热辅助磁记录磁头和热辅助磁记录磁盘驱动器

技术领域

本发明总体上涉及一种热辅助磁记录(HAMR)磁盘驱动器，其中，磁盘上的磁 记录层在高温时被写入数据，具体而言，本发明涉及一种改进的HAMR写磁头。

背景技术

在传统磁记录中，记录介质中存储的磁化的热不稳定性可能导致记录数 据的丢失。为了避免这种情况，需要具有高磁晶各向异性(K_u)的介质。但增 大K_u也增大了介质的矫顽力，其可能超过写磁头的写磁场能力。由于已知 记录层的磁性材料的矫顽力是与温度相关的，所以对于热稳定性问题的一个 被提出的解决方案是热辅助磁记录(HAMR)，其中，在写入过程中局部加热 高K_u磁记录材料，以便将矫顽力降低到足以进行写入，但在磁盘驱动器的 环境温度(即，约15-30℃的正常工作温度或“室”温)，为了所记录的位的 热稳定性，矫顽力/各向异性足够高。在一些被提出的HAMR系统中，将磁 记录介质加热到接近或高于其居里温度。随后在环境温度由传统磁阻读磁头 读回所记录的数据。已经提出了既用于传统连续介质又用于比特图案化介质 (bit-patternedmedia)的HAMR磁盘驱动器，在传统连续介质中，磁记录材料 是磁盘上的连续层，在比特图案化介质中，磁记录材料被图案化成离散的数 据岛或“多个位”。

在典型的HAMR写磁头中，来自激光二极管的光耦合到波导，该波导 将光引导到近场换能器(NFT)(也称为等离子天线(plasmonicantenna))。“近 场”换能器指的是“近场光学”，其中光传送通过具有亚波长特征的元件， 并且光耦合到与第一元件相距亚波长距离的第二元件，例如基板，如磁记录 介质。NFT通常位于空气轴承滑块的空气轴承表面(ABS)，空气轴承滑块还 支撑读磁头和磁写极并且在磁盘表面上漂浮和“保存文件(file)”。NFT通常 由成形为在光入射时使得表面电荷运动集中在位于滑块ABS处的凹槽或尖 端上的低损耗金属(例如Au、Ag、Al、Cu)形成。振荡尖端电荷产生强烈 的近场图案，该近场图案加热磁盘上的记录层。磁写极随后用于在记录层冷 却的同时改变该记录层的磁化。有时，NFT的金属结构可以产生谐振电荷运 动(表面等离激元)以进一步增大强度和磁盘加热。例如，当偏振光与E- 天线型NFT对准时，可以在E-天线的凹槽或尖端处产生强的近场图案。可 以通过调整E-天线尺寸以使得表面等离激元频率与入射光频率匹配来产生 谐振电荷运动。在US2011/0096639和US2011/0170381中描述了具有一般的 三角形输出端的NFT，有时被称为“微喙(nanobeak)”型NFT，上述两个美 国申请都被转让给与本申请相同的受让人。在此类NFT中，在波导表面产 生的渐逝波(evanescentwave)耦合到在NFT的表面上激发的表面等离激元， 并且在三角形输出端的顶产生强光学近场。

作为本发明的开发的部分，发现了NFT的可靠性在磁盘上的实际记录 条件下比在真空或环境空气条件中的类似光学功率下差得多。这可能是由于 滑块的保护外涂层的退化或氧化，其中滑块的保护外涂层由无定形的类金刚 石碳(DLC)形成。它也可能是由于NFT的“反加热”，该NFT的“反加热” 起因于滑块-磁盘摩擦加热、来自磁盘的传导和/或碳质材料在NFT附近的累 积。反加热，即除了来自激光辐射的正常光学加热以外NFT的加热，可能 导致NFT金属的扩散直到NFT尖端圆化且记录性能降低。

需要的是不受滑块的DLC外涂层的退化影响并且免受反加热的HAMR 磁头。

发明内容

本发明的实施例涉及一种具有保护膜的HAMR磁头，该保护膜局限于 滑块的面对磁盘的表面的窗口，而不围绕NFT端和写极端。保护膜防止了 NFT的反加热。保护膜由对于在激光波长的辐射透明的材料形成，具有高折 射率和低导热率，在高温以及在氧气和水存在的情况下可以耐受降解或腐 蚀。保护膜材料不是主要由类金刚石碳(DLC)组成，因为该材料在高温和氧 气存在的情况下不是特别稳定。用于保护膜的材料包括但不限于TiO₂、ZrO₂、 HfO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Sc₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiN、BN、SiBN、SiBNC，优 选的材料是TiO₂、ZrO₂、HfO₂或SiBN之一。

