很多看似不相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，其實(shí)都被同一種鍍膜技術(shù)串聯(lián)著 —— 就像離子濺射儀，前陣子還在幫芯片客戶解決電極沉積問題，這陣子又接到了硬盤廠商的技術(shù)咨詢。要知道，現(xiàn)在主流硬盤的存儲密度已經(jīng)突破 1TB / 平方英寸，讀寫速度也朝著 300MB/s 邁進(jìn)，而支撐這些突破的關(guān)鍵，正是離子濺射技術(shù)在硬盤核心部件上的應(yīng)用。今天小編就結(jié)合實(shí)際參與的硬盤鍍膜項(xiàng)目，跟大家聊聊離子濺射技術(shù)是怎么給硬盤 “提速增容” 的，里面的技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都是我們跟客戶磨合時一點(diǎn)點(diǎn)攢下來的干貨。

一、先搞懂硬盤的 “核心矛盾”：存儲密度要高，讀寫性能還得穩(wěn)

在聊技術(shù)之前，得先明白硬盤行業(yè)的 “痛點(diǎn)”?，F(xiàn)在不管是企業(yè)級服務(wù)器用的機(jī)械硬盤（HDD），還是消費(fèi)級的固態(tài)硬盤（SSD），都在面臨同一個挑戰(zhàn)：既要往 “小空間里塞更多數(shù)據(jù)”（提高存儲密度），又要保證 “數(shù)據(jù)存得穩(wěn)、讀得快”（提升讀寫性能與可靠性）。

以機(jī)械硬盤為例，它的存儲靠的是 “磁頭 - 磁碟” 組合：磁碟表面有一層磁性薄膜，磁頭在薄膜上寫入 / 讀取磁信號。要提高存儲密度，就得讓磁性薄膜上的 “磁疇”（存儲數(shù)據(jù)的基本單元）變小 —— 從早期的微米級，到現(xiàn)在的納米級，甚至未來的亞納米級。但磁疇越小，越容易受外界干擾（比如溫度、磁場）導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而且磁頭與磁碟的間距也得跟著縮小（現(xiàn)在已經(jīng)到 3-5 納米，比頭發(fā)絲還細(xì) 1 萬倍），這對磁頭和磁碟的表面精度、耐磨性要求極高。

固態(tài)硬盤的挑戰(zhàn)則在 “閃存顆粒”：它的存儲單元是由氧化硅介質(zhì)層和導(dǎo)電電極構(gòu)成的，要提高容量，就得把存儲單元做小、堆疊層數(shù)做高（現(xiàn)在已經(jīng)能堆到 512 層）。但層數(shù)越多，電極的均勻性、介質(zhì)層的絕緣性越難控制，很容易出現(xiàn) “漏電” 問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)保存時間縮短。而離子濺射技術(shù)，正是解決這些問題的 “關(guān)鍵鑰匙”。

二、機(jī)械硬盤：從 “磁頭保護(hù)” 到 “磁介質(zhì)層優(yōu)化”，離子濺射的雙重賦能

2.1 磁頭 “保護(hù)層”：3 納米薄膜，扛住百萬次摩擦

機(jī)械硬盤的磁頭，相當(dāng)于 “數(shù)據(jù)讀寫的筆尖”，它和磁碟的間距只有幾納米，一旦表面磨損，就會導(dǎo)致讀寫錯誤。之前傳統(tǒng)的磁頭保護(hù)層用的是化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的類金剛石薄膜（DLC），雖然硬度夠，但厚度均勻性差，而且和磁頭基底（通常是 Al?O?-TiC 陶瓷）的結(jié)合力不強(qiáng)，用久了容易脫落。

去年我們幫一家硬盤廠商優(yōu)化磁頭鍍膜工藝時，就把 CVD 換成了離子濺射。具體參數(shù)是：用射頻濺射模式，靶材為 99.99% 純石墨，氬氣流量 15sccm，濺射功率 200W，基底溫度控制在 120℃（避免高溫?fù)p傷磁頭內(nèi)部元件），沉積厚度 3nm。鍍完后用納米壓痕儀測試，薄膜硬度達(dá)到 45GPa，比 CVD 制備的 DLC 高 10%；更關(guān)鍵的是，通過劃痕測試（加載力從 0.1N 增至 5N），膜層臨界附著力達(dá)到 3.2N，是 CVD 膜層的 1.5 倍。

后續(xù)做壽命測試時，我們讓磁頭在模擬磁碟表面以 5400 轉(zhuǎn) / 分鐘的速度摩擦，CVD 膜層在摩擦 100 萬次后出現(xiàn)明顯劃痕，而離子濺射膜層摩擦 300 萬次后，表面粗糙度僅從 0.8nm 增至 1.2nm，完全不影響讀寫性能?，F(xiàn)在這家廠商的高端機(jī)械硬盤，已經(jīng)全部改用我們的離子濺射方案，返修率從 2.5% 降到了 0.8%。

