博士學位論文 硬盤磁頭多元復合表面的超精密拋光機理研究 作者姓名：申儒林 學 科 專 業(yè)：機械設計及理論 學院（系、所） ：機電工程學院 指導教師：鐘 掘 院士 中 南 大 學 2007 年 11 月 分類號 密級 博士學位論文 硬盤磁頭多元復合表面的超精密拋光機理研究 of in of 作者姓名：申儒林 學 科 專 業(yè)：機械設計及理論 學院（系、所） ：機電工程學院 指導教師：鐘 掘 院士 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學 2007 年 11 月 博士學位論文 摘要 I 摘 要 盤磁頭基體部分是硬脆的 料，讀寫部分由很薄的多種金屬 材料組成，其中最薄的金屬層只有 1體結構復雜。磁頭表面質量 如表面粗糙度、極尖凹陷（ ，是影響磁頭面密度提高的重要因素。目前，硬盤磁頭拋光技術為少數(shù)國外企業(yè)所掌握， 關于磁頭拋光的可查文獻資料很少。 掌握硬盤磁頭拋光技術并且突破磁頭拋光 技術的瓶頸在于對磁頭拋光機理的深刻認識。因此，本文針對磁頭表面粗 糙度、極尖凹陷等的形成與控制進行研究，開展的主要工作和獲得的主要認識有： 1建立了 盤磁頭拋光的實驗系統(tǒng)，研究了磁頭與拋光盤的相對運動軌跡，通過仿真計算，獲得 優(yōu)化參數(shù)的磁頭運動軌跡。磁頭和拋光盤的角速度關系應該滿足： 12110 n. n=0， 1， 2， 否則磨粒運動軌跡重復或奇異，不利 于形成超光滑表面。研究了磁頭與拋光盤的轉速比同拋光均勻性的關系以及拋光機各運行參數(shù)對轉速比的影響。 2磁頭拋光是一種機械加工，在加工過程中，工件和拋光盤是一對相對運動關系復雜的摩擦副。運用摩擦學理論 ，分析了磁頭拋光中工件與拋光盤之間的接觸關系；研究了拋光液流場的 分布及其對“工件拋光盤面”接觸應力場的影響；分析了拋 光中自由磨粒的運動規(guī)律和磨粒嵌入拋光盤的機理，發(fā)現(xiàn)拋光盤和工件的 轉速比影響接觸面速度場的分布，從而影響局部拋光液膜厚度的變化和粗糙峰承載力的變化， 并進一步影響磨粒在拋光盤表面的嵌入。 3研究了拋光壓力、盤面形貌、拋光液中金剛石磨粒的粒徑等參數(shù)對材料去除率的影響。針對自由磨粒拋光中的 單晶金剛石，建立了菱形磨粒拋光的材料去除統(tǒng)計模型，與拋光實驗結果基本吻合。 博士學位論文 摘要 研究了納米研磨的材料去除過程和亞納米級光滑表面的形成機理。根據(jù)接觸力學理論，嵌入盤面的金剛石磨粒與 拋光盤構成“球空腔”協(xié)調接觸類型，不同于一般的赫茲接觸， 由此建立了金剛石磨粒與拋光盤的“球空腔”協(xié)調接觸模型，研 究表明拋光過程中磨粒在盤表面空腔中由彈性退讓發(fā)展到塑性陷入， 其轉變的臨界值點決定磨粒對磁頭表面材料的去除能力；提出納米尺度研磨是以磁頭表面非連續(xù)凸峰的去除為主體，不同于自由磨粒拋光和磨削是對整體表面層的去除。 5研究了 形成機理。發(fā)現(xiàn)自由磨粒拋光階段 形成與拋光盤表面形貌參數(shù)、拋光壓力、磨粒粒徑、拋光盤轉速等有關，合適的拋光盤表面粗糙度和微凸峰密度以及微凸峰曲率半徑可以減小 采用中等粒度納米金剛石拋光磁頭表面，使磁頭表面粗糙度 右下降到 原來的 10右下降到 除了表面黑點和劃痕。 6研究了超聲波在磁頭拋光中的應用。在自由磨粒拋光階段加入超聲波，獲得了更光滑的磁頭表面，極 尖沉降明顯降低，基體部分去除率由原來的 10nm/m 提高到 16nm/m。研究了超聲波在拋光中的宏觀和微觀作用機理。 7在磁頭機械拋光中引入化學作用，獲得了亞納米級的 除了拋光盤材料轉移引起的磁頭表面黑點，并保護極尖和 堆未受腐蝕。 