Brevet FR2645315A1 — publié le 19901005

TETE MAGNETIQUE DE LECTURE A MAGNETORESISTANCE POUR ENREGISTREMENT PERPENDICULAIRE ET PROCEDE DE REALISATION D'UNE TELLE TETE. La présente invention a pour objet une tête magnétique de lecture à magnétorésistance pour enregis- trement perpendiculaire, ainsi qu'un procédé de réalisa- tion d'une telle tête. L'invention trouve une arplication dans La Lecture et éventuellement dans l'écriture d'informations sur un support tel qu'un disque ou une bande. Une tête magnétique connue de lecture et d'é- criture de type horizontal pour enregistrement perpendi- cuLaire est représentée sur la figure 1. On y voit une couche magnétique épaisse horizontale 2 présentant une pièce polaire centrale 3, un bobinage conducteur 4 entourant cette pièce polaire et enterré dans une coucre isolante 5, un monopole magnétique mince 6 pro- longeant La pièce polaire centrale et, enfin, une couche diélectrique dure 7 permettant d'oztenir une surface extérieure plane ("plan de vol"). Le support sur lequeL Les informations sont écrites et lues est constitué d'une couche magnétique déposée sur un substrat 12. L'ensenmLe défile aevant Le monopole 6. Le fonctionnement d'un teL dispositif est schématiquement le suivant. Le champ magnétique créé par circulation d'un courant dans Le bobinage 4 voit ses lignes très resserrées dans le monopole 6 et se diviser pour venir se refermer par Les pièces poLaires latérales de la couche magnétique épaisse 2. Dans ces conditions, l'induction magnétique dans la zone d'enre- gistrement de la couche 10 est perpendiculaire à cette couche. C'est pourquoi ces dispositifs sont qualifies de têtes à enregistrement "perpendiculaire" (ou "verti- caL"). A La Lecture, La variation du fLux capté par Le monopoLe induit un courant dans Le bobinage. Une telLe tête est décrite dans Le brevet américain US-A-4,731,157 déLivré à J.P. LAZZARI Le 15.03.1988. Il faut observer accessoirement qu'on connaît une autre catégorie de têtes de lecture et d'écriture conçues pour écrire ou Lire une induction magnétique située dans le plan de la couche magnétique. Ces têtes sont aites à enregistrement "Longitudinal" (ou "horizon- taL"). ElLes comprennent un circuit magnétique à entre- fer. ElLes ne jouent pas de rôLe direct dans la présente invention. Indépendamment de cette technologie des têtes à couches minces, on a cherché à constituer des têtes de lecture d'information magnétique à l'aide d'éléments magnétorésistants. On sait qu'une magnétorésistance possède une aimantation dont la direction peut tourner sous l'etfet d'un champ magnétique extérieur. Cette rotation s'accompagne d'une variation L R de la résis- tance R de la couche. Cette résistance peut être mesurée en faisant passer un faible courant dans La couche. En pratique, pour une couche de fer-nickel d'épaisseur 0,1 p m, La variation de résistance est d'environ 1%- lorsque L'angle de L'aimantation tourne de 90 . Pour augmenter La sensibilité de la mesLre et améliorer La Linéarité, on peut orienter préalaDLe- ment L'aimantation de la couche magnétorésistante à des lignes de courant. Le orevet américain US-A-4,703,378 décrit un tel dispositif à magnétorésistance, laqueLLe est pLacée sous un intervaLLe interrompant un circuit magné- tique fcrmant ur. entrefer. De même, le document de brevet européen EP-A-284 495 décrit un dispositif à ceux magnétorésis- tances placées à l'arrière d'un circuit magnétique définissant un entrefer. Dans tous les cas, il s'agit de têtes pour enregistrement longitudinal, c'est-à-dire avec entrefer. On ne connaît pas de dispositif à enregistrement perpen- dicuLaire muni de magnétorésistance. La présente invention vise justement à remédier à cette carence en proposant une tête à couches minces pour enregistrement perpendiculaire avec éLément magné- torésistant. Or, dans le cas des têtes à enregistrement perpendiculaire, la présence du monopole rend l'intro- duction d'une magnétorésistance délicate, et l'on ne peut pLus utiLiser Les moyens propres aux têtes à entre- fer. La présente invention résout cette difficulté par L'utiLisation d'un élément magnétorésistant en forme ce U disposé dans deux intervalles ménagés dans La coucne magnétique, les deux rubans constituant les deux branches