DE60003565T2

DE60003565T2 - Abriebfester lesekopf

Info

Publication number: DE60003565T2
Application number: DE60003565T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Jacquet
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Callahan Cellular LLC
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: FR2797710A1; US6765755B1; DE60003565D1; WO2001015155A1; NO20020816D0; NO20020816L; EP1206773A1; EP1206773B1; KR20020042647A; FR2797710B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetooptischen Lesekopf.
Zum Lesen eines magnetischen Informationsträgers verwendet man bisher magneto-optische Leseköpfe, die einen Faraday-Effekt und/oder einen Kerr-Effekt nutzen. Diese Effekte bestehen darin, ein magneto-optisches Material wie Granat durch den vom Magnetträger erzeugten Magnetfluß zu magnetisieren und diese Magnetisierung aufgrund der Rotationskraft zu erfassen, die das Magnetfeld auf ein polarisiertes Licht ausübt.
Das verwertete physikalische Prinzip ist der magnetooptische Effekt, der unter dem Namen "Kerr-Rotation" oder "Faraday-Rotation" bekannt ist. Bei diesem Effekt erfährt eine elektromagnetische Welle, die an einem magneto-optischen Milieu reflektiert wird oder dieses durchquert, eine Änderung seines Polarisationszustands. Dieser Zustand hängt von der Magnetisierungsrichtung des Milieus ab. Da der Lesepol von einem solchen Material gebildet wird, wird die Polarisation eines daran reflektierten Laserstrahls durch die vom Magnetträger induzierten Veränderungen des Magnetfelds moduliert. Diese Modulation wird dann in Schwankungen der Lichtstärke umgewandelt, die mithilfe eines Photodetektors gemessen werden, sodaß die auf dem Magnetträger registrierte Information zugänglich wird. Die magnetische Information wird also nicht mehr durch einen elektrischen Strom, sondern durch eine elektromagnetische Welle übertragen.
Ein solcher Lesekopf wird in dem französischen Patent 2 656 723 beschrieben. 1 zeigt das vereinfachte Schema einer Ausführungsform dieses Kopfes.
Er enthält eine Schicht 9 aus magnetischem Material mit hoher magnetischer Permeabilität und einer Dicke, die beispielsweise mehrere Mikrometer betragen kann.
Auf dieser Schicht 9 werden eine Schicht 10 aus einem unmagnetischen Material einer Dicke zwischen beispielsweise 50 und 3000 nm, typisch etwa 300 nm, und eine dünne Schicht 11 aus magnetischem Material aufgebracht, die die Schicht mit magneto-optischem Effekt (z. B. Kerr-Effekt) bildet. Die Dicke der Schicht 11 liegt beispielsweise zwischen etwa 10 und 200 nm. Ein schräg einfallender Lichtstrahl 12 trifft auf die Schicht 11, die einen Strahl 13 reflektiert. Die Schichten 9 bis 11 sind an einer ihrer Schnittkanten poliert, beispielsweise senkrecht zur Hauptfläche, und das auszulesende Magnetband 14 liegt an der so polierten Fläche an.
Der Kopf aus 1 kann leicht in einem einzigen Beschichtungsschritt realisiert werden, und es ist nicht unbedingt notwendig, die aufgebrachten Schichten zu ätzen, um Mehrspur-Leseköpfe zu realisieren.
In 2 ist ein magneto-optisches Mehrspur-Lesesystem 20 dargestellt mit einem Lesekopf gemäß der Erfindung. Der wesentliche Grund für die Verwendung eines Lesekopfes gemäß dem Kerr-Effekt für ein Mehrspur-Lesesystem beruht auf dem aktiven Leseprinzip, dessen Eigenschaften nicht durch eine geringe Durchlaufgeschwindigkeit des zu lesenden Bands beeinträchtigt werden. Das System 20 enthält vor dem Kopf 21 eine punktförmige Lichtquelle 22, vorzugsweise eine Laserdiode, ein Kollimationsobjektiv 23, eine Vorrichtung 24 mit einem Polarisator, der die Polarisation des sie durchquerenden Lichtstrahls zur Vorschubrichtung des auszulesenden Bands 25 senkrecht macht, und eine zylindrische Linse 26, die so ausgerichtet ist, daß der durch das Objektiv 23 kollimatierte Strahl gemäß einer Linie senkrecht zur Vorschubrichtung des Bands 25 fokussiert wird.
Der Kopf 21 enthält, wie in der vorliegenden Beschreibung ausgeführt, eine Kerreffekt-Sonde und gegebenenfalls einen optischen Reflektor.
Jenseits des Kopfes 21 enthält das System eine optische Abbildungsoptik 27, eine Vorrichtung 28 mit einem Analysator und gegebenenfalls einen Phasenkompensator sowie eine lineare optische Sonde 29, deren aktive Zone die optische Konjugierte durch das optische System von der auf dem Kerreffekt-Kopf beleuchteten Linie ist. Diese optische Sonde besteht beispielsweise aus einer CCD-Leiste. Da die Vergrößerung des Bereichs jenseits des Kopfs des Systems 20 typisch Einheitsvergrößerung ist, kann man das System vorzugsweise in integrierter Optik realisieren.
3 zeigt eine Ausführungsform eines magnetooptischen Lesekopfs gemäß der Erfindung, bei der die verschiedenen Schichten aus 1 auf einem Prisma 35 aus einem für die Wellenlänge des Lesestrahls transparenten Material realisiert sind. Dieses Material ist beispielsweise aus SGGG (Granat von Galidonium und Gallium). Die verschiedenen Seiten 30 bis 33 dieses Prismas sind so ausgerichtet, daß der Lesestrahl 12 ohne Reflexion in das Prisma eintritt und an der Seite 32 mit der magneto-optischen Schicht 11 des Kopfes in der Nähe der Lesezone des zu lesenden Magnetbands 14 reflektiert wird. Die Ausgangsseite 33 ist so ausgerichtet, daß der Strahl 13 ohne Reflexion am Prisma wieder austritt. Es sei bemerkt, daß die Seiten 30 und 33 mit einer Schicht aus Antireflexmaterial, beispielsweise SiO₂ beschichtet sein können.
Die Schichten 9, 10, 11 entsprechen den Schichten mit gleichen Bezugszeichen in 1 und sind auf die Seite 32 des Prismas aufgebracht.
Bei bekannten derartigen Magnetköpfen ist die magneto-optische Schicht 11 aus Sendust (Fe_xSi_yAl_z), die Magnetspaltschicht 10 ist aus Si₃N₄ oder Al₂O₃ und die magnetische Schicht 9 ist wieder aus Sendust.
Beispielsweise kann ein magneto-optischer Lesekopf derzeit aus einer Beschichtung von folgenden Materialien gebildet werden:

– eine Schicht 11 aus Sendust einer Dicke von 30 nm, die als Lesepol dient,
– eine Schicht aus Siliziumnitrid einer Dicke von 180 nm,
– eine Schicht aus Kupfer einer Dicke von 50 nm, (diese beiden Schichten dienen als magnetische und optische Spaltschicht 10)
– eine Schicht 9 aus Sendust einer Dicke von 1 μm, die den Magnetkreis schließt und eine magnetische Abschirmung bewirkt,
– eine Schicht aus Aluminiumoxid oder aus Si₃N₄ oder einem anderen harten unmagnetischen Material einer Dicke von 2 μm, die als Schutz der ganzen Einheit vorgesehen ist.

Das Ganze wird auf ein Substrat aus Granat aufgebracht.
Diese Materialien sehr unterschiedlicher Art haben alle sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften. So liegen harte Materialien (Granat, Si₃N₄, Al₂O₃) und weiche Materialien (Sendust, Kupfer) nebeneinander. Diese Folge von Materialien sehr unterschiedlicher Härte beeinträchtigt die Lebensdauer des Bauelements erheblich. Man stellt nämlich an der Berührungsfläche mit dem Band eine unterschiedliche Abnutzung zwischen den harten und den weichen Materialien fest, sodaß weniger harte Materialien sich um etwa 100 nm abreiben, wobei dieser Abrieb im wesentlichen auf die Schicht 9 lokalisiert ist (siehe 4a). Dieser Abrieb ist in den 4a und 4b dargestellt. Wenn die Schicht 9 mit einer Schicht 10b größerer Härte als die der Schicht 9 bedeckt ist, dann ergibt sich ein Abrieb, wie er in 4b gezeigt ist. Dieser Abrieb kann sich bereits nach wenigen 100 Betriebsstunden bemerkbar machen, während man für die betrachtete Anwendung 5000 bis 30000 Betriebsstunden haben möchte. Dieser Abrieb führt zu einem Signalverlust von etwa 6 dB bei einer magnetischen Wellenlänge von 1 μm aufgrund des zunehmenden Abstands und des Auflösungsverlustes, sodaß der Kopf zunehmend von einem Dipol-Betrieb, bei dem die Auflösung durch die Breite des Magnetspalts bestimmt wird, zu einem Monopol-Betrieb übergeht, bei dem die Aufläsung durch die Ausdehnung der aktiven Zone des Lesepols bestimmt wird.
Es wird dann unmöglich, das Signal zu erfassen, da der mit dem Band in Berührung stehende Bereich unheilbar beschädigt ist. Nur eine Neugestaltung des Flachbereichs würde es erlauben, das Signal wieder zu erfassen.
Für die magneto-resistiven Schreibköpfe schlagen die derzeit üblichen Lösungen vor, eine Schicht aus einem harten Material auf die Vorderseite des Kopfes aufzubringen. Diese Lösung ist jedoch schwierig und teuer hinsichtlich der technologischen Realisierung (die harten Materialien sind schwierig zu realisieren) und führt zu Abstandsverlusten in der Größenordnung von 3 bis 4 dB für 1 μm (bei einer Schicht von 60 nm).
Die Erfindung hat die Aufgabe, dieses Problem zu lösen.
Gegenstand der Erfindung ist also ein magneto-optischer Lesekopf, dadurch gekennzeichnet, daß er einen magneto-optischen Transduktor in Mehrschichtenaufbau mit mindestens einer dünnen Magnetschicht mit magneto-optischem Effekt, mit mindestens einer Schicht aus unmagnetischem Material, die einen bestimmten Abriebkoeffizient aufweist, sowie mit einer Schicht hoher magnetischer Permeabilität enthält, die den Magnetkreis schließt, und dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht hoher magnetischer Permeabilität abwechselnd Teilschichten erster Art aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität und Teilschichten zweiter Art aus einem Material enthält, dessen Abriebkoeffizient im wesentlichen dem Abriebkoeffizient der Schicht aus unmagnetischem Material gleicht.
Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Die 1 bis 4 zeigen bekannte magneto-optische Leseköpfe, die bereits beschrieben wurden.
5 zeigt ein vereinfachtes Beispiel eines magneto-optischen Lesekopfes gemäß der Erfindung.
6 zeigt ein Beispiel für die Realisierung der verschiedenen Schichten des Lesekopfs gemäß 5.
Die 7a und 7b zeigen einen erfindungsgemäßen Lesekopf noch genauer.
Die 8 bis 11 zeigen eine Ausführungsform des Lesekopfes, mit dem die Struktur des Kopfes symmetrisch gemacht werden kann.
Anhang der 5 wird nun ein vereinfachtes Beispiel eines magneto-optischen Lesekopfes beschrieben.
Dieser Lesekopf enthält, wie oben beschrieben, eine Schicht 11 aus einem Material mit magneto-optischen Eigenschaften (Kerreffekt und/oder Faradayeffekt), eine Magnetspaltschicht 10 aus einem unmagnetischen Material, eine Schicht 90 aus einem magnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität, um den durch den magnetischen Informationsträger 14 induzierten Magnetfluß zirkulieren und sich über die Schichten 11 und 9 schließen zu lassen.
Erfindungsgemäß besteht die Schicht 9 aus einer Schichtung von Teilschichten (z. B. 91, 93) aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität im Wechsel mit Teilschichten (z. B. 92, 94), deren Abriebkoeffizient im wesentlichen dem der Schicht 10 des Magnetspalts gleicht. Vorzugsweise ist dieser Abriebkoeffizient gering.
