(57)【要約】【課題】基材表面に、必要な高さの微細突起を、必要な分布密度で、自在に形成可能にすること。【解決手段】本発明の薄膜表面微細突起形成方法は、基材１表面に薄膜コーティング層２を形成する工程と、前記薄膜コーティング層に向けて所定強度のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザを照射し、当該照射領域内の薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成する工程とを有する。レーザの強度を、微細突起の形成閾値近傍に設定することにより、１つのレーザビームによるショット領域を単位として、当該領域内に、基材表面又は薄膜コーティング層の不均一性に基づいて、薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に薄膜コーティング層を形成する工程と、
前記薄膜コーティング層に向けて所定強度のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザを照射し、当該照射領域内の薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成する工程と、
を有する薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項２】
前記レーザの強度を、前記微細突起の形成閾値近傍に設定することにより、１つのレーザビームによるショット領域を単位として、当該領域内に、基材表面又は薄膜コーティング層の不均一性に基づいて、前記薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成することを特徴とする請求項１の薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項３】
同一のショット領域にレーザを複数ショット照射することにより多数の微細突起を成長増殖させることを特徴とする請求項１又は２の薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項４】
前記レーザを前記薄膜コーティング層を透過させて前記基材表面まで到達させることを特徴とする請求項１に記載の薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項５】
前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記薄膜コーティング層の物性を変えることにより制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかの薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項６】
前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記薄膜コーティング層に異物を混入して制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかの薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項７】
前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記基材表面の物性を変えることにより制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかの薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項８】
前記薄膜コーティング層を、複数コーティング層による積層構造としたことを特徴とする請求項１から７のいずれかの薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項９】
前記微細突起の高さ及び分布密度を、レーザが透過するコーティング層の数によって制御することを特徴とする請求項８の薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項１０】
前記基材表面を、異なる物性を有する複数の材料からなる複合材とすることを特徴とする請求項１又は７の薄膜表面微細突起形成方法。
【請求項１１】
前記基材表面に、レーザを透過する材料を混入することを特徴とする請求項１、７又は１０の薄膜表面微細突起形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射により薄膜表面に微細突起を形成する薄膜表面微細突起形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ照射による基材表面の加工方法として、例えば、「干渉露光法」が知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。この「干渉露光法」は、同一波長の複数レーザビームを基材表面同一箇所に同時照射し、レーザビーム同士の干渉効果により、レーザ照射領域内に周期的な強度分布を生ぜしめ、この周期的な強度分布により、基材表面に凹凸を形成する。この技術は、微小バンプや微細メッシュの形成に利用される。
【０００３】
ところで、現在、磁気ディスク装置の磁気ヘッド機構において、動圧効果を用いた空気膜潤滑による浮上型スライダ方式が用いられているが、更なる高密度大容量化を実現させるためには、磁気ヘッドとディスクの浮上隙間をできる限り小さくする必要がある。そこで常に接触して記録再生を行うコンタクトスライダ方式が提案され研究が行われている。この方式では、スライダとディスクが直接接触するため、スライダとディスクの両方において損傷する度合いが大きく、摩擦、摩耗といったナノトライボロジーが問題になってくる。
【特許文献１】特開２００４−３３９５３８号公報
【非特許文献１】精密工学会誌 Vol。69、2003（P。554〜P。559）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、例えば、磁気ヘッドのスライダにナノオーダのテクスチャを形成しようとする場合、非常に小さな領域にレーザを集光する方法ではレーザビーム照射領域内に１つの突起しか形成することができないので、多数の突起を所定分布密度で形成するためには、スライダ側をナノオーダでフィード制御するか、或いは、スライダ側を固定しておいて、レーザビームの方をガルバノスキャナ等の特殊なスキャン機構で移動制御することが必要となる。
【０００５】
