具有降低的應力各向異性的薄膜的制作方法
【專利摘要】本發明公開了具有降低的應力各向異性的薄膜。一種裝置及其關聯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過應力調節以降低不想要的應力各向異性。該薄膜可配置成在初次退火之后具有近零內部應力。
【專利說明】具有降低的應力各向異性的薄膜
【發明內容】
[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減小的數據存儲設備中進行有效的數據讀取和記錄。根據各種實施方式，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力調整，以降低不想要的應力各向異性并在初次退火之后產生近零內部薄膜應力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0002]圖1是數據存儲設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中顯示的數據存儲設備的該部分。
[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力特征。
[0006]圖5繪制了通常與根據各種實施方式構造和操作的磁性元件相關聯的性能數據的圖表。
[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提供根據各種實施方式構造的磁性元件制造例程的流程圖。
【具體實施方式】
[0009]數據存儲設備產品設計致力于降低數據位的尺寸同時努力增加數據存儲介質的數據存取速率，以提高數據容量、傳輸率和可靠性。隨著這種尺寸上的降低，數據讀取和寫入組件面臨尤其關于磁性特征進行精確執行的挑戰。也就是說，降低數據存取組件的尺寸會影響那些組件如何運作，這可能禁止數據位的寫入和感測。
[0010]薄膜材料的沉積涉及機械應力的積聚，這可能負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的內在應力產生。薄膜中殘留的應力亦可導致膜分層和破裂，這可產生設備的可靠性問題。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力以及保持的磁性屬性的數據元件，本領域對控制由磁性和非磁性薄膜所經歷的應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節應力，以降低不想要的應力各向異性。控制由該沉積薄膜感受到的應力的能力可允許構造數據元件，該數據元件展示了與高溫退火無關的軟磁特征，同時具有降低的晶粒尺寸。磁性屏蔽部和磁極的這種調節應力進一步允許高產率和對升高的操作溫度的持續抵抗力，操作溫度升高在形狀因數減小的數據存儲設備中經常遇到。
[0012]出現在濺射薄膜中的應力源自薄膜內的結構缺陷，譬如晶界、位錯、空隙和雜質，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。[0013]第二，當在低溫冷卻的基板上沉積的薄膜升溫至室溫時，有效地經歷了退火條件，其中薄膜和基板的不同熱膨脹導致不可逆的殘留應力。第三，在沉積的薄膜中存在的拉伸應力導致薄膜中產生微空隙，這強烈依賴于濺射壓力。在高濺射壓力下，由于氣體散射可產生較不致密、較容易生成拉伸應力的薄膜，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力，并提供較大的旋鈕來通過調整濺射壓力和功率來調節應力，以在沉積或退火過的薄膜中獲取接近零的應力，同時保持完全致密的膜結構。
[0015]轉到附圖，圖1大致說明了數據存儲設備的數據換能元件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境，并且可實現以減輕多個偶然的磁通量產生條件。
[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108上的編程數據位106之上。存儲介質108附接至主軸電機110，該主軸電機110在使用期間旋轉以產生空氣承載表面(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的數據。這樣，致動組件102的受控運動導致換能器與在存儲介質表面上限定的數據磁道(未示出)相對齊，從而寫入、讀取和復寫數據。
[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、或者并發地操作以寫入數據至譬如圖1的介質108之類的鄰近存儲介質、或者自譬如圖1的介質108之類的鄰近存儲介質中檢索數據。每個磁性元件122和124由多個屏蔽部構建，該多個屏蔽部用來限定對應數據介質的預定數據磁道126，在該對應數據介質上，數據位由相應磁性元件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創建寫入電路來將期望磁定向賦予鄰近存儲介質。雖然不作為限制，但一些實施方式使用寫入元件124來垂直于鄰近數據介質寫入數據。這種垂直記錄可允許更密集打包的數據位，而且也可在多個數據位受到殘留磁通量并發影響時提高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通過導電通路148至返回磁極138處結束的磁通量。應注意到，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]當沉積時，尤其當沉積在低溫基板上時，在磁性屏蔽126和132以及磁性活性結構128中生成的軟磁材料中晶粒的微結構在通過自然或人工退火升溫時可影響沉積層所經歷的應力和磁性屬性，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力各向異性的生成最小化，調節沉積層中的應力的能力允許產生近零應力。
[0022]圖3繪制了根據各種實施方式隨著基板溫度提升的示例數據換能器的應力的圖表。實線140以曲線圖示出了軟磁薄膜的應力的圖表，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說明了當軟磁材料以低溫基板溫度進行沉積時，薄膜傾向于經歷壓應力，而室溫基板沉積對應于拉應力。
[0023]圖4以曲線圖示出了當在不同基板材料上沉積的另一種示例數據換能器薄膜層的應力。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聯的應力。虛線152繪制了在AlTiC上沉積的軟磁層的應力的圖表，AlTiC被控制成與線150相同的各種基板溫度。圖4的數據大致顯示了基板材料如何對隨著薄膜升溫至室溫所經歷的熱應力做出貢獻。分析由于基板和薄膜之間的熱膨脹系數(CTE)的差異而導致的薄膜中的熱應力指示了熱應力可構成總殘留應力的重要部分，并且對沉積溫度的控制可有效地調節薄膜應力。當熱應力不是對沉積層的應力做出貢獻的唯一參數時，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，從而允許調節薄膜中的應力，以產生近零室溫應力并降低不想要的應力各向異性。
