FR2495333A1 - Procede de realisation d'un capteur de champ magnetique sous forme d'une couche mince - Google Patents
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Abstract
Un capteur de champ magnétique muni d'un substrat S supportant une couche magnétique M à axe de magnétisation préférentiel est obtenu par dépôt de la couche magnétique M sur le substrat en l'absence d'un champ d'orientation magnétique, réalisation d'une structure de la couche sous forme d'une pluralité de bandes 3 de largeur égale parallèles présentant une superficie d'environ 1/4 à 1/30 de la surface totale de la couche magnétique, après quoi la couche est soumise à un processus de recuit dans un champ d'orientation magnétique. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
"Procédé de réalisation d'un capteur de champ magnétique
sous forme d'une couche mince".
L'invention concerne un procédé de réalisa-
tion d'un capteur de champ magnétique sous forme d'une
couche mince, muni d'un substrat supportant une couche ani-
sotrope mince présentant un axe de magnétisation préféren-
tiel. L'Auslegeschrift allemand N0 2.701.296 décrit
un capteur de champ magnétique à couche mince, qui est for-
mé à partir d'une série de couches minces sur un substrat,
notamment deux couches métalliques structurées formant en-
semble une bobine, une couche magnétique anisotrope noyée dans des couches isolantes étant prévue entre les deux
couches métalliques. L'inductivité de la bobine est fonc-
tion de la perméabilité de la couche magnétique et un champ - magnétique externe est engendré pour l'orientation de la
magnétisation de la couche magnétique selon son axe pré-
férentiel. Pour la formation de l'axe préférentiel de ma-
gnétisation, qui est indispensable pour la fonction du susdit capteur, la couche est réalisée par pulvérisation cathodique sur un substrat dans lequel la couche formée pendant le dépôt de matériau de couche est exposée à un
champ magnétique assez intense situé dans le plan du sub-
strat. Ainsi, la couche magnétique présente un axe
préférentiel de magnétisation dans le plan de la couche.
S'il s'agit de réaliser un grand nombre de couches magnétiques anisotropes séparées, le procédé connu présente le désavantage que, ni la position des substrats par rapport au champ magnétique à courant continu, ni
l'homogénéité dudit champ à l'endroit de la couche magné-
tique formée peut être ajustée de façon exacte reproduc-
tible. Lors du dépôt du matériau de couche sur les sub-
strats, il se forme des champs de dispersion magnétiques provoqués par le dépôt simultané de matériau de couche dans la proximité immédiate du substrat et partiellement également par l'appareil- de dépôt même. De ce fait, il se
produit des fluctuations considérables de la caractéris-
tique magnétique, affectant la qualité des couches réali-
sées. Le procédé conventionnel présente en outre
le désavantage de nécessiter des appareils de dépôt spé-
ciaux permettant d'engendrer simultanément un champ magné-
tique à courant continu intense, appareils qui, jusqu'à 1î présent, ne sont pas obtenables dans le commerce dans un
genre se prêtant une fabrication en grandes séries.
De plus, le procédé conventionnel présente le désavantage que les appareils de dépôt doivent être nettoyés assez souvent dans le cas d'un fonctionnement
continu, ce qui aboutit à un procédé coûteux pour la réa-
lisation de couches magnétiques présentant un axe de ma-
gnétisation préférentiel.
La présente invention est basée sur l'idée
de fournir un procédé pour la réalisation de couches ma-
gnétiques présentant un axe de magnétisation préférentiel, procédé qui peut être effectué avec tout dispositif de dépôt approprié sans nécessiter la formation d'un champ magnétique à courant continu pendant le dépôt du matériau
de couche.
Conformément à l'invention, ce but est at-
teint du fait qu'en l'absence d'un champ d'orientation ma-
gnétique, la couche magnétique est déposée sur le substrat, puis, qu'elle est divisée par des rainures en une pluralité de bandes parall1èes et que la couche ainsi structurée est
soumise à un processus de recuit dans un champ d'orienta-
tion magnétique. Lesdites bandes sont de préférence de
mêmes dimensions et de préférence séparées, au moins par-
tiellement, les unes des autres, leurs dimensions étant approximativement de 4 à 1' de la surface totale de la
couche magnétique.