Vorzugsweise sind die Unterschichten aus einem Material hoher Permeabilität, ähnlich dem der Schicht 11. Die Teilschichten aus dem Material mit einem Abrieb- Koeffizient ähnlich dem der Schicht 10 ähneln dem der Magnetspaltschicht 10.
Auf diese Weise nutzen sich die Schichten 9 und 10 gleichmäßig ab und der Abrieb gemäß 4 findet nicht mehr statt.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Lesekopfes. Gemäß diesem Beispiel ist die Schicht 11 aus Sendust (Fe_xSi_yAl_z) mit einer Dicke von etwa 25 nm; die Magnetspaltschicht ist aus Siliziumnitrid (Si_xN_y) und hat eine Dicke von etwa 200 nm, und die Schicht 9 wird abwechselnd aus Schichten von Sendust einer Dicke von 30 nm und Schichten aus Siliziumnitrid einer Dicke von 20 nm gebildet. Beispielsweise kann die Schicht 9 von dreißig Teilschichten aus Sendust und 30 Teilschichten aus Silizumnitrid gebildet werden.
Man sieht also, daß zur erfindungsgemäßen Verringerung der Schwundprobleme des zweiten Pols (Schicht 9) von der Feststellung ausgegangen wird, daß der Schwundwert von der Dicke des Materials abhängt, wobei der Schwund abnimmt, wenn die Dicke des Materials abnimmt. Je beschränkter also die Dicke des mit dem Magnetband in Kontakt stehenden Materials ist, umso geringer ist auch der Abrieb dieses Materials. Dies erklärt, warum die Schicht 11 wesentlich weniger von dieser Erscheinung betroffen ist, denn ihre Dicke von 20 nm (im Vergleich zu 1,5 μm) ist geringer als die mittlere Größe der abgeriebenen Partikel und erfüllt eine Filterfunktion bezüglich der vom Band transportierten abgeriebenen Partikel. Wir schlagen daher vor, den zweiten Pol abwechselnd aus einem Material einer Härte vergleichbar mit der des Substrats (beispielsweise Si₃N₄) und aus magnetischen Schichten einer Dicke x zu realisieren, die ausreichend gering ist, um diesen unterschiedlichen Abrieb auf einen akzeptablen Wert abzusenken. Hinsichtlich des Abriebphänomens wird also ein mechanisch hartes magnetisches Material realisiert. Die Anzahl von Perioden n ist so definiert, daß das Produkt n·x gleich der Dicke der magnetischen Materialien ist, die erforderlich sind, damit der zweite Pol weiterhin seine Aufgabe erfüllt, nämlich den Magnetkreis zu schließen und die magnetische Abschirmung zu bewirken.
Die Wahl der Materialien ist nicht eng beschränkt (man könnte statt Fe_xSi_yAl_z insbesondere Fe_xTa_yN_z oder ein beliebiges anderes magnetisches Material verwenden).
Unter diesen Bedingungen sieht die Erfindung vor, daß vorzugsweise die Dicke der Schichten des weichsten Materials (Sendust) geringer als die mittlere Größe der Abriebpartikel aufgrund der Rauhigkeit des Bands und der von diesem erzeugten Staubpartikel ist. Die Härte des so gebildeten Materials ist dann die des härteren Materials. Nur die Staubkörner einer geringeren Größe als die Dicke könnten Körner aus dem weichen Material losreißen. Die Tiefe der Kratzer könnte höchstens in der Größenordnung dieser Dicke liegen.
Die verschiedenen Dicken s und n, die die beiden Materialien der Schicht 9 haben sollen (Sendust und Si₃N₄) stellen einen Kompromiß dar, der es ermöglicht, den Schwund der Schicht 9 ausreichend zu verringern, ohne die magnetischen Eigenschaften zu verändern, die für die Schicht 9 gefordert werden und für einen korrekten Betrieb des Systems notwendig sind.
Die Schicht hat dann sowohl gute magnetische Eigenschaften (hohe Sättigungsmagnetisierung, geringes Koerzitivfeld, gut kontrollierte Anisotropie u. s. w.) als auch eine größere Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb als das eigentliche magnetische Material. Auf diese Weise werden die mechanische Eigenschaften der Härte von Si₃N₄ und die magnetischen Eigenschaften von Sendust kombiniert und man erhält ein Material, dessen Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb durch Wahl der relativen Dicken der beiden vorliegenden Materialien eingestellt werden kann (Dicken bis zu 5 nm sind möglich für das magnetische Material).
Außerdem kann, wie 6 zeigt, der Lesekopf zusätzliche Merkmale aufweisen.
Insbesondere die magneto-optische Schicht 11 kann auf einem Substrat 60 aus SGGG mit einer klebenden Zwischenschicht 61 gebildet werden. Außerdem kann eine reflektierende Schicht 63 zwischen der Magnetspaltschicht 10 und der Gruppe 9 von abwechselnden Schichten vorgesehen sein, wobei nicht das ganze Licht des Lesestrahls von der Schicht 9 reflektiert wird. Diese reflektierende Schicht soll die Reflexion des Anteils des Strahls, der den Lesepol durchquert hat, erhöhen. Der Index der Magnetspaltschicht wird so gewählt, daß die reflektierten Strahlen sich überlagern und in Phase sind. Schließlich ist eine Schutzschicht 64 einer Dicke von einigen μm auf dem Stapel von Schichten 9 vorgesehen.
Beispielsweise ergibt eine detaillierte Ausführungsform gemäß 7a einen Lesekopf, dessen verschiedene Schichten die folgenden Merkmale besitzen:

– Substrat 60: aus GGG
– Klebeschicht 61: aus Al₂O₃, Dicke 2,5 nm
– Magneto-optische Schicht 11: aus Sendust, Dicke 25 nm
– Magnetspaltschicht 10: aus Si_xN_y, Index n zwischen 2 und 3,5, Dicke 200 nm
– Klebeschicht 62: aus Sendust, Dicke 2,5 nm
– reflektierende Schicht 63: Kupfer oder Gold, Dicke 50 nm
– Magnetschicht 9: Stapelung von einigen zehn Schichten Sendust (z. B. 30 Schichten), Dicke 10...50 nm (z. B. 30 nm) abwechselnd mit einigen zehn (z. B. 30) Schichten aus Si_xN_y, Dicke einige zehn nm (z. B. 20 nm)
– Schutzschicht 64: Si_xNi_y, Dicke einige μm (1 bis 5 μm).

Nun wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens eines solchen Lesekopfs beschrieben. Dieses Verfahren enthält die drei folgenden Hauptphasen:

– Die verschiedenen magnetischen, dielektrischen und reflektierenden Schichten werden aufgebracht, sodaß sich der Magnetkopf und die optische Resonanzstruktur nach Fabry-Perot ergeben;
– die Schutzschicht aus Si₃N₄ einer Dicke von einigen μm (1 bis 5 μm) wird aufgebracht, worauf die Schichten in einem Magnetfeld wärmebehandelt werden;
– die verschiedenen Seiten des das Bauteils bildenden Prismas werden geschnitten, poliert und mit einem Antireflex- und Schutzbelag versehen.

Gemäß der derzeit üblichen Technologie werden alle Schichten durch Kathodenzerstäubung in einem Gehäuse aufgebracht, dessen Unterdruck bei einigen zehn Nano-Torr liegt. Dieses Gehäuse erlaubt das Aufbringen von Schichten bei Gleichstrom und bei Hochfrequenz, mittels Magnetron und Diode, wobei diese Schichten in einem Magnetfeld aufgebracht werden. Die Prallplatten haben einen Durchmesser von 100 mm und der Abstand von den Prallplatten beträgt 15 cm, sodaß Schichten aufgebracht werden können, deren Dicke eine Gleichmäßigkeit in der Größenordnung von 2 bis 3% auf Scheiben von 2 Zoll Durchmesser haben.
Die Wahl des Substrats, auf die die Schichten aufgebracht werden, ist wichtig. Die Lage der optischen Grenzfläche (Lichtkopplung im Lesepol) und der mechanischen Grenzfläche (Kontakt mit dem Band) sowie die Abstrahlung des Substrats (Abfuhr der von der Laserquelle hervorgerufenen Wärme) ergeben eine gewisse Anzahl von Forderungen an die physikalischen Eigenschaften. Diese Forderungen sind folgende:

– Das Licht soll zum Lesepol und zum Photodetektor möglichst gut übertragen werden, weshalb das Substrat für die verwendete Laser-Wellenlänge transparent sein muß;
– der Polarisationszustand der elektromagnetischen Wellen soll beim Durchgang durch das Substrat nicht verändert werden, weshalb das Substrat wenig doppelbrechend sein soll;
– die Wärme aufgrund der Absorption der ankommenden elektromagnetischen Welle soll wirksam abgeführt werden, da sie die magnetischen Eigenschaften der Leseschicht verschlechtert, weshalb das Substrat ein guter Wärmeleiter sein soll;
– ein allzu schneller Abrieb der Abflachung soll vermieden werden, weshalb das Substrat ausreichend hart sein soll;
– das Substrat soll leicht zu bearbeiten sein und eine mechanisch/chemische Beständigkeit besitzen, die mit den Verwendungsbedingungen des Systems kompatibel ist.

Die Gesamtheit dieser Forderungen kann dazu führen, ein Substrat zu wählen, das in einem Monokristall der Familie der Granate realisiert wird, beispielsweise einem Granat der allgemeinen Form Gd₃Ga₅O₁₂.
Die Schichten werden auf Substrate aufgebracht, deren beide Seiten bereits poliert sind. Diese Seiten haben eine Rauhigkeit von etwa 5 Å. Die Substrate haben einen Durchmesser von 2 Zoll und eine Dicke von 3 mm. Es gibt auch Substrate von 3 Zoll Durchmesser, die die gleichen physikalischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Homogenität der optischen Eigenschaften, besitzen.
Ehe die Folge von Schichten aufgebracht wird, ist das Substrat zu reinigen. Die verschiedenen Reinigungsschritte sind folgende:
Das Substrat wird in drei aufeinanderfolgende Bäder aus Trichlorethylen, Aceton und Propanol getaucht. Jede dieser Tauchphasen dauert 3 Minuten. Die Temperatur der Bäder beträgt 60°C, und sie werden mittels Ultraschall umgerührt. Nach dieser mechanisch/chemischen Reinigung gelangt das Substrat in das Beschichtungsgehäuse. Im Inneren des Gehäuses erfolgt vor dem Beginn der Beschichtung eine letzte Reinigung mit einem Ätzplasma. Dann können die verschiedenen Schichten des Stapels nacheinander aufgebracht werden.
Das Verfahren beginnt mit dem Aufbringen einer 2,5 nm dicken Schicht aus Aluminiumoxid. Die Aufgabe dieser Schicht ist es, eine gute Haftung der nachfolgenden Schicht auf dem Substrat zu gewährleisten. Dann wird der erste Magnetpol, auch Lesepol genannt, aufgebracht (Schicht 11), an dem der Laserstrahl reflektiert wird. Das Material für diese Schicht ist Sendust und die Dicke beträgt 25 nm. Die Aufgabe dieser Schicht ist eine zweifache: Einerseits soll sie das vom Magnetband erzeugte Magnetfeld wirksam auffangen und an drerseits möglichst wirksam die Magnetisierungsschwankungen in Polarisationsschwankungen umwandeln. Diese Schicht soll also korrekte magnetische Eigenschaften und einen möglichst hohen magneto-optischen Koeffizient besitzen. Die Bedingungen beim Aufbringen dieser Schicht sowie die chemische Zusammensetzung des Materials sind daher an diese Bedingungen angepaßt.
Dann werden eine dielektrische Schicht und eine reflektierende Schicht aus Kupfer oder Gold aufgebracht. Die Aufgabe dieser Schichten ist eine zweifache: Sie sollen nicht nur als Magnetspalt dienen, sondern auch als optische Fabry-Perot-Resonanzstruktur, wobei die Aufgabe dieser Struktur darin liegt, die Kopplung der ankommenden Welle mit der magneto-optischen Schicht zu verbessern und die beim Durchlauf der elektromagnetischen Welle durch diese Schicht erzeugte Faraday-Drehung zu erfassen. So definieren die physikalischen und geometrischen Merkmale dieser beiden Schichten die Lesedichte und die Qualität der Resonanz. Eine optimale Wahl der Indizes und der Dicke der verschiedenen Schichten erlaubt es, diese beiden Parameter optimal einzustellen. Im Fall eines Kopfes, der Bits einer Größe von 0,4 μm lesen soll, und für eine Laserwelle von 780 nm unter einem Einfallswinkel von 45° muß die dielektrische Schicht eine Dicke von 1900 Å und einen Brechungsindex in der Nähe von 2 besitzen, wobei der Reflektor eine Schicht aus Kupfer oder Gold einer Dicke von 500 Å sein kann. Die dielektrische Schicht wird ausgehend von einer Siliziumquelle realisiert und in Gegenwart einer Mischung von Stickstoff und Argon aufgebracht. So ergibt sich eine Verbindung nahe bei Siliziumnitrid, wobei die Anteile von Silizium und Stickstoff im wesentlichen von der Stickstoff-Konzentration abhängen.