au U étant parallèles au monopole. Ces deux rubans sont par ailleurs réunis par un pont égale- ment magnétorésistant. Une telle tête constitue seulement un moyen de lecture. Mais il est toujours possible de lui adjoin- dre un bobinage conducteur pour obtenir simultanément un dispositif d'écriture. La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une telle tête. De toute façon, Les caractéristiques de l'in- vention apparaîtront mieux à La Lumière de la descrip- tion qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et elle se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1, déjà décrite, iLLustre une tête magnétique à enregistrement perpendiculaire seLon l'art antérieur, -.La figure 2 montre une première étape du procédé de réalisation seLon l'invention, - La figure 3 montre une deuxième étape du procédé consistant en un dépôt de couches, - la figure 4 montre, en coupe, un motif gravé, - la figure 5 montre ce motif en perspective, La figure 6 illustre le dépôt d'un isolant sur les parois Laterales du motif, - La figure 7 montre une étape supplémentaire de constitution d'une couche magnétique épaisse, - la figure 8 montre une coupe de la tête finalement obtenue, - La figure 9 montre cette tête en vue de dessus, - la figure 10 montre schématiquement la répar- tition du flux magnétique de Lecture, - la figure 11 montre L'orientation de l'aiman- tation oans la couche magnétorésistante au repos, - La figure 12 montre les rotations opposées de cette aimantation dans le cas d'une lecture différen- tie LLe, - la figure 13 montre les variations de résis- tance des deux rubans magnétorésistants dues à ces rotations, - la figure 14 montre schématiquement les lignes d'un champ de polarisation, - la figure 15 illustre La rotation de L'aiman- tation dans une Lecture en série, - la figure 16 montre La variation de résistan- ce de chacun des rubans magnétorésistants due à cette rotation, - la figure 17 (a, b, c, d) illustre quatre branchements possibles pour Le bobinage conducteur et l'élément magnétorésistant. Les figures 2 à 8 montrent diverses étapes d'un procédé de réalisation d'une tête de Lecture et d'écriture conforme à L'invention: - dans un substrat semi-conducteur 20, par exemple en silicium, on creuse un caisson 22 (figure 2), - au fond de ce caisson 22 on dépose un ensemble de trois couches constituées par une première couche isolante 24, par exemple en siLice SiO2, par une couche de matériau magnétorésistant 26, par exemple en fer-nickel, et par une seconde couche isolante 28, par exemple en silice (figure 3), - on grave cet ensemble de trois couches avec un masque de résine 30 (figure 4) pour obtenir un motif en U. référencé 32 (figure 5), avec deux Dranches conte- nant deux rubans magnétorésistants 34 et 35 et un pont magnétorésistant 36; dans cette opération de gravure, on prend garde ce ne pas dissoudre la résine 30 qui a servi ce masquage, - on dépose sur Les parois latérales de ce motif gravé une couche isolante verticale 44 (figure 6) et ce, par une technique décrite dans le brevet américain US-A-4,731,157 déjà cité; ces couches peuvent avoir 0,2 ou 0,3 Pm d'épaisseur, - on combLe une partie du caisson par une couche magné- tique d'épaisseur de 2 à 5 Pm pour obtenir une pièce polaire centrale 50 entre les deux rubans 34, 35 et deux zones latérales 51, 52 de part et d'autre du motif (figure 7); cette opération peut s'effectuer par dépôt éLectrolytique, comme décrit par exemple dans La demande de brevet européen EP-A-0 262 028, à l'aide d'une couche conductrice formant électrode, soit en utilisant le substrat 20 comme électrode s'il est suffisamment conducteur, - on constitue un monopoLe 56 au-dessus de La pièce poLaire centrale 50, comme décrit dans le brevet américain US-A-4, 731,157 et on comble l'ensemble de part et d'autre du monopoLe par un matériau diélec- trique dur 53, de La silice par exempLe et on plana- rise (figure 8). Pour obtenir une tête pouvant servir à L'écri- ture en plus de la lecture, on formera, un bobinage conducteur 54 comme iLLustré sur La figure 8, en utiLi- sant la technique décrite dans le brevet américain susvisé. Dans Le cas contraire, on limitera la couche magnétique déposée par éLectrolyse jusqu!