Brevet FR2584847A1 — publié le 19870116

SUPPORT D'ENREGISTREMENT PERPENDICULAIRE MAGNETIQUEMENT ANISOTROPE. La présente invention concerne un support d'enregistrement perpendiculaire magnétiquement anisotrope. Elle est plus particulièrement applicable à l'enregistrement perpendi- culaire à hautes densités linéique et radiale sur les disques magnétiques des mémoires à disques. On sait que les informations enregistrées sur les disques magnétiques sont contenues a l'intérieur de pistes concentriques circulaires et se présentent sous la forme d'une succession de petites cellules magnétiques dites élémentaires réparties sur toute la longueur de chaque piste. Dans l'enregistrement sur disques magnétiques, la tendance actuelle est de chercher à obtenir des densités radiales de quelques milliers de pistes par centimètres (mesurées suivant le diamètre des disques) et des densités linéiques égales ou supérieures à dix mille changements de sens d'aimantation par centimètre (mesurées suivant la circonférence des pistes). Un mode préféré d'écriture d'informations permettant l'obtention de telles densités d'enregistrement est le mode dit perpendiculaire o l'aimantation dans les cellules élémentaires est perpendiculaire à la couche magnétique d'enregistrement du disque. Dans ce mode, le milieu magnétique constituant la couche est un milieu magnétiquement anisotrope présentant une direction privilégiée d'aimantation appe.lée encore direction de facile aimantation, perpendiculaire à la couche d'enregistrement. D'une manière générale, le disque (support d'enregistrement) est donc constitué d'un substrat amagnétique sur lequel est déposé le milieu magnétique -2d'enregistrement perpendiculaire dont l'épaisseur est faible, voisine du micron. Sur ce milieu magnétique, on dépose généralement une couche de protection amagnétique visant à assurer une protection mécanique pour ce milieu et à éviter toute corrosion ou oxydation. Le milieu magnétique d'enregistrement perpendiculaire est généralement constitué par un alliage comportant au moins deux éléments simples, par exemple du chrome et du cobalt, du fer et du terbium, du fer, du terbium et du gadolinium etc..... Les qualités minimales requises pour les milieux d'enregistrement perpendiculaires sont liées au champ coercitif et à la rectangularité du cycle d'hystérésis représentatif de ce milieu selon la direction de facile aimantation. Le champ coercitif Hc selon cette direction doit être suffisamment élevé pour éviter toute perturbation de l'information écrite sur le disque par des champs magnétiques parasites. En même temps, le champ coercitif ne doit pas être trop élevé, pour qu'il soit possible d'écrire des informations en renversant le sens de l'aimantation dans des cellules élémentaires voisines au moyen du champ magnétique d'écriture. Ce dernier est généré par un transducteur magnétique d'écriture qui est associé au disque magnétique. Dans les conditions définies ci-dessus, la valeur du champ coercitif est, dans la pratique, de l'ordre de quelques centaines d'oersteds. Il faut remarquer de plus que, pour les hautes densités d'informations, le signal de lecture généré par les transducteurs magnétiques de lecture de ces informations est proportionnel au champ magnétique coercitif Hc. Par ailleurs, la forme idéale du cycle d'hystérésis d'un 3 milieu magnétique d'enregistrement perpendiculaire est le rectangle (voir à ce sujet la thèse de Dominique JEANNIOT, - 3 - présentée à l'université Pierre et Marie Curie le 21 Novembre 1983, sous le titre " Préparation et caractérisation de couches minces anisotropes de Co Cr et de a-FeTbGd pour enregistrement magnétique perpendiculaire"). En effet, ainsi l'aimantation rémanente reste elevée en étant la plus proche possible de l'aimantation de saturation. Parmi les matériaux métalliques préférablement utilisés pour constituer des milieux d'enregistrement magnétique perpendiculaire, on compte les alliages de chrome - cobalt comprenant 15 à 20% de chrome et 80 à 85% de cobalt. Les propriétés de cet alliage de chrome - cobalt (CoCr) sont désormais bien connues, car elles ont fait l'objet de nombreuses études mentionnées dans la thèse précédemment citée, notamment aux pages 41, 42, 43, 128. Les milieux d'enregistrement magnétiques perpendiculaires en CoCr sont obtenus notamment par pulvérisation cathodique diode radiofréquence effectuée sous pression partielle d'Argon à des températures de l'ordre de 250 à 300 degrés. Des explications sur la pulvérisation cathodique radiofréquence sont données dans la thèse citée ci-dessus, en annexe I, aux pages 133 à 151. On a pu constater expérimentalement que, à partir d'une certaine épaisseur du milieu d'enregistrement en CoCr, de l'ordre de quelques milliers d'angstrbms à 1 micron, les propriétés d'anistropie magnétique de l'alliage en chrome - cobalt se détériorent: le champ coercitif diminue et le cycle d'hystérésis est moins rectangulaire. Cette détérioration des propriétés magnétiques de l'alliage en chrome - cobalt est d'autant plus importante que l'épaisseur du milieu magnétique croît. Elle est d e au fait que le milieu magnétique en chrome - cobalt est sous - 4- contrainte: cela signifie qu'il existe à l'intérieur du milieu des tensions mécaniques internes qui tendent à déformer la couche. L'existence de ces tensions mécaniques internes (ou contraintes) est dûe par exemple à des différences de dilation se produisant entre le milieu magnétique d'enregistrement et le substrat après le dépôt du milieu magnétique sur ce dernier, différences de dilatation se produisant au moment du refroidissement du support d'enregistrement dans son ensemble. Cette modification des propriétés magnétiques du milieu d'enregistrement perpendiculaire entraînée par les contraintes est d e à l'effet magnétostrictif, effet se produisant au niveau microscopique. On rappelle que l'effet magnétostrictif consiste en ce que, pour certains matériaux, l'existence de contraintes mécaniques entraine une modification des propriétés magnétiques et que réciproquement l'application d'un champ magnétique à ces matériaux, provoque l'existence d'une contrainte mécanique. Lorsque comme indiqué ci-dessus, il détériore les propriétés d'anisotropie magnétique, l'effet magnétostrictif est dit effet magnétostrictif négatif. La présente invention permet de remédier aux inconvénients induits par le support d'enregistrement magnétique selon l'art antérieur décrit cidessus, en minimisant les contraintes dans le milieu magnétique et de ce fait en améliorant les propriétés magnétiques. Selon l'invention, le support d'enregistrement perpendicu- laire magnétiquement anisotrope comprenant un substrat amagn'tique sur lequel est déposé un milieu magnétique métallique de faible épaisseur aà effet magnétostrictif négatif dont la direction de facile aimantation est perpendiculaire à sa surface est caractérisé en ce que, 3dans le but de minimiser l'effet magnétostrictif dans le milieu magnétique métallique, ce dernier est constitué par -5- un empilement de couches magnétiques et amagnétiques minces alternées, les couches amagnétiques étant suffisamment souples pour amortir l'effet des contraintes dans les couches magnétiques et ayant une épaisseur très faible permettant un fort couplage magnétique entre celles-ci. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif en se référant aux dessins annexés: - la figure 1: qui montre un cycle d'hystérésis d'un matériau magnétique donnant l'évolution de l'aimantation (ou de l'induction) en fonction du champ magnétique appliqué au matériau, permet de mieux comprendre les paramètres qui définissent la rectangularité de ce cycle, - la figure 2: composée des figures 2a à 2d rappelle comment est constitué un support d'enregistrement selon l'art antérieur, 0 - la figure 3: qui est une vue en coupe prise dans un plan normal au plan du support d'enregistrement, montre un tel support selon l'invention, - la figure 4: est une courbe montrant l'évolution du champ coercitif du milieu magnétique faisant partie du support selon l'invention, en fonction du nombre de couches. On