本発明の目的は、非常に小さな領域にレーザを集光し、スライダ側をナノオーダでフィード制御したり、或いは、ガルバノスキャナ等の特殊なスキャン機構で移動制御しながらレーザビームをスキャンすることなく、基材表面に、必要な高さの微細突起を、必要な分布密度で、自在に形成可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、請求項１の発明は、基材表面に薄膜コーティング層を形成する工程と、前記薄膜コーティング層に向けて所定強度のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザを照射し、当該照射領域内の薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成する工程とを有する。
この方法によれば、基材表面の任意の一箇所に所定強度のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザを照射するだけで、薄膜コーティング層又は基材表面にレーザのエネルギによる無数の散点状熱変形が生じ、当該照射領域内の薄膜コーティング表面に多数の微細突起が形成される。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記レーザの強度を、前記微細突起の形成閾値近傍に設定することにより、１つのレーザビームによるショット領域を単位として、当該領域内に、基材表面又は薄膜コーティング層の不均一性に基づいて、前記薄膜コーティング表面に多数の微細突起を形成することを特徴とする。
【０００８】
レーザ強度ないしレーザエネルギを微細突起の形成閾値近傍に設定することにより、薄膜コーティング層又は基材表面の物性の不可避的な不均一性に起因して、１）薄膜コーティング層と基材表面との界面に微小剥離部分を散在形成すること、２）薄膜コーティング層に微細ボイドを散在形成すること、又は３）基材表面に微細隆起部を散在形成することができ、これにより、薄膜コーティング層表面が下から突上げられて微細突起が形成される。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、同一のショット領域にレーザを複数ショット照射することにより多数の微細突起を成長増殖させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記レーザを前記薄膜コーティング層を透過させて前記基材表面まで到達させることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１から４の発明において、前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記薄膜コーティング層の物性を変えることにより制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１から４の発明において、前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記薄膜コーティング層に異物を混入して制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１から４の発明において、前記微細突起の高さ及び分布密度を、前記基材表面の物性を変えることにより制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１から７の発明において、前記薄膜コーティング層を、複数コーティング層による積層構造としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記微細突起の高さ及び分布密度を、レーザが透過するコーティング層の数によって制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項１又は７の発明において、前記基材表面を、異なる物性を有する複数の材料からなる複合材とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１、７又は１０の発明において、前記基材表面に、レーザを透過する材料を混入することを特徴とする。
【００１８】
本発明で重要なことは、
１  基材又は薄膜コーティング層の材料の不均一性を利用すること。
２  精密にレーザーの照射エネルギーを制御すること。
３  １つのレーザ照射領域に多数の微細な突起を形成すること。
４  原則としてレーザを複数ショット照射すること。
５  １ビームで加工すること。である。
【００１９】
前記５の１ビームで加工することは、焦点深度の大きなレンズでレーザを集光することにより、複雑形状を有する基材表面でも焦点位置を一定にしたまま、多数の微細突起を薄膜表面に形成することができるという利点がある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以上のように、基材表面に薄膜コーティング層を形成し、この薄膜コーティング層に向けて所定強度のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザを照射することにより、当該照射領域内の薄膜コーティング表面に多数の微細突起のテクスチャを形成することができる。このようなテクスチャをトライボロジーの分野で利用すれば、例えば、磁気ディスク装置のスティクションフリースライダに微細突起のテクスチャを形成することにより、大幅な摩擦力低減効果が得られ、振動も抑制することが出来る。この際、テクスチャの高さ及び面積割合を小さくすると摩擦特性は良くなるが、小さすぎると逆に振動特性は悪くなるが、本発明によれば、基材表面又は薄膜コーティングの物性を変更することにより、最適なテクスチャ高さ及び分布密度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明方法を実施した実験装置と実験結果について図面を参照して説明する。
【００２２】
［スライダ］
基材として、本実験で使用するスライダは、図1（Ａ）に示すスティクションフリースライダである。このスライダは、図１（Ｂ）に示すように、ディスクとの吸着を防ぐ目的で、スライダ１面に高さ40nm、直径40μmほどの大きさの、薄膜コーティング層として、DLC（ダイヤモンドライクカーボン）２のパッドが5つ付いており、コンタクト試験を行う際には、この5つのパッド面が実際にディスクと接触する部分となる。よって、この部分にテクスチャを付けることにより、コンタクト試験において、テクスチャが及ぼす影響を見ることができると考えられる。
【００２３】
［フェムト秒レーザによる加工］
テクスチャ付コンタクト試験を行うにあたって、DLCパッドを加工する方法として、フェムト秒レーザ(光源Ti:Sapphire、波長800nm、パルス幅120fs)による加工を行った。フェムト秒レーザ加工を選らんだ理由としては、フェムト秒レーザはレーザ波長程度の非常に微細な周期的微細加工が可能であり、レーザ照射によるアブレーション現象が熱伝導機構よりも高速で起こるため周りの材料を変質させない特徴があり、ナノスケールのテクスチャ加工に優れているからである。フェムト秒レーザ加工の実験系を図2に、加工条件を表1に示す。