通常是无定形类金刚石碳(DLC)的滑块外涂层位于滑块的面对磁盘的表 面上的非窗口区中，并且可任选地也在窗口区上，外涂层的外表面形成滑块 的ABS。在一个实施例中，滑块外涂层位于保护膜上。在另一实施例中，滑 块外涂层直接位于窗口区中的NFT和写极端上，保护膜位于窗口区中的外 涂层上。可以在窗口区中的面对磁盘的表面上形成可任选的凹槽，保护膜位 于该凹槽中。

为了更充分地理解本发明的本质和优点，应结合附图参考以下详细描 述。

附图说明

图1是根据现有技术的热辅助磁记录(HAMR)磁盘驱动器的俯视图。

图2描绘了根据现有技术的用于HAMR磁盘驱动器和一部分HAMR磁 盘中的空气轴承滑块的截面图，因为难以显示极小的特征而没有按照比例绘 制。

图3是具有近场换能器(NFT)和写极(WP)端的部分滑块以及具有DLC外 涂层和滑润剂层的一部分磁盘的截面图，示出了含碳物质的累积的机制。

图4A是一部分滑块的横截面图，图4B是根据本发明的一个实施例的 仅在滑块的面对磁盘的表面的窗口区上具有保护膜的滑块的ABS视图。

图4C是一部分滑块的横截面图，图4D是根据本发明的备换实施例的 具有位于凹陷的窗口中的保护膜的滑块的ABS视图。

图4E是一部分滑块的横截面图，图4F是根据本发明的另一实施例的具 有仅位于窗口区上的保护膜和仅位于滑块的面对磁盘的表面的非窗口区上 的外涂层的滑块的ABS视图。

图5A是一部分滑块的横截面图，图5B是根据本发明的一实施例的仅 在滑块的面对磁盘的表面的窗口区上具有保护膜的滑块的ABS视图，其中 NFT是具有三角形端的“微喙(nanobeak)”型NFT，三角形的顶构成面对写 极端的NFT尖端。

具体实施方式

图1是根据现有技术的热辅助磁记录(HAMR)磁盘驱动器100的俯视图。 在图1中，HAMR磁盘驱动器100被示出为具有磁盘200，磁盘200具有磁 记录层31，该磁记录层31被图案化成在径向间隔开的环形磁道118中布置 的可磁化材料的离散数据岛30。仅显示了在磁盘200的内径与外径附近的几 个代表性岛30和代表性磁道118。但代替图1中被显示为具有离散的数据岛 30的比特图案化介质(BMP)，HAMR磁盘驱动器可以代替地使用其中记录层 31是传统的具有可磁化材料的连续磁记录层的磁盘。

驱动器100具有外壳或底座112，其支撑致动器130和用于使磁记录盘 200旋转的驱动电机。致动器130可以是音圈电机(VCM)旋转致动器，其具 有刚性臂131并且如箭头133所示地绕枢轴132旋转。磁头悬臂组件包括悬 臂135和磁头托架例如空气轴承滑块120，其中悬臂135的一端连接到致动 器臂131的端部，磁头托架连接到悬臂135的另一端。悬臂135允许滑块120 保持为非常接近磁盘200的表面，并能使它随着磁盘在箭头20的方向上旋 转而在由磁盘200产生的空气轴承上“上下振动”和“摇摆”。滑块120支 撑HAMR磁头(未示出)，其包括磁阻读磁头、感应写磁头、近场换能器(NFT) 和光波导。例如具有780到980nm波长的半导体激光器90可以用作HAMR 光源，并且被示为被支撑在滑块120的顶部上。替换地，激光器可以定位在 悬臂135上并且可以通过光通道而耦合到滑块120。随着磁盘200在箭头20 的方向上旋转，致动器130的移动允许在滑块120上的HAMR磁头接近磁 盘200上的不同数据磁道118。滑块120通常由复合材料诸如氧化铝/碳化钡 (Al₂O₃/TiC)的复合材料形成。图1中仅显示了具有相关滑块和读/写磁头的一 个磁盘面，但通常可以有多个磁盘，堆叠在通过主轴电机旋转的磁盘套(hub) 上，具有与每个磁盘的每个表面相关的单独的滑块和HAMR磁头。

在以下附图中，X方向表示垂直于滑块的空气轴承表面(ABS)的方向， Y方向表示磁道宽度或横跨磁道的方向，Z方向表示沿磁道的方向。图2是 示出根据现有技术的HAMR磁头的结构示例的示意性横截面图。在图2中， 磁盘200被示出为具有记录层31，该记录层31是传统的具有可磁化材料的 连续磁记录层，具有磁化区或“位”34。磁盘包括通常由无定形的类金刚石 碳(DLC)形成的外涂层36和通常是全氟聚醚(PFPE)的液体润滑剂层38。

