Brevet FR2769400A1 — publié le 19990409

TETE MAGNETIQUE DE LECTURE A ELEMENT MAGNETORESISTANT DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet une tête magnétique de lecture à élément magnétorésistant. Elle trouve une application dans l'enregistrement d'informations sur disque, bande, etc... Etat de la technique antérieure Une tête magnétique de lecture comprend en général un circuit magnétique ouvert par un entrefer et un enroulement conducteur disposé autour du circuit magnétique. Lorsqu'un support d'enregistrement magnétique défile devant l'entrefer, le champ magnétique émanant de l'information enregistrée dans le support traverse le circuit magnétique et les variations de ce cnamp entraînent l'apparition d'un courant induit dans l'enroulement. La mesure de ce courant induit permet de retrouver 1 information enregistrée dans le support. De telles têtes peuvent être baptisées têtes de lecture "inductives". On connaît aussi d'autres tètes de lecture utilisant, comme moyen de lecture, non plus un enroulement conducteur mais un élément magnétoréristant. Le phénomène physique mis n oeuvre n'est plus induction élue trique malus la variation ce résistance d'un matériau en rond cor ou champ rnagnétique qui lui est appliqué. Une telle tête est représentée sur la figure 1 annexée. Sur cette figure, on voit, en coupe, une tete comprenant un substrat semi-conducteur 0, par exemple en silicium, dans lequel a été gravé un caisson 12 dans ce caisson, une couche magnétique arrière 14 a été formée électrolytiquement et a été prolongée par deux piliers verticaux 161, 162 ; un bobinage d'écriture 18 entoure les piliers ; ce bobinage est noyé dans une couche isolante 20. Le circuit magnétique se complète par une pièce magnétique avant comprenant deux pièces polaires 221, 222 séparées par un espaceur amagnétique 24. Un élément magnétorésistant MR est disposé sous l'aspaceur amagnétique 24. La tête se déplace devant un support magnétique 30 où sont enregistrées les informations à lire ou à écrire. Une telle tête est décrite dans le document FR-A-2 645 314 (ou dans son correspondant américain US-A-5,208,716). En lecture, le fonctionnement de ce dispositif est schématiquement le suivant. Une information magnétique enregistrea dans le support 30 produit un champ magnétique dans le circuit magnétique ; ce champ se referme, an partie, à travers I'élment magnétcrésfstant MR. Il en résulta une rotation d'aimantation dans cet élément, qui va provoquer une variation de sa résistance. La mesure de cette variation permet de retrouver l'information enregistrée. Dans d'autres têtes, l'élément magnetoresistant est placé dans la couche magnétique arrière ou mame dans l'entrefer. Par le document WO 90/11O94 on connaît une tête magnétique de lecture à magnérorésistance qui est illustrée sur les figures annexées 2A (en coupe) et 2B (en vue de dessus). . Cette tête fonctionne en enregistrement dit perpendiculaire. Elle comprend une couche magnétique arrière 50, 51, 52 interrompue par deux intervalles dans lesquels est placé un élément magnétorésistant en forme de U, avec deux rubans 34, 35, une branche arrière 36 et deux plots de connexion 38, 40. La tête comprend encore un enroulement conducteur spiralé 54 avec deux plots de connexion 61, 62. Un pôle magnétique 56 est enterré dans une couche isolante 53 définissant un plan de vol et affleure sur le plan de vol. Ce pôle magnétique se prolonge par un pied, lequel est en contact avec la partie centrale 50 de la couche magnétique arrière. L'ensemble est disposé dans un caisson pratiqué dans une couche isolante 20. Les têtes inductives et les têtes à élément magnétorésistant connues ne présentent pas le même type de signaux de lecture. Pour une tête inductive, le signal est confome à la figure 3. En ordonnées, on trouve le signal de lecture S et en abscisses le temps t représentant le défi lamant du support d'enregistrement devant la tête. On supposa que, sur ce support, l'information a été enracistrée sous forme d'une transition magnétique isolée, c'est-à-dire une zone étroite où l'aimantation du support change de sens. Le signal S est alors maximum lorsque la transition est centrée sur l'entrefer de lecture. Pour ce type de transition enregistrée, le signal de lecture délivré par une tête à élément magnétoréslstant, comme