的相关性缺陷分析滑行检查相结合的原子力显微镜

摘要

摘要我们研制了一种结合原子力显微镜(AFM)和滑动试验机的新型硬盘驱动器(HDD)介质缺陷检测和分析仪器。滑移试验和AFM成像过程中，试样均保持在同一测试主轴上，不会丢失相关坐标。这使得使用高分辨率AFM对滑动测试检测到的缺陷进行原位评估成为可能。即时的AFM后续分析能力解决了当前工作流程中缺陷快速准确定位的问题。该工具还具有其他功能，如划线、光学成像和头部抛光。本文最后给出了该工具生成的典型数据。进一步证明，利用该工具的相关功能，可以在该平台上进行新的实验。

1.介绍

介质缺陷控制一直是硬盘驱动器制造过程中的关键部分。它直接影响到驱动业务底线的制造产品的产量。在硬盘驱动器中，高的介质缺陷级别也会造成可靠性问题，导致不可预见的经济损失。此外，无缺陷介质是实现新的HDD技术的推动者。另一方面，为了保持市场持续增长所必需的高面积密度记录，硬盘驱动器的磁头间距被压缩到一个非常小的空间[1-3]。因此，即使是非常小的缺陷现在也会成为严重的性能和可靠性挑战。

缺陷失效分析(DFA)在缺陷过程控制中扮演核心角色，它可以发现根本原因并提供纠正措施的线索。DFA是与直线测试分开进行的，例如滑翔测试。通常的程序是将一小部分废品线送到DFA实验室，在那里技术人员试图手动重新安置缺陷，比如用光学显微镜，然后再将缺陷送去用AFM等分析工具进行检查。随着利益缺陷的判定标准越来越小，人工缺陷的重新定位成为一个更大的问题。在做DFA时，或者在线测试后处理产生的污染中没有找到合适的缺陷时，经常会出现缺失的情况，导致长时间的令人沮丧的工作，对生产进程产生负面影响。

我们已经开发了一个工具，它结合了AFM下滑。我们选择了只与高度粗糙独特的敏感滑行检查，因为这些更可能是在驱动器中的“杀手锏”缺陷类别[4，五]。在另一方面，AFM已广泛应用于内侧DFA实验室[6，7]。它提供了关键的地形数据与纳米级分辨率，完美的高密度硬盘媒体的分析介质缺陷。AFM具有100的典型最大扫描范围 μ米或更小。其结果是，缺陷必须位于右侧，其中常常证明是困难的手动操作，在AFM扫描范围的中间。这严重限制了用AFM缺陷分析的访问。

用AFM滑翔的结合，解决了许多问题。它使滑行试验后，能够AFM立即原位分析，因为在同一个盘盘样本停留不失坐标。它能够使更准确地找到较小的缺陷。该组合也使得自动化可能产生数量级的吞吐量媒体DFA更快。我们所说的工具的相关缺陷分析器（CDA），因为多个测试或分析被集成在单个的工具来在相同相关的缺陷进行。

2.设计和施工

AFM与滑翔相结合的概念并不新鲜。有至少一个尝试由HDD公司里的AFM模块加入到现有的滑行测试仪之一。没有具体的技术细节是众所周知的作者，但也有震动和弱算法的报告的问题，导致低AFM图像质量和错过缺陷。（与熟悉的工具相关的工程师私下沟通，没有商用产品发布过一般的市场。）

在论文中描述的CDA工具从底层向上设计的。它包括四个主要功能模块;见图1。主轴被安装在由一对高刚性精密线性引导件固定到花岗岩底座的板。一种高精度滚珠丝杠驱动阶段，在方向作为-阶段;参见图A部分的1。滚珠丝杠提供15 N/的刚度μ米，while the guides secure the lateral movement with a stiffness better than 100 N/μ米高刚性是必要的，以控制在高RPM主轴的振动。花岗岩被选择用于以其独特的减振特性。所述AFM被安装在用螺栓固定在一个垂直花岗岩拱微型滚珠丝杠阶段;参见图的B部分1。一个-舞台也垂直安装在拱门上。的-stage由一对线性引导件，滚珠螺杆驱动机构，而对于光学壳体的。该外壳还提供了一种自动转台的附连平面;参见图C部分1。滑动头安装在自动炮塔上，连同光学目标、抛光头安装和抄写器;见图D部分1。

图1

分解图的CDA-101A的。A部分，安装在与所述主轴的花岗岩基座阶段。部分B，垂直花岗岩拱与AFM阶段和阶段。部分C，在光学壳体与CCD照相机和自动转台架。部分d，自动转塔与滑行，光泽，划刻器，和光学目标。阅读更详细的描述文字。

