磁存儲技術

未來信息領域的中心問題就是存儲，只有存儲容量的不斷增大，才能滿足信息社會高速發展的需要。

基本介紹

• 中文名：磁存儲技術的
• 外文名：GMR(GianMagneto Resistance)
• 類型巨磁電阻：GianMagneto Resistance
• 綜合存儲狀態：esNR
• 垂直記錄：SPT

簡介

現在世界各國，特別是已開發國家對磁存儲技術的發展極其重視。要提高磁信息存儲容量，就必須不斷減小用於記錄信息的磁性顆粒的尺寸，但當尺寸減小到一定程度時，超順磁效應就會影響到記錄的磁信息的穩定性，所以必須開發新型高密度磁記錄技術。

磁存儲信息

在磁存儲中信息的記錄與讀出原理是磁致電阻效應。磁致電阻磁頭的核心是一片金屬材料，其電阻隨磁場變化而變化。磁頭採用分離式設計，由感應磁頭寫，磁致電阻磁頭讀。

1.記錄過程在硬磁碟中寫入信息，採用的是感應式薄膜磁頭，即用的是高磁感應強度的薄膜材料加平板印刷工藝的磁頭結構。磁頭縫隙小於0.1um，切向記錄長度小於0.076um。磁頭寬度較大，道間距也較大，道密度和位密度有很大差別， 目的是為了使磁頭場具有較大的均勻區，減小介質不均勻磁化帶來的噪聲。目前硬碟記錄中的位間距已經很小，進一步增大記錄密度，除提高材料性能外，主要是採用先進制造技術按比例縮小縫隙長度和磁軌寬度。較窄的磁軌和較小的縫隙將使記錄磁場變小。此外，提高記錄介質的各向異性常數，就能提高介質的矯頑力，改善高密度記錄時的熱穩定性。

2.讀出過程讀出過程採用巨磁電阻GMR(GianMagneto Resistance)磁頭，包括磁性自旋閥(MagneticSpin Valve)與磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction)結構。磁性自旋閥結構為三明治式，即在兩個低矯頑力磁性層中間夾一個非磁性材料層。其中一個磁性層被另外一層反鐵磁層(FeMn等)所固定，稱為固定層，另一磁性層為自由層。磁性隧道結結構與磁性自旋閥相似，差別為有一層超薄的“絕緣”非磁性材料(AI203等)分割磁性自由層和固定層。在目前的各種高性能硬磁碟驅動器中，巨磁電阻磁頭套用較廣的是以電流方向在平面內的CIP(Current.In.Plane)型磁頭，尤其是採用納米氧化層的CIP.GMR薄膜，面記錄密度可達200Gb/in2。進一步研製電流垂直於平面的巨磁電阻薄膜CPP—GMR。採用CPP.GMR磁頭和垂直記錄技術，可實現300Gb/in2的記錄密度。

隧道型磁電阻磁頭TMR有望成為下一代高密度讀出元件的一種磁頭。2007年9月，美國Seagate公司採用隧道結磁頭的第四代DB35系列產品，硬碟容量已達1TB。

磁存儲狀態

通常情況下磁化狀態是很穩定的，但在超高密度記錄條件下，狀態的穩定性會出現問題。主要有：2.1提高記錄密度，需保證足夠高的GianMagneto ResistancesNR。信噪比sNR正比於N (N為每一記錄位內的晶粒數)，反比於Mrt(Mrt為面磁矩，其中Mr為介質剩餘磁化強度，t為介質磁層厚度)。確保足夠高的SNR，除降低Mr和t外，還要求足夠數量的N，這就要求減小晶粒尺寸。而根據磁記錄理論，晶粒尺寸小到一定程度，就會出現超順磁現象(分子熱運動干擾增強，改變集合體的磁矩取向，導致信息丟失)。因此對磁記錄介質而言，存在著一定的超順磁極限(或記錄密度極限)。根據Arrhenius。Neel定律，晶粒的熱衰減時間為： T=10.9exp(KuV/KT)。

式中Ku和v分別為晶粒的單軸各向異性常數和晶粒的體積，K為波爾茲曼常數，T為溫度。KuV/KT稱之為能壘或穩定性常數。為了保證介質中晶粒磁化狀態的穩定性，一般地T>>1 09S。若取室溫T=300K，介質的磁各向異性常數為105J/m3，得到最小晶粒尺寸D約等於10nm，記錄位的最小尺寸約100nm，記錄密度上限約65Gb/in2。

提高記錄密度，需設法減小退磁場。根據磁性過渡理論，在相鄰兩反向磁化疇的界面會形成一定的磁化分布，這種分布會使過渡區內的介質退磁，即產生退磁場。記錄密度越高，記錄波長越短，記錄位的退磁場越強，記錄信號越不穩定。退磁場公式為Hd∝Mrt/Hc(Mrt為面磁矩，Mr為介質剩餘磁化強度，t為介質磁層厚度，Hc為介質的矯頑力)。所以減小退磁場依賴於降低剩磁，減小膜厚和增大矯頑力。