空气轴承滑块120由悬臂135支撑。滑块120具有在其上沉积外涂层124 的面对记录层的表面122。外涂层124通常是具有在约1到3nm范围内的厚 度的DLC外涂层，其外表面构成滑块120的ABS。滑块120支撑写磁头50、 读磁头60以及可透磁的读磁头屏蔽S1和S2。记录磁场由写磁头50产生， 写磁头50由线圈56、用于传输由线圈56产生的通量的主磁极53、具有端 部52的写极(writepole)55和返回极(returnpole)54组成。由线圈56产生的磁 场被传输经过磁极53到达位于光学近场换能器(NFT)74附近的写极端52。 NFT74，也被称为等离激元天线(plasmonicantenna)，通常使用低损耗金属(例 如Au、Ag、Al或Cu)，所述低损耗金属被成形为在来自波导73的光入射 时使得表面电荷运动集中在位于滑块ABS处的尖端。振荡尖端电荷产生强 烈的近场图案，加热记录层31。有时，NFT的金属结构可以产生谐振电荷 运动(表面等离激元)以进一步增大强度(intensity)和记录层的加热。在记录 时，磁盘200的记录层31由NFT74产生的光学近场加热，同时通过施加由 写极端52产生的记录磁场而使得区或“位”34被磁化并在记录层31上写入。

半导体激光器90安装在滑块120的顶表面上。在滑块120内部形成用 于将光从激光器90引导到NFT74的光波导73。确保波导73芯材料的折射 率大于包覆材料的折射率的材料可以被用于波导73。例如，Al₂O₃可以被用 作包覆材料，TiO₂、Ta₂O₅和SiO_xN_y可以被用作芯材料。替换地，SiO₂可以 被用作包覆材料，Ta₂O₅、TiO₂、SiO_xN_y或Ge掺杂的SiO₂用作芯材料。将光 传送到NFT74的波导73优选地是单模波导。

在HAMR磁盘驱动器中，NFT金属中的电荷运动还导致NFT的加热， 该“自加热”可以通过使NFT尖端圆化或者使滑块上的DLC外涂层和极退 化和氧化而降低NFT的长期可靠性。通过设计NFT和磁盘记录层来获得更 好的光学和热效率从而降低所需的光学功率，该“自加热”的效果可以最小 化。然而，作为本发明研发的一部分，发现即使利用较低的光学功率，在磁 盘上的实际记录条件下NFT的可靠性也比在真空、环境空气或高浮动高度 中的类似自加热条件下差得多。认为这是由于滑块DLC外涂层的加速氧化， 其起因于由高磁盘转速(5-15kRPM)或“反加热(back-heating)”(即除了正 常自加热外，由滑块-磁盘摩擦加热、来自磁盘的传导和/或不透明碳质材料 在NFT附近的累积引起)在ABS产生的高气压(20或更大的大气压)。反 加热可以导致NFT金属的扩散，直至NFT尖端圆化且记录性能退化。

起因于反加热的故障的一个可能原因是由于碳质材料在NFT附近的 DLC上的吸附。在图3中示出了这种机制，图3是显示具有NFT、写极(WP) 端和DLC外涂层的滑块的一部分以及具有DLC外涂层和滑润剂层的磁盘的 示意图。来自磁盘外涂层和滑润剂以及污染物的碳氢化合物和碳材料可以吸 附在滑块上。如果所述材料吸收光并且极为接近NFT附近的极强近场辐射， 它会变热并可以化学反应。计算机模拟显示了如果所述材料的光学特性类似 于炭黑，则所述材料可以变热达到燃点。此外，对故障点的NFT的实验室 测试显示了无定形碳质材料在NFT尖端上的累积。NFT尖端的由于所述材 料的累积而引起的“反加热”导致NFT金属的扩散直至NFT尖端圆化且记 录性能退化。

本发明的实施例借助保护膜保护NFT免于“反加热”，该保护膜局限于 滑块的面对磁盘的表面的窗口，而不围绕NFT和写极端。保护膜由与滑块 外涂层的材料不同的材料构成且具有优选地在约1到10nm之间的厚度。保 护膜的材料应具有以下特性：1)对于在激光器的波长的辐射透明，从而膜不 产生额外的热，2)高折射率(大于1.6)，以改进在NFT与记录层之间的近场 耦合，3)低导热率(小于10W/mK)，以使NFT与“反加热”隔离，以及4) 在高温以及与氧气和水存在的情况下可以耐受降解(degradation)或腐蚀。另 外，在保护膜与NFT金属(通常是金或金合金)直接接触的实施例中，材 料应具有良好的粘着力。用于保护膜的材料包括但不限于TiO₂、ZrO₂、HfO₂、 Nb₂O₅、Ta₂O₅、Sc₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiN、BN、SiBN或SiBNC，优选的材 料是TiO₂、ZrO₂、HfO₂或SiBN之一。

