WO2015166159A1 - Aimant permanent comportant un empilement de couches ferromagnetiques et antiferromagnetiques - Google Patents

Aimant permanent comportant un empilement de couches ferromagnetiques et antiferromagnetiques Download PDF

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WO2015166159A1
WO2015166159A1 PCT/FR2015/051040 FR2015051040W WO2015166159A1 WO 2015166159 A1 WO2015166159 A1 WO 2015166159A1 FR 2015051040 W FR2015051040 W FR 2015051040W WO 2015166159 A1 WO2015166159 A1 WO 2015166159A1
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layer
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antiferromagnetic
stack
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PCT/FR2015/051040
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Bertrand Delaet
Mathilde CARTIER
Marie- Claire Cyrille
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
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    • H01F10/3218—Exchange coupling of magnetic films via an antiferromagnetic interface

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet and a magnetic field sensor incorporating this permanent magnet.
  • the invention also relates to a method of manufacturing this permanent magnet.
  • Known magnetic field sensors incorporate permanent magnets to measure the amplitude, in a given direction, of a magnetic field to be measured. Such sensors are described, for example, with reference to FIG. 4 of application US 2011/0151589 or with reference to FIGS. 1A to 8 of application WO 2010/0084165.
  • the permanent magnets used in these sensors unlike the pinned layers used in spin or GMR ("Giant Magnetoresistance") valves and in tunnels or TMR junctions (Tunnel Magnetoresistance) , must generate a large magnetic field.
  • the magnetic field generated by the trapped layer must, on the contrary, be small in order to allow the direction of magnetization of the free layer to rotate and to align with the direction of an external magnetic field.
  • the magnetization of the trapped layers is frozen whereas in the case of dynamic structures, such as MRAM structures (Magnetoresistive Random Access Memory) or TAMRAM (Thermally-Assisted Magnetic Random Access Memories) for example, this magnetization evolves. when using the structure.
  • the permanent magnet is formed by a stack of ferromagnetic layers and antiferromagnetic layers.
  • this stack comprises:
  • each first ferromagnetic layer being trapped, by exchange coupling, with one of the antiferromagnetic layers of the stack, parallel and in the same direction as the directions of magnetization of the other first ferromagnetic layers.
  • each ferromagnetic layer is wedged between two antiferromagnetic layers.
  • ferromagnetic and antiferromagnetic layers denotes layers made respectively of ferromagnetic material and antiferromagnetic material.
  • Such embodiments of a permanent magnet are described with reference to FIG. 1A of the application US 2011/0151589 and with reference to FIGS. 10A and 10B of the application WO 2010/0084165.
  • the magnetic field of such a permanent magnet comprising a stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers is considered important if the following relationship is verified: EMifcs,> 50 ⁇ 10 -9 Tm and, preferably, greater at 10 "7 Tm, where:
  • M is the amplitude of the magnetization of the ferromagnetic layer C, of thickness t,
  • i is the order number of the layer C, in the stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers of the permanent magnet, and
  • ⁇ is the sum for all the ferromagnetic layers existing in the stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers.
  • this EMi Si sum is generally much less than 50 ⁇ 10 -9 Tm in the reference layers or trapped layers of the spin valves or tunnel junctions for the reasons indicated above.
  • the magnetic field of a permanent magnet is important if its magnetic moment per unit area is greater than (50 ⁇ 10 -2 ) / (4 ⁇ ) A and, preferably, greater than 1 / (4 ⁇ ) A.
  • the magnetic moment per unit area of a permanent magnet having a stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers can easily be measured.
  • the magnetic moment of the permanent magnet is measured by the VSM method ("Vibrating Sample Magnetometry"). This method is well known. It is for example described in the following articles:
  • the magnetic moment thus measured is then divided by the volume of ferromagnetic material contained in the magnet to obtain its magnetization.
  • the dimensions of the ferromagnetic layers can easily be measured, for example, by observing vertical sections of this stack with a microscope. In particular, these observations make it possible to measure the thickness t of each ferromagnetic layer.
  • the magnetization thus obtained is multiplied by the sum of the thicknesses t of each ferromagnetic layer to obtain the magnetic moment of this magnet per unit area.
  • the ferromagnetic layers of the stack all have the same surface in a plane perpendicular to the stacking direction of these layers. Therefore, it is also possible to divide the measured magnetic moment for the magnet by the surface of the ferromagnetic layers, or the surface of the permanent magnet if it is equal to the surface of the ferromagnetic layers, to obtain the magnetic moment per unit of area.
  • the magnetization of such a permanent magnet typically has a hysteresis cycle such as that shown in FIG. 1.
  • Curve 2 represents the evolution of the magnetization, denoted B in the figures, of the permanent magnet as a function of the magnetic field H. More precisely, the magnetization B varies between two extreme values B S L and B S H. When the magnetization of the permanent magnet reaches the value B SH , its magnetization can not increase even if the magnetic field H increases. It is said that the magnet is saturated. The same phenomenon occurs when the magnetization reaches the value B S L and the magnetic field continues to decrease. Between these two extreme values, the curve 2 defines a cycle 4 of hysteresis. Cycle 4 comprises:
  • the curves 4A and 4B meet on one side at a point 4C and the other side at a point 4D. Between these points 4C and 4D, the curves 4A and 4B are distinct. Beyond point 4C and below point 4D, curves 4A and 4B coincide and the permanent magnet is saturated. Here, point 4C is closest to the y-axis.
  • the difference between the curves 4A and 4B is equal to 1% of the value B SH .
  • the hysteresis loop 4 is generally shifted to the left as shown in FIG. 1. More precisely, the cycle 4 is shifted, with respect to the ordinate axis, by a value H ex, hereinafter called exchange field H ex or field H ex .
  • This field H ex is also known as English term of exchange bias.
  • the value of the field H ex corresponds to the value of the abscissa of the point situated midway between the two points where the cycle 4 intersects this abscissa axis.
  • the x-axis represents the magnetic field H.
  • the coercive field H c or field H c of the permanent magnet is the half-width of the cycle 4. Typically, its value is taken equal to the difference between the value of the field H ex and a point of intersection of the cycle 4 with the abscissa axis.
  • the field H * is also defined as being the smallest magnetic field from which the hysteresis of the permanent magnet disappears, that is to say as specified above, the magnetic field for which the hysteresis is less than 1% of the value B S H.
  • the value of the field H * is equal to the value of the abscissa of point 4C.
  • the invention aims to increase the amount of ferromagnetic materials of a magnet obtained by the stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers without necessarily increasing the amount of antiferromagnetic materials contained in this permanent magnet.
  • the subject of the invention is a permanent magnet according to claim 1.
  • the above permanent magnet further comprises, with respect to known magnets, second ferromagnetic layers whose magnetization directions are trapped only by a coupling RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida).
  • RKKY Retrigger-Kittel-Kasuya-Yoshida
  • Embodiments of this permanent magnet may include one or more of the features of the dependent claims.
  • the thickness of the first ferromagnetic layers so that the resulting field H * for the magnet has the same sign as H ex and an absolute value greater than 795 A m, or even advantageously at 3978 A / m, makes it possible to increase the insensitivity of the permanent magnet to external magnetic disturbances;
  • a pattern comprising an antiferromagnetic layer used to trap, by exchange coupling, on each side, a ferromagnetic layer makes it possible to further limit the quantity of antiferromagnetic materials used to make this stack;
  • the invention also relates to a magnetic field sensor according to the independent sensor claim.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the hysteresis cycle of a permanent magnet made from a stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers;
  • FIG. 2 is a schematic illustration in plan view of a magnetic field sensor
  • FIG. 3 is a diagrammatic illustration in longitudinal vertical section of a permanent magnet of the sensor of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a graph illustrating the hysteresis cycle of the permanent magnet in two particular cases of the form factor
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for manufacturing the permanent magnet of FIG. 3;
  • FIGS. 6 to 8 are diagrammatic illustrations in longitudinal vertical section of other possible embodiments of the permanent magnets of the sensor of FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a magnetic field sensor 10.
  • This sensor 10 is identical to the sensor described with reference to FIG. 8 of the application WO 2010/0084165, except as regards the structure of the permanent magnets used. Thus, only a brief description of the general architecture of this sensor is given to illustrate an embodiment of such a sensor.
  • This sensor 10 comprises:
  • a substrate 12 extending essentially in a horizontal plane parallel to orthogonal directions X and Y, and
  • a Z direction, perpendicular to the X and Y directions, represents the vertical. Subsequently, the following figures are oriented with respect to this same reference X, Y, Z. In addition, the terms such as “above”, “below”, “below”, “above” are defined in relation to this direction Z.
  • each magnetometer 14 to 16 measure the amplitude of the magnetic field to be measured in the directions, respectively, Z, Y and X.
  • each magnetometer 14 to 16 comprises:
  • a permanent magnet respectively 20 to 22, able to move relative to the substrate 12, and
  • transducer 24 to 26 capable of transforming the displacement of the permanent magnet into a corresponding variation in current or voltage.
  • the transducers 24 to 26 are piezoresistive transducers.
  • these transducers are fixed, without degree of freedom, on one side on the substrate 12 and, on the other hand, the permanent magnet.
  • the permanent magnets 20 to 22 are identical except that the direction of the overall magnetic moment of the permanent magnet 22 is perpendicular to that of the permanent magnets 20 and 21. Therefore, only a detailed description of the permanent magnet 20 is given later.
  • Figure 3 shows the permanent magnet 20 deposited on a base 30 movable relative to the substrate 12.
  • the base 30 is obtained by etching the substrate 12. Only a portion of this base 30 is shown in FIG. 3.
  • the magnet 20 is formed of a stack, in a stacking direction, of ferromagnetic and antiferromagnetic layers.
  • the stacking direction is parallel to the Z direction.
  • the antiferromagnetic layers are hatched
  • the proportion between the length L and the height of the stack is not respected to reduce the size of the figures in the longitudinal direction of the stack.
