Proefschrift Cock Lodder (Summary & Interview)

Title: Co-Cr-(X) thin films for high density recording

Magnetic recording has been the dominant recording technology for information storage since the invention of the computer. The first commercial IBM computer (Ramac) in Omslag proefschrift1965 consisted of 50 hard disks having a diameter of 24 inches (» 610 mm). The total capacity was 5 Mbytes and an access time of about 1 second. In 1994 there were 3.5 inch (» 89 mm) hard disks on the market having a capacity of more than 1 Gbyte with an access time of 6-11 seconds. Formally the 10.5 inch disk (» 267 mm) had a drive volume of 30 litres and a weight of 36 kg. The present 3.5 inch disks are housed in a drive volume of 0.6 litre and have a weight of 1 kg. The demand from the user is for compacter information carriers. Smaller formats are useful and can be produced more cheaply. For such developments knowledge and expertiese of the many relevant subjects is needed like the mechanics of the recording system, the intelligent electronic system, new knowlegde in the area of heads and, last but not least, a better knowledge of the interface between head and medium. The combined approached of all these types of knowledge have lead to the realisation of the 1 Gbit/inch2 systems. The availability of the thin-film media was essential to reach this goal. The research described in this thesis is focussed on the limited facts determining the maximum bit density in thin-film media based on Co-Cr-(X) alloys. Microstructural aspects like crystal size, texture and chemical composition play an important role and are mainly determined by the deposition process and its parameters. The magnetic properties and behaviour of the thin-film media are strongly related to the microstructure and chemical composition and homogeneity. The compositional separation (CS patterns) play a very important role in the magnetization behaviour of the thin-film media. NMR techniques are used to discover the chemical inhomogeneities (chapter 5). The linear bit length approaches the fundamental dimension of the microstructure (crystal size) as the bit density becomes larger (= smaller bits). Because the medium noise is mainly related to the number of individual crystals participating in one bit, the crystal size (diameter) should become smaller and smaller by increasing density. Intimate knowledge about the relation between microstructure, deposition technology and magnetic behaviour is necessary in order to tailor media to ensure the correct recording properties. One of the macroscopical measurements used for obtaining information about local behaviour is the study of the rotational hysteresis loss obtained from torque experiments (see chapter 4). The questions still remaining: are the magnetic properties, measured macroscopically, relevant for understanding the behaviour at nano level? And what can we learn from the hysteresis loop, measured with a VSM (obtained from about 1010 crystals), about the local magnetic behaviour of a small bit consisting of about 100 crystals? A preliminary start has been made in chapter 6 by studying Co-Cr thin films having perpendicular anisotropy. The use of a Magnetic Force Microscope is extremely important for obtaining information on a bit scale. A more correlated study between this type of experimental research, micromagnetic simulations and recording experiments can bridge the cap between macro-and micro-magnetic behaviour. The thesis has shown that using the right deposition technology, suitable materials and advanced analysing methods can offer some design parameters for developing thin-film media for high density recording.

OP WEG NAAR DE ULTIEME BITDICHTHEID
(Intervieuw UT nieuws nav promotie dr. J. C .Lodder)

Magnetische recording is voor het vastleggen van informatie ondanks de opmars van nieuwe optische (CD) en magneto-optische technieken (MiniDisc) nog steeds de belangrijkste technologie. Onderzoekers speuren naar nieuwe manieren om zoveel mogelijk informatie samen te persen op een zo klein mogelijke oppervlakte (hard disk, audio- videotape). De haalbare informatiedichtheid (bitdichtheid x spoorbreedte) neemt zo’n 30 procent per jaar toe. Het einde van die ontwikkeling is voorlopig nog niet in zicht.
Japanse onderzoekers baarden rond 1977 internationaal opzien met het concept van loodrechte magnetische recording, een techniek waarbij de richting waarin informatie magnetisch wordt weggeschreven loodrecht staat op de looprichting van het medium. In combinatie met de toepassing van dunne film media levert dat een veel grotere ‘bitdichtheid’ op dan bij gewone of longitudinale recording, doordat de ‘bits’ (magnetische eenheden) kleiner zijn. Twentse onderzoekers stortten zich eind jaren zeventig als tweede onderzoeksgroep ter wereld op dit veelbelovende vakgebied.
Hoewel loodrechte recording nog steeds niet commercieel toepasbaar is, heeft de techniek al wel invloed gehad, ook op de longitudinale recording. Zo heeft de gevestigde industrie voor magnetische recording de overstap gemaakt van deeltjesmedia (losse metaaldeeltjes, zoals bij het chroomdioxide cassettebandje) naar dunne film media. Bij de fabricage van hard disks wordt tegenwoordig standaard met dunne lagen (veelal kobalt-chroom-legeringen) gewerkt om optimale bitdichtheid te realiseren.