[0024]圖5繪制了按照根據各種實施方式低溫沉積的軟磁層的薄膜厚度的函數的薄膜應力的圖表。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埃范圍內的層，而虛線162提供了 一個以8kW、50Ar流sccm進行沉積的層的數據。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節基板材料、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進行沉積的層相關聯的應力的圖表。與此同時，實線和虛線180和182分別繪制了未經退火和經過退火的層的應力的曲線圖，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歷的應力。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力狀態(拉應力相對于壓應力)，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生具有接近零的應力的磁性元件，該接近零的應力與因應力誘發的各向異性的降低而導致的減少的噪聲相對應。
[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)產生近零應力，如線180所示。利用流速調節應力可并發地提供預定的薄膜粗糙度。同樣地，調整流速可同步地提供預定應力和表面粗糙度。例如，流速可保持為低，同時基板溫度升高以產生同時具有近零應力的材料屬性。
[0028]利用基于各種參數、沉積功率和流速、厚度、基板溫度和退火來調節給定軟磁薄膜的應力的能力，應力感應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力的軟磁薄膜，從而避免不想要的應力誘發的各向異性，具有近零殘留應力的軟磁薄膜與改善的薄膜的可靠性相對應。
[0029]雖然不要求或限制于一種用于形成用于數據寫入元件的軟磁薄膜的具體方式，但圖7提供了根據各種實施方式執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、材料和構造。軟磁薄膜的目的可與磁性能準則的評估一起同時或連續執行，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的厚度相對應的預定殘留應力。
[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節薄膜中存在的應力。利用在步驟212中設計的層的各個方面，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的經調節應力。
[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節該薄膜所經歷的應力。在沉積的調整完結時，或者在決策216中不選擇調整的情況下，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進行制造，該各種參數被調節為具有近零應力，伴隨著不想要的應力誘發的各向異性的減少。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據存儲設備的磁性屬性的軟磁薄膜，本公開中描述的磁性元件的構造和材料特性允許增強的磁性讀取和編程。此外，調節及優化各個層的內部應力的能力可允許應力誘發的各向異性的精確減少并提高薄膜的機械屬性。另外，當所述實施方式涉及磁性編程時，將理解要求保護的技術易于用于任意數目的其它應用中，譬如數據感測和固態數據存儲應用。
[0035]要理解，即使本公開的各種實施方式的多種特性和優點已在前面的說明書中和各種實施方式的結構和功能的細節一起闡述，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，到由用于表述所附權利要求的術語的寬泛公知含義所指出的完整范圍上，可對細節作出改變，特別是在結構的問題和部件的配置方面。例如，在不脫離本技術的精神和范圍的情況下，具體元件可取決于具體的應用而變化。
【權利要求】
1.一種數據存儲設備，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過應力調節以降低不想要的應力各向異性。
2.如權利要求1所述的數據存儲設備，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.如權利要求2所述的數據存儲設備，其特征在于，所述溫度大約為50開爾文。
4.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，所述薄膜是單獨的連續磁性屏蔽層。
5.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，所述薄膜是通過調整濺射壓力而經過應力調節的。
6.如權利要求5所述的數據存儲設備，其特征在于，所述濺射壓力響應于將所述薄膜升溫至室溫而被調整。
7.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，所述薄膜是響應于所述薄膜的厚度而經過應力調節的。
8.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，所述薄膜經過應力調節以在加熱所述薄膜時維持壓力負荷。
9.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，所述薄膜是通過調整濺射功率而經過應力調節的。
10.如權利要求1所述的數據存儲設備，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力。
11.如權利要求1所述的數據存儲設備，其特征在于，在執行所述初次退火之后，在大約225攝氏度下執行二次退火。
12.如權利要求11所述的數據存儲設備，其特征在于，執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濺射壓力經過應力調節以提供近零薄膜應力。
14.如權利要求13所述的磁性元件，其特征在于，所述近零薄膜應力在大約室溫下。
15.如權利要求13所述的磁性元件，其特征在于，所述濺射壓力在50和90sCCm之間調節。
16.如權利要求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 在初次退火期間調節所述第一薄膜的應力以降低不想要的應力各向異性。
18.如權利要求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調節的屏蔽應力的第二薄膜以提高粘附并減少分層。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述應力在將所述第二薄膜加熱至室溫以上時經過調節。
【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 優先權日:2012年4月30日
【發明者】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