2、HAMR技术的提出

为了突破因超顺磁效应而导致的磁记录密度极限，热辅助磁记录 HAMR(HeatAssistedMagneticRecording)技术得到了学术界和产业界的广泛关注。该技术的目的是为有效应对超高密度存储条件下磁头微场强写入的困难性，它是通过在磁记录过程中使用激光加热来降低介质的矫顽力，如图1所示。

HAMR记录系统釆用的是由磁光记录发展而来的一种复合记录方法，理论上可用于纵向和垂直磁记录系统，而用于垂直磁记录系统更为有效。原因是垂直磁记录对记录介质厚度没有苛刻的要求，有利于磁阻磁头的读出。热辅助磁记录的原理是：选取室温下矫顽力很大的材料，同时它具有合适的居里温度点（-500K)，当磁性材料被加热到接近该温度时，其矫顽力迅速下降，较低的写入场即可使其磁矩重新定向。因此，当用于加热的激光和用于磁矩定向的磁头场同时作用在记录介质上时，在较小的写磁场强条件下便可实现信息位在激光作用区域的写入。在激光未照射的区域，由于介质有很大的矫顽力，所以受写入磁场的干扰很小，在没有磁.场作用的区域，这一过程对原有的磁化强度方向不产生任何影响。当激光束除去后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很快恢复到原来的高矫顽力状态，从而该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服在高矫顽力介质上的写入困难，又能改善信息位的热稳定性。因此，运用该技术可显著提高硬磁盘的面记录密度。当记录位的尺寸为25nm×25mn时，记录密度就可以达到1Tb/in2。然而，如此诱人的目标变成现实并非易事，以1Tb/in2的记录密度为例，如果磁盘转速达到对应的介质线速度为25m/s时，则记录一个bit位必须在1ns内完成。也就是说在1ns内要完成从加热到冷却的全过程，这在技术上具有相当的挑战性。另外，加热光斑聚焦到如此小的范围也受到衍射效应的限制。采用短波长的蓝光、近场光学技术以及固体浸润式透镜聚焦技术等有望使HAMR得到实际应用。

当前，还有另外一种辅助记录技术一微波辅助磁记录（MAMR，MicrowaveAssistedMagneticRecording),它采用另外一种方法来减小写过程时介质的矫顽力，可达到与HAMR异曲同工的效果。该技术由美国的卡内基梅隆大学朱建刚教授于2008年提出。其机制和HAMR类似，但其原理有所不同。

希捷公司于2001年底即开始HAMR开发计划，该计划有众多的企业、科研院所以及标准研究机构参与其中，成员包括美国国家标准和技术所（NIST)、美国国家存储工业协会(NSIC)、卡内基梅隆大学（CarnegieMellonUniversity)、亚利桑那大学、MEMS光学公司、AdvancedResearch公司以及希捷的转包商Euxine技术公司。在经过艰苦的努力之后，HAMR技术获得了相当的进展并对外公布。该计划由希捷公司的材料科学家Wellerff士领衔，他为希捷科技研究中心的磁介质研究主管，他在2004年被IEEE(电气和电子工程师学会）磁学和磁性材料分会评选为该领域的杰出学者之一。在希捷披露HAMR计划后，日立公司也拿出类似的TAR(ThermallyAssitedRecording)热辅助技术，它与HAMR可以说如出一撤。

热辅助磁记录技术首先面对的难题是激光的采用，如果要达到lTbit/in2的存储密度，那么每个bit所占用的面积将是25nmx25nm,这样小的面积需要相应的细光束，普通激光很难做到。流行的解决办法是采用近场光，2005年4月夏普己经报道了一种釆用近场光的热辅助记录磁头，它仅有1mm×1mm大小，结构也非常简单。日立公司于2010年2月宣布，已经成功开发出一款使用热辅助磁记录技术的硬盘磁头产品，最高可支持2.5Tb/in2的存储密度。日立已经通过模拟测试确认了该磁头的性能要求。日立使用了激光源头部尖端部分曲率半径不足10nm的超微型近场光光源，制造出的激光照射范围直径不足20nm，并且该光源可和磁记录磁头尖端一体成型制造，从而可支持2.5Tb/in2的超高存储密度，是普通硬盘盘片存储密度的5倍以上。经过日立的模拟确认，该磁头只要搭配合适的记录盘片，可在28nm宽的磁道上进行写入，存储单元长度约为9nm。

