磁気ディスクからHDDの時代へ〜メディアの研磨技術の変遷について徹底解説！

筆者は1950年代前半の生まれです。
大衆向け磁気記録装置がどんどん進化していく、その真っただ中にいました。
年代ごとに新しい製品が出てきて、ひととおり触ってきたことになります。

前回の記事「磁気ディスクの歴史と研磨を徹底解説！経済大国日本を支えた研磨技術」では、以下について解説しています。

1. 磁気記憶媒体の歴史 ― データ社会を支えた材料と加工技術
2. HDDメディアの研磨技術の歴史 ― ナノメートル平坦度を実現した加工技術
3. HDDアルミ基板とガラス基板の違い ― 磁気ディスク材料の進化

今回の記事では、以下の3点について触れましょう。

1. 磁気ディスクの表面粗さはなぜナノレベルなのか ― ヘッド浮上と表面精度の関係
2. HDD磁気ヘッド研磨の変遷 ― 「削る技術」から「段差を制御する技術」へ
3. HAMR時代のHDDメディア材料 ― テラビット記録を可能にする新材料

「音」から「映像」への進化で、研磨技術がどのように変わっていったのかを詳しく解説します。

磁気記録の対象は、最初は「音」でした。
筆者が中学生か高校生ぐらいの頃に、「カセットテープレコーダ（図1・左）」が我が家にやってきました。

それまで自分の好きな歌を聴くには放送されるのを待つか、レコードを買うしかなかったのが、自分で録音して繰り返し聞くことができるようになり画期的な出来事でした。

その後、ラジオとカセットテープレコーダが一体となった「ラジカセ（図1・中央）」が爆発的に普及し、やがて小型・携帯化された「ウォークマン（図1・右）」が一世を風靡しました。

次に磁気記録の対象となったのは「映像」でした。
1975年にソニーのベータマックス、1976年に日本ビクターのVHS方式が登場します。
「ビデオテープ」（図2・左）でテレビ番組を録って観る文化が、家庭に入ってきました。
やがてこれが、レンタルビデオ文化（TSUTAYAなど）の誕生へとつながります。

1980年代に入ると、パソコンやワープロ専用機の普及が始まり、記録の対象が「情報」へと変化しました。
個人データを保存するためのフロッピーディスク（図2・中央）やMO（光磁気ディスク）が普及しました。

2000年代以降は、HDD（図2・右）が、レコーダやPC等の家庭機器に内蔵され、録画はテープからHDDへ。
技術は完全にインフラ化され、ユーザーは「磁気記録」を意識しなくなっています。

こうした磁気記録の発展の中で、日本は以下の技術で世界をリードしてきました。

1. 小型化（例：ウォークマン）
2. 高信頼化（例：ビデオのVHS方式、HDD）
3. 高密度化（HDD技術）

磁気ディスクの表面粗さはなぜナノレベルなのか ― ヘッド浮上と表面精度の関係

ヘッドの浮上原理、空気軸受、基板の表面粗さとヘッドクラッシュなど、物理的メカニズムを中心にお伝えしましょう。
また、磁気ヘッドの研磨技術や、次世代の磁気記録として期待されているHAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording／熱アシスト磁気記録）についても解説します。

現在のHDDのディスク表面は、Ra0.1〜0.3nm程度。原子数個分の凹凸しかありません。
なぜここまでの表面精度が必要か、その理由は「磁気ヘッドの浮上原理」にあります。

磁気ヘッド浮上の模式図の一例を図3に示します^1）。

ヘッドはディスクの上を「飛んでいる」

磁気ヘッドはAlTiCセラミックス製のスライダ上に形成されており、スライダ＋磁気ヘッドは、ディスクの回転によって生じる空気流によって、ディスク上を浮上しています。
この現象は空気軸受（Air Bearing）と呼ばれます。
ディスクには磁性膜が塗布されており、電磁石である磁気ヘッドが磁気的に情報を読み書きする原理です^1）。

ヘッド浮上量はナノメートル

初期のHDDでは、ヘッド浮上量は数µmでした。
しかし、記録密度を上げるには、磁気ヘッドとディスクの間隔を小さくする必要があります。
間隔が小さいほど、ディスクのより小さいエリアに正確に情報を読み書きでき、記録密度は大きくなるためです。

