奈米儲存發展與前景

奈米儲存發展與前景 奈米儲存發展與前景

文/許仁華、孫安正 文/許仁華、孫安正

磁 記 錄 (magnetic recording) 目 前 主 要 是 指 硬 碟機(HDD) (圖一) 作為大 量資訊儲存之用。硬碟機是 由 IBM Rey Johnson 領導研 發小組在 1956 年發明一個 名 叫 the Random Access Method of Accounting and Control (RAMMC) 350 硬碟 機(圖二)開始，並在當年九月十三日開始賣出第一 台，其內包含 50 個 24-in 碟片，總共儲存容量為 5MB，此為世界上第一個硬碟機。之後，硬碟機使用 已有五十年歷史，在往後之五十年中，儲存記錄技術 突飛猛進，從一個龐然大物之產品，演變為一個輕薄 短小如硬幣般之微碟機(micro disk) (圖三)，而儲存記 錄之指標，通常以每平方吋儲存多少位元 bits/in² 來 表示，從這指標來看，五十年來共進展了 10⁸倍，非 常驚人，如圖四所示。此進步神速且不間斷有賴於幾 個重要之創新技術之引進突破磁碟機發展瓶頸；如在 八十年代時，引入薄膜磁頭為讀取元件，使得此時磁 記錄密度得以每年 30%的速度成長到 100 Mb/in²；九 十年代初期至中期，由於磁阻式磁頭發展，使得記錄 密度能夠大幅提升改以每年 60%的速度成長到 5~6 Gb/in²，而 1988 年巨磁阻(GMR)之發現 (2007 年

Grünberg 與 Fert 因此獲得 Nobel 物理獎)，在短短不 到十年，1996 年 IBM 即藉巨磁阻效應用於磁阻式磁 頭，並安裝於其 Travelmate NB 之硬碟機上，因此記 錄密度往後得以更大幅提升，每年以 100%的速度繼 續成長，讓在半導體著名 Moore’s Law 瞠乎其後。另 外二十世紀末期之奈米科學與科技發展，更將儲存技 術帶入了奈米領域。在 2000 年時，每個記錄位元之 大小已達 254 nm 左右，而每個磁性顆粒則為 20 nm 左右，因此首先將奈米技術引入為實際產品，首推硬 碟機之碟片，也就是說磁儲存技術是奈米科技的最早 應用。

磁 記 錄 (magnetic recording) 目 前 主 要 是 指 硬 碟機(HDD) (圖一) 作為大 量資訊儲存之用。硬碟機是 由 IBM Rey Johnson 領導研 發小組在 1956 年發明一個 名 叫 the Random Access Method of Accounting and Control (RAMMC) 350 硬碟 機(圖二)開始，並在當年九月十三日開始賣出第一 台，其內包含 50 個 24-in 碟片，總共儲存容量為 5MB，此為世界上第一個硬碟機。之後，硬碟機使用 已有五十年歷史，在往後之五十年中，儲存記錄技術 突飛猛進，從一個龐然大物之產品，演變為一個輕薄 短小如硬幣般之微碟機(micro disk) (圖三)，而儲存記 錄之指標，通常以每平方吋儲存多少位元 bits/in² 來 表示，從這指標來看，五十年來共進展了 10⁸倍，非 常驚人，如圖四所示。此進步神速且不間斷有賴於幾 個重要之創新技術之引進突破磁碟機發展瓶頸；如在 八十年代時，引入薄膜磁頭為讀取元件，使得此時磁 記錄密度得以每年 30%的速度成長到 100 Mb/in²；九 十年代初期至中期，由於磁阻式磁頭發展，使得記錄 密度能夠大幅提升改以每年 60%的速度成長到 5~6 Gb/in²，而 1988 年巨磁阻(GMR)之發現 (2007 年

Grünberg 與 Fert 因此獲得 Nobel 物理獎)，在短短不 到十年，1996 年 IBM 即藉巨磁阻效應用於磁阻式磁 頭，並安裝於其 Travelmate NB 之硬碟機上，因此記 錄密度往後得以更大幅提升，每年以 100%的速度繼 續成長，讓在半導體著名 Moore’s Law 瞠乎其後。另 外二十世紀末期之奈米科學與科技發展，更將儲存技 術帶入了奈米領域。在 2000 年時，每個記錄位元之 大小已達 254 nm 左右，而每個磁性顆粒則為 20 nm 左右，因此首先將奈米技術引入為實際產品，首推硬 碟機之碟片，也就是說磁儲存技術是奈米科技的最早 應用。