以该磁头最高2.5Tb/in2的支持能力计算，在相应的高密度盘片技术推出后，使用该磁头可实现单片容量3TB以上的3.5寸盘片，整个硬盘容量可能超过10TB。因此，基于机电组合方式的硬盘在大容量存储上的优势仍将在较长时间内继续保持下去。

热辅助磁记录技术的特点是热能和写入磁场同时作用于记录位的磁性颗粒上。其中，热能可以由激光二极管提供，或者由高温探针提供，而写入磁场由磁头或者线圈提供。实现热磁写入，热源（光头或探针）和磁头分别位于盘片的两侧。

相比于商用硬盘所采用的纵向磁记录技术和即将采用的垂直磁记录技术.1999年提出的热辅助磁记录技术仍然处于实验研究阶段。从理论上讲，热辅助磁记录技术能解决信息写入和长久保存的问题，可以实现非常高的记录密度;但这项技术能否应用到产品上，替代即将推出高用产品的垂直磁记录技术还有很多不确定的因素.如最终将以何种方式实现对磁记录的热辅助作用，以及热埔助磁记录能否实现1-10Tbit/in2超高面记录密度，在投入大量资源进行工业规划之前，细致地研究每一个可能出现的问题，提出解决方案并加以验证.是这项技术实用化前需要做的工作。

1、光学设计和光传送

热辅助磁记录技术发展的驱动力是应对超顺磁极限问题。由于在Tb/in2的存储密度级别下，每个比特的记录区域仅为约25nm×25nm，在HAMR中激光的高精准聚焦则是主要的技术障碍。然而，根据传统的远场光学理论，散射极限的光点直径大小由以下公式确定：

这里β指的是波长，NA(NumericalAperture)是聚焦镜的数值孔径。

二极管激光器作为光存储中的激光源，它可产生高能的共振光，其应用已非常广泛。最初的光记录系统使用波长为830nm的二极管激光器。根据公式，为了获取更小的聚焦区域，可通过减小波长来实现。近场光学理论的发展能够有效的将光传送到记录介质的一个区域上并且使这个区域比HAMR技术中最重要的挑战——散射极限的区域的大小还要小。当前发展的多种相关技术常常使用固态浸没镜作为压缩器或者使用孔径作为近场光转换器在表面等离子体共振效应下进行光的聚焦。虽然在文献中没有统一的方法定义这样一个光学系统的效率，一个优化完全的近场光系统将传送激光器发射的大约1%到2%的光能到大约25nm×25nm的区域上。这仍然比普通环形孔径的远场光效率要高。相信这个技术将会取得惊人的进步并对于使用低成本二极管激光器的HAMR技术来说，应该是足够的。

2、记录头

制造集成HAMR磁头的主要挑战是使用磁场传送系统来集成光的传送和光的聚焦，集成后的磁头必须能够在头盘间隙<10nm的高度下飞行。

HAMR写磁头同时提供写磁场和光能到介质写人区域的需求对写头的设计提出了新要求。虽然有多种可能的方法，当前集成HAMR的写头设计使用一个平板波导装置。这个平板波导装置被集成到写头的间隙中以将光能传送到介质上。为了使得加热点放置到与写磁场作用下的最强点尽量接近，这个波导装置需要和磁头的磁极非常接近。然而，放置太近可能会干扰到波导中光的传送。在面密度超过1Tb/in2的情况下，轨道的宽度需要小于50nm(假设4:1的比特横纵比）。此外，由于这样一个点的尺寸远远超出了光学聚焦点的散射极限，需要放置近场转换器在磁头的空气轴承表面——这可能是HAMR磁头设计最有挑战性的一个方面。

3、HAMR介质

HAMR介质的设计和制备也是一个挑战性问题，但是当前的研究也取得一些进展。由于在记录过程中使用热辅助，为能支持高密度存储，HAMR不仅仅要求制造出热稳定性好并且矫顽力高的介质，也要求合理的热设计以用于介质中的热闭合和控制。

HAMR介质要求合理的磁特性和合理的热性能。当前的模拟分析和实验结果都表明介质的热性能是可以达到的，但是合理的磁特性的获取仍然是一个难题。提供足够大的各向异性以将记录密度提高到1Tb/in2的磁介质是存在的。

总的来说，介质的选择必须满足以下特性:

1) 高的各向异性；

2) 小（直径<5nm)的磁晶粒，

3) 合适的居里点。

虽然满足这些特性仍然是一个挑战，当前还是有很多的候选材料。例如，L1OFePt已经被认为是最具吸引力的候选材料之一，因为这种材料有着非常高的各向异性和好的抗腐蚀性。通过将保护层涂到介质薄膜表面并将介质薄膜沉积到夹层上，已经制备出直径为7.5nm的晶粒的介质层。通过生产高各向异性并且转换温度低的双层薄膜，多层交互耦合介质也已经显示出其应用前景。如果持续取得进步，新型HAMR介质材料可能会满足不断的存储密度提升需求。

4、润滑层，保护层和头盘界面摩擦

HAMR要求使用一种特殊的磁记录头在1ns内将磁介质加热到居里点或居里点以上。为了使得在超高存储密度条件下保持一定的信噪比，Ll0FePt、Ll0CoPt和SmCo5都是较好的介质候选材料。这些材料的居里点分别为750,840和1000K。由于达到这样高的温度要求激光器功率相当大，这反过来又引起了磁头极顶突出、介质变形、润滑层损伤等问题。

由于在磁头写的过程中要求激光器将区域介质加热到较高的温度，这样用来保护磁介质的润滑层会从介质表面降解，由此将导致介质可能被腐蚀，除非使用能够抵抗高温的润滑层材料。研究表明，基于低分子量材料的润滑层在高温下容易挥发，而高分子量材料的润滑层也会在高温下存在一定程度的损伤。因此，寻求能承受高温不易降解的润滑层合适材料即成为人们的目标。对于保护层而言，当前使用的碳保护层在如此高的温度下也可能会改变属性，导致很差的抗腐蚀性和摩擦性能。另外，在高温写入条件下还会产生其它问题，如热极顶突出和介质表面的瞬态弹性热变形可能步恶化头盘界面的稳定性。

磁记录产品已经取得了惊人的存储市场份额。在2005,大约有3.8亿块HDD(HardDiskDrive)售出。而根据IDC预测，2011年HDD出货量将达到6.75亿块。然而，虽然市场份额在上升，由于半导体工业的扩张性增长和芯片密度的不断提升，当前HDD已经受到极大的挑战。据统计，HDD和半导体存储近年大约以相同的速度增长。闪存由于具有低市场进人成本、低能耗及鲁棒性强的特点，因此在移动环境的应用优势更大，而磁盘由于其单位存储容量的成本低和数据传送率高，更适合大容量存储应用领域。在过去五年内只有0.85吋和1吋的微硬盘受到闪存一定程度的冲击（如果假设硬盘每年40%的年增长率和闪存的增长率遵循半导体增长线路）。因此，为保持现有的市场占有率，磁记录必须达到40%的年增长率。

为了提高面记录密度，已有多种解决方案被提出。但是，最有发展潜力的两种技术是热辅助磁记录技术（HAMR）和图案化介质记录(PMR)。虽然关于哪种方法最终会首先取得成功还存有争论，但公认的是两种方法的结合有望使面记录密度达到300Tb/in2。

据理论分析，热辅助磁记录技术可以将面存储密度提高到5Tbit/in2,这是传统垂直记录技术的存储密度极限的10倍。然而，存储密度的提高似乎还远远没有到尽头。通过对高矫顽力存储介质的优化，学者仍然期望找到进一步提高存储密度的方法。比如希捷公司的研究人员所提出的自组织磁阵列技术（Self-OrganizedMagneticAiray,SOMA)，采用Fe(CO)5等制备出自组织的FePt磁介质阵列。若将热辅助磁记录技术与该技术相结合，可以获得50Tbit/in2的超高磁存储密度。