c'est la cas pour les figures 1 et 2, s'annule lorsque la transition est centrée sur l'entrefer de lecture, comme le représente la figure 4. Cette di diffrenc de forme impose que les circuits élec ronlques scores aux tatas de actu ra sciant modifiées lorsqu'on passe du type inductif au type magnétorésistant. La présente invention a pour premier but de remédier à cet inconvénient en ce sens qu'elle propose une tête magnétique de lecture à élément magnétorésistant conçue de telle sorte que le signal de lecture ait l'allure de la figure 3, c'est-à-dire avec un maximum lorsque la transition est située en regard de l'entrefer, ce qui évite d'avoir à modifier le circuit classique de lecture. On connaît encore d'autres têtes de lecture utilisant des éléments magnétorésistants dans une configuration un peu différente, comme celle qui est illustrée sur la figure 5. On y voit deux blindages magnétiques 71, 72 encadrant un ruban magnétorésistant 74. L'ensemble est solidaire d'un patin de vol 75 avec un plan de vol 76. Le ruban 74 est perpendiculaire au plan de vol et affleure à la surface de celui-ci. Un disque d'enregistrement 78 est disposé sous le patin. Dans une telle tête, la hauteur définitive du ruban 74 est déterminée par une opération de polissage du plan de vol. Or, cette opération est extrêmement délicate. Par ailleurs, comme le ruban 74 affleure sur le plan de vol, il faut le protéger de l'usure. Pour cela, on dépose sur l'ensemble une couche protectrice, généralement en carbone. Mais cette couche augmente la distance séparant le ruban magnétorésistant du disque d'enregistrement, et réduit les performances de la tête. Si, par ailleurs, la tête vient à toucher le disque, lequel est en rotation, il se produit un échauffement du ruban magnétorésistant et, par conséquent, une variation de la résistance de celui-ci. Le signal de lecture se trouve affecté d'une espèce de bruit thermique (effet dénommé "thermal asperity noise" en anglais). C'est la raison pour laquelle les têtes du genre de celle de la figure 5 doivent voler à une altitude plus grande que les têtes inductives, ce qui limite leurs performances. Un autre but de l'invention est de proposer une tête à élément magnétorésistant qui n'affleure pas sur le plan de vol et qui, de ce fait, n'est pas sujettes à de tels effets thermiques. Par ailleurs, les têtes du genre de celle de la figure 5 conduisent à un autre inconvénient illustré sur la figure 6. Cette figure est une vue agrandie au niveau du ruban magnétorésistant 74. On suppose qu'en face de la tête défile un support 78 avec une transition 80. Lorsque cette transition se trouve au droit du ruban 74, le flux magnétique pénètre en grande partie dans le ruban à la partie inférieure de celuici. Le matériau magnétorésistant se trouve rapidement saturé. En revanche, dans la partie supérieure, il ne subsiste pratiquement plus de flux, car celui-ci s'est perdu latéralement le long du ruban. Cette saturation de la partie inférieure du ruban induit une asymétrie du signal de lecture. Cet effet est d'autant plus gênant que l'intervalle séparant les deux blindages 71 et 72 est plus étroit. Or, la recherche de hautes densités d'enregistrernent impose justement de réduire cet intervalle. La présente invention a encore pour but de réduire ces problèmes de saturation et de pertes par les blindages. On peut observer encore que le ruban magnétorésistant des têtes telles que celles de la figure 5 ne peut pas être relié à la masse électrique, sinon la magnétorésistance serait court-circuitée et le signal de lecture serait nul. Le ruban peut donc se charger électrostatiquement, ce qui risque d'entraîner des décharges électrostatiques intempestives entre le ruban et les blindages, décharges qui créent des perturbations importantes dans le signal de lecture, qui peuvent même aller jusqu'à la destruction de la tête. C'est encore un autre but de l'invention de remédier à ce problème des décharges électrostatiques. Enfin, le signal de lecture délivré par les têtes connues à élément magnétorésistant diminue rapidement d'intensité lorsque la largeur de la piste d'enregistrement diminue et que la densité linéique diminue. La présente invention a encore pour but de remédier à cet inconvénent an permettant de doubler le signal de lecture. Exposé de l'invention