Musterdatud andmekandjad

Musterdatud andmekandjad (BPM – bit patterned media) on magnetilised salvestuskeskkonnad, milles magnetiline kiht on kahandatud ühe biti suuruseks (üks magnetpunkt ning tühimik). See on atraktiivne kandidaat suure tihedusega magnetilisteks salvestuskeskkondadeks kõvaketaste tarbeks. Seni on see üks vähestest ideedest, mis võimaldab piirangutele lähedale jõudnud magnetsalvestustehnoloogiat edasi viia, kasvatades salvestustihedust potentsiaalselt sadu kordi. Et selliste seadmete tootmine nõuab väga peente struktuuride valmistamist, on tarvis väga täpseid meetodeid. Olulisimateks asjakohastest tehnikatest peetakse diblokk-kopolümeeride isekoostumist, ioonkiire litograafiat, elektronkiirlitograafiat, nanojäljendlitograafiat ja alumiiniumoksiidi anodeerimist. Võtmeidee digitaalsel magnetilisel andmesalvestusel on materjali väikese regiooni omadus olla ühes kahest hästi defineeritud magnetilistest olekutest. See vastab binaarsele numbrile. Üheteljelistele magnetilistele materjalidele on sellised olekud loomulikud ning magneetumist saab ümber pöörata magnetvälja rakendamisel. Tavapärastes kõvaketastes pöörleb materjal magnetiliste andmetega lugemispea all, mida liigutab juhtseadis üle pinna, võimaldades andmeid kirjutada või lugeda kontsentrilistel ümmargustel radadel. Andmekandja koosneb optimeeritud nanoteralisest magnetkilest, mis on sadestatud mõlemale ketta substraadi poolele. Kasv andmetiheduse, andmetalletuskiiruse ja muude jõudlusnäitajate poolest on saavutatud reeglina skaleerimise teel, muutes lugemis-kirjutuspead väiksemaks, pinnale sadestatud magnetmaterjalikihti õhemaks, koertsitiivsust suuremaks ning pinna-pea vahekaugust väiksemaks. Andmetiheduse peamine kasv tuleneb terade arvu vähenemisest biti kohta. Sellesuunalise areng on aga piiratud, kuna signaali müra suhe on proportsionaalne terade arvuga biti kohta. Teine võimalus on vähendada tera suurust, kuid on väga keeruline toota terasid alla 8–9 nm, millel oleks väikene suurusjaotus ja magnetiliste omaduste jaotus. Energiabarjäär, mis tera kahte stabiilset magneetuvuse olekut eraldab, on ligikaudu võrdne suurusega KuV, kus Ku on materjali magnetilise anisotroopia konstant ning V on tera ruumala. Seega energiabarjäär ruumala vähendades kahaneb. Kui barjääri suurus saab soojus energiaga kBT võrreldavaks, hakkab magneetuvus spontaanselt pöörduma. Selleks, et kõvaketas (HDD; Hard Disk Drive) säilitaks informatsiooni 10 aastat, peetakse vajalikuks tingimuseks, et KuV/kBT peab olema suurem kui 60. See füüsikaline piir, nimetatud superparamagnetiliseks piiriks, seab piirangu tera suuruse vähendamisele. Edasine vähendamine oleks võimalik suurendades Ku väärtust, kuid see tekitaks probleemide kirjutamisel, kus kirjutatava biti pindala on määratud piirangutega olemasolevatele kirjutuspea materjalidele. Neid kolme piirangut kutsutakse magnetilise salvestamise trilemmaks ja need piiravad andmesalvestustiheduse kasvu. Kasutusel olev tehnoloogia võimaldab, ennustatavalt, suurimat andmetihedust 1 Tbit/in2. Üheks võimaluseks edasi minna peetakse soojusassisteeritud magnetilist salvestamist (HAMR; Heat Assisted Magnetic Recording), kus koertsitiivsust vähendatakse laseriga biti soojendamise