸面的另一個表面32b構成了磁頭表面，在該磁頭表面上形成有空氣軸承面35。另一方面，在圖5B和5C所示的實施例中，內應力δ2為壓力。內應力δ2導致產生作用在磁頭基底32上的變形力，因此具有薄膜33的一個表面32a成為凸面。另外，成為凸面的一個表面32a構成了磁頭表面，在該磁頭表面上形成有空氣軸承面35。
圖1所示為用于制造磁頭31的噴鍍設備的例圖。
真空室11內裝有基底固定器12。該基底固定器12以這樣的方式固定磁頭基底32，即由于內應力δ1和δ2引起的磁頭基底的變形是容許的。另外，基底固定器12通過驅動單元13上下移動。
基底固定器12具有冷卻水通道12a。在冷卻水通道12a內，從冷卻水源14供給的冷卻水進行循環，由此在噴鍍期間對磁頭基底32進行冷卻。通過將基底固定器12的體積設定的足夠大，其可以具有大的熱容量。
在真空室11內，安裝有與基底固定器12相對的目標15。目標15與電源17連接。盡管在該實施例中電源17使用的是直流電源，但是如果目標15是由電絕緣體組成的也可以使用高頻電源。在基底固定器12與目標15之間安裝有閘門18。閘門18通過驅動單元19開啟和關閉。
用于排放的真空泵21經閥22與真空室11的內部相連。另一方面，真空室11上的進氣口23經閥24與氣源25相連。處理氣體從氣源25經閥24供給到真空室11的內部。
控制器27控制基底固定器12的驅動單元13，冷卻水源14，電源17，閘門18的驅動單元19，閥22和24，真空泵21，及氣源25。
下面以圖2D和3C所示磁頭為例對用于制造磁頭的方法進行描述。
圖2A和2B所示柵狀的磁頭基底32同基底固定器12固定，一個表面32a朝下。在磁頭基底32的另一個表面32b上預先形成有空氣軸承表面35。
然后，為了調整薄膜厚度分布的精度，基底固定器12通過驅動單元13上下移動以根據磁頭基底32的布置面積來調整磁頭基底32與目標15之間的距離。
此后，排放真空室11內的氣體直到真空室11內的壓力達到預定的壓力(初始壓力)。在該實施例中，真空室11的氣體排放一直持續到初始壓力達到大約10-3Pa為止。另外，諸如氬氣(Ar)的處理氣體從氣源25經進氣口23被導引到真空室11的內部。在這些過程中，從進氣口23導入處理氣體的流速和通過真空泵21排放的流速設定的相同，由此真空室11內部的壓力保持恒定。該恒定的壓力就是薄膜形成期間的壓力。
下一步，保持閘門18關閉，將電源17供給的電壓作用到目標15上以便產生等離子放電。為了清除目標15上的物質，如氧化物，穩定的等離子放電要維持幾分鐘。此后，打開閘門18，由此在磁頭基底32的一個表面32a上形成了噴鍍膜或薄膜33，如圖2B和3B所示。薄膜33的厚度設定的不超過1μm。如圖2C和3C所示，由于內應力δ1的作用，磁頭基底32被彎曲并且與薄膜33相對的另一表面32b成為凸面。
由于能量從噴射微粒傳遞給磁頭基底，因此通過噴鍍形成薄膜的長的持續時間會造成磁頭基底的溫度升高。然而，在該實施例中，通過冷卻水對基底固定器12的冷卻和基底固定器12的大熱容量能夠降低磁頭基底32的溫度升高。盡管磁頭基底32的冷卻效果依賴于其材料，但是將磁頭基底32冷卻到不超過50℃的溫度能夠防止由于加熱對器件34A和34B特性造成的損害，即使這些器件34A和34B是敏感的。
在完成薄膜33的形成后，將磁頭基底32從真空室11內取出。接著，通過圖2D中所示的線C將磁頭基底32切割分離成各個磁頭31。例如，利用劃片機完成對磁頭基底32的切割。
除了空氣軸承表面35是在完成薄膜形成后制成的，圖4D和5C所示的磁頭31也可以通過上述制造圖2D和3C所示磁頭31的方法制造(參考圖4A-4D和圖5A-5C)。
如上所述，內部應力是張力或是壓力會使得磁頭基底32的彎曲方向不同，即一個表面32a和另一表面32b中的那一個會成為凸面。另外，內應力越大，磁頭基底32的彎曲程度越大，該彎曲程度稱為一個表面32a和另一表面32b的曲率。相應地，通過在薄膜形成期間對壓力，初始壓力及施加到目標15上的電壓進行控制，磁頭基底32的彎曲方向和曲率都能夠得到調整。
首先對通過薄膜形成期間的壓力進行的調整進行描述。
