Õhukesekilelised mälukeskkonnad

Margus KoduMaterjalitehnoloogia mag. 2

Sissejuhatus

• Juttu tuleb ainult kõvaketastest (rigid-disk technology)

• Sisukord: – Areng

– Enne 80-daid

– 80-dad ja õhukesekilelised pead

– 90-dad ja MR pead

– GMR pead ja edasi

– Täna ja homme

Areng• Esimene kõvaketas IBM-ilt 1956

•Taldriku läbimõõt 24 in (50 taldrikut)•Mahutas 5 MB (2000 bit/in2)

•Esimene PC kõvaketas Seagate`ilt 1979•Taldriku läbimõõt 5,25 in (2 taldrikut)•Kogu seade mahutas 5 MB (~3 Mbit/ in2)

•Täna (PMR tehnoloogia)•Taldriku läbimõõt tavaliselt 3,5 (PC) ja 2,5 (laptop) in•Mahutab ~ 500 GB (~200 Gbit/ in2)

•Järgmisel aastal•Tõenäoliselt mahtuvus ~ 750 GB ja tihedus kuni 250 Gbit/ in2

•IBM lubab 1 Tbit/ in2 (Millipede)

Enne 80-daid• Magnetilised osakesed dispergeeritakse lahuses, mis sisaldas

polümeeri

• Dispersioon pihustatakse läbi düüsi pöörlevale alusele

• Üleliigne lahus kõrvaldatakse aluse kiire pöörlemise tulemusena.

Alles jääb õhuke lahusekiht

• Magnetvälja abil orienteeritakse piklikud magnetosakesed

ringjoone sihis, et kile magnetilised omadused oleksid paremad

• Kilet kuumutatakse ahjus mille tagajärjel toimub polümeeri

ristsidestumine ning kõvastumine

• Pärast kuumutamist magnetiline kate poleeritakse ja kaetakse

lubrikandiga (perfluoropolüeeter)

Enne 80-daid

• magnetilised osakesed valmistati γ-Fe2O3-st

(ferromagnetiline magnetiliselt kõva materjal) mis oli

arendatud pärast Teist Maailmasõda magnetlintide tarvis.

• Osakesed olid nõelja kujuga ning paksuse pikkuse suhe 1:6

• U 1970. a võeti kasutusele osakesed millel mõõtmete suhe

1:10 tänu millele suurendati oluliselt koertsitiivsusväärtusi

• Algselt olid osakeste pikkused 1-2 um, pärastpoole 0,5 um

80-dad ja õhukesekilelised pead• Magnetilistel osakestel põhineva tehnoloogia piiranguks sai

infotihedus• 80-date õhukeste kilede eelis oli tugevam ja ruumiliselt kitsam

signaaliimpulss

• Põhjus: a ~ (MrT/Hc)1/2 ja PW50 ~a, T– Mr – jääkmagneetuvus– Hc – koertsitiivsus– T – mälukeskkonna paksus– a – üleminekuparameeter

• Esimesed õhukesed kiled – Hc kuni 1000 Oe (>3x suurem kui raudoksiidi osakeste korral)– Mr väärtused kuni 10x suuremad ja T-d sai vähendada 10x

80-dad ja õhukesekilelised pead

• Alguses oli meetodiks vooluta galvaanimine (electroless plating)– Kasutati CoP, aga see materjal ei

täitnud nõudmisi (madal Hc, korrodeerus)

• Valitsev tootmismeetod DC magnetron tolmustamine

• Alusteks olid Al-Mg sulamist kettad, mis olid kaetud Ni-P (väga kõva, poleeriti siledaks) 10 um kihiga vooluta galvaanimise meetodil

80-dad ja õhukesekilelised pead• Magnetiline struktuur koosnes Co sisaldavast sulamist, mis oli

sadestatud CrX (X=W, V, Mo) vahekihile.– Tänu heksagonaalsele struktuurile on Co suur

magnetokristalliline anisotroopsus ja suur Hc väärtus

– Eriti suured Hc väärtused saadi Co binaarsete ja ternaatsete sulamite korral

– Co sulamite puhul suure diameetriga üleminekumetallidega (Pa, Ta, Ir, Sm) saavutati Hc väärtused kuni 2400 Oe