abil vahetult enne kirjutusoperatsiooni. See tõstab ennustuste kohaselt salvestustiheduspiiri väärtusteni 5 Tbit/in2. Seni (2018. a) pole veel suudetud usaldusväärselt ületada tihedust 1 Tbit/in2. Kasutades musterdatud andmekandjaid, saaksid võimalikuks HAMR-BPM süsteemid, mille on abil saavutataks tihedusi kuni 300 Tbit/in2, näiteks SmCo sulami kui ideaalse juhu korral. Musterdatud andmekandja koosneb korrastatud magnetiliste elementide järjestusest, milles prevaleerib üheteljeline magnetiline anisotroopia. Iga element talletab ühe biti, sõltuvalt selle magnetilisest olekust – näiteks magnetilise polarisatsiooni vektor suunal "üles" võib tähistada mälubitti "1" ja suunal "alla" bitiväärtust "0". Erinevalt õhukesekilelistest infokandjatest on terad igas elemendis ühendatud nii, et terve element käitub üksiku magnetilise domeenina. Selle skeemi suureks eeliseks on, et domeenidevahelise ülemineku müra kaob ära, sest bitid on defineeritud ketta pinnal üksteisest eraldi asetsevate elementide füüsilise asukoha järgi, mitte kahe omavahel füüsilises kontaktis oleva, kuid erinevalt magneetunud regiooni piiriga õhukeses kiles. Teiseks on stabiilsuse kriteerium nüüd seotud kogu elemendi ruumala ja anisotroopiaga, mitte üksikute teraliste regioonide omadega, mis võimaldab väga suuri andmetihedusi. Andmebitid on tavalisel kõvakettal ideaalis kirjutatud kontsentrilistele radadele, pideva pinnamaterjaliga ketastel. BPM korral tuleb andmed kirjutada aga eelnevalt määratud kujudena, mis luuakse litograafia abil. Trajektoorid, mida servosüsteem BPM süsteemides järgima peavad on servo rajad, mida karakteriseerivad servo sektorid, mis on kettale kirjutatud. Erinevusi ideaalsest ringist nende radade korral kutsutakse korratavateks väljajooksudeks (RRO – repeatable runout). Servo kontroller peab BPM korral seega järgima RRO-d, mis disaini ajal on teadmata ning seega pole tavapäraseid servokontrolli meetodeid võimalik rakendada. Spetsiifilised nõuded on järgmised: RRO profiil on teadmata. RRO sagedusspekter võib ulatuda servosüsteemi ribalaiusest kaugemale, seega seda võib tagasiside kontroller võimendada. RRO spekter sisaldab mitmeid võlli sageduse ülemtoone (umbes 200) mida tuleks nõrgestada. See tõstab kontrolleri arvutuslikku nõudlust. RRO profiil muutub rajast ratta (radiaalses) suunas. Ioonkiirlitograafia on tehnika nanomeetriliste struktuuride valmistamiseks. Selle eeliste hulka võrreldes teiste litograafiameetoditega kuuluvad difraktsiooni puudumine, vähene hajumine alusel ja resistil, efektiivsus laial valikul resistidega, võimalus kahjustust täielikult vältida ja madal hind. Peamised piirid tulevad ette ioonide hajumisese tõttu maskis, mis tekitab kontrasti vähendava tausta eksponeerituse. Selle probleemi lahendamiseks piiratakse ioonide ulatust murdosani maski paksusest, nii et hajunud ioonidel on võimalik uuesti maski struktuuris neelata. See nõuab maski avade suuri mõõtude suhteid sest näiteks 0,3 μm paksuse resisti jaoks on tarvis ioonkiirt energiaga 40 keV. See nõuaks 0,8 μm-ni ulatuvat maski paksust, millest tulenevalt oleks 50 nm maski elementide korral mõõtude suhet 16:1. Elektronkiirlitograafia (EBL) on kõige laiemalt kasutatav meetod nanoskaalas