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Les têtes d’écriture-lecture
Fonction d’écriture
L’écriture des données est accomplie par la partieinductive de la tête. Cette dernière est constituée d’un micro électroaimant coupé d’unentrefer étroit positionné en regard du média à écrire. La position du bobinage d’induction dépend de la génération de tête, longitudinale ou perpendiculaire.
La nature du matériau constitutif du circuit magnétique est déterminée par plusieurs paramètres prépondérants. Le champ maximum généréansd l’entrefer est l’aimantation saturante Ms du matériau : celle-ci doit donc êtresuffisamment élevée pour que l’écriture du média à forte coercitivité ait lieu. Le matériau ducircuit doit en outre présenter une grande perméabilité relative µ afin d’assurer un transfert maximum de la force magnétomotrice générée par la bobine (NI) vers l’entrefer, (N estle nombre de spires, I est le courant d’excitation de la bobine). Cela définit l’efficacité de la tête, fraction de flux qui atteint l’entrefer.
L’information à enregistrer est transformée en un signal électrique qui circule dans la bobine d’excitation de l’électroaimant. Le courant d’écriture prend deux valeurs ± I générant un champ dans l’entrefer supérieur en valeur absolue au champ de saturation du média. L’aimantation du média est modifiée d’une façon très locale en formant une suite de petits domaines magnétiques d’aimantation +M ou –M , (M étant l’aimantation à la rémanence). Entre deux domaines successifs d’aimantations opposées, il existe une zone de transition où l’aimantation fluctue. L’étendue spatiale de cette zone, appelée largeur de transition, ainsi que sa forme, dépend des caractéristiques ud milieu d’enregistrement, mais aussi de celles de la tête d’écriture (rapport d’aspect de l’entrefer). Elle est liée directement à la densité (nombre de changements de flux par unitéde longueur) que peut contenir le support.
Fonction de lecture
La lecture des données est assurée par un élémentagnétorésistif,m dont la variation de résistance induite par les champs de fuite du média, est traduite en variation de tension.
Le capteur incorporé dans les têtes de lecture actuelles est une vanne de spin (spin-valve) constituée d’un élément à magnétorésistancegéante (GMR) ou à magnétorésistance tunnel (TMR). Ces systèmes comprennent deux couches magnétiques séparées par une couche (non-magnétique métallique ou isolante) [5].L’aimantation de l’une des couches magnétiques est piégée dans une direction fixe parinteraction d’échange avec une couche antiferromagnétique. L’autre couche magnétique est constituée d’un matériau doux (principalement Permalloy Ni80Fe20) dont l’aimantation s’oriente facilement dans la d irection du champ dans lequel l’élément magnétorésistif estplongé (ici le champ rayonné par le média). Lorsqu’un courant circule dans la structure, le changement d’orientation relative des aimantations des deux couches produit une variation de résistance : c’est le phénomène de magnétorésistance géante initialement découvert dans les multicouches (Fe/Cr) [6].
Ainsi, dans une tête de lecture, la variation de résistance de la vanne de spin est directement reliée au champ de fuite du média, et lusp particulièrement à son intensité et à sa polarité. La distance de vol par rapport au disque doit être optimisée, puisque l’intensité du champ de fuite décroît drastiquement avec cette dernière. Les blindages situés de chaque côté du capteur (voir figure.2) canalisent les lignes de fuite sous le gap de lecture, afin d’optimiser la résolution spatiale le long de la piste d’enregistrement et le rapport signal sur bruit (SNR).
La détection des bits, i.e. de la polarité d’un domaine magnétique (dans le cas perpendiculaire), ou d’une transition (dans le cas longitudinal), nécessite de faire une lecture efficace en temps réel de la résistance de l’élément de lecture.
Le média d’enregistrement
Couche sensible
Les médias magnétiques sont des couches minces polycristallines d’alliage à base de Co, d’épaisseur avoisinant la dizaine de nm, et déposées par des procédés industriels tels que la pulvérisation cathodique. Les éléments d’addition au Co sont par exemple le Cr ou le Ta, le B ou le C [8,9]. L’alliage croît généralement en structure hexagonale compacte, avec l’axe c (selon les plans denses), orienté dans le plan ou perpendiculairement au plan, correspondant à l’enregistrement longitudinal ou perpendiculaire (figure.6).