该气轴承主轴具有高速旋转滑行试验的G模式和AFM成像的高精度定位的a模式(中国专利待定，201110142434.1)。在G模式下，主轴操作与控制器设置运行RPM到一个非常低的抖动水平。在A模式下，控制器被切换到旋转主轴作为一个旋转阶段，能够有大约3弧秒的分辨率。达到所要求的位置后，将空气支撑的下部拆下，使主轴体被上部空气支撑向下推，并安全地安装在主轴壳体上;见图2。主轴和主轴壳体之间的固体接触是必要的用于实现低噪声高分辨率原子力显微镜成像。

(一)G模式

(b)模式

(一)G模式
(b)模式

图2

双模式主轴。(a) G型。箭头表示空气支架的流动方向。在G模式下，主轴同时受到径向和轴向的支持，就像一个传统的空气轴承主轴。主轴是在速度控制电路，以实现高速纺丝与最小的抖动。(b) A模式。在A模式下，主轴处于定位控制电路下。它的功能是作为一个慢速旋转的转盘，并可以夹紧成像时，位置。为了压紧主轴，将底部轴向空气支撑拆除。因此，主轴体被压在壳体上。 The working pressure for the air spindle is 5 bars. Note the spindle shown in (b) is already in the clamped position.

已经采取谨慎措施，在设计阶段，以实现长期稳定和高定位重复性的严格要求选择具有匹配材料和功能性质的合适的组件。为了验证工具的性能，我们设计实验来测量阶段的定位重复性。在这里，在本文中，我们只显示在一个例子测量阶段。在其他阶段的测定方法是类似的。

用千分尺的磁盘大小的缺陷被夹紧在由从动卡盘阶段。它作为测量可重复性的目标，将工作台反复移动到预定的命令位置。一个50x的物镜聚焦在磁盘样本表面，并在磁盘移动到预定的命令位置时获取图像。图像由指定的软件自动分析，以确定目标缺陷到中心的偏移。从偏移量，等效-确定舞台位置，缺陷图像在显微镜下的中心位置。

统计数据显示在图3频率出现的位置与-容器大小为1的阶段μ米在这些-stage位置，目标缺陷是在显微镜视图的确切中心。缺陷位置的散射主要归因于在机械台每次移动时的移分钟。在剧情中的两个峰表示舞台位置的两个群体。For each population, the stage is found to have very high short term repeatability with a standard deviation of about 50 nm. The reason for the two position population is because that the experiment is carried out at an elevated room temperature first and repeated after overnight cooling at another temperature, resulting in two stable positions at the two temperatures. The overnight temperature swing is about 10 deg Celsius, resulting in a drift of 6 μm。其特征长度为30厘米，相当于2ppm /C，这是一个非常可观的数字，对于当前应用来说已经足够低了。

图3

的频率计数情节-stage position, with a bin size of 0.001 mm, that the-stage必须移动到为了使目标缺陷是在显微镜视图的中间。的two peaks correspond to the two highly repeatable positions of 23.332 mm and 23.338 mm due to the two stabilized room temperatures. See text for more detailed description.

在AFM扫描仪是OEM组件。它有一个非常紧凑的车身，其尺寸典型的显微镜物镜的。的optical interferometry detection scheme has a published noise level of 10 pm. To realize the full potential, we mount the scanner with the approach stage on the massive granite arch to maintain high rigidity. The key is to design the system with the shortest mechanical loop possible; see Figure4。短机械循环降低了扫描仪的外部干扰的敏感性。We carry out an effectively still scan (scan range is 1 nm) to measure the mechanical noise floor. Since the tip essentially stays at one spot on the sample, the resulting scan is a measure of the vibration the tip experiences. The data taken with the tool on a homebuilt isolation table without an acoustic enclosure and on the fourth floor of a building shows the RMS noise floor to be about 60 pm. The figure of the noise floor is determined with the commercial application SPIP by using the roughness calculator (SPIP SPM Image Processor application by Image Metrology, Horsholm, Demark; the roughness, Sq, calculation at zero scan range by definition is the direct measure of the system mechanical RMS noise floor); see the insert in Figure4。该图像示出总体随机信号的波动。图像中的条纹是低频噪声显示为从光栅扫描的伪影的结果，并具有朝向粗糙度的计算没有意义。

图4

原子力显微镜中机械回路的图解。机械回路依次由试样、试样夹头、工作台、直线导轨、花岗岩底座、花岗岩拱、进近台、扫描体、悬臂端组成。噪音地板测量的测试图像显示在插入。的-scale is ±250 pm. The RMS noise is estimated to be 58 pm.