considère la figure 1 montrant le cycle d'hystérésis M(H) ou B(H) d'un matériau magnétique qu'on peut supposer être un alliage de chrome - cobalt, magnétiquement anisotrope, ce cycle étant celui qui est mesuré selon la direction de facile aimantation de ce matériau, qui est supposée perpendiculaire à la surface de celui-ci. EHs, Ms, Bs désignent respectivement le champ magnétique de saturation, l'aimantation de saturation et l'induction de saturation. - 6- Les quantités MR et BR désignent respectivement l'aimantation et l'induction rémanentes. La quantité Hc désigne le champ coercitif. Si l'on mène au point C d'ordonnée M=0 et d'abscisse -Hc la tangente au cycle d'hystérésis, cette dernière rencontre au point D' la parallèle à l'axe des abscisses mené au point D d'abscisse H = O et d'ordonnée +MR. On pose A = DD'. Les deux quantités S = MR/MS et S = A/Hc définissent la rectangularité du cycle. Pour un cycle parfaitement rectangulaire, on aura donc ss S = S *=l Il est entendu que, dans la suite de la description, toutes les quantités désignées ci-dessus (Hc, S, S,Mri Ms, Br, Bs, Hs) sont relatives aux propriétés magnétiques de tout matériau magnétique selon la direction de facile aimantation. On considère la figure 2a qui montre, vu en coupe selon un plan perpendiculaire a la surface du support _95 d'enregistrement, un tel support d'enregistrement perpendiculaire magnétiquement anisotrope selon l'art antérieur, à savoir MMA. Ce support d'enregistrement comprend: - un substrat SUBSA, par exemple, réalisé en verre, - un milieu magnétique d'enregistrement, ou couche magnétique d'enregistrement CMA d'épaisseur ec de l'ordre de quelques milliers d'angstr6ms à un micron environ, - une couche de protection CPA, en matériau magnétique. La couche magnétique CMA est supposée être réalisée de préf&rence en un alliage de chrome- cobalt tel que défini plus haut. - 7 - On observe que des matériaux magnétiques tel que le chrome- cobalt, de faible épaisseur, sont dans les conditions habituelles de dépôt de la pulvérisation cathodique radio fréquence sous vide, constitués de "grains" allongés d'orientation perpendiculaire au plan de la couche (et du substrat), ces grains pouvant être assimilés à des colonnes cylindriques dont l'axe de symétrie est perpendiculaire au plan du substrat. On montre que, pour que ces colonnes se forment, il faut que leur hauteur h mesurée perpendiculairement au plan du substrat SUBSA soit au minimum de l'ordre de 1000 à 2000 angstr5ms et que leur diamètre soit de l'ordre de 100 à 3000 angstr5ms. La figure 2b montre la disposition relative de quelques- unes de ces colonnes, à savoir 5 d'entre elles, qui sont dénommés respectivement COL1, COL2, COL3, COL4, COL5. Pour simplifier le dessin, ces colonnes sont ici représentées tangentes les unes aux autres. Leur axe de symétrie perpendiculaire au plan du substrat SUBSA est Ax. La structure cristallographique d'un alliage en chrome- cobalt est représentée à la figure 2c. C'est un polyèdre HEXA de base hexagonale, o les atomes de cobalt et de 2' chrome viennent se placer au sommet de chacune des deux bases hexagonales BAH1 et BAH2. L'axe c' de la maille hexagonale (vertical sur la figure 2c) est pratiquement normal au plan de la couche et au plan du substrat. Les axes des différentes mailles hexagonales et l'axe Ax des différentes colonnes sont donc pratiquement parallèles les uns aux autres. A la figure 2b, on n'a représenté que deux mailles hexagonales HEXA1 et HEXA2 voisines l'une de l'autre s'insérant à l'intérieur de la colonne COL5, mais il est bien évident qu'un nombre bien supérieur de mailles peuvent être contenus à l'intérieur d'une même colonne - 8- (quelques dizaines, voire quelques centaines et même davantage). Ceci permet de montrer comment les mailles hexagonales sont disposées à l'intérieur de chaque colonne. On voit donc que chaque colonne est constituée d'une pluralité de mailles hexagonale d'axe perpendiculaire au plan de la couche, mailles s'empilant les unes sur les autres. Il est bien évident qu'à la figure 2b, les échelles dimensionnelles ne sont pas respectées. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, la couche magnétique CMA présente une anisotropie magnétique perpendiculaire. On associe à ce phénomène une énergie d'anisotropie uniaxiale Ea et l'on montre que l'anisotropie magnétique a différentes origines, à savoir l'anisotropie d'origine magnétocristalline, l'anisotropie d'origine magnétostric- tive et l'anisotropie de forme. Ces trois formes d'anisotropie sont précisées ci-dessous. L'anisotropie magnétocristalline représente l'influence des axes cristallographiques tels que l'axe c représenté à la figure 2c. Dans le cas du chrome - cobalt, l'aimantation s'aligne préférentiellement le long des axes c. A cette anisotropie correspond une énergie Ek. L'anisotropie de forme est d e à la forme du matériau magnétique considéré. Ainsi, à partir d'une certaine épaisseur, des colonnes telles que les colonnes COL1 à COL5 représentées à la figure 2b, sont responsables de l'anisotropie de forme de la couche magnétique CMA en alliage de chrome - cobalt. A cette anisotropie correspond une énergie Ed. Comme indiqué plus haut, les contraintes internes à la couche GMA induisent un effet magnétostrictif négatif dans celle-ci à laquelle correspond une énergie Es (avec Es 0). -9- On a donc Ea = Ek + Ed + Es Ainsi, a partir d'une certaine épaisseur o les contraintes internes a la couche CMA deviennent relativement importantes, Es augmente, en -valeur absolue, Ea diminue et cela entraîne donc la diminution de la rectangularité du cycle, c'est-à-dire un affaiblissement des rapports S et S, ainsi que la diminution du champ coercitif Hc. Ceci est extrêmement désavantageux lorsque l'on veut utiliser de telles couches magnétiques d'enregistrement pour l'écriture ou la l1-cture d'informations à très haute densité. L'existence de contraintes internes à la couche a d'autres inconvénients, plus particulièrement illustrés à la figure 2d. On observe en effet, que la partie inférieure PINF du milieu magnétique CMA qui est en contact avec la surface du substrat SUBSA, peut se décoller de celui-ci, voire même, si l'adhérence entre le substrat et le milieu MA est grande, arracher une partie du substrat, quelque temps après le dépôt de la couche magnétique CMA sur ce substrat. Par ailleurs, l'état de surface de la partie supérieure PSUP de la couche CMA se dégrade lorsque l'épaisseur ec de la couche CMA croît. Cette partie PSUP présente alors une succession de creux CRE1, CRE2 et de bosses B01, BO2, (ces creux et ces bosses étant bien entendu observés à l'échelle microscopique) qui peuvent gêner les opérations de lecture ou d'écriture des transducteurs magnétiques de lecture ou d'écriture. Le support magnétique selon l'invention MI représenté à la figure 3 remédie aux inconvénients ci-dessus et permet d'améliorer très sensiblement les propriétés magnétiques de ce dernier par rapport au support magnétique selon l'art antérieur, ainsi qu'il sera démontré plus loin, en relation avec la figure 4. - 10 - Le support selon l'invention MMI est constitué par un empilement alterné de couches magnétiques et amagnétiques, disposé sur le substrat SUBSI. Les couches magnétiques sont désignées respectivement par CI1,CI2,....., CIn. A la figure 3, le nombre n a été choisi égal à 3. Les couches amagnétiques sont désignées respectivement par ISO1, ISO2,..., ISOn_-l. Chaque couche amagnétique est disposée entre deux couches magnétiques. Ainsi la couche isolante ISO1 est disposée entre les deux couches magnétiques CI1 et CI2, -la couche isolante ISO2 étant disposée entre les couches magnétiques CI2 et CI3. On désigne par CMI l'empilement multi-couches formé par l'ensemble des couches magnétiques CI1 a CIn et l'ensemble des couches amagnétiques ISO1 a ISOn_1. Il est recouvert d'une couche de protection CPI, par exemple soit en oxyde de silicium Si02, soit en monooxyde de silicium, soit dans un mélange de ces deux oxydes. Le substrat SUBSI est par exemple identique au substrat SUBSA représenté à la figure 2. Préférentiellement, les couches magnétiques sont constituées de chrome cobalt CrCo ou de tout matériau métallique magnétique à effet magnétostrictif négatif et les couches amagnétiques sont constituées de la âme manière que la couche de protection CPI, mais pourraient également être réalisées en alumine A1203. Le support magnétique selon l'invention MMI doit répondre aux critères suivants: -1. Les couches magnétiques CI1 a CIn doivent conserver la structure cristalline hexagonale, -2. Le matériau magnétique doit être formé de colonnes à axe de symétrie perpendiculaire au substrat, ainsi qu'il est montré à la figure 2b, -3. Ainsi que rappelé plus haut, les propriétés - 11 - d'anisotropie magnétique selon une direction normale au plan du support doivent être supérieures à celles du milieu magnétique selon l'art antérieur. Ces différents critères sont respectés en optimisant les épaisseurs ec1 à ecn des couches magnétiques et ei1 a einl des couches isolantes. De préférence, on a ece = ec2 =...= ecn= ec d'une part et d'autre part ei1. ein1 = ei. L'épaisseur ei des couches amagnétiques est très faible, de l'ordre en moyenne de 200 angstr5ms, (entre 150 et 250 Angstr5ms dans la pratique), de manière à ce que celles-ci soient suffisamment élastiques et souples pour suivre les mouvements imposés par les contraintes a l'intérieur des couches magnétiques CI a CIn et rendent meilleur leur état de surface en évitant sa déformation. Ainsi -la présence de l'ensemble des couches amagnétiques en oxyde de silicium SiO permet d'amortir les contraintes a l'intérieur des couches magnétiques de chrome - cobalt. Par ailleurs, l'épaisseur des couches amagnétiques indiquée ci-dessus est telle qu'elle permet un fort couplage magnétique entre les différentes couches magnétiques de chrome - cobalt. L'épaisseur ec de chacune des couches magnétiques doit se situer entre une valeur minimum de l'ordre de 1000 à 2000 Angstr5ms) de manière à ce que des colonnes telles que celles montrées A la figure 2b puissent se former et une valeur maximum (de l'ordre du micron) au-delà de laquelle les colonnes se déforment. Dans l'un comme l'autre des deux cas, (valeur minimum d'une part, valeur maximum d'autre part) leur axe de symétrie n'est -lus perpendiculaire au substrat, ce qui dégrade les propriétés d'anisotropie magnétique du milieu d'enregistrement - 12 - (affaiblissement du champ coercitif et affaiblissement de la rectanqularité du cycle). Ainsi qu'on peut le voir à la fiqure 3, la première couche qui est déposée sur le substrat SUBSI est une couche magnétique en chrome - cobalt mais il est -évident qu'on pourrait éqalement déposer en premier sur le substrat SUBSI une sous couche souple soit en oxvde de silicium Si0, soit en dioxyde Si02, soit dans un mélange des deux, ou encore une sous-couche perméable maqnétiauement par exemDle en nermallov Ni-Fe. comme indiqué dans le brevet français 2.428.886, déposé le 13 Juin 1978 par la Compaanie Internationale pour l'Informatique Cii Honeywell Bull sous le titre "Support d'informations maqnétiaue à enreaistrement perpendiculaire". De préférence, l'épaisseur totale (ec1 + ec2 +.....+ ecn) des différentes couches magnétiques est de l'ordre du micron. On considère désormais la fiqure 4 qui montre l'évolution du champ coercitif Hc mesuré en oersteds selon l'axe de facile aimantation de la couche CMI, (ce dernier étant perpendiculaire au plan du substrat SUBSI et des différentes couches CI1 a CIn), en fonction du nombre n de couches magnétiques CIn avec n x ec = constante = 1 micron. On suppose également que l'épaisseur de chacune des couches isolantes ISO1,......, ISOn_ reste constante de l'ordre de 200 angstrUms, de manière à ce que le couplage magnétique entre les couches voisines reste sensiblement constant quel que soit le nombre n de couches. De même l'épaisseur du substrat SUBSI reste constante, quel que soit le nombre n. Il est clair que la courbe représentée à la figure 4 représente également l'évolution du champ coercitif en - 13 - fonction de l'épaisseur ec des couches, celle-ci allant dû décroissant. On voit que le champ coercitif croît en fonction du nombre n de couches magnétiques (et est donc d'autant plus important que l'épaisseur de celleci diminue), jusqu'à ce que le nombre de couches n soit égal à dix. Le champ coercitif décroît ensuite lorsque le nombre de couches devient supérieur à quinze, l'épaisseur de celles-ci devenant inférieure à 700 angstr5ms). On observe une évolution tout à fait analogue des coefficients S et S * définissant la rectangularité du cycle d'hyst4résis (selon la direction de facile iD aimantation) de la couche CMI en fonction du nombre de couches n. Ainsi, si le coefficient S est de l'ordre de 0,09 pour n = l(monocouche analogue à la couche CMXA selon l'art antérieur) ce coefficient est de l'ordre de 0,20 pour n compris entre 5 et 15. De même, ce coefficient S diminue lorsque le nombre de couches devient supérieur à 15. On voit donc que les meilleurs résultats (valeur maximum du champ coercitif Hc et valeur maximum de S) sont obtenus pour un nombre de couches compris entre 5 et 15 et pour une épaisseur des couches comprise entre 700 et 2000 angstr5ms. Ceci peut s'expliquer par le fait que, pour ces épaisseurs, les colonnes du type des colonnes COL1 COL5 sont parfaitement formées et ont leur axe parfaitement perpendiculaire au plan du substrat SUBSI. Par ailleurs, pour ces mêmes épaisseurs, la structure cristalline hexagonale à axe t 'erpendiculaire au plan du substrat est conservée. L'existence de couches amagnétiques souples et élastiques de faible épaisseur, du type des couches ISO1 a - 14 - IS02 montrées à la figure 3 présentent d'autres avantages à savoir, d'une part, le fait que la partie inférieure de la couche CMI en contact avec le substrat ne se décolle plus de celui-ci, en raison de la diminution des contraintes internes à la couche et d'autre part le fait que l'état de surface de la partie supérieure de la couche CMI (en contact avec la couche de protection CPI) est correct et meilleur que celui des couches CMA selon l'art antérieur (se référer à la figure 2d). Un autre avantage de l'invention est de permettre le dépôt des couches magnétiques et amagnétiques sur le subs-tra;- _ SUBSI, par pulvérisation cathodique radio fréquence sous vide, avec des températures de dépôt beaucoup plus faibles que pour les milieux d'enregistrement appartenant au support d'enregistrement selon l'art antérieur. - 15 - Revendications: 1. Support d'enregistrement perpendiculaire magnétiquement anisotrope comprenant un substrat amagnétique (SUBSI) sur lequel est déposé un milieu magnétique métallique à effet magnétostrictif négatif de faible épaisseur (CMI) dont la direction de facile aimantation est perpendiculaire à sa surface, caractérisé en ce que, dans le but de minimiser l'effet magnétostrictif dans le milieu magnétique métallique, ce dernier est constitué par un empilement de couches magnétiques et amagnétiques minces alternées (CI1 à CIn, IS01 à ISOn-) les couches amagnétiques(IS01 à ISOnl) étant suffisamment souples pour amortir l'effet des contraintes dans les couches magn'tiques et leur épaisseur très faible pour permettre un fort couplage magnétique entre ces dernières. 2. Milieu d'enregistrement selon la revendication. 1 caractérisé en ce que l'épaisseur des couches amagnetiques est de l'ordre de 200 angstrSms. 3. Milieu d'enregistrement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 cacactérisé en ce que le nombre n de couches magnétiques est compris entre 5 et 15. 4. Milieu d'enregistrement selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 caractérisé en ce que l'épaisseur des couches magnétiques est comprise entre 700 et 2000 angstr5ms. 5. Milieu d'enregistrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les couches magnétiques sont réalisées en alliage de chrome - cobalt 6. Milieu d'enregistrement selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 caractérisé en ce que les couches amagnétiques sont réalisées en mono oxyde de silicium SiO ou dioxyde de silicium SiO2 ou dans un mélange de ces deux oxydes.