Физико-технологические основы создания электронных уст-ройств с высокоплотной записью информации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного образовательного

учреждения  высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

С.П. Малюков

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ 

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С ВЫСОКОПЛОТНОЙ 

ЗАПИСЬЮ ИНФОРМАЦИИ

Ростов-на-Дону

Издательство Южного федерального университета

2009

УДК 621.38
ББК 32.85

М 18

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры 

конструирования электронных средств 

Таганрогского технологического института 

Южного федерального университета Рындин Е. А.;

доктор физико-математических наук, профессор кафедры 
теоретической физики Таганрогского государственного 

педагогического института Жорник А. И.

Монография подготовлена и издана в рамках 

национального проекта «Образование» 

по «Программе развития федерального государственного 

образовательного учреждения «Южный федеральный 

университет» на 2007–2010 гг.»

Малюков С.П.

М18
Физико-технологические основы создания электронных уст
ройств с высокоплотной записью информации: монография / 
С. П. Малюков. – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. – 168 с.: ил. 57.

ISBN 978-5-9275-0668-2
В книге рассмотрены современные физико-технологические осно
вы создания электронных устройств с высокоплотной записью информации. 

Предназначена для научных работников, преподавателей вузов, 

аспирантов, магистрантов, занимающихся конструированием и технологией устройств накопления информации.

ISBN 978-5-9275-0668-2
УДК 621.38

ББК 32.85

© ТТИ ЮФУ, 2009

© С.П. Малюков, 2009

© Южный федеральный
университет, 2009

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ 
СОВРЕМЕННЫХ 
ПРОБЛЕМ

ТЕХНОЛОГИИ 
ЭЛЕКТРОННЫХ 
УСТРОЙСТВ 
С 

ВЫСОКОПЛОТНОЙ ЗАПИСЬЮ ИНФОРМАЦИИ

1.1. Современное состояние элементов магнитной записи
и 

материалов, используемых в их производстве

Equation Section 1

Ускоренное развитие управляющих комплексов аппаратуры, в 

которой используются большие объемы информации, определяет по
стоянное возрастание технических требований к системам накопле
ния информации (СНИ) по функциональной сложности, быстродей
ствию, информативности, ресурсу работы и надежности при услож
нении условий эксплуатации. Кроме того, увеличение функциональ
ной сложности комплексов не должно входить в противоречие с су
ществующими тенденциями по улучшению видовых, габаритных и 

энергетических характеристик аппаратуры.

В настоящее время наиболее полно этим требованиям отвечают 

системы накопления информации на основе запоминающих уст
ройств магнитной записи с движущимся носителем. Свойства уст
ройств магнитной записи (УМЗ) – хранение большого количества

информации в малом объеме при малом расходе мощности на едини
цу информации и постоянная тенденция к снижению стоимости хра
нения единицы информации при увеличении емкости – ставит их вне 

конкуренции по сравнению с другими типами запоминающих уст
ройств (ЗУ).

Первый накопитель информации (IBM-350), включающий маг
нитный диск и подвижную магнитную головку, появился в 1957 г. 

Данный накопитель применялся в качестве внешней памяти вычисли
тельных машин. Очевидно, что накопитель на магнитных дисках по
стоянно совершенствуется. Это включает решение комплекса физико
технических проблем, связанных не только с улучшением конструк
тивных, но и магнитных, а также механических параметров и носите
ля, и магнитной головки [1 – 5].

Тенденция роста поверхностной информационной плотности Ds

записи для накопителей на магнитных дисках составляет более 

106 бит/мм2. При достижении такой сравнительно высокой плотности 

определяющую роль играют технические средства, основанные на пер
пендикулярной и магнитооптической записи, а также на магниторези
стивном воспроизведении.

Характерные данные, отражающие специфику технических 

средств, соответствующих магнитным накопителям на магнитных 

дисках с заданной поверхностной информационной плотностью запи
си, представлены в табл. 1.1.