Les avantages obtenus avec l'invention pour la réalisation d'une couche magnétique présentant un axe de magnétisation préférentiel consistent dans le fait qu'aucun champ magnétique à courant continu ne doit être utilisé pendant le dépôt de la couche sur le substrat. Cela implique que, pour réaliser la couche magnétique, il ne faut aucun appareil spécial, par exemple un appareil muni de bobines du genre Helmholtz, mais tout dispositif connu approprié peut être utilisé pour le dépôt de couches minces par exemple un dispositif de pulvérisation cathodique, un dispositif de dépôt en phase vapeur (en anglais "vapour
déposition device") ou un dispositif de dépôt électroly-
tique (en anglais "electroplating device").
Du fait que le procédé conforme à l'inven-
tion n'utilise pas de champ magnétique à courant continu pendant la phase de dépôt, le matériau de couche déposé
sur les surfaces internes du dispositif de dépôt ne pertur-
be pas les étapes de dépôt suivantes, par exemple par for-
mation de champs de dispersion magnétiques et le nettoyage fréquent du dispositif normalement nécessaire peut être
omis, ce qui réduit notablement le prix de revient.
Un avantage spécial obtenu à l'aide de l'in-
vention est que l'uniformité des "aimants moléculaires" est améliorée comparativement à celle d'un capteur de champ magnétique à couche mince présentant une couche magnétique
anisotrope continue.
Selon une autre forme de réalisation de l'in-
vention, les rainures sont réalisées jusqu'à une profon-
deur égale à - à 1/1 de l'épaisseur de la couche magné-
tique. On a constaté qu'il n'est pas nécessaire que les rainures traversent complètement la couche magnétique du fait qu'une orientation uniforme des "aimants moléculaires" peut également s'obtenir lorsque la couche est divisée en bandes à l'aide de rainures, qui ne traversent la couche
magnétique que jusqu'à environ la moitié.
Selon une autre forme de réalisation avanta-
geuse de l'invention, les bandes sont réalisées de façon à présenter des bords inclinés, les bords présentant un angle d'inclinaison " de 12 à 60' par rapport à la surface du substrat. Cela est d'importance pour la qualité des couches à déposer ultérieurement sur la couche magnétique, par exemple des couches isolantes, car un recouvrement complet avec le matériau d'une couche suivante peut être obtenu
de façon plus homogène et plus complète sur des configura-
tions présentant des bords inclinés que sur des configura-
tions présentant des bords raides.
Selon une autre forme de réalisation de l'in-
vention, les bandes sont réalisées de façon à présenter doe extrémités arrondies, le rayon d'arrondi étant égal à 1/5 à 1/1 de la largeur des bandes.-En effet, dans le cas de bandes rectangulaires, il se peut que des domaines magnétiques présentant un axe préférentiel autre que
l'axe requis se forment dans la proximité des extrémités.
Ce phénomène est évité avec des extrémités quasi coupées,
par exemple arrondies.
Lorsque, selon une autre forme de réalisa-
tion de l'invention, la couche magnétique est divisée en bandes dont le rapport entre la largeur B et la longueur L (B/L) est connue 0,2: 0,6, on obtient un avantage pour le fonctionnement d-'un capteur à champ magnétique contenant
une telle couche magnétique; ainsi, il est possible d'ajus-
ter un point de fonctionnement désiré pour le capteur à
l'aide du rapport B/L.
Selon une autre forme de réalisation de l'in-
- vention, la couche magnétique est appliquée sur un substrat en oxyde d'aluminium, la surface du substrat adaptée de
façon à pouvoir supporter la couche magnétique étant re-
couverte d'une couche en verre afin de réduire la rugosité
superficielle. Pour de bonnes propriétés magnétiques, no-
tamment pour une faible intensité de champ coercitif de la couche magnétique, la qualité de la surface du substrat sur laquelle doit être appliquée la couche magnétique est
d'importance spéciale. Des surfaces présentant une rugosi-
té d'environ 0,05/u et des valeurs plus élevées, provoquent une détérioration des propriétés magnétiques de la couche
magnétique appliquée sur ces substrats, notamment de l'in-
tensité du champ coercitif. C'est pour cette raison que des substrats, comme ceux en oxyde d'aluminium, présentant un revêtement superficiel sous forme d'une couche en verre,
mais également de telles couches en monocristaux de sili-
cium thermiquement oxydées ou en un verre présentant un
point de ramollissement >5O0 C sont particulièrement ap-
propriées.