Tous cas buts sont atteints par l'invention grâce à 1' utilisation d'une pièce magnétique de canalisation du flux magnétique de lecture, cette pièce comprenant une couche mince magnétique perméable affleurant sur le plan de vol (et qui sera appelée "couche sonde" car c'est elle qui, an quelque sorte, sonde le support d'enregistrement) est un pied évasé qui prolonge la couche, et par l'utilisation d'un élément magnétorésistant en forme de U avec deux branches disposées parallèlement au plan de vol de part et d'autre du pied. Par ailleurs, les rubans magnétorésistants sont d'un type particulier, dit à "vannes de spin" ("spin valves" en terminologie anglo-saxonne) . L'élément magnétorésistant est en outre protégé magnétiquement par deux blindages disposés sur le plan de vol de la tête. Tous les problèmes techniques évoqués plus haut sont alors résolus : le signal de lecture, pour des raisons qui apparaîtront mieux par la suite, présente une allure classique avec un maximum lorsque la transition est en regard de la couche sonde ; la distance tête-support d'enregistrement peut être réduite car la couche affleurant sur le plan de vol n'étant pas la couche magnétorêsistante il n'y a plus lieu de prévoir une couche de protection en carbone il n'existe aucun effet de saturation des rubans magnétorésistants ; le pied magnétique pouvant être mis à la masse électrique, les risques de décharges électrostatiques sont supprimés ; l'amplitude du signal de lecture est doublée par les effets conjugués des deux rubans. De façon précise, la présente invention a donc pour objet une tête magnétique de lecture à élément magnétorésistant, caractérise par O fait qu'elle comprend : - sur une face destinée à être placée en regard d' un support d'enregistrement magnétique à lire, une couche mince magnétique perméable de blindage avec une ouverture, cette couche de blindage constituant un plan de vol pour la tête, - une couche magnétique perméable sonde disposée perpendiculairement au plan de vol et affleurant sur le plan de vol dans l'ouverture de la couche de blindage, cette couche sonde se prolongeant par un pied magnétique, l'ensemble sonde-pied formant guide de flux magnétique, - un élément magnétorésistant en forme de U avec deux rubans magnétorésistants disposés parallèlement audit plan de vol et situés de part et d'autre du pied, ces deux rubans magnétorésistants étant du type magnétorésistance à vannes de spin. De préférence, chaque ruban magnétorésistant comprend un empilement de couches minces, à savoir - une première couche mince magnétique à tort champ coercitif, avec une aimantation orientée dans une direction transversale, la a direction pour l'un des deux rubans étant opposée à la direction pour 1 'autre ruban, une deuxième couche mince magnétique, magnétiquement couplée à la première, - une troisième couche mince non magnétique et électriquement conductrice, une quatrième couche mince magnétique. Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, montre une tête magnétique connue à couches minces et à élément magnétorésistat ; - les figures 2A et 2B, déjà décrites, montrent une tête magnétique connue à élément magnétorésistant en forme de U - la figure 3 montre l'allure du signal de lecture délivré par une tête inductive connue - la figure 4 montre l'allure de ce même signal pour une tête à élément magnétorésistant telle que celle de la figure 1 - la figure 5 montre une tête de lecture à élément magnétorésistant perpendiculaire encadré par deux blindages - la figure 6 montre les lignes de champ magnétique dans une tête selon la figure 5 les figures CA et 7B montrent une tête magnétique de lecture selon l'invention, respectivement en coupe et en vue de dessus - la figure 8 montre un élément magnétorésistant à vannes de spin utilisé de préférence dans l'invention ; les figures 9A et 9B illustrant le sens des aimantat ions dans l'élément magnétorésistant sans champ extérieur à mesurer et sans courant de lecture et les variations correspondantes de résistance de l'élément magnétorésistant - les figures 10A et 10B illustrent le sens des aimantations dans l'élément magnétorésistant sans champ extérieur à mesurer mais avec courant de lecture, et les variations correspondantes de résistance de l'élément magnêtorésistant - les figures 11A et llB