В течение длительного периода развития магнитных накопителей 

на подвижном носителе сравнительно неплохие характеристики записи
воспроизведения обеспечивали магнитные головки (МГ) с массивным 

(обычно ферритовым) сердечником. Однако геометрические параметры 

данных головок, их высокая индуктивность и другие факторы стали 

сдерживать увеличение информационной плотности и скорости переда
чи данных. В последнее время в лучших накопителях информации ис

пользуются тонкопленочные магнитные и магниторезистивные головки 

разных модификаций. Современные накопители, основанные на перпен
дикулярной магнитной записи, содержат однополюсные магнитные го
ловки, рабочий элемент которых в виде основного полюса выполнен из 

высокопроницаемого тонкопленочного материала. 

Таблица 1.

Сравнительные характеристики магнитных накопителей

Здесь d0 – диаметр диска, h – расстояние от головки до носителя,
0– скорость 

передачи данных, МИГ – магнитная головка с «металлическим» заполнением 

рабочего зазора.

Повышение плотности записи информации сопряжено с 

уменьшением каждого из параметров, а именно: расстояния между 

дорожками, линейного размера бита информации (длины перехода 

намагниченности), величины рабочего зазора магнитной головки,

толщины рабочего слоя носителя соответственно для продольной за
писи и для перпендикулярной записи расстояния между головкой и 

носителем.

Существенное увеличение информационной плотности обеспечи
вает перпендикулярная магнитная запись. С уменьшением расстояния 

между головкой и носителем преимущества перпендикулярной записи 

(по сравнению с продольной) становятся очевидными, что наглядно 

подтверждается зависимостью уровня сигнала воспроизведения Е от 

расстояния между головкой и носителем h (рис. 1.1,а) и функциональной 

зависимостью D = f(h) (рис. 1.1,б) для продольной (кривая 1) и перпен
дикулярной (кривая 2) записи [6].

Рис. 1.1. Характеристики записи-воспроизведения

Динамика роста накопленных знаний о конструктивных возможностях

магнитных головок показывает, что для магнитной записи наступил этап актив
ного применения современных технологий с использованием новых конструк
тивных материалов.

1.2. Тонкопленочные магнитные головки

Сравнительно неплохие характеристики имеют магнитные го
ловки с металлическим заполнением зазора, так называемые MIG
головки. Но все же наиболее перспективны магнитные головки с тон
копленочными элементами – однополюсные, предназначенные для 

носителей с перпендикулярным намагничиванием.

Тонкопленочные магнитные головки с вертикальной конфигурацией

Современная технология позволяет изготавливать тонкопле
ночные магнитные головки (ТМГ) с относительно толстым магнито
проводом. Предложенный [7] способ изготовления ТМГ для видео
системы, 
включающий 
операции 
модифицированного 
ионно
плазменного напыления, ионно-плазменного травления и механиче
ской обработки, дает возможность сформировать магнитные, элек
тропроводящие и диэлектрические элементы на базе тонкопленочной 

технологии. Толщина магнитопровода, изготовленного данным спо
собом ТМГ, составляет 25 мкм. Такая относительно большая толщина 

магнитопровода необходима для исключения его магнитного насы
щения. 
Магнитопровод 
формируется 
из 
кобальт-ниобий
циркониевого материала с магнитной индукцией насыщения 0,9 Тл. 

Тонкопленочные полюсные наконечники имеют закругленную фор

му, что обеспечивает оптимальное распределение магнитного потока 

в области их торцевых поверхностей. По своей структуре рассматри
ваемая ТМГ является вертикальной с двухуровневой тонкопленочной 

электропроводящей обмоткой с плоскими спиральными витками, 

расположенными в двух параллельных плоскостях между нижней и 

верхней частями магнитопровода. Намотанная из меди обмотка со
стоит из 15 витков. В качестве изолирующего материала используется 

двуокись кремния. Уровень сигнала воспроизведения при записи с 

помощью данной головки гораздо выше, чем при записи с помощью 

ферритовой головки вплоть до 11 МГц.

Наряду с повышением информационной плотности записи сущест
венно возросла и скорость передачи данных: в первых модулях накопителей 

она составляла около 2 104 бит/с, а в современных накопителях – примерно на 

2 порядка выше.

Широкое распространение получили ТМГ с одноуровневой 

многовитковой обмоткой. Характерная конструкция такого типа го
ловок изображена на рис. 1.2,а (для упрощения показаны только 

внутренние и внешние витки обмотки).

Однако в последнее время разработчики ТМГ проявляют больший 

интерес к совершенствованию конструкции МГ с двухуровневой многовит
ковой обмоткой (рис. 1.2,б). Увеличение числа витков – один из эффектив
ных путей повышения уровня сигнала воспроизведения и отношения сиг
нал/шум для небольшой ширины дорожки и сравнительно небольшой ско
рости движения носителя. В то же время число витков ограничивается тех
нологическими возможностями.

Рис. 1.2. Тонкопленочные магнитные головки с одноуровневой (а) и 

двухуровневой (б) электропроводящими обмотками:

1 – верхняя часть магнитопровода, 2 – нижняя часть магнитопровода, 
3 – рабочий зазор, 4 – тонкопленочные витки одноуровневой обмотки, 5 – витки верхнего уровня обмотки, 6 – витки нижнего уровня об
мотки, 7 – подложка, 8 – защитное покрытие

Современная комбинированная технология, включающая напыле
ние и электроосаждение, позволяет изготавливать ТМГ с двухуровневой 

48-витковой обмоткой, т.е. с обмоткой, содержащей относительно боль
шое число витков [8]. Обмотка такой головки формировалась из меди 

электроосаждением через прецизионную резистивную маску, выполнен
ную при помощи ионного реактивного травления. Данная головка имеет 

вертикальную конфигурацию с симметричными полюсными наконечни
ками толщиной 3 мкм, выполненными из пермаллоя, с величиной рабо
чего зазора 0,4 мкм и шириной полюсных наконечников 6,5 мкм. С по
мощью такой головки удалось реализовать продольную плотность запи
си около 2165 бит/мм при поперечной плотности, приблизительно рав
ной 110 дорожек/мм; отношение сигнал/шум при этом примерно на 3 дБ 

больше, чем для аналогичной 31-витковой тонкопленочной головки. В 

качестве носителя использовался магнитный диск, имеющий много
слойное C/Co-Ni-Cr/Сr–покрытие с коэрцитивной силой 112 кА/м. Отно
сительная скорость движения носителя составляет 8,67 м/с, высота плав
ления МГ – 0,15 мкм, амплитуда тока записи – 20 мА.

В [8] описаны структура и технологический процесс изготовления 

ТМГ, предназначенной для записи с перпендикулярным намагничива
нием рабочего слоя носителя в виде жесткого диска с поверхностной 

плотностью 16 Мбит/см2. Данная головка содержит двухуровневую 

электропроводящую 31-витковую обмотку и может выполнять функцию 

не только записи, но и воспроизведения информации. Ширина полюс
ных наконечников равна 12,5 и 10 мкм, толщина их – не более 1 мкм, ве
личина рабочего зазора равна 0,2 мкм. Изготовление такой головки ба
зируется на технологических процессах, включающих последовательные 

операции маскирования, осаждения, фотолитографии и т. п. При этом 

для тонкопленочного
магнитопровода 
предлагается использовать

пермаллой с 82 %-ным содержанием никеля, а для электропроводящей 

обмотки – медь или алюминий.

Предлагается [7] подход к изготовлению ТМГ, выполненной в 

виде плавающего элемента. Конструкция данной головки по компо
новке ее составных элементов относится к конструкции горизонталь
ного типа: ее верхний и нижний магнитопроводы расположены па
раллельно плоскости носителя. В то же время внешне она похожа на 

МГ вертикальной конфигурации. В выступающей части нижнего 

магнитопровода имеется рабочий зазор, предназначенный для записи 

информации. В этом же магнитопроводе может быть выполнен и ра
бочий зазор, над которым расположены тонкопленочные магниторе