Nun folgt der zweite Pol (Schicht 9), der den Magnetkreis schließen soll und auch als magnetische Abschirmung dient. Das verwendete Material ist dasselbe wie das des Lesepols, und zwar aufgrund seiner magnetischen Eigenschaf ten.
Dieser zweite Pol besteht aus der Stapelung von 30 Paaren von Schichten aus 30 nm Sendust und 20 nm Siliziumnitrid. Wenn auch diese Struktur die erforderliche Zeit für das Aufbringen verlängert, so verringert sie doch den Schwund dieses Pols in Kontakt mit dem Band. Dieser zweite Pol 9 wird also aus einem artifiziellen Material gebildet, das die magnetischen Eigenschaften von Sendust mit der Abriebfestigkeit von Siliziumnitrid kombiniert.
Schließlich bringt man eine Schicht von Si₃N₄ einer Dicke von einigen μm auf, deren Aufgabe es ist, die anderen Schichten zu schützen. Schließlich wird das Ganze in einen Ofen im Gegenwart eines Magnetfelds eingebracht, um die magnetischen Eigenschaften des Bauelements zu verbessern (Verringerung des Koerzitivfelds und Einführung einer magnetischen Anisotropie in den Lesepol und den Pol zum Schließen des Magnetkreises).
Darauf folgen die verschiedenen Schneide- und Polierschritte für die Prismen. Man beginnt, indem man das Substrat in Streifen von 5 mm Breite zerlegt und poliert dann die verschiedenen Schnittflächen B, D entsprechend der Ausgangsseite beziehungsweise der Seite mit der Totalreflexion des Strahls, worauf die Abflachung M durch Polieren mit Schleifbändern realisiert wird.
Die 7a und 7b zeigen eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der eine Gegenplatte 66 zu sehen ist, um einen korrekten Kontakt der Leseschichten 9, 10, 11. mit dem Magnetband zu gewährleisten. Diese Gegenplatte kann an die magnetische Schicht 11 oder an die Schutzschicht 10b angeklebt werden.
So ergibt sich ein Stapel von Schichten, wie er in 7a dargestellt ist und beispielsweise die Bildung des Lesekopfes aus 7b erlaubt.
Die Aufgabe dieser Gegenplatte, die als ein zweites Substrat betrachtet werden kann, besteht einerseits darin, die Breite der mit dem Band in Kontakt stehenden Abflachung zu vergrößern, und andrerseits die Schichten 9, 10, 11 im Zentrum der aktiven Seite (Abflachung M) zu lokalisieren, was die Geschwindigkeit des Abriebs an der Abflachung M verringert und die Positionierung und Fixierung des Kopfes auf dem Gerät vereinfacht, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Nun wird die Funktion der Gegenplatte 66 erläutert: Diese Gegenplatte ergibt eine Geometrie der Abflachung, durch die der Kontakt und die Einstellung des Kopfs bezüglich des Magnetbands verbessert und die Schwierigkeiten bei der Herstellung, die für die Toleranzen des Teils des Lesekopfs von Bedeutung sind, der mit dem Band in Kontakt steht, deutlich verringert werden.
Die wesentlichen Elemente und Parameter, die den Kontakt des Kopfs mit dem Magnetband kennzeichnen, sind in den aktuellen Köpfen die folgenden (8a bis 8c): Für das System gilt:

– Der Umschlingungswinkel (engl. wrap angle) a beträgt 0,5°.
– Der Abstand 2D zwischen den Führungsgliedern beträgt etwa 10 mm.
– Die Eindrucktiefe h des Kopfes in das Band beträgt etwa 50 μm.
– Die Bandspannung ist T.

Für die Abflachung gilt:

– Die Breite C beträgt etwa 100 μm.
– Der Krümmungsradius R beträgt etwa 5 mm.
– Die Abflachung besteht aus Materialien unterschiedlicher Dicke und Härte.
– Die Lage der aktiven Zone des Kopfs auf der Abflachung, nämlich des Pols zur Abschirmung und zum Schließen des Magnetkreises sowie des Lesepols befinden sich in einem Abstand d2 = 3 μm beziehungsweise d1 = 5 μm vom Rand der Abflachung.

Diese verschiedenen Parameter sind nicht unabhängig voneinander, sondern durch die folgenden Beziehungen miteinander verknüpft: h = D·a; C = 2R·a.
Unter Berücksichtigung der Anforderungen hinsichtlich des Platzbedarfs des Systems (Parameter D), hinsichtlich der Herstellung der Abflachung (Parameter R und C) und der Qualität des Kontakts (Parameter a und h) stellen die oben angegebenen Werte einen guten Kompromiß dar (für D, a und h).
Diese Geometrie hat jedoch noch folgende größeren Nachteile:

- bezüglich des Kontakts: Eines der ersten Probleme beruht darauf, daß die magnetischen Schichten sich am Ende der Abflachung befinden (1c). Diese Anordnung macht die Positionierung des Kopfes auf dem Band schwierig (Parameter h, D und w) und erfordert deutliche Toleranzen bei der Herstellung der Abflachung (Parameter R und C).