  • the stack has a parallelepipedal shape and a form factor greater than or equal to 2, 5 or 20, or even greater than 100 or 1000.
  • the form factor is defined as the ratio of the length L to the width W of the stack.
  • the length is parallel to the X direction and the width W is parallel to the Y direction.
  • the width of the stack is less than 20 ⁇ or 10 ⁇ and the length L is greater than 50 ⁇ or 100 ⁇ or 1 mm.
  • the height of the stack is generally greater than ⁇ ⁇ ⁇ or 500 ⁇ . This height is measured between the layer of the stack closest to the base 30 and the layer of this same stack furthest from the base 30.
  • the stack of ferromagnetic and antiferromagnetic layers is successively compound in the Z direction:
  • an encapsulation layer 38 deposited on the top of this stack.
  • the layer 38 is intended to protect the permanent magnet chemical and / or physical attacks of the external environment.
  • This layer 38 is made of a non-magnetic material.
  • nonmagnetic material is meant here a material devoid of magnetic property capable of disturbing the operation of the permanent magnet 20. Generally, it is a material whose magnetic properties are null or not measurable.
  • the layer 38 is made of tantalum (Ta) and its thickness is greater than or equal to 5 nm.
  • the layer 36 is for example identical to the layer 40 described below.
  • the first occurrence of the pattern 34 in the stack that is to say the one that is closest to the base 30 is the reference 34i
  • the second occurrence immediately above this first occurrence 34i is referenced 34 2 and so on until occurrence 34 n .
  • occurrences 34i to 34 n are directly stacked on top of each other and therefore are separated from each other by any other layer not belonging to the pattern 34.
  • the number n of repetitions of the pattern 34 is generally chosen to achieve a desired height of the stack. This height depends on the intended application. However, preferably, n is greater than or equal to 2, 5 or 10. n is also generally less than 50 or 100.
  • the different occurrences of the pattern 34 are all identical to each other and only the occurrence 341 will therefore be described in detail.
  • the occurrence 34i is successively composed in the direction Z:
  • ferromagnetic layer 46 whose magnetization direction is trapped by antiferromagnetic coupling RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) with the ferromagnetic layer 42,
  • non-magnetic layer 48 forming a spacer
  • a ferromagnetic layer 50 whose magnetization direction is trapped by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 40 of the occurrence 34 2 of the pattern 34 situated just above the occurrence 34i.
  • antiferromagnetic materials used are for example chosen from the group consisting of:
  • the antiferromagnetic manganese alloys are typically PtMn, NiMn, PdPtMn, FeMn and IrMn.
  • the antiferromagnetic material chosen for the layer 40 is the PtMn alloy.
  • the ferromagnetic materials used to make the ferromagnetic layers are selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron and their alloys.
  • the ferromagnetic material is often CoFe or NiFe or CoFeB.
  • the layer 42 is made of CoFe.
  • the direction of magnetization that is to say the direction of the magnetic moment
  • the layer 42 is parallel and in the same direction as the direction X.
  • the amplitude of the saturation magnetization of the layer 42 is greater than or equal to 0.5 T or 1 T or 2 T. It is recalled here that a Tesia is equal to 10 7 / (4 ⁇ ) ⁇ / ⁇ ,
  • the ferromagnetic layer is directly deposited on the antiferromagnetic layer, or
  • the thickness of the layers 40 and 42 are chosen to obtain a good exchange coupling between these two layers.
  • the exchange coupling is good if:
  • the H ex and H c fields of a stack comprising only the layers 40 and 42 can be measured experimentally or obtained by numerical simulation.
  • a good exchange coupling allows in case of significant external magnetic disturbance to return to the initial state after the disappearance of this disturbance.
  • the thickness of the layers 40 and 42 is, for example, determined by experimentation or numerical simulation by successively testing different thicknesses for a stack formed only of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer made of the same materials. 40 and 42.
  • the appropriate thicknesses are known to those skilled in the art.
  • the thickness of the layer 40 is between 5 and 100 nm and preferably between 7 and 25 nm or between 10 and 25 nm.
  • the thickness of the layer 42 is often between 0.5 nm and 100 nm.
  • the thickness of the layer 40 is two or three or ten times greater than the thickness of the layer 42 to obtain this good exchange coupling.
  • the thickness of the layer 40 is 20 nm while the thickness of the layer 42 is 0.8 nm.
  • the layer 44 is made of a non-magnetic material.
  • the non-magnetic materials used are typically selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, silver, chromium, tantalum copper, etc.
  • the layer 44 is ruthenium.
  • the thickness of the layer 44 is chosen so that there is an RKKY coupling between the layer 42 and the ferromagnetic layer 46.
  • the coupling RKKY is either ferromagnetic, that is to say that the magnetization directions of the coupled ferromagnetic layers are identical, or antiferromagnetic, that is to say that the magnetization directions of the coupled ferromagnetic layers are opposite.
  • the antiferromagnetic RKKY coupling is obtained for a thickness of 0.8 nm while the ferromagnetic RKKY coupling is obtained for a thickness of 1.4 nm.
  • the thickness of the layer 44 is 0.8 nm and, consequently, the layers 42 and 46 are magnetically coupled by antiferromagnetic RKKY coupling.
  • the magnetization direction of the layer 46 is trapped, in this embodiment, without it being necessary for this to use an exchange coupling and therefore an additional antiferromagnetic layer.
  • the thickness of the layer 46 may be selected to be important because the thickness of this layer has no influence on the quality of the exchange coupling between the layers 40 and 42.
  • the thickness of the layer 46 is chosen so that the following relation is verified: M 2 t 2 ⁇ X * Miti, where:
  • - Mi and ti are, respectively, the magnetization and the thickness of the ferromagnetic layer 42, and
  • M 2 and t 2 are, respectively, the magnetization and the thickness of the ferromagnetic layer 46,
  • X is an integer equal to two and preferably equal to five or ten or 15.
  • the layer 46 is made of the same ferromagnetic material as the layer 42.
  • the thickness of the layer 46 is preferably greater than two or five or ten times the thickness of the layer 42.
  • the thickness of the layer 46 is greater than 5 or 10 nm and generally less than 100 nm.
  • the thickness of the layer 46 is taken equal to 16 nm.
  • the amplitude of the saturation magnetization of the layer 46 is also greater than 0.5 T or 1 T or 2 T.
  • the layer 48 is a non-magnetic spacer whose thickness is chosen to create an antiferromagnetic RKKY coupling between the ferromagnetic layers 46 and 50. For this purpose, it is identical to the layer 44.
  • the ferromagnetic layer 50 is magnetically coupled on one side to the layer 46 by the antiferromagnetic coupling RKKY and, on the other side, to the antiferromagnetic layer 40 of the occurrence 34 2 .
  • the layer 50 is designed so that there is a good exchange coupling with the antiferromagnetic layer 40 of the occurrence 34 2 .
  • the thickness of the layer 50 may be chosen as the thickness of the layer 42.
  • the layers 50 and 42 are structurally identical.
  • the magnetization directions of the layers 42 and 50 are trapped by exchange couplings while the magnetization direction of the layer 46 is trapped only by RKKY couplings.
  • SAF Synthetic antiferromagnetic
  • a SAF is defined as a superposition of ferromagnetic and non-magnetic layers in which all the ferromagnetic layers are magnetically coupled to each other by antiferromagnetic RKKY couplings.
  • the magnetic moment of such an SAF is proportional to the following sum: ⁇ Mits ,, where:
  • the thicknesses of the ferromagnetic layers are chosen so that this sum is not zero. It is said that it is an unbalanced SAF ("unbalanced SAF" in English).
  • the SAF has three ferromagnetic layers and is therefore also called double-SAF.
  • the overall magnetic moment of the permanent magnet 20 is proportional to the sum of the magnetic moments of the SAF of the stack.
  • the thickness of the layers 42 and 50 is reduced to obtain a good exchange coupling and therefore to increase the value of the Hex field.
  • the ferromagnetic layer 46 whose magnetization direction is only trapped by RKKY couplings, it is also possible to increase the R ratio.
  • the R ratio is equal to the volume ratio of ferromagnetic materials. on the volume of antiferromagnetic materials contained in the magnet 20. Therefore, this embodiment makes it possible at the same time to increase the ratio H e x / H c while maintaining or increasing the ratio R.
  • the magnet permanent 20 presents:
  • the sensitivity of the sensor incorporating this permanent magnet is better because the volume of ferromagnetic materials has been increased.
  • the graph of FIG. 4 represents:
  • a hysteresis cycle 60 of the permanent magnet 20 in the particular case where its length is equal to 200 ⁇ and its width W is equal to 4 ⁇ , and
  • the cycles 60 and 62 were obtained by measurement. They clearly illustrate the fact that the ratio H e x / H c decreases when the permanent magnet is shaped to have an important form factor.
  • FIG. 5 represents a method of manufacturing the permanent magnet 20. More specifically, during a step 70, the various layers described with reference to FIG. Figure 3 are deposited on each other. For this, methods known in the field of microtechnologies and the production of electronic chips are used. During step 70, no particular formatting is given to this stack of layers. This stack covers at least the locations where the magnets 20 to 22 must be made.
  • this stack is structured to leave only bar-shaped stacks at the locations where the magnets 20 to 22 must be made. Thus, at the end of this step, only bars having the required form factors remain, that is to say generally greater than 2, 10 or 100.
  • the bars are heated so that the temperature of the antiferromagnetic layers exceeds their ordering temperature.
  • This annealing is performed under a saturating magnetic field as described for example in the application US 2011/0151589.
  • Figure 6 shows a permanent magnet 80.
  • the magnet 80 is identical to the magnet 20 except that the pattern 34 is replaced by a pattern 82.
  • the pattern 82 is identical to the pattern 34 except that the non-magnetic layers 44 and 48 are replaced, respectively, by non-magnetic layers 84 and 86.
  • the layer 84 is identical to the layer 42 except that its thickness is chosen to obtain a ferromagnetic RKKY coupling between the ferromagnetic layers 42 and 46.
