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Une journée dans la tête des disques durs

Image 1 : Une journée dans la tête des disques durs

Il y a quelques jours nous avons eu la chance de nous faire emmener par Seagate dans le Nord de l’Irlande. Non pas pour des vacances, mais pour visiter l’un des sites les plus critiques pour le constructeur : Springtown, l’usine d’où sortent plus de 30 % des têtes magnétiques des disques durs vendus chaque année dans le monde.

Alors si vous êtes curieux de savoir ce qui se cache derrière le capot métallique de votre disque dur, suivez notre reportage dans les coulisses de la chaine de production.

Image 2 : Une journée dans la tête des disques durs

Seagate est une entreprise à intégration verticale, c’est-à-dire qu’elle maitrise la production de tous les éléments nécessaires à la fabrication de ses produits finaux (les disques durs). La fabrication d’un disque dur fait donc appel à de nombreux sites de production distincts, distribués aux quatre coins de la planète, et ayant chacun une spécialité. L’usine de Springtown est ainsi dédiée à la mise au point et à la fabrication à grande échelle des têtes de lecture et d’écriture. Elle est responsable de la production de 80 % des têtes magnétiques utilisées dans les disques durs Seagate. Springtown a une usine soeur, à Mineapolis aux Etats-Unis, qui se charge des 20 % restants.

Image 3 : Une journée dans la tête des disques durs

Parmi tous les éléments composants un disque dur, les plus critiques sont les plateaux magnétiques, sur lesquels les informations sont réellement stockées et les têtes de lecture/écriture. Mais il ne faut pas oublier non plus les moteurs, nécessaires à la mise en rotation à haute vitesse des plateaux, et toute l’électronique de commande, dont le rôle dans les performances finales du disque est essentiel.

Dans un disque Seagate les seuls composants « outsourcés » (fournis par des sous-traitants) sont les puces électroniques de commande. Mais la conception du circuit et le développement du micrologiciel interne, le firmware, restent la spécialité de Seagate, et jouent d’ailleurs un rôle très important dans les performances des disques.

Image 4 : Une journée dans la tête des disques durs

Une fois gravées, les têtes sont envoyées à Korat ou Bangkok en Thaïlande, où elles sont montées sur leurs bras, pour former ce que Seagate appelle le slider. Les sliders doivent ensuite être montés sur des cardans pour former les HGA (Head Gimbal Assembly), ou même des HSA (Head Stack Assembly) dans le cas des disques durs à plusieurs plateaux, qui ont besoin de plusieurs têtes. Enfin, les plateaux, les HGA, les moteurs et tout le reste est assemblé en un disque dur dans de méga-usines chinoises à Wuxian ou Suzhou, ou à Penang en Malaysie.

Image 5 : Une journée dans la tête des disques durs

Mais au fait c’est quoi une tête de disques durs ? A l’oeil nu c’est un minuscule machin qui flotte au dessus des plateaux tournants du disque, fixé au bout de son bras. Si on a la chance d’être équipé d’un microscope à balayage électronique on peut distinguer en réalité deux éléments : un tête de lecture, et une d’écriture.

La tête de lecture n’a qu’un rôle de détection des changements du flux magnétique qui s’opèrent au passage entre un bit 0 et un bit 1. Elle est faite d’un matériau magnétorésistif, dont la résistance électrique change en fonction du champ magnétique qu’il traverse. La tête d’écriture est plus complexe puisqu’elle doit générer un champ magnétique suffisant pour modifier la polarisation du substrat du disque. On y trouve donc un ou plusieurs enroulements.

Image 6 : Une journée dans la tête des disques durs

Les dimensions de la tête en elle même sont tout à fait impressionnantes. Elle mesure dans sa largeur moins d’une centaine de nanomètres, une dizaine dans son épaisseur, et vole à 15000 tr/min au dessus des plateaux du disque à une hauteur équivalente à 40 atomes. Mais à force de manipuler ces chiffres de l’infiniment petit on en oublie ce qu’ils signifient en réalité. Voilà une petite comparaison à méditer : si cette tête était un Boeing 747, et le plateau du disque dur la surface de la Terre

  • elle volerait à Mach 800
  • à moins d’un centimètre du sol
  • et compterait tous les brins d’herbe
  • en commettant une erreur irréparable sur moins de 10 brins sur une surface équivalente à l’Irlande.

Tous ses éléments sont fabriqués d’une manière très similaire aux processeurs : sur des wafers, par photolithographie et déposition des matériaux adéquats.

Image 7 : Une journée dans la tête des disques durs

L’usine de Springtown grave pour l’instant ses têtes sur des wafers de 6 pouces de diamètre, soit 15,24 cm. Depuis juillet 2007 elle est en cours de conversion pour utiliser des wafers plus gros de 8 pouces (20,32 cm). Cela représente un lourd investissement (150 millions d’euros sur trois ans, alors que le cout initial des équipements pour la gravure en 6″ était de 700 millions d’euros) mais il sera comme d’habitude vite rentabilisé par le gain en productivité : à partir d’un wafer de 6″, Seagate produit environ 30 000 têtes ; ce chiffre passe à 80 000 sur un wafer de 8″.

Seagate est un des rares producteurs de têtes magnétiques. Parmi les autres constructeurs de disques durs, Hitachi et Western Digital ont également leurs propres usines, alors que Toshiba, Fujitsu, Samsung ou Excelstor font appel à des têtes fabriquées par TDK.

Image 8 : Une journée dans la tête des disques durs

La production des têtes est un processus très complexe, et très long. Pas moins de 200 étapes successives sont nécessaires pour fabriquer un seul wafer. Compte-tenu des temps d’exécution et des horaires de travail, il s’écoule en moyenne 60 jours entre le moment où un wafer brut entre sur la chaîne de production, et le moment où il en sort fin prêt. La technologie employée n’a pas grand-chose à envier aux autres grand noms du secteur : les plus petites structures gravées mesurent 40 à 50 nm. Grosse différence cependant : les wafers ne contiennent pas de silicium. Il s’agit de tranches d’une céramique hautes performances, le carbure d’aluminium et de titane (AlTiC).

Image 9 : Une journée dans la tête des disques durs

Le processus de fabrication passe d’abord par une étape de photolithogravure. Le but du jeu ici est d’imprimer par projection optique le patron dans lequel les différentes couches actives seront ensuite déposées. Cette gravure est réalisée par étapes successives, le wafer étant déplacé précisément sous le masque, de sorte à imprimer un motif puis celui d’à côté, et ainsi de suite. C’est d’ailleurs ce qui donne son nom aux machines : les steppers (step = pas, étape en anglais).

Image 10 : Une journée dans la tête des disques durs

A cause du niveau de précision mécanique requis pour les déplacements des wafers dans les différentes machines, il faut lutter contre toute forme de vibration. Pour ce faire, les machines sont installées sur des pieds amortisseurs spécifiques, et isolées du reste du plancher.

Image 11 : Une journée dans la tête des disques durs

Une fois les wafers gravés ils passent par des étapes de déposition. Ces opérations sont réalisées dans des enceintes sous vide, par des automates contenant des réservoirs de tous les matériaux nécessaires. Au total, on peut en effet compter jusqu’à 30 à 40 couches différentes sur un même wafer : les couches actives magnétiquement, puis toutes celles nécessaires à la protection chimique et mécanique. La diversité des matériaux employés est étonnante : cobalt, nickel, fer, platine, magnésium, etc. c’est presque toute la classification périodique des éléments qui est mise à profit. L’épaisseur des différentes couches est contrôlée avec une précision absolue : certaines ne dépassent pas 2 Ångströms, soit moins que le diamètre d’un seul atome de nombreux éléments.

Image 12 : Une journée dans la tête des disques durs

Comme on peut s’en douter, il y a très peu d’opérations purement manuelles sur la chaîne de production. Les opérateurs ont pour rôle principal de transporter les wafers d’une étape à l’autre, et de veiller au bon déroulement des opérations. Pour ne pas abîmer la surface des galettes, on les manipule par leur face opposée à l’aide de spatules aimantées.

Image 13 : Une journée dans la tête des disques durs

Les conditions de travail sont strictes. Toutes les manipulations se font dans une salle blanche de classe 100 (qui garantit une concentration en particules de plus de 0,5 micron inférieure à 100 par pied cube, ou 3 520 par mètre cube). Les opérateurs doivent donc revêtir une combinaison de protection. On n’est cependant loin des bonshommes en scaphandre bleus, roses ou verts, popularisés par les publicités Intel.

Image 14 : Une journée dans la tête des disques durs

Si vous êtes inquiets depuis le début de ce reportage pour la dominante jaunâtre des photos, rassurez-vous, notre réflex numérique va bien. L’éclairage de la salle est bel et bien jaune. La raison est la même que pour les laboratoires photo : pour être utilisable en photolithographie, la surface du wafer doit être sensible à la lumière, particulièrement aux UV. L’éclairer en lumière blanche normale l’abimerait donc sur toute sa surface, et pour éviter cela il faut un éclairage très contrôlé, limité à des fréquences précises et inactives.

Image 15 : Une journée dans la tête des disques durs

La gravure des têtes est si complexe qu’elle impose à certaines étapes d’enlever une partie des couches qui ont été déposées aux étapes d’avant. Pour ce faire, il faut procéder par masquage sélectif, et « usinage ionique » (ion milling). Sous l’effet d’un bombardement focalisé d’ions, les dépôts sont découpés. Là encore, pas question d’opération manuelle, tout est automatisé. Il s’agit d’étapes très chronophages, car elles se déroulent sous un vide poussé, demandant du temps à s’établir (jusqu’à 2 heures) malgré la taille confortable des pompes utilisées.

Image 16 : Une journée dans la tête des disques durs

A différentes étapes de la fabrication, les wafers sont testés. Ces tests peuvent être soit optiques, au microscope, soit électriques, à l’aide de sondes à fines pointes. On voit sur l’écran ci-dessus que le taux de réussite de chaque étape n’est pas toujours très élevé. Seagate se targue cependant d’obtenir des rendements de plus de 90 % sur sa production. Mais ces chiffres prennent simplement en compte le nombre de wafers valides par rapport au nombre de wafers utilisés. Or il est possible de sabler un wafer mal gravé de sorte qu’il retrouve son état d’origine, et qu’il retourne au début de la chaîne.

Image 17 : Une journée dans la tête des disques durs

Et voilà à quoi ressemble un wafer finalisé. On distingue facilement à l’œil nu les enchainements de têtes identiques. La surface du wafer est parfaitement lisse et plane, un vrai miroir. Les têtes devront plus tard être découpées en barres, puis les barres en têtes individuelles montées sur leurs bras.

Image 18 : Une journée dans la tête des disques durs

Cette visite nous a aussi permis de faire un point avec Alan Johnston, directeur de la R&D à l’usine de Springtown, sur les évolutions technologiques attendues sur les disques durs dans les prochaines années sur les disques durs. Où comment Seagate pense fabriquer des disques durs de 10 ou 20 To… Mais c’est un sujet qui mérite que l’on s’y attarde. Nous y consacrerons donc un dossier spécial très prochainement. Stay tuned !

En attendant, les plus curieux d’entre vous pourront approfondir la visite en consultant notre album photo.