montrent l'allure des lignes de champ -de lecture - les figures 12A et 12B montrent le sens des aimantations dans l'élément magnétorésistant lors de la lecture d'une transition positive et les variations correspondantes de résistance de l'élément magnétorésistant - les figures 13A et 13B montrent le sens des aimantations dans l'élément magnétorésistant lors de la lecture d'une transition négative et les variations correspondantes de résistance de l'élément magnétorésistant - les figures 14A et 14B montrent les aimantations dans l'élément magnétorésistant an présence d'un champ extérieur parasite et les variations correspondantes de résistance de l'élément magnétorésistant - la figure 15 illustre un mode particulier de réalisation de l'invention avec plots magnétiques et double blindage. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur les figures 7 et 7B, des vues schématiques d'une tête magnétique selon l'invention, respectivement en coupe (lA) et en vue de dessus (7B). Telle que représentée la tête comprend une couche magnétique 106 formant blindage, avec une ouverture 0-Il, et une couche magnétique 102 constituant une sonde de champ (ou un capteur de champ) : il s'agit d'une couche mince, d'une épaisseur de quelques dizaines de narlomètres (quelques centaines d'Angstrôms) et d'une hauteur de quelques centaines de nanomètres (quelques mil 1 lors d ' Angstrôms) Sa longueur, dans le sans perpendiculaire au plan de la figure 7 et dans le plan de la figure 7B, est égale à la largeur de la piste à lire. La couche 102 se prolonge par un pied 103, également magnétique. La longueur du pied 10B est la même que celle de la couche 102, sa hauteur est aussi de quelques centaines de nanomètres. Couche 102 et pied 103 peuvent être en alliage FeNi. Le pied 103 est avantageusement relié à la masse. De chaque côté du pied se trouvent deux rubans magnétorésistifs 104a et 104b, du type à vannes de spin. La largeur de l'ouverture peut être de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. La couche mince magnétique 106 est par exemple en alliage FeNi, avec une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm environ. Ce blindage 106 définit le plan de vol 100 de la tète. La couche sonde 102 affleure sur le plan de vol 100 au centre de l'ouverture 107. La figure 7B montre en outre deux connexions électriques 110a et 110b reliées aux deux rubans 104a, 104b, à leurs extrémités avant, ainsi qu'un pont conducteur 112 connectant les extrémités arrière des rubans. Une telle tête est beaucoup plus performante que les têtes classiques à élément magnétorésistant, en partie parce que l'épaisseur de la couche de blindage 106 est très faible (quelques dizaines de nanomètres) de sorte que les champs de fuite entre la couche magnétique 102 et le blindage sont très peu intenses au contraire de ce qui se passait pour les têtes des figures 5 et 6. Par ailleurs, la distance entre les rubans magnétorésistants et le blindage est très grande (quelques centaines de nanomètres) par rapport aux têtes normales dans lesquelles l est difficile de réduire l'épaisseur d'isolant de chaque côté des rubans à cause des trous dans l'isolant. Si cette structure peut rappeler, à certains égards, la structure du document WO 90/11594 cité plus haut (élément magnétorésistant en forme de U avec deux rubans parallèles) il faut observer d'abord que la tête du document WO 90/11594 fonctionne en enregistrement perpendiculaire, alors que la tête de l'invention fonctionne en enregistrement longitudinal ; ensuite il faut souligner que la tête du document cité ne contient pas de blindage ; enfin, le matériau magnétorésistif employé et les polarisations mises en oeuvre dans la présente invention ne sont pas celles de l'art antérieur comme on va le décrire maintenant en liaison avec la figure 8. Sur la figure 8, on voit, de manière schématique, l'un des rubans magnétorésistifs, référencé 104, avec les diverses couches qui le composant. il s'agit d'une structure à vanne de spin ("spin valve") comprenant - une première couche mince magnétique à fort champ coercitif, avec une aimantation M1 orientée dans une direction transversale (cette couche peut être en terbium/cobalt) ; cette première couche est désignée souvent par couche "piégeante" (ou "pinning Layer" en terminologie anglo-saxonne) ; - une