  • the thickness of the layer 84 is chosen to be 1.4 nm.
  • the layer 86 is identical to the layer 84.
  • the magnetization directions of all the ferromagnetic layers are in the same direction.
  • the amplitude of the magnetic moment of the permanent magnet 80 is greater than the amplitude of the magnetic moment of the permanent magnet 20.
  • the coupling energy RKKY between the layers 46 and the layers 42 and 50 is smaller than in the case of the permanent magnet 20.
  • the stack of the ferromagnetic layers 42, 84, 46, 86, 50 form a stack that will be designated later by FSF.
  • An FSF such as a SAF is a superposition of ferromagnetic and non-magnetic layers in which all the ferromagnetic layers are magnetically coupled to one another by RKKY couplings. However, in an FSF, at least one of these RKKY couplings is a ferromagnetic RKKY coupling.
  • FIG. 7 represents a permanent magnet 90.
  • the magnet 90 is identical to the magnet 20 except that the pattern 92 repeated n times is different from the pattern 34.
  • the pattern 92 comprises:
  • a lamination layer 108 which magnetically isolates the ferromagnetic layer 106 from the layer 104 of the occurrence 92 2 of the pattern 92 situated just above it.
  • the exchange couplings and the antiferromagnetic RKKY couplings in the pattern 92 are, for example, obtained as described with reference to the pattern 34.
  • the layers 94, 96, 98, 100 and 102 are identical to the layers , respectively, 40, 42, 50, 44 and 48.
  • the layers 104 and 106 are, for example, identical to the layer 46.
  • the lamination layer 108 magnetically decouples the layer 106 of the layers of occurrence 92 2 .
  • this lamination layer is made of a non-magnetic material selected from the group consisting of the following materials MgO, Mg, Ta, TiO 2 . Typically, its thickness is greater than 5 or 10 nm.
  • the pattern 92 comprises:
  • the trapping of the magnetization directions of the layers 96 and 98 by exchange coupling is obtained using only one antiferromagnetic layer and not two as in the magnet 20.
  • Figure 8 shows a permanent magnet 130.
  • This magnet 130 is identical to the magnet 20 except that the pattern 34 is replaced by a pattern 132.
  • the pattern 132 is identical to the pattern 34 except that a ferromagnetic layer 134 and a non-magnetic layer 136 are inserted between the layers 48 and 46 of the pattern 34.
  • the layer 134 is made, for example, in the same ferromagnetic material as the layers 42, 46 and 50. By For example, the layer 134 is identical to the layer 46.
  • the magnetization direction of the layer 134 is trapped by antiferromagnetic RKKY coupling with the layer 50.
  • the layer 48 is interposed between the ferromagnetic layers 50 and 134.
  • the magnetization direction of the layer 134 is also trapped by a ferromagnetic coupling RKKY with the layer 46.
  • the layer 136 is interposed between the ferromagnetic layers 134 and 46.
  • the thickness of the layer 136 is chosen to obtain a ferromagnetic RKKY coupling.
  • the layer 136 is a ruthenium layer of 1.4 nm thick.
  • the pattern 132 forms a ferromagnetic four-layer FSF in which the magnetization directions of two of these ferromagnetic layers are trapped only by RKKY couplings.
  • the thickness of layers 100 and 102 can be increased to achieve ferromagnetic RKKY coupling between layers 96 and 104 and between layers 98 and 106 instead of antiferromagnetic RKKY coupling.
  • the thickness of the non-magnetic layers 44, 48 and 136 can also be modified to obtain only ferromagnetic RKKY couplings between the different ferromagnetic layers of the same pattern.
  • the pattern 82 comprises an FSF with three ferromagnetic layers.
  • Pattern 132 comprises a ferromagnetic four-layer FSF.
  • these FSFs can be replaced by an FSF or FAS with p ferromagnetic layers, where p is an integer greater than or equal to 5 or 6. Generally, p remains less than 10.
  • p is equal to two.
  • the layers 96, 100 and 104 of the pattern 92 are omitted.
  • the number n of patterns is then greater than or equal to two to have in the stack at least two ferromagnetic layers whose magnetization directions are trapped by exchange coupling with an antiferromagnetic layer.
  • one or both SAF located on either side of the antiferromagnetic layer 94 may each be replaced by SAF or FSF with more than two ferromagnetic layers.
  • the different ferromagnetic layers of the same pattern are not necessarily made in the same ferromagnetic materials.
  • one of these layers can be made of CoFe and another of NiFe.
  • the thicknesses of the different ferromagnetic layers trapped by an exchange coupling may be different from each other.
  • the thickness of layers 42 and 50 or layers 96 and 98 are different from each other.
  • the thicknesses of the ferromagnetic layers whose magnetization directions are only trapped by RKKY couplings can be different.
  • the thicknesses of the layers 104 and 106 or the thicknesses of the layers 46 and 134 are different from each other.
  • the ferromagnetic layers whose magnetization directions are trapped by exchange coupling have a thickness five or ten times smaller than the thickness of the ferromagnetic layers whose magnetization directions are only trapped. by RKKY couplings.
  • the first relationship following is verified M 2 t 2 ⁇ X * Miti, where X is equal to five or ten. In a variant, this ratio between the thicknesses is not respected.
  • the thickness of the ferromagnetic layers whose magnetization directions are trapped by exchange coupling is five to ten times greater than that of the ferromagnetic layers whose magnetization directions are only trapped by RKKY coupling.
  • a stack is constructed using a pattern identical to pattern 34 except that the thickness of layers 42 and 50 is greater than or equal to 10 nm and the thickness of layer 46 is less than 1 nm.
  • it is a second relation, inverse of the first relation, that is to say Miti> X * M 2 t 2 which is verified for each pair of ferromagnetic layers, with X equal to five or ten. From the moment when the stack respects the first or the second relationship, the amount of ferromagnetic material inside this stack is substantially increased without increasing the amount of antiferromagnetic material.
  • the stack does not necessarily have a parallelepiped shape.
  • the section of the stack parallel to the X, Y directions is an ellipse or an oval.
  • the form factor of the permanent magnet is defined as the ratio of the length to the width of the smaller volume parallelepiped containing the entire stack.
  • the form factor of the stack is not necessarily greater than or equal to two. For example, it can be equal to one.
  • a layer of hooked between the first occurrence of the pattern and the base 30 on which must be fixed permanent magnet may be provided to improve the adhesion of the first pattern on the base.
  • the ferromagnetic layers are not necessarily each formed by a single homogeneous block of ferromagnetic material.
  • each ferromagnetic layer may also be rolled as described in the patent application FR 2 892 871 in the passage on page 13, lines 5 to 9.
  • the ferromagnetic layers may also consist of a set of several ferromagnetic plates directly superimposed on each other such as for example NiFe / CoFe or TbCo / CoFeB bilayers.

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Abstract

Aimant permanent comportant un empilement de couches ferromagnetiques et antiferromagnetiques. Cet aimant permanent comporte: - au moins deux couches antiferromagnétiques (40), et - au moins deux premières couches ferromagnétiques (42, 50), la direction d'aimantation de chaque première couche ferromagnétique étant figée, par un couplage d'échange, avec l'une des couches antiferromagnétiques de l'empilement, parallèlement et dans le même sens que les directions d'aimantation des autres premières couches ferromagnétiques, - au moins une seconde couche ferromagnétique (46), la direction d'aimantation de chaque seconde couche ferromagnétique étant piégée uniquement par couplage RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) avec au moins l'une des premières couches ferromagnétiques ou avec au moins une autre des secondes couches ferromagnétiques.

Description

AIMANT PERMANENT COMPORTANT UN EMPILEMENT DE COUCHES FERROMAGNETIQUES ET ANTIFERROMAGNETIQUES
[ooi] L'invention concerne un aimant permanent ainsi qu'un capteur de champ magnétique incorporant cet aimant permanent. L'invention concerne également un procédé de fabrication de cet aimant permanent.
[002] Des capteurs connus de champ magnétique incorporent des aimants permanents pour mesurer l'amplitude, dans une direction donnée, d'un champ magnétique à mesurer. De tels capteurs sont décrits, par exemple, en référence à la figure 4 de la demande US 2011/0151589 ou en référence aux figures 1A à 8 de la demande WO 2010/0084165.
[003] Les aimants permanents utilisés dans ces capteurs, contrairement aux couches piégées (« pinned layer » en anglais) utilisées dans les vannes de spin ou GMR (« Giant Magnetoresistance ») et dans les jonctions tunnels ou TMR (« Tunnel Magnetoresistance »), doivent générer un champ magnétique important. Pour rappel, dans les vannes de spin et les jonctions tunnels, le champ magnétique généré par la couche piégée doit au contraire être faible pour permettre à la direction d'aimantation de la couche libre de tourner et de s'aligner sur la direction d'un champ magnétique extérieur. Ainsi dans les aimants permanents, l'aimantation des couches piégées est figée alors que dans le cas de structures dynamiques, comme des structures MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) ou TAMRAM (Thermally-Assisted Magnetic Random Access Memories) par exemple, cette aimantation évolue lors de l'utilisation de la structure.
[004] Pour obtenir un champ magnétique important, dans les capteurs connus, l'aimant permanent est réalisé par un empilement de couches ferromagnétiques et de couches antiferromagnétiques. Typiquement, cet empilement comporte :
- au moins une couche antiferromagnétique, et
- au moins deux premières couches ferromagnétiques, la direction d'aimantation de chaque première couche ferromagnétique étant piégée, par un couplage d'échange, avec l'une des couches antiferromagnétiques de l'empilement, parallèlement et dans le même sens que les directions d'aimantation des autres premières couches ferromagnétiques.