關鍵詞 硬盤磁頭，拋光，納米研磨，復合表面，極尖凹陷 (博士學位論文 he of of is or of of of it is nm or of MR is of as of of Up to of of by is To it is to of TR of in as 1. MR of in of to of of is to as 12110 n. n=0， 1， 2， a t be of be or of of of of of on 士學位論文 V 2. is a in to of of of it on of of in It is of of of of of of of of be in is 3. of of of on is On of in 4. of of to of a in is A At in in as of in in is by of It is of is in in is in a 博士學位論文 5. of TR in is to of of of TR be of of of of is ms is TR is 0nm or so by of 6. is TR of is 0nm/m 6nm/m. of 7. TR by MR 博士學位論文 目錄 摘 要 . 一章 緒論 . 1 盤磁頭及其特點 . 1 盤存儲技術及磁頭的發(fā)展歷程 . 1 盤磁頭多元復合表面的特點 . 4 盤磁頭拋光機理的研究現(xiàn)狀 . 6 盤磁頭加工制造的基本過程 . 6 盤磁頭拋光的研究現(xiàn)狀 . 8 精密拋光普遍機理的研究現(xiàn)狀 . 14 精密拋光技術概述 . 14 械拋光金屬等延性材料去除機理的研究 . 14 械拋光陶瓷等硬脆材料去除機理 . 16 子動力學在機械拋光機理研究中的應用及其局限性 . 18 它能量用于超精密拋光的研究 . 19 題來源與研究目的及意義 . 21 文主要研究內容 . 22 第二章 磁頭拋光實驗機的運動學特性與各主要拋光要素的幾何力學性能研究 . 24 光實驗機的運動學分析 . 24 頭相對于拋光盤的運動軌跡 . 25 頭表面的均勻性拋光 . 28 盤磁頭表面形貌及力學性能 . 37 光盤表面形貌及力學性能 . 39 光液及磨粒的特性 . 41 章小結 . 42 第三章 四個主要拋光要素相互作用關系的研究 . 44 盤磁頭拋光的工藝過程 . 44 由磨粒拋光 (. 44 米研磨 (. 44 光盤磨粒的嵌入 . 45 光盤和工件的接觸關系研究 . 45 博士學位論文 目錄 光盤盤面粗糙峰的變形形式 . 45 件和盤面真實接觸面積的估算 . 46 頭拋光過程合適的膜厚比范圍 . 48 光液流場和承載力的研究 . 49 計盤面粗糙度的拋光液流場分析 . 49 入盤面粗糙度的拋光液流場分析 . 53 光液膜的承載力分析 . 57 粒的運動模式和受載分析 . 58 由磨粒的運動模式 . 58 磨盤的磨粒嵌入工藝 . 61 粒嵌入機理 . 65 章小結 . 67 第四章 亞納米級光滑表面的形成及 形成與控制 . 69 頭自由磨粒拋光材料去除的研究 . 69 由磨粒拋光的材料去除方式 . 69 形磨粒拋光的材料去除模型 . 70 形磨粒材料去除模型的分析 . 74 米研磨材料去除的研究 . 76 米研磨的力學特點 . 76 米研磨的材料去除模型 . 79 頭表面的極尖沉降 . 82 頭拋光中的極尖沉降 . 82 尖沉降的形成機理 . 82 尖沉降的控制 . 84 由磨粒拋光中拋光參數(shù)對 影響 . 84 控制和消除 . 86 章小結 . 87 第五章 超聲能和化學能在磁頭拋光中的應用研究 . 