La description ci-après, en se référant aux
dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limi-
tatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La fgure 1 représente en coupe un capteur de champ magnétique à couche mince présentant une couche
magnétique réalisée à l'aide du procédé conforme à l'in-
vention. La figure 2 est une vue en plan (à échelle agrandie) d'un substrat supportant une couche magnétique
divisée en une pluralité de bandes.
La figure 3 montre une partie d'une bande de
la couche magnétique représentée sur la figure 2.
La mise en oeuvre du procédé conforme à l'in-
vention sera décrite à l'aide des structures de couche re-
présentées sur les figures 1 à 3.
La figure 1 représente en coupe un capteur de champ magnétique à couche mince comportant une couche
magnétique M divisée en bandes 3.
Une première couche conductrice L1, de pré-
férence en cuivre d'une épaisseur de quelques /um, est
déposée sur un substrat S, par exemple en oxyde d'aluminiun.
Avant le dépôt de la couche conductrice, il peut être né-
cessaire de déposer une couche auxiliaire H1, par exemple en dioxyde de titane TiO2 d'une épaisseur d'environ 0,01 à 0,1/um sur le substrat S. La couche conductrice L1 est structurée à l'aide d'un processus photolithographique conventionnel de façon à obtenir une configuration de bandes conductrices constituant, ensemble avec une seconde couche conductrice L2, une structure similaire, une bobine à couche mince. Une couche isolante D1, par exemple en SiO,, ou en un polymère organique, d'une épaisseur de quelques /um, est appliquée sur la couche L1 au besoin après l'application de la couche auxiliaire Il,. La couche magnétique MI, d'une épaisseurde 0,1/um à quelques /um,
est apppliquée sur la couche D1, par pulvérisation catho-
dique par exemple. La couche magnétique est de préférence appliquée à l'aide d'un masque. Comme matériau pour la couche magnétique il peut être utilisé un alliage de nickel- fer (81 Ni'10 Fe) ou un alliage de molybdène-nickel-fer
(4 Mo/79 Ni/17 Fe).
Au lieu d'une seule couche magnétique ilpeut être appliquée une structure multicouche constituée par
plusieurs sous-couches, alternativement en matériau magné-
tique (épaisseur environ 0,8/um) et matériau diélectrique
(épaisseur environ 0,3/um).
La couche magnétique ou les couches magné-
tiques est (sont) appliquée(s) sans utilisation d'un champ
magnétique d'orientation. La couche magnétique mince ré-
sultante (et les couches magnétiques minces respectivement) peut (peuvent) être structurée(s) pour former des bandes 3 d'une largeur B et d'une longueur L à l'aide d'un processus photolithographique, le rapport B/L étant situé entre 0,1 et 0,6, un nombre de 4 à 30 bandes étant avantageux. Dans un cas spécial, les bandes présentaient une largeur de 1,4 mm et une longueur de 9,5 mm, le nombre en était de 7; entre les bandes 3 sont appliquées des rainures 9 qui,
dans ce cas, -présentaient une largeur de 30fun et une pro-
fondeur de 1,6/um, la couche magnétique M étant traversée par les rainures 9. Toutefois, il n'est pas nécessaire que les rainures 9 traversent complètement la couche magnétique
M, une profondeur des rainures 9 correspondant approxima-
tivement à la moitié de l'épaisseur de la couche M étant déjà suffisante pour obtenir une orientation uniforme des
"aimants moléculaires" après l'étape d'orientation.
Il s'est avéré avantageux que les bords de bande 5 (figure 3) ne soient pas raides, mais inclinés par rapport au substrat. L'angle d'inclinaisonce est de
préférence compris entre 12 et 60 et dans la forme de réa-
lisation représentée sur le dessin, il est d'environ 45 .
Le décapage des bandes 3 pour la formation des bords in-
clinés 5 peut être effectué par décapage humide chimique, ou par pulvérisation cathodique. Dans-le cas de décapage humide chimique, la couche M est recouverte d'un masque de
vernis photosensible présentant la structure désirée.
L'étape de décapage humide chimique peut ainsi être effec-
tuée avec une solution de décapage de 100 ml de H20, 34 mi de H2SO4 (95%) et 18 ml de H202 (30%) à une température augmentée d'environ 60C. Le degré de décapage d'un alliage
de nickel-fer (81 Ni/19 Fe) est d'environ 5/um par minute.
