-
Diese Erfindung betrifft eine magnetostatische
Wellenvorrichtung, insbesondere eine magnetostatische
Wellenvorrichtung, die ein einkristallines Substrat mit der
Formel Gd&sub3;Ga5012, und auf diesem einkristallinen Substrat
(1) einen einkristallinen Dünnfilm (2) mit der Formel
Y3-xMx'Fe5-yMy"O&sub1;&sub2; aufweist (wobei M' wenigstens einen
Bestandteil gewählt aus La, Bi, Lu und Gd und M"
wenigstens einen Bestandteil gewählt aus Al, In und Sc
darstellen, und x und y jeweils als 0 < x ≤ 1,0 und 0 < y ≤
1,5 definiert sind).
-
Unter den für Bubblespeicher und optische Isolatoren
verwendeten magnetischen Werkstoffen gibt es einen
einkristallinen Dünnfilm aus magnetischem Granat, der auf
einem Substrat aus einem Granat-Einkristall aus der
Flüssigphase epitaktisch gewachsen ist.
-
Magnetostatische Wellenvorrichtungen verwenden einen
sphärischen magnetischen Granat, der herkömmlicherweise
durch einen hochgenauen sphärischen Schliff eines
einkristallinen magnetischen Granats (Block) erzeugt wird,
welcher durch das Induktionsverfahren oder das
Zonenschmelzverfahren erhalten wurde. Der sphärische
Schliff bedeutete jedoch einen Engpass bei der
Massenproduktion.
-
In letzter Zeit wurden, um diese Situation zu vermeiden,
magnetostatische Wellenvorrichtungen aus einem magnetischen
einkristallinen Granat-Dünnfilm, der durch epitaktisches
Wachstum auf einem einkristallinen Granatsubstrat erzeugt
wurde, hergestellt. Der Vorteil des Epitaxiewachstums aus
der flüssigen Phase liegt in der Möglichkeit, eine hohe
Qualität des magnetischen einkristallinen Granat-Dünnfilms
zu erzielen, so dass kein sphärischer Schliff oder ein
Präzisionsschliff zur Herstellung des sphärischen
magnetischen einkristallinen Kristallblocks nötig ist. Die
Folge ist eine Vereinfachung in der Struktur der
Vorrichtung.
-
Übrigens besteht eine der magnetischen Eigenschaften eines
magnetischen einkristallinen Granatdünnfilms in der
Sättigungsmagnetisierung (Is), die mit der Arbeitsfrequenz
der magnetostatischen Wellenvorrichtung in Verbindung
steht. Deshalb ist es üblich, die Sättigungsmagnetisierung
für niedrige Arbeitsfrequenzen zu reduzieren. Dies wird
gewöhnlich durch die Substitution unmagnetischer Ionen (wie
Ga³&spplus; und Al³&spplus;) für einen Teil von Fe³&spplus; in Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2; (was ein
typischer magnetischer Granat ist) erreicht. Das Ergebnis
der Substitution ist eine erhöhte Differenz der
Gitterkonstanten zwischen dem einkristallinen
Granatsubstrat und dem darauf gewachsenen einkristallinen
magnetischen Granat-Dünnfilm. Dieser Gitterversatz rührt
von der Differenz ihrer Ionenradien her. Um die
kristallographische Güte zu sichern, ist es üblich, LA³&spplus;
oder Bi³&spplus; für einen Teil von Y³&spplus; in Y&sub3; Fe&sub5; O&sub1;&sub2; und Sc³&spplus; für
einen Teil von Fe³&spplus; in Y&sub3; Fe&sub5; O&sub1;&sub2; zu substituieren.
-
Die durch Flüssigphasenepitaxie mit einem herkömmlichen
magnetischen einkristallinen Granatdünnfilm gebildete
magnetostatische Wellenvorrichtung hat schlechte Kennwerte,
weil sie eine hohe Einfügungsdämpfung hat, und tendiert zur
Erzeugung von Welligkeiten.
