Festplatten-Forschung: Dicke der Beschichtung sinkt unter 1 Nanometer

Die Bausteine für immer höhere Festplattenkapazitäten sind den Herstellern lange bekannt: Helium-Füllung, SMR-Aufzeichnung und energieunterstützte Aufzeichnung sind Standar. In der Entwicklung sind mittels Lithografie geordnetes Magnetmaterial, später kommt eventuell Heated-Dot Magnetic Recording (HDMR), bei dem einzelne Magnete in Reihe einen Track darstellen.

Eine entscheidende Rolle für die Steigerung spielt auch der Abstand des Schreibkopfs zur Magnetschicht. Je geringer dieser ausfällt, desto geringer kann auch das Magnetfeld sein, mit dem der Schreibkopf arbeitet, die Leseköpfe bekommen bessere Signale. An der Flughöhe über den Scheiben aber lässt sich kaum noch etwas verbessern: Bereits heute schweben diese gerade einmal noch 1 bis 2 Nanometer über den Scheiben, die mit bis zu 7200 Umdrehungen pro Minute rotieren.

Doch aktuelle Beschichtungen sind rund 2,5 Nanometer dick, der Abstand der Köpfe zum Magnetmaterial liegt damit bei 3,5 bis 4,5 Nanometer. Diesen Abstand möchten nun Forscher der National University of Singapore mit einem neuen Verfahren verkleinern.

Paper in der Fachzeitschrift Advanced Materials

Ein internationales Forscherteam um Hongji Zhang und Artem K. Grebenko stellt in der Fachzeitschrift Advanced Materials eine neue Schutzbeschichtung für Festplatten vor. Sie nennen das Material MAC – monolagiger amorpher Kohlenstoff. Die Schicht ist nur 0,8 Nanometer dick und damit nur etwa ein Drittel so dick wie bei der heute üblichen 2,5 Nanometer starken Beschichtungen aus diamantartigem Kohlenstoff.

Die Forscher züchteten MAC direkt auf kommerziellen 2,5-Zoll-Festplattenmedien. Der Prozess nutzt eine Kombination aus Laser und Plasma bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von rund 300 Grad Celsius. Das Verfahren beschädigt weder die magnetische Aufzeichnungsschicht noch die Oberflächenstruktur der Scheiben. Die Rauheit vor und nach dem Beschichten bleibe praktisch identisch und auch die magnetischen Domänen bleiben intakt.

Trotz ihrer geringen Dicke schützt die MAC-Schicht den Angaben zufolge ebenso gut vor Korrosion wie herkömmliche Beschichtungen. In elektrochemischen Tests erreichte sie einen Korrosionsschutz von 82,7 Prozent. Dieser Wert entspricht dem einer 2,5 Nanometer dicken kommerziellen Schutzschicht.

Besonders relevant ist die Thermostabilität für künftige Speichertechnologien. Bei der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung (HAMR) erhitzen Laser die Magnetbits auf etwa 450 Grad Celsius, um sie einfacher beschreiben zu können. Die MAC-Schicht überstand Laserbestrahlung unter HAMR-ähnlichen Bedingungen ohne messbare strukturelle Veränderungen. Der Herstellungsprozess erfüllt nach Angaben der Forscher wichtige Anforderungen für eine industrielle Umsetzung. Er lasse sich mindestens auf bis zu 4 Zoll große Scheiben skalieren und ist mit beidseitiger Beschichtung kompatibel. Die Wachstumszeit liegt derzeit im Minutenbereich. Die Forscher sehen Optimierungspotenzial, um diese Zeit weiter zu verkürzen.

Einschätzung

Eine dünnere Schutzschicht ist notwendig, aber nicht hinreichend für höhere Kapazitäten, sagte ein Entwickler eines Festplattenherstellers auf Nachfrage. Für höhere Speicherdichten müssten alle Faktoren skalieren: Schreibkopf-Dimensionen, der TMR-Sensor fürs Auslesen, die Korngrößen und andere Faktoren in den Medien und eben auch der Abstand zwischen den Kopfelementen und der Magnetbeschichtung auf der Disk. Nur in letzteres geht die Dicke der Kohlenstoffbeschichtung ein.

Ob sich MAC in der Massenproduktion bewährt, müssen allerdings noch umfangreiche Tests zeigen. Besonders die Langzeitstabilität unter realen Betriebsbedingungen und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bleiben offene Fragen. Die Grundlagenforschung ist vielversprechend, der Weg zur Serienproduktion aber noch weit.

(ll)