DE3883819T2

DE3883819T2 - Magnetkopf zum Lesen von Spuren mit sehr schmaler Breite und Herstellungverfahren.

Info

Publication number: DE3883819T2
Application number: DE88400628T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Lazzari
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2008-03-17
Also published as: IE880795L; DE3883819D1; IE63080B1; FR2612676B1; EP0284495B1; US4901177A; JPS63255809A; FR2612676A1; EP0284495A2; EP0284495A3

Description

Die vorliegende Erfindung hat einen Magnetlesekopf für sehr schmale Spuren und ein Herstellungsverfahren dieses Kopfes zum Gegenstand.
Um die Oberflächendichte der Aufzeichnung von Informationen auf einem Träger in Disketten- oder Bandform zu erhöhen, verfügt man über zwei Möglichkeiten:
- Erhöhen der Anzahl der Binärelemente pro Längeneinheit in der Laufrichtung der Magnetspur,
- Erhöhen der Anzahl der Aufzeichnungsspuren.
Die erste Lösung führt schnell zu nicht zu bewältigenden Schwierigkeiten, was daher rührt, daß man man mehr und mehr den Abstand zwischen dem Lesekopf und der Aufzeichnungsschicht verringern muß.
Die zweite Lösung scheint attraktiver zu sein, ist aber nicht frei von Schwierigkeiten. Sie setzt nämlich Spuren von sehr geringer Breite voraus, was zu Herstellungsprobleme bei den Leseköpfen führt.
Das Dokument US-A-3 800 193 beschreibt einen Magnetkopf, der zwei Polstücke umfaßt, hergestellt mittels Photolithogravüre. Der Luftspalt bleibt breit, in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Dieser Breite fehlt die Genauigkeit.
Das Dokument JP-A-58 70416 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines Magnetkopfs, der aus zwei massiven Stücken besteht und das darin besteht, diese Stücke mittels einer Glasschicht aufeinanderzukleben. Der Luftspalt ist folglich noch immer breit und ungenau.
Der Artikel aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 17, Nº 11, April 1975, Seiten 3446-3449 beschreibt ein Sammelverfahren zur Herstellung von Magnetköpfen, das darin besteht, eine magnetische sandwichstruktur mit Löchern und Zwischenräumen zu versehen. Der Luftspalt ist noch immer breit und seine Genauigkeit läßt zu wünschen übrig.
Die vorliegende Erfindung hat genau den Zweck, einen Lesekopf vorzuschlagen, der speziell angepaßt ist an Spuren von geringer Breite. Erfindungsgemäß wird der Luftspalt definiert durch einen nichtmagnetischen Abstandshalter, der realisiert wird mittels einer Dünnschicht-Aufbringungs- und Ätztechnik. Er ist folglich von sehr geringer Breite und großer Präzision. Es ist dann einfach, das Ganze mit einer dünnen Magnetschicht zu vervollständigen (in der Mikrometer-Größenordung), auf beiden Seiten dieses Abstandshalters, der dann einen Luftspalt und folglich die Breite der Lesespur definiert. Die Spur kann demzufolge sehr schmal sein (ungefähr 1 Mikrometer).
Da das Lesesignal der Breite der Spur proportional ist, wird es sehr schwach bei einer schmalen Spur. Man muß folglich zugleich Vorrichtungen vorsehen, die dem Kopf eine ausreichende Sensibiltät verleihen. In dieser Hinsicht beschreibt das Dokument DE-A-2 205 799 einen Magnetlesekopf, der über einen durch zwei Zwischenräume unterbrochenen Magnetkreis verfügt, in die zwei magnetoresistive Elemente eingefügt sind.
Das Dokument JP-A-592221 beschreibt die Integration, auf demselben isolierenden Substrat, einer Serie elektronischer Schaltungen und einer Serie magnetoresistiver Köpfe.
Die vorliegende Erfindung greift diese Anordnung auf, darin bestehend, Mittel zu verwenden, sensibel für das Magnetfeld und in den Magnetkreis eingefügt. Es kann sich z.B. um Magnetoresistenzen, Magnetodioden, Magnetotransistoren usw. handeln. Diese Elemente sind entgegengesetzt angebracht und verbunden mit einem integrierten Schaltkreis, der in dasselbe Substrat diffundiert ist, das den Magnetkreis trägt.
Auf genaue Weise hat die Erfindung einen Magnetlesekopf zum Gegenstand, der ein Halbleitersubstrat umfaßt, auf das ein schleifenfärmiger Magnetkreis aufgebracht ist, der zwei durch einen Luftspalt getrennte Polstücke einer Dicke enthält, die gleich der Breite der Lesespur ist, wobei dieser Magnetkreis unterbrochen wird durch wenigstens einen Zwischenraum, in den ein Mittel eingefügt ist, dessen elektrische Eigenschaft auf den Magnetfluß in dem Kreis reagiert, wenn unter dem Luftspalt ein auf einer Spur gespeichertes Informationselement vorbeiläuft, wobei dieser Kopf dadurch gekennzeichnet ist, daß:
- er einen nichtmagnetischen Abstandshalter umfaßt, der zunächst auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wurde und dessen Höhe mindestens gleich der Breite der Lesespur ist, wobei der Magnetkreis anschließend um den Abstandshalter gebildet wird, wobei die Polstücke auf beide Seiten des Abstandhalters kommen, und der Abstandshalter eine Dicke hat, der die Breite des Luftspalts definiert,
- der Magnetkreis durch zwei Zwischenräume unterbrochen ist, die symetrisch bezüglich einer Ebene des Luftspalts angeordnet sind, wobei die beiden Elemente mit einer auf das Magnetfeld reagierenden elektrischen Eigenschaft in den beiden Zwischenräumen in den Magnetkreis eingefügt sind.
Die vorliegende Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren eines Lesekopfs zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß:
- auf einer ersten Seite eines Halbleitersubstrats integrierte Schaltkreise hergestellt werden, die je einen Stromgenerator und einen Differenzverstärker umfassen,
- auf diese Seite des Substrats eine Isolierschicht aufgebracht wird,
- eine Isolierschicht von einer Dicke aufgebracht wird, die mindestens gleich der Breite der Lesespur ist, wobei diese Schicht geätzt wird, um vertikale Wände dort entstehen zu lassen, wo die nichtmagnetischen Abstandshalter ausgebildet werden sollen, auf das Ganze eine Schicht nichtmagnetischen Materials aufgebracht wird, alle Horizontalbereiche der Schicht nichtmagnetischen Materials entfernt werden, um nur die Vertikalteile der Schicht stehen zu lassen, und die Reste der Isolierschicht entfernt werden, was zu einer gleichen Anzahl nichtmagnetischer Abstandshalter wie integrierter Schaltkreise führt, wobei die Höhe jedes Abstandshalters größer ist als die Breite der zu lesenden Spur,
- ebensoviele Magnetkreise wie integrierte Schaltungen hergestellt werden, wobei jeder Schaltkreis die Form einer Schleife hat und den Abstandshalter einzwängt, der den Luftspalt definiert, wobei jede Schleife zwei Zwischenräume aufweist, die symetrisch zur Ebene des Luftspalts sind,
- in den Zwischenräume zwei Elemente angeordnet werden, die eine auf das Magnetfeld reagierende elektrische Eigenschaft haben,
- die beiden Element mit dem zugeordneten integrierten Schaltkreis verbunden werden,
- die verschiedenen erhaltenen Bauteile auseinandergeschnitten werden.
Die Charakteristika der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die beispielhaft und keinesfalls einschränkend ist. Diese Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 stellt eine Siliziumscheibe mit den integrierten Schaltkreisen dar,
- die Figur 2 ist ein Schnitt dieser Platte,
- die Figur 3 stellt verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung von nichtmagnetischen Abstandshaltern dar,
- die Figur 4 zeigt eine Siliziumscheibe mit den integrierten Schaltungen und den Abstandshalter,
- Die Figur 5 zeigt als Draufsicht eine magnetische Schicht in einer ersten Ausführungsart,
- die Figur 6 zeigt einen Magnetkreis in einer zweiten Ausführungsart,
- die Figur 7 zeigt den Magnetkreis mit seinen Magnetoresistenzen,
- die Figur 8 zeigt den Aufbau nach Verbindung der Magnetoresistenzen mit der integrierten Schaltung,
- die Figur 9 zeigt die Befestigung eines Bauteils an einem Flugschuh,
- die Figur 10 zeigt die Richtung der magnetischen Induktion und der elektischen Versorgungströme,
- die Figur 11 ist ein Schema, das die Veränderungen des Widerstands der Magnetoresistenzen in Abhängigkeit vom Magnetfeld zeigt.
In Figur 1 sieht man eine monokristalline Siliziumscheibe 10, die eine obere Seite 11 aufweist, auf der elektronische Schaltkreise 12 auf die in der Mikroelektronik herkömmliche Weise gebildet werden. Jeder Schaltkreis umfaßt wenigstens einen Konstantstromgenerator und einen Differenzverstärker.
Die Figur 2 zeigt im Schnitt das Substrat 10 mit seinen Schaltkreisen 12. Eine Isolierschicht 14, z.B. aus SiO&sub2; ist aufgebracht auf das Ganze, um die Schaltkreise zu isolieren,
Das Herstellungsverfahren erfolgt nach der einen oder der anderen von zwei Varianten:

Erste Variante:

Man bildet nichtmagnetische Abstandshalter gemäß einer bekannten Technik, die dargestellt ist in Figur 3. Dazu bringt man eine Isolierschicht 15 auf, die man ätzt, um dort vertikale Wände hervortreten zu lassen, wo man die Abstandshalter bilden will (Teil a). Die Dicke dieser Schicht ist wenigsten gleich der Breite der Lesespur. Man bringt auf das Ganze eine Schicht 16 aus nichtmagnetischem Material auf (Teil b).
Man entfernt alle horizontalen Teile der Schicht 16, so daß nur die vertikalen Teile 18 übrig bleiben (Teil c). Man entfernt das, was von der Schicht 15 übrig ist (Teil d), was auf der Schicht 14 die Abstandshalter 20 zurückläßt.
Die Figur 4 zeigt die Siliziumscheibe 10 mit den integrierten Schaltkreisen 12 und den nichtmagnetischen Abstandshaltern 20. Natürlich werden in dieser Figur die Maßstäbe nicht beachtet.
Man bringt anschließend auf dem Ganzen eine Schicht aus einem Material mit hoher Permeabilität auf. Die Dicke dieser Schicht ist gleich der Breite der Lesespur. Man ätzt diese Schicht, um ihr die in Figur 5 gezeigte Form zu geben, um einen Kreis 30 mit der Form einer Schleife zu bilden, die zwei durch einen Abstandshalter getrennte Polstücke P&sub1;, P&sub2; aufweist und einen hinteren Teil P&sub3;, getrennt von den Polstücken durch zwei Zwischenräume F&sub1; und F&sub2;, einige Mikrometer breit. Dieser magnetische Kreis befindet sich in der Nähe des integrierten Schaltkreises 12.

Zweite Variante:

Auf der Isolierschicht 14 (Figur 2) bringt man eine dünne, leitende Schicht 22 auf (gestrichelt in Figur 2), dann stellt man Abstandshalter her, wie in Figur 3 dargestellt. Man bringt anschließend eine Harzschicht auf, die man der in Figur 5 dargestellten Form entsprechend ätzt (wobei das Harz außerhalb der in Figur 5 schraffierten Zone erhalten bleibt). In den geätzten Bereichen ist die metallische Schicht somit freigelegt.
Mittels eines elektrolytischen Verfahrens läßt man auf dieser metallischen Schicht eine magnetische Schicht mit hoher Permeabiltät wachsen, bis ihre Dicke die Breite der Lesespur erreicht. Anschließend beseitigt man das Harz. Zurück bleibt ein Magnetkreis 30, wie perspektivisch dargestellt in Figur 6, mit seinem Abstandshalter 20 und seinen beiden Zwischenräumen F1 und F2. Dieser Kreis 30 ist immer in der Nähe des integrierten Schaltkreises 12 angeordnet. Man beseitigt anschließend die dünne Metallschicht 22 dort, wo sie zum Vorschein gekommen ist, d.h. außerhalb des magnetischen Kreises.
Das Herstellungsverfahren setzt sich dann für beide Varianten auf die in der Folge beschriebene Weise fort.
Man bringt auf das Ganze durch Kathodenzerstäubung eine dünne Eisen-Nickelschicht auf, die man ätzt, dabei nur in den Zwischenräumen F1 und F2 dünne, Magnetoresistenzen M1 und M2 bildende Streifen stehenlassend. Wie in Figur 7 dargestellt, sind diese dünnen Streifen nicht in elektrischem Kontakt mit dem Magnetkreis.
Anstelle von Magnetoresistenzen könnte man in die Zwischenräume F1 und F2 Magnetodioden oder Magnetotransistoren einfügen, verwirklicht direkt auf dem Siliziumsubstrat.
Man bildet anschließend die elektrischen Verbindungen zwischen den Magnetoresistenzen M1 und M2 und jedem integrierten Schaltkreis 12, vor allem mit dem Konstantstromgenerator G und dem Differenzverstärker A. Die Verbindungen werden verwirklicht mittels Aufbringen von dünnen Streifen aus leitendem Material. Der Ausgang des Verstärkers bildet den Ausgang des Lesekopfs (s. Figur 8).
Man erhält so eine große Zahl Komponenten, jede gebildet durch einen Magnetkreis 30 und eine integrierte Schaltung 12. Man schneidet diese Komponenten zu, und setzt sie in einen Flugschuh 32 ein, wie in Figur 9 dargestellt. Der Zusammenbau erfolgt durch Kleben oder durch Glasschweißen. Der komplette Schuh umfaßt eine Flugebene 34 und weist die Form eines Katamaran auf. Die Spuren 36 und 38 laufen unter dem Luftspalt von je einem Magnetkreis durch. Die Fläche 11, auf der sich der integrierte Schaltkreis 12 und der Magnetkreis 30 befinden, ist senkrecht zu der Flugebene 34 und parallel zu den Spuen 36, 38 ausgerichtet.
Verständlicherweise sollte die Breite der Spur gleich der Dicke der den Schaltkreis bildenden Magnetschicht sein. Somit kann diese Breite sehr gering und in der Mikrongrößenordung sein.
Die Figuren 10 und 11 vermitteln ein besseres Verständnis der Funktionsweise des einmal zusammengesetzten erfindungsgemäßen Magnetkopfs.
In der Figur 10 zeigen die Pfeile in dem Magnetkreis die Magnetisierungsrichtung beim Lesen, und die Pfeile in den elektrischen Anschlüssen die Richtung des durch die Magnetoresistenzen fließenden Stroms. Diese werden zudem polarisiert durch bekannte, nicht dargestellte Einrichtungen (Autopolarisation, "barber poles", usw...)
Diese Polarisation ist verbunden mit dem Lesestrom und der Magnetisierung, so daß die Widerstandsänderungen entgegengesetzt sind in den beiden Magnetoresistenzen, d.h., daß sich der Widerstand in einer der Magnetoresistenzen in dem Maße erhöht, wie er sich in der anderen verringert, für eine gleiche Veränderung der Magnetisierung.
Die Figur 11 zeigt die Veränderungskurve des Widerstands R einer Magnetoresitenz in Abhängigkeit vom angewandten Magnetfeld. Für ein Polarisationfeld Ho weist die Magnetoresistenz einen Widerstand Ro auf. Für eine Veränderung Δ H erhält man eine relative Veränderung ΔR/Ro für eine der Magnetoresistenzen und -ΔR/Ro für die andere. Die an den Eingängen des Differenzverstärkers erhaltene Unsymetrie des Stroms ist dann proportional zu 2ΔR/Ro. Durch Polarisation wird der Wert von Ho gewählt, um der maximalen Neigung der Kurve zu entsprechen (Inflexionspunkt).

Claims

1. Magnetlesekopf, umfassend ein Halbleitersubstrat (10) auf dem ein schleifenförmiger Magnetkreis (30) aufgetragen ist, der zwei Polstücke (P1, P2) umfaßt, deren Dicken gleich der Breiten der zu lesenden Magnetspur ist, und die voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind, wo bei der Magnetkreis durch mindestens einen Zwischenraum unterbrochen ist, in den ein Mittel eingeführt ist, dessen elektrische Eigenschaft auf den Magnetfluß reagiert, wenn unter dem Luftspalt ein auf einer Spur gespeichertes magnetisches Informationselement vorbeiläuft, wobei dieser Kopf dadurch gekennzeichnet ist, daß:

- er einen nichtmagnetischen Abstandshalter (20) umfaßt der zunächst auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet ist und dessen Höhe mindestens gleich der Breite der Lesespur ist, wobei der Magnetkreis anschließend um den Abstandshalter (20) gebildet wird, die Polteile (P1, P2) auf beide Seite des Abstandhalters (20) kommen, und der Abstandshalter eine Dicke hat, der die Breite des Luftspalts festlegt,

- der Magnetkreis durch zwei Zwischenräume (F1, F2) unterbrochen ist, die symmetrisch bezüglich einer Ebene des Luftspalts angeordnet sind, wobei die beiden Elemente (M1, M2) mit einer auf das Magnetfeld reagierenden elektrischen Eigenschaft in den beiden Zwischenräumen (F1, F2) in den Magnetkreis eingefügt sind.

2. Magnetiesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat einen elektronischen Schaltkreis (12) umfaßt, der in das Substrat integriert ist, wobei dieser elektronische Schaltkreis mindestens einen geregelten Stromgenerator (G) und einen im Gegentakt geschalteten Differenzverstärker (A) mit zwei Eingängen umfaßt, die mit den beiden Elementen (M1, M2) verbunden sind, wobei die beiden Elemente (M1, M2) einenader entgegengesetzt mit den Eingängen des Differenzverstärkers (A) verbunden sind, und die beiden Elemente (M1, M2) so polarisiert sind, daß sie bei einer Änderung des magnetischen Flusses gegenläufig einer Veränderunge ihrer elektrischen Eigenschaften ausgesetzt sind, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers (A) das Lesesignal des Kopfes liefert.

3. Verfahren zur Herstellung eines Lesekopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer ersten Seite (11) eines Halbleitersubstrats (10) integrierte Schaltkreise (12) hergestellt werden, die je einen Stromgenerator (G) und einen Differenzverstärker (A) umfassen,

- auf dieser Seite (11) des Substrats eine Isolierschicht (14) aufgetragen wird,

- eine Isolierschicht (15) von einer Dicke aufgetragen wird, die mindestens gleich der Breite der Lesespur ist, diese Schicht (15) graviert wird, um vertikale Wände dort entstehen zu lassen, wo die nichtmagnetischen Abstandshalter ausgebildet werden sollen, auf das Ganze eine Schicht (16) nicht magnetischen Materials aufgetragen wird, alle Horizontalteile der Schicht (15) nicht magnetischen Materials entfernt werden, um nur die Vertikalteile (18) der Schicht (16) stehen zu lassen, und die Reste der Isolierschicht (15) entfernt werden, was zu einer gleichen Anzahl nicht magnetischer Abstandshalter (20) wie integrierten Schaltkreisen (12) führt, wobei die Höhe jedes Abstandhalters größer als die Breite der zu lesenden Spur ist,

- ebensoviele Magnetkreise (30) wie integrierte Schaltkreise (12) hergestellt werden, wobei jeder Schaltkreis die Form einer Schleife (B1, B2, B3) hat und den Abstandshalter (20) einzwängt, der den Luftspalt festlegt, wobei jede Schleife zwei Zwischenräume (F1, F2) aufweist, die symmetrisch zur Ebene des Luftspalts sind,

- in jeden der Zwischenräume (F1, F2) zwei Elemente (M1, M2) angeordnet werden, die eine auf das Magnetfeld reagierende Eigenschaft haben,

- die beiden Elemente (M1, M2) mit dem zugeordneten integrierten Schaltkreis (12) verbunden werden,

- die verschiedenen, erhaltenen Bauteile auseinandergeschnitten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Magnetkreise auf die Isolierschicht (14) eine Schicht magnetischen Materials mit hoher Permeabilität aufgetragen wird, deren Dicke gleich derjenigen der Lesespur ist, und daß diese Schicht graviert wird, um sie schleifenförmig zu formen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Magnetkreise auf die Isolierschicht (14) eine Leitungsschicht (22) auftragen wird, auf diese Leitungsschicht eine Harzschicht aufgetragen wird, diese Harzschicht in den Bereichen graviert wird, die dem späteren Magnetkreis (30) entsprechen, elektrolytisch eine Magnetschicht hoher Permeabilität auf der Leitungsschicht solange zum Wachsen gebracht wird, bis eine Dicke erreicht ist, die der Breite der Lesespur gleicht, und die Reste des Harzes sowie die Leitungsschicht (22) dort entfernt werden, wo sie außerhalb des Magnetkreises erscheint.