– Ni ja Cr tõstsid vastupidavust korrosioonile

– Laialt kasutatavateks materjalideks said peagi CoCrPt, CoNiCr, CoPtNi

– Ms väärtused nendel sulamitel olid kõrged: 600-1000 emu/cm3 (Co Ms=1422)

– Lugemispead vajasid MrT väärtusi 4-6 emu/cm2, mis tähendas, et magnetilise kile paksus oli 50nm

90-dad ja MR pead

• Salvestustiheduste suurenedes ja MR peade kasutamisega muutus oluliseks signaali ja salvestuskeskonna müra suhe S/Nm

• S/Nm ~ 1/a2s– s – parameeter mis sõltub kristalliidi läbimõõdust ja selle

interaktsioonist naaberkristallidega– Mida väiksem keskmine kristalliidi suurus, seda väiksem s ja a

• Mida väiksem kistalliitide suurus, seda tihedamalt on nad kiles pakitud ja seda suuremad on teradevahelised vahetusinteraktsioonid

• See loob olukorra kus paljud väikesed terakesed käituvad nagu üks kristall ja keskkonna müra suureneb

• Lahenduseks oli luua keskkonnad kus kristalliidid oleksid üksteisest magnetiliselt eraldatud

90-dad ja MR pead

• Üheks võimaluseks on valides sobivad sadestusparameetrid (kõrge rõhk ja madal temperatuur) ja aluskihi struktuur (teraline) kasvatada võimalikult eraldunud teradega kile

• Paremaks osutus faaside segregatsiooni meetod– Kõrge kasvatustemperatuuri ja piisavalt kõrge

kontsentratsiooni korral toimub CoCrTa ja CoCrPt kiledes mittemagnetilise Cr eraldumine terade piirpinnale

• MR peade korral oli vajalik Hc 1500-2500 Oe ja seetõttu ka suurte aatomite (Pt, Ta) kasutamine kiledes

• Optimiseeritud kiled sisaldasid maksimaalse kontsentratsiooni Cr ja Ta ilma, et oleks toimunud magnetiliste omaduste halvenemist

90-dad ja MR pead

GMR pead (1998) ja edasi

• Üldised nõudmised GMR keskkonnale – Hc väärtused 3000-3500 Oe

– MrT väärtused 0,3-0,5 emu/cm2

• Tüüpilised magnetmaterjalid: CoCrPtTa, CoCrPtB, CoCrPtTaB, CoCrPtTaNb

• Kuna a ~ D ja S/Nm ~ 1/D3 siis on vajalik veel väiksemad tera suurused– Kasutatakse kihte (NiAl, CoTi), mis initseerivad väiksemate terade kasvu

(seed layers)

– Aluskihte võib olla mitu, et anda väikest tera läbimõõtu samas säilitades epitaksiaalse kasvu. Kasutatakse binaarseid (CrMo, CrV, CrTi) ja ternaarseid (CrTiB) materjale.

– Kasutatakse magnetilisi kaksikkihte

GMR pead (1998) ja edasi

GMR pead (1998) ja edasi

Täna

• Salvestustiheduse kasvu piirab superparamagnetiline effekt (R ~ KuV/kBt) (Ku-anisotroopia konstant)

• Ku väärtus on suurem suure Hc-ga materjalidel

• Lahenduseks on PMR (perpendicular magnetic recording)

•PMR tehnoloogia kasutab suuremaHc-ga materjale

•Pehme magnetiline materjalsuurendab kirjutuspea efektiivsust

•Väiksem a

Täna

Homme

•IBM lubab järgmisel aastal

Turule tuua 1 Tb/in2

Millipede (tuhatjalg) seadme

•Kõvaketastest potentsiaalselt

kiiremad

Kasutatud kirjandus• Kanu G. Ashar, Magnetic Disk Drive Technology,

Springer-Verlag New York, 1996

• Kenneth E. Johnson, Magnetic materjals and structures for thin film recording media, Journal of Applied Physics, 87, 9, 5367-5370, 2000

• http://www.answers.com/topic/hard-disk

• http://www.answers.com/topic/bit-density

• http://www.answers.com/topic/perpendicular-recording

• http://jp.fujitsu.com/group/labs/downloads/en/business/activities/activities-1/fujitsu-labs-storage-002-en.pdf

• http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/adt/afc1.html