Les cristallites de ces couches sont petites, d’un diamètre inférieur à 10nm, (8-10nm) et relativement monodisperses. Un bit est constituéd’un nombre fini de grain (10-100 selon les générations de disques aujourd’hui) et représente un domaine magnétique. Les grains sont relativement découplés afin d’écrire les domainesesl plus petit possibles et de stabiliser les transitions. Les éléments d’addition tels que le Cront pour rôle le découplage des grains, car ils ont la propriété de migrer aux joints de grains, lors du dépôt, et sous l’influence de la température. Les autres éléments agissent à la fois sur les propriétés structurales et les propriétés magnétiques. La coercitivité des médiasd’enregistrement est en effet assez élevée (champ de renversement de l’ordre de 0.5-1T [9,10]) . Elle peut être reliée à une bonne croissance de la couche en structure hcp, à la qual ité de la texture, et en général, à l’anisotropie de la couche. Même si le champ coercitif reste une qualité extrinsèque d’une couche mince, les paramètres intrinsèques comme la constante d’anisotropie permettent de l’ajuster (l’ajout du Pt au fort couplage spin orbi tal agit dans ce sens).
Couches de croissances et tribologiques
Le disque de diamètre 2,5 pouces (6.35cm) ou 3,5 pouces (8.89cm), sur lequel croissent les différentes couches, est un disque rigide en alliage d’Al. Il doit être résistant puisqu’il tourne à des vitesses de rotation importa ntes (actuellement (2007) la vitesse de rotation est comprise entre 3600 et 15000 tours/minute). Sur ce disque, une couche de NiP d’épaisseur micrométrique permet une bonne adhésiondes couches déposées, une faible rugosité de la surface et contribue à donner au matériau la texture nécessaire pour l’obtention des propriétés magnétiques recherchées (en particulier la forte coercitivité). La couche tampon de Cr (10-20nm) permet de renforcer la bonne structure cristallographique du médium qui est un alliage hexagonal à base de Co (10-20nm) . Enfin la partie tribologique du disque est constituée d’une couche de carbone diamant recouverte d’un lubrifiant. Une coupe verticale de l’ensemble « disque » est présentée sur la (figure.7).
Les limites de la technologie d’enregistrement longitudinal
Largeur de transition
Dans un média d’enregistrement planaire, le champ de fuite rayonné par une transition est proportionnel à l’aimantation effective du média Mr, où Mr est l’aimantation à la rémanence et l’épaisseur de la couche magnétique. Pour augmenter la densité linéaire de stockage, il faut réduire la largeur de transition. Cette dernière est caractérisée par un paramètre de transition a qui dépend des caractéristiques de la tête d’écriture, ainsi que de la largeur démagnétisanteMr/Hc de la couche magnétique (Hc est le champ coercitif du média. Il est typiquement de l’ordre de 10kOe pour l’enreg istrement longitudinal). Afin de réduire ce paramètre, il est possible d’augmenter le champ coercitif en agissant par exemple sur l’anisotropie du média, mais cela reste limité parle champ maximum généré par la tête pour écrire l’information. Un autre moyen est de réduirele produit Mr mais il est très limité par la lecture (Il faut que le champ magnétique rayonné par le disque demeure suffisant pour produire un signal exploitable). Le paramètre ultime pour minimiser les transitions est en effet la taille des bits mais il se heurte alors à la lim ite superparamagnétique du grain magnétique individuel.
Limite superparamagnétique.