[005] Plus précisément, dans les aimants permanents connus chaque couche ferromagnétique est coincée entre deux couches antiferromagnétiques. Par la suite, par couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques, on désigne des couches réalisées, respectivement, en matériau ferromagnétique et en matériau antiferromagnétique. De tels modes de réalisation d'un aimant permanent sont décrits en référence à la figure 1A de la demande US 2011/0151589 et en référence aux figures 10A et 10B de la demande WO 2010/0084165. [006] Par la suite, le champ magnétique d'un tel aimant permanent comportant un empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques est considéré comme important si la relation suivante est vérifiée : EMifcs, > 50 x 10"9 T.m et, de préférence, supérieur à 10"7 T.m, où :
- M, est l'amplitude de l'aimantation de la couche ferromagnétique C, d'épaisseur t,
- s, est égal à « +1 » si la direction du moment magnétique de la couche ferromagnétique C, est parallèle et de même sens que le moment magnétique global de l'aimant permanent et, égal à « -1 » si la direction du moment magnétique de la couche ferromagnétique C, est parallèle et de sens opposé à la direction du moment magnétique global de l'aimant permanent,
- i est le numéro d'ordre de la couche C, dans l'empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques de l'aimant permanent, et
- le symbole «∑ » est la somme pour toutes les couches ferromagnétiques existantes dans l'empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques.
[007] Pour information, cette somme EMi Si est en général très inférieure à 50 x 10"9 T.m dans les couches de référence ou couches piégées des vannes de spin ou jonctions tunnels pour les raisons indiquées ci-dessus.
[008] Écrire qu'un aimant permanent vérifie la relation suivante EMifcs, > 50 x 10"9 T.m est équivalent à dire que le moment magnétique total de cet aimant par unité de surface est supérieur à (50 x 10"2)/(4π) A. En effet, un moment magnétique μ s'exprime en A.m2 dans le Système International (SI) ou en emu dans le système CGS. L'aimantation M est égale au moment magnétique μ par unité de volume et s'exprime donc en A/m dans le Système International ou en emu/cm3 dans le système CGS. Donc une aimantation M multipliée par une épaisseur t s'exprime en A dans le Système International ou en emu/cm2 dans le système CGS. C'est parce qu'une aimantation M multipliée par une épaisseur t s'exprime en A dans le système SI ou en emu/cm2 dans le système CGS qu'on qualifie ce produit de moment magnétique par unité de surface. Dès lors, le champ magnétique d'un aimant permanent est important si son moment magnétique par unité de surface est supérieur à (50 x 10"2)/(4π) A et, de préférence, supérieur à 1/(4π) A.
[009] Le moment magnétique par unité de surface d'un aimant permanent comportant un empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétique peut facilement être mesuré. Par exemple, le moment magnétique de l'aimant permanent est mesuré par la méthode VSM (« Vibrating Sample Magnetometry »). Cette méthode est bien connue. Elle est par exemple décrite dans les articles suivants :
- Simon FONER, « Versatile and Sensitive Vibrating-Sample Magnetometer », The review of scientific instrucments, Volume 30, number 7, juillet 1959,
- Christian Albrechts, « Vibrating Sample Magnetometry », Université de Kiel, M106, 2011. [0010] Le moment magnétique ainsi mesuré est alors divisé par le volume de matériau ferromagnétique contenu dans cet aimant pour obtenir son aimantation. Quel que soit l'empilement, les dimensions des couches ferromagnétiques peuvent être facilement mesurées, par exemple, par observation de coupes verticales de cet empilement avec un microscope. En particulier, ces observations permettent de mesurer l'épaisseur t de chaque couche ferromagnétique. Enfin, l'aimantation ainsi obtenue est multipliée par la somme des épaisseurs t de chaque couche ferromagnétique pour obtenir le moment magnétique de cet aimant par unité de surface. Généralement, les couches ferromagnétiques de l'empilement ont toutes la même surface dans un plan perpendiculaire à la direction d'empilement de ces couches. Par conséquent, on peut aussi diviser le moment magnétique mesuré pour l'aimant par la surface des couches ferromagnétiques, ou par la surface de l'aimant permanent si elle est égale à la surface des couches ferromagnétiques, pour obtenir le moment magnétique par unité de surface.
[0011] L'aimantation d'un tel aimant permanent, présente typiquement un cycle d'hystérésis tel que celui représenté sur la figure 1 .
[0012] La figure 1 va maintenant être utilisée pour définir certains termes. La courbe 2 représente l'évolution de l'aimantation, notée B sur les figures, de l'aimant permanent en fonction du champ magnétique H. Plus précisément, l'aimantation B varie entre deux valeurs extrêmes BSL et BSH. Lorsque l'aimantation de l'aimant permanent atteint la valeur BSH, son aimantation ne peut plus augmenter même si le champ magnétique H augmente. On dit alors que l'aimant est saturé. Le même phénomène se produit lorsque l'aimantation atteint la valeur BSL et que le champ magnétique continue à diminuer. Entre ces deux valeurs extrêmes, la courbe 2 définit un cycle 4 d'hystérésis. Le cycle 4 comporte :
- une courbe 4A qui descend au fur et à mesure que le champ magnétique H diminue, et
- une courbe 4B qui monte au fur et à mesure que le champ magnétique H augmente.
[0013] Les courbes 4A et 4B se rejoignent d'un côté en un point 4C et de l'autre côté en un point 4D. Entre ces points 4C et 4D, les courbes 4A et 4B sont distinctes. Au- delà du point 4C et en-deçà du point 4D, les courbes 4A et 4B sont confondues et l'aimant permanent est saturé. Ici, le point 4C est le plus proche de l'axe des ordonnées.
[0014] Au niveau des points 4C et 4D, l'écart entre les courbes 4A et 4B est égal à 1 % de la valeur BSH.
[0015] Dans le cas des aimants permanents formés par l'empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques, le cycle 4 d'hystérésis est, généralement, décalé vers la gauche comme représenté sur la figure 1 . Plus précisément, le cycle 4 est décalé, par rapport à l'axe des ordonnées, d'une valeur Hex appelée par la suite champ d'échange Hex ou champ Hex. Ce champ Hex est également connu sous le terme anglais de « exchange bias ». Typiquement, la valeur du champ Hex correspond à la valeur de l'abscisse du point situé à mi-distance entre les deux points où le cycle 4 coupe cet axe des abscisses. Dans ce graphe, l'axe des abscisses représente le champ magnétique H.
[0016] Le champ coercitif Hc ou champ Hc de l'aimant permanent est la demi-largeur du cycle 4. Typiquement, sa valeur est prise égale à la différence entre la valeur du champ Hex et un point d'intersection du cycle 4 avec l'axe des abscisses.
[0017] On définit également le champ H* comme étant le plus petit champ magnétique à partir duquel l'hystérésis de l'aimant permanent disparaît, c'est-à-dire comme précisé ci-dessus, le champ magnétique pour laquelle l'hystérésis est inférieure à 1 % de la valeur BSH. Ici, la valeur du champ H* est égale à la valeur de l'abscisse du point 4C.
[0018] Plus l'aimant permanent contient une quantité importante de matériaux ferromagnétiques, plus la sensibilité du capteur de champ magnétique augmente. Ainsi, une solution connue pour augmenter la sensibilité du capteur de champ magnétique consiste à augmenter le nombre de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques empilées dans l'aimant permanent. Toutefois, cela conduit en même temps à augmenter l'encombrement de l'aimant permanent ainsi qu'à augmenter la quantité de matériaux antiferromagnétiques. Cela induit par ailleurs des difficultés de réalisation liées notamment à la structuration d'un empilement épais.
[0019] De l'état de la technique est également connu de :
- US2004/075957A1 ,
- ETTELT DIRK et Al : « 3D Magnetic Field Sensor Concept for use in Inertial Measurment Units (IMUs) », Journal of Microelectromechanical Systems, IEEE Service center, US, vol. 23, n°2, 1 avril 2014, pages 324-333,
- NOZIERES JP et Al : « Blocking température distribution and long-term stability of spin-valve structures with Mn-Based antiferromagnets », Journal of applied physics, American Institute of Physics, US, Vol. 87, n°8, 15/04/2000, pages 3920-3925,
- JP2006010579A,
- EP2597644A1 .
[0020] L'invention vise à augmenter la quantité de matériaux ferromagnétiques d'un aimant obtenu par l'empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques sans nécessairement augmenter la quantité de matériaux antiferromagnétiques contenus dans cet aimant permanent.
[0021] A cet effet, l'invention a pour objet un aimant permanent conforme à la revendication 1 .
[0022] L'aimant permanent ci-dessus comporte en plus, par rapport aux aimants connus, des secondes couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par un couplage RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida). L'utilisation d'un couplage RKKY dans cet aimant permanent permet de piéger la direction d'aimantation des secondes couches ferromagnétiques sans avoir à ajouter de matériaux antiferromagnétiques dans l'empilement et sans avoir à modifier l'épaisseur des couches antiferromagnétiques qui piègent la direction d'aimantation des premières couches ferromagnétiques. Ainsi, lorsqu'un tel aimant permanent est utilisé dans un capteur de champ magnétique, cela permet d'augmenter la sensibilité du capteur sans augmenter la quantité de matériaux antiferromagnétiques utilisés pour réaliser l'aimant permanent. Cela permet également d'obtenir un aimant permanent dont le champ H* est plus élevé que dans l'art antérieur.
[0023] Les modes de réalisation de cet aimant permanent peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes.
