改善硬盤磁頭氣墊面邊緣殘留物的研究

金則清

（東莞新科技術研究開發有限公司， 廣東 東莞 523087）

0 引言

在當今高度信息化的時代， 人們對硬盤存儲密度有著無止境的需求。為提高對信息的讀寫密度，要求硬盤磁頭在磁碟上的飛行高度越來越低。然而，在磁頭制造過程中磁頭氣墊面邊緣離子刻蝕殘留物的凸起極易引起磁頭低空飛行時擦碟的問題進而破壞磁頭的讀寫性能， 影響可靠性。

通過本文的研究發現， 刻蝕邊緣凸起其實是一種刻蝕淀積物殘留， 論文重點是對殘留物的來源及改善方法進行了系統性的分析的基礎上，采用DOE 實驗方法優化了軟烘及顯影工藝后， 增強了光刻膠與基材的粘附性進從而極大地減少了這種沉積殘留物殘留。

1 離子刻蝕殘留物產生的現象描述及分析

本文討論的工序主要是在磁頭加工工序中的真空工序， 主要目的是制作出磁頭在硬盤里工作時所需要的氣墊面形狀，其主要流程包括光刻（Photo process）和離子刻蝕（Ion Milling）以及除光刻膠（Resist Stripping）。通過這些工序產生良好的氣墊面形貌以達到磁頭在磁碟上正確低空飛行、準確讀寫、并保持良好的可靠性。

在完成光刻及離子刻蝕工序后，采用掃描電鏡（SEM）去測量殘留物的高度和形貌， 發現氣墊面邊緣有刻蝕殘留物。 通過對殘留物區域及正常區域用能量色散X 射線光譜儀（EDX）進行能譜分析，顯示除了Fe（鐵）元素（來自夾具或工作腔室壁材）外，殘留物區域與正常未刻蝕區域元素種類相同（含有C，O，Al，Ti 基材成分），含量也相近。因此刻蝕邊緣凸起其實是一種刻蝕淀積物殘留。

2 正膠光刻的缺陷及殘留物的形成機理

正性光刻膠的一大特點是光刻膠的未曝光區域由于溶解抑制劑的存在不受顯影液的影響[1]，由于顯影后保留下來的是未曝光的光刻膠，其粘附力會相對弱一些，容易出現光刻膠邊緣與樣品分離，在顯微鏡下可觀察到光刻膠邊緣的白邊現象，見圖1。

圖1 白邊Fig.1 White lace

為驗證邊緣白邊現象是否就是沉積物殘留， 安排了具有局部光刻膠白邊壞品的樣品進行等離子刻蝕，刻蝕完并正常清洗后進行原子力顯微鏡（AFM）測量分析，對于有白邊的光刻膠區域，在等離子刻蝕完成后，發現了圖形邊緣會出現殘留隆起，見圖2，其他區域則沒有。

圖2 圖形邊緣殘留物（AFM）Fig.2 Image Edge Residue （AFM）

測試結果顯示沉積物寬度和高度分別為2μm 和94nm 左右。 而且光刻膠邊緣白邊位置與此類沉積物殘留的位置一致。由此推測白邊即光刻膠邊緣翹起，與樣品間形成了間隙。在等離子刻蝕時高能的離子（本文研究的是氬離子Ar+）沿著一定的角度轟擊物料表面，如果某區域的刻蝕離子（Ar+）部分或全部被遮擋了，則在該區域的再沉積速度快于刻蝕速度從而形成沉積物殘留[2-3]。 因此光刻膠與樣品邊緣松脫，則松脫部分氬離子Ar+被部分遮擋而引起再沉積速度快于刻蝕速度從而形成沉積物殘留[4]。

3 改善刻蝕物殘留的有效方法

由于殘留物成分與基材基本相同， 很難采用物理或者化學的方法將其清除[5]。改善這種沉積物殘留最好的方法是避免這種沉積物的產生。由前面的分析可知，顯影之后的光刻膠邊緣翹起（即光刻膠邊緣白邊現象）是產生這刻蝕物殘留的原因。因此防止光刻膠邊緣松脫翹起，應考慮如何增強光刻膠與物料間的粘附力[5]。由正光刻膠工藝簡介及正光刻膠工藝缺陷及產生原因可知， 光刻膠旋轉噴涂之后的軟烘以及曝光之后的顯影工藝對光刻膠的附著力會有影響。

為提高光刻膠的附著力以減少光刻膠邊緣出現松脫翹起，軟烘、溫度以及時間是主要控制因素。 另外，顯影工藝的沖水（去離子DI 水），流量過大或時間過長有可能使顯影后的光刻膠邊緣出現松脫。 因此軟烘溫度、時間以及顯影工序中DI 水流量、DI 水沖水時間為控制白邊產生的主要因素[6]。

由于因素較多，本文采用田口實驗方法，四因素三水平的正交實驗，見表1。

表1 DOE 正交實驗因素水平列表Tab.1 List of DOE orthogonal experiment factors

實驗結果的評估標準為白邊發生比率。 白邊發生比率越小，表明沉積物殘留概率越小。 根據實驗結果，通過對極差大小排列分析， 對產生白邊的影響程排列度依次為A>C>B>D，即軟烘溫度>DI 水流量>軟烘時間>DI 水沖水時間。通過DOE 實驗結果分析，最優方案即白邊比例最少的方案是A2B2C3D1。 換言之，最優條件所對應的軟烘溫度、 軟烘時間、DI 水流量、DI 水時間分別為90°C，600s，150cm3/min，60s。 在得到最優條件后，進行了驗證實驗，結果非常理想，顯影后沒有明顯的白邊。 離子刻蝕完成后，進行了氣墊面邊緣殘留物（Fencing）的測量，沒有明顯的凸起即Fencing，凸起高度只有0.2nm，見圖3。

圖3 改善后圖形邊緣（AFM）Fig.3 Improved Graphic Edge（AFM）

在確定軟烘溫度及時間為重點控制因素后，為減少人為誤差帶來的工序波動， 進一步設計了自動控制加熱臺，見圖4。該加熱臺能進行加熱溫度及時間的設置，并設置了閉環溫度控制系統以實現對溫度的精確控制。通過控制物料的自動升降以精確控制物料在加熱板上的加熱時間。

圖4 自動控制加熱臺Fig.4 Automatic control heating table

4 結束語

本文通過對等離子刻蝕殘留物進行成分分析， 推斷這些殘留物產生于刻蝕時濺射物的再沉積。 觀察到正光刻工藝完成后產生的白邊現象，結合沉積物產生原理，推斷出光刻膠邊緣側墻根部分離、 松脫或翹起而引致殘留物沉積的模型， 再經過實驗驗證了這一模型并得出產生白邊即會產生沉積物殘留這一結論。 最后， 通過實驗優化，采用DOE 的方法，得出最佳的軟烘及顯影工藝條件。由于軟烘是引起正光刻膠分離或者說產生白邊的關鍵因素，為減少人為誤差引起的工序波動，設計了軟烘的自動控制系統，實現了對溫度和時間的自動控制，有效地預防了工序波動可能引起的沉積物殘留。 目前，該工藝條件及溫度自動控制系統已用于量產中。