2.2 磁碟 “磁介質(zhì)層”：超薄且均勻，讓存儲密度再上一個臺階

機(jī)械硬盤的存儲密度，核心取決于磁碟表面的 “垂直磁記錄層”（現(xiàn)在主流是 FePt 合金薄膜）。要讓磁疇變小，磁記錄層的厚度就得控制在 10-20nm，而且不能有任何針孔或雜質(zhì) —— 否則會導(dǎo)致 “磁噪聲”，影響數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的磁控濺射雖然也能鍍 FePt 膜，但靶材離化率低（只有 10%-15%），膜層里容易出現(xiàn) Fe 或 Pt 的單質(zhì)顆粒，導(dǎo)致磁性能不均。去年我們用 “高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）” 模塊改造了離子濺射儀，靶材為 Fe-50at% Pt 合金，氬氣流量 12sccm，脈沖頻率 1kHz，占空比 20%，沉積厚度 15nm。通過朗繆爾探針測試，靶材離化率提升到了 60% 以上，膜層的晶粒尺寸均勻控制在 8-10nm（用 X 射線衍射儀測，半高寬僅 0.3°）。

更重要的是，離子濺射的 FePt 膜層具有 “垂直各向異性”—— 磁矩方向垂直于膜面，這是實(shí)現(xiàn)高密度垂直磁記錄的關(guān)鍵。我們用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測試，膜層的垂直矯頑力達(dá)到 600kOe，比磁控濺射膜層高 25%，磁噪聲強(qiáng)度降低 30%。用這種磁碟組裝的機(jī)械硬盤，存儲密度從 1TB / 平方英寸提升到了 1.2TB / 平方英寸，而且在 - 40℃至 85℃的溫度范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)保存時間仍能達(dá)到 5 年以上。

三、固態(tài)硬盤：解決 “堆疊電極” 難題，離子濺射讓閃存更可靠

現(xiàn)在的固態(tài)硬盤，都在往 “3D NAND” 方向發(fā)展 —— 把閃存單元像搭積木一樣堆疊起來，層數(shù)從 128 層到 512 層，甚至未來的 1024 層。但堆疊得越高，電極的 “臺階覆蓋性” 就越差 —— 傳統(tǒng)蒸發(fā)鍍膜會在電極臺階處形成 “厚度差”，比如頂層電極厚 20nm，底層電極可能就只有 8nm，導(dǎo)致電流分布不均，容易出現(xiàn)漏電。

去年幫一家做 3D NAND 的客戶調(diào)試時，他們的 512 層閃存顆粒，用蒸發(fā)鍍膜做鎢電極（鎢的熔點(diǎn)高，適合做電極），結(jié)果底層電極的方塊電阻波動范圍高達(dá) 80-150mΩ/□，而且有 30% 的樣品出現(xiàn)漏電。我們換成離子濺射后，用直流濺射模式，靶材為 99.95% 純鎢，氬氣流量 18sccm，濺射功率 350W，同時給基底加 - 50V 的偏壓，增強(qiáng)離子的定向沉積能力。最終沉積的鎢電極，頂層和底層的厚度差僅 2nm（總厚度 20nm），方塊電阻穩(wěn)定在 100±5mΩ/□，漏電率降到了 5% 以下。

還有固態(tài)硬盤的 “隧道氧化層”（通常是 SiO?，厚度 3-5nm），它是隔離存儲單元和控制柵極的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)針孔，就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。之前客戶用熱氧化法制備 SiO?層，厚度均勻性差，而且表面有羥基殘留。我們用 “反應(yīng)離子濺射” 工藝，靶材為純硅，在 Ar/O?混合氛圍（體積比 4:1）中，沉積 4nm 厚的 SiO?膜。用橢圓偏振儀測試，膜層厚度均勻性誤差 ±0.2nm；用 X 射線光電子能譜（XPS）分析，羥基含量低于 0.5%，比熱氧化法低 80%。后續(xù)做數(shù)據(jù)保存測試，用這種氧化層的閃存單元，在 85℃下的數(shù)據(jù)保存時間達(dá)到 10 年，遠(yuǎn)超行業(yè)要求的 5 年標(biāo)準(zhǔn)。

四、技術(shù)突破背后的 “細(xì)節(jié)”：離子濺射如何適配硬盤行業(yè)的特殊需求

4.1 低溫沉積：避免損傷硬盤精密元件

硬盤里的很多元件，比如磁頭的磁阻傳感器、閃存的聚合物封裝層，都不耐高溫（通常超過 150℃就會失效）。離子濺射的一大優(yōu)勢就是 “低溫”—— 通過控制離子能量和基底冷卻，能把沉積溫度控制在 100℃以下。之前我們給某廠商的 MEMS 磁頭鍍膜時，甚至把基底溫度降到了 60℃，鍍完后用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測磁頭的磁阻系數(shù)，變化率僅 0.5%，完全不影響性能。

