JP2004269305A - Substrate for forming magnetic garnet single crystal film, its manufacturing method, optical element, and its manufacturing method - Google Patents

Substrate for forming magnetic garnet single crystal film, its manufacturing method, optical element, and its manufacturing method Download PDF

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Kiyoshi Uchida
清志 内田
Yukio Sakashita
幸雄 坂下
Atsushi Oido
敦 大井戸
Katsumi Kawasaki
克己 川嵜
Jun Sato
佐藤  淳
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stably form a high quality thick magnetic garnet single crystal film free from the generation of a crystal defect or warp, a crack, peeling, or the like, in a high yield by liquid phase epitaxial growth by forming a buffer layer of this invention on a commercially available substrate for forming the magnetic garnet single crystal film. <P>SOLUTION: The substrate 2 for forming the magnetic garnet single crystal film is used for growing the magnetic garnet single crystal film by liquid phase epitaxial growth. The substrate 2 has a base substrate 10 whose lattice constant is different from that of the magnetic garnet single crystal film, and the buffer layer 11 which is formed at least on the crystal growth surface of the base substrate 10 and characterized in that the lattice constant at the face brought into contact with the base substrate 10 is substantially the same as that of the base substrate 10 and the lattice constant at the uppermost face is substantially the same as that of the magnetic garnet single crystal film 12. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばビスマス置換希土類鉄ガーネット(Bi−RIG)単結晶などの磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル成長させるための磁性ガーネット単結晶膜形成用基板、その製造方法と、この製造方法を用いて製造される基板と、この基板を用いて結晶成長を行う単結晶膜の製造方法と、この製造方法により製造される単結晶膜および光学素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光アイソレータ、光サーキュレータ、光磁界センサ等に用いられるファラデー回転子などの光学素子の材料としては、一般に、単結晶基板上に磁性ガーネット単結晶膜をエピタキシャル成長させたものが用いられる。基板上に成長させる磁性ガーネット単結晶膜としては、所要のファラデー効果が得られるように大きなファラデー回転係数が望まれる。また、エピタキシャル成長によって良質の単結晶膜を成膜するためには、成膜温度から室温までの温度域において、基板単結晶と、成長する単結晶膜との間の格子定数差が極力小さいことが要求される。
【0003】
磁性ガーネット単結晶膜のファラデー回転係数は、希土類成分の一部をビスマスで置換することにより著しく増加することが知られている。ビスマス置換量の増加は、同時に磁性ガーネット単結晶膜の格子定数の増加をもたらすため、成膜に用いる基板材料にも、より大きな格子定数が要求され、たとえばCa、Zr、Mg等を添加して格子定数を大きくしたガドリニウム・ガリウムガーネット(GGG)が単結晶基板材料として用いられている(特許文献1参照)。
【0004】
しかしながら、このCa、Zr、Mg等を添加したGGG単結晶基板上にビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を厚膜状に(たとえば200μm以上の膜厚)に成長させようとした場合、成膜中および成膜後の基板や単結晶膜に反りや割れなどを生じやすく、成膜時および加工時の製造歩留り低下の原因となっている。
【0005】
