高性能磁记录材料

图 12.4 垂直磁记录系统示意图
随着记录密度的提高，记录介质的矫顽力（Hc）越来越高（已达 240kA/m 以上） ，要求写头薄膜的 Bs 也越高。表 2 是整理后的高 Bs（>1.80T）膜的成分和 性能。目前，在纳米晶膜（n） 、 （FM/FM）n 和（FM/NM）n 多层 膜（M）以及 颗粒膜（G）中都可获得高 Bs 特性，其中高 Bs 的 CoFeNi 膜被视为最佳，不仅 Bs 高，而且 Hc 和s 小，耐蚀性好，可以用生产传统 FeNi 系坡莫合金磁极膜的方 法来制造。据称，日本 NEC 公司开发出一种用沉积高纯 CoNiFe 磁膜（Bs=2.1T） 技术制成复合磁头， 如果介质的 Hc 达 560kA/m， 其面记录密度可实现 100 Gb/in2 的水平[ 17]。 以上是 HDD 用感应式写头软磁薄膜的发展概况。要实现高密度（>3Gb/in2） 磁记录，磁极用薄膜的 4Ms（或 Bs）必须>1.5T，而且 Hc 小，MHz 频段的r 高。 因此，今后高 Bs 膜的开发最受人关注。 已经产业化的 SV-GMR 磁头和开发中的 TMR 磁头的构成和性能分别如表 12.3、表 12.4 所示。
美元/兆字节）是其他大容量外存储器所无法比拟的，在网络服务、多媒体信息 库和高速运算等方面起着巨大作用。我们国家应加强对包括磁头在内的 HDD 技 术的开发。 全球最大的电脑硬盘读写磁头生产商是香港新科集团（SAE） ，是日本 TDK 集团属下全资独立运作子公司，其生产的硬盘读写磁头，占全球的份额的 70% 以上。日立、希捷、三星、东芝/富士、西部数据、包括被希捷收购前的迈拓， 都是 SAE 的客户。 国内企业长城开发迄今已成为全球最大的硬盘盘基片制造商、 全球第二大磁头专业制造商，其硬盘磁头占据全球市场份额约 10％。
12.1 高性能磁记录材料的产业背景及战略意义
12.1.1 高性能磁记录材料的产业背景
我国磁记录材料工业，起步于 1958 年。从研制录音磁带开始，先后开发生 产了广播电台用录音磁带、电影录音磁片、地震仪用磁带、计测磁带以及磁粉、 粘合剂、磁带用聚酯薄膜、过滤器等主要配套原材料。到上世纪七十年代末期， 基本满足了国内文化、娱乐教育、地质测量、数据记录等领域的基本需要。 上世纪八十年代开始，随着改革开放的步伐，国内磁记录材料行业进入了快
表 12.1 列出了近年来 HDD 用磁头技术的变迁
从生产量来看，以铁氧体为主的 MIG 磁头已被淘汰，TFI 磁头的产量也逐
年下降，现主要是 AMR 和 SV-GMR 磁头。 应该指出，无论是 AMR、SV-GMR，还是将来的 TMR 磁头，它们都是双元 复合磁头，即写头用感应式 TFI 磁头，只有读头才用 AMR、SV-GMR 或 TMR 传感元件构成。图 12.3 示出纵向磁记录 TFI 磁头和双元复合磁头的结构并真实地重现所记录的信息[1]。当今世界已经 进入了信息化时代。信息量的爆炸式增长对信息存储技术提出了越来越高的要 求。对高存储容量，高数据存取速度，高性能价格比存储设备不断增长的需求进 一步推进了存储记录技术的的发展。 近年来， 传统存储记录技术的性能越来越高， 新型存储记录技术不断涌现。 信息存储已经成为当前信息技术中最活跃的领域之 一[2]。 当信息写入后，需要立即读出（立时重放或验证）或用电子计算机进行处理 时，磁记录是信息存储的最好方法。