熱輔助磁記錄技術

研究預測：數字宇宙的急速膨脹使得需要存儲的信息量將從2006年的1.6×10²⁰比特增加到2020年的5.3×10²²比特。為了滿足這一驚人的存儲增長需求，作為當前大規模存儲應用的最主要的非易失性存儲設備，硬盤驅動器在存儲容量上的持續快速增長是非常重要的。當前硬盤產品的記錄密度已經達到約500Gb/in²,並預計仍保持每年30%〜50%的增長速度，然而存儲業界認為採用傳統的記錄方法其記錄密度極限為lTb/in²。這一極限產生的根本原因是記錄介質顆粒不斷變小時引發的超順磁效應。 ^[1] 

1、磁存儲無法繞過去的障礙：超順磁效應

隨着存儲密度不斷提升，存儲業界發現了一個問題：晶粒體積的減小受到超順磁效應的限制。磁有序的弛豫時間（即保持磁極性的時間）是衡量磁疇熱穩定性的一個重要參數，當記錄點的尺寸減小時，磁有序的弛豫時間將成指數減小；當記錄點的測量温度增加時，磁有序的弛豫時間也將成指數減小。因此記錄點體積的減小和温度的上升都將導致記錄點的磁性不穩定。 ^[1] 

存儲密度越高，每個記錄位的體積就越小，抵抗熱擾動維持磁化取向的能力就越弱。磁性材料的磁性會根據温度的提高而改變，在低於臨界點温度（臨界點温度：物理學中稱為“居里點”）時，磁材料可視為一個固定極性的鐵磁體，此時材料自身的磁場很難被改變；而當温度高於臨界點時，該材料將變成“順磁體(paramagnetic)”，磁體本身的磁性很容易隨周圍磁場的改變而改變。 ^[1] 

這樣，由於磁顆粒的不斷變小使得硬盤磁層的穩定性變差，即便不強烈的熱能擾動都可能導致磁顆粒出現順磁性，磁體極性將會產生隨機性翻轉，此時存儲的信息位將無法保持穩定。由於超級順磁效應的制約，即使採用垂直磁記錄技術，硬盤的存儲密度最多隻能達到lTb/in²。

2、HAMR技術的提出

為了突破因超順磁效應而導致的磁記錄密度極限，熱輔助磁記錄 HAMR(HeatAssistedMagneticRecording)技術得到了學術界和產業界的廣泛關注。該技術的目的是為有效應對超高密度存儲條件下磁頭微場強寫入的困難性，它是通過在磁記錄過程中使用激光加熱來降低介質的矯頑力，如圖1所示。 ^[1] 

HAMR記錄系統釆用的是由磁光記錄發展而來的一種複合記錄方法，理論上可用於縱向和垂直磁記錄系統，而用於垂直磁記錄系統更為有效。原因是垂直磁記錄對記錄介質厚度沒有苛刻的要求，有利於磁阻磁頭的讀出。熱輔助磁記錄的原理是：選取室温下矯頑力很大的材料，同時它具有合適的居里温度點（-500K)，當磁性材料被加熱到接近該温度時，其矯頑力迅速下降，較低的寫入場即可使其磁矩重新定向。因此，當用於加熱的激光和用於磁矩定向的磁頭場同時作用在記錄介質上時，在較小的寫磁場強條件下便可實現信息位在激光作用區域的寫入。在激光未照射的區域，由於介質有很大的矯頑力，所以受寫入磁場的干擾很小，在沒有磁.場作用的區域，這一過程對原有的磁化強度方向不產生任何影響。當激光束除去後，隨着記錄區域的冷卻，該記錄區域將很快恢復到原來的高矯頑力狀態，從而該記錄位將是非常穩定的。採用這種方法既可以克服在高矯頑力介質上的寫入困難，又能改善信息位的熱穩定性。因此，運用該技術可顯著提高硬磁盤的面記錄密度。當記錄位的尺寸為25nm×25mn時，記錄密度就可以達到1Tb/in²。然而，如此誘人的目標變成現實並非易事，以1Tb/in²的記錄密度為例，如果磁盤轉速達到對應的介質線速度為25m/s時，則記錄一個bit位必須在1ns內完成。也就是説在1ns內要完成從加熱到冷卻的全過程，這在技術上具有相當的挑戰性。另外，加熱光斑聚焦到如此小的範圍也受到衍射效應的限制。採用短波長的藍光、近場光學技術以及固體浸潤式透鏡聚焦技術等有望使HAMR得到實際應用。 ^[1] 