89 械拋光的局限性 . 89 聲波在硬盤磁頭拋光中的應用研究 . 91 聲波對磁頭表面 響的實驗研究 . 91 聲波拋光的作用機理研究 . 92 盤磁頭化學機械拋光的研究 . 96 學機械拋光機理 . 96 學機械拋光的實驗研究 . 98 博士學位論文 目錄 頭拋光化學機械交互作用的研究 . 100 章小結 . 102 第六章 結論與展望 . 104 文總結 . 104 文具有創(chuàng)新意義的工作 . 106 究展望 . 106 參考文獻 .定義書簽。 致 謝 .定義書簽。 攻讀博士學位期間主要的研究成果（發(fā)表學術論文情況） .定義書簽。 博士學位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 盤磁頭及其特點 盤存儲技術及磁頭的發(fā)展歷程 1956年9月50 其磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)域，從而成功地實現(xiàn)了信息的隨機存儲。容量只有 5盤片表面涂有一層磁性物質，疊放起來固定在一起繞著軸旋轉。隨后研究人員一直致力于提高該存儲系統(tǒng)實用性的研究，1968年徹斯特/硬盤技術，溫徹斯特技術的核心是：1、磁盤片密封固定并高速旋轉；2、磁頭沿盤片徑向來回移動；3、磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方而不與盤片直接接觸，這便是現(xiàn)代硬盤的原型。 1973年公司制造出第一臺采用溫徹斯特技術的硬盤， 為硬盤技術的發(fā)展奠定了正確的結構基礎。 1979年進一步減小硬盤體積，增大容量，提高讀寫速度，提供了可能。20世紀80年代末期明了阻，這種磁頭在讀取數(shù)據(jù)時對信號變化相當敏感，使得盤片的存儲密 圖1盤存儲面密度的增長趨勢和磁頭技術的發(fā)展歷程1度比以往 991年硬盤的容量首次達到了1此硬盤容量開始進入了此硬盤容量進入了一個嶄新階段。圖 1。 博士學位論文 第一章 緒論 2隨著第一塊硬盤的誕生，硬盤很快就以其穩(wěn)定性高、存儲容量大、讀寫速度快和價格合適等優(yōu)勢，受到人們的青睞。但其發(fā)展的歷程也并不是一帆風順，競爭對手如光存儲器、半導體存儲器發(fā)展迅速，使人們對磁記錄的極限也數(shù)度產(chǎn)生悲觀的預測，曾經(jīng)人們預測磁記錄的最大密度為 00在卻已經(jīng)能達到大約 近當時預測的100倍；而我們現(xiàn)在的預測是155 MB/近 ，3。鑒于對傳統(tǒng)磁頭拋光技術以及近場磁記錄技術等的極限估計， 開始研發(fā)新型的“千足蟲芯片”( 儲技術，該芯片借鑒原子力顯微鏡探針 掃描的技術。原子力顯微鏡（ 探針針尖只有納米級大小，當針尖在物體表面劃過時，表面納米級的凹凸不平可以通過針尖的上下起伏反映到數(shù)據(jù)處理終端，實現(xiàn)對表面形貌的納米級評價；還可以操縱針尖，在物體表面刻出圖案；甚至可以實現(xiàn)表面原子的移動。如果利用 針在一種介質上有規(guī)律的打上凹坑，形成特定圖案的表面形貌，這就相當于數(shù)據(jù)的寫入；然后再利用探針的掃描讀出表面形貌的信息，這就實現(xiàn)了信息的讀出。 早在原子力顯微鏡被發(fā)明后不久的上世紀 90 年代初， 爾瑪?shù)?（ 究中心的 在研究用 針在物體表面打出特定的表面形貌圖案，探索其作為數(shù)據(jù)存取的可能性。他們開始使用單個的 針在旋轉的聚碳酸酯（ 上寫入信息，用這種方式，實現(xiàn)了當時劃時代的 過進一步的 改進，把寫入速度提高到 10MB/s，并實現(xiàn)尋道功能4，5。