綜上所述，高密度縱向磁記錄介質的設計必須兼顧退磁場，信噪比和穩定性等諸多方面的因素。

磁儲存進展

垂直記錄技術其採用單極型SPT(Single Pole TypeHead)磁頭方式進行記錄。隨著記錄密度的增加，對介質的矯頑力提出更高的要求。對應Tb/in2級記錄，矯頑力大於796KA/m(10KOe)，進而對記錄磁頭的寫磁場提出更高的要求。近年來對垂直記錄磁頭的研究主要集中在：①磁軛結構的開發。H.Muraoka等提出一種極尖驅動型單極磁頭。該磁頭記錄磁場強，寫性能高，電感低，適用於高矯頑力介質。在此基礎上K.Ise等又開發出CF-SPT(Cusp Field Single Pole Type Head)型單極磁頭。這種磁頭效率高，靈敏度高(靈敏度是傳統單極型磁頭的3倍)，而且具有很強的抗外部雜散磁場干擾能力，容易製造，容易與MR型讀出磁頭組合。② 高性能主極材料。Fe基主極材料與軟磁底層結合可實現高記錄場。採用雙層結構的高Bs主極可顯著改善重寫性能，抑制非線形翻轉漂移。在垂直磁記錄中，同樣使用的是現有的巨磁電阻磁頭讀出。對於相同剩磁的介質，如果膜厚增加3倍，記錄位縮小x3倍，GMR也能有效的檢測到。

反鐵磁耦合介質AFC(Anti Ferromagneticallycoupled media)由二層(或多層)被非磁耦合層相隔離的磁性層構成的。上磁性層為主記錄層(ML)，下磁性層為穩定層(SL)，它的優勢是：在沒有降低主磁層厚度、降低磁化強度的條件下，減小複合介質的總面磁矩，進而降低了退磁場，增加了記錄信息的穩定性，提高了介質的信噪比。這種結構還增加了複合系統的有效體積。它的多層結構(AFM )，含有多層穩定層和間隙層。通過調整間隙層、穩定層的厚度等參數，增加耦合強度，最大可能減小面磁矩，增加有效厚度和體積，從而提高介質的熱穩定性。目前IBM公司已在其Travelstar等多款硬磁碟中使用AFC介質。

熱輔助磁性記錄HAMR(Heat Assisted MagneticRecording)技術的居里點記錄技術。其原理是所有磁性材料都有一個居里點溫度，當磁性材料被加熱到該溫度時，材料的矯頑力趨於零。介質矯頑力的大小、記錄的難易、信號的穩定性三者的關係是：矯頑力較低時，容易記錄，但記錄信號不穩定；矯頑力較高時，記錄信號穩定，但很難記錄，對磁頭強度要求非常高。鑒於此，提出熱輔助記錄技術。即在高矯頑力介質(如鐵鉑合金)的記錄過程中，採用雷射照射等手段將照射區域中的溫度瞬間加熱至居里點溫度附近，此時介質的矯頑力下降，用傳統的普通磁頭即可記錄信息。記錄完畢後，隨著記錄區域冷卻，介質又恢復到原來的高矯頑力狀態，記錄相當穩定。採用這種方法，克服了高矯頑力介質難於記錄的困難，同時提高了信息位的熱穩定性，進而升級面記錄密度。Seagate公司擬將此技術套用到硬碟驅動器中，估計比現行的面密度提高約2個數量級。

圖案化磁信息存儲介質該技術為克服超順磁極限、提高磁記錄介質記錄密度的一種有效途徑。在這種技術中，介質是由非磁母體隔離的納米級島狀單疇磁性斑點陣列組成，每位信息存儲在一個單疇磁斑上，即存儲數據的信息位恰如彼此相互獨立的“點” ，這樣就減少了相互間的干擾和數據信息位損壞的危險，大大提高了記錄信息的溫度穩定性。近年來隨著納米製造技術的發展，提出了多種製備圖案化介質的方法，如光刻法(Lithography)，聚焦離子束法(Focused Ion Beam）等。這種技術的實施，可望將磁信息存儲密度提高到1Tb/in2以上，但目前還有一些問題需要解決。

磁記錄技術從1898年誕生，已經跨越了一個多世紀。隨著各方面技術的不斷發展，到目前為止，使用熱輔助磁記錄技術的硬碟磁頭產品，最高可支持每平方英寸2.5Tb的存儲密度。東芝公司宣布已經在圖案化介質技術獲得了突破，不久將實現每平方英寸5Tb的存儲密度，磁記錄技術迄今依然是最重要的記錄技術。