先日、幸運にもアイルランドにあるシーゲイトの工場を訪問する機会に恵まれました。これは単なる観光旅行ではなく、同社の最重要製造拠点の一つであるスプリングタウン工場を視察することが目的でした。スプリングタウン工場は、世界のハードディスクの読み取り/書き込みヘッドの30%以上を生産する工場です。
ハードディスクの内部で何が行われているのか疑問に思ったことのある方は、ぜひ私たちと一緒に、プロセスがどのように機能するかを舞台裏で見学しましょう。
Seagate は垂直統合型企業であり、最終製品 (ハードディスク) の製造に必要なすべてのコンポーネントの生産を管理しています。ハードディスクの製造には、それぞれが特定の専門分野を持つ、世界中に広がる多数の個別の生産拠点が必要です。Springtown 工場は、読み取り/書き込みヘッドの開発と大規模製造に特化しており、Seagate ハードディスクで使用される磁気ヘッドの 80% の生産を担当しています。Springtown にはミネソタ州ミネアポリスに姉妹工場があり、残りの 20% を製造しています。
ハードディスクを構成する部品の中で最も重要なのは、実際に情報が保存される磁気プラッターと、読み取り/書き込みヘッドです。もちろん、プラッターを高速回転させるモーターや、ディスクの性能を決定づける重要な役割を果たす制御電子部品も忘れてはなりません。
Seagateのディスクにおいて、外部委託（下請け業者から供給）されている部品は制御ICのみです。同社によると、回路設計とファームウェア開発は依然として同社の専門分野であり、ディスクのパフォーマンスに非常に重要な役割を果たしています。
ヘッドは製造されると、タイのコラートまたはバンコクに送られ、そこでアームに取り付けられ、シーゲイトがスライダーと呼ぶ部品になります。スライダーはその後、ジンバルに取り付けられ、シングルプラッタードライブの場合はヘッドジンバルアセンブリ（HGA）、複数のプラッターとヘッドを備えたハードディスクの場合はヘッドスタックアセンブリ（HSA）を形成します。
最後に、プラッター、HGA、モーター、その他のコンポーネントが、中国の武県と蘇州、またはマレーシアのペナンにある大規模工場でハードドライブに組み立てられます。
ハードディスクヘッドとは一体何でしょうか？肉眼では、回転するプラッターの上を浮遊、あるいは「飛んでいる」小さな物体で、アームの先端に取り付けられています。電子顕微鏡を使えば、読み取りヘッドと書き込みヘッドという2つの要素を実際に見分けることができます。
読み取りヘッドの役割は、0ビットと1ビットの違いを示す磁束パターンの変化を検出することです。読み取りヘッドは磁気抵抗材料で作られており、通過する磁界に応じて電気抵抗が変化するのが特徴的です。書き込みヘッドはより複雑で、ディスク基板の極性を変化させるのに十分な強さの磁界を生成する必要があります。この機能を果たす1つまたは複数のコイルを備えています。
ヘッドの寸法は驚異的です。幅は100ナノメートル未満、厚さは約10ナノメートルで、プラッター上を最大15,000回転/分の速度で飛行し、その高さは原子40個分に相当します。こうした極小の数字を掛け合わせていくと、その重要性が徐々に分かってくるでしょう。
次の小さな比較を考えてみましょう。読み取り/書き込みヘッドがボーイング 747 で、ハードディスク プラッターが地球の表面だとします。
- 頭はマッハ800で飛ぶだろう
- 地面から1センチ以内
- そして草の葉を一つ一つ数えなさい
- アイルランド全土に相当する面積で、回復不可能なカウントエラーを 10 件未満にする。
ヘッドのすべての要素は、プロセッサとほぼ同じ方法で製造されます。フォトリソグラフィーと適切な材料の堆積を用いて、ウェハから形成されます。
スプリングタウン工場では現在、直径6インチ（15.24cm）のウエハーを用いてヘッドを製造しています。2007年7月以降、より大型の8インチ（20.32cm）ウエハーへの転換が進められています。この転換には3年間で1億5,000万ユーロという巨額の投資が必要ですが、6インチウエハーを用いた製造設備の初期投資は7億ユーロでした。しかし、例年通り、この投資は生産性の向上によってすぐに回収できるでしょう。シーゲイトは6インチウエハーから約3万個のヘッドを製造していますが、8インチウエハーからは8万個のヘッドを製造できます。
Seagateは、磁気ヘッドを製造している数少ない企業の一つです。他のハードディスクメーカーとしては、日立とWestern Digitalも自社工場を有していますが、東芝、富士通、Samsung、ExcelStorはTDK製のヘッドを使用しています。
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ヘッドの製造は非常に複雑で、非常に長いプロセスです。1枚のウエハを製造するのに200以上の工程が必要です。これらの工程にかかる時間と労働時間の制約を考慮すると、原料ウエハが生産ラインに入ってから完成品が出荷されるまでの平均期間は60日です。使用される技術は、この分野の他の大手メーカーの技術と同等です。エッチングされる最小構造は40～50nmです。しかし、大きな違いが1つあります。ウエハにはシリコンが含まれていません。実際には、アルミニウムチタンカーバイド（AlTiC）と呼ばれる高性能セラミックのスライスです。
製造プロセスの第一段階はフォトリソグラフィーです。これは、光学投影を用いて、様々な活性層を堆積させるパターンを転写する工程です。エッチングは段階的に行われ、ウェハはフォトマスクの下を正確な間隔で移動し、1つのパターンが転写されたら次のパターンへと、というように繰り返していきます。この動作から、これらの装置は「ステッパー」と呼ばれています。
各種機械におけるウェハの動きには極めて高い機械的精度が求められるため、いかなる振動も排除する必要があります。そのため、機械は特殊な衝撃吸収脚に設置され、床面から隔離されています。
エッチングが終わると、ウェーハは堆積工程へと進みます。これらの工程は、必要な材料をすべて備えたロボットによって真空容器内で行われます。1枚のウェーハには、磁気活性層に加え、化学的および機械的保護に必要な層を含め、合計30～40層もの層が積層されています。使用される材料の多様性は驚くべきもので、コバルト、ニッケル、鉄、白金、マグネシウムなどが挙げられます。各層の厚さは絶対的な精度で制御されており、一部の層は2オングストローム未満の厚さで、これは多くの元素の原子1個の直径よりも小さい値です。
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