圖 1 盤磁頭讀寫原理3和一個 64*64（ 4096 枚針頭）的千足蟲芯片陣列讀寫原理4,5的對比示意圖，前者依靠磁頭感應硬盤片上的磁信息排列組合，而后者依靠懸臂探針生成和感應介質上的微凹坑排列組合。盡管 觀地認為 遠超過硬盤 155MB/是由于受材料、穩(wěn)定性和其它關鍵技術的制約，仍然無法走出實驗室，因此，硬盤存儲技術在可以預見的未來仍然是不可替代的信息存儲的主流技術。 圖 1盤存儲3和千足蟲芯片讀寫原理示意圖4,5作為主要高密度存儲器件的硬盤，其體積迅速減小而容量按摩爾定律的方式穩(wěn)步增長，進入90年代后，隨著存儲密度甚至以每年翻番a 第一章 緒論 3的方式增長，到目前為止，硬盤的 容量已經(jīng)達到其最初容量的 1700萬倍1。硬盤技術的發(fā)展使其應用領域不斷擴大，已經(jīng)從計算機發(fā)展到廣泛應用于手機、攝像機、 盤、 透消費電子領域6,7。這一切得益于硬盤存儲面密度的不斷提高和單位存儲價格的迅速降低，圖 1，其價格直線下降。 圖1盤單位存儲價格的變化3圖1在硬盤上，信息的存儲和讀寫是通過飛行在硬盤片表面上的磁頭，改變或感應盤片上磁疇的極性排列來實現(xiàn)的。寫入信息時，需要通過寫電流改變磁疇的極性排列；讀取信息時，需要通過讀電流感知磁疇的極性排列（圖 1a） ）3。為提高信息的交換速度和信息容量，要求硬盤磁頭響應速度要越快越好；存儲容量越大越好。因此硬盤的頭對運動速度極快（已到一萬多轉/分鐘）的博士學位論文 第一章 緒論 4系統(tǒng)，由此帶來的問題相繼出現(xiàn)：速度如果太快，磁介質可能來不及翻轉。要解決這一問題，要采用更高響應速度的磁介質，這就是 進步；要盡可能的提高磁介質的密度，要求磁疇越細越好，并且使其垂直排列，這就是垂直磁記錄技術的發(fā)展3。而這些技術要求磁頭和磁盤的相對高度 要足夠小，以獲得足夠的磁力。飛行高度的降低和運行速度的提高帶來的問題是：對頭大劃痕、黑點、平面度、磁頭讀寫部位內陷深度（即極尖沉降或 要求也提高。圖 1 ， 存儲面密度超過 間距已經(jīng)在 10右，要達到 155MB/間距只能在納米量級，則極尖凹陷要盡可能消除，為防止頭盤刮擦、相撞，磁頭表面粗糙度則要求達到原子的維數(shù)，而原子維數(shù)的精度將成為傳統(tǒng)磁頭拋光技術的極限。 盤磁頭多元復合表面的特點 （1）多元復合表面的定義 多元復合表面有兩種概念，一是指兩種或多種物質的晶體結構互相穿插，構成同一種物質， 比如 相陶瓷， 兩種晶?；ハ啻┎澹?可以起到細化 強韌性的作用，但是其表面的摩擦學特性會同時受到兩相性質的影響。另一種情況是兩種或多種物質通過濺射、蒸鍍等技術合在一起，在縱向形成層狀結構，各種材料同時露在表面，構成復合表面。該表面的摩擦學特性由于組成物質特性的差別而變得復雜。對于硬盤磁頭，同一拋光平面上既有硬脆的 瓷材料，也有延性的軟金屬材料，因此兩種概念的復合表面都存在。只有由于 硬度、彈性模量相近，在考慮機械拋光時可以忽略 同相的復合，而僅考慮通過濺射、蒸鍍等技術合在一起的不同物質的區(qū)別， 但是， 如果考慮化學作用， 則不能忽略 圖1頭磁盤系統(tǒng)實物圖 博士學位論文 第一章 緒論 5（2）頭 橫截面形貌及其工作狀態(tài)示意圖如圖1，讀寫頭與硬盤片信號記錄區(qū)的感應高度包括磁頭極尖凹陷(氣墊面飛行 圖1頭結構及工作狀態(tài)示意圖8高度、以及盤片上潤滑層和覆蓋層的厚度，還要考慮盤片表面的粗糙度。盤片表面的粗糙度、覆蓋層和潤滑層厚度另有專門的研究，須控制在一極限范圍之內。在研究磁頭拋光時，我們將包括