-
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine magnetostatische
Wellenvorrichtung mit verbesserten Kennwerten (das heißt,
geringer Einfügungsdämpfung und Welligkeit) anzugeben.
Eine Schwierigkeit, die sich beim Wachsen eines Dünnfilms
aus magnetischen Granat-Einkristall auf einem
Granateinkristallsubstrat (zum Beispiel Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;) durch
Epitaxiewachstum aus der flüssigen Phase einstellt, besteht
in der Differenz der Gitterkonstanten (oder einen gewissen
Fehlanpassung bei der Gitterkonstanten).
-
Im Falle von Magnetbubblespeichern und optischen
Isolatoren, die einen auf einem Substrat eines Granat-
Einkristalls gewachsenen magnetischen Granat-Dünnfilm
verwenden, war es bislang üblich, die Größe der
Fehlanpassung der Gitterkonstanten gezielt zu erhöhen oder
zu verringern, um so die magnetischen Eigenschaften
wunschgemäß zu kontrollieren. Zum Beispiel erzeugt ihre
Erhöhung ein von der mechanischen Spannung herrührendes
spannungsinduziertes anisotropisches Magnetfeld und ihre
Verringerung lässt das Magnetfeld verschwinden.
-
Da man allgemein geglaubt hat, dass ein Dünnfilm aus
magnetischem Granat-Einkristall für magnetostatische
Wellenvorrichtungen bevorzugt eine schmalere
Halbwertsbreite (ΔH) seiner ferromagnetischen Resonanz haben sollte,
haben die Erfinder zu Beginn überlegt, dass dieses
Erfordernis durch Verringerung der Größe der Fehlanpassung
der Gitterkonstanten auf annähernd Null erfüllt werden
könnte.
-
EP-A-0522388 beschreibt eine magnetostatische
Wellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der
die Differenz der Gitterkonstanten nicht mehr als 0,001 nm
beträgt.
-
Später wurden von den Erfindern detaillierte Untersuchungen
der Beziehung zwischen der Größe der Fehlanpassung der
Gitterkonstanten und den Kennwerten (wie die
Einfügungsdämpfung und die Welligkeit) der magnetostatischen
Wellenvorrichtung durchgeführt. Als Ergebnis haben sie
gefunden, dass die magnetostatische Wellenvorrichtung
verbesserte Kennwerte aufweist, wenn ein gewisser Betrag
der Fehlanpassung der Gitterkonstanten vorhanden ist,
anstatt die Fehlanpassung der Gitterkonstanten nahezu zu
Null zu machen.
-
Diese Erkenntnis hat zu dieser Erfindung geführt, die eine
magnetostatische Wellenvorrichtung der obigen Art erzielt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass der einkristalline
Dünnfilm eine Gitterkonstante größer als die des
einkristallinen Substrats hat, wobei die Differenz (Δa)
zwischen den beiden Gitterkonstanten im Bereich von 0,0004
nm ≤ Δa ≤ 0,001 nm liegt.
-
Bevorzugt ist der einkristalline Dünnfilm der oben
beschriebenen magnetostatischen Wellenvorrichtung durch
Epitaxiewachstum aus der flüssigen Phase auf einem
einkristallinen Substrat gebildet.
-
Magnetostatische Wellenvorrichtungen wie sie oben
beschrieben wurden, haben verbesserte Kennwerte
hinsichtlich ihrer geringen Einfügungsdämpfung und
Welligkeit. Ein möglicher Grund dafür ist die Differenz Δa
(oder die Größe der Fehlanpassung) der Gitterkonstanten
zwischen dem einkristallinen Dünnfilm aus magnetischem
Granat und dem einkristallinen Substrat aus Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;. Diese
Differenz der Gitterkonstanten übt auf das einkristalline
Substrat eine Druckspannung aus und erzeugt dadurch eine
mechanische Spannung im einkristallinen Dünnfilm. Diese
Spannung verlängert das Kristallgitter des einkristallinen
Dünnfilms in horizontaler Richtung bezogen auf die
Oberfläche des einkristallinen Dünnfilms. Die Auswirkung
ist, dass sich die Richtung der Magnetisierung des
Elektronenspins leicht in die Richtung des
Gleichmagnetfeldes im Fall ausrichtet, wo das Gleichmagnetfeld
horizontal zum einkristallinen Dünnfilm wie bei der
magnetostatischen Oberflächenwelle angelegt wird. Das
Ergebnis ist ein homogeneres internes Magnetfeld im
einkristallinen Dünnfeld.