[0024] Ces modes de réalisation de l'aimant permanent présentent en outre les avantages suivants :
- choisir l'épaisseur des premières couches ferromagnétiques de manière à ce que le champ H* résultant pour l'aimant soit de même signe que Hex et de valeur absolue supérieure à 795 A m voire avantageusement à 3978 A/m , permet d'augmenter l'insensibilité de l'aimant permanent aux perturbations magnétiques extérieures ;
- utiliser uniquement des couplages RKKY ferromagnétiques pour piéger la direction d'aimantation des secondes couches ferromagnétiques permet, pour une même quantité de matériaux ferromagnétiques contenus dans l'empilement d'obtenir une aimantation globale pour l'aimant permanent supérieure à celle des autres configurations possibles ;
- utiliser des couplages RKKY antiferromagnétiques pour piéger la direction d'aimantation des secondes couches ferromagnétiques, permet d'obtenir un aimant permanent plus stable car le couplage est plus fort;
- utiliser un motif comprenant une superposition de p secondes couches ferromagnétiques simplifie le procédé de fabrication de cet aimant permanent ;
- utiliser un motif comportant une couche antiferromagnétique utilisée pour piéger, par couplage d'échange, de chaque côté, une couche ferromagnétique permet de limiter encore plus la quantité de matériaux antiferromagnétiques utilisée pour réaliser cet empilement ;
- réaliser l'aimant permanent avec un facteur de forme supérieur ou égale à deux permet de faciliter l'alignement de la direction d'aimantation de chaque couche ferromagnétique dans la direction longitudinale de l'aimant permanent lors de sa fabrication.
[0025] L'invention a également pour objet un capteur de champ magnétique conforme à la revendication indépendante de capteur.
[0026] Enfin, l'invention a également pour objet un procédé de fabrication de l'aimant permanent ci-dessus. [0027] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif tout en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique du cycle d'hystérésis d'un aimant permanent réalisé à partir d'un empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques ;
- la figure 2 est une illustration schématique en vue de dessus d'un capteur de champ magnétique ;
- la figure 3 est une illustration schématique en coupe verticale longitudinale d'un aimant permanent du capteur de la figure 2 ;
- la figure 4 est un graphe illustrant le cycle d'hystérésis de l'aimant permanent dans deux cas particuliers du facteur de forme ;
- la figure 5 est un organigramme d'un procédé de fabrication de l'aimant permanent de la figure 3 ;
- les figures 6 à 8 sont des illustrations schématiques en coupe verticale longitudinale d'autres modes de réalisation possibles des aimants permanents du capteur de la figure 2.
[0028] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0029] La figure 2 représente un capteur 10 de champ magnétique. Ce capteur 10 est identique au capteur décrit en référence à la figure 8 de la demande WO 2010/0084165, sauf en ce qui concerne la structure des aimants permanents utilisés. Ainsi, seule une brève description de l'architecture générale de ce capteur est donnée pour illustrer un exemple de réalisation d'un tel capteur.
[0030] Ce capteur 10 comprend :
- un substrat 12 s'étendant essentiellement dans un plan horizontal parallèle à des directions orthogonales X et Y, et
- trois magnétomètres 14 à 16 mono-axes réalisés sur le substrat 12.
[0031] Une direction Z, perpendiculaire aux directions X et Y, représente la verticale. Par la suite, les figures suivantes sont orientées par rapport à ce même repère X, Y, Z. De plus, les termes tels que « au-dessus », « en dessous », « en bas », « en haut » sont définis par rapport à cette direction Z.
[0032] Les magnétomètres 14 à 16 mesurent l'amplitude du champ magnétique à mesurer dans les directions, respectivement, Z, Y et X. A cet effet, chaque magnétomètre 14 à 16 comporte :
- un aimant permanent, respectivement 20 à 22, apte à se déplacer par rapport au substrat 12, et
- un transducteur, respectivement 24 à 26, apte à transformer le déplacement de l'aimant permanent en une variation de courant ou de tension correspondante. [0033] Par exemple, les transducteurs 24 à 26 sont des transducteurs piézorésistifs. Typiquement, ces transducteurs sont fixés, sans degré de liberté, d'un côté sur le substrat 12 et, d'un autre côté, à l'aimant permanent.
[0034] Ici, les aimants permanents 20 à 22 sont identiques à l'exception du fait que la direction du moment magnétique globale de l'aimant permanent 22 est perpendiculaire à celle des aimants permanents 20 et 21 . Dès lors, seule une description détaillée de l'aimant permanent 20 est donnée par la suite.
[0035] La figure 3 représente l'aimant permanent 20 déposé sur un socle 30 mobile par rapport au substrat 12. Par exemple, le socle 30 est obtenu par gravure du substrat 12. Seule une portion de ce socle 30 est représentée sur la figure 3.
[0036] L'aimant 20 est formé d'un empilement, dans une direction d'empilement, de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Ici, la direction d'empilement est parallèle à la direction Z. Sur la figure 3 et les suivantes, les conventions suivantes sont adoptées :
- les couches antiferromagnétiques sont hachurées,
- la direction du moment magnétique d'une couche ferromagnétique est représentée par une flèche,
- les lignes ondulées au milieu de l'empilement indiquent qu'une portion intermédiaire de cet empilement n'a pas été représentée,
- les proportions entre les épaisseurs des différentes couches ne sont pas respectées pour améliorer la lisibilité des figures, et
- la proportion entre la longueur L et la hauteur de l'empilement n'est pas respectée pour réduire la taille des figures dans la direction longitudinale de l'empilement.
[0037] Ici, l'empilement présente une forme parallélépipédique et un facteur de forme supérieur ou égal à 2, 5 ou 20, voire même supérieur à 100 ou 1000. Dans ce mode de réalisation, le facteur de forme est défini comme étant le rapport de la longueur L sur la largeur W de l'empilement. Ici, la longueur est parallèle à la direction X et la largeur W est parallèle à la direction Y.
[0038] Plus le facteur de forme est important et plus il est facile d'aligner la direction d'aimantation des couches ferromagnétiques sur la direction longitudinale de l'empilement. Par exemple, la largeur de l'empilement est inférieure à 20 μιτι ou 10 μιτι et la longueur L est supérieure à 50 μιτι ou 100 μιτι ou 1 mm. La hauteur de l'empilement est généralement supérieure à Ι ΟΟ μιτι ou 500 μιτι. Cette hauteur est mesurée entre la couche de l'empilement la plus proche du socle 30 et la couche de ce même empilement la plus éloignée du socle 30.
[0039] Ici, l'empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques est composé successivement dans la direction Z :
- d'un motif 34 répété n fois, puis
- d'une couche antiferromagnétique 36 puis, typiquement,
- d'une couche 38 d'encapsulation déposée au sommet de cet empilement. [0040] La couche 38 est destinée à protéger l'aimant permanent des agressions chimiques et/ou physiques de l'environnement extérieur. Cette couche 38 est réalisée dans un matériau non magnétique. Par matériau non magnétique, on désigne ici un matériau dépourvu de propriété magnétique susceptible de perturber le fonctionnement de l'aimant permanent 20. Généralement, il s'agit d'un matériau dont les propriétés magnétiques sont nulles ou non mesurables.
[0041] Par exemple, la couche 38 est réalisée en tantale (Ta) et son épaisseur est supérieure ou égale à 5 nm.
[0042] La couche 36 est par exemple identique à la couche 40 décrite plus loin.
[0043] Par la suite, la première occurrence du motif 34 dans l'empilement, c'est-à- dire celle qui est la plus proche du socle 30 porte la référence 34i, la seconde occurrence immédiatement au-dessus de cette première occurrence 34i porte la référence 342 et ainsi de suite jusqu'à l'occurrence 34n.
[0044] Ici, les occurrences 34i à 34n sont directement empilées les unes au-dessus des autres et ne sont donc séparées les unes des autres par aucune autre couche n'appartenant pas au motif 34.
[0045] Le nombre n de répétitions du motif 34 est généralement choisi pour atteindre une hauteur souhaitée de l'empilement. Cette hauteur dépend de l'application envisagée. Toutefois, de préférence, n est supérieur ou égal à 2, 5 ou 10. n est également généralement inférieur à 50 ou 100.
[0046] Dans ce mode de réalisation, les différentes occurrences du motif 34 sont toutes identiques les unes aux autres et seule l'occurrence 341 va donc être décrite en détail.
[0047] L'occurrence 34i est composée successivement dans la direction Z :
- d'une couche antiferromagnétique 40,
- d'une couche ferromagnétique 42 dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange avec la couche antiferromagnétique 40,
- une couche 44 non-magnétique connue sous le terme de « espaceur » ou « spacer » en anglais,
- une couche ferromagnétique 46 dont la direction d'aimantation est piégée par couplage RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) antiferromagnétique avec la couche ferromagnétique 42,
- une couche 48 non-magnétique formant un espaceur, et
- une couche ferromagnétique 50 dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange avec la couche antiferromagnétique 40 de l'occurrence 342 du motif 34 situé juste au-dessus de l'occurrence 34i.
[0048] Dans cette description, les matériaux antiferromagnétiques utilisés sont par exemple choisis dans le groupe composé :
- des alliages de manganèse, et
- du NiO, et - du Fe2O3.
[0049] Les alliages de manganèse antiferromagnétiques sont typiquement le PtMn, NiMn, PdPtMn, FeMn et IrMn. Dans cet exemple, le matériau antiferromagnétique choisi pour la couche 40 est l'alliage PtMn.
[0050] De même, dans cette description, les matériaux ferromagnétiques utilisés pour réaliser les couches ferromagnétiques sont choisis dans le groupe composé du cobalt, du nickel, du fer et de leurs alliages. Par exemple, le matériau ferromagnétique est souvent du CoFe ou NiFe ou CoFeB. Ici, la couche 42 est réalisée en CoFe.
[0051] Dans ce mode de réalisation, la direction d'aimantation c'est-à-dire la direction du moment magnétique, de la couche 42 est parallèle et de même sens que la direction X. Typiquement, l'amplitude de l'aimantation à saturation de la couche 42 est supérieure ou égale à 0,5 T ou 1 T ou 2 T. On rappelle ici qu'un Tesia est égal à 107/(4π) Α/ηη,
[0052] Cette direction d'aimantation est piégée par un couplage d'échange avec la couche 40. Un couplage d'échange entre une couche ferromagnétique et une couche antiferromagnétique apparaît si :
- la couche ferromagnétique est directement déposée sur la couche antiferromagnétique, ou
- uniquement séparée de la couche antiferromagnétique par une (ou plusieurs) très fine(s) couche(s) non-magnétique(s) dont l'épaisseur totale est inférieure à 0,5 nm et, de préférence, inférieure à 0,4 nm ou 0,2 nm.