mustrite valmistamiseks. EBL meetodil suunatakse peen, fokuseeritud elektronide kiir resistiga kaetud substraadile. EBL protsessis saab rakendada nii positiivse kui negatiivse resistiga variante. Võrreldes optilises litograafias kasutatava maskitava ultraviolettvalgusega on peale kiire fokuseerimise ka elektronide lainepikkused oluliselt väiksemad, mis võimaldab palju peenemai mustreid luua, kuni 10–20 nm. Komponentide valmistamine ühe kiirega on aga väga aeglane ja kulukas, mis piirab tööstuslikku kasutamist, ning lisaks on tarvis vaakumkeskkonda, et minimeerida elektronide kokkupõrked gaasi aatomitega. Nanojäljendlitograafia on sobiv võimalus nanomustrite ning seadmete tootmiseks kahe peamise meetodiga: mehaanilise jäljendi musterdamine ja ultraviolettvalguse, UV, ekspositsiooni musterdamine. Nanojäljendlitograafias kaetud resist, näiteks polümetüülmetakrülaat, PMMA, kuumutatakse klaasisiirdetemperatuurini ning sellele surutakse nanomusterdatud tempel. Seejärel polümeer jahutatakse allapoole klaasisiirdetemperatuuri ning tempel ning substraat eraldatakse. UV korral lastakse valgus läbi musterdatud klaasmaski, et lokaalselt monomeer ristsidestada ning see musterdatud polümeeriks muundada. Anodeeritud alumiiniumoksiidi kilede joondatud pooride ridu on võimalik kasutada jäljenditena metallide ja sulamite elektrosadestusel. Alumiiniumi anodeerimisel tekkiv oksiidikiht koosneb tihedalt pakitud pooridest, kus pooride vahekauguseid ning suuruseid kontrollivad anodeerimise parameetrid, nagu pinge, vool või pH. Vertikaalseid poore on siis võimalik elektrosadestusega katta näiteks Co, CoPt või muude magnetmaterjalidega. On saavutatud pooridiameetreid 11 nm ja perioode 40 nm üle 100 μm2 pinna tihedalt pakitud korrastusega. Kasutades lisaks ka nanojäljendtemplit on võimalik alumiiniumkilele tekitada täkked. Seejärel anodeerides tekivad poorid jäljendite "kraatrite" keskele. Üldine pooride arv seetõttu kasvab 50%, mis on väga kasulik kõrgema tihedusega pooride saamiseks. Diblokk-kopolümeer (BCP – diblock copolymer) koosneb kahest polümeeriahelast. Neil on erinevad füüsikalised omadused ehk normaalolukorras toimuks faasieraldumine. Selleks, et kopolümeer luua luuakse ahelate vahel kovalentsed sidemed. Kuna makroskoopiline faasieraldus pole seetõttu võimalik siis selleks, et vaba energia siiski väheneks tekib kile termotöötlemisel (lõõmutamisel) korrapärane struktuur. Võtmeparameetriks on komponentide ruumala fraktsioonid. Lisaks erinevatele füüsilistele omadustele on BCP komponentidel ka erinevad keemilised omadused, mis teeb need litograafia jaoks ideaalseks, kuna komponente saab selektiivselt eemaldada. Enamus BCP uuringuid kommertskasutuseks on kasutanud polüstüreen- (PS-) PMMA-d. Selle abil on jõutud perioodideni kuni 19 nm, kuid defektivabalt üle suurte pindade on seni saavutatud 22 nm. See võimaldab umbes 1,5 Tb/in2 heksagonaalse tihepakendi ning ringikujuliste bittide korral või 1 Tb/in2 ristkülikuliste bitide rivide korral. Piiravaks on χ, ehk Flory-Hugginsi interaktsiooni parameeter, mis iseloomustab mikroskoopilise faasieraldatuse tugevust. Edaspidi on tarvis leida ja hakata kasutama alternatiive kõrgema χ väärtusega, mis võimaldaks perioodilisust kuni 8 