Les média magnétiques peuvent être vus comme une sembléeas de grains magnétiques découplés possédant chacun deux états d’aimantationorientés suivant leur axe de facile aimantation. Le passage d’un état à l’autre peut se faire sous l’action d’un champ extérieur, ou/et de la température. En effet, une barrière depotentiel sépare les deux états d’aimantation et le franchissement de cette barrière est thermiquement activé. Dans un modèle de Néel-Arhénius, le temps de renversement moyen de la barrière est donné par : 0eE / k B T où 0 (typiquement ~10-9s) représente la période d’oscillation de l’aimantation au fond de sonpuit de potentiel (voir figure.8 ci-dessous), +Ms – Ms E particule pour changer d’état d’aimantation.
E la hauteur de barrière d’énergie qui s’oppose au renversement et kBT l’énergie d’activation thermique. La barrière d’énergie est dans le cas le plus simple le produit de l’anisotropie effective K eff et du volume renversé, soit le volume du grain. En champ nul, à la rémanence, le renversement spontané de l’aimantatio dans un grain est possible lorsque la barrière d’énergie est petite devant le terme kT. Plus simplement, si l’on veut stocker de B l’information, stable pour au moins dix années, il faut vérifier selon la relation de Néel-ArhéniusE > 40 kbT (avec un temps0 de 1 ns).
Les média actuels (alliages du type CoCrPt) ont desanisotropies magnétiques de l’ordre de 2.2 105J/m3. La condition de stabilité magnétique pendant au moins 10ans impose pour cette anisotropie un volume de grains minimum de 8nm. A 100Gbit/pouce², chaque bit à une taille d’environ 125nm*50nm. On a donc 6 à 7 grains par bi t parallèlement à la piste et une quinzaine transversalement à la piste, soit environ 100 grains par bit en tout. C’est vraiment un minimum pour garder un rapport signal sur bruit suffisant à la lecture. C’est pourquoi la technologie classique est très proche maintenant de la limite superparamagnétique.
Limite démagnétisante
Les champs démagnétisants ont tendance à effacer les informations puisqu’ils sont un moteur au renversement. Ces effets viennent s’ajouter à l’activation thermique et réduisent encore la taille superparamagnétique en géométrieongitudinale.
Il existe une taille limite de bit ainsi qu’une largeur de transition minimale pour éviter la génération de renversements spontanés. En enregistrement planaire, le champ démagnétisant augmente au fur et à mesure que la largeur du bit d iminue, ce qui tend à rendre l’information de plus en plus instable. En géométrie perpendiculaire, il en va différemment : les champs démagnétisants diminuent avec la dimension latéraledes bits (pour une épaisseur donnée) ce qui permet de repousser l’impact des champs démagnétisants sur la limite superparamagnétique (voir figure.9).
Les alternatives de l’enregistrement magnétique sur disque dur
Enregistrement Perpendiculaire
Avant même la sortie du prometteur RAMAC en 1956, BMI avait lancé un projet de nouvelle génération de disque basée sur l’enregistrement perpendiculaire (Advanced Disk File), dont les objectifs étaient déjà d’augmenterles performances du RAMAC [11]. Mais cet essai prématuré s’est conclu sur un échec, ce qui aentraîné le développement du mode d’enregistrement longitudinal, qui a perduré jusqu’à aujourd’hui. Parallèlement, les médias à anisotropie perpendiculaire n’ont jamais cessé d’être étudiés, notamment à cause de leurs implications dans l’enregistrement magnéto-optique. Durant les années 90, on trouve de nombreuses publications, en particulier dans les journaux japonais, mais aussi européens ou américains, traitant d’alliage CoPt, voire de systèmes à multicouches Co/Pt [3,12,13].
L’enregistrement perpendiculaire, déjà intégré dansdes disques durs sur le marché (Travelstar 5K160 d’Hitachi, Momentus 5400.3 de Seagate avec une capacité de 160GB en format de 2.5 pouce destiné aux ordinateurs portables, par exemple), permet de repousser la limite superparamagnétique en limitant les effets démagnétisants (voir sections précédentes), tout en réduisant la taille des bits élémentaires.Aussi, en utilisant une sous-couche magnétique douce, il est possible d’accroître le champ d’écriture d’un facteur deux, ce qui permet d’utiliser des médias plus épais et plus durs magnétiquement pour assurer une bonne stabilité thermique.