その結果、現在のヘッド浮上量は1～2nm程度まで低下しました。
これはDNAの直径（約2nm）と同じレベルです。

表面粗さが大きいと何が起きるか

もし、ディスク表面の粗さが大きいとどうなるのでしょうか。

例えば、表面粗さ2nmの場合、ヘッド浮上量と同じオーダーです。
この場合、表面突起にヘッドが衝突してしまい、磁性膜損傷が発生します。
これがいわゆる「ヘッドクラッシュ」です。

トポグラフィの問題

問題は粗さだけではありません。
ディスクには微小なうねりがあります。

うねりとは、波長が数μm〜数mmという、ゆるやかな形状誤差のことです。
ディスクにうねりがあると、ヘッド浮上量が変化するため、書き込み信号が不安定となります。
結果、読み取りエラーの増加といった問題が発生します。

図4は、ヘッドの浮上を決定づける基板の表面のトポロジー要素を示しています^2）。

HDDでは、以下のすべてが仕様として要求されます。

• 基板全体のうねりである平坦度（Waviness）
• 磁気ヘッドの長さに対応して、測定波長を100～500μmで捉える微小うねり（Micro Waviness, Nano Waviness）
• 微視的に見る、AFMでの表面粗さ（Roughness）

磁気ディスクの表面研磨まとめ

磁気ディスクの表面がナノレベルまで磨かれている理由は、ヘッド浮上量がナノメートルだからです。
このため、HDDではサブナノレベルの粗さ、ナノトポグラフィ制御、超低欠陥表面が必要になります。

つまり磁気記録の進化は、ナノ精度の研磨技術によって支えられていると言えるでしょう。

HDD磁気ヘッド研磨の変遷　—「削る技術」から「段差を制御する技術」へ

HDDの進化は、磁気ヘッドの進化そのものと言っても過言ではありません。
そしてその裏側には、磁気ヘッドの研磨技術の進化があります。

この技術は単なる仕上げ工程ではなく、性能を決める最終工程として進化してきました。
その変遷を「段差」という視点で整理します。

図5に、HDD磁気ヘッド構造の変遷を年代と共に示しました。

フェライトヘッドの時代（～1970年代）

初期の磁気ヘッドはフェライト単結晶・バルク材料で構成されていました。
研磨はラッピング・バフ研磨が中心で、目的は形状を出すことです。
この時代は、ヘッドの材料が均一で構造がシンプルであるため、段差問題はほぼ存在しませんでした。

薄膜ヘッドの登場（1980年代）

1980年代に入り、ヘッドは大きく変わります。
多層構造（磁性層＋絶縁層）を持つ、薄膜磁気ヘッドの登場です。

ここで初めて、段差（PTR：ポールチップリセッション）の問題が顕在化しました。
理由はシンプルで、異種材料を同時に研磨する必要が出てきたためです。

図6a)は、薄膜磁気ヘッドの構造の一例を表しています^3）。
同図b)は、a)中に示したA部のY-Y断面図であり、PTRを示しています。
図中の、ABSと保護膜との段差を含めた、ABSとポールとの段差がPTRです。

では、このPTRはどうしてできるのでしょう。
図7および図8は、薄膜磁気ヘッドの製造工程の一部を表しています^4）。

初めに、図7a）のように、AlTiC材からなる基板（ウエハ）上に半導体プロセスを用い、多数の磁気変換素子がマトリックス状に形成されます。

次に、図7b）のように1列ずつ短冊状（バー）に切り出され、複数のスライダが列状に配列されています。
バーは断面図c)に示すように、基材の上に異種材料が多段積層された構造です。

このバーを、図8a）のように加工治具に接着固定し、図8b）のようにダイヤモンドラッピングなどで浮上面（ABS）の研磨加工を行います。
その後、バーを個々のスライダ＋磁気ヘッドに切断分離して使用するのです。

図8(c)のように、硬い材料は削れるのが遅く、柔らかい材料は速い。この差がそのまま段差になります。

PTRは、薄膜磁気ヘッドの記録再生特性を低下させる一因となります。
そのため、薄膜磁気ヘッドの浮上面とポールとの段差はない状態が望ましいとされているのです。

さらにABSには鏡面であることも求められます。
そこで通常は、ダイヤモンド砥粒を含んだスラリーを軟質金属製の定盤に供給しながら、遊離砥粒あるいは半固定砥粒でラッピングします。