磁记录技术从 1898 年诞生，已经跨越了一 个多世纪。作为一门传统的存储记录技术，磁记录设备在消费电子领域和专业应 用领域均有着广泛的应用。 尽管光记录技术的崛起和固体存储技术的发展打破了 磁记录技术一统天下的局面，但由于在记录介质、读写磁头、数字信道等技术方 面不断取得突破性进展，磁记录技术迄今依然焕发着盎然生机。随着性能的不断 提高， 磁记录技术的应用领域越来越广。 可以说， 在当今的各种信息存储技术中， 磁记录技术仍然是最重要的存储记录技术。 磁记录科学技术是当前信息时代有着广泛研究，重要应用的科技项目，磁记 录介质和磁记录头（简称磁头）是其中 2 类重要的磁性材料[3]。这两种材料都应 包含在磁记录材料的范畴内。
速发展期，到九十年代中期达到行业发展的高峰。全国先后从国外引进了近百条 录音、录像、计算机磁带、软磁盘芯片涂布生产线，分切装配生产厂家全国达到 几百家，主要生产盒式录音磁带、高速复制录音磁带和家用录像磁带，除满足国 内消费外，还大量出口世界各地。生产数量及销售额达到国内行业顶峰。自九十 年代末期开始，光盘、mp3、mp4、mp5 等产品逐渐替代了盒式有声带、家用录 像带；半导体移动数据储存器逐渐替代了软磁盘。到目前为止，软磁盘及家用模 拟记录录像带国内几乎没有了消费，盒式录音带市场需求量也大幅下降。 从中国磁记录材料工业协会提供的统计资料看， 尽管象盒式录音磁带这一传 统的磁记录产品，还是我国中、小学生的主要学习辅材，每年用量上亿盒。但从 总体上看，我国磁记录材料产业目前涉及最多、最早、最传统的录音磁带、录像 磁带、软磁盘等产品已经全面萎缩。而以数字记录方式为主的金属录音磁带、录 像磁带、计算机磁带等，自上世纪九十年代在发达国家得到快速发展。由于该系 列产品技术复杂、投资过大，我国在该领域的产业化方面基本没有实质性进展。 目前这些产品主要由以日本为主的几家公司垄断。自本世纪初到目前，国内磁记 录材料生产企业，大部分陆续转产或停产。 自上世纪九十年代，随着我国经济的快速发展，电话磁卡、银行磁卡、磁性 储蓄存折、地铁磁卡、购物磁卡、账号磁卡、门票磁卡、停车磁卡、磁性火车票、 磁性航空登机牌等以磁记录方式储存信息的产品，得到大量使用，相应的加工行 业也得到迅速发展，随着我国信息化水平的提高，磁卡使用量将以每年 15~20% 的速度上升。 目前全球大量生产 （具有涂布能力） 磁卡用磁条带的企业共有六家， 分别分布在德国一家、法国一家、澳大利亚一家、美国一家、日本一家和中国一 家（乐凯胶片集团）[4]。 与之对应，国内磁记录介质生产企业仅有河南汤阴中科磁电有限公司（低矫 顽力 300 Oe 的-Fe2O3， 中等矫顽力 650 Oe 的包钴-Fe2O3） 和北矿磁材科技股份 有限公司（高矫顽力 2750 Oe 的钡铁氧体材料）等屈指可数的几家，供给国内的 磁带、磁条、磁卡生产商。 然而，作为信息化社会速度参量的硬盘（HDD）容量，从 1998 年到 2009 年短短的十年之间，从当初的 4.3GB 达到现在的 2TB，增幅达 500 倍左右！图 12.1 是硬盘面记录密度的增长趋势， 以及未来不同阶段可能采用的技术[5]。 可见，