deuxième couche mince ferromagn3tique coca 122, magnêtiquement couple à la première 121 te deuxième couche, appelée souvent couche "piégée" (en anglais "pinned layer"), peut astre en FeNi, en Co ou en FeCo ; son aimantation est notée M3 ; - une troisième couche mince non magnétique 123 et électriquement conductrice, par exemple en cuivre ; cette couche peut être parcourue par un courant I ; - une quatrième couche mince ferromagnétique 124 appelée souvent "couche libre" (ou en anglais "free layer"), par exemple en FeNi l'aimantation M de cette dernière couche est sensible au champ magnétique extérieur et s' oriente selon la direction de ce champ. L'aimantation M1 est antiparallèle dans les deux rubans, c'est-à-dire que la direction de l'aimantation Mla dans le ruban 104a est opposée à la direction de l'aimantation Mlb dans le ruban 104b, comme on le comprendra mieux en consultant les figures 9A, 10A, 12A, 13A, 14A. La figure 9A, tout d'abord, montre les aimantations Mla et Mlb de la couche piégeante 121 dans les deux rubans 104a, 134b ainsi que les aimantations Ma et Mb de la couche libre 124. Dans le cas représenté, la couche piégeante a une aimantation orientée perpendiculairement au sens de circulation du courant I, les aimantations dans les deux rubans de la couche piégeante sont antiparailèles. Les aimantations Ma et Mb de la couche libre 121 devraient s'orienter selon la grande longueur des rubans 10ira, 104b car les champs démagnétlsants poussent a cette orientation. Cependant, il exista un petit champ de couplage entra la couche piégée 122 et la couche libre 124. Aussi, comme le montre la figure 9A, les armentetions Ma et Mb de la couche libre sont un peu inclinées dans la direction de l'aimantation de la couche piégeante. Sur la figure 9B, est représentée la variation relative de résistance AR/R de l'élément magnétoréisstant en fonction du champ appliqué H au voisinage d'un champ nul. Compte tenu du petit angle de l'aimantation de la couche libre, on voit que la courbe coupe l'axe horizontal non pas à champ nul, mais à un champ résiduel faible Ho. Lorsque l'on applique un courant pour mesurer la variation de résistance de l'élément magnétorésistant, si l'on choisit bien le sens du courant, alors, le champ induit par le courant redresse parfaitement l'aimantation de la couche libre perpendiculaire à celle de la couche piégeante (et de la couche piégée). Dans ces conditions, les orientations des aimantations deviennent celles de la figure 10A et la courbe de variation de résistance passe exactement à l'intersection des deux axes (Fig. 10B). Les Ligures llA et 11B montrent l'orientation du champ magnétique de lecture dans une tête magnétique selon l'invention. Sur la figure llA, on voit un support d'enregistrement 120 avec une transition 122 positive et la tête de l'invention. La figure liA montre, en coupe, les lignes de champ émanant de le transition et la figure 11B montre la direction de ce champ dans la couche libre. Les champs sont notés Ha et S. Comme le champ s'épanouit dans le pied 103 et emprunte les deux rubans, les champs Ha et Hb sont antlparallèles. Sur la figure 12A, on a représenté ces champs Ha et Hb ainsi que les aimantations déjà considérées, Mla, Mlb et Ma, Mb pour une transition positive. L'aimantation Ma et Mb de la couche libre suit la direction du champ de lecture Ha, Hb. Sur la figure 12B, on voit la variante relative de résistance AR/R en fonction de H. La résistance diminue donc dans chacun des rubans de la même quantité, ce qui signifie que, pour les deux rubans mis en série, l'effet de variations de résistance de l'ensemble sera le double de ce qu'il serait avec un seul ruban (ce qui n'aurait pas été le cas si les aimantations Mla et Mlb n'avaient pas été antiparallèles, mais parallèles, car la diminution de résistance dans un ruban aurait été compensée par l'augmentation dans l'autre ruban). La lecture du champ d'une transition négative donne lieu aux mêmes phénomènes, si ce n'est que le champ de lecture est opposé au champ de polarisation, comme le montre la figure 13A. Dans ce cas, la résistance des deux rubans augmente (Fig. 133), mais le signal de lecture global est toujours doublé par rapport à celui d'un seul ruban. Ce montage n'est pas un montage diffêrenrial, mais s'apparente plutôt à ce que