王冀康*，王永康

（1.新乡医学院第二附属医院，河南省生物精神病学重点实验室，河南 新乡 453002；

2.中国联合网络通信有限公司新乡市分公司，河南 新乡 453000）



【经验交流】

影响电脑硬盘垂直记录磁头写头镀层均匀性的因素

王冀康1，*，王永康2

（1.新乡医学院第二附属医院，河南省生物精神病学重点实验室，河南 新乡 453002；

2.中国联合网络通信有限公司新乡市分公司，河南 新乡 453000）

讨论了在电脑硬盘垂直记录磁头写头电镀FeCoNi合金时电镀基层、晶片设计、电镀挂架、电镀速率、电流密度以及电镀液pH和温度等因素对镀层厚度及成分均匀性的影响。

垂直记录磁头；写头；铁钴镍合金；电镀；均匀性；影响因素

First-author's address: The Second Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University， Henan Key Laboratory of Bio-psychiatry， Xinxiang 453002， China

机械式电脑硬盘容量不断地增加，使用纵向记录技术（longitudinal magnetic recording，LMR）生产的电脑硬盘磁头已经无法实现此目的［1］，必须利用垂直记录技术（perpendicular magnetic recording，PMR）［2］。两种技术的主要区别在于硬盘磁头的写头（writer）需要不同的材料、形状及厚度，其对比如图1和表1所示。

图1 纵向记录与垂直记录磁头写头差别示意图Figure 1 Schematic differences between LMR and PMR head writers

表1 LMR与PMR技术的硬盘磁头写头的对比Table 1 Comparison between LMR and PMR head writers

从如图1及表1可以看出，PMR磁头的写头较LMR磁头更小、更窄，可以实现更大容量电脑硬盘的生产。LMR磁头的写头在电镀后其宽度一般约为2 μm，高度约为3 μm；后经离子束研磨（ion milling，IM），写头宽度变为1.0 μm左右；再经化学机械研磨（chemical & mechanical polishing，CMP），写头高度降为1.5 μm。而PMR磁头的写头在电镀后其最窄处宽度为0.2 μm，并且会随着新产品开发的需要进一步变窄，仅为几十纳米；再经CMP后，磁头高度降为0.3 μm左右。

进行新产品研究开发时发现若垂直记录磁头写头宽度较窄，电镀后镀层成分均匀性较差。镀层多点成分测试时如图2所示，5点结果一般相差3% ～ 5%，并且整个晶片镀层厚度均匀性也较差，成中间厚、周围薄的凹面形分布。这将影响到磁头在电脑硬盘记录碟片上的写入性能。为此，研发人员需要对所有可能影响电脑硬盘磁头写头电镀的因素进行分析，消除不良影响，改善镀层厚度与成分的均匀性，生产出合格的产品。

图2 垂直记录磁头写头镀层成分检测点Figure 2 Composition check points in PMR head writer

1　工艺流程

晶片表面溅射一层金属钛（Ti）黏附层及一层钌（Ru）种子层→涂布光刻胶→曝光并显影所需图形→烘干，使光刻胶定型→FeCoNi合金电镀→去离子水清洗→褪除光刻胶→氩离子束刻蚀去除所要图形以外的种子层，然后用光刻胶保护住所要的金属区→用酸溶液腐蚀掉不需要的金属→溅射Al2O3晶体→CMP研磨以达到所需写头厚度。

其中电镀工艺为：

Fe70Co10Ni Fe66Co30Ni

CoSO4·7H2O 3.3 25

NiSO4·6H2O 50 30

NiCl2·6H2O 35

FeSO4·7H2O 16 60

NaCl 5

H3BO327 25

糖精钠 1.1

十二烷基硫酸钠 0.05 0.05

苯磺酸 0.15

pH 3.10 2.65

温度 19 °C 19 °C

辅助阴极电流 6.8 A

电源 直流 脉冲（频率40 Hz，占空比25%）

电流 5.5 A 4.2 A

流速 （14 ± 2） L/min （11 ± 1） L/min

以下根据电脑硬盘磁头晶片研发过程中写头电镀因受电镀基层、晶片设计、阳极尺寸、电镀挂架、电镀速率、电流密度、电镀液温度和pH等多种因素影响而出现的问题，探讨如何消除其不良影响，改善写头镀层厚度与成分均匀性。

2　影响PMR写头镀层厚度与成分均匀性的因素

2. 1 电镀基层的影响

2. 1. 1 晶片基材的清洁度

电脑硬盘磁头晶片在电镀前需要先在晶片基材上溅射电镀基层，即钛金属层和钌种子层，其作用分别为：钛作为黏附层，可增加基材与镀层之间的结合力；钌种子层作为导电层，可实现整个晶片表面的电镀。完成一道工序后，晶片需转至下一道工序。虽然是在无尘室内使用专用封闭盒子保存及运输晶片，但仍会有一些极细微的颗粒粘附于晶片表面。这些微粒通常很小，粒径为微米级，甚至纳米级，仍会影响种子层与基材的结合性、种子层的平展性及均匀性，从而影响到镀层质量。因此，在溅射黏附层之前需要先进行一次氩离子束清洗，以除去晶片表面的污染物：将晶片移入溅射机器内仓后，用氩离子束扫描10 s（大约研磨减薄5 ～ 6 nm），即可将晶片表面的污染物彻底去除，再开始溅射黏附层及种子层。

