[科普中国]-热辅助磁记录技术

研究背景

研究预测：数字宇宙的急速膨胀使得需要存储的信息量将从2006年的1.6×1020比特增加到2020年的5.3×1022比特。为了满足这一惊人的存储增长需求，作为当前大规模存储应用的最主要的非易失性存储设备，硬盘驱动器在存储容量上的持续快速增长是非常重要的。当前硬盘产品的记录密度已经达到约500Gb/in2,并预计仍保持每年30%〜50%的增长速度，然而存储业界认为采用传统的记录方法其记录密度极限为lTb/in2。这一极限产生的根本原因是记录介质颗粒不断变小时引发的超顺磁效应。1

1、磁存储无法绕过去的障碍：超顺磁效应

随着存储密度不断提升，存储业界发现了一个问题：晶粒体积的减小受到超顺磁效应的限制。磁有序的弛豫时间（即保持磁极性的时间）是衡量磁畴热稳定性的一个重要参数，当记录点的尺寸减小时，磁有序的弛豫时间将成指数减小；当记录点的测量温度增加时，磁有序的弛豫时间也将成指数减小。因此记录点体积的减小和温度的上升都将导致记录点的磁性不稳定。1

存储密度越高，每个记录位的体积就越小，抵抗热扰动维持磁化取向的能力就越弱。磁性材料的磁性会根据温度的提高而改变，在低于临界点温度（临界点温度：物理学中称为“居里点”）时，磁材料可视为一个固定极性的铁磁体，此时材料自身的磁场很难被改变；而当温度高于临界点时，该材料将变成“顺磁体(paramagnetic)”，磁体本身的磁性很容易随周围磁场的改变而改变。1

这样，由于磁颗粒的不断变小使得硬盘磁层的稳定性变差，即便不强烈的热能扰动都可能导致磁颗粒出现顺磁性，磁体极性将会产生随机性翻转，此时存储的信息位将无法保持稳定。由于超级顺磁效应的制约，即使采用垂直磁记录技术，硬盘的存储密度最多只能达到lTb/in2。

2、HAMR技术的提出

为了突破因超顺磁效应而导致的磁记录密度极限，热辅助磁记录 HAMR(HeatAssistedMagneticRecording)技术得到了学术界和产业界的广泛关注。该技术的目的是为有效应对超高密度存储条件下磁头微场强写人的困难性，它是通过在磁记录过程中使用激光加热来降低介质的矫顽力，如图1所示。1

HAMR记录系统釆用的是由磁光记录发展而来的一种复合记录方法，理论上可用于纵向和垂直磁记录系统，而用于垂直磁记录系统更为有效。原因是垂直磁记录对记录介质厚度没有苛刻的要求，有利于磁阻磁头的读出。热辅助磁记录的原理是：选取室温下矫顽力很大的材料，同时它具有合适的居里温度点（-500K)，当磁性材料被加热到接近该温度时，其矫顽力迅速下降，较低的写入场即可使其磁矩重新定向。因此，当用于加热的激光和用于磁矩定向的磁头场同时作用在记录介质上时，在较小的写磁场强条件下便可实现信息位在激光作用区域的写人。在激光未照射的区域，由于介质有很大的矫顽力，所以受写入磁场的干扰很小，在没有磁.场作用的区域，这一过程对原有的磁化强度方向不产生任何影响。当激光束除去后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很快恢复到原来的高矫顽力状态，从而该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服在高矫顽力介质上的写入困难，又能改善信息位的热稳定性。因此，运用该技术可显著提高硬磁盘的面记录密度。当记录位的尺寸为25nm×25mn时，记录密度就可以达到1Tb/in2。然而，如此诱人的目标变成现实并非易事，以1Tb/in2的记录密度为例，如果磁盘转速达到对应的介质线速度为25m/s时，则记录一个bit位必须在1ns内完成。也就是说在1ns内要完成从加热到冷却的全过程，这在技术上具有相当的挑战性。另外，加热光斑聚焦到如此小的范围也受到衍射效应的限制。采用短波长的蓝光、近场光学技术以及固体浸润式透镜聚焦技术等有望使HAMR得到实际应用。1

当前，还有另外一种辅助记录技术一微波辅助磁记录（MAMR，MicrowaveAssistedMagneticRecording),它采用另外一种方法来减小写过程时介质的矫顽力，可达到与HAMR异曲同工的效果。该技术由美国的卡内基梅隆大学朱建刚教授于2008年提出。其机制和HAMR类似，但其原理有所不同。