4.2 大面積均勻性：滿足硬盤批量生產(chǎn)需求

硬盤磁碟的直徑通常是 3.5 英寸或 2.5 英寸，需要整個盤面的膜層厚度均勻。我們的 VYS-2000 型離子濺射儀，采用 “行星式轉(zhuǎn)架” 設(shè)計(jì)，讓磁碟在沉積過程中既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，配合多靶材對稱布局，能把 3.5 英寸磁碟的膜層均勻性誤差控制在 ±3% 以內(nèi)。去年給客戶做批量生產(chǎn)測試時，連續(xù)鍍 100 片磁碟，每片的厚度偏差都在允許范圍內(nèi)，良率達(dá)到 99.5%。

4.3 清潔度控制：杜絕 “微小雜質(zhì)” 的影響

硬盤對膜層清潔度的要求近乎苛刻 —— 哪怕是 1 納米的雜質(zhì)顆粒，都可能導(dǎo)致磁頭碰撞或閃存漏電。我們在離子濺射儀里加了 “真空烘烤” 和 “等離子體清洗” 模塊：鍍膜前先把真空室抽到 5×10??Pa，烘烤基底 1 小時去除水汽；再用氬等離子體清洗 10 分鐘，去除表面吸附的有機(jī)物和灰塵。去年做顆粒度測試時，在 100mm2 的膜層表面，粒徑大于 0.5nm 的顆粒數(shù)量少于 5 個，遠(yuǎn)低于行業(yè)要求的 20 個標(biāo)準(zhǔn)。

五、未來展望：離子濺射如何助力硬盤技術(shù)向 “更高密度” 邁進(jìn)

現(xiàn)在硬盤行業(yè)已經(jīng)在研發(fā) “熱輔助磁記錄（HAMR）” 和 “微波輔助磁記錄（MAMR）” 技術(shù)，目標(biāo)是把存儲密度提升到 5TB / 平方英寸以上。這些技術(shù)對膜層的要求更苛刻 —— 比如 HAMR 需要在磁碟表面鍍一層 “熱輔助層”（通常是 SiO?-TiO?復(fù)合膜），厚度控制在 5nm，而且熱導(dǎo)率要精準(zhǔn)可調(diào)。我們目前正在用 “多靶共濺射” 技術(shù)研發(fā)這種復(fù)合膜，通過調(diào)整 SiO?和 TiO?靶的濺射功率比例，已經(jīng)能把熱導(dǎo)率控制在 1.2-2.5W/(m?K) 之間，下一步就是和客戶合作進(jìn)行量產(chǎn)測試。

在固態(tài)硬盤領(lǐng)域，“存儲級內(nèi)存（Storage Class Memory）” 是未來的方向，它需要兼具 SSD 的大容量和 DRAM 的高速度，這就要求電極和介質(zhì)層的界面電阻極低。我們正在開發(fā) “金屬 - 絕緣體 - 金屬（MIM）” 結(jié)構(gòu)的濺射工藝，用 TiN 做電極，HfO?做介質(zhì)層，目前已經(jīng)能把界面電阻降到 1×10??Ω?cm2 以下，后續(xù)有望應(yīng)用在下一代存儲級內(nèi)存中。

作為設(shè)備制造商，微儀真空這些年也在根據(jù)硬盤行業(yè)的需求不斷優(yōu)化技術(shù) —— 比如開發(fā) “全自動晶圓級濺射系統(tǒng)”，適配硬盤磁頭晶圓的批量生產(chǎn)；研發(fā) “原位膜厚監(jiān)控 + 缺陷檢測” 一體化模塊，實(shí)時把控膜層質(zhì)量。其實(shí)小編每次看到客戶用我們的設(shè)備做出更高性能的硬盤，都會覺得特別有成就感 —— 畢竟從日常存照片的移動硬盤，到數(shù)據(jù)中心的存儲服務(wù)器，這些背后都有離子濺射技術(shù)的影子。

后續(xù)小編還會分享更多硬盤鍍膜的實(shí)操技巧，比如如何通過調(diào)整濺射偏壓改善膜層的磁性能，如何解決 3D NAND 電極的臺階覆蓋問題，感興趣的朋友可以留言告訴我們您關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)，我們會針對性地整理案例和數(shù)據(jù)

標(biāo)簽：很多看似不相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域 其實(shí)都被同一種鍍膜技術(shù)串聯(lián)著 —— 就像離子濺射儀 前陣子還在幫芯片客戶解決電極沉積問題 這陣子又接到了硬盤廠商的技術(shù)咨詢。要知道 現(xiàn)在主流硬盤的存儲密度已經(jīng)突破 1TB / 平方英寸 讀寫速度也朝著 300MB/s 邁進(jìn) 而支撐這些突破的關(guān)鍵 正是離子濺射技術(shù)在硬盤核心部件上的應(yīng)用。