Perpendicular Magnetic Recording Dmitri Litvinov and Sakhrat Khizroev Seagate Research
PerpendicularMagnetic RecordingDmitri Litvinov and Sakhrat KhizroevSeagate Research
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 2
Acknowledgments
Leon Abelmann (U Twente)James Bain (CMU)Chunghee Chang
Roy ChantrellRoy GustafsonKent HowardEarl Johns
Jack Judy (U Minnesota)Mark Kryder
Andreas Lyberatos
Terry McDanielEd Murdock
Kevin O’Grady (U York)Rajiv Ranjan
Thomas RoscampRobert RottmayerMichael SeiglerErik SvedbergDieter Weller
Jason Wolfson (CMU/Maxtor)
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 3
Outline
OverviewSuperparamagnetic limit and the need for a new technologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 4
Scaling: Primary TechnologyApproach
S N N S N SS N S NN S
Inductive“Ring” Writer
MR ReaderMagnetizingCoil
Write field Recording Media
Longitudinal recording has been the underlying technology in the diskdrive industry for the past several decades
S N N S N SS N S NN SScaling
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 5
70 kbit/sIBM RAMAC 19552 kbits/in2
50x24” dia disks
4.4 MB
From RAMAC to Seagate Cheetah Drive
888 Mbit/sSeagate Cheetah 15K.334 Gbits/in2
4 x 2.5” dia disk
73.4 GB
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 6
Progress in Magnetic Data Storage
1990 1995 2000 2005 20100.1
1
10
100
1000
10000
1 Tbit/in2
100 Gbit/in2
Seagate (32.6 Gbit/in2)IBM (25.7 Gbit/in2)
SeagateFujitsuHitachi
Read-RiteIBM
Historical 60% CGR line
Area
l Den
sity
(Gbi
t/in2
)
Year
Demos:~100 Gbpsi long~90 Gbpsi perpProducts:~33 Gbpsi long40 GB per disk
Products
LAB DEMOS
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 7
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Superparamagnetic limit
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 8
Media Microstructure, Scaling, andSNR
Magneticgrains
Bit transitionSNR ~ log(N), N - number of grains per bitWhile scaling, need to preserve number of grains per bit to preserve SNRGrain size is reduced for higher areal densities:
DensityAreala
1~
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 9
-45 0 45 90 135 180 225
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
E+
E-
Ener
gy, e
VMagnetization angle
Superparamagnetism
H
θ
megrain voluenergy anisotropyE ,10-10~
kEexp
1290
B0
−−
≅∆
∆−=
±
±±
VK
VKf
Tff
U
U
Probability ofmagnetization reversaldue to thermalfluctuations:
6040kB
−>TVKUThermally stable media:
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 10
Media Writability Limit
6040~kB
−TVKUStable media: 3
1~or 1~a
KV
K UU
2/330 ~1~2 DensityAreala
MNMKHH SeffS
Uwrite −=> α
rial head mate theof ~ Swrite MH
Highest 4πMS (=BS) available today is ~26 kGauss (2.6Tesla)
In longitudinal recording, the highest write fieldpossible to generate is ~2πMS !!!
Higher areal density media requires higher write fields !!!
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 11
Perpendicular vs. Longitudinal
S N N S N SS N S NN S
Inductive“Ring” Writer
MR ReaderMagnetizingCoil
Write field Recording Media
Inductive“SPH” Writer
MR Reader
MagnetizingCoil
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
��������������������������������
Recordinglayer
SUL
Writefield
Longitudinal
Perpendicular
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 12
Gap versus Fringing Field WritingCoil Yoke
Fringingfields
Recordingmedium
TransitionWritten moment in media
In perpendicular recording the write process effectively occurs inthe gap (Write Field ~ 4πMS)In longitudinal recording the write process is done with the fringingfields (Write Field ~ 2πMS)
“Gap” fields
Real head
Image head
Coil
SULboundary
Physical Gap Effective Gap
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 13
Advantages of PerpendicularRecording
Higher write field amplitude - can use higher anisotropy media, betterthermal stabilityHigher write field gradients and well aligned recording layers - thickermedia, better thermal stabilityZero demag at transitions - sharp bit transitions, more stable recordeddataDecrease of demag with areal density increase - improved media stabilityat higher areal densitiesHigher playback amplitude - improved playback performance at higherareal densities
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 14
Soft Underlayer Challenges
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 15
175 200 225 250 275 300-80000
-60000
-40000
-20000
0
20000
40000
60000
80000
Play
back
(uV)
(with
am
plifi
catio
n)
Time (nsec)
Domain Noise and SUL Biasing
---- Non-biased soft underlayer---- Biased soft underlayer
Single Transition
Soft underlayerHard layer
+++-----
-----+++
Magnets
head
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06
Time (s)
Play
back
-2.00E-01
0.00E+00
2.00E-01
5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06
Time (s)Pl
ayba
ckBiasing
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 16
Recording Layer and SUL Magnetics
Higher moment/anisotropy SUL + lower moment RLminimizes the effect
Permalloy FeAlN Ni45Fe55CoCrPtTa 25 Oe 20 Oe 7 OeMultilayer 15 Oe 11 Oe 3 Oe
TABLE: Coercivity of SUL in the presence of a Recording Layer
-30 -20 -10 0 10 20 30-4
-2
0
2
4M
agne
tizat
ion
(a.u
.)
Field (Oe)-50 -25 0 25 50
-4
-2
0
2
4
Mag
netiz
atio
n (a
.u.)
Field (Oe)
20nm SUL 20nm SUL + RL
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 17
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-300-200-100
0100200300
M (a
.u.)
Time (ns)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-300-200-100
0100200300
M (a
.u.)
Time (ns)
Dynamic Kerr Microscopy20nm SUL
20nm SUL + RL
Presence of a RL can dramatically affect the dynamics of a SUL
Glass SubstrateMedia Stack
Microscope
Writer
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 18
Soft Underlayer and PlaybackResolution
Soft underlayer introduces asymmetry into the playback system.
Realhead
Imagehead
Recording layer
Buffer layer The underlayerboundary line
0 20 40 60 80 100120140
25
26
27
28
29
PW50
PW50
(nm
)
SUL-to-ABS distance (nm)
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0 Sensitivity Function Amplitude
Sens
itivi
ty F
unct
ion
Ampl
itude
(n
orm
aliz
ed u
nits
)
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 19
Soft Underlayer MicromagneticsCoCrPtTa alloy based recordinglayer is capable of recordingdensities well in excess of 600kfci.
Further development is necessaryto minimize noise and/or distortionscaused by the presence of the softunderlayer
250 500 750 1000 1250-70-60-50-40-30-20-10
0 FeAlN soft underlayer No soft underlayer
Play
back
(dBm
)
Linear Density (kfci)
CoCrPtTa recording layer
⇒t2t
Soft underlayer
⇒Perfect imaging
Distortedimaging
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 20
Skew Angle Sensitivity
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance via Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 21
Skew angle
P2Zero skew
Non-zero skew
Trailing edge
Trailing edges
Track direction
P2
Skew angle (±15 degrees)
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 22
Skew Angle Sensitivity
P2Zero skew
Non-zero skew
Trailing edge
Trailing edgesTrack direction
-50 -25 0 25 50
1.5
2.0
2.5
Skew = 0 degrees
Play
back
Sig
nal (
mV)
Offset across the track (µin)
Skew = 15 degrees
250kfci 250kfci
25kfci
Effective track width increase ⇓
Loss in areal density
P2
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 23
Narrow Gap Single Pole HeadsTrailing
pole
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.5
1.0
1.5
Hz
(kO
e)Distance down the track (µm)
0nm 30nm 70nm 150nm 300nm 700nm
Trailingedge
In a narrow gap single pole heads, the write field is reduced towards the leadingedge, thus, minimizing the skew angle sensitivityCan minimize the loss in track density from 25% to less than 5%
0.2 0.4 0.6
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
HM
AX (k
Oe)
Trailing Pole Thickness (µm)
Conventional SPH Narrow Gap SPH
Trailing PoleThickness
Gap Gap Thickness:
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 24
Skew Sensitivity of a Gapless Writer
P1
P2
WP2 = 1.2µm tP2 = 3.3µm
6G Gapless Writer
-15 -10 -5 0 5 10 151.2
1.4
1.6
1.8 1µm Gap Gapless
Trac
k w
idth
(µm
)
Skew angle (degrees)
Gapless writer has substantially reduced sensitivity to non-zeroskew angles
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 25
Flux Conductance in NanoscaleWriters
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 26
0 200 400 600 800 10000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Nor
mal
ized
Mz
Lz (nm)
Nanoscale Writers
Can writers with nanometer scale dimensions smaller than the domainwall thickness conduct flux efficiently?What can be done to reduce remanence in nanoscale writers?
Vertical field component above the center ofthe ABS at a 20nm spacing vs. write current fora single-pole head
Remanent magnetization after reversal for a170nm x 85nm single pole tip. For Lz > 432nm,the pole tip has non-zero remanence.
0 200 400 600 800 1000 12000.00.51.01.52.02.53.03.5
Hz (
kOe)
I, mA x turn
500 nm pole (I up) 500 nm pole (I down) 1000 nm pole (I up) 1000 nm pole (I down)
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 27
FIB-trimmed Nano Writers
A “singularity” has been formed at the ABS to altermicromagnetic behavior of the pole tip
Tilted ABS View ABS View
Void
∅ 40nm
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 28
Nanoscale Writers
Void formation at the ABS substantially reduces remanencein nanoscale writers
-500 -250 0 250 500
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
400
300L=200
Non-zeroremanence
MFM
sig
nal (
a.u.
)
Drive current (mA turn)-500 -250 0 250 500
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1000750
L=500
Drive current (mA turn)
MFM
sig
nal (
a.u.
)
Zero remanence
Non-zero remanence
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 29
Towards Optimum Reader Design
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 30
If a conventional reader is used, the channel seesthe playback signal of different shapeCan differentiate, however, part of the informationis lost
Perpendicular vs. LongitudinalPlayback
++
charges in the transition
++
+ + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + +
Hstray
Hstray
M
Play
back
Sig
nal
Time
longitudinal
perpendicular
Play
back
Sig
nal
Time
Perpendicular
Longitudinal
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 31
Parallels between Perpendicular andLongitudinal Recording
-200 -100 0 100 200-6
-4
-2
0
2
4
6
Sens
itivi
ty F
ield
(a.u
.)
Distance along the track (nm)
Shielded Reader (Hx) Diff Reader (Hz) Shield Diff (Hz)
-200 -100 0 100 200
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Sens
itivi
ty F
ield
(a.u
.)
Distance along the track (nm)
Shielded, Hx Differential, Hz Shielded Diff, Hz
∫ ∂⋅ rHMI
S 1~Reciprocity Principle: M - media magnetizationH - sensitivity field
Recording Medium
MR
Sen
sor
shield shield
Recording Medium
MR
Sen
sor
MR
Sen
sor
Recording Medium
MR
Sen
sor
MR
Sen
sor
shield shield
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 32
Performance Comparison
0 1000 200005
101520253035
Play
back
(a.u
.)
Linear Density (kfci)
Shielded (perpendicular) Differential (perpendicular) Shield Diff (perpendicular)
Differential reader provides highest amplitude playbackShielded differential reader provides best spatial resolution
0 1000 20000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Nor
mal
ized
Pla
ybac
k
Linear Density (kfci)
Shielded Differential Shielded Differential
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 33
Play
back
Sig
nal
Time
Equivalent Perpendicular Reader
Play
back
Sig
nal
Time
Perpendicularmedia
Longitudinalmedia
shield shield
MR element
Conventional shielded reader
MR elements
yokeDifferentialreader
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 34
Materials Issues
Overview of magnetic recordingSuperparamagnetic Limit and the Need for a New TechnologySoft Underlayer ChallengesSkew Angle SensitivityFlux Conductance in Nanoscale WritersTowards Optimum Reader DesignMaterials Issues
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 35
Perpendicular Media Materials
SOFT UNDERLAYER :Efficiency of the recordingsystemSoft underlayer noise
Seed/Exchange de-coupling layer
STORAGE LAYER :High squareness Exchange de-couplingGrain size control
Overcoat
Substrate
Buffer layer
Composition&
Microstructure
MagneticProperties
Performance
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 36
Alloy System Material Anisotropy Saturation Magnetization Anisotropy Field Minimum stable grain sizeKu (107erg/cc) Ms (emu/cc) Hk (kOe) a (nm)
CoCrPtX 0.20 200-300 15-20 8-10Co-alloy Co 0.45 1400 6.4 8.0
Co3Pt 2.00 1100 36 4.8FePd 1.8 1100 33 5.0
L10-phase FePt 6.6-10 1140 116 2.8-3.3CoPt 4.9 800 123 3.6MnAl 1.7 560 69 5.1
Rare Earth Nd2Fe14B 4.6 1270 73 3.7SmCo5 11-20 910 240-400 2.2-2.7
�������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
����
��
��
����
����
��
��
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
����
����
��
��
��
����
����
����
��
��
��
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
����
����
����
��
��
��
��
����
����
����
����
��
��
��
��
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
����
��
��
����
����
��
��
Recording layers: Higher Ku Materials
360
auK
TBk⋅≅Minimum thermally stable grain size:
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 37
Microstructure of Recording layers
Average column size ~20nmRandomly oriented
Average grain size ~ 13nm(00_2) fiber-like texture withtexture spread of 6.30
CoB/Pd multilayer on ITO
CoCrPtTa on Ti
0 1 0 2 0 3 0 4 00
1 0 0 0 0
2 0 0 0 0
3 0 0 0 0
4 0 0 0 0
5 0 0 0 0
6 0 0 0 0
7 0 0 0 0
8 0 0 0 0
FWHM=6.30
ω
X-ray rocking curve TEMideal
non-ideal
CoPd
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 38
0 5 10 15 20 25 30 350
5
10
15
20
25
30
35Grain Size Distribution
Freq
uenc
y (c
ount
)
Grain Diameter (nm)
thermalinstabilities
Media Grain Size Engineering
−+= 2
2
0 2
lnexp
2 wxx
wxAyy c
π
Narrowing the grain sizedistribution improves SNRand media stability
media noise
Perpendicular Magnetic RecordingNovember 5, 2002 Page 39
PW50 (nm(uin)) 64.6 2.54 64.6 2.54ACSN (db) @ Tc=84nm @Channel Bit Density 14 12Data Rate (Mbps) 277 368Reader Width (nm(uin)) 101.6 4 101.6 4Writer Width (nm(uin)) 165.1 6.5 165.1 6.5Channel Bit Density (kfci)Normalized DensityTp (nm(uin)) (10%OTC 1e-4) 178 7 178 7ktpiChannel Channel Density (Gb/in2)TargetCodeCode RatePost ProcessorUser density (Gb/in2)On Track BER
Spared Sectors 5/1004.8E-05
[4 6 -3 -5 -2]96/102 Multiple Parity Bits
0.94
2.4E-05
Software
on and correcting
92.9GPR6(d,k)RLL (0,7) TR57
0.90
70.2
NAPA DEMO SOFTWARE DEMO
142.9
17.6
66.0 83.9
17.6
4911.3
6501.7
142.9NAPA
Seagate Perpendicular RecordingDemo – Intermag ‘02