更なるPTR制御の対策としては、微粒砥粒の使用、低荷重化などです。
具体的には、粗加工1～3µm、仕上げ0.1～0.5µmの微粒ダイヤモンドスラリーが使用されます。

荷重は高すぎても低すぎてもいけません。押し付ける力が過大だと段差が広がり、逆に低すぎると加工が進まず、時間がかかる分だけ段差が広がるためです。
そのため、均一な接触状態が得られる荷重にコントロールするのがPTR制御の核心です。

しかし、本質的には「段差を小さくする」しかできないというジレンマがありました。

薄膜磁気ヘッドの進化とナノ構造化（1990年代～）

1990年代に入ると、磁性層をナノメートルオーダーで積層した構造から得られる「巨大磁気抵抗効果」を利用したGMR（Giant Magneto-resistance）ヘッドが登場し、記録密度が飛躍的に向上します。
構造的には、磁性膜が多層化されナノスケールの膜厚へと変化するのです。

ここで問題になったのは、PTRが性能に直結するようになったことです。
PTRの精度が磁場の低下・読み取りノイズの発生に直接影響しました。

そこで、ラッピングは「加工」から「制御」へと変わっていきます。

具体的には、ヘッド積層部にセンサを組み込み、インラインで加工終点を検出して過研磨を防ぐという「エンドポイント制御」が導入されました。

2000年代以降、さらに進化したのがTMR（トンネル磁気抵抗）ヘッドです。
電子トンネル効果を利用するヘッド構造は、数nm以下の膜厚制御と高密度配線が必要とされました。
このレベルになるとPTRはサブナノで管理され（PTR：0.1～1nm）、表面欠陥は致命的となります。

HDD磁気ヘッド研磨の進化は段差との戦いの歴史です。
そして現在は、段差を削る技術から、段差を制御する技術へと進化しています。

HAMR時代のHDDメディア材料 —テラビット記録を可能にする新材料

上述のとおり、HDDの記録密度は長年にわたり急速に増加してきました。
基本的には、ヘッドをメディア表面に近づけ、記録エリアを小さくすることにより記録密度を上げています。

しかし、2000年代後半になると、従来の磁気記録方式では物理的な限界が見え始めます。
その壁とは熱揺らぎ（スーパーパラ磁性限界）という問題です。

この問題を突破するために開発されたのがHAMRです。

磁気記録では、データは磁性粒子の磁化方向として保存されます。
しかし、記録密度を上げようと磁性粒子を小さくすると、粒子が磁化を保つ力もその体積に比例して弱くなります。

すると、熱エネルギーによって磁化方向が不安定になり、データが消えてしまう可能性があります。
この現象はスーパーパラ磁性限界と呼ばれています。

この問題を解決するためには、磁化が反転しにくい材料を使う必要があります。
代表的な材料がFePt（鉄白金合金）です。
FePtは大きな磁気異方性を持つため、ナノサイズでも磁化が安定します。

しかし問題があります。
FePtは磁化を書き換えるのが非常に難しいのです。

HAMRの原理

ここで登場するのがHAMRです。
HAMRでは、レーザーで媒体を瞬間的に加熱し、磁気ヘッドで書き込み、冷却して磁化を固定するプロセスを使います。
加熱すると材料の磁気異方性が低下するため、磁化を書き込みやすくなります。
この技術は主に、米国のSeagate Technologyなどが中心となって開発してきました^5）。

HAMRメディアの構造

HAMRメディアは6層構造です。
下から順に、ガラス基板、下地層、熱制御層、FePt磁性層、カーボン保護膜、潤滑膜と重なっています。
特に重要なのがナノ粒子磁性層で、粒径は5～8nm程度と言われています。

表面加工の新しい課題

HAMRでは、従来のHDDよりも厳しい条件が発生します。
レーザー照射により媒体温度は400～500°C程度まで上昇するのです。
そのため、熱安定性・表面保護膜・潤滑膜耐久性などが重要になります。

さらに、ヘッド浮上量は1nm以下とも言われており、サブナノ粗さ・超低欠陥表面が必要になります。
ここでもやはり、超精密研磨技術が重要な役割を担っているのです。

まとめ

HDDは成熟技術と思われがちですが、今も進化しています。
特にHAMRは、ナノ磁性材料と光学技術、精密加工が組み合わさった技術です。

その土台にあるのは、やはりナノメートル精度の表面加工でした。
筆者が仕事にしてきた研磨は、いつの時代も「最後の一手」だったのだと思います。