[0053] Le couplage d'échange entre les couches ferromagnétique et antiferromagnétique est bien connu. Par exemple, le lecteur peut se référer à l'article suivant : J. Nogués et Ivan K. Schuller, « Exchange bias » Journal of magnetism and magnetic materials 192 (1999), 203-232.
[0054] La présence du couplage d'échange entre la couche ferromagnétique et la couche antiferromagnétique se traduit notamment par un décalage, par exemple, vers la gauche comme illustré sur la figure 1 , du cycle d'hystérésis de l'assemblage de ces deux couches et donc par l'apparition d'un champ Hex non nul.
[0055] Ici, l'épaisseur des couches 40 et 42 sont choisies pour obtenir un bon couplage d'échange entre ces deux couches. Dans cette description, on considère que le couplage d'échange est bon si :
- cela se traduit par un ratio Hex/Hc strictement supérieur à 1 et, de préférence, supérieur à 2 ou 4, et
- l'apparition d'un champ d'échange Hex dont la valeur absolue est supérieure à 50 Oe (3978 A/m) et, de préférence, supérieure à 100 Oe (7957 A/m) ou 200 Oe (15915 A/m) ou 500 Oe (39788 A/m) à 25°C.
[0056] Les champs Hex et Hc d'un empilement comportant seulement les couches 40 et 42 peut être mesuré expérimentalement ou obtenu par simulation numérique. [0057] Un bon couplage d'échange permet en cas de perturbation magnétique extérieure importante de revenir à l'état initial après la disparition de cette perturbation.
[0058] L'épaisseur des couches 40 et 42 est, par exemple, déterminée par expérimentation ou par simulation numérique en testant successivement des épaisseurs différentes pour un empilement formé seulement d'une couche antiferromagnétique et d'une couche ferromagnétique réalisées dans les mêmes matériaux que les couches 40 et 42. Pour les matériaux antiferromagnétiques et ferromagnétiques les plus courants, les épaisseurs appropriées sont connues de l'homme du métier. Par exemple, typiquement, l'épaisseur de la couche 40 est comprise entre 5 et 100 nm et, de préférence, entre 7 et 25 nm ou entre 10 et 25 nm. L'épaisseur de la couche 42 est souvent comprise entre 0,5 nm et 100 nm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la couche 40 est deux ou trois ou dix fois supérieure à l'épaisseur de la couche 42 pour obtenir ce bon couplage d'échange. Ici, l'épaisseur de la couche 40 est de 20 nm tandis que l'épaisseur de la couche 42 est de 0,8 nm.
[0059] La couche 44 est réalisée dans un matériau non-magnétique. Dans cette description, les matériaux non magnétiques utilisés sont typiquement choisis dans le groupe composé du ruthénium, du rhodium, de l'argent, du chrome, du tantale du cuivre, etc.... Ici, la couche 44 est en ruthénium. L'épaisseur de la couche 44 est choisie pour qu'il existe un couplage RKKY entre la couche 42 et la couche ferromagnétique 46. Selon l'épaisseur de la couche 44, le couplage RKKY est soit ferromagnétique, c'est-à-dire que les directions d'aimantation des couches ferromagnétiques couplées sont identiques, soit antiferromagnétique, c'est-à-dire que les directions d'aimantation des couches ferromagnétiques couplées sont opposées. Si l'on trace l'évolution du couplage RKKY entre les couches ferromagnétiques en fonction de l'épaisseur de la couche 44, on obtient une sinusoïde amortie. Le premier extremum, dans l'ordre des épaisseurs croissantes de la couche non-magnétique, de cette sinusoïde amortie correspond à un couplage RKKY antiferromagnétique et le second extremum correspond à un couplage RKKY ferromagnétique. Dans les modes de réalisation décrits ici, ce sont ces couplages RKKY correspondant aux deux premiers extremums de la sinusoïde amortie qui sont utilisés. Par exemple, dans le cas d'une couche non-magnétique en ruthénium, le couplage RKKY antiferromagnétique est obtenu pour une épaisseur de 0,8 nm tandis que le couplage RKKY ferromagnétique est obtenu pour une épaisseur de 1 ,4 nm.
[0060] Ici, l'épaisseur de la couche 44 est de 0,8 nm et, par conséquent, les couches 42 et 46 sont couplées magnétiquement par un couplage RKKY antiferromagnétique.
[0061] La direction d'aimantation de la couche 46 est donc piégée, dans ce mode de réalisation, sans qu'il soit nécessaire pour cela d'utiliser un couplage d'échange et donc une couche antiferromagnétique supplémentaire. [0062] L'épaisseur de la couche 46 peut être choisie pour être importante car l'épaisseur de cette couche n'a pas d'influence sur la qualité du couplage d'échange entre les couches 40 et 42. Ici, l'épaisseur de la couche 46 est choisie pour que la relation suivante soit vérifiée : M2t2≥ X*Miti, où :
- Mi et ti sont, respectivement, l'aimantation et l'épaisseur de la couche ferromagnétique 42, et
- M2 et t2 sont, respectivement, l'aimantation et l'épaisseur de la couche ferromagnétique 46,
- X est un nombre entier égal à deux et, de préférence, égal à cinq ou dix ou 15.
[0063] Dans l'exemple, la couche 46 est réalisée dans le même matériau ferromagnétique que la couche 42.
[0064] Ainsi, pour augmenter sensiblement la quantité de matériaux ferromagnétiques de l'aimant permanent 20, l'épaisseur de la couche 46 est choisie de préférence supérieure à deux ou cinq ou dix fois l'épaisseur de la couche 42. Par exemple, l'épaisseur de la couche 46 est supérieure à 5 ou 10 nm et généralement inférieure à 100 nm. Pour les simulations suivantes, l'épaisseur de la couche 46 est prise égale à 16 nm.
[0065] L'amplitude de l'aimantation à saturation de la couche 46 est aussi supérieure à 0,5 T ou 1 T ou 2 T.
[0066] La couche 48 est un espaceur non magnétique dont l'épaisseur est choisie pour créer un couplage RKKY antiferromagnétique entre les couches ferromagnétiques 46 et 50. A cet effet, elle est identique à la couche 44.
[0067] La couche ferromagnétique 50 est couplée magnétiquement d'un côté à la couche 46 par le couplage RKKY antiferromagnétique et, de l'autre côté, à la couche antiferromagnétique 40 de l'occurrence 342. La couche 50 est conçue pour qu'il existe un bon couplage d'échange avec la couche antiferromagnétique 40 de l'occurrence 342. Pour cela, l'épaisseur de la couche 50 peut être choisie comme l'épaisseur de la couche 42. Par exemple, ici, les couches 50 et 42 sont structurellement identiques.
[0068] On notera que dans ce mode de réalisation, les directions d'aimantation des couches 42 et 50 sont piégées par des couplages d'échange alors que la direction d'aimantation de la couche 46 est uniquement piégée par des couplages RKKY.
[0069] La superposition des couches 42 à 50 forme ce qui est connu sous l'acronyme de SAF (« Synthetic antiferromagnetic »). Ici, on définit un SAF comme étant une superposition de couches ferromagnétiques et non-magnétiques dans laquelle toutes les couches ferromagnétiques sont couplées magnétiquement les unes aux autres par des couplages RKKY antiferromagnétiques. Le moment magnétique d'un tel SAF est proportionnel à la somme suivante :∑ Mits,, où :
- les termes M,, t et s, sont les mêmes que ceux définis dans l'introduction de cette demande, et - le symbole «∑ » est la somme pour toutes les couches ferromagnétiques existantes dans ce SAF.
[0070] Ici, les épaisseurs des couches ferromagnétiques sont choisies de manière à ce que cette somme ne soit pas nulle. On dit alors qu'il s'agit d'un SAF déséquilibré (« unbalanced SAF » en anglais). Dans ce mode de réalisation, le SAF comporte trois couches ferromagnétiques et il est donc aussi appelé double-SAF.
[0071] Le moment magnétique global de l'aimant permanent 20 est proportionnel à la somme des moments magnétiques des SAF de l'empilement.
[0072] Dans ce mode de réalisation, l'épaisseur des couches 42 et 50 est réduite pour obtenir un bon couplage d'échange et donc pour accroître la valeur du champ Hex. De plus, grâce à l'introduction de la couche ferromagnétique 46 dont la direction d'aimantation est uniquement piégée par des couplages RKKY, il est aussi possible d'accroître le ratio R. Le ratio R est égal au rapport du volume de matériaux ferromagnétiques sur le volume de matériaux antiferromagnétiques contenus dans l'aimant 20. Dès lors, ce mode de réalisation permet à la fois d'accroître le ratio H ex/Hc tout en maintenant ou en augmentant le ratio R. Ainsi, l'aimant permanent 20 présente :
- une insensibilité accrue aux perturbations magnétiques extérieures car l'augmentation du ratio Hex/Hc éloigne le champ H* de l'axe des ordonnées, et
- la sensibilité du capteur incorporant cet aimant permanent est meilleure car le volume de matériaux ferromagnétiques a été accru.
[0073] Enfin, augmenter le ratio Hex/Hc est également utile pour fabriquer l'aimant 20 avec la forme d'un barreau longiligne. En effet, il est connu que la mise en forme de l'aimant permanent sous la forme d'un barreau longiligne ayant un facteur de forme important augmente la valeur du champ Hc alors que le champ Hex reste constant. Ainsi, si avant une mise en forme le ratio Hex/Hc n'est pas assez important, après mise en forme, le champ H* est très proche de zéro ou supérieur à zéro de sorte que ce barreau aimanté est alors très sensible aux perturbations magnétiques extérieures. Ce phénomène est représenté sur la figure 4.