薄膜形成期間的壓力可以通過真空泵21和/或氣源25進行調整。特別是，當從氣源25供給的處理氣體的流速相對于真空泵21排放的流速增加時薄膜形成期間的壓力增高。相反，當從氣源25供給的處理氣體的流速相對于真空泵21排放的流速降低時薄膜形成期間的壓力降低。
利用薄膜形成期間壓力的增高，從目標15到磁頭基底32的一個表面32a上的各個微粒的能量降低。由此，當薄膜形成期間的壓力高時，薄膜33的密度就低并且構成薄膜33的原子之間的吸引力對磁頭基底32具有很大的影響。這會導致薄膜33的內應力為張力δ1(參考圖3C)并且與薄膜33相對的另一表面32b成為凸面。
另一方面，隨著薄膜形成期間壓力的降低，從目標15到磁頭基底32的一個表面32a上的各個微粒的能量升高。因此，當薄膜形成期間的壓力低時，薄膜33的密度就高并且構成薄膜33的原子之間的排斥力對磁頭基底32具有很大的影響。這會導致薄膜33的內應力為壓力δ2(參考圖5C)并且上面形成有薄膜33的一表面32a成為凸面。
換而言之，通過把薄膜33形成期間的壓力設定的比預定的壓力高，與形成有薄膜33的一個表面32a相對的另一個表面32b成為凸面。相反，通過把薄膜33形成期間的壓力設定的比預定的壓力低，形成有薄膜33的一個表面32a成為凸面。
下面對通過初始壓力進行的調整進行描述。
在利用真空泵21開始排放之前，水分粘在真空室11的內壁表面和磁頭基底32上。隨著初始壓力的降低，水分的剩余量在噴鍍開始時降低。相反，隨著初始壓力的升高，水分的剩余量在噴鍍開始時增加。
相應地，當初始壓力高時，真空室11內的剩余水分粘在目標微粒上從而產生絮凝。薄膜33的密度由于這種絮凝而降低。這會導致薄膜33的內應力為張力δ1(參考圖3C)并且形成有薄膜33的一個表面32a成為凸面。
另一方面，當初始壓力低時，不產生絮凝，因此薄膜33的密度升高。這會導致薄膜33的內應力為張力δ2(參考圖5C)并且與薄膜33相對的另一個表面32b成為凸面。
換而言之，通過把初始壓力設定的比預定壓力高，與形成有薄膜33的一個表面32a相對的另一個表面32b成為凸面。相反，通過把初始壓力設定的比預定的壓力低，上面形成有薄膜33的一個表面32a成為凸面。
下面對通過施加到目標上的電壓進行的調整進行描述。
隨著施加到目標15上的電壓升高，朝向磁頭基底32的各個噴鍍微粒的能量升高。因此，當施加的電壓高時，薄膜33的密度就高。這會導致薄膜33的內應力為壓力δ2(參考圖5C)并且上面形成有薄膜33上的一表面32a成為凸面。
另一方面，當施加的電壓低時，薄膜33的密度就低。這會導致薄膜33的內應力為張力δ1(參考圖3C)并且與薄膜33相對的另一個表面32b成為凸面。
換而言之，通過把電壓設定的比預定電壓高，上面形成有薄膜33的一個表面32a成為凸面。相反，通過把電壓設定的比預定電壓低，與上面形成有薄膜33的一個表面32a相對的另一表面32b成為凸面。
構成目標15的材料的原子量最好不低于40并且不超過240。這是因為如果原子量低于40，由于噴鍍微粒的能量小很難形成具有彎曲磁頭基底所需內應力的薄膜。另一方面，如果原子量不低于40，由于噴鍍微粒的能量大就能夠形成具有彎曲磁頭基底所需內應力的薄膜。另外，在這種情況下，磁頭基底的彎曲方向和曲率能夠通過薄膜形成期間的壓力，初始壓力，及施加的電壓來調整。另外，目標15所用的金屬的最大原子量大約為240。
根據本發明發明者的試驗，如果結構主體為Al2O3-Tic基底，目標或薄膜的材料為鉭或鉻，并且把Al2O3-Tic基底冷卻在20℃到50℃的范圍內，那么通過把薄膜形成期間的壓力調整在0.5Pa到5.0Pa的范圍內，Al2O3-Tic基底可以被彎曲成具有任何曲率的曲面。
盡管上述實施例是以磁頭為例進行描述的，除了磁頭，本發明也可以應用于其它器件，如電子器件，光學器件及精密零件等。另外，結構主體的材料也可以為鋯(Zr)，鈮(Nb)，鎢(W)，鉬(Mo)，鈦(Ti)，鎳(Ni)，釩(V)，鐵(Fe)，銀(Ag)，銅(Cu)，金(Au)。