3.缺陷索引和统一的坐标系统（UCS）

一个典型的滑翔头的宽度大约是一毫米。滑动头与更广泛的传感器区域可以完成一个全表面扫描在更少的轨道。为了满足生产线的吞吐量要求，这是必要的，因为每个磁盘在装运前都要经过下滑。由于传感器的宽度较大，滑移测试的不确定度在径向上约为几百微米，在跟踪方向上约为几毫米。我们开发了一种“滑动边缘查找器”算法，将缺陷的位置缩小到5μm.基于之前滑行测试的结果，该算法在缺陷附近非常精细的一步一步地移动滑行头的轨迹。它找到缺陷首先与下滑头接触的下滑头的边缘。该方法与滑动空气轴承滑块的形状无关。然而，滑翔头的确切形状会影响滑翔头的边缘偏移。因此，每一个新的下滑头将需要校准的边缘偏移时，第一次安装在工具。

为了帮助解释的过程中，我们展示了CDA软件的实际缺陷索引信号审查小组的屏幕截图;见图五。滑行的信号迹线被显示为每个单独的音轨。从没有信号与信号的那些轨道的过渡来确定所述边缘。的角位置由在相对于主轴的编码器位置的信号的峰值来确定。用于与所述滑行信号的轨道，该峰的角度位置被收集并平均化的统计信息。该算法具有某些逻辑内置在与边缘信号手柄的小缺陷。

（a）中的Glide跟踪面板

（b）中示意性布置

（C）跟踪＃1

（d）跟踪＃29

（a）中的Glide跟踪面板
（b）中示意性布置
（C）跟踪＃1
（d）跟踪＃29

图5

信号分析示出了面板在42个与轨道信号内的“滑翔边器”算法。所述第一轨道与所述滑行信号是跟踪没有。1五with a radius of 28.130 mm. (a) Glide signal panel showing the signal at each track arranged in descending order of the radius. (b) Schematic of the track arrangement. (c) Signal trace at track no. 1 with the radius equal to 28.165 mm. No signal due to defect is present. (d) Signal trace at track no. 29 with the radius equal to 28.110 mm. Peak signal from defect is present. The starting radius with defect signal defines the edge, 28.130 mm. The value 0.460 mm is the glide head edge offset. The angle is obtained from the averaging of the peak angular position of the data, shown as the red line in (a).

滑行头被更换时该工具还自动监视滑行头位置变化，例如，从时间。我们设计了一个集成的滑翔头支架具有一套物镜组的图像滑翔头的它的确切位置后面。因为它具有的5倍物镜的光学功能，它被称为一个滑行目标;见图6。滑翔头的图像被自动校正滑行头位置偏移采取并分析由所述软件，多达100 μ米从头部到头部。在悬浮液中HGA凹坑被选择作为目标位置校准具有约10的估计的不确定性 μ米我们还集成了滑移目标内滑行道前置放大器，以便使以达到最大信噪比滑翔头电连接到前置放大器尽可能短。

（a）中的Glide目标

(b)头向后滑动图像

（a）中的Glide目标
(b)头向后滑动图像

图6

滑翔客观的说明。(a)显示滑降靶的内部结构，使用5x透镜组使成像在滑降头的背面。一个可调弹簧使精细的焦点在下滑头。前置放大器集成到滑翔目标，以实现较短的导线长度到滑翔传感器。(b)滑翔头背面的图像。在视野中，只有下滑头的中心部分是可见的，显示了悬挂HGA的酒窝。滑头位置是根据酒窝位置校准的。

因为有在同一个工具相关联的多个测试和传感器，将有其中多个位置偏移来进行校正，例如，滑行和AFM，AFM及光学，原子力显微镜和划线之间，等等。它是为使偏移校准尽可能透明给用户的工具的目标之一。我们已经制定了统一坐标系统（UCS）来处理的转变。在UCS处理来自偏移表的偏移量参数。初始和当前参数存储在由UCS算法处理的数据库。

内的CDA工具中，存在多个组坐标：舞台或机器中，AFM，滑行时，光泽，划线，光学，以及外部和UCS。该阶段或机床坐标系是特殊的一个。该工具依赖于台坐标系到样本位置。由于现有的偏移，将有不同的传感器在相同的物理点不同阶段的坐标。这为实际有时概念对用户的问题。UCS的坐标系是一个所定义的一个。它具有与各种传感器的特定定义的偏移关系的坐标系，通过测量实际偏移量来确定。根据UCS系统中，只有一组坐标由用户来处理。该UCS还可以定制的格式，外部协调系统的接口。UCS的功能在图的示意图中示出7。

的（a）偏移的相关关系

（b）中UCS：统一坐标系

的（a）偏移的相关关系
（b）中UCS：统一坐标系

图7

示意图示出了各种坐标系之间的关系和转换。如果单独做处理需要（一）偏移转换。（B）统一坐标系创建处理与背景算法和偏移表的各种坐标之间的变换。这些参数存储在数据库中，并在必要时进行常数更新。