圖一、硬碟機內部照片。

圖二、.世界第一部 IBM RAMAC 硬碟機照片。

許仁華

國立台灣大學物理系暨應用物理研究所教授 e-mail：[email protected]

孫安正

國立台灣大學物理系博士後研究員

e-mail：[email protected] 圖三、Microdisk 照片。

圖四、磁記錄發展趨勢圖。

雖 然 最 原 始 之 IBM 硬 碟 機 是 使 用 垂 直 記 錄 (PMR)-即磁化方向為垂直膜面方式，但隨即面臨很多 實際問題很難克服，不久即改使用水平記錄方式 (LMR)(圖五)，而往後之五十年硬碟機演進皆以此種 方式為儲存媒體方式。然而水平式磁性記錄儲存密度 的成長，到了 21 世紀初期，就遇到了物理極限-超順 磁效應(super-paramagnetic effect)，使得記錄密度成長 降至每年 50-60%甚至完全延緩下來。2005 年，日本 Toshiba 率先採用垂直磁記錄技術於 1.8〞硬碟機(圖 六)，推出可儲存 40GB 以及 80GB 兩型微磁碟機，使 得記錄密度大幅提升到 133 Gb/in²。此垂直磁記錄技 術(圖七)在 1977 年就由日本東北大學的 Iwasaki 教授 (圖八)提出概念並經實驗驗證，但由於過去水平記錄 之突飛猛進，加上垂直記錄先天上的一些問題，使得 垂直記錄一直不能有很大得突破，然而 1977 年後之 30 年，在 Iwasaki 教授等人鍥而不捨努力下，在 2007 年 第 八 屆垂直 磁 記 錄研討 會 中(8^th PMRC, Tokyo, Japan)，已證實垂直磁記錄技術確實可實用，且密度 可高達到 500 Gb/in²，因此該次研討會也成為垂直磁 記錄技術慶祝大會，垂直磁記錄技術三十年開花結 果。而目前已超過 10%之硬碟產品是引用垂直記錄製 成，預計在 2011 年時，所有之硬碟產品將由垂直記 錄完全取代。

圖五、水平磁記錄示意圖圖。

圖六、Toshiba 首先推出之 1.8＂垂直記錄硬碟機。

圖七、垂直磁記錄示意圖。

圖八、Iwasaki 教授於 PMRC08 會議開幕致詞及本人合影。

目前商業化碟片主要是以 CoCrPt-SiO₂材料為記 錄層，延續以前水平記錄使用相同系列之材料，但以 Ru 為底層磊晶成長，如圖九所示，但所形成之磁性 膜為顆粒膜 (Granular perpendicular medium, GPM)，

如圖十所示，用非磁性 SiO₂ 將磁性顆粒隔離開來，

使磁性顆粒間無磁耦合交換作用力，可降低雜訊 (noise)。但到了接近 500 Gb/in²時，根據微磁學計算，

磁性顆粒之尺寸大小需降至 7 nm 以下，然而根據 Stoner-Walfarth 模型計算，K_uV/kT ≧ 60 才能維持 10 年儲存之穩定性，但是 CoCrPt 之磁異向能 K_u值只有 2 x 10⁶erg/cm³，只能提供到 10 nm 以上穩定磁化，因 此要繼續提升儲存密度，未來必需捨棄現有的 CoCrPt 為基礎作為記錄層之材料 。

圖九、CoCr/Ru 原子磊晶成長示意圖。

圖十、CoCrPt-SiO2 顆粒膜微結構示意圖。

目前認為最有可能之替代材料為 FePt，但從 FePt 合晶相圖來看(圖十一)，只有在高溫時才會形成具有 硬磁 L1₀相，此 L1₀硬磁相則有高於 CoCrPt 五十倍 的異向性磁能 (K_u = 7x10⁷erg/cm³)，但是欲獲得此硬 磁性，則需經過高溫之序化程序(ordering process)，由 低 溫 γ -fcc 相 轉 換 為 γ₁-fct 相 另 外 由 於 L10