盡管結合附圖對本發明優選實施例進行了描述，需要指出的是本領域的技術人員很容易作出改變和變形。因此，在不脫離本發明的思想和范圍內，這些改變和變形都落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種制造具有曲面的結構的方法，該方法包括提供一種結構主體；通過噴鍍在結構主體的一個表面上形成薄膜以便通過薄膜內產生的內應力使結構主體彎曲，由此結構主體的一個表面和另一個表面形成為曲面。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述薄膜的構成材料具有不低于40和不超過240的原子量。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述表面的曲率是由通過噴鍍形成薄膜期間的壓力調整的。
4.根據權利要求3所述的方法，其中通過把壓力設定的比預定壓力高，與上面形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面；及其中通過把壓力設定的比預定壓力低，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面。
5.根據權利要求1所述的方法，其中通過噴鍍形成薄膜是在真空室內進行的，及其中表面的曲率是通過薄膜形成之前真空室內的初始壓力調整的。
6.根據權利要求5所述的方法，其中通過把初始壓力設定的比預定壓力高，與形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面，及通過把初始壓力設定的比預定壓力低，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面。
7.根據權利要求1所述的方法，其中通過噴鍍形成薄膜是通過對與結構主體相對的一個目標施加電壓進行的，及其中表面的曲率是通過施加到目標上的電壓調整的。
8.根據權利要求7所述的方法，其中通過把壓力設定的比預定壓力高，上面形成有薄膜的一個表面成為凸面；及其中通過把壓力設定的比預定壓力低，與上面形成有薄膜的一個表面相對的另一個表面成為凸面。
9.根據權利要求1所述的方法，其中在薄膜形成期間對結構主體進行冷卻。
10.根據權利要求1所述的方法，其中結構主體是Al2O3-TiC基底，噴鍍期間結構主體的溫度不低于20℃并且不超過50℃，噴鍍期間真空室內的壓力不低于0.5Pa并且不超過5.0Pa，及薄膜是由鉭或鉻構成的。
11.一種制造磁頭的方法，該方法包括提供具有單個或多個內置器件的磁頭基底；通過噴鍍在磁頭基底的一個表面上形成薄膜以便通過薄膜內產生的內應力使磁頭基底彎曲，由此磁頭基底的一個表面和另一個表面成為曲面，其中的凸面作為磁頭表面。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于該方法還包括在磁頭基底的一側上形成薄膜后將磁頭基底切割分成多個磁頭。
13.一種具有曲面的結構，該結構包括結構主體；及通過噴鍍在結構主體的一個表面上形成的薄膜，其中結構主體通過薄膜的內應力彎曲，由此使結構主體的一個表面和與該表面相對的結構主體的另一個表面成為曲面。
14.根據權利要求13所述的結構，其中所述薄膜的構成材料具有不低于40和不超過240的原子量。
15.根據權利要求13所述的結構，其中結構主體是Al2O3-TiC基底，及薄膜是由鉭或鉻構成的。
16.一種磁頭，該磁頭包括具有單個或多個內置器件的磁頭基底；及通過噴鍍在磁頭基底的一個表面上形成的薄膜，其中磁頭基底通過薄膜的內應力彎曲，由此使磁頭基底的一個表面或與該表面相對的磁頭基底的另一個表面成為用作磁頭表面的凸面。
全文摘要
本發明公開了一種結構,其能夠用作包括磁頭在內的電子器件,光學器件,或精密零件并具有一個結構主體。在結構主體的一個表面上通過噴鍍形成有薄膜。結構主體通過薄膜的內應力彎曲,由此使結構主體的一個表面和與該表面相對的另一個表面成為曲面。
文檔編號G11B5/187GK1338746SQ0111883
公開日2002年3月6日 申請日期2001年6月19日 優先權日2000年6月19日
發明者西原宗和 申請人:松下電器產業株式會社