Diese Probleme werden nun bewertet. Man berechnet zuerst den Wertebereich, in dem sich die Eindrucktiefe h des Kopfs in das Band befinden soll, damit ein Kontakt entsteht. In den 9a und 9b erkennt man, daß, wenn die Eindrucktiefe h nicht ausreicht, sich kein Kontakt mit der aktiven Zone ergibt. Ist dagegen die Eindrucktiefe zu groß, dann liegt das Band frei vor den Rändern der Abflachung, sodaß der vom Band ausgeübte Druck in der Kontaktzone wesentlich größer ist, was einen beschleunigten Abrieb des mit dem Band in Kontakt stehenden Bereichs der Abflachung bedeutet. Der letzte Kontaktpunkt Cd, Cd1 und Cd2 zwischen dem Band und der Abflachung soll also zwischen den Punkten C1 und C2 liegen. Dies definiert zwei Breiten des Kontakts zwischen dem Band und der Abflachung, nämlich C und C-2 d2. Die Eindrucktiefe h, die mit diesem Intervall verknüpft ist, berechnet sich leicht aus den obigen Formeln und es ergibt sich: h = CD/2R(1 – d2/C) ± Dd2/2R = hmed ± hinthmed ist der Nennwert der Eindrucktiefe, hint ist der Regelbereich für diese Eindrucktiefe und muß kleiner als die Ungewißheiten der Einstellungen und die Fertigungstoleranzen sein. Diese verschiedenen Ungewißheiten werden nun bewertet.

– Ungewißheit bei der Herstellung der Abflachung: hfab = CD/2R(Ri/R + Ci/C)
– Ungewißheit bei der Positionierung des Kopfs: seitlich (hlat): CD/2R Di/D winkelmäßig: hang = D wi in Eindruckrichtung: hiz

CD/2R Di/D + hiz + D wi + CD/2R(Ri/R + Ci/C) < Dd2/2R

Geht man davon aus, daß Abmessungen auf 1% genau für die Abflachung gewährleistet werden können (was einer Toleranz von 50 μm bezüglich des Krümmungsradius und 1 μm bezüglich der Breite bedeutet), dann erhält man einen Wert für hfab von 1 μm, das heißt, daß die Positionierung des Kopfs auf 0,5 μm genau gewährleistet werden muß, was außerordentlich schwierig ist. In der Praxis läßt man zu, daß ein Abstand z zwischen dem Kopf und dem Band besteht. Dieser Abstand ergibt einen Verlust p bezüglich des Signals, dessen Ausdruck in dB wie folgt lautet: p = 55 z/lm = 55d^2/R/lm oder d = V(p R lm/55)Hierbei ist d der Abstand des letzten Punkts des Bands in Kontakt mit der Abflachung, lm ist die magnetische Wellenlänge des zu lesenden Signals, wobei die Werte in μm angegeben sind.
Akzeptiert man einen Verlust von 1 dB bei einem Signal, das über 0,8 μm gelesen wird, dann ergibt sich: d = 8,5 μmDer Regelbereich hint beträgt dann 5 μm. Trotzdem muß, damit man in der gewünschten Arbeitszone bleibt, den Kopf mit einer Genauigkeit bezüglich der Eindrucktiefe von 1 μm und bezüglich des Azimuths um 2' nachjustieren können, und das Band muß beim Durchlauf vor dem aktiven Bereich des Kopfes in demselben Variationsbereich (hband < 1 μm) gehalten werden, was eine sehr genaue und damit teuere Mechanik erfordert.
Man erkennt also, daß in dieser Geometrie die Realisierung eines richtigen Kontakts mit dem Band zu hohen Herstellungskosten des Bauelements und zu einer komplizierten Mechanik führt, selbst wenn ein Verlust von 1 dB im Signal toleriert wird.
Um die Herstellungs- und Positioniererfordernisse für den Kopf zu mildern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Lage der aktiven Schichten bezüglich der Ränder der Abflachung symmetrisch zu machen (siehe 10). Dies erreicht man, indem eine Gegenplatte 66 gleicher Art wie das Substrat 60 auf die Schichten aufgeklebt wird. In 10 ist zu sehen, daß der Regelbereich hint so gewählt werden kann, daß die Erfordernisse hinsichtlich der genauen Positionierung des Kopfes bezüglich des Bands und hinsichtlich der Herstellungstoleranzen der Abflachung so gering wie notwendig gehalten werden. Beispielsweise ergibt sich für eine Abflachung von 1500 μm, deren Kontaktfläche mit dem Band zwischen 500 μm und 1100 μm liegt, ein Regelbereich hint bezüglich der Eindrucktiefe von ±150 μm, und zwar ohne Signalverlust und ohne, daß das Band am Rand der Abflachung reibt, was zudem eine geringere Qualität der Polierung in dieser Zone zuläßt (Hochglanz stört nicht).
Gemäß einer Variante für die Herstellung des Kopfs gemäß der Erfindung fügt man zwischen das Substrat 60 und die magneto-optische Schicht 11 eine Schicht aus Silizium ein, die die Kopplung des Lesestrahls in der magneto-optischen Schicht 11 verbessert. Im Versuch wurde eine Verdopplung des Wirkungsfaktors des Lesekopfes festgestellt, was zu einem Gewinn hinsichtlich des Lesedurchsatzes um den Faktor vier führen kann. Diese Verbesserung kann alleine auf dem magneto-optischen Lesekopf unabhängig vom Rest der Erfindung angewendet werden. In gleicher Weise könnte die Erfindung auch auf einen magneto-optische Träger angewendet werden, auf dem die magneto-optische Schicht auf einer Schicht aus Silizium ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren Variante wird der Wert des Brechungsindex des Materials des Magnetspalts 10 so eingestellt, daß die Stickstoffkonzentration bei der Pulverbeschichtung so variiert wird, daß die magneto-optische Resonanzspitze auf die aufgebrachte Dicke festgelegt wird, um den magneto-optischen Wirkungsfaktor abhängig von der Abmessung des Magnetspalts des Lesekopfs zu maximieren. So ist es möglich, den Brechungsindex der Schicht des Magnetspalts kontinuierlich zwischen 3,7 und 2 zu variieren, indem das Material progressiv von reinem Silizium auf Siliziumnitrid übergeht.