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、スライダＢに対して６０μJ／pulse、スライダＣに対して５０μJ／pulse、スライダＤに対して３．３μJ／pulseで、それぞれレーザを照射した。
なお、別の実験で、膜厚２００ナノメートルのＤＬＣ薄膜コーティング層に対して、エネルギ9.4μJ/shot, ショット数1000ショットで微細突起を形成できることを確認済である。
加工においては2種類の加工方法を用いて、3種類のテクスチャ付スライダを作成した。すなわち、加工時において2枚の集光レンズ(f＝50、100mm)によりレーザスポットを楕円形に変形させた後、f=150mmのレンズで集光させ、パッド上をある一定速度でスキャンさせてパッド全体にテクスチャを付ける方法と(スライダ B、C)、1枚のレンズのみでパッド全体を覆うようにレーザを集光し、パッドを固定したままレーザを照射し、一度にパッド全体にテクスチャを付ける方法の2種類である(スライダ D)。2種類の方法を用いた理由は、テクスチャ高さの高いものを作成する場合にはスキャンさせる方法で良いが、低いものを作成する場合、この方法では突起の占める面積割合が小さくなりすぎる傾向があった。そこで、静止させて作成する方法を試みた結果、多少改善される傾向が見られたためである。図3に突起の形状を示す。スライダ Aはテクスチャが付けられていないものである。本来、フェムト秒レーザ加工を行うと、微細な周期構造となるはずであるが、図３（ｂ）〜（ｄ）、表２に示すように、DLCパッドの表面には無数の突起ができていた（スライダB,C,D）。
【表２】
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【００２５】
これは、DLC膜の膜厚が薄いため、レーザのエネルギーがDLC膜を透過し、DLC膜下のTiC:Al2O3基板に到達、Al2O3基板が加熱により膨張し、その変形に追従するようにDLC膜が盛り上がったと考えられる。また、表3に示すように、この突起はレーザの照射エネルギーが高くなるほど高い突起になり、スキャン速度が速くなるほど少ない割合で出来ることが分かる。
【表３】
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【００２６】
［コンタクト実験装置及び方法］
上記で作成したテクスチャ付スライダを用いてコンタクト摩擦試験を行った。摩擦試験には図4のようなコンタクト型摩擦試験機を使用した。この摩擦試験機は、マイクロメータでスライダをディスク表面に押し付けることにより荷重をかけ、ディスクの回転速度をPCで高精度に制御することができる。このとき、スライダを支持する板バネに付けたストレインゲージで摩擦力を測定する。また、スライダの挙動を調べるため、振動をLDV（レーザードップラー振動計）で測定している。
【００２７】
ディスクに塗布する潤滑剤には従来から磁気ディスク装置に使用されてきた末端基にOH基を持つZdol系潤滑剤と、末端基に環状トリホスファゼンを持つ、自己修復性の低いA20H系潤滑剤を使用している。摩耗試験は表3の条件の下、大気中（温度：20〜25℃、湿度50%以下）、クラス100のセミクリーンベンチ内で行った。
【００２８】
［結果及び考察］
（摩擦特性への影響）
図5に50分間の平均摩擦係数を示す。この図より、摩擦力はテクスチャを付けることにより大幅に低減できていることが分かる。これは、テクスチャが付けられていないDLCパッドの表面とディスクの表面は非常にフラットであるため接触面積が大きいが、DLCパッドにテクスチャを付けることにより、この接触面積が減少し、摩擦力も小さくなったと考えられる。また、スライダ Cとスライダ Dにはほとんど差が無かったが、スライダ Bになるとスライダ C・Dとの差が大きくなっていたことからRMS（二乗平均粗さ）が大きくなると摩擦係数も大きくなる傾向があると思われる。摩擦係数に及ぼす潤滑剤の影響はZdol2000よりも流動性の低いA20H2000のほうが若干摩擦係数は小さくなっている。
【００２９】
（振動特性への影響）
摩擦低減効果に加えて振動の方にも影響が見られた。図6にLDV波形のRMS値を示す。テクスチャを付けることにより、振動も抑制できていることが分かる。また、テクスチャ高さが小さくなると振動も小さくなることが確認できる。しかし、RMSが小さすぎる、あるいは大きいと振動も大きくなっていることから、最適なテクスチャ高さ及び面積割合が存在すると思われる。また、この振動が摩擦力に影響を及ぼし、スライダ Cとスライダ Dの摩擦係数の差を埋めていると考えられる。
（テクスチャ形状の変化）
表4に実験前後のテクスチャ性状の変化を示す。
【表４】
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【００３０】
これより、テクスチャはコンタクト試験により摩耗していることが分かる。また、図７に実験前後のテクスチャ形状を示しているが、これにより、高い部分の突起だけでなく、低い部分の突起も高さが減少していることから、高い突起だけが接触するのではなく、低い突起部分も接触していると考えられる。
【００３１】
以上、本発明方法について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば薄膜コーティング層としてはＤＬＣに限らず、他の種類の薄膜コーティング層を使用してもよいし、薄膜コーティング層は一層に限らず、薄膜コーティング層の種類が異なる二層以上の多層にしてもよく、その場合、レーザの到達深度に対応する薄膜コーティング層の層間で熱変形による剥離が生じるから、薄膜コーティング層の積層数、薄膜コーティング層の種類、各薄膜コーティング層の厚さ、基材の種類などを適宜選択することによって、レーザ到達深度を自在に調節して薄膜コーティング層の表面に形成する微細突起の高さと分布密度を自在に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は磁気ディスク装置のスティクションフリースライダの平面図、（Ｂ）は同スライダの断面図。
【図２】薄膜表面微細突起形成方法の実験装置の概念図。
【図３】試験スライダ品の微細突起テクスチャの電子顕微鏡写真。
【図４】コンタクト型摩擦試験機の側面図。
【図５】摩擦係数と表面粗度の相関曲線図。
【図６】LDV波形のRMS値と表面粗度の相関曲線図。
【図７】（ａ）はスライダ走行前、（ｂ）はスライダ走行後のテクスチャの顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３３】
１  スライダ（基材）
２  ＤＬＣ（薄膜コーティング層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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