TIENTAL
Dr. Cock Lodder (56), universitair hoofddocent bij de vakgroep Transductietechniek en Materiaalkunde (EL), weet er alles van. Hij is sinds eind jaren zeventig verbonden met onderzoek aan de UT naar loodrechte recording. Samen met rector prof. dr. Theo Popma is hij onderzoekleider van de Information Storage Technology Group (IST) van MESA. Lodder begeleidde inmiddels een tiental promovendi. Vorige week promoveerde hij zelf, bij Popma, op een proefschrift over aspecten van hoge bitdichtheid recording.
Volgens Lodder is de Twentse IST-groep een van de belangrijkste universitaire groepen ter wereld op het gebied van magnetische en magneto-optische recording. Behalve met Philips NatLab zijn er intensieve contacten met Japan: Fuji Electric (Nagano), Tohoku University (Sendai) en NTT Basic Research Laboratory (Atsugi) waar Lodder in 1992 drie maanden onderzoek deed aan eigen samples. De UT-groep speelt voorts een leidende rol in het Europese CAMST-programma (Concerted Action on Magnetic Storage Technology, onderdeel van Brite-EuRam). Lodder is voorzitter van deze club.
Een ingenieursopleiding heeft de jonge doctor overigens nooit gevolgd. Hij werd als wetenschapper gevormd in de praktijk. Hij volgde in de jaren vijftig lager technisch onderwijs (elektrotechniek), voorbereidend middelbaar technisch onderwijs en de luchtvaart technische school. In 1964 kwam hij als technicus naar de toenmalige THT. Gaandeweg raakte Lodder vervolgens bij het wetenschappelijk onderzoek betrokken. ‘Het lag aan het tijdsgewricht dat zo’n academische carrière mogelijk was. Tegenwoordig zou het ondenkbaar zijn’, zegt Lodder. Hij wil ’t echter niet mooier maken dan ’t is. ‘Ik had liever de gewone weg bewandeld’, verzekert hij.

HART
Voor zijn promotie onderzocht Lodder de factoren die de maximale bitdichtheid bepalen bij magnetische recording in gesputterde dunne lagen van speciale kobalt-chroom-legeringen (20-50 nanometer dik, duizend keer dunner dan een haar). Lodder koos voor fundamenteel materiaalkundig onderzoek omdat het recording medium het ‘hart’ van het recording systeem vormt. ‘Vijftig procent van de vooruitgang bij een recording systeem wordt bepaald door de bitdichtheid van het medium.’ Hoewel hij zich bij zijn onderzoek zich met name richtte op hard disk-geheugens, kan de opgedane kennis ook van belang blijken voor audio- en video-recording.
De magnetische eigenschappen (bitdichtheid) van dunne lagen blijken sterk af te hangen van hun microstructuur: de grootte van de kristalletjes die de fundamentele bouwstenen van de dunne laag vormen, de voorkeursoriëntatie van die kristallen en de chemische eigenschappen van de laag. Die microstructuur wordt weer bepaald door de depositietechniek (de manier van sputteren/opdampen van de laag en de temperatuur waarbij dat gebeurt).
Voor zijn onderzoek sleutelde Lodder bij MESA en in Japanse laboratoria aan dunne lagen. Hij gebruikte bij het onderzoek naar de microstructuur van die lagen een scala van technieken, onder meer elektronenmicroscopie en röntgendiffractie. Macroscopische magnetische eigenschappen bepaalde hij met hysterese- en koppelmetingen. Magnetische eenheden (domeinen of kristallen) en geschreven bits bestudeerde hij met onder meer magneto-optische Kerr-microscopie en magnetic force microscopie.