2. 1. 2 种子层材料的选择

此金属层不但是电镀种子层，也是电脑硬盘写头间隙（write gap）材料，因此要求无任何磁性，且物理、化学性质稳定，耐高温，遇热不变形，抗腐蚀性强，在酸性电镀溶液中不会被腐蚀。LMR磁头生产的实践经验证明，金属钌是目前最好的写头间隙材料，因此PMR磁头晶片生产中依然使用钌作为种子层。

2. 1. 3 种子层的厚度与均匀性

如图1所示，LMR磁头晶片表面是平整的，电镀种子层可用溅射的方法生成。但PMR磁头晶片表面有窄而深的凹陷，电镀种子层无法用溅射的方法生成（因金属粒子难以进入凹陷内部或底部，整个晶片表面无法形成完整的导电体）。PMR磁头写头的电镀层厚度仅为0.6 μm，种子层的厚度要适中。种子层较薄时，其电阻会变大，电镀时电流较难到达晶片中心，也会导致整个晶片电流密度分布不均匀，电镀层厚度相差较大；种子层较厚时，又会引入过多外来物质，影响写头的读取性能。经过多次试验证明，可使用原子层化学气相沉积（atomic layer chemical vapor deposition，ALCVD）的方法将金属钌做成种子层。此法是将金属钌单原子一层一层地沉积在晶片凹陷的内部及晶片表面，故其均匀性非常好，同时也实现了种子层要薄的目的，并且钌种子层导电性良好。但考虑到原子层化学气相沉积金属钌工序所需时间较长，种子层不宜过厚。经测试，金属钌厚度为50 nm即可。

2. 1. 4 种子层开孔

在电脑硬盘磁头晶片电镀过程中，晶片种子层与电镀阳极对镀层均匀性起着不同的作用。通常种子层厚度较薄，其电阻较高，电镀时晶片边缘的电流会比中心位置大，结果镀层厚度分布为中心薄、周边厚。而阳极因受到电镀槽尺寸的限制，不可能做得很大，与晶片的比例一般为1∶1或略大，电镀时电流密度是晶片中心大、周边小，对镀层的作用刚好与种子层的作用相反，镀层厚度呈中间厚、周边薄的趋势。当这两种因素同时发挥作用时，就可以“中和”二者的效果而使得电镀层比较平整。

但上述联合作用中，阳极的尺寸以及阳极到阴极的距离因受到电镀槽尺寸限制等原因一般难以改变，因此阳极对镀层的作用不易改善，但可通过调节种子层的作用来控制镀层均匀性。为此，引入了开孔（window open，WO）设计的理念。

电脑硬盘磁头晶片所用的基材是由 Al2O3与TiC按照一定的比例混合，经特殊处理而成的晶体，具有导电性。晶片使用前，需要先在基材上溅射一层Al2O3晶体，经研磨后再溅射黏附层与种子层，然后涂布光刻胶并进行曝光。由于晶片整个表面被种子层覆盖，曝光设备无法自动识别晶片并对其进行精确对位，因此可以在种子层上开一些小孔，曝光设备可以借助这些小孔“看到”下层的特殊结构，并借此对晶片进行识别和精确对位，如图3所示。

图3 种子层有无开孔的对比Figure 3 Comparison between seed layer with and without window open

开孔的方法为：整个晶片表面溅射种子层后，涂覆光刻胶并曝光，使光刻胶覆盖开孔处以外的部位；然后经氩离子束刻蚀，去掉暴露的种子层，去除光刻胶后即成为图3c所示结构。

电镀时，若基材与种子层完全相通，整个晶片就成了一个导体，种子层的电阻很小，仅存在阳极对镀层的影响，发挥不了种子层对镀层均匀性的调节作用。而种子层上的这些开孔则有助于消除此现象：开孔处的种子层与基材部分断开，种子层的电阻相对变大，这样种子层又可以与阳极一起发挥对镀层的“协同调节”作用，镀层的均匀性得以控制。

上述开孔设计不仅对镀层厚度均匀性产生影响，对镀层成分均匀性也起到了非常大的控制作用。研究发现，在不改变其他条件的情况下仅增加上述的开孔设计，PMR磁头写头镀层成分差别由3% ～ 5%降为了小于1%，这种差别已经完全可以满足磁头写入性能的要求。

2. 2 电镀挂架的影响

2. 2. 1 挂架设计

如2.1.4所述，电镀所用阳极的面积与晶片相同或比晶片略大。电镀时，镀层厚度会因为阴阳极之间电流密度的不同而在晶片的不同部位产生差异。只有当晶片正面范围内的电流密度相对均一时，镀层厚度才比较均匀。为此，可以将电镀挂架设计成如图4所示，在挂架上增加一个辅助阴极装置（Thief）。此装置与挂架分离，但又与挂架通电，其作用是在电镀时从电流密集区“偷”一些电流，使得晶片与阳极之间的电流密度较为均匀，从而获得厚度均匀的镀层。此法在镀层厚度小于1 μm时更加有效，适用于PMR磁头写头。