图4A是一部分滑块的横截面图，图4B是根据本发明的一个实施例的 滑块的ABS视图。滑块220具有面对磁盘上的记录层的表面222。滑块支撑 波导173、NFT174、主极153和具有写极端152的写极155。在该示例中的 NFT174是E-天线，该E-天线具有面对写极端152的中心尖端176(图4B)。 在该示例中，写极端152是凸缘(1ip)，其在面对磁盘的表面222处从写极155 延伸。面对磁盘的表面222包括围绕NFT174和写极端152二者的窗口区 240。保护膜250仅位于窗口区240中。在该实施例中，膜250直接在面对 磁盘的表面222上，与NFT174和写极端152直接接触。滑块外涂层224， 其通常是DLC但也可以包括硅氮化物(SiNx)底涂层，由与保护膜的材料不同 的材料组成并且覆盖表面222的非窗口区242和保护膜250，并具有在1到 3nm范围中的优选厚度。保护膜250可以通过如下形成：光刻图案化在表面 222上的抗蚀剂以限定窗口区240，随后将膜250的材料溅射沉积到窗口区 240中，之后剥离抗蚀剂。滑块外涂层224随后被溅射沉积到整个滑块表面 上，包括膜250上，外涂层224的外表面形成ABS。作为图4A的实施例的 替换方案，保护膜250和外涂层224在窗口区240中的位置可以转换。可以 首先将外涂层224溅射沉积到与NFT174和写极端152直接接触的整个表面 222上。随后通过在前说明的相同剥离过程在外涂层224上，而且直接在之 前沉积的外涂层224上并且仅在窗口区240中，形成保护膜250。

图4C-4D示出了可替换的实施例，其中在面对磁盘的表面222中存在限 定凹陷的窗口区240′的凹槽。首先将DLC外涂层溅射沉积到整个表面222 上。随后借助抗蚀剂来光刻图案化DLC外涂层，以限定窗口区240′。然后 离子研磨、反应离子蚀刻(RIE)或灰化去除窗口区中的DLC外涂层。超过表 面222继续进行离子研磨以形成凹槽。保护膜250的材料随后沉积到与NFT 174和写极端152直接接触的凹陷窗口区240′中。在去除抗蚀剂后，在外涂 层224的溅射沉积前，可以抛光表面。该实施例具有以下优点：在ABS的 表面状况(topography)中没有变化。额外的DLC材料可以可选地沉积在非窗 口区中的保护膜250和DLC外涂层224上。

图4E-4F示出了可替换的实施例，其中在窗口区240中没有外涂层224。 在该实施例中，外涂层224首先溅射沉积到与NFT174和写极端152直接接 触的整个表面222上。随后借助抗蚀剂来光刻图案化外涂层224以限定窗口 区。随后通过离子研磨、反应离子蚀刻(RIE)或灰化去除窗口区240中的外涂 层。保护膜250随后沉积到与NFT174和写极端152直接接触的窗口区240 中，之后剥离抗蚀剂。该实施例也具有以下优点：在ABS的表面状况中没 有变化。额外的DLC材料可以可选地沉积在非窗口区中的保护膜250和DLC 外涂层224上。

图5A-5B示出了一实施例，其中NFT274是具有三角形端部的“微喙 (nanobeak)”型NFT，该三角形的顶形成面对写极端152的NFT尖端276。 在该示例中，写极端152没有从写极155延伸成为凸缘(lip)。在这类NFT中， 波导273具有与NFT274的面274a面对的面273a。在将光引入到波导273 中时，渐逝波在面273a处产生，并耦合到在NFT274的面274a上激发的表 面等离激元(plasmon)。表面等离激元传播到输出尖端276。借助图4C-4D的 凹陷窗口实施例描绘了微喙型NFT274，但它也可以应用于其它在前说明的 实施例。

在全部实施例中，窗口被描绘为是圆形的，但它也可以具有其它形状， 只要它覆盖了NFT和写极端。优选的是，窗口不会非常大至还覆盖读磁头 (图2中的件60)。如果是圆形，例如其可以具有约2μm的直径，这不会影 响通常距离写极端为约5μm的读磁头。

尽管参考优选实施例具体显示并说明了本发明，但本领域技术人员会理 解，在不脱离本发明的精神与范围的情况下，可以在形式与细节上做出各种 改变。因此，所公开的发明将仅被认为是说明性的，且在范围方面仅被限于 像在权利要求书中说明的那样。