-
Diese Erfindung fordert, dass die Differenz (Δa) der
Gitterkonstanten in einem Bereich von 0,0004 nm ≤ Δa ≤
0,001 nm aus den folgenden Gründen liegt. Wenn Δa 0,001 nm
überschreitet, hat der einkristalline Dünnfilm aufgrund der
mechanischen Spannung ein nichthomogenes anisotropisches
Magnetfeld, das zu einer magnetostatischen
Wellenvorrichtung mit fluktuierenden Kennwerten führt.
-
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass der einkristalline
Dünnfilm aufgrund der auf ihn einwirkenden mechanischen
Spannung eine größere induzierte magnetische Anisotropie
hat, die den Betrieb bei niedrigen Frequenzen behindert.
Zusätzlich führt ein größerer Wert von Δa zu Brüchen im
einkristallinen Dünnfilm.
-
Wenn Δa kleiner als 0,0004 nm ist, hat der einkristalline
Dünnfilm (in seiner Anwendung bei magnetostatischen
Wellenvorrichtungen) nicht den Effekt, dass er die
Einfügungsdämpfung und die Welligkeit verringert. Ein
weiterer Nachteil ist, dass der einkristalline Dünnfilm
fluktuierende Kennwerte (zum Beispiel Einfügungsdämpfung
und Welligkeit) hat, wenn er bei einer magnetostatischen
Wellenvorrichtung in Form eines aus dem Wafer geschnittenen
Chips angewendet ist. Schätzungsweise liegt dies an einer
kleinen gegenseitigen Reaktion des einkristallinen
Dünnfilms mit dem einkristallinen Substrat.
-
Nun wird diese Erfindung beispielhaft bezogen auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
-
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines
Beispiels einer dieser Erfindung entsprechenden
magnetostatischen Wellenvorrichtung;
-
Fig. 2 ein Diagramm, das die Filterkennwerte der
magnetostatischen Wellenvorrichtung in Beispiel 1 zeigt;
-
Fig. 3 ein Diagramm der Filterkennwerte der
magnetostatischen Wellenvorrichtung in Beispiel 2, und
-
Fig. 4 ein Diagramm der Filterkennwerte der
magnetostatischen Wellenvorrichtung im Vergleichsbeispiel.
Beispiel 1
-
Ein in einen Heizofen gestellter Platintiegel wurde mit
Y&sub2;O&sub3; (0,39 mol %), Fe&sub2;O&sub3; (9,17 mol %), La&sub2;O&sub3; (0,07 mol %), Ga&sub2;O&sub3;
(0,37 mol%), PbO (84,00 mol%) und B&sub2;O&sub3; (6,00 mol%) gefüllt.
-
Die ersten vier Bestandteile sind Oxide von Elementen, die
magnetischen Granat bilden, und die letzten beiden
Bestandteile fungieren als Flussmittel. Diese Rohstoffe
wurden durch Schmelzen bei etwa 1200ºC homogenisiert. Die
Schmelze wurde dann abgekühlt und auf 880-900ºC
gehalten, so dass die Schmelze für den magnetischen Granat
übersättigt wurde.
-
In diese Schmelze wurde ein Substrat eines Einkristalls aus
Ga&sub3;Gd&sub5;O&sub1;&sub2; mit der (111)-Ebene getunkt. Auf diese Weise
erhielt man einen Dünnfilm (20 um dick) aus magnetischem
Granat-Einkristall, der die gewünschte
Zusammensetzungsformel Y2,95La0,05Fe4,55Ga0,45O&sub1;&sub2; hatte.
-
Der in dieser Weise erzeugte einkristalline Film ergab eine
Sättigungsmagnetisierung (ls) von 0,125 Wb/m² und eine
Halbwertsbreite (ΔH) der ferromagnetischen Resonanz von
53, 5 A/m.
-
Der einkristalline Dünnfilm hatte eine Gitterkonstante
größer als die des einkristallinen Substrats, mit der
Differenz (Δa oder der Größe der Fehlanpassung) zwischen
den beiden Gitterkonstanten von 0,0005 nm, wie sich aus
Messungen durch das Röntgenstrahl-Rockingkurvenverfahren
(mit einem Doppelkristallspektrometer) ergab.
-
Fig. 1 zeigt eine magnetostatische
Oberflächenwellenvorrichtung (in Form eines aus dem oben erwähnten
beschichteten Substrat ausgeschnittenen quadratischen Chips
mit den Maßen 4 mm mal 4 mm), die aus einem einkristallinen
Substrat (1), einem magnetischen einkristallinen
Granatdünnfilm (2) und zwei aus Aluminium durch Vakuumabscheidung
gebildeten Wandlern (3, 4) besteht, die jeweils 50 um breit
und 2 mm beabstandet sind. Filterkennwerte dieser
Vorrichtung wurden durch Anlegen eines Gleichmagnetfelds
(HeX) von 4475 A/m in einer Richtung parallel zur
Filmoberfläche und den Wandlern getestet. Die Ergebnisse sind
in Fig. 2 gezeigt.
-
In Fig. 2 bezeichnen Bezugszahlen 5 und 6 die Absorber der
magnetostatischen Welle, Iin die Eingaberichtung der
Mikrowelle, (W) die Ausbreitungsrichtung der
Oberflächenwelle (MSSW) und Iout die Ausgaberichtung der Mikrowelle.
Beispiel 2
-
Ein in einen Heizofen gestellter Platintiegel wurde mit
Y&sub2;O&sub3; (0,38 mol%), Fe&sub2;O&sub3; (9,17 mol%), La&sub2;O&sub3; (0,08 mol%), Ga&sub2;O&sub3;
(0,37 mol%), PbO (84,00 mol%) und B&sub2;O&sub3; (6,00 mol%) gefüllt.
Die ersten vier Bestandteile sind Oxide von Elementen, die
magnetischen Granat bilden, und die beiden letzten
Bestandteile fungieren als Flussmittel. Die Rohstoffe
wurden durch Schmelzen bei etwa 1200ºC homogenisiert. Die
Schmelze wurde abgekühlt und bei 880-900ºC gehalten, so
dass die Schmelze für magnetischen Granat übersättigt
wurde.
-
In diese Schmelze wurde in derselben Weise wie in Beispiel
1 ein Einkristall aus Ga&sub3;Gd&sub5;O&sub1;&sub2; mit der (111)-Ebene getunkt.
Damit erhielt man einen Dünnfilm (20 um dick) aus
magnetischem Granat-Einkristall, der die gewünschte
Zusammensetzungsformel Y2,95La0,05Fe4,55Ga0,45O&sub1;&sub2; hatte.
-
Der so hergestellte einkristalline Dünnfilm ergab eine
Sättigungsmagnetisierung (ls) von 0,125 Wb/m² und eine
Halbwertsbreite (ΔH) der ferromagnetischen Resonanz von
62,0 A/m.
-
Der einkristallineDünnfilm hatte eine Gitterkonstante, die
größer war als die des einkristallinen Substrats, wobei die
Differenz (Δa) (oder die Größe der Fehlanpassung) zwischen
den beiden Gitterkonstanten 0,0009 nm war und in derselben
Weise wie im Beispiel 1 gemessen wurde.
-
Gleich wie in Beispiel 1, wurde eine magnetostatische
Oberflächenwellenvorrichtung hergestellt und deren
Filterkennwerte getestet. Das Ergebnis ist in Fig. 3 gezeigt.