FePt(111)面為最密集原子堆積面，因此形成垂直膜面

之晶軸方向容易形成(111)，而其磁異向性軸(001)與垂 直膜面之方向就有 55°之夾角，如圖十二所示，也就 是說不會形成垂直磁異向性，因此必需藉由某種底層 選取之匹配來造成(001)之優選方向，過去通常是選取 MgO(001) 基 座 或 MgO(001) 底 層 來 磊 晶 形 成 FePt(001)，但此製程卻要在大約溫度高於 500℃時才 會產生序化之過程，不利於磁性顆粒細化或恐造成不 同層間之擴散。

圖十一、Fe-Ft 合金相圖。

圖十二、FePt(111)面與磁異性軸之關係。

我們在 2002 年獲得經濟部申請了學界專科計 劃—超高密度奈米資訊儲存技術五年計劃，也因此成 立 臺 大 奈 米 儲 存 研 發 中 心 (Center for Nanostorage Research, CNR)(圖十三)來推動，此計劃五年預期達成 目標為(1) 訊號/雜訊比值高於 20 db, (2) 儲存密度達 到 1,000 Gbit/in²，即 1 T bit/in², (3)熱穩定度達到 10 年，如圖十四所示。為完成此工作目標，其第一項工 作即發展在低溫下可製成 L1₀ FePt(001)薄膜來作為垂 直 記 錄 媒 體 研 究 先 鋒 如 圖 十 五 ， 我 們 採 取 FePt(001)/Pt(001)/Cr(002)三層結構來進行，基本上，

此長膜方式為不同結構下磊晶成長如圖十六、圖十七 所示，在這種三層結構下，其垂直角型比(Squareness, S⊥)及抗磁力(Hc)可分達到 0.95 及 4000 Oe 以上，另 外採用此三層結構發現其序化溫度並可降低至 300℃

以下，此即為使用此三層結構之重大優勢，其造成原 因是在磊晶過程中 FePt 界面得到適當大小延展性應 力(tensile stress)，將 a-axis 拉長，壓縮 c-axis，才會形 成 fct 晶體結構。

圖十三、臺大奈米儲存研發中心 Logo。

圖十四、學界科專計劃研發目標。

圖十五、FePt(001)垂直膜面示意圖。

圖十六、Fe(001)/Pt(001)/Cr(002)三層原子堆積示意圖。

圖十七、Fe(001)/Pt(001)/Cr(002)三層結構截面電子顯微鏡影 相圖。

雖然使用 FePt 作為記錄層材料具有很高未來 性，但是使用 L1₀ FePt(001)來作為垂直記錄媒體，卻 面臨了所謂三難(trilemma)之問題，見圖十八，為了降 低雜訊，並需設法使磁性顆粒大小降低，但就會伴隨 產生如前所述熱穩定性問題，因此必需提昇磁性材料 之磁異性能，但卻又產生可寫入性(writability)問題。

圖十八、FePt 作為記錄層之 Trilemma 示意圖。

根據目前之磁頭，由於磁頭最大電流為 20mA，

所能提供之最大之寫入場(writing field)為 1.2 T，遠低 於 一 般 FePt 顆 粒 膜 (GPM) 之 翻 轉 場 (switching field)，因此需設法降低使用 FePt 為記錄層時所需之 翻轉場，目前提出解決方法有三：(1)使用熱寫式記錄 方式(Thermal Assist Magnetic Recording，HAMR)(圖 十九)，當要寫入時，利用聚焦之雷射光點瞬間加熱 至居禮溫度(Tc)左右, 如圖二十所示，大幅降低其翻轉 場，此缺點是不匹配目前之 HDD 平台；(2)使用傾斜 式磁頭，因為根據微磁學等之計算，在 45∘時，其翻

<0 < 00 0 1> 1 >

轉場為最小，如圖二十一所示，但此種傾斜式磁頭不 易製作，在商業化上不切實際；(3)使用交換耦合作用 (exchange-coupled composite, ECC)，在儲存用之記錄 層為硬磁，在其上加了一層軟磁層，由於硬、軟兩磁 層間存在交互耦合作用，因此當施加外場來翻轉時，