この問題を解消すべく、本発明者等は、室温から850℃までの温度領域で、結晶方位<111>に直交する面内の熱膨張係数がビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶に極めて近い値を有する特定組成のガーネット単結晶基板を提案している(特許文献2参照)。この単結晶基板を用いることにより、結晶欠陥や反り、割れなどが発生しない厚膜状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル成長により形成させることができる。
【0006】
しかしながら、この特定組成のガーネット単結晶基板は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット(Bi−RIG)単結晶膜を液相エピタキシャル成長させる際に析出溶媒質として用いられる酸化鉛フラックスに対して不安定であり、良質なビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を得る歩留まりが悪いということが本発明者等により見出された。特に、NbまたはTaを含む基板組成でこの傾向は大きいことが判明した。
【0007】
そこで、本発明者等は、フラックスに対して不安定なガーネット系単結晶から成るベース基板の基板育成面に、フラックスに対して安定なガーネット系単結晶薄膜から成るバッファ層を形成した基板を開発し、先に出願している(特許文献3参照)。
【0008】
【特許文献1】特公昭60−4583号公報
【特許文献2】特開平10−139596号公報
【特許文献3】PCT/JP02/06223
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に提案している発明では、特殊な組成のベース基板を前提としており、現在商品化している磁性ガーネット単結晶膜形成用基板を用いることができない。現在商品化されている基板は、数種類しかなく、その中での格子定数の最大値は1.25nmであり、ビスマスが最大に置換された場合における磁性ガーネット単結晶膜の格子定数である1.27nmとくらべると、約1.5%のミスマッチがある。
【0009】
また、先に提案している発明におけるバッファ層は同一材質の単層であるため、バッファ層の格子定数をベース基板に合わせると、液相エピタキシャル成長させるべき磁性ガーネット単結晶膜との格子定数にずれ(ミスマッチ)が生じる。格子定数のミスマッチが生じると、磁性ガーネット単結晶膜内に歪みなどが発生し、欠陥となるおそれがある。その逆に、バッファ層の格子定数を、液相エピタキシャル成長させるべき磁性ガーネット単結晶膜との格子定数に合わせると、ベース基板との間に格子定数のミスマッチが生じ、良質なバッファ層をベース基板上に剥離させることなく形成することが困難になる。
【0010】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などが発生しない厚膜状の磁性ガーネット単結晶膜を、高品質で歩留まり良く、液相エピタキシャル成長により安定して、低コストで形成することができる磁性ガーネット単結晶膜形成用基板、光学素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、市販の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板に本発明のバッファ層を形成することで、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などが発生しない厚膜状の磁性ガーネット単結晶膜を、高品質で歩留まり良く、液相エピタキシャル成長により安定して、低コストで形成することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板は、
磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル成長させるための磁性ガーネット単結晶膜形成用基板であって、
前記磁性ガーネット単結晶膜と格子定数が異なるベース基板と、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に形成され、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一であり、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一であるバッファ層と、を有する。
【0012】
本発明に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板の製造方法は、
ベース基板を形成する工程と、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一であり、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一であるバッファ層を形成する工程とを有する。
【0013】
なお、本発明において、実質的に同一とは、格子定数の相違が、±0.0002nmの範囲内である。
【0014】
本発明によれば、液相エピタキシャル成長により形成する対象となる磁性ガーネット単結晶と格子定数が実質的に同一となる最表面を持つバッファ層がベース基板の少なくとも結晶育成面に形成してある。このため、バッファ層の上に形成される磁性ガーネット単結晶膜と、バッファ層の表面との格子定数のミスマッチなどの問題が無くなり、液相エピタキシャル成長を安定して行うことができ、その製造歩留まりを向上させることができる。
【0015】
このため、本発明では、ファラデー回転子などの光学素子に用いられるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などの発生を抑制して、高品質で高製造歩留まりで液相エピタキシャル成長させることができる。すなわち、本発明によれば、比較的に厚膜(たとえば200μm以上)で、大面積(たとえば直径3インチ以上)の磁性ガーネット単結晶膜を、液相エピタキシャル成長により得ることができる。
【0016】
また、本発明では、ファラデー回転子などの光学素子に用いられるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜におけるビスマス置換量を大きくして光学特性を向上させる場合にも容易に対応することができる。たとえばビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜におけるビスマス置換量を大きくすれば、その格子定数も大きくなる。本発明では、市販の単結晶基板をベース基板として用い、ベース基板の表面に本発明のバッファ層を形成することで、その最表面の格子定数を、液相エピタキシャル成長させるべき単結晶膜の格子定数に合わせることができる。その結果、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などの発生を抑制して、高品質で高製造歩留まりで液相エピタキシャル成長させることができる。
【0017】
前記バッファ層における格子定数は、膜厚方向に連続して変化させても良いし、段階的に変化させても良い。段階的に変化させる場合には、バッファ層を多層膜で構成しても良い。バッファ層を多層膜で構成する方法は、比較的に製造が容易である。
【0018】
好ましくは、前記バッファ層は、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に形成され、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一である第1バッファ層と、
前記第1バッファ層に直接または間接的に積層され、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一である第2バッファ層とを有する。
【0019】
第1バッファ層と第2バッファ層との間には、それらの中間の格子定数を有する一以上の中間バッファ層を積層させても良い。
【0020】
あるいは、前記バッファ層は、
格子定数が膜厚方向に変化する格子定数傾斜層を有しても良い。すなわち、バッファ層における格子定数を、膜厚方向に連続的に変化させても良い。
【0021】
好ましくは、前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数が、1.2〜1.3nmの範囲にある。格子定数が大きな磁性ガーネット単結晶膜は、一般に光学特性に優れている。
【0022】
好ましくは、前記磁性ガーネット単結晶膜が、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜である。このビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜は、ファラデー回転子等の光学素子として好適に用いることができる。
【0023】
好ましくは、前記バッファ層がビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を含み、前記バッファ層における格子定数が、前記バッファ層におけるビスマスの含有量により制御してある。ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜においてはビスマスの含有量を制御することで、その格子定数を制御できる。
【0024】
好ましくは、前記ベース基板が、NbまたはTaを含む。前記ベース基板に、NbまたはTaを含ませることで、ベース基板の熱膨張係数および/または格子定数を、磁性ガーネット単結晶膜の格子定数とほぼ等しくさせることが容易になる。ただし、前記ベース基板にNbまたはTaを含ませると、フラックスに対する安定性が劣化する傾向にある。
【0025】
本発明では、前記ベース基板は、前記液相エピタキシャル成長させるために用いるフラックスに対して安定な磁性ガーネット単結晶膜で構成しても良く、また、不安定なガーネット系単結晶で構成しても良い。
【0026】
前記フラックスとしては、特に限定されないが、たとえば酸化鉛および/または酸化ビスマスを含有しているフラックスである。なお、本発明において、「フラックスに対して不安定」とは、フラックス中の溶質成分が、対象物(ベース基板またはバッファ層)を核として結晶化を開始する、いわゆる過飽和状態において、対象物を構成する材質の少なくとも一部がフラックスに対して溶出すること、および/またはフラックス成分の少なくとも一部が対象物に拡散することで、単結晶膜の液相エピタキシャル成長を阻害することを意味する。また、「フラックスに対して安定」とは、「フラックスに対して不安定」の逆の現象を意味する。
【0027】
本発明では、液相エピタキシャル成長により形成する対象となる磁性ガーネット単結晶、たとえばビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶、に極めて近い熱膨張係数を有する特定組成のガーネット単結晶基板を選択し、その基板がフラックスに対して不安定であるとしても、安定して液相エピタキシャル成長を行うことができる。なぜなら、ベース基板の上には、バッファ層が形成してあるからである。
【0028】
好ましくは、前記バッファ層の厚みが1〜10000nm、さらに好ましくは5〜50nmであり、前記ベース基板の厚みが0.1〜5mm、さらに好ましくは0.2〜2.0mmである。バッファ層の厚みが薄すぎると、本発明の効果が小さく、厚すぎると、コスト高になると共に、熱膨張係数の違いなどからエピタキシャル成長膜に対してクラックなどの悪影響を与える傾向にある。また、ベース基板の厚みが薄すぎると、機械的強度が不足して取扱い作業性が悪くなる傾向にあり、厚すぎると、クラックなどの発生が増加する傾向にある。
【0029】
好ましくは、前記ベース基板が、前記磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有している。好ましくは、0°C〜1000°Cの温度範囲において、前記ベース基板の熱膨張係数が、前記磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係数に対して、±2×10−6/°C以下の範囲にある。
【0030】
ベース基板の熱膨張係数を磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係数と略等しくすることで、エピタキシャル成長後の膜が基板に対して剥離することやクラックや欠けなど(以下、「クラックなど」とも称する)の品質低下を有効に防止することができる。なぜなら、磁性ガーネット単結晶膜をエピタキシャル成長により形成する際には、温度が1000°C近くまで上昇し、その後に室温に戻されるため、熱膨張係数が相違すると、エピタキシャル成長膜にクラックなどが発生しやすくなるからである。
【0031】
本発明に係る磁性ガーネット単結晶膜の製造方法は、上記のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板を用いて、前記バッファ層の少なくとも結晶育成面に、液相エピタキシャル成長法によって磁性ガーネット単結晶膜を成長させる工程を有する。
【0032】
本発明に係る光学素子の製造法は、
上記に記載の磁性ガーネット単結晶膜の製造方法を用いて、前記磁性ガーネット単結晶膜を形成した後、
前記ベース基板およびバッファ層を除去し、前記磁性ガーネット単結晶膜から成る光学素子を形成する工程を有する。
本発明に係る光学素子は、この製造方法により得られる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図1(A)および図1(B)は本発明の一実施形態に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板の製造過程を示す概略断面図、図1(C)は磁性ガーネット単結晶膜形成用基板に単結晶膜を形成する過程を示す概略断面図、
図2は結晶成長を行うための装置の概略図、
図3は本発明の他の実施形態に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板と、これを用いて成長した単結晶膜を示す断面図である。
【0034】
第1実施形態
図1(B)に示すように、本実施形態における磁性ガーネット単結晶膜形成用基板2は、ベース基板10と、このベース基板10の結晶育成面に形成されたバッファ層11とを有する。
【0035】
ベース基板10は、酸化鉛フラックスに対して不安定な基板でも、安定な基板を用いても良い。ベース基板10としては、磁性ガーネット単結晶膜形成用基板として市販されいる基板を用いることもできる。
【0036】
バッファ層11は、本実施形態では、二層以上の多層膜で構成してあり、第1バッファ層30と第2バッファ層32とを有する。第1バッファ層30は、ベース基板10の少なくとも結晶育成面に形成され、ベース基板10に接する面における格子定数がベース基板10の格子定数と実質的に同一である。また、第2ベース基板32は、第1バッファ層30に直接または間接的に積層され、最表面における格子定数が磁性ガーネット単結晶膜12の格子定数と実質的に同一である。
【0037】
これらの第1バッファ層30および第2バッファ層32の間には、これらの中間の格子定数を有する一以上の中間バッファ層を積層させても良い。あるいは、バッファ層11は、多層膜で構成することなく、格子定数が膜厚方向に変化する格子定数傾斜層の単層膜により構成しても良い。すなわち、バッファ層11における格子定数を、膜厚方向に連続的に変化させても良い。
【0038】
この基板2におけるバッファ層11上に、図1(C)に示すように、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜12が液相エピタキシャル成長される。ベース基板10は、バッファ層11を介して磁性ガーネット単結晶膜12を成長させるために、単結晶膜12との格子整合性が良く、かつ線熱膨張係数が単結晶膜12のそれに近い特性を有していることが好ましいが、本発明では、特に限定されない。
【0039】
ベース基板10は、たとえば一般式M1M2M312で示される非磁性ガーネット系単結晶で構成してある。この一般式において、M1は、たとえばCa、Sr、CdおよびMnの中から選ばれる金属である。M1は、価数2+で安定に存在し、配位数8を取ることができ、この状態でのイオン半径が0.096〜0.126nmの範囲にあるものが好ましい。M2は、たとえばNb、TaおよびSbの中から選ばれる金属である。M2は、価数5+で安定に存在し、配位数6を取ることができ、この状態でのイオン半径が0.060〜0.064nmの範囲にあるものが好ましい。M3は、たとえばGa、Al、Fe、Ge、SiおよびVの中から選ばれる金属である。M3は、価数3+、4+または5+で安定に存在し、配位数4を取ることができ、この状態でのイオン半径が0.026〜0.049nmの範囲にあるものが好ましい。なお、これらのイオン半径は、シャノン(R.D.Shannon)により定められた有効イオン半径の値である。これらのM1、M2およびM3は、それぞれ単独の金属であってもよいし、また2種以上の金属の組み合せであってもよい。
【0040】
さらに、M1の金属は、価数および格子定数を調整するために、必要に応じ、50アトミック%未満の範囲内でその一部を、その組成においてCaまたはSrと置換可能な金属M4で置換しても良い。M4としては、たとえばCd、Mn、K、Na、Li、Pb、Ba、Mg、Fe、Co、希土類金属およびBiの中から選ばれた少なくとも1種、好ましくは配位数8を取り得るものであることが好ましい。
【0041】
また、M2は、M1の場合と同じように、50アトミック%未満の範囲で、その一部を、その組成において、Nb、TaまたはSbと置換可能な金属M5で置換しても良い。M5としては、たとえばZn、Mg、Mn、Ni、Cu、Cr、Co、Ga、Fