大容量ストレージと結晶工学　－イントロ

1、大容量情報記録技術最近進歩総論東京農工大学工学部佐藤勝昭 184-8588小金井市中町2-24-16 東京農工大学工学部、E-mail: satokatscc.tuat.ac.jpIT革命大容量記録技術欠重要要素技術。講演、本研究会、光原理最近進歩概説、今後技術展開向結晶工学期待述。、特進展媒体進展高密度化支、熱揺高密度限界近、努力行紹介。光、光相変化光磁気高密度化努力紹介。最後革新技術展望述。1. 結晶成長、薄膜成長、微細加工、結晶、結晶工学技術、必結晶屋。日結晶屋気付実用的分野中、結晶工学的息多。、相変化光技術。普通結晶成長屋考結晶成長短場合秒。、DVD-RAM結晶化時間、数十秒短時間現象

2、。結晶成長結晶屋正面取上。結晶工学対象半導体用薄膜半導体、配線使金属合金、用誘電体中心、現行大容量記録技術主流磁気、光用媒体(磁気記録媒体、光磁気媒体、光相変化媒体)、(磁気、光)用材料作製技術結晶工学的知恵使、結晶工学対象。、IT技術急激進展対応、高密度大容量高記録技術必要、求。特、磁気記録高密度化、熱揺記録安定性限界指摘。解決、垂直磁気記録、光磁気記録議論。、情報磁区記録技術次世代技術浮上。、磁性体不揮発性記憶要素用MRAM技術半導体助借実用化段階入。磁性材料分野導入、半導体経験結晶工学問題、磁性屋取組。、次世代桁違高密度記録、新固体対期待大。、室温安定動作固体実現、高品質結晶材料開発望。

3、大容量分野結晶工学生、今後発展結晶工学寄与期待。、大容量記録技術現状展望知、結晶工学立場探。1. IT技術支中心的役割担、半導体論、図 (IBMHP)左: 2.5”、右: 3.5”磁気媒体周辺支技術大役割果、。中中心的役割持磁気記録、特。、図示高速回転円盤状磁気記録媒体磁気流信号電流発生磁場使磁区記録、磁区磁化状態洩出磁束磁気電気信号変換再生。図3.原理1図、記録密度増大推移表10年10倍10年100倍図2. 記録密度増加歴史。1993年境、10年10倍勾配10年100倍勾配変化。最近急速高密度化何可能。、磁気記録媒体材料技術高度化、再生用磁気高度化、信号処理技術高度化寄与参考文献 押木満雅：

4、日本応用磁気学会第108回研究会薄膜磁気課題将来展望資料(1999.1.28-29) p.1 。特、1990年代後半急速高密度化支、再生用磁気磁気誘導MR(磁気抵抗効果)使変化大。高密度記録、磁性媒体記録線周方向磁区長動径方向幅小。、磁区洩出磁束減少、従来誘導型磁気十分出力電圧得。図4. 実際磁気模式図（記録誘導磁気、再生利用。1MR(magnetoresistance)磁界受電気抵抗変化効果、再生用誘導型数倍出力取出。MR登場当初、AMR(異方性磁気抵抗効果)、磁化方向電流方向平行垂直電気抵抗異性質用。後、非磁性金属磁性合金構造GMR(巨大磁気抵抗効果)（IBM命名）登場、大出力得。図3原理

5、模式図。図4実際磁気模式図示。、現在線密度300kbpi (bpi=bit per inch)以上(1bit記録波長0.1m以下)、密度30ktpi (tpi=tracks per inch)以上高密度記録情報再生。一方，記録媒体、大発展。、微小安定保、減、膜構造微細化行。CoCrTa多結晶薄膜、磁性体微小結晶粒非磁性微小Cr粒取囲面内交換相互作用切、記録磁区磁化反転隣接磁区影響与工夫行。、高保磁力Hc保証、超環境成膜必要性指摘。表1. DVD仕様DVD-ROMDVD-RDVD-RAMDVD-RWDVD+RW容量4.7 / 9.43.95 / 7.92.6 / 5.24.73.0形状diskd

6、iskcartridgediskdisk形成材料形成熱変形型有機色素相変化型GeSbTe系相変化型AgInSbTe系相変化型AgInSbTe系波長NA650/6350.6650/6350.66500.6638/6500.66500.65長0.270.2930.41-0.430.267幅0.740.80.74 L/G0.74 G0.74 G書換可能回数105103-104103-104面内磁化(長手記録)記録密度限界熱揺記録不安定性決、100 Gbit/in2程度。、現在 New Products InformationWeb site(2001.6.11)56 Gbit/in2限界限近。高密度

7、支技術、下地安定化層設、記録層反強磁性的交換結合記録磁区安定化方法。高密度決手垂直磁気記録出番迎。、1単磁区記録研究始。光磁気記録長所併持記録研究進。2. 光光、光用再生、再生専用型(CD-ROM, DVD-ROM)、追記型(CD-R, DVD-R)、書換可能型(CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, MO, MD)分類 DVDdigital versatile disk(多用途)略。、CD-ROM再生専用、情報(0,1)（）記録。、型作、型流込固方法(射出成形)作。直径光絞回折限界決小深/2n。（n基板屈折率、基板面光入波長基板屈折率分。）底反射周反射干渉消合、部分反射率低。再生専用

8、仕組、後述書換可能型径小、高密度記録。追記型、消去書換記録可能、write-once(一度書)呼、場所変追加記録意味追記型正。追記型、実際無機有機材料穴、相変化利用、相互拡散、色素分解熱変形利用提案、現在色素用熱変形CD-R形定着。(polycarbonate)基板色素層塗布、上金反射層蒸着単純構造、低価格製造点特徴。色素吸収帯波長照射、色素光吸収熱変色素分解気体発生、圧力、熱的軟化基板変形生記録原理。再生時、基板変形戻光位相周辺進、CD-ROM同様位相差形成。書換可能型、結晶-構造相変化利用相変化光(CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW)、熱磁気記録磁気光学再生利用光磁気。以下、書換

9、型光原理紹介。相変化光 寺尾元康、太田憲雄、堀籠信吉、尾島正啓：光基礎p.70, 寺尾元康: 応用物理 68（1998）1144初期状態：結晶状態記録状態：状態R:大R:小記録消去記録図 相変化光原理一般物質融点Tm以上加熱急冷（非晶質）固体、相固体結晶化温度TCr以上熱徐冷結晶化起。GeSbTe多元化合物、融点(600程度)、転移点(400)比較的低、強度変相結晶相容易制御。再生反射光強度低結晶高性質利用。直接重書容易、MO異偏光使光反射強度利用、光構造単純、再生専用両立性利点。一方、欠点、信号強度確強多、消残困難、書換可能回数制限。消残関、対応可能。一方、書換可能回数、非晶質化際融点(60

10、0)超高温、保護層変形融解記録膜記録方向押出、領域減少。基板窒化珪素保護膜（MO膜兼）MO記録膜(TbFeCo)Al反射層landgroove樹脂図 光磁気媒体構造媒体、基板上金属反射層、誘電体層、相変化記録層、誘電体層積層構造。相変化層材料、DVD-RAMGe-Sb-Te系(GeTe+Sb2Te3+Sb)、CD-RW, DVD-RWAg-In-Sb-Te系使。GeTe結晶化時間30ns速体積収縮率高生。一方、Sb2Te3結晶化時間数s遅生、両者混合結晶化速度最適組成比選。書換可能回数10万回言。結晶反射率差、屈折率n、消光係数k違干渉効果変化生起因。DVD-RAM、結晶相50%、相30%位、

11、工夫限DVD-ROM両立性。一方、Ag-In-Sb-Te系、消去状態単一結晶相、AgSbTe2微結晶相In-Sb混相溶融消去容易。DVD-RW、結晶相相位相差大、比大。DVD-ROM互換性保証。、材料場合、書換可能回数2000回程度言。次世代高密度相変化記録提案DVR、Sb69Te31成長速度速用。光磁気光磁気(MO)記録、光用磁気記録。情報微小磁区書込。MO媒体構造、基板誘電体(SiN)法堆積、上光磁気記録膜(TbFeCo)、誘電体堆積、上金属反射膜(Al)堆積4層膜用。直接重書(direct overwrite)仕様媒体場合、磁性体層複雑構造。誘電体層膜保護膜意味、磁気光学効果光学薄膜。記

12、録詳細専門書 M. Kaneko: Magneto-Optics, ed. by S. Sugano and N. Kojima (Springer, Berlin, 2000) Chap. 9, p.271譲、概略紹介。磁気記録媒体TbFeCo保磁力大垂直磁化膜使。膜予方向10kOe程度強磁界磁化、記録部分加熱部分室温戻、部分逆向磁界受磁化反転起記録。際永久磁石磁界印加磁化反転助磁化反転完全行。光磁気記録原理。記録方式熱磁気記録、温度記録呼。相変化記録違、物質構造変磁化変化温度Tc(300)以上加熱、低温度上昇十分。構造変化伴、書換可能回数1000万回以上。光照射Tc以上加熱部分磁化失。記録

13、方法、光強度変調LIM方式、磁界変調MFM方式。現行MOLIM方式。MFM方式方線記録密度高、記録用磁気必要。温度光TcM Tc Tc図 光磁気記録原理光磁気記録記録磁気光学効果再生方法述。半導体光偏光子通直線偏光、光磁気膜焦点結、反射戻光偏光、記録磁区磁化応磁気光学効果受回転利用電気信号変再生。記録膜偏光回転角0.5度誘電体膜/MO記録膜/誘電体膜/反射膜構成。±0.5度小回転電気信号変偏光両偏光分、検出差差動方式。磁気光学効果原理、種物質回転角、参考書譲 佐藤勝昭：光磁気 (朝倉書店、東京、1988)。3.光高密度化表 ASMO TechnologiesLD wavelength

14、650 nmNA0.6Disk diameter120 mmThickness0.6 mmTrack pitch0.6 m Land/GrooveRecording methodMO & CAD-MSRModulationLaser pumped MFMSignal processingPRML(bit density 0.235m) PR(1,1) or PR(1,2,1)Velocity controlZCAV/ZCLVCodeNRZI+ (DC suppressed)一般光絞、回折限界決大d=0.5/NA。NA開口数。NA0.6、d波長程度。従来赤色場合読出最小600nm程度。従

15、、径小高密度化図、NA大波長短。NA0.85程度、青紫色用、径半分、従(半分)4倍高密度化実現。、超解像技術、近接場技術適用高密度化見込。DVD-ROM高密度化、青紫色採用12cm25GB大容量可能示 T. Imai, N. Shida, K. Suga, T. Higuchi, T. Iida and F. Yokogawa: Digest ISOM2000, Sept 5-8, 2000, Chitose, p. 20.。、次世代DVD-RW、高NA青紫色、22GB大容量化見通 H.J. Borg, M. van Schijndel, M.H.R. Lankhorst, G.F. Zhou

16、, B.A.J. Jacobs and M.J. Decker: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. 6.。、Super-RENS超解像近接場技術開発、100nm再生示 J. Tominaga, H. Fuji, A. Sato, T. Nakano and N. Atoda: Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 957.。図8 磁気超解像方式一方、MO、現行赤磁気超解像(MSR)技術用GIGAMO(3.5”1.3GB)市販 K. Shono: J. Magn. Soc. Jpn., 23, Suppl.S1 (1