[0074] Le graphe de la figure 4 représente :
- un cycle d'hystérésis 60 de l'aimant permanent 20 dans le cas particulier où sa longueur est égale à 200 μιτι et sa largeur W est égale à 4 μιτι, et
- un cycle d'hystérésis 62 d'un empilement identique à celui de l'aimant permanent 20 mais réalisé sur une surface importante, par exemple supérieure à 1 ou 5 mm2 et avec un facteur de forme égal à un.
[0075] Les cycles 60 et 62 ont été obtenus par mesure. Ils illustrent clairement le fait que le ratio Hex/Hc diminue quand l'aimant permanent est mis en forme pour avoir un facteur de forme important.
[0076] La figure 5 représente un procédé de fabrication de l'aimant permanent 20. Plus précisément, lors d'une étape 70, les différentes couches décrites en référence à la figure 3 sont déposées les unes sur les autres. Pour cela, on utilise des méthodes connues dans le domaine des microtechnologies et de la réalisation des puces électroniques. Lors de l'étape 70, aucune mise en forme particulière n'est donnée à cet empilement de couches. Cet empilement recouvre au moins les emplacements où doivent être réalisés les aimants 20 à 22.
[0077] Lors d'une étape 72, cet empilement est structuré pour ne laisser subsister que des empilements en forme de barreau aux emplacements où les aimants 20 à 22 doivent être réalisés. Ainsi, à l'issue de cette étape, il ne subsiste que des barreaux ayant les facteurs de forme requis, c'est-à-dire généralement supérieur à 2, 10 ou 100.
[0078] Ensuite, lors d'une étape 74, les barreaux sont chauffés pour que la température des couches antiferromagnétiques dépasse leur température de mise en ordre. Ce recuit est effectué sous champ magnétique saturant comme décrit par exemple dans la demande US 2011/0151589.
[0079] Ensuite comme décrit par exemple dans la demande US 2011/0151589, lors d'une étape 78, les barreaux sont refroidis sous un champ plus faible jusqu'à ce que les couplages d'échange entre les couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques apparaissent et piègent les directions d'aimantation de chaque couche ferromagnétique. On obtient alors les aimants permanents 20 à 22.
[0080] Pour les autres étapes de fabrication du capteur 10, le lecteur peut se référer aux demandes de brevet précédemment citées dans l'introduction.
[0081] La figure 6 représente un aimant permanent 80. L'aimant 80 est identique à l'aimant 20 sauf que le motif 34 est remplacé par un motif 82. Le motif 82 est identique au motif 34 sauf que les couches non-magnétiques 44 et 48 sont remplacées, respectivement, par des couches non-magnétiques 84 et 86. La couche 84 est identique à la couche 42 sauf que son épaisseur est choisie pour obtenir un couplage RKKY ferromagnétique entre les couches ferromagnétiques 42 et 46. Par exemple, l'épaisseur de la couche 84 est choisie égale à 1 ,4 nm. La couche 86 est identique à la couche 84.
[0082] Dans ce mode de réalisation, les directions d'aimantation de toutes les couches ferromagnétiques sont dans le même sens. Ainsi, pour un même nombre n de motifs que dans le mode de réalisation de la figure 3, l'amplitude du moment magnétique de l'aimant permanent 80 est supérieure à l'amplitude du moment magnétique de l'aimant permanent 20. Toutefois, l'énergie de couplage RKKY entre les couches 46 et les couches 42 et 50 est plus faible que dans le cas de l'aimant permanent 20. Dans ce mode de réalisation, l'empilement des couches ferromagnétiques 42, 84, 46, 86, 50 forment un empilement que l'on désignera par la suite par FSF. Un FSF comme un SAF est une superposition de couches ferromagnétiques et non-magnétiques dans laquelle toutes les couches ferromagnétiques sont couplées magnétiquement les unes aux autres par des couplages RKKY. Toutefois, dans un FSF, au moins l'un de ces couplages RKKY est un couplage RKKY ferromagnétique.
[0083] La figure 7 représente un aimant permanent 90. L'aimant 90 est identique à l'aimant 20 sauf que le motif 92 répété n fois est différent du motif 34. Le motif 92 comporte :
- une couche antiferromagnétique 94,
- deux couches ferromagnétiques 96, 98 situées de part et d'autre de la couche antiferromagnétique 94 et dont les directions d'aimantation sont piégées par couplage d'échange avec la couche 94,
- deux couches non-magnétiques 100, 102 en contact direct, respectivement, avec les couches ferromagnétiques 96 et 98,
- deux couches ferromagnétiques 104 et 106 dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par des couplages RKKY antiferromagnétique avec, respectivement, les couches ferromagnétiques 96 et 98, et
- une couche 108 de lamination qui isole magnétiquement la couche ferromagnétique 106 de la couche 104 de l'occurrence 922 du motif 92 situé juste au-dessus.
[0084] Les couplages d'échange et les couplages RKKY antiferromagnétiques dans le motif 92 sont, par exemple, obtenus comme décrit en référence au motif 34. Ainsi, ici, les couches 94, 96, 98, 100 et 102 sont identiques aux couches, respectivement, 40, 42, 50, 44 et 48. Les couches 104 et 106 sont, par exemple, identiques à la couche 46.
[0085] La couche de lamination 108 découple magnétiquement la couche 106 des couches de l'occurrence 922. Par exemple, cette couche de lamination est réalisée dans un matériau non magnétique choisi dans le groupe composé des matériaux suivants MgO, Mg, Ta, TiO2. Typiquement, son épaisseur est supérieure à 5 ou 10 nm.
[0086] Ainsi, le motif 92 comporte :
- deux couches ferromagnétiques 96 et 98 dont les directions d'aimantation sont piégées par couplage d'échange avec la couche antiferromagnétique 94, et
- deux couches ferromagnétiques 104, 106 dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par des couplages RKKY.
Dans ce mode de réalisation, le piégeage des directions d'aimantation des couches 96 et 98 par couplage d'échange est obtenu en utilisant seulement une seule couche antiferromagnétique et non pas deux comme dans l'aimant 20.
[0087] La figure 8 représente un aimant permanent 130. Cet aimant 130 est identique à l'aimant 20 sauf que le motif 34 est remplacé par un motif 132. Pour simplifier la figure 8, seul le motif 132 est représenté. Le motif 132 est identique au motif 34 sauf qu'une couche ferromagnétique 134 et une couche non-magnétique 136 sont insérées entre les couches 48 et 46 du motif 34. La couche 134 est réalisée, par exemple, dans le même matériau ferromagnétique que les couches 42, 46 et 50. Par exemple, la couche 134 est identique à la couche 46. La direction d'aimantation de la couche 134 est piégée par un couplage RKKY antiferromagnétique avec la couche 50. A cet effet, la couche 48 est interposée entre les couches ferromagnétiques 50 et 134. La direction d'aimantation de la couche 134 est également piégée par un couplage RKKY ferromagnétique avec la couche 46. A cet effet, la couche 136 est interposée entre les couches ferromagnétiques 134 et 46. L'épaisseur de la couche 136 est choisie pour obtenir un couplage RKKY ferromagnétique. Par exemple, la couche 136 est une couche de ruthénium de 1 ,4 nm d'épaisseur.
[0088] Le motif 132 forme un FSF à quatre couches ferromagnétiques dans lequel les directions d'aimantation de deux de ces couches ferromagnétiques sont uniquement piégées par des couplages RKKY.
[0089] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, l'épaisseur des couches 100 et 102 peut être augmentée de manière à obtenir un couplage RKKY ferromagnétique entre les couches 96 et 104 et entre les couches 98 et 106 au lieu d'un couplage RKKY antiferromagnétique.
[0090] L'épaisseur des couches non magnétiques 44, 48 et 136 peut également être modifiée pour obtenir uniquement des couplages RKKY ferromagnétiques entre les différentes couches ferromagnétiques du même motif.
[0091] Le motif 82 comporte un FSF à trois couches ferromagnétiques. Le motif 132 comporte un FSF à quatre couches ferromagnétiques. En variante, ces FSF peuvent être remplacés par un FSF ou un SAF à p couches ferromagnétiques, où p est un nombre entier supérieur ou égal à 5 ou 6. Généralement, p reste inférieur à 10.
[0092] Dans une autre variante, p est égal à deux. Pour cela, par exemple, les couches 96, 100 et 104 du motif 92 sont omises. Toutefois, dans cette dernière variante, le nombre n de motifs est alors supérieur ou égal à deux pour avoir dans l'empilement au moins deux couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont piégées par couplage d'échange avec une couche antiferromagnétique.
[0093] De même, dans le motif 92, l'un ou les deux SAF situés de part et d'autre de la couche antiferromagnétique 94 peuvent être chacun remplacés par des SAF ou FSF à plus de deux couches ferromagnétiques.
[0094] Les différentes couches ferromagnétiques du même motif ne sont pas nécessairement réalisées dans les mêmes matériaux ferromagnétiques. Par exemple, une de ces couches peut être réalisée en CoFe et une autre en NiFe.
[0095] Les épaisseurs des différentes couches ferromagnétiques piégées par un couplage d'échange peuvent être différentes les unes des autres. Par exemple, l'épaisseur des couches 42 et 50 ou des couches 96 et 98 sont différentes l'une de l'autre. De même, les épaisseurs des couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par des couplages RKKY peuvent être différentes. Par exemple, les épaisseurs des couches 104 et 106 ou les épaisseurs des couches 46 et 134 sont différentes l'une de l'autre.