4.实施例的试验

我们使用已失效的老式硬盘的一个磁盘来测试运行CDA工具。由于我们设计了一个非常容易操作的用户界面，运行该工具的过程非常简单。样品由传统设计的吸盘式真空吸盘加载并自动夹紧，但增加了吸盘的吸盘面积，以满足刀具的具体要求。真空吸盘是必要的，不仅是为了便于安装样品，而且是为了避免中心突兀。这样可以在样品的完整半径范围内进行测试和分析，也可以防止在ID半径附近夹头和传感器之间可能发生的碰撞。

以下图中列出的程序8中，样品经过滑行测试扫描首先与CDA在G模式。然后，操作者选择其中的一个，或所有，为AFM成像的缺陷。前的工具被切换到AFM模式或A模式所选择的缺陷的索引运行如下。索引运行之后，所选择的缺陷可以为±5的不确定性被重新定位 μ米的AFM扫描可以手动或完全自动进行。自动化AFM扫描过程包括样品定位，接近尖端，扫描，尖端缩回，和数据保存。

图8

测试流程图示中，从样品负荷AFM图像。（a）中加载样品盘至卡盘。（b）由滑行测试的Glide缺陷映射。（c）由滑移缺陷搜索索引缺陷的地图。（d）到CDA AFM开关面板。“自动扫描”按钮的简单的新闻将启动自动扫描AFM常规。（e）中所扫描的缺陷之一的最终AFM图像。

了完成整个过程所需的时间取决于许多因素，如磁盘的外形，滑行头速度，AFM扫描速度，和扫描线的数量。In general, the time for the initial glide test portion is about 100 sec and about 30 sec additional per defect for the indexing. AFM imaging takes about 130 sec with, for example, 256 lines and 2 Hz scan speed, which produces images with reasonable qualities. So the overall time needed from start to end could be under 10 minutes for one defect, a vast improvement over the traditional DFA involving AFM imaging.

与精确已知的位置，缺陷可以被进一步与刀具其他可用来分析诸如光学显微镜。对于样品盘上的相同的缺陷，明视场的图像和暗场光学器件和AFM扫描一起示于图9。该缺陷是在明视场可见，但暗场图像显示了更高的对比度，也揭示了从缺陷长的划痕始发。AFM图像具有高得多的分辨率，显示具有约3的横向尺寸的缺陷 μm，高度约30nm。

(一)明视野

(b)暗视野

（c）中AFM打磨前的图像

（d）AFM打磨后图像

(一)明视野
(b)暗视野
（c）中AFM打磨前的图像
（d）AFM打磨后图像

图9

媒体的相关的图像从一个拆卸磁盘样品缺陷。（A）明场图像。该缺陷是非常小的，但可被视为在图像的中心暗点的斑点。（b）中暗场图像。该缺陷更加明显和划痕也显露对黑暗的背景。的光泽扫描（c）之前AFM图像。在打磨后扫描（d）AFM图像。

不仅可以用不同的传感器对同一缺陷进行分析，还可以应用介质工艺的特定技术对相关缺陷进行处理。在我们的示例测试中，在最初的AFM成像之后，使用抛光头多次扫描缺陷。为了研究抛光效果，用原子力显微镜对缺陷进行二次成像。打磨后的AFM图像如图所示9 (d)。与打磨前相比，缺陷保留了相同的大体形状。但是缺陷高度从30nm降低到28nm。我们还用SPIP软件估计了前后缺陷的表观体积。结果显示，软件的体积数实际上比0.080略有增加μ米³至0.082 μ米³。我们的结论在实验误差范围内，存在由于打磨头扫缺陷的体积没有变化。相反，对缺陷的污染被重新分配。进一步更详细的实验可被设计和为了获得上的缺陷的打磨效果更具体的结果进行。

5.结论

我们已经证明了一个独特的工具，结合了原子力显微镜，它可以被用来大大加快缺陷故障分析过程中滑行。通过执行原位AFM分析，缺陷搬迁和识别的准确度得到了保证。精度缺陷索引算法被示为坚固。高精密机械与组件在设计阶段仔细选择来实现。再加上复杂的软件算法，一个成功的相关缺陷分析和高分辨率低噪声AFM成像已被证实。随着透明UCS坐标系中，用户从繁琐的执行协调在工具中提供的各种测试中转换的负担免费。使用AFM研究光泽的对缺陷节目相关测试和分析的优点的效果的一个简单的实验。由于开放式设计和CDA工具的总体布局，额外的过程可以被认为是融入工具。这将通过在一个单元相关地组合各种工具打开进行测试和分析的新方法。

参考

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