Claims

Magneto-optischer Lesekopf, dadurch gekennzeichnet, daß er einen magneto-optischen Transduktor in Mehrschichtenaufbau (9 bis 11) mit mindestens einer dünnen Magnetschicht (11) mit magneto-optischem Effekt, mit mindestens einer Schicht (10) aus unmagnetischem Material, die einen bestimmten Abriebkoeffizient aufweist, sowie mit einer Schicht (9) hoher magnetischer Permeabilität enthält, die den Magnetkreis schließt, und dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht hoher magnetischer Permeabilität abwechselnd Teilschichten erster Art (91, 93) aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität und Teilschichten zweiter Art (92, 94) aus einem Material enthält, dessen Abriebkoeffizient im wesentlichen dem Abriebkoeffizient der Schicht (10) aus unmagnetischem Material gleicht.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschichten erster Art (91, 93) aus einem Material ähnlich dem der dünnen Magnetschicht (11) mit magneto-optischem Effekt sind.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschichten zweiter Art (92, 94) aus einem Material ähnlich dem der Schicht (10) aus unmagnetischem Material sind.
Lesekopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) mit magneto-optischem Effekt aus einem Material auf der Basis von Eisen, Silizium und Aluminium (Fe_xSi_yAl_z) oder auf der Basis von Eisen, Tantal und Stickstoff (Fe_xTa_yN_z) besteht.
Lesekopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (10) aus unmagnetischem Material aus einem Material auf der Basis von Silizium und Stickstoff (Si_xN_y) besteht.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilschichten erster Art geringer als der Durchmesser der Staubkörner ist, die beim Abrieb der Materialien des Lesekopfs oder eines zu lesenden Trägers auftreten.
Lesekopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilschichten erster Art zwischen 10 und 50 nm beträgt.
Lesekopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilschichten zweiter Art einige zehn Nanometer beträgt.
Lesekopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er einige zehn Teilschichten erster Art abwechselnd mit einigen zehn Teilschichten zweiter Art aufweist.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine reflektierende Schicht (63) aufweist, die zwischen der unmagnetischen Schicht (10) und der dünnen Schicht (11) mit magneto-optischem Effekt liegt.
Lesekopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schicht aus Gold oder Kupfer ist.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schicht aus einem optischen Koppelmaterial besitzt, die auf die Schicht (11) mit magneto-optischem Effekt aufgeklebt ist.
Lesekopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Koppelschicht aus Silizium ist.
Lesekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) hoher magnetischer Permeabilität von einer Schutzschicht (64) an der Seite bedeckt ist, die der Schicht (10) aus unmagnetischem Material entgegengesetzt ist.
Lesekopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (64) aus Si_xN_y ist.
Lesekopf nach einem der Ansprüche 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gegenplatte (66) enthält, die auf die Schicht (9) hoher magnetischer Permeabilität oder auf die Schutzschicht (64) aufgeklebt ist.
Lesekopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) mit magneto-optischem Effekt von einem Substrat (60) getragen wird, wobei die Flanke des Stapels von Schichten, die insbesondere – ein Substrat (60), – eine Schicht (10) aus unmagnetischem Material, – eine Schicht hoher magnetischer Permeabilität (9), – eine Gegenplatte (66) enthält, die aktive Seite des Magnetkopfs bildet und daß die Dicken der Gegenplatte (66) und des Substrats (60), gemessen an dieser Flanke, einander im wesentlichen gleichen.