à ce qu'elle affleure en haut de la couche de résine 30 et l'on formera ensuite le monopole vertical, ce qui réduira un peu La hauteur de la tête. La figure 9 montre, en vue de dessus, la tête obtenue dans la variante à bobinage. Cette figure fait apparaître les deux plots ae connexion 38 et 40 pris aux extrémités libres ces deux rubans 34 et 35. Ces connexions sont prises -à travers la résine 30 et La couche isolante supérieure 28 (cf figures 4 et 5). On peut également prendre un contact sur le pont 36 pour obtenir un fonctionnement différentiel comme on le comprendra mieux par La suite. Les figures 10 à 13 illustrent le fonction- nement de la tête à la Lecture, dans un mode que l'on peut quaLifier de différentieL. Sur La figure 10, o certains moyens annexes n'ont pas été représentés par simplification, on voit que Le flux de fuite p1 provenant de la couche d'enre- gistrement défilant devant la tête est capté par Le monopoLe 56 et se divise en deux flux 2, 3 dirigés seLon des directions opposées. Ces flux traversent les rubans magnétorésistants 34, 35. On observera que L'épaisseur de La couche magnétorésistante (environ 0,1 mm) est beaucoup plus faible que celLe de La couche magnétique (50, 51, 52) (de 2 à 5 Dm), de sorte que le champ correspondant aux flux q2 et ó3 crée une induction intense dans la couche magnétorésistante. Ceci aura pour effet de faire tourner l'aimantation de la couche magnétorésis- tante. Au repos, c'est-à-dire en dehors de tout champ extérieur, l'induction magnétique dans la couche magné- torésistante est à 45 par rapport à l'axe du monopole (figure 11). Cette direction d'aimantation, donnée par l'anisotropie magnétocristalline lors de la croissance de la couche mince magnétorésistante 26 est contrecarrée par l'anisotropie due à la forme en ruban des éLéments magnétorésistants; cette seconde arisotropie, supérieure à la précédente, a tendance à orienter l'aimantation au repos dans le sens de la longueur des rubans. Cependant, lorsque la couche épais- se de fer-nickel 50, 51, 52 est réalisee, elle entoure très étroitement Les rubans magnétorésistants, puis- qu'elle n'est séparée d'eux que par les murs isolants 44 (cf figure 6) dont l'épaisseur est ce 0,2 à 0,3 pm. De ce fait, la couche mince constituant les rubans magnétorésistants est très couplée à la couche épaisse de fer-nickel, ce qui minimise les champs démagnétisants sur les bords du ruban et réduit considérablement l'im- portance de l'anisotropie de forme. Dès lors, l'orientation de l'aimantation dans la couche magnétorésistante est bien à 45 comme illus- tré sur la figure 11. Le basculement de l'aimantation provoqué par les flux 42 et 43 est illustré sur la figure 12: l'aimantation tourne de - o dans la branche 34 et de + a dans la branche 35. Un courant 37 circulant dans les deux branches permettra de lire deux résistances différentes correspondant aux résistances du matériau pour des orientations (45- a)o et (45+ a)o. La variation relative de cette résistance, soit L R/R, est représentée sur la figure 13. La résis- tance augmente dans la branche de gauche et diminue dans la branche de droite. En connectant un amplifica- teur différentiel entre Les extrémités des rubans 34 et 35, par rapport à La sortie commune 36, l'excursion de mesure sera doublée par rapport à la variation in- trinsèque de résistance du matériau magnétorésistant. En revanche, un flux magnétique parasite venant de l'extérieur aura la même direction dans les deux branches de l'éLément magnétorésistant et ne perturbera pas la mesure. Un second mode d'utilisation du dispositif de l'invention peut être retenu, qui est illustré sur les figures 14 à 16. Dans ce cas, on fait passer un faible courant dans le bobinage conducteur 54 (cf fi- gure 8) servant à l'écriture (la tête doit donc être conçue avec un tel bobinage, c'est-à-dire à la fois comme tête de Lecture et tête d'écriture) . Le champ de nolarisation Hp prend des airections opposées (fi- gure 14). Ce faible courant impose une aimantation dans la couche magnétorésistante, qui est toujours à 45 de l'axe du monopole, mais est orientée dans des directions différentes dans les deux branches de l'élément magnétorésistant (Figure 15). Dès Lors, un champ de lecture HI, fera basculer l'aimantation d'un