De préférence, les bandes 3 ne présentent
pas d'extrémités rectangulaires, mais un profil arrondi 7.
Le rayon d'arrondi peut être compris
entre 1/5 à 1/1 de la largeur des bandes.
Après que la couche magnétique mince M a été
structurée pour obtenir les bandes 3, un processus de re-
cuit est effectué dans un champ d'orientation magnétique à courant continu. La durée peut être comprise entre 1 et 6
heure(s), une durée de 4 heures fournissant de bons résul-
tats, et la température peut être située entre 200 et 500 C, une température de 450'C fournissant de bons résultats. De préférence, le champ magnétique à courant continu présente
une intensité > 3 mT afin d'obtenir un axe de magnétisa-
tion préférentiel stable et uniforme.
Une seconde couche d'isolation D2, dont l'épaisseur et la structure correspondent pratiquement à
celles de la couche D1 est appliquée sur la couche magné-
tique M. (De préférence, après l'application d'une trois-
ième couche auxiliaire H, dont le matériau et l'épaisseur
correspondent à ceux des couches auxiliaires H1 et H2).
Une seconde couche conductrice L1, qui est de préférence
constituée par du cuivre, est appliquée sur la couche D1.
La couche L1 est structurée de façon à obtenir une confi-
guration de bandes conductrices, qui sont connectées aux
bandes de la couche L1 afin de former une bobine, qui en-
toure la couche magnétique M. L'exemple de réalisation décrit fonctionne à l'aide d'une bobine intégrée dans la technique de couche mince. Cela n'est pas absolument nécessaire et la couche magnétique anisotrope peut également être appliquée sur un substrat approprié et recouverte d'une couche isilante, par exemple en SiO. La bobine requise pour le genre de
capteur décrit ci-dessus peut être réalis4e sous forn..e de-
bobine de fil métallique. D'autres genres de capoteur n -
tionnant sans bobine, par exemple des capteurs magr gto- résistifs peuvent être réalisés de façon analogue. Ainsi, un substrat supportant une couche magnétique divisée en
plusieurs bandes après orientation magnétique à une temre-
rature augmentée peut être coupé en de petites parties,
dont chacune comporte au moins une bande magnétique pré-
sentant un axe de magnétisation préférentiel.
Claims (9)
1. Procédé de réalisation d'un capteur de champ
magnétique à couche mince comportant un substrat suppor-
tant une couche magnétique anisotrope présentant un axe de
magnétisation préférentiel, caractérisé en ce qu'en l'ab-
sence d'un champ d'orientation magnétique, la couche magné-
tique est déposée sur le substrat, puis, qu'elle est divi-
sée par des rainures en une pluralité de bandes parallèles
et que la couche ainsi structurée est soumise à un prG-
cessus de recuit dans un champ d'orientation magnétique.
2. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que le matériau utilisé pour la couche magné-
tique est un alliage choisi dans le groupe comprenant des alliages à base de nickel-fer et des alliages à base de molybdène-nickel-fer.
3. Procédé selon la revendication 2, caracté-
risé en ce que la structure de bandes de la couche magné-
tique est obtenue par un processus de décapage humide chi-
mique à une température élevée.
4. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la couche magnétique est déposée sur un
substrat en oxyde d'aluminium dans lequel la zone du sub-
strat adaptée à supporter la couche magnétique est recou-
verte d'une couche en verre.
5. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que les bandes présentent des bords inclinés, l'angle d'inclinaison " étant compris entre 12 et 60 par
rapport à la surface du substrat.
6. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que les bandes présentent des extrémités arron-
dies le rayon d'arrondi étant égal à 1/5 à 1/1 de
la largeur des bandes.
7. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que les bandes sont formées de façon que le rapport entre leur largeur B et leur longueur L (B/L) soit
connu, 0,1 à 0,6.
S, * Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que les rainures sont réalisées jusqu'à une profondeur égale à 1/2 à 1/1 de l'épaisseur de la couche magnétique.
9. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que le processus de recuit est effectué à une température située dans la gamme comprise entre 200 et
500 C pendant une durée de 1 à 6 heure(s).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que la couche est soumise à un champ d'orientation magnétique présentant une intensité de champ
d'au moins 3mT.
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