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Si_xN_y应用在硬盘磁头保护膜上的研究

作　者: 邝许平
导　师: 张化宇；马洪涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工与工程
关键词: SixNy薄膜 DLC/SixNy磁头保护膜 DLC/Si磁头保护膜 X射线光电子能谱俄歇电子能谱抗腐蚀性能电阻折射率
分类号: TP333.35
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

当DLC（类金刚石）薄膜的厚度低于2nm时,传统的DLC/Si磁头保护膜已经起不到保护作用,而降低磁头保护膜的厚度可以提高硬盘存储密度,所以探索开发新的、性能更加优异的磁头保护膜成为了该领域的热点。DLC/Si_xN_y磁头保护膜（以Si_xN_y为基底的DLC磁头保护膜）是对传统DLC/Si磁头保护膜的拓展和创新。本文首次探讨将Si_xN_y应用在硬盘磁头保护膜上,主要以制备的Si_xN_y薄膜为研究对象,通过多项先进试验方法首先研究了N₂流量和偏压对DLC/Si_xN_y薄膜化学结构和表面形态的影响,接着着重研究了N₂流量和偏压对薄膜抗腐蚀性能、电学性能等的影响,并与传统的DLC/Si磁头保护膜的抗腐蚀性能、电学性能作比较,寻找在什么条件下可以制备出性能更加优越的DLC/Si_xN_y磁头保护膜。本次研究采用电子回旋共振化学气相沉积工艺（Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition, ECR-CVD）,将磁头表面已经镀好的Si层氮化从而形成Si_xN_y薄膜,随后采用FCVA沉积工艺在Si_xN_y薄膜上沉积DLC,最终得到厚度约5.5nm的DLC/Si_xN_y磁头保护膜。采用X射线光电子能谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）分析了N元素的含量,发现薄膜中N含量随着N₂流量和偏压的增大都出现先上升后下降的趋势。在N₂流量为120sccm时薄膜中N含量达到最大值为4.76%,N/Si比达到最大值0.4 ;在偏压为-150V时薄膜中N含量达到最大值为5.37%, N/Si比达到最大值0.46。同时采用俄歇电子能谱仪（ Auger Electron Spectroscopy, AES）分析了N等元素的深度分布状态,发现界面区N的原子浓度随着N₂流量的增加呈现出先增加后减少的趋势,在N₂流量为120sccm时薄膜中的N含量达到最大值,这与用XPS对薄膜N含量的分析结果非常吻合,进一步证实了薄膜中的N含量随N₂流量的这一变化规律;界面区N的原子浓度随着偏压的增加而增加。采用原子力显微镜（ Atomic Force Microscopy, AFM）分析了DLC/Si_xN_y磁头保护膜的粗糙度和表面形貌,发现了其表面状态没有随着N₂流量和偏压的增加而出现明显变化。采用XPS分析了C、N和Si的主要化学键结构,结果表明,薄膜中大部分的C元素以sp³C、sp³C-N和sp²C形式存在,其余C原子与Si原子形成C-Si键;薄膜中N元素主要以N-sp³C和N-sp²C形式存在,其余N原子与Si形成N-Si键;薄膜中Si元素以Si-N、Si-C和Si-O键形式存在。采用Keithley 2400型超薄薄膜电阻测量仪测试了不同N₂流量和偏压下DLC/Si_xN_y薄膜的电阻值,发现薄膜电阻随着N₂流量和偏压的增加都出现增加的趋势,分别从1.64 MΩ上升到11.74 M?和从0.69 M?升到8.11 M?,均比相同厚度的DLC/Si薄膜电阻（0.17M?）大。在薄膜电阻随偏压的变化趋势中出现了两个电阻变化缓慢区（A区和B区）,与A区和B区相对应的偏压范围分别是0V--50V和-100V--150V。采用椭偏仪测试了DLC/Si_xN_y薄膜的折射率,发现N₂流量和偏压的变化没有对薄膜的折射率产生影响。采用草酸腐蚀实验测试了DLC/Si_xN_y磁头保护膜的抗腐蚀性能,在腐蚀时间为8分钟时,发现磁头的腐蚀率随N₂流量的增加从3.3%上升到15.9%,随偏压的增加先从18.0%先下降到3.8%,然后又上升到23.8%。而在传统的DLC/Si薄膜保护下,磁头的腐蚀率为10.7%,与之比较,发现在N₂流量小于90sccm时DLC/Si_xN_y磁头保护膜体现出了更好的抗腐蚀性能;当偏压在-50V致-150V之间时DLC/Si_xN_y磁头体现出了更好的抗腐蚀性能,尤其是在-150V时磁头的腐蚀率达到最低仅为3.8%。本次研究探索开发了Si_xN_y薄膜的新用途,即作为DLC膜的基底应用在磁头保护膜上。研究了DLC/Si_xN_y磁头保护膜不同于传统的DLC/Si磁头保护膜的新特性,为开发下一代磁头保护膜,改善其性能提供了新思路;为新工艺、新产品的研发,提供了试验参考数据和理论依据,尤其是使进一步降低磁头保护膜的厚度成为可能,从而达到进一步提升硬盘存储密度的目的;为拓展DLC和Si_xN_y薄膜制品的应用领域、巩固和扩大市场打下了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-25
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 本课题研究的目的和意义  12
  1.3 氮化硅薄膜与硬盘磁头保护膜（DLC）简介  12-24
    1.3.1 氮化硅薄膜简介与研究现状  12-19
    1.3.2 磁头表面沉积DLC薄膜的现状  19-24
  1.4 本文主要研究内容  24-25
第2章 Si_xN_y薄膜的制备与表征  25-38
  2.1 引言  25
  2.2 Si_xN_y薄膜的制备  25-30
    2.2.1 ECR-CVD工艺原理及特点  25-27
    2.2.2 Si_xN_y薄膜的生长机理  27
    2.2.3 Si_xN_y薄膜的制备  27-30
  2.3 Si_xN_y薄膜的表征方法  30-37
    2.3.1 X射线光电子能谱仪  30-32
    2.3.2 俄歇电子能谱仪  32-33
    2.3.3 原子力显微镜  33-34
    2.3.4 电阻测量仪  34-35
    2.3.5 椭偏仪  35-36
    2.3.6 草酸腐蚀试验  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章 DLC/Si_xN_y磁头保护膜成分结构和表面状态的分析  38-65
  3.1 引言  38
  3.2 DLC/Si_xN_y薄膜成分分析  38-42
    3.2.1 不同N_2流量下薄膜中N含量分析  38-40
    3.2.2 不同衬底偏压下薄膜中N含量分析  40-42
  3.3 DLC/Si_xN_y薄膜化学结构的XPS分析  42-55
    3.3.1 不同N_2流量下薄膜化学结构的XPS分析  42-49
    3.3.2 不同衬底偏压下薄膜化学结构的XPS分析  49-55
  3.4 薄膜深度分析  55-59
    3.4.1 不同N_2流量下薄膜深度分析  55-57
    3.4.2 不同衬底偏压下薄膜深度分析  57-59
  3.5 DLC/Si_xN_y薄膜表面状态分析  59-64
    3.5.1 不同N2 流量下薄膜表面状态分析  59-62
    3.5.2 不同衬底偏压下薄膜表面状态分析  62-64
  3.6 本章小结  64-65
第4章 DLC/Si_xN_y磁头保护膜的性能  65-76
  4.1 引言  65
  4.2 DLC/Si_xN_y薄膜电学性能分析  65-68
    4.2.1 不同N_2流量下薄膜电阻分析  65-66
    4.2.2 不同衬底偏压下薄膜电阻分析  66-68
  4.3 Si_xN_y对DLC薄膜光学性能的影响与分析  68-70
    4.3.1 不同N_2流量下薄膜的N_s与K_s分析  69
    4.3.2 不同沉底偏压下薄膜的N_s与K_s分析  69-70
  4.4 Si_xN_y对DLC薄膜抗腐蚀性能的影响与分析  70-75
    4.4.1 不同N_2流量下薄膜的抗腐蚀性能分析  71-72
    4.4.2 不同沉底偏压下薄膜的抗腐蚀性能分析  72-75
  4.5 本章小结  75-76
结论  76-78
参考文献  78-86
致谢  86

Si_xN_y应用在硬盘磁头保护膜上的研究

内容摘要

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