Comme l’indique son nom, l’enregistrement perpendic ulaire est basé sur l’utilisation de médias magnétiques qui présentent une anisotropie perpendiculaire au plan du média. Il consiste à utiliser une tête d’écriture perpendiculaire avec le média déposé sur une sous couche magnétique douce (figure.10). La tête est constituée d’un petit pôle pour l’écriture séparée par un entrefer d’un large pôle destiné à ollecter le flux. La sous couche douce sert à canaliser le flux du pôle d’écriture au collecteur, ce qui fait d’elle une partie de la tête.
Enregistrement thermomagnétique
L’enregistrement thermomagnétique (Thermally Assisted Magnetic Recording) est un concept qui utilise la dépendance en température del’anisotropie du media magnétique. Il est aussi connu sous le nom d’enregistrement hybride puisqu’il combine la technologie classique d’enregistrement magnétique et l’enregistrement magnéto-optique en appliquant un champ d’écriture local assisté par un chauffage thermique. Il peut s’appliquer aux médias longitudinaux ainsi qu’aux médias perpendiculaires.
Le principe de base de cette méthode consiste à réduire le champ de retournement des grains magnétiques à écrire en chauffant instantanément et localement le média durant l’étape d’écriture. Le média est ensuite refroidi immédiatement à la température ambiante pour mémoriser l’information.
Un tel système autorise l’écriture sur des médias àtrès forte anisotropie, très durs magnétiquement, et peu inscriptibles avec une têtetraditionnelle et purement inductive, dans le but de repousser la limite superparamagnétique et d’utiliser des grains encore plus petits.
Malgré le potentiel important de cette technologie, elle reste encore hâtive. Contrairement à l’enregistrement perpendiculaire, l ’implantation de l’enregistrement thermomagnétique dans l’industrie du disque dur demande des changements considérables dans l’architecture du système et de la tête d’écriture à laquelle il faut rajouter une source de chauffage très localisée et très rapide. La faisabil té de l’enregistrement thermomagnétique a néanmoins été démontrée expérimentalement en utilisant un laser comme source de chauffage [14], ou en utilisant une pointe chauffante et un média en silicium poreux [16].
Enregistrement sur media discret
Le concept de média discret est le plus éloigné destechnologies actuelles et il est pourtant pressenti comme l’alternative la plus plausible pour atteindre des densités supérieures au Tbit/in². Il s’agit en fait d’un découpage régulier de la couche magnétique en éléments fortement submicroniques par des techniques lithographiques [20]. Ainsi, au lieu d’avoir une centaine de grains magnétiques par bit, un seul grain (de volume thermiquement stable) par plot est suffisant pour assurer la mémorisation des données.
L’insertion de ce type de média dans l’industrie du disque dur passe par plusieurs défis à relever, notamment en ce qui concerne le vol de l a tête au-dessus du média, la synchronisation spatiale de l’écriture, ainsi qu’au niveau de la méthode de réplication des substrats structurés qui doit être à moindre coût teà haut rendement.
Dans ce contexte, à SPINTEC, il a été développé uneméthode originale pour la fabrication de médias discrets que l’on appelle pré-graver [1,2,3,4]. Elle consiste à fabriquer des réseaux de plots en silicium par lithographie et gravure, et ensuite déposer le matériau magnétique. Cette technique rassemble plusieurs avantages : il n’y a pas de traitement supplémentaire du média après le dépôt magnétiquee cqui assure la liberté de déposer des matériaux différents. Hormis les problèmes de tribol gie et de synchronisation, l’inconvénient des medias pré-gravés réside dans la difficulté déposer une sous couche magnétique douce qui permettra de focaliser le champ d’écriture en utilisant des têtes d’écritures pour l’enregistrement perpendiculaire.
Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés sur deux types de plots : des plots pré-gravés avec une multicouche de Co/Pt fabriqués par la technique de la nanoimpression en collaboration avec le LTM, et des plots magnétiques répartis en pistes circulaires gravés directement dans la couche magnétique en alliage de CoCrPt réalisés chez Seagate par lithographie électronique.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 L’enregistrement magnétique : état de l’art et évolutions
1- Etat de l’art de l’enregistrement magnétique
1-1 Principe
1-2 Evolution des densités
1-3 Les têtes d’écriture-lecture
a- Fonction d’écriture
b- Fonction de lecture
1-4 Le média d’enregistrement
a- Couche sensible
b- Couches de croissances et tribologiques
2- Les limites de la technologie d’enregistrement longitudinal
2-1 Largeur de transition
2-2 Limite superparamagnétique
2-3 Limite démagnétisante
3- Les alternatives de l’enregistrement magnétique sur disque dur
3-1 Enregistrement Perpendiculaire
3-2 Enregistrement thermomagnétique
3-3 Enregistrement sur media discret
Conclusion
Chapitre 2 Elaboration de media pré-gravés par nano-impression
1- Motivation et généralités
2- Principe et éléments de base de la lithographie par nano-impression
2-1 Principe
2-2 Fabrication du Moule
2-3 Equipement de pressage
2-4 Résine pour la nanoimpression
3- Transfert des motifs
3-1 La gravure plasma
3-2 Mécanismes de la gravure plasma anisotrope
a) La gravure chimique
b) La gravure physique
c) La gravure plasma
4- Elaboration de médias prégravés pour l’enregistrement magnétique
4-1 Procédé d’impression
4-2 Ouverture de l’épaisseur résiduelle hr
4-3 Transfert dans le substrat de Si
5- Uniformité de pressage
5-1 Influence de l’épaisseur résiduelle
5-2 Influence de la densité des motifs et des déformations du moule
5-3 Influence de la taille des plaques et de leur séparation
Conclusion
Chapitre 3 Propriétés magnétiques des médias discrets
1- Couche magnétique de stockage
1-1 Propriétés recherchées
1-2 Méthode de dépôt : la pulvérisation cathodique
2- Propriétés magnétiques des couches à anisotropie perpendiculaire
2-1 Cristallographie et généralités des multicouches Co/Pt
2-2 Anisotropie et aimantation
a- Anisotropie magnétocristalline
b- Anisotropie de surface
c- Energie démagnétisante
d- Anisotropie effective
3- Caractérisation magnétique des échantillons pré-gravés
3-1 Structure en domaines magnétiques
3-2 Couplages directs et indirects
3-3 Hystérésis et coercivité
3-4 Distribution de champs de retournement
4- Etude dynamique du renversement des plots
4-1 Aspect théoriques
a- Expression de ∆E
b- Temps de relaxation
c- Distribution de barrières
d- Régime précessionnel ou forcé
4-2 Variation du champ coercitif vs. vitesse de balayage
4-3 Viscosité magnétique
4-4 Renversement au GHz : utilisation d’une tête d’écriture
Conclusion
Chapitre 4 Fonctionnement en écriture/lecture des médias discrets
1- Le testeur quasi-statique
1-1 Description du testeur
1-2 Procédure d’écriture et de lecture
2- Conditions de synchronisation
2-1 Influence du déphasage à l’écriture sur la synchronisation
a- Mesure sur des pistes linéaires
b- Mesure sur des pistes circulaires
2-2 Influence du courant d’écriture sur la synchronisation
2-3 Ecriture en foot-print
3- Médias multiniveaux
3-1 Elaboration des médias multiniveaux
3-2 Ecriture/lecture des médias discrets multiniveaux
Conclusion
Chapitre 5 Analyse du bruit
1- Le bruit dans les médias continus
1-1 Les perturbations du signal dans un disque dur : vue générale
1-2 Les différentes sources de bruit dans les médias continus
a- Bruit de transition
b- Bruit particulaire
c- Bruit de modulation
2- Analyse de bruit des médias discrets
2-1 Mesure de SNR par corrélation
2-2 Mesure expérimentale du SNR
a- Mesure du SNR en fonction de la longueur des bits
b- Mesure de SNR sur des PRBS
Conclusion
Conclusion générale
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