其上之層軟磁層首先受到外場之影響而翻囀，並同時 帶動硬磁層之翻轉，如圖二十二所示此方式可因此降 低記錄層之翻轉場。本計劃之第二部份即根據第三種 概念研究在原有 FePt/Pt/Cr 三層結構上加鍍一軟磁之 Fe 層，結果發現當 Fe 層之厚度為 5 nm 時，可將其翻 轉場可大幅降低 65%左右，如圖二十三所示，而此時 Fe 層之厚度為 FePt 硬磁層磁區壁寬度之 2 倍，而當 Fe 層厚度大於此值時，其 ECC 效應降低，且其耦合 強度逐漸減弱，不足以來克服去磁場作用，使得 Fe 層磁化方向隨厚度增加而逐漸轉為平行膜面，我們研 究之成果足以證明此 ECC 對於降低寫入場之有效 性，並佐證我我們最早提出 FePt/Pt/Cr 三層架構作為 FePt 應用於垂直記錄媒體之前瞻性。

圖十九、HAMR 讀寫示意圖。

圖二十一、不同磁頭角度翻轉場變化。

圖二十二、軟、硬覆合層磁翻轉示意圖。

圖二十、使用 HAMR 抗磁力隨受熱溫度變化圖。

圖二十三、垂直抗磁力隨軟磁層厚度變化圖。

另一個工作之要項是能成功製成所謂延展性垂直 磁 性 記 錄 媒 體 (Percolated perpendicular medium, PPM)，此 PPM 之概念及理論推縯是 2005 年美國 Carnegie - Mellon Univ.之 Prof. Jian-Gang Zhu 教授所 提出，這是由他在擔任本計劃之顧問時所提供之研究 成果，他的概念是可同時滿足提昇熱穩定性及訊號/

雜訊比，由於在 GPM 架構內，”0”與”1”過度區之曲 折 情 形 造 成 了 transition jitter noise ， 而 這 過 度 區 zig-zag 是由於顆粒不規則分布如圖二十四 (a)所示，

為了減小此 zig-zag，使過渡區較平滑，降低雜訊，就 必需減小磁性顆粒之大小，但這就會喪失磁顆粒之熱 穩定性，而在 PPM 並不使用顆粒膜，而為連續膜，

因此顆粒間強之耦合作用，造成了高度之熱穩定性，

但是同時由於磁顆粒間栽植了非磁場之更微小之奈 米顆粒作為磁栓固作用(pinning)，而＂1＂與＂0＂之 分隔，即會延著此非磁性之 pinning site 如圖二十四 (b) 示，因此如果這些 non-magnetic pinning site 能夠大幅 分布，就會使過度區非常平滑，Prof. Jian-Gang Zhu 發表他此研究成果後，其同事 Prof. Laughin 研究群即 以 CoCrPt-SiO₂系統為樣品來測試 PPM 概念之可行 性，後來清華大學賴志惶教授的實驗室也以 AAO 之 架構但使用 Co/Pt 多層膜來進行實驗，都觀察到在某 些條件下可顯現 PPM 特性，但對於未來之垂直記錄 媒體材料—FePt 可行性則付之闕如。因此本計劃在 2006 年開始嘗試以 FePt 為基礎來製成 PPM 相關之樣 品，此為全球第一組研究 FePt PPM。我們以先前開發 FePt(001)/Pt(001)/Cr(002) 三層膜為基本架構，但是添 加非磁性之 MgO 作為 pinning sites，用共鍍方法成功 製成具有 PPM 性質之樣品，其抗磁力最大可增加 60%，但同時其序化度並不會降低，如圖二十五所 示 ， 另 外 我 們 也 驗 證 了 以 MgO 為 底 層 製 成 之 FePt-MgO 樣品，其 MgO 大都會被析出到 FePt 顆粒 之晶界，並未能存在於 FePt 顆粒內，因此此重要發 現表示有了 Pt 層有助於 MgO 栽植在 FePt 顆粒內，

顯現出完全 PPM 特性，相對地，其它底層則會有產 生將 MgO 析出在晶界驅勢，較難表現出 PPM 效應。

(a) (b)