l'on peut appeler un montage en "mode commun". il permet de lire des camps magnétiques opposas et de doubler le signal. Si un champ magnétique extérieur parasite ext excite l'ensemble des deux rubans, comme e montre la figure 14A, les aimantations Ma, Mb des couches libres des deux rubans s'orientent dans le sans du camo extérieur Hext . Dans ces conditions, le premier ruban verra sa résistance diminuer, alors que le second verra la sienne augmenter de la même quantité comme le montre la courbe de la figure 14B. Au total, aucun signal ne sera détecté. La tête est donc insensible aux champs extérieurs. Le mode de réalisation illustré sur la figure 7A n'est qu'un exemple parmi d'autres. La figure 15 montre un autre mode de réalisation où la tête se complète par deux plots magnétiques 130, 132 disposés de part et d'autre de l'élément magnétorésistant. De même, il est possible de prévoir un blindage supplémentaire 134 formé par une couche magnétique inférieure en contact avec les deux plots. L'une des conditions de fonctionnement de la tête qui vient d'être décrite est l'anti-parallélisme des aimantations (Mla, Mlb) dans la couche piégeante (121). Une telle condition peut être obtenue par tout moyen, notamment par circulation d'un courant approprié dans la couche conductrice 123. Ce courant produit des lignes de champ ayant des directions opposées dans les deux rubans. On peu. aussi appliquer un cnamp magnétique uniforme aux deux rubans, ce qui provoque une aimantation de même sens dans les deux coucnes, puis renverser l'une des aimantations en appliquant à la tette un champ incliné. Ce procédé est décrit et revendiqué dans une demande de brevet déposée par la présent Demandeur le jour même du dépôt de la présente demande et intitulée "Procédé de polarisation d'un élémer.t magnétorésistant à double ruban" REVENDICATIONS 1. Tête magnétique de lecture à élément magnétorésistant, caractérisée par le fait qu'elle comprend - sur une face destinée à être placée en regard d'un support d'enregistrement magnétique à lire, une couche mince magnétique perméable de blindage (106), cette couche de blindage constituant un plan de vol (100) pour la tête, - une couche magnétique perméable sonde (102) disposée perpendiculairement au plan de vol (100) et affleurant sur le plan de vol dans l'ouverture (107) de la couche de blindage (106) , cette couche sonde (102) se prolongeant par un pied magnétique perméable (103), l'ensemble sonde-pied formant guide de flux magnétique, - un élément magnétorésistant en forme de U avec deux rubans magnétorésistants (104a, 104b) disposés parallèlement audit plan de vol (100) et situés de part et d'autre du pied (103), ces deux rubans magnétorésistants (104a, 104b) étant du type magnatorasistanca à vannes de spin. 2. Tête magnétique salon la revendication 1, dans laquelle chaque ruban magnatorasistant (104a, 10au) comprend cri empilement de couches minces, à savoir - une première couche mince magnétique (121) à fort champ coercitif, avec une aimantation (M1) orientée dans une direction transversale, la direction (Mla) pour l'un des deux rubans (104a) étant opposée à la direction (Mlb) pour l'autre ruban (104b), - une deuxième couche mince magnétique (122), magnétiquement couplée à la première (121), - une troisième couche mince non magnétique (123) et électriquement conductrice, - une quatrième couche mince magnétique (124). 3. Tête magnétique selon la revendication 2, dans laquelle deux premières extrémités des couches conductrices des deux rubans sont reliées électriquement par une couche conductrice (112), et deux secondes extrémités desdites couches conductrices étant reliées respectivement à une amenée de courant (110a) et à une sortie de courant (110b), ledit courant circulant dans la troisième couche conductrice (123) longitudinalement. 4. Tête magnétique selon la revendication 1, dans laquelle le pied magnétique (103) est relia à une masse électrique. 5. Tête magnétique selon la revendication 1, comprenant, en outra, de part et d'autre de l'élémen. magnétorésistant (104a, 104b), deux pièces magnéticues (130, 132) reliées aux deux blindages (106, 108). 6. Tète magnétique selon la revendication 5, comprenant en outre une coucha magnétique (134) dispose sous les deux pièces magnétiques (130, 132) en contact avec celles-ci.