RUIS
Om grotere bitdichtheden te bereiken moet de microstructuur van dunne lagen veranderd worden met behulp van geavanceerde nanotechnologie. Een probleem daarbij is het optreden van ruis (magnetische informatie die naast het spoor terecht komt). Hoe groter de bitdichtheid, hoe kleiner immers de bits, en hoe meer de begrootte die van de magnetische eenheden (kristallen) benadert. Om ruis te beperken moet elke bit uit een minimum aantal kristalletjes bestaan. Voor een redelijk signaal-ruis verhouding ligt dat aantal op ongeveer honderd. Om dat minimum aantal per bit te behouden moeten bij grotere bitdichtheid de kristallen dus kleiner zijn.
Bij het maken van zulke kleine kristalletjes is goed begrip van de wisselwerking tussen de depositietechniek, de microstructuur van het materiaal en de resulterende macro- en micro magnetische eigenschappen (op havoniveau) essentieel. Daarop concentreerde Lodder zich in zijn onderzoek. ‘Overigens is het de vraag of bij hoge bitdichtheden macroscopische magnetische eigenschappen wel iets zeggen over magnetisch gedrag op microniveau.’
Lodder experimenteerde met dunne films waarbij zo klein mogelijke magnetische eenheden samengaan met ruisvrije recording-capaciteit. ‘Bij hoge bitdichtheden mogen de magnetische eenheden in de laag geen magnetisch contact hebben met hun buren. Ik heb de kristalletjes daarom enerzijds gescheiden door speciale depositietechnieken, en anderzijds geprobeerd de chemische eigenschappen van de kristalgrenzen te beïnvloeden door er een niet-magnetisch laagje kobalt-chroom-tantalium tussen te stoppen.’
Vervolgens ontwikkelde Lodder nog een vernuftiger methode: hij maakte een samengesteld kristal van zowel magnetisch als niet-magnetisch materiaal. ‘Door substructuren in het kristal aan te brengen hoef je niet steeds kleinere kristallen te maken bij het verkleinen van de bits.’ Wel hebben deze samengestelde kristallen afwijkende magnetische eigenschappen door ‘chemische inhomogeniteit’, wat nog problemen oplevert met de signaal-ruis verhouding. Deze inhomogeniteit wist Lodder vast te stellen met behulp van speciale nucleaire magnetische resonantie metingen (NMR).
Lodder ontwikkelde diverse meet- en analysemethoden op microniveau die van nut zijn bij streven naar hogere bitdichtheid (zoals ‘rotational hysteresis metingen’). ‘Er is een wisselwerking tussen de ontwikkeling van geavanceerde meet- en analysemethoden en die van dito materialen. Nieuwe meetmethoden bieden ons informatie hoe we materiaalkundig verder moeten. De twee gaan hand in hand, en dat maakt het onderzoek tijdrovend en kostbaar.’

COMMERCIEEL
Zijn onderzoek heeft Lodder overtuigd van de grote potentiële bitdichtheid van loodrechte recording. Zijn waarnemingen met de ‘magnetic force microscoop’ toonden in een dunne laag van kobalt-chroom-tantalium een experimentele bitdichtheid aan van ruim 13 Gbit per square inch. Dat betekent overigens nog niet dat loodrechte recording snel zal leiden tot een commercieel product, zegt Lodder. ‘Je kunt een fancy systeem bedenken, maar het moet ook technisch gerealiseerd worden en economisch haalbaar zijn. Maar ik geloof er persoonlijk nog steeds heel sterk in’, aldus Lodder.
Hij beklemtoont dat voor recording systemen meer nodig is dan alleen een recording medium: een kop om te schrijven, te lezen en te wissen, een signaalverwerkingssysteem en een fijn mechaniek voor de arm, want die bepaalt voor een flink deel de detectiesnelheid en daarmee de toegangssnelheid van het systeem. ‘Ik verwacht in die zin veel van de micromechanica en de microsysteemtechnologie bij down-sizing van recording systemen.’
De ontwikkelingen gaan door, zegt Lodder, want magnetische recording is van groot maatschappelijk en economisch belang. De omzet beloopt wereldwijd meer dan 80 miljard dollar (1993), en dat terwijl op dit moment nog maar 5 procent van alle informatie via magnetische recording wordt vastgelegd (de rest staat als vanouds op papier). Het belang van magnetische recording zal slechts toenemen door de opmars van de informatietechnologie: PC’s, beeld- en geluidsdragers, multimedia, ‘elektronische snelweg’.

INTERESSE
De prangende vraag is natuurlijk wat de kleinste inschrijfbare bits zijn die nog ruisvrij gelezen kunnen worden. Lodder: ‘Tja, die ultieme bitdichtheid is mijn grote interesse. Momenteel ligt de grens voor de industrie op zo’n 4 Gigabit per square inch. Je kunt daarmee de dikke Van Dale wegschrijven op 2 vierkante centimeter. Over vijf jaar zullen we nog maar de helft van die ruimte nodig hebben.’ Daarbij blijft het niet: ‘Theoretisch ligt de limiet voor loodrechte magnetische recording ergens boven de 100 Gigabit per square inch. Je kunt dan de 27-delige Winkler Prins, inclusief alle plaatjes, op een paar vierkante millimeter opslaan.’