[0096] Dans les modes de réalisation précédents, les couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont piégées par couplage d'échange ont une épaisseur cinq ou dix fois inférieure à l'épaisseur des couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par des couplages RKKY. Ainsi, dans ces modes de réalisation, pour chaque paire de couches ferromagnétiques comportant une couche ferromagnétique dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange et une couche ferromagnétique dont la direction d'aimantation est piégée par couplage RKKY, la première relation suivante est vérifiée M2t2≥ X*Miti, où X est égal à cinq ou dix. En variante, ce rapport entre les épaisseurs n'est pas respecté. Par exemple, l'épaisseur des couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont piégées par couplage d'échange est cinq à dix fois supérieure à celle des couches ferromagnétiques dont les directions d'aimantation sont uniquement piégées par couplage RKKY. Ainsi, en variante, un empilement est construit en utilisant un motif identique au motif 34 sauf que l'épaisseur des couches 42 et 50 est supérieure ou égale à 10 nm et l'épaisseur de la couche 46 est inférieure à 1 nm. Dans cette variante, c'est une deuxième relation, inverse de la première relation, c'est-à-dire Miti > X*M2t2 qui est vérifiée pour chaque paire de couches ferromagnétiques, avec X égal à cinq ou dix. A partir du moment où l'empilement respecte la première ou la deuxième relation, la quantité de matériau ferromagnétique à l'intérieur de cet empilement est substantiellement augmentée sans pour autant accroître la quantité de matériau anti-ferromagnétique.
[0097] Il est également possible de combiner, dans un même empilement, des motifs différents. Par exemple, il est possible de construire un empilement en alternant les motifs 34 et 82 ou les motifs 34 et 132.
[0098] L'empilement n'a pas nécessairement une forme parallélépipédique. Par exemple, la section de l'empilement parallèlement aux directions X, Y est une ellipse ou un ovale. Dans ces derniers cas, le facteur de forme de l'aimant permanent est défini comme étant le rapport de la longueur sur la largeur du parallélépipède de plus petit volume contenant entièrement l'empilement.
[0099] En variante, le facteur de forme de l'empilement n'est pas nécessairement supérieur ou égal à deux. Par exemple, il peut être égal à un.
[00100] Une couche d'accroché entre la première occurrence du motif et le socle 30 sur lequel doit être fixé l'aimant permanent peut être prévue pour améliorer l'adhésion du premier motif sur ce socle.
[00101 ] Les couches ferromagnétiques ne sont pas nécessairement formées chacune par un seul bloc homogène de matériau ferromagnétique. Par exemple, chaque couche ferromagnétique peut aussi être laminée comme décrit dans la demande de brevet FR 2 892 871 dans le passage page 13, lignes 5 à 9. [00102] Les couches ferromagnétiques peuvent également être constituées d'un ensemble de plusieurs lames ferromagnétiques directement superposées les unes sur les autres comme par exemple des bicouches de NiFe/CoFe ou TbCo/CoFeB.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Aimant permanent comprenant un empilement de couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques dont le moment magnétique par unité de surface est supérieur à (50 x 10-2)/(4TT) A,
cet empilement comportant à cet effet :
- au moins deux couches antiferromagnétiques (40 ; 94), et
- au moins deux premières couches ferromagnétiques (42, 50 ; 96, 98), la direction d'aimantation de chaque première couche ferromagnétique étant figée, par un couplage d'échange, avec l'une des couches antiferromagnétiques de l'empilement, parallèlement et dans le même sens que les directions d'aimantation des autres premières couches ferromagnétiques,
caractérisé à ce que l'empilement comporte également au moins une seconde couche ferromagnétique (46 ; 104, 106 ; 46, 134), la direction d'aimantation de chaque seconde couche ferromagnétique étant piégée uniquement par couplage RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) avec au moins l'une des premières couches ferromagnétiques ou avec au moins une autre des secondes couches ferromagnétiques.
2. Aimant selon la revendication 1 , dans lequel l'épaisseur de chaque première couche ferromagnétique (42, 50 ; 96, 98) est choisie de manière à ce que l'assemblage de cette première couche ferromagnétique avec la couche antiferromagnétique à laquelle elle est liée par un couplage d'échange forme un aimant dont le champ H* est de même signe que le champ Hex de cet aimant et dont la valeur absolue du champ H* est supérieure à 795 A/m, le champ H* étant la plus petite intensité de champ magnétique à partir de laquelle l'hystérésis de cet aimant disparaît, et le champ Hex étant le champ d'échange.
3. Aimant selon la revendication 2, dans lequel l'épaisseur de chaque première couche ferromagnétique (42, 50 ; 96, 98) est au moins cinq fois inférieure à l'épaisseur de la couche antiferromagnétique avec laquelle elle est liée par un couplage d'échange.
4. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque couplage RKKY entre une seconde couche ferromagnétique (46) et la première (42, 50) ou une autre des secondes couches ferromagnétiques est systématiquement un couplage RKKY ferromagnétique.
5. Aimant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque couplage RKKY entre une seconde couche ferromagnétique (46 ; 104, 106) et la première (42, 48 ; 96, 98) ou une autre seconde couche ferromagnétique est systématiquement un couplage RKKY antiferromagnétique.
6. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'empilement comporte :
- une couche antiferromagnétique d'extrémité (36), cette couche antiferromagnétique d'extrémité étant la plus proche d'un sommet de l'empilement, et
- immédiatement sous cette couche antiferromagnétique d'extrémité, un motif (34 ; 82 ; 132) répété n fois, immédiatement successivement, dans une direction d'empilement des couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques, où n est un entier supérieur ou égal à un, ce motif comportant dans l'ordre en se déplaçant dans la direction d'empilement :
- une première couche antiferromagnétique (40),
- une première couche ferromagnétique (42) dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange avec la première couche antiferromagnétique,
- une superposition de p secondes couches ferromagnétiques (46 ; 46, 134), la direction d'aimantation de la seconde couche ferromagnétique (46), située en bas de cette superposition, étant piégée par couplage RKKY avec la première couche ferromagnétique (42) située au-dessous, et la direction d'aimantation de chaque autre seconde couche ferromagnétique (134) de cette superposition étant piégée par couplage RKKY avec la seconde couche ferromagnétique (46) de cette superposition située juste en dessous, où p est un nombre entier supérieur ou égal à un, et
- une première couche ferromagnétique (50) dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange avec la première couche antiferromagnétique (40) du motif suivant dans l'empilement ou avec la couche antiferromagnétique d'extrémité (36).
7. Aimant selon la revendication 6, dans lequel p est compris entre un et dix, et de préférence entre un et deux.
8. Aimant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'empilement comporte un motif (92) répété n fois, immédiatement successivement, dans une direction d'empilement des couches antiferromagnétiques et ferromagnétiques, où n est un entier supérieur ou égal à un, ce motif comportant :
- une couche antiferromagnétique (94),
- de chaque côté de cette couche antiferromagnétique : • une première couche ferromagnétique (96, 98) dont la direction d'aimantation est piégée par couplage d'échange avec cette couche antiferromagnétique, et
• une seconde couche ferromagnétique (104, 106) dont la direction d'aimantation est piégée par couplage RKKY avec cette première couche ferromagnétique, et
- une couche de lamination (108) en matériau non-magnétique située à l'une des extrémité de ce motif pour isoler magnétiquement ce motif du motif immédiatement suivant ou précédent dans ce même empilement.
9. Aimant selon l'une quelconque des revendications 6 ou 8, dans lequel n est supérieur ou égal à deux ou cinq.
10. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'aimant présente un facteur de forme supérieur ou égal à deux, le facteur de forme étant défini comme le rapport de la longueur sur la largeur du parallélépipède de plus petit volume contenant entièrement l'empilement et la direction d'aimantation de chaque couche ferromagnétique de l'aimant permanent étant piégée dans une direction parallèle à la longueur de ce parallélépipède.
11. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour toutes les paires de couches ferromagnétiques de l'empilement, l'une des relations choisies dans le groupe composé des relations Miti > 5*M2t2 et M2t2≥ 5*Miti, est satisfaite, où :
- Mi et ti sont, respectivement, l'aimantation et l'épaisseur de la première couche ferromagnétique de la paire, et
- M2 et t2 sont, respectivement, l'aimantation et l'épaisseur de la seconde couche ferromagnétique de la même paire,
chaque paire de couches ferromagnétiques de l'empilement comportant une seconde couche ferromagnétique et la première couche ferromagnétique qui piège, uniquement par couplage RKKY, la direction d'aimantation de cette seconde couche ferromagnétique.
12. Capteur de champ magnétique comportant :
- un substrat (12) s'étendant essentiellement dans un plan appelé « plan du substrat »,
- au moins un aimant permanent (20-22 ; 80 ; 90 ; 130) déplaçable par rapport au substrat en réponse à une variation de l'amplitude ou de la direction d'un champ magnétique à mesurer, - un transducteur (24-26) fixé sur le substrat, apte à convertir un déplacement de l'aimant permanent en une grandeur électrique représentative de l'amplitude ou de la direction du champ magnétique à mesurer,
caractérisé en ce que l'aimant permanent est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Procédé de fabrication d'un aimant permanent conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11 , ce procédé comportant :
a) la formation (70) d'un empilement de premières couches ferromagnétiques et antiferromagnétiques,
b) le chauffage (74) de l'empilement de manière à atteindre une température supérieure à une température de mise en ordre du matériau des couches magnétiques de l'empilement,
c) lorsque la température est supérieure à la température de mise en ordre, l'application (76) d'un premier champ magnétique pour aligner la direction d'aimantation des couches ferromagnétiques sur une direction souhaitée prédéterminée,
d) le refroidissement (78) de l'empilement en présence d'un deuxième champ magnétique inférieur au premier champ magnétique pour faire apparaître un couplage d'échange entre chaque première couche ferromagnétique et une couche antiferromagnétique du même empilement,
caractérisé à ce que l'étape a) comporte la formation, dans l'empilement, de secondes couches ferromagnétiques séparées des premières couches ferromagnétiques et des autres secondes couches ferromagnétiques par des couches non magnétiques dont l'épaisseur est apte à permettre l'apparition d'un couplage RKKY entre cette seconde couche ferromagnétique et cette première couche ferromagnétique ou cette autre seconde couche ferromagnétique de manière à piéger la direction magnétique de cette seconde couche ferromagnétique uniquement par un couplage RKKY avec l'une des premières couches ferromagnétiques ou avec au moins l'une des autres secondes couches ferromagnétiques.
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