nm. Seni (2019. a) aga kasutatakse sageduse kordistamiseks (frequency doubling) kutsutud tehnikat, mis poolitab algupärast PS-PMMA perioodi. Kasutades seda tehnikat nii x kui y teljel, saab nii algupärase tiheduse neljakordistada. Kuigi BCP omadus moodustada defektivabasid korrapäraseid mustreid on nende põhiline eelis, ei ulatu need üle suurte alade vaid tekivad piirpinnad väiksemate alade vahele. Seetõttu tuleb neid kombineerida "ülevalt alla" jäljendite kasutamisega – suunatud isekoostumine (DSA – directed self assembly). Selleks sobivatest meetoditest ainult kemo- ja grafoepitaksia võimaldavad lisaks orientatsioonilisele reastamisele translatsioonilist korrapära ja tunnuste registreerimist. Grafoepitaksia kasutab füüsilist kontrolli – füüsiliste tunnuste musterdamist substraati, mille ümber BCP kile isekoostub. Kemoepitaksia kasutab keemilist kontrolli – musterdades keemilised regioonid substraati, muutub termodünaamiliselt soodsaks BCP komponentidel koostuda keemiliselt modifitseeritud regioonide peale, võimaldades suunatud positsioneerimist. Kemo- ja grafoepitaksia annavad kaks tehnoloogilist eelist – tiheduse korrutamine, kus selle asemel et terve pind musterdada BCP perioodi järgi, kirjutab EBL hõredama mustri, milles BCP "täidab augud" – näiteks võimaldab seda, et iga EBL musterdatud punkti kohta tekib 4 magnetiliselt eraldi kirjutatavat punkti. Veel lubavad need tehnoloogiad parandada mustrit võrreldes EBL meetodiga, kuna viimane ei moodusta ideaalseid nanoosakese ehk magnetilise punkti ääri. Kopolümeeri komponendid, mis EBL järgi tekivad, järgivad seda tekkivat karedust, kuid eemal olevad tekivad ühtlasemalt tänu tugevale lateraalsele korrastumisele. Mustri parandamine – EBL ei moodusta ideaalseid ääri. BCP komponendid, mis EBL-I järgi tekivad järgivad seda tekkivat karedust, kuid eemal olevad tekivad ühtlasemalt tänu tugevale lateraalsele korrastumisele. Toshiba on välja töötanud tootmismeetodi, mis, kasutades juhtmustreid selleks, et kontrollida isekoostuvate punktide rivisid ning on tootnud edukalt musterdatud salvestuskeskkondi. Sellistel on olnud servomustrid punktirivides 17 nm sammuga, mis vastab 2,5 Tbit/in2 andmetihedusele. Nimetatud seadme jaoks valmistati ka salvestuspea, millega mööda andmeradu liikuda, ning mis suutis servokontrolli operatsiooni demonstreerida. Bit-Patterned Media for High-Density HDDs, Toshiba. August 2010. Vaadatud 02.02.2019. Griffiths, Rhys Alun, et al. "Directed self-assembly of block copolymers for use in bit patterned media fabrication." Journal of Physics D: Applied Physics 46.50 (2013): 503001. Wolfe, John C., et al. "A proximity ion beam lithography process for high density nanostructures." Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena 14.6 (1996): 3896-3899. Choi, Chulmin, et al. "Fabrication of patterned magnetic nanomaterials for data storage media." JOM 64.10 (2012): 1165-1173. Ross, Caroline A. "Patterned magnetic recording media." Annual Review of Materials Research 31.1 (2001): 203-235. Shahsavari, Behrooz, et al. "Repeatable runout following in bit patterned media recording." ASME 2014 Conference on Information Storage and Processing Systems. American Society of Mechanical Engineers, 2014.