Vergleichsbeispiel
-
Ein in einen Heizofen gestellter Platintiegel wurde mit
Y&sub2;O&sub3; (0,41 mol%), Fe&sub2;O&sub3; (9,17 mol%), La&sub2;O&sub3; (0,05 mol%), Ga&sub2;O&sub3;
(0,37 mol%), PbO (84,00 mol%) und B&sub2;O&sub3; (6,00 mol%) gefüllt.
-
Die ersten vier Bestandteile sind Oxide von Elementen, die
den magnetischen Granat bilden, und die beiden letzten
Bestandteile fungieren als Flussmittel. Die Rohstoffe
wurden durch Schmelzen bei etwa 1200ºC homogenisiert. Die
Schmelze wurde abgekühlt und bei etwa 880-900ºC
gehalten, so dass die Schmelze für magnetischen Granat
übersättigt wurde.
-
In diese Schmelze wurde in derselben Weise wie in Beispiel
1 ein Einkristall aus Ga&sub3;Gd&sub5;O&sub1;&sub2; mit der (111)-Ebene getunkt.
Auf diese Weise erhielt man einen einkristallinen Dünnfilm
(20 um dick) aus magnetischem Granat, der die gewünschte
Zusammensetzungsformel Y2,95La0,05Fe4,55Ga0,45O&sub1;&sub2; hatte.
-
Es stellte sich heraus, dass der so hergestellte
Einkristallfilm eine Sättigungsmagnetisierung (ls) von
0,123 Wb/m² und eine Halbwertsbreite (ΔH) der
ferromagnetischen Resonanz von 87,5 A/m hatte.
-
Der einkristalline Dünnfilm hat eine Gitterkonstante, die
kleiner ist als die des einkristallinen Substrats, mit der
Differenz (Δa) (oder dem Betrag der Fehlanpassung) zwischen
den beiden Gitterkonstanten von 0,0003 nm, gemessen in
derselben Weise wie in Beispiel 1.
-
Nun wurde in derselben Wiese wie in Beispiel 1 eine
magnetostatische Oberflächenwellenvorrichtung hergestellt.
-
Diese wurde auf ihre Filterkennwerte getestet. Die
Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt.
-
Man erkennt aus den Fig. 2 bis 4, dass die
magnetostatischen Wellenvorrichtungen der Beispiele 1 und 2
die Filterkennwerte (niedrige Einfügungsdämpfung und
Welligkeit) des Vergleichsbeispiels übertreffen.
-
Bei der Herstellung der gewünschten magnetostatischen
Wellenvorrichtung lassen sich die oben erwähnten Beispiele
durch Veränderung der Zusammensetzungsformel des
magnetischen einkristallinen Granatdünnfilms von
Y2,95La0,05Fe4,55Ga0,45O&sub1;&sub2; in irgendeine andere
Zusammensetzungsformel modifizieren, die durch Y3-xMxFe5-yNyO&sub1;&sub2;
angegeben wird (wobei M wenigstens ein aus La, Bi, Lu und
Gd gewählter Bestandteil und N wenigstens ein aus Ga, Al,
In und Sc gewählter Bestandteil sind), wie zum Beispiel
Y2,78La0,02Bi0,20Fe4,50Ga0,50O&sub1;&sub2; und Y2,85Bi0,15Fe4,30Sc0,10Ga0,60O&sub1;&sub2;
,solange die Gitterkonstante des einkristallinen Dünnfilms
größer als die des einkristallinen Substrats ist und deren
Differenz (Δa) in dem durch 0,0004 nm ≤ Δa ≤ 0,001 nm
definierten Bereich liegt.
-
Die vorangehende Beschreibung zeigt, dass diese Erfindung
eine magnetostatische Wellenvorrichtung mit guten
Kennwerten (niedrige Einfügungsdämpfung und Welligkeit)
erzielt, wenn der Dünnfilm des magnetischen Granat-
Einkristalls auf dem einkristallinen Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; Substrat
derartig gebildet wird, dass die Differenz (Δa) zwischen
der Gitterkonstanten des einkristallinen Dünnfilms und der
des einkristallinen Substrats in dem durch 0,0004 nm ≤ Δa
0,001 nm definierten Bereich liegt.