angle a de la même manière dans les deux branches (Figure 15). La variation relative de résistance AR/R due à la rotation d'angle sera alors la même dans Les deux branches. Dans ce cas, il n'y a plus de mode commun,- comme en montage différentiel, mais au contraire deux moyens identiques montés en série. Cette variante pré- sente l'avantage de ne plus nécessiter de troisième plot de connexion sur Le pont 36. Les deux. plots pris aux extrémités Litres des ruzans 34 et 35 suffisent. La figure 17 montre quelques modes de connexions des diverses entrées-sorties de La tête. Sur La partie (a), Les bornes 61, 62 du bobina- ge conducteur 54 sont indépendantes des trois bornes 36, 38, 40 de L'éLément magnétorésistant 34, 35. Ce dernier est connecté pour un fonctionnement en différen- tieL avec trois connexions. Sur la partie (b), la connexion 36 de L'éLément magnétorésistant est reLiée a l'une des bornes 62 du bobinage conducteur 54, toujours dans un mode de fonc- tionnement différentiel. Sur La partie (c) l'éLément magnétorêsistant ne présente que deux connexions, pour un fonctionnement en série et les connexions du bobinage sont indépendan- tes des connexions de l'éLément magnétorésistant. Sur La partie (d) enfin, les bornes 38 et 62 sont réunies entre eLLes et l'éLément magrnétorésis- tant fonctionne en série. REVENDICATIONS 1. Tête magnétique de Lecture de type horizon- tal pour enregistrement perpendiculaire comprenant: un substrat semiconducteur (20), une couche magnétique horizontale présentant une pièce poLaire centraLe (50) surmontée d'un monopole mince vertical (56) affLeurant x La surface de la tête, caractérisée par Le fait que la couche magnétique est interrompue par deux interval- les disposés symétriquement par rapport au plan du monopoLe (56) et paraLLèLes au monopoLe, et qu'elle compreno un éLément magnétorésistant en forme de U constitué de deux rubans (34, 35) paraLLèLes au monopole et disposes respectivement dans les deux intervaLLes de La couche magnétique et d'un pont (36) reliant Les deux rubans (34, 35), les deux extrémités de cet éLément magnétorésistant étant reliées à des plots de connexion (38, 40) constituant Les sorties de lecture de la tête. 2. Tête magnétique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le pont (36) reliant Les deux rubans magnétorésistants est relié à une troisième sortie de lecture (36). 3. Tête magnétique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'eLLe comprend en outre un bobinage conducteur (54) entourant la pièce polaire centrale (50) et- relié à deux sorties d'écriture (61, 62), la tête étant ainsi une tête de lecture et d'écri- ture. 4. Tête m&gnf-ique selon la revendication 3, caractérisée par Le fait que L'une des sorties (62) deÉcriture du bobinage conducteur (54) est reLiée à l'une (36, 38,-40) des sorties de Lecture de l'éLément magnétorésistant. 5. Procédé de réalisation d'une tête magnétique de lecture seLon la revendication 1, caractérisé par Le fait qu'iL comprend Les opérations suivantes: - dans un substrat semi-coroucteur (20) on creuse un caisson (22), - au fond de ce caisson (22), on dépose un ensemble de trois couches constituées par une première couche isoLante (24), une couche.de matériau magnétorésistant (26) et une seconde couche isolante (28), - on grave cet ensemble de trois couches sous forme d'un motif (32) en forme de U avec deux branches contenant deux rubans magnétorésistants (34, 35) et un pont magnétorésistant (36) reliant les deux rubans, - on dépose sur les parois latérales de ce motif gravé (32) des couches isolantes verticales (44), - on comble une partie du caisson par une couche magné- tique pour obtenir une pièce polaire centrale (50) entre les ceux rubans (34, 35) et deux pièces polaires latérales (51, 52) oe part et d'autre aou motif (32), - on constitue un monopole (5d) au-dessus de la pièce polaire centrale (50), - on comble l'ensemble de part et d'autre du monopole par un matériau diélectricue (53). 6. Procédé selon La revendication 5, caractéri- sé par le fait qu'on forme en outre un bobinage conduc- teur (54) entourant la pièce polaire centrale (50) et Le monopole (56), avec des bornes de sortie (61, 62), la tête obtenue étant alors une tête ce lecture et d'écriture.