图4 电脑硬盘磁头晶片电镀常用挂架示意图Figure 4 Schematic plating rack in HDD head wafer fabrication

2. 2. 2 辅助阴极装置电流大小的影响

辅助阴极装置电流的大小对镀层的均匀性有较大的影响。晶片电镀挂架一般的电镀电流为 4通道，即电流从如图4所示的4个电流输入点输入到晶片上。辅助阴极装置电流也同为4通道，其大小很大程度上决定了电镀时晶片镀层厚度分布的大致趋势。当其偏小时，没能“偷走”足够的电流，镀层在晶片周边的厚度较中心位置为厚；偏大时，又会将电流“推”向晶片中心，造成晶片周边镀层偏薄。辅助阴极电流一般为电镀电流的1.5 ～ 1.6倍。电镀时，电镀液从电镀槽底部流入，电镀槽顶部溢出，晶片底部电镀液的更新较顶部略快，所以辅助阴极底部的电流较顶部略高，其作用是将电镀电流推向晶片顶部，使得镀层厚度更为均匀。

2. 2. 3 挂架使用次数

PMR磁头写头电镀时使用的挂架必须是使用过的挂架。原因是若用新的挂架，其金属部分（通常以Ti和不锈钢做成）上电镀的金属容易脱落或卷起，在搅拌柄搅拌电镀液时易造成晶片表面损坏。所以一般常用电镀后的挂架。FeCoNi合金电镀时只能使用已经电镀过8次NiFe合金的挂架。

2. 3 电镀工艺参数的影响

2. 3. 1 镀速

在镀层成分允许的变化范围内，适当降低电镀速率可以获得厚度更均匀的镀层，特别是对于镀层厚度小于1 μm的电镀，镀速一般设为0.21 ～ 0.22 μm/min，而正常镀速为0.23 ～ 0.24 μm/min。

2. 3. 2 pH

pH的微小变化将引起电镀速率的变化，进而影响到镀层厚度和成分的均匀性。当电镀液pH较低时，电镀速率较慢，且镀层易发生腐蚀；pH较高时，Fe2+又易被氧化为Fe3+。通过实验，比较了电镀液pH与FeCoNi合金电镀速率的变化，找到了PMR磁头写头电镀速率最不敏感的pH范围（即电镀液的pH目标值及其容许波动范围）为2.65 ± 0.01。

2. 3. 3 电流密度

电流密度与镀层成分密切相关，使用过高或过低的电流都会使镀层成分发生变化，因此对于FeCoNi等磁性材料的电镀而言，电流密度一般不作改变，为363.64 A/m2。

2. 3. 4 镀液温度

通常情况下，电镀液温度较高时电镀速率快，温度低时电镀速率慢。但对于FeCoNi合金电镀液而言，高温会使其中的Fe2+快速氧化成Fe3+，故不宜采用高温条件，一般设为（19.0 ± 0.5） °C。

3　结语

本文针对晶片设计、电镀挂架设计、电镀液温度及pH、电镀速率、电流密度等不同因素对PMR磁头写头镀层厚度及成分均匀性的影响提出了相应的改进方法。但研发人员仍需在电脑硬盘PMR磁头晶片的设计和生产中结合具体电镀实际情况进行有针对性的分析和调整，才能行之有效地提高电镀均匀性。

［1］ HEIDMANN J， TARATORIN A M. Chapter one： Magnetic Recording Heads ［M］ BUSCHOW K H J. Handbook of Magnetic Materials （Volume 19）. Amsterdam： Elsevier B.V.， 2011： 1-105.

［2］ KHIZROEV S， LIU Y， MOUNTFIELD K， et al. Physics of perpendicular magnetic recording： writing process ［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002， 246 （1/2）： 335-344.

［ 编辑：温靖邦 ］

Factors affecting the uniformity of electroplated coating on head writer for perpendicular magnetic recording in hard disk driver

WANG Ji-kang*， WANG Yong-kang

The effects of seed layer， wafer design， plating rack， plating rate， current density as well as pH and temperature of plating bath on thickness and composition uniformity of electroplated FeCoNi coating on the writer of perpendicular magnetic recording （PMR） head in hard disk driver （HDD） were discussed.

perpendicular magnetic recording head； writer； iron-cobalt-nickel alloy； electroplating； uniformity； influential factor

TQ150.6

B

1004 - 227X （2016） 15 - 0803 - 05

2016-05-23

2016-07-14

王冀康（1971-），男，河南新乡人，硕士，讲师，曾在美国从事电脑硬盘磁头新产品研究开发工作，现研究方向为分析化学，已在国内外发表论文25篇，其中SCI收录2篇。

作者联系方式：（E-mail） jikangwang@hotmail.com。