圖二十四、GPM 與 PPM 微結構示意圖。

圖二十五、垂直抗磁力與序化度隨添加 MgO 量變化圖。

我們執行此五年計劃，已在 2007 年 7 月 31 日告 一 段 落 ， 目 前 正 在 執 行 第 二 期 計 劃 — 超 越 兆 位 (1Tb/in²)之關鍵儲存技術研發，試求在三年後(2011 年)，此計劃執行結束時，能將儲存密度提昇到 5 Tb/in²，見圖二十六。目前使磁記錄密度再升高提出 之方法以下為主，但都需要與目前不同硬碟機平台：

(1) 熱 寫 方 式 (Heat Assist Magnetic Recording ， HAMR)，前已敘述過；(2)花樣式媒體(Pattern Medium), 即 One dot One bit，如圖二十七、二十八所示，如能 製成每一 dot 不大於 50x50 nm²，且規則排列，每一 dot 相距 50 nm (pitch)，依此規格據估計儲存密度可高 達 65 Tb/in²。

圖二十六、學界科專第二期計劃要點時程表。

圖二十七、圖案化垂直式記錄媒體的排列方式簡圖。

圖二十八、圖案化垂直式記錄媒體的示意圖。

製作圖案化媒體已知有數種方法:(1)使用電子微 影術(e-beam lithography)，是使用掃描式電子顯微鏡 (SEM)將電子輔助設計軟體上設計之圖型，控制聚焦 電子束掃描出來，即是用電子束來寫出 pattern，雖然 使用此方法可獲得小尺寸且排列極為整齊的磁性陣 列，然而工作時間過長及無法有效的形成大面積陣 列，造成此法在工業應用上的限制;(2) 奈米壓印術 (nano-imprint)，奈米壓印技術製作圖型化記錄媒體之 流程圖如圖二十九所示，它是利用壓印母版對鋪在材 料表面的阻障層進行壓印的動作，此技術可取代微影

步驟，可得到尺寸較小的圖型；(3) 使用化學合成，

英文為 Self Organized Magnetic Array (SOMA)，但此 方法很難獲淂大小一致分佈均勻 pattern medium。在 此 第 二 期 計 劃 內 ， 我 們 則 採 用 陽 極 氧 化 鋁 模 板

(Anodic aluminum oxide template)

以石墨或鉛筆材料當作陽極，通入適當電壓後就可以 在鋁表面形成一氧化鋁奈米模板，這種電化學陽極氧 化處理的方法稱為陽極氧化法，也就是俗稱的陽極處 理(Anodization)。事實上，鋁合金經過陽極氧化處理可 以自然地形成規則性奈米空孔結構，可以作為奈米結 構 材 料 ， 如 圖 三 十 所 示 ， 最 後 將 我 們 原 有 三 層 Fe(001)/Pt(001)/Cr(002) 用 濺 鍍 方 法 填 入 各 個 空 穴 內，根據此法研究已有初步成果，但未來仍有很大努 力空間。

圖二十九、使用奈米壓印技術製作圖型化記錄媒體之流程。

圖三十、AAO 平面與截面 SEM 影像 尾語

由上述敘述，以硬碟作為大量資訊儲存，在可見 未來十年仍會急速發展，不可能由半導體技術製成之 隨身碟或其它所取代，它不僅會普遍用於 IT 產品內，

並且將更大量普及應用於商業化電子產品內，如 iPod、DSC、PDA、GSP、手機甚至於汽車內，另外 也會普及於更多家庭內之視聽娛樂使用。而人類由於

文明發展與生活需求，對於資訊儲存目的，從文字檔 (doc、 pdf、OCR、eMail 等)為主，進而演變到圖型 檔(tiff、jpeg、 mpeg 等)為大宗，目前則為影音檔，

而造成檔案大小從幾 kB 至幾 Mb 到 Gb，急速升高，

此演變更有益於硬碟相關發展，預計到 2011 年每年 硬碟產值數量將達十億個以上，而微硬碟機會占相當 大的比重。因此未來更要投入大量人力、物力投入此 方面研發，掌握關鍵性技術，以免未來需付出高昂代 價才能配合工作與生活所需資訊運作。身為國內磁硬

碟研發一員，鄭重呼籲台灣相關政府單位、產業界能 重視此方面研發，且鼓勵更多有志博、碩士生加入相 關方面研發。

後記

僅以本文用以呼應台灣大學應用物理研究所將於 2008 年秋天開始招生博、碩士生，為台灣未來科技產 品研發能力之提升作出貢獻。