17、999) 177、表ASMO規格4.6 Gbit/in2高密度設定 S. Sumi, A. Takahashi and T. Watanabe: J. Magn. Soc. Jpn. 23, Suppl. S1 (1999) 173。技術用MOiD-Photo本年市販最小直径5cm730MB大容量記録可能 S. Ohnuki, M. Yoshihiro, K. Shimazaki and N. Isoe: Digest MORIS/APDSC2000, Oct. 30-Nov. 2, 2000, Nagoya, p.108.。青紫色高NA20Gbit/in2達成示、12cm25GB大容量相当

18、T. Miki, A. Nakaoki and M. Yamamoto: Diget MORIS/APDSC2000, Oct. 30- Nov. 2, Nagoya, p. 110.。、磁区拡大再生技術(MAMMOS)64Gbit/in2高密度可能示 A. Itoh, N.Ohta, T. Uchiyama, A. Takahashi, M. Mieda, N. Iketani, Y. Uchihara, M. Nakata, K. Tezuka, H. Awano, S. Imai, and K. Nakagawa: Digest MORIS/APDSC2000, Oct. 30- Nov

19、. 2, Nagoya, p. 90.。4. 光磁気融合磁気高密度化進磁区極端小結果、記録磁区磁気熱揺効果回転緩和現象生、記録安定性損、高密度化限界考。限界超手段光磁気記録技術MR再生技術組合光磁気記録技術提案 H. Nemoto, H. Saga, H. Sukeda and M. Takahashi: J. Magn. Soc. Jpn. 23 Suppl. S1, 229 (1999), H. Katayama, S. Sawamura, Y. Ogimoto, J. Nakajima, K. Kojima and K. Ohta: J. Magn. Soc. Jpn. 23 Suppl

20、. S1 (1999) 233。日立中研、最近、記録層TbFeCo、再生層TbDyFeCo組合層膜用、青色SIL組合光学系用記録、190nmGMR再生300kFCI線記録密度達成。MFM観測100 nm径磁区形成確認60 Gbit/in2記録密度相当報告 H. Saga, H. Nemoto, Y. Itou, C. Haginoya and H. Sukeda: Digest MORIS/APDSC2000, Oct. 30-Nov. 2, 2000, Nagoya, p.92.。一方、記録再生援用、0.3m以下狭高除去比GMR再生可能報告 M. Hamamoto, K. Kojima, J

21、. Sato, K. Watanabe and H. Katayama: Digest MORIS/APDSC2000, Oct. 30-Nov. 2, 2000, Nagoya, p112.。5. 革新技術次世代光最研究記録技術。体積記録可能、光次元記録比圧倒的高密度記録可能。多重化方法、角度多重 D.L. Staebler, J.J. Amodei, and W. Philips: Digest 7th Int. Quantum Electron. Conf. (Joint Council Quantum Electronics, Montreal, 1972) p.611.、波長多重 G

22、.A. Rakuljic, V. Levya and A. Yariv: Opt. Lett. 17 (1992) 1471.、位相多重 C. Denz, G. Pauliat and G. Roosen: Opt. Commun. 85 (1991) 171.提案。、偏光多重研究 K. Kawano, T. Ishii, J. Minabe, T. Niitsu, Y. Nishikata and K. Baba: Opt. Lett. 24 (1999) 1269.。多基礎研究行、実用的。原因、(1)手法複雑、(2)媒体、(3)高価複雑不安定必要、(4)型検出器効率悪高価、(5)SLM性能悪、。、最近、(1)媒体単純並進移動多重化位相相関多重化、(2)媒体(Fe添加LiNbO3, 、光)開発、(3)低価格高信頼性高出力固体市販、(4)CMOS型(APD)出現、(5)(DMD)開発、要素技術進歩、実用見通出 W.L. Wilson, K. Curtis, M. Tackitt, A. Hill, T. Richardson, L. Dhar and A. Harris: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. 194.。研Fe添加LiNbO3,350/m2、光48/m2記録成功 L. Dhar, C. Bo