硬盘面记录密度从 1996 年的 Gbit/in2 增加到 2010 年的 Tbit/in2， 以及采用热辅助 磁记录（HAMR）和自取向磁阵列（SOMA）技术相结合，预计到 2020 年以后， 面记录密度有望达到惊人的 50Tbit/in2！因此，论及高性能磁记录材料，实际上 已经等同于超高密度硬盘用磁记录材料。然而，仅见国内寥寥的研究报告是关于 超高密度磁记录介质[6-9]和磁记录技术[10-11]的，且多数仅是综述性质的论文，还 远远看不到我国形成真正硬盘用高性能磁记录材料产业的希望。
之一[17]。 图 12.2 示出 1994 年以来 HDD 面记录密度的发展以及使用磁头类型的变化 趋 势。
图 12.2 硬盘驱动器面记录密度发展趋势及磁头类型的变化趋势
实际上自 1956 年 HDD 问世以来，批量生产的商品磁头类型大体经历如下 变化：MIG 磁头薄膜（TFI）磁头（20 世纪 80 代末产业化）各向异性磁阻 （AMR）磁头（1993 年后产业化）自旋阀巨磁阻（SV-GMR）磁头（1997 年 后产业化）自旋隧道结磁阻（TMR）磁头（预计 2005 年前后产业化） 。相应 的面记录密度从 <150 Mb/in2 ≤ 600 Mb/in2 ≤ 3 Gb/in2< 40 Gb/in2<100 Gb/in2。 表 12.1 列出了近年来 HDD 用磁头技术的变迁。
图 12.3 纵向磁记录薄膜磁头（TFI）和各类 MR 磁头的结构示意图
如图 12.4[18]所示，使用垂直磁记录后的盘片变化比较显著，由于磁位单元 的位置由此前的水平状态转换成垂直状态， 所以在磁记录层下增加了较厚的软磁 底层（Soft Underlayer，SUL），单极写入元件的信号极和返回极之间的磁场通 过磁记录层和软磁底层形成完整的回路。信号极一端很窄，其下方的磁通量密度 因而较高，可以将磁变换写入对应的磁位单元；返回极一端较宽，使得下方的磁 通量密度大为降低，保证不会错误的改写磁位单元。增加记录层厚度发生了一些 改变，虽然不同厂商的解释也各不相同，但是我们总体可以理解为这些转变是为 了更好的保证使用垂直磁记录技术产品的稳定性而设计的。除了盘片结构之外， 磁头的形状也发生了变化， 比较明显的改变就是磁头由以前的矩形转变成现在的 梯形，可以避免在工作之中误擦除相邻磁道数据。
表 12.2 高 Bs 软磁合金薄膜性能
表 12.3 SV-GMR 磁头的构成和性能
表 12.4 TMR 磁头的构成和性能
全球 2009 年 HDD 产量已经达到 5.88 亿块[19]。 HDD 巨大的容量 （超过 1000 亿字节） 、 极快的存取速度 （<10 ms） 和数据传送率 （440Mb/s） 以及低的价格 （<0.1
图 12.1 硬盘面记录密度的增长趋势，以及未来不同阶段可能采用的技术
相对而言，国内磁头材料的发展要好于磁记录材料。早期的坡莫合金、铁铝 合金、MnZn 铁氧体、NiZn 铁氧体、薄膜磁头材料、非晶磁头材料等等[12-13]， 以及近期的 S1J80A 合金[14]、PC47 合金[15]的研制，能满足一般的录音、录像用 途。 国内企业，仅有成立于 1985 年的深圳长城开发科技股份有限公司（长城开 发） ，是全球第二大计算机硬盘磁头专业制造商，其磁头制造处于国际同行领先 水平。长城开发也是中国唯一的电脑硬盘盘基片制造商，掌握硬盘盘基片的核心 制造技术，成为位居世界前列的硬盘盘基片研发、设计和生产企业，是国内唯一
拥有完整磁记录产业链的企业，参与这一全球千亿美元、高技术行业的竞争。