研究现状希捷公司于2001年底即开始HAMR开发计划，该计划有众多的企业、科研院所以及标准研究机构参与其中，成员包括美国国家标准和技术所（NIST)、美国国家存储工业协会(NSIC)、卡内基梅隆大学（CarnegieMellonUniversity)、亚利桑那大学、MEMS光学公司、AdvancedResearch公司以及希捷的转包商Euxine技术公司。在经过艰苦的努力之后，HAMR技术获得了相当的进展并对外公布。目前，该计划由希捷公司的材料科学家Wellerff士领衔，他目前为希捷科技研究中心的磁介质研究主管，他在2004年被IEEE(电气和电子工程师学会）磁学和磁性材料分会评选为该领域的杰出学者之一。在希捷披露HAMR计划后，日立公司也拿出类似的TAR(ThermallyAssitedRecording)热辅助技术，它与HAMR可以说如出一撤。1

热辅助磁记录技术首先面对的难题是激光的采用，如果要达到lTbit/in2的存储密度，那么每个bit所占用的面积将是25nmx25nm,这样小的面积需要相应的细光束，普通激光很难做到。目前流行的解决办法是采用近场光，2005年4月夏普己经报道了一种釆用近场光的热辅助记录磁头，它仅有1mm×1mm大小，结构也非常简单。日立公司于2010年2月宣布，已经成功开发出一款使用热辅助磁记录技术的硬盘磁头产品，最高可支持2.5Tb/in2的存储密度。目前日立已经通过模拟测试确认了该磁头的性能要求。日立使用了激光源头部尖端部分曲率半径不足10nm的超微型近场光光源，制造出的激光照射范围直径不足20nm，并且该光源可和磁记录磁头尖端一体成型制造，从而可支持2.5Tb/in2的超高存储密度，是目前普通硬盘盘片存储密度的5倍以上。经过日立的模拟确认，该磁头只要搭配合适的记录盘片，可在28nm宽的磁道上进行写人，存储单元长度约为9nm。1

以该磁头最高2.5Tb/in2的支持能力计算，在相应的高密度盘片技术推出后，使用该磁头可实现单片容量3TB以上的3.5寸盘片，整个硬盘容量可能超过10TB。因此，基于机电组合方式的硬盘在大容量存储上的优势仍将在较长时间内继续保持下去。

特性热辅助磁记录技术的特点是热能和写入磁场同时作用于记录位的磁性颗粒上。其中，热能可以由激光二极管提供，或者由高温探针提供，而写入磁场由磁头或者线圈提供。实现热磁写入，热源（光头或探针）和磁头分别位于盘片的两侧。2

相比于商用硬盘所采用的纵向磁记录技术和即将采用的垂直磁记录技术.1999年提出的热辅助磁记录技术仍然处于实验研究阶段。从理论上讲，热辅助磁记录技术能解决信息写入和长久保存的问题，可以实现非常高的记录密度;但这项技术能否应用到产品上，替代即将推出高用产品的垂直磁记录技术还有很多不确定的因素.如最终将以何种方式实现对磁记录的热辅助作用，以及热埔助磁记录能否实现1-10Tbit/in2超高面记录密度，在投入大量资源进行工业规划之前，细致地研究每一个可能出现的问题，提出解决方案并加以验证.是这项技术实用化前需要做的工作。3

关键问题1、光学设计和光传送

热辅助磁记录技术发展的驱动力是应对超顺磁极限问题。由于在Tb/in2的存储密度级别下，每个比特的记录区域仅为约25nm×25nm，在HAMR中激光的高精准聚焦则是主要的技术障碍。然而，根据传统的远场光学理论，散射极限的光点直径大小由以下公式确定：

这里β指的是波长，NA(NumericalAperture)是聚焦镜的数值孔径。

二极管激光器作为光存储中的激光源，它可产生高能的共振光，其应用已非常广泛。最初的光记录系统使用波长为830nm的二极管激光器。根据公式，为了获取更小的聚焦区域，可通过减小波长来实现。近场光学理论的发展能够有效的将光传送到记录介质的一个区域上并且使这个区域比HAMR技术中最重要的挑战——散射极限的区域的大小还要小。当前发展的多种相关技术常常使用固态浸没镜作为压缩器或者使用孔径作为近场光转换器在表面等离子体共振效应下进行光的聚焦。虽然在文献中没有统一的方法定义这样一个光学系统的效率，一个优化完全的近场光系统将传送激光器发射的大约1%到2%的光能到大约25nm×25nm的区域上。这仍然比普通环形孔径的远场光效率要高。相信这个技术将会取得惊人的进步并对于使用低成本二极管激光器的HAMR技术来说，应该是足够的。1

2、记录头

制造集成HAMR磁头的主要挑战是使用磁场传送系统来集成光的传送和光的聚焦，集成后的磁头必须能够在头盘间隙