Редакция THG, 15 декабря 2008
Введение
Добро пожаловать в Спрингтаун! Нажмите на картинку для увеличения.
Недавно нам посчастливилось побывать на производственном комплексе Seagate в Ирландии. Поездка была довольно приятной. Конечно, основной её целью было посещение наиболее важного завода: Спрингтаун (Springtown), где производится более 30% головок чтения/записи в мире.
Если вас когда-либо интересовало, что скрывается за кожухом жёсткого диска, то мы приглашаем пройти вместе с нами виртуальную экскурсию, во время который вы узнаете подробности о производстве винчестеров.
Заводы и исследовательские лаборатории Seagate разбросаны по всему земному шару. Нажмите на картинку для увеличения.
Seagate - компания с вертикальной интеграцией, то есть она контролирует производство всех компонентов, необходимых для сборки финального продукта - жёсткого диска. Производство компонентов разбросано по нескольким производственным комплексам по всей планете, причём каждый из них специализируется на чём-то своём. Комплекс в Спрингтауне занимается разработкой и массовым производством головок чтения/записи. Он отвечает за производство 80% магнитных головок, используемых в жёстких дисках Seagate. Помимо Спрингтауна подобное производство, но меньшего масштаба, развёрнуто в американском Миннеаполисе (Миннесота), где выпускается оставшиеся 20% головок.
Жёсткий диск - очень сложный компонент. Нажмите на картинку для увеличения.
Среди компонентов, из которых состоит жёсткий диск, самые важные - это магнитные пластины, на которые записывается информация, а также головки чтения/записи. Конечно, ничего не будет работать без двигателей, которые заставляют пластины вращаться на высокой скорости и электроники управления, которая играет важную роль в производительности жёсткого диска.
В жёстком диске Seagate единственные компоненты, которые закупаются извне, это микросхемы управления. Дизайн печатных плат и разработка прошивки выполняются в компании Seagate, при этом они, по словам сотрудников, в немалой степени влияют на производительность жёсткого диска.
От пластины до жёсткого диска - кругосветное путешествие. Нажмите на картинку для увеличения.
После изготовления головки отсылаются в Корат (Korat) или Бангкок в Таиланде, где они монтируются на несущие, которые Seagate называет слайдерами. Слайдеры, в свою очередь, монтируются на кронштейны, формируя массив Head Gimbal Assembly (HGA) для жёстких дисков с одной пластиной или массив Head Stack Assembly (HSA) в случае жёстких дисков с несколькими пластинами и головками.
Наконец, пластины, HGA, двигатели и другие компоненты собираются в цельный жёсткий диск в Уси (Wuxi) или Сучжоу (Suzhou) в Китае или в Пенанге (Penang) в Малайзии.
Схема элементов чтения и записи в головке. Нажмите на картинку для увеличения.
Из чего состоит головка жёсткого диска? Если смотреть невооружённым глазом, то головка - крошечный объект, который "парит" над вращающимися пластинами винчестера, будучи прикреплённым на кончик несущей. Если же посмотреть на головку через электронный микроскоп, то можно выделить два элемента: головку чтения и головку записи.
Работа головки чтения заключается в определении изменений магнитного потока, которые модулируют нулевой и единичный биты. Головка чтения изготавливается из магниторезистивного материала - его электрическое сопротивления меняется как функция проходящего сквозь него магнитного поля. Головка записи имеет более сложную конструкцию, поскольку ей нужно создавать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы менять ориентацию магнитных доменов в пластине. Для данной задачи используется одна или большее число катушек.
Что впечатляет больше? Головка жёсткого диска или "Боинг 747"?. Нажмите на картинку для увеличения.
Размеры головки жёсткого диска впечатляют. Ширина составляет меньше сотни нанометров, а толщина - около десяти. Головка парит над пластиной, вращающейся со скоростью 15 000 об/мин, на высоте, эквивалентной 40 атомам. Если начать умножать эти крохотные числа, то можно получить лучшее представление о технологии.
Позвольте привести небольшое сравнение: если бы головка чтения/записи была бы самолётом "Боинг 747", а поверхность пластины жёсткого диска - поверхностью Земли, то:
- головка бы летела со скоростью Mach 800 (в 800 раз быстрее скорости звука в воздухе);
- на расстоянии меньше одного сантиметра от поверхности;
- считала бы все травинки;
- и при этом возникало бы менее 10 некорректируемых ошибок счёта на площади, эквивалентной Ирландии.
Все элементы головки изготавливаются по технологиям, схожим с производством микропроцессоров. То есть головки вырезаются из подложек, на которых они формируются методом фотолитографии и осаждения нужных материалов.
Завод в Спрингтауне
Устанавливается новый конвейер для восьмидюймовых подложек. Нажмите на картинку для увеличения.
Завод в Спрингтауне на данный момент производит головки на подложках диаметром шесть дюймов (15,24 см). В июле 2007 года был запущен процесс перевода на более крупные восьмидюймовые (20,32 см) подложки. Это потребовало серьёзных инвестиций - 150 млн. евро на протяжении периода в три года, в то время как начальная цена оборудования для производства на шестидюймовых подложках составляла 700 млн. евро. Но, как обычно, эти расходы будут быстро компенсированы за счёт увеличения объёмов производства. С шестидюймовой подложки Seagate производит примерно 30 000 головок, а с восьмидюймовой можно будет вырезать уже 80 000 головок.
Seagate - один из немногих производителей магнитных головок. Среди других производителей жёстких дисков только у Hitachi и Western Digital есть свои заводы, а Toshiba, Fujitsu, Samsung и ExcelStor закупают головки производства TDK.
Перед тем, как покинуть завод, двум показанным подложкам придётся пройти через 200 различных ступеней обработки. Нажмите на картинку для увеличения.
Производство головок - очень сложный и длительный процесс. Чтобы обработать одну подложку требуется не меньше 200 ступеней. Учитывая время, которое занимают эти операции, а также ограничения, связанные с рабочими часами, в среднем 60 дней проходит между тем, когда чистая подложка поступает на конвейер, и моментом, когда выпускается готовый продукт. Используемые техпроцессы сравнимы с другими производителями в данной сфере. Самые мелкие вытравливаемые структуры имеют размер от 40 до 50 нм. Впрочем, есть важное отличие: подложки не содержат кремния. Они вырезаются из высокоэффективной керамики под названием алюминий-карбид титана (AlTiC).
Фотолитография: травление по шаблону. Нажмите на картинку для увеличения.
Первый этап в процессе производства - фотолитография, которая подразумевает оптическое проецирование шаблона (pattern), который указывает участки с теми или иными элементами. В последующие этапы выполняется травление, а подложка точно и пошагово смещается под шаблоном, чтобы спроецировать его на другие участки. Такое пошаговое смещение привело к тому, что подобные машины называют "степперами".
Машины изолируются от вибрации. Нажмите на картинку для увеличения.
Из-за высокого уровня точности, который требуется для смещения подложек в разных машинах, необходимо избавиться от всех видов вибрации. Для этого машины устанавливаются на специальные подставки-демпферы и изолируются от остальной поверхности пола.
На подложку нужно нанести до 40 слоёв из разных материалов. Нажмите на картинку для увеличения.
После завершения травления подложек они поступают на этапы нанесения материалов. Эти операции выполняются в вакууме специальными роботами, в распоряжении которых есть все необходимые материалы. На одну подложку наносится от 30 до 40 слоёв, включая магнитно-активные слои, а также слои, необходимые для химической и механической защиты. Разнообразие используемых материалов потрясает: они включают кобальт, никель, платину и магний. Толщина каждого слоя контролируется с абсолютной точностью. Некоторые слои составляют по толщине менее двух ангстремов, что меньше диаметра одного атома многих элементов.
Затрагивать верхнюю поверхность подложки категорически запрещается. Нажмите на картинку для увеличения.
Как можно догадаться, на конвейере вручную выполняется очень малое число работ. Основная роль операторов заключается в переносе подложек с одного этапа на другой, а также в контроле всего процесса. Чтобы не повредить поверхность подложки, она захватывается с черновой стороны специальным магнитным держателем.
Условия работы жёстко регламентируются. Чтобы зайти в помещение с конвейером, требуется надеть комбинезон, маску и очки. Нажмите на картинку для увеличения.
Условия работы жёстко регламентированы. Всё производство происходит в "чистой" комнате класса 100, которая гарантирует, что в кубическом метре воздуха присутствует не больше 100 частиц диаметром больше 0,5 микронов, а операторы должны носить защитные комбинезоны. Конечно, атмосфера несколько отличается от знаменитой рекламы Intel с bunny-people, которые носят синие, розовые и зелёные герметичные комбинезоны.
Жёсткий регламент, похоже, не повлиял на мораль работников. Нажмите на картинку для увеличения.
Желтоватый оттенок снимков заставляет винить камеру, но это не так. Просто свет в "чистой" комнате жёлтый. Причина такая же, что и в тёмной формате: использование фотолитографии означает, что поверхность подложки чувствительна к свету, особенно к ультрафиолету. Обычное белое освещение сразу бы испортило поверхность подложки, поэтому его нужно жёстко контролировать, чтобы частота волн света не взаимодействовала со светочувствительным покрытием подложек.
Один из последних этапов: ионная фрезеровка. Нажмите на картинку для увеличения.
Процесс изготовления головок настолько сложен, что на некоторых этапах требуется удалять часть слоёв, которые были наложены на предыдущих этапах. Это осуществляется тоже с помощью выборочного шаблона и технологии ионной фрезеровки (ion milling). В данном процессе вещество удаляется с помощью сфокусированного ионного луча; опять же, все операции автоматизированы. На выполнение всех этих операций требуется немало времени, поскольку необходим почти полный вакуум, а на его установление требуется до двух часов, несмотря на мощные насосы.
Seagate заявляет о выходе годной продукции 90%. Нажмите на картинку для увеличения.
Подложки тестируются на различных этапах производства. Тесты могут быть как оптическими, с помощью микроскопа, так и электрическими, с помощью очень точных датчиков. Как можно видеть по приведённой иллюстрации, годными признано не такое большое число участков, но Seagate заявляет о выходе годной продукции 90%. Однако это значение является всего лишь числом годных подложек по сравнению с числом использованных подложек. На самом деле, можно очистить подложку, если в процессе производства вышел сбой, и использовать её повторно, с самого начала конвейера.
Готовая шестидюймовая подложка. Нажмите на картинку для увеличения.
А так выглядит готовая подложка. На ней можно легко заметить невооружённым глазом ряды идентичных головок. Поверхность подложки идеально гладкая и плоская: настоящее зеркало. Позднее головки нарежут по полосам, которые будут нарезаться уже на отдельные головки, а последние будут монтироваться на несущие.
Благодаря технологии HAMR, жёсткие диски к 2020 году достигнут ёмкости 20 Тбайт. Нажмите на картинку для увеличения.
Во время нашей экскурсии нам удалось пообщаться с Аланом Джонстоном (Alan Johnston), директором научно-исследовательского направления в лабораториях Спрингтауна, и поговорить об изменениях в технологиях жёстких дисков, которые нас ждут в ближайшие годы. Мы поговорили о планах Seagate по производству жёстких дисков на 10 или 20 Тбайт, но это тема уже отдельного разговора. Чуть позже мы собираемся представить отдельную статью. А пока рекомендуем посмотреть фотогалерею из дополнительных фотографий.
Фотогалерея
