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
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
