[論文レビュー] Towards Gigayear Storage Using a Silicon-Nitride/Tungsten Based Medium

Jeroen de Vries, Dimitri Schellenberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2013

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、ギガイヤーの耐久性を備えた窒化ケイ素/タングステン（Si₃N₄/W）ナノスケールデータ記録媒体を提案する。タングステン線を窒化ケイ素に埋め込み、473 Kで1時間の加速老化試験を実施した結果、目に見える劣化は認められず、環境条件下で100万年以上の生存が示唆された。理論的計算ではアレニウスモデルを用いて、最大9×10²⁹年までの安定性が予測されている。

ABSTRACT

Current digital data storage systems are able to store huge amounts of data. Even though the data density of digital information storage has increased tremendously over the last few decades, the data longevity is limited to only a few decades. If we want to preserve anything about the human race which can outlast the human race itself, we require a data storage medium designed to last for 1 million to 1 billion years. In this paper a medium is investigated consisting of tungsten encapsulated by siliconnitride which, according to elevated temperature tests, will last for well over the suggested time.

研究の動機と目的

• 100万年から10億年という期間にわたり情報を保存できるデータ記録媒体の開発を目的とする。
• 現在のデジタル記録技術は、材料の劣化により通常は数十年で寿命を迎えるという、深刻な限界を克服することを目的とする。
• 高い熱的・化学的安定性を示す材料を用いて、耐久性があり、WORM（1回書き込み、多数回読み取り）が可能な記録媒体を構築することを目的とする。
• 継続的な環境制御に依存せずに、長期にわたるデータ完全性を保証することを目的とする。
• 将来的な文明や生命体が、光学的または電子線顕微鏡などの電磁的読み取り法でデータを復号できるようにすることを目的とする。

提案手法

• 100 nm未満のタングステン線を窒化ケイ素マトリックスに埋め込んだ多層構造の記録媒体の作製。
• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、タングステンの微細構造をパターン化。
• 酸化や環境劣化から保護するため、タングステンを窒化ケイ素でコーティング。
• 長期的な熱的安定性を評価するため、473 Kで1時間の加速老化試験を実施。
• 短時間の熱暴露データから長期安定性を外挿するため、アレニウス方程式を適用。
• 老化後の構造的完全性と表面状態の変化を評価するため、光学顕微鏡およびSEM/EDXを用いて評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒化ケイ素/タングステンを基盤とする記録媒体は、100万年以上にわたりデータ劣化なしに生存可能か？
• RQ2 高温（例：473 K）での熱暴露が、Si₃N₄マトリックス内に埋め込まれたタングステン線の構造的・データ的完全性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 熱膨張率の不一致と酸素拡散が、記録媒体の耐久性にどの程度悪影響を及ぼすか？
• RQ4 短時間の加速老化試験に基づいて、アレニウスモデルがギガイヤー規模の安定性を正確に予測できるか？
• RQ5 寿命を制限する主な破壊機構として、拡散、ひびわれ、酸化、または機械的応力のうち、どれが顕著か？

主な発見

• Si₃N₄/W記録媒体は、473 Kで1時間の加速老化試験を経ても、目に見える劣化が認められず、優れた熱的安定性を示した。
• 熱暴露後もタングステン線は構造的に完全であり、QRコードパターンのデータ読み取り性に損傷は認められなかった。
• より高い温度（848 K）では、上層のSi₃N₄にひびわれが生じ、酸素が浸入し、その後タングステンワイヤーの形成が確認された。
• アレニウスモデルに基づく理論的計算では、生存期間が9×10²⁹年にも達するが、これは100万年から10億年の目標をはるかに超える。
• より高い温度での読み取り障害は、タングステンの拡散ではなく、上層Si₃N₄の内部応力に起因する亀裂に起因していた。
• 酸化および高温下での環境露出が、被覆の完全性が損なわれた場合に主な劣化機構であると特定された。