Новейшие наноразмерные технологии записи на магнитные диски. Магниторезистивная память

Дальнейшее совершенствование технологии записи/считывания информации на магнитных дисках

Технология "перпендикулярной записи" информации

Когда длина участков "битов" стала меньше 30 нм, выяснилось, что записанная информация уже не является достаточно стабильной. Для обеспечения стабильности пришлось переходить на магнитные материалы с большей коэрцитивной силой и со значительно большей остаточной магнитной индукцией и соответственно применять для записи более сильные магнитные поля. Наиболее подходящими материалами оказались сплавы типа и . Они к тому же имеют и значительно более высокую анизотропию, что позволило перейти к технологии "перпендикулярной записи" информации. Суть ее объясняет рис. 11.1. Магнитные дорожки состоят здесь из двух основных слоев: верхнего магнитожесткого, в который записываются и где хранятся биты информации в виде вертикальной (перпендикулярной к поверхности диска) намагниченности, и из магнитомягкого слоя, через который могут замыкаться магнитные потоки.

Индуктивная записывающая головка асимметрична. У нее имеется очень тонкое "плечо", под которым собственно и происходит запись бита информации, и относительно широкое "плечо". В тонком плече поперечное сечение магнитного потока (оно показано на рис. 11.1 штриховыми линиями) мало, не превышает длины участка каждого "бита", и поэтому магнитная индукция здесь велика. В широком плече поперечное сечение того же самого потока во много десятков раз больше, магнитный поток пронизывает десятки участков "битов", поэтому магнитная индукция мала и недостаточна для изменения состояния намагниченности этих участков.

Рис. 11.1. Схема "перпендикулярной" записи информации на магнитные диски

Наноархитектура магнитного покрытия дисков детальнее изображена на рис. 11.2. На основу диска (Подложка) наносят адгезионный слой, поверх него – два слоя магнитомягкого материала с противоположными направлениями горизонтальной намагниченности. Между ними для магнитной развязки формируют тонкий антиферромагнитный слой.

Рис. 11.2. Наноархитектура магнитного покрытия дисков в технологии "перпендикулярной" записи информации

Между магнитомягкими и магнитожестким слоями наносят тонкие промежуточные слои с тщательно подобранным химическим составом, которые помогают избавиться от внутренних магнитострикционных напряжений в системе. Магнитожесткий слой формируют таким образом, чтобы ось его легкого намагничивания была сориентирована вертикально. Поэтому магнитные домены в нем вытянуты по вертикали и в проекции на поверхность диска занимают наименьшую площадь. И именно это направление, перпендикулярное к поверхности диска, становится рабочим. Над магнитожестким запоминающим слоем наносят тонкий защитный слой, который оберегает внутренние слои от механических повреждений и атмосферных химических влияний.

Переход на технологию перпендикулярной записи позволил значительно уменьшить ширину магнитных дорожек и длину участков "битов" и достичь более высокой плотности записи информации – теоретически до 50-100 Гбит/см². И хотя формирование магнитного покрытия дисков стало в несколько раз более сложным и более дорогим, технология изготовления считывающе-записывающих головок стала также еще более прецизионной и более дорогой, все же выигрыш от увеличения плотности записи перекрывает дополнительные затраты, так что удельная стоимость одного мегабита информации заметно уменьшается.

Технология с локальным нагревом участка записи

При переходе на магнитные материалы с высокой коэрцитивной силой для записи оказались нужны настолько сильные магнитные поля, что их трудно было получить с помощью миниатюрной индуктивной записывающей головки. Выход был найден благодаря тому, что вблизи температуры Кюри коэрцитивная сила ферромагнетиков начинает быстро уменьшаться с повышением температуры ( рис. 11.3.).

Рис. 11.3. Типичная зависимость коэрцитивной силы ферромагнетиков от температуры

Поэтому для записи информации при повышенной температуре достаточными оказались уже имеющиеся магнитные поля. Чтобы в момент записи информации локально нагреть соответствующий участок магнитного покрытия, в состав записывающей головки ввели миниатюрный лазерный диод ( рис. 11.4). Он создает достаточно мощный локальный поток энергии, проходя сквозь который, магнитожесткий слой на протяжении уже нескольких наносекунд прогревается до температуры в сотни градусов Цельсия. При попадании под тонкое "плечо" записывающей головки магнитные моменты доменов, подвижность которых благодаря повышению температуры резко выросла, быстро ориентируются в заданном направлении. А дальше соответствующий участок, выйдя из-под лазерного нагревателя и записывающей головки, достаточно быстро (тоже за наносекунды) остывает до рабочей температуры, благодаря чему заданная во время записи ориентация намагниченности надежно "замораживается".

Рис. 11.4. Схема "перпендикулярной" записи информации на магнитный диск с локальным нагревом участка записи (технология TAR)

В англоязычной литературе такую технологию записи называют thermally-assisted magnetic recording (TAR) или heat assisted magnetic recording (HAMR). Она позволила повысить плотность записи информации еще на порядок.