當前，還有另外一種輔助記錄技術一微波輔助磁記錄（MAMR，MicrowaveAssistedMagneticRecording),它採用另外一種方法來減小寫過程時介質的矯頑力，可達到與HAMR異曲同工的效果。該技術由美國的卡內基梅隆大學朱建剛教授於2008年提出。其機制和HAMR類似，但其原理有所不同。

希捷公司於2001年底即開始HAMR開發計劃，該計劃有眾多的企業、科研院所以及標準研究機構參與其中，成員包括美國國家標準和技術所（NIST)、美國國家存儲工業協會(NSIC)、卡內基梅隆大學（CarnegieMellonUniversity)、亞利桑那大學、MEMS光學公司、AdvancedResearch公司以及希捷的轉包商Euxine技術公司。在經過艱苦的努力之後，HAMR技術獲得了相當的進展並對外公佈。該計劃由希捷公司的材料科學家Wellerff士領銜，他為希捷科技研究中心的磁介質研究主管，他在2004年被IEEE(電氣和電子工程師學會）磁學和磁性材料分會評選為該領域的傑出學者之一。在希捷披露HAMR計劃後，日立公司也拿出類似的TAR(ThermallyAssitedRecording)熱輔助技術，它與HAMR可以説如出一撤。 ^[1] 

熱輔助磁記錄技術首先面對的難題是激光的採用，如果要達到lTbit/in²的存儲密度，那麼每個bit所佔用的面積將是25nmx25nm,這樣小的面積需要相應的細光束，普通激光很難做到。流行的解決辦法是採用近場光，2005年4月夏普己經報道了一種釆用近場光的熱輔助記錄磁頭，它僅有1mm×1mm大小，結構也非常簡單。日立公司於2010年2月宣佈，已經成功開發出一款使用熱輔助磁記錄技術的硬盤磁頭產品，最高可支持2.5Tb/in²的存儲密度。日立已經通過模擬測試確認了該磁頭的性能要求。日立使用了激光源頭部尖端部分曲率半徑不足10nm的超微型近場光光源，製造出的激光照射範圍直徑不足20nm，並且該光源可和磁記錄磁頭尖端一體成型製造，從而可支持2.5Tb/in²的超高存儲密度，是普通硬盤盤片存儲密度的5倍以上。經過日立的模擬確認，該磁頭只要搭配合適的記錄盤片，可在28nm寬的磁道上進行寫入，存儲單元長度約為9nm。 ^[1] 

以該磁頭最高2.5Tb/in²的支持能力計算，在相應的高密度盤片技術推出後，使用該磁頭可實現單片容量3TB以上的3.5寸盤片，整個硬盤容量可能超過10TB。因此，基於機電組合方式的硬盤在大容量存儲上的優勢仍將在較長時間內繼續保持下去。

熱輔助磁記錄技術的特點是熱能和寫入磁場同時作用於記錄位的磁性顆粒上。其中，熱能可以由激光二極管提供，或者由高温探針提供，而寫入磁場由磁頭或者線圈提供。實現熱磁寫入，熱源（光頭或探針）和磁頭分別位於盤片的兩側。 ^[2] 

相比於商用硬盤所採用的縱向磁記錄技術和即將採用的垂直磁記錄技術.1999年提出的熱輔助磁記錄技術仍然處於實驗研究階段。從理論上講，熱輔助磁記錄技術能解決信息寫入和長久保存的問題，可以實現非常高的記錄密度;但這項技術能否應用到產品上，替代即將推出高用產品的垂直磁記錄技術還有很多不確定的因素.如最終將以何種方式實現對磁記錄的熱輔助作用，以及熱埔助磁記錄能否實現1-10Tbit/in²超高面記錄密度，在投入大量資源進行工業規劃之前，細緻地研究每一個可能出現的問題，提出解決方案並加以驗證.是這項技術實用化前需要做的工作。 ^[3] 

1、光學設計和光傳送

熱輔助磁記錄技術發展的驅動力是應對超順磁極限問題。由於在Tb/in²的存儲密度級別下，每個比特的記錄區域僅為約25nm×25nm，在HAMR中激光的高精準聚焦則是主要的技術障礙。然而，根據傳統的遠場光學理論，散射極限的光點直徑大小由以下公式確定：

這裏β指的是波長，NA(NumericalAperture)是聚焦鏡的數值孔徑。

二極管激光器作為光存儲中的激光源，它可產生高能的共振光，其應用已非常廣泛。最初的光記錄系統使用波長為830nm的二極管激光器。根據公式，為了獲取更小的聚焦區域，可通過減小波長來實現。近場光學理論的發展能夠有效的將光傳送到記錄介質的一個區域上並且使這個區域比HAMR技術中最重要的挑戰——散射極限的區域的大小還要小。當前發展的多種相關技術常常使用固態浸沒鏡作為壓縮器或者使用孔徑作為近場光轉換器在表面等離子體共振效應下進行光的聚焦。雖然在文獻中沒有統一的方法定義這樣一個光學系統的效率，一個優化完全的近場光系統將傳送激光器發射的大約1%到2%的光能到大約25nm×25nm的區域上。這仍然比普通環形孔徑的遠場光效率要高。相信這個技術將會取得驚人的進步並對於使用低成本二極管激光器的HAMR技術來説，應該是足夠的。 ^[1] 

2、記錄頭

製造集成HAMR磁頭的主要挑戰是使用磁場傳送系統來集成光的傳送和光的聚焦，集成後的磁頭必須能夠在頭盤間隙<10nm的高度下飛行。

HAMR寫磁頭同時提供寫磁場和光能到介質寫人區域的需求對寫頭的設計提出了新要求。雖然有多種可能的方法，當前集成HAMR的寫頭設計使用一個平板波導裝置。這個平板波導裝置被集成到寫頭的間隙中以將光能傳送到介質上。為了使得加熱點放置到與寫磁場作用下的最強點儘量接近，這個波導裝置需要和磁頭的磁極非常接近。然而，放置太近可能會干擾到波導中光的傳送。在面密度超過1Tb/in²的情況下，軌道的寬度需要小於50nm(假設4:1的比特橫縱比）。此外，由於這樣一個點的尺寸遠遠超出了光學聚焦點的散射極限，需要放置近場轉換器在磁頭的空氣軸承表面——這可能是HAMR磁頭設計最有挑戰性的一個方面。 ^[1] 

3、HAMR介質

HAMR介質的設計和製備也是一個挑戰性問題，但是當前的研究也取得一些進展。由於在記錄過程中使用熱輔助，為能支持高密度存儲，HAMR不僅僅要求製造出熱穩定性好並且矯頑力高的介質，也要求合理的熱設計以用於介質中的熱閉合和控制。

HAMR介質要求合理的磁特性和合理的熱性能。當前的模擬分析和實驗結果都表明介質的熱性能是可以達到的，但是合理的磁特性的獲取仍然是一個難題。提供足夠大的各向異性以將記錄密度提高到1Tb/in²的磁介質是存在的。

總的來説，介質的選擇必須滿足以下特性:

1) 高的各向異性；

2) 小（直徑<5nm)的磁晶粒，

3) 合適的居里點。

雖然滿足這些特性仍然是一個挑戰，當前還是有很多的候選材料。例如，L1OFePt已經被認為是最具吸引力的候選材料之一，因為這種材料有着非常高的各向異性和好的抗腐蝕性。通過將保護層塗到介質薄膜表面並將介質薄膜沉積到夾層上，已經制備出直徑為7.5nm的晶粒的介質層。通過生產高各向異性並且轉換温度低的雙層薄膜，多層交互耦合介質也已經顯示出其應用前景。如果持續取得進步，新型HAMR介質材料可能會滿足不斷的存儲密度提升需求。 ^[1] 

4、潤滑層，保護層和頭盤界面摩擦

HAMR要求使用一種特殊的磁記錄頭在1ns內將磁介質加熱到居里點或居里點以上。為了使得在超高存儲密度條件下保持一定的信噪比，Ll0FePt、Ll0CoPt和SmCo5都是較好的介質候選材料。這些材料的居里點分別為750,840和1000K。由於達到這樣高的温度要求激光器功率相當大，這反過來又引起了磁頭極頂突出、介質變形、潤滑層損傷等問題。

由於在磁頭寫的過程中要求激光器將區域介質加熱到較高的温度，這樣用來保護磁介質的潤滑層會從介質表面降解，由此將導致介質可能被腐蝕，除非使用能夠抵抗高温的潤滑層材料。研究表明，基於低分子量材料的潤滑層在高温下容易揮發，而高分子量材料的潤滑層也會在高温下存在一定程度的損傷。因此，尋求能承受高温不易降解的潤滑層合適材料即成為人們的目標。對於保護層而言，當前使用的碳保護層在如此高的温度下也可能會改變屬性，導致很差的抗腐蝕性和摩擦性能。另外，在高温寫入條件下還會產生其它問題，如熱極頂突出和介質表面的瞬態彈性熱變形可能步惡化頭盤界面的穩定性。 ^[1] 

磁記錄產品已經取得了驚人的存儲市場份額。在2005,大約有3.8億塊HDD(HardDiskDrive)售出。而根據IDC預測，2011年HDD出貨量將達到6.75億塊。然而，雖然市場份額在上升，由於半導體工業的擴張性增長和芯片密度的不斷提升，當前HDD已經受到極大的挑戰。據統計，HDD和半導體存儲近年大約以相同的速度增長。閃存由於具有低市場進人成本、低能耗及魯棒性強的特點，因此在移動環境的應用優勢更大，而磁盤由於其單位存儲容量的成本低和數據傳送率高，更適合大容量存儲應用領域。在過去五年內只有0.85吋和1吋的微硬盤受到閃存一定程度的衝擊（如果假設硬盤每年40%的年增長率和閃存的增長率遵循半導體增長線路）。因此，為保持現有的市場佔有率，磁記錄必須達到40%的年增長率。

為了提高面記錄密度，已有多種解決方案被提出。但是，最有發展潛力的兩種技術是熱輔助磁記錄技術（HAMR）和圖案化介質記錄(PMR)。雖然關於哪種方法最終會首先取得成功還存有爭論，但公認的是兩種方法的結合有望使面記錄密度達到300Tb/in²。 ^[1] 

據理論分析，熱輔助磁記錄技術可以將面存儲密度提高到5Tbit/in²,這是傳統垂直記錄技術的存儲密度極限的10倍。然而，存儲密度的提高似乎還遠遠沒有到盡頭。通過對高矯頑力存儲介質的優化，學者仍然期望找到進一步提高存儲密度的方法。比如希捷公司的研究人員所提出的自組織磁陣列技術（Self-OrganizedMagneticAiray,SOMA)，採用Fe(CO)₅等製備出自組織的FePt磁介質陣列。若將熱輔助磁記錄技術與該技術相結合，可以獲得50Tbit/in²的超高磁存儲密度。 ^[1]