Brevet FR2611970A1 — publié le 19880909

PROCEDE DE REALISATION D'UNE TETE MAGNETIQUE EN COUCHES MINCES ET APPLICATION A UNE TETE D'ENREGISTREMENT/LECTURE L'invention concerne un procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces comportant des matériaux différents selon les zones de la couche. Elle concerne également une tête d'enregistrement/lecture réalisée selon ce procédé. La réalisation de couches minces dont l'épaisseur peut être de l'ordre de 2 à 5 micromètres ne permet pas selon les techniques connues d'obtenir, dans une même couche, des zones d'une composition déterminée voisinant avec des zones d'une composition différente et cela avec des frontières nettes entre les zones. Selon l'invention une telle structure dont certaines zones comportent des matériaux plus durs forme une structure offrant une plus grande résistance à une usure superficielle. Cette structure trouve une application préférentielle dans une tête magnétique d'enregistrement/lecture. Les têtes magnétiques intégrées sont produites actuellement comme éléments de lecture ou d'écriture pour disques durs. Dans ce cadre d'utilisation, les têtes magnétiques flottent au-dessus de la surface du disque. Leur hauteur de vol est de 0,3 micromètres environ et durant leur utilisation ne frottent jamais le disque sauf lors du démarrage ou de l'arrêt du disque. Par contre, dans les appareils du type magnétoscopes, le support d'enregistrement est une bande magnétique soit en oxyde, soit en métal et les têtes sont en contact avec la bande. Il en résulte une usure qui selon les normes actuelles pour les têtes VHS est de 20 micromètres pour 2000 heures de fonctionnement, fixant ainsi la durée de vie du magnétoscope. Pour les têtes en couches minces, le problème de l'interface bande-tête d'enregistrement/lecture est plus crucial puisqu'il s'agit de dimensions de l'ordre de quelques 26 1 1970 micromètres pour les parties actives magnétiques. En effet, les dépôts de couches minces ont des épaisseurs de l'ordre de 5 micromètres et l'entrefer est de 0,2 micromètre, le substrat sur lequel les couches sont disposées étant de l'ordre de 500 micromètres d'épaisseur. Dans ces conditions, on a intérêt à se prémunir contre une usure prématurée de ces têtes magnétiques. Les couches minces magnétiques actuellement sur le marché sont effectuées par pulverisation cathodique de matériaux tels que Fe, Ni, ou des mélanges FeSiAl. La structure résultant d'une pulvérisation cathodique est une structure polycristalline et localement inhomogène. Par contre la réalisation de tels composants utilise, selon l'invention, une technique connue de dépôt épitaxié par chauffage laser tel que décrite dans l'article: "Laser sélective deposition of GaAs on Si" de.M BEDAIR et al publié dans la revue Applied Physic Letter n 48(2) du 13 janvier 1986. La souplesse technologique du procédé de l'invention permet d'envisager des structures de dépôts adjacents ou empilés, adaptées à l'utilisation que l'on veut faire de la tête magnétique. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes: - une première phase au moins, de dépôt sur un substrat de premières zones à l'aide d'un mélange contenant des composants durcisseurs; - une deuxième phase, au moins, de dépôt sur le substrat de deuxièmes zones à l'aide d'un mélange contenant des composants optimisant les caractéristiques magnétiques du matériau; une troisième phase de dépôt d'une couche d'un matériau amagnétique sur les premières et deuxièmes zones; - une quatrième phase de réalisation d'un bobinage inducteur; - une cinquième phase, au moins, de dépôt sur la couche de matériau amagnétique de troisièmes zones correspondant aux premières zones a l'aide d'un mélange contenant des composants durcisseurs; - une sixième phase, au moins, de dépôt sur la couche de matériau amagnétique, de quatrièmes zones correspondant aux deuxièmes zones, à l'aide d'un mélange contenant des composants optimisant les caractéristiques magnétiques du matériau. L'invention concerne également une tête magnétique d'enregistrement/lecture en couches minces comportant déposées successivement sur un substrat, une première couche d'un matériau magnétique, une couche d'un matériau amagnétique, une deuxième couche d'un matériau magnétique, et présentant un flanc auquel affleurent les différentes couches, ledit flanc constituant une surface active d'enregistrement contre laquelle se déplace un support d'enregistrement magnétique, caractérisé en ce que la première et la deuxième couches de matériau magnétique comportent, dans une première zone et une troisième zone voisines dudit flanc, un matériau durcisseur augmentant la résistance à l'usure de la tête magnétique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation d'une structure de couches anti-abrasion selon l'invention; - la figure 2, un exemple d'appareillage permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention - les figures 3 et 4, un exemple de réalisation d'une tête magnétique d'enregistrement/lecture selon l'invention; - la figure 5, un exemple de variante de réalisation d'une tête magnétique selon l'invention; - la figure 6, un exemple de réalisation de tête magnetique planaire selon l'invention; La conception de structures en couches minces dont les différentes couches sont constituées de zones distinctes de 261 1970 compositions différentes peuvent trouver des applications dans la technique, telle que l'application à des têtes magnétiques d'enregistrement/lecture réalisées en couches minces. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure en couches minces comportant sur un substrat 1, une première couche mince 2 constituée de plusieurs zones 20, 21, une deuxième couche mince 4 constituée de plusieurs zones 40, 41. Les différentes zones des couches 2 et 4 sont réalisées avec des matériaux différents. Selon l'exemple de réalisation de la figure 1, il est prévu deux types de zones pour les deux couches 2 et 4. On trouve des zones telles que 20 et 40 représentées avec des pointillés et des zones 21 et 41 représentées avec des hachures. Les zones 20 et 40 sont réalisées en matériau durci par exemple. Les zones 21 et 41 sont réalisées en matériau magnétique. L'épaisseur de chaque couche 2 et 4 peut être comprise entre quelques centaines d'Angstroems et 5 micromètres environ tout dépend des caractéristiques magnétiques de 21 et 41. Chaque zone a été représentée sous forme d'un carré qui peut avoir quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres de côté. Cependant la forme des zones peut être différente selon l'application envisagée. Selon le type d'application les zones de compositions différentes des deux couches 2 et 4 peuvent être situées en vis à vis, la zone 20 de la couche 2 étant en vis à vis de la zone 41 de la couche 4 et la zone 21 de la couche 2 étant en vis à vis de la zone 40 de la couche 4. Pour réaliser une structure ainsi décrite on utilise un appareillage permettant de faire des dépôts par épitaxie de métalorganiques en phase vapeur (MOCVD ou Metalorganic Chemical Vapor Deposition en terminologie anglosaxone). Cet appareil comporte une enceinte ou réacteur possédant un suscepteur 70 sur lequel est posé le substrat 1. L'enceinte 2 61 1970 possède une entrée 71 et une sortie 72. A l'entrée 71 sont raccordées des canalisations d'entrée de gaz. Ces différentes canalisations permettent d'alimenter l'entrée 71 à l'aide de mélanges d'organométalliques OM1, OM2, . OM5 contenant chacun un composé tel que, par exemple, du nickel pour OM1, du silicium pour OM2, du fer pour OM3 de l'aluminium pour OM4 et du chrome pour OM5. D'autres canalisations permettent d'alimenter en hydrogène et en composés de types III-V ou..DTD: II-VI, ou en métaux. Une source laser 5 fournit un faisceau lumineux R permettant un échauffement localisé, au niveau du substrat 1, du fluide F provenant de l'entrée 71. Un déviateur 6 permet de dévier le faisceau R et de déplacer le point d'échauffement du faisceau sur le substrat de façon à balayer toute une zone. La commande de ce balayage peut se faire par un programme préétabli d'ordinateur. Le temps de chauffage de chaque point doit être optimisé, de quelques millisecondes à quelques secondes. Dans le cas de zones réparties sur un substrat de grande surface on prévoit après balayage d'une ou plusieurs zones de déplacer le substrat par rapport à la source laser pour balayer d'autres zones. Le dépôt de zones de constitutions différentes se fait par dépôt des zones d'une nature déterminée à l'aide d'un mélange gazeux approprié. Lorsque toutes les zones de même nature ont été implantées, on effectue une purge de l'enceinte et on procède au dépôt des autres zones à l'aide d'un autre mélange gazeux. Dans le cas d'une structure en damier telle que représentée en figure 1, le déplacement du substrat par rapport au laser pourra se faire par déplacements linéaires successifs et par rotation du substrat sur lui-même. On peut également prévoir un déplacement du faisceau laser en gardant le substrat fixe ou prévoir une combinaison des déplacements du laser et du substrat. 26 1 1970 Dans le cas d'une application à une couche anti-abrasion, on part de la plaquette substrat S, puis on chauffe suivant un motif en damier de carrés, de dimensions compatibles avec la tache laser (10 x 10X), sous les gaz (éthylènes, méthylènes...) pour déposer. Ensuite on réinitialise la trajectoire laser de façon à décrire un autre motif en damier complémentaire du précédent motif en damier, pour déposer Si en injectant le silane. On peut soit translater et faire effectuer une rotation au substrat, soit au laser, soit aux deux à la fois, suivant la configuration cherchée. - L'épitaxie MOCVD laser permet ainsi d'effectuer des dépôts monocristallins très localisés en surface et en épaisseur. Les gaz en présence se décomposent sur la partie chauffée par le laser (quelques centaines de degrés) et la croissance est proportionnelle au temps d'illumination de la partie concernée. L'avantage du procédé ainsi décrit est qu'il ne nécessite aucune opération de masquage. En se reportant aux figures 3 et 4, on va maintenant décrire un exemple d'application de la structure précédemment décrite à la réalisation d'une tête magnétique d'enregistrement/lecture. Par exemple, une tête magnétique intégrée pour applications vidéo, c'est-à-dire défilant à 5m/s sur une bande magnétique oxyde ou métal, doit résister à l'usure sur la partie en contact avec la bande, et avoir la meilleure perméabilité magnétique possible, à proximité de la bande, pour améliorer le rapport signal/bruit. C'est pourquoi l'invention concerne une structure de tête magnétique résistant à une telle usure. Sur la figure 4, on voit qu'une telle tête magnétique en couches minces comporte sur un substrat 1 constitué, par exemple, d'une couche d'alumine déposée sur une céramique, une première couche 2 d'un matériau magnétique recouverte d'une couche 3 d'un matériau amagnétique. Un bobinage plan 8 chevauche la couche magnétique 2. Une deuxième couche 4 d'un matériau magnétique, isolée du bobinage 8 par un isolant 30, 261 1970 recouvre la première couche magnétique. Les deux couches magnétiques 2 et 4 sont en contact l'une avec l'autre au centre du bobinage 8 et possèdent en commun une zone 24 permettant le passage du flux magnétique. Du côté opposé à cette zone 24 se trouve la partie active 25 de la tête. Les deux couches 2 et 4 sont séparées par la couche de matériau amagnétique 3 et le circuit magnétique est ouvert, la couche 3 déterminant l'entrefer de la tête magnétique. En passant devant la partie active 25, un support magnétique permet l'enregistrement ou la lecture d'informations à l'aide du bobinage 8. Pour compléter la tête magnétique une pièce de substrat 9 recouvre, par collage, l'ensemble de la couche 4 et du bobinage 8. Dans les têtes connues, la partie active a une épaisseur de quelques micromètres (5 micromètres par exemple) et une hauteur h de quelques dizaines de micromètres (20 à 50 micromètres par exemple). Cette partie active comporte, selon l'invention, des zones en matériau durci 20 et 40. Sur la figure 4, ces zones sont localisées à l'extrémité de la partie active de la tête et sont réalisées dans les couches 2 et 4. Selon le procédé de réalisation précédemment décrit ces zones sont réalisées par un dépôt épitaxié qui permet de durcir la couche mécaniquement par dopage par exemple de CSi. Ce dopage résulte d'un compromis entre la détérioration des propriétés magnétique et la dureté mécanique. Il est à noter que les propriétés magnétiques des couches 2 et 4 non durcies peuvent être excellentes. Les couches réalisées sont reproductibles en ce qui concerne les performances magnétiques. Comme décrit précédemment, avec un rayon de laser on décompose les organométalliques, et les hydrures de façon à induire une croissance monocristalline contrôlée dans une surface inférieure à quelques pm2. Aussi on fait des monocristaux orientés de différents matériaux, l'un à côté de l'autre. Les couches 2 et 4 sont réalisées chacune sous forme d'une bande bordant l'extrémité 26 de la tête magnétique en contact avec un support magnétique. Comme cela est représenté en figure 4, la couche de matériau magnétique 3 peut être également durcie dans une zone 30. Selon une variante de réalisation d'une tête magnétique selon l'invention, telle que représentée en figure 5, les couches 2 et 4 ne comportent pas de zone durcie. Par contre, la surface 26 de la partie active 25 de la tête est revêtue d'une couche d'un matériau amagnétique 27. Cette couche 27 comporte des zones en matériau durci telle que les zones hachurées de cette couche et des zones en matériau lubrifiant telles que les zones en pointillés. Ces zones peuvent, selon un mode de réalisation, être disposées en damier. Une tête magnétique d'enreglstrement/lecture ainsi décrite peut être réalisée selon le même procédé que celui décrit précédemment par dépôt épitaxiale par chauffage laser. Des têtes magnétiques peuvent être obtenues par ce procédé avec une tache du faisceau laser de 100 micromètres carré, une vitesse de balayage de 50 micromètres par seconde et une vitesse de dépôt de 100 Angstroems par minute. Pour avoir une épaisseur supérieure, il suffit d'agir sur la vitesse de déplacement, sur la puissance du laser, ou sur la quantité d'organométalliques alimentés dans le rédacteur. La figure 6, représente une variante de réalisation selon l'invention dans laquelle la tête magnétique est une tête planaire revêtue d'une couche antiabrasion 27 constituée de zones en matériau dur et de zones en matériau lubrifiant. Selon une variante du procédé de réalisation de la tête magnétique on effectue l'épitaxie des différentes couches sans faisceau laser c'est à dire par la méthode usuelle de dépôt épitaxial d'organométalliques (MOCVD) ou par une méthode de dépôt par jet moluculaire (MEB = Molecular Electron Beam). 261197C La méthode MOCVD (ou MBE) permet à l'aide de gaz de transport de déposer sur le substrat des atomes de Fe, Ni, A1, Si, Mo, Co... et ceci peut être de façon monocristalline. Ainsi donc, la structure proposée de couches minces (Têtes Vidéo - Têtes Winchester) sera un empilement de couches monocristallines (NiFe/A1203/NiFe par exemple). Pour réaliser les zones de constitutions différentes on procède par masquage. Pour la réalisation d'une couche, on masque certaines zones, on effectue un dépôt par épitaxie sur les autres zones à l'aide de composés déterminés. Ensuite, on démasque les zones masquées et on masque les zones ayant subi le dépôt précédent. Enfin, on effectue un autre dépôt sur les zones démasquées à l'aide de composés différents. On réalise ainsi la première couche 2 de la tête magnétique. Ensuite on dépose une couche de matériau amagnétique 3. On réalise le bobinage 8 que l'on recouvre d'un isolant 30. On effectue ensuite le dépôt de la deuxième couche 4 de la même facon que la couche 2. Enfin, par collage on recouvre l'ensemble, pour compléter la tête magnétique, d'un substrat 9. On obtient ainsi une tête dont les caractéristiques physiques issues du dépôt monocristallin seront largement améliorées et le moment magnétique résultant notamment peut atteindre une valeur 10 fois plus élevées que celle donnée par d'autre méthodes telle que la pulvérisation cathodique. Au niveau de la réalisation pratique des têtes, on aura une plus grande longueur de bec h vers la "qualité" du circuit magnétique (h- 20 à 50 jrm) ce qui rend les problèmes d'usure moins cruciaux. On gagne aussi en nombre de spires c'est à dire que l'on peut diviser l'importance de celui- ci par 2 tout en ayant la même efficacité de la tête. A titre indicatif, l'épaisseur des couches 2 et 4 pourra être de 2 à 5 micromètres et celle de la couche 3 de 0,2 à 0,3 micromètre. 261 197C Il est bien évldent que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les valeurs numériques n'ont été données que pour illustrer la description et matérialiser l'invention A l'intention de l'homme de l'art. il REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes: - une première phase, au moins, de dépôt, sur un substrat (1), de premières zones (20) à l'aide d'un mélange contenant des composants durcisseurs; - une deuxième phase, au moins, de dépôt sur le substrat (1), de deuxièmes zones (21) à l'aide d'un mélange contenant des composants optimisant les caractéristiques magnétiques du matériau - une troisième phase de dépôt d'une couche d'un matériau amnagnétique (3) sur les premières et deuxièmes zones, - une quatrième phase de réalisation d'un bobinage inducteur; - une cinquième phase, au moins, de dépôt, sur la couche de matériau amagnétique (3), de troisièmes zones (40) correspondant aux premières zones (20) à l'aide d'un mélange contenant des composants durcisseurs; - une sixième phase, au moins, de dépôt, sur la couche de matériau amagnétique (3), de quatrièmes zones (41) correspondant aux deuxièmes zones (21), à l'aide d'un mélange contenant des composants optimisant les caractétistiques magnétiques du matériau. 2. Procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dépôts sont faites par épitaxie d'organométalliques en phase vapeur et par masquage des zones à ne pas épitaxier. 3. Procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première, deuxième, quatrième, cinquième et sixième phases sont réalisées par épitaxie d'organométalliques en phase vapeur par échauffement laser localisé. 26 1 1970 4. Procédé de réalisation d'une tête magnétique en couches minces caractérisé en ce qu'il comporte en fin de réalisation de la tête, le dépôt sur la surface active de la tête, par épitaxie d'organométalliques par échauffement laser localisé de zones en matériau durci et de zones en matériau lubrifiant. 5. Tête magnétique d'enregistrement/lecture en couches minces selon la revendication 1, comportant déposées successivement sur un substrat (1), une première couche d'un matériau magnétique (2) une couche d'un matériau magnétique (3), une deuxième couche d'un matériau magnétique (4), et présentant un flanc (26) auquel affleurent les différentes couches, ledit flanc constituant une surface active d'enregistrement contre laquelle se déplace un support d'enregistrement magnétique, caractérisé en ce que la première et la deuxième couches de matériau magnétique (2,4) comportent, dans une première zone (20) et une troisième zone (40) voisines dudit flanc, un matériau durcisseur augmentant la résistance A l'usure de la tête magnétique. 6. Tête magnétique d'enregistrement/lecture en couches minces selon la revendication 4, comportant déposées successivement sur un substrat (1), une première couche d'un matériau magnétique (2), une couche d'un matériau amagnétique (3), une deuxième couche d'un matériau magnétique (4) , et présentant un flanc auquel affleurent les différentes couches, ledit flanc constituant une surface active d'enregistrement (26) contre laquelle se déplace un support d'enregistrement magnétique, caractérisé en ce que la surface active d'enregistrement (26) est revêtue d'au moins une couche 27 d'un matériau amagnétIque comportant des zones durcies et des zones lubrifiantes empilées à 2 dimensions ou 3 dimensions de façon égale ou inégale. 7. Tête magnétique d'enregIstrement/lecture en couches minces selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que les zones durcies et les zones lubrifiantes sont constituées d'empilements alternés de zones durcies et de zones lubrifiantes. 2 6 1 1 9 7 0 8. Tête magnétique d'enregistrement/lecture en couches minces selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche de matériau amagnétique (3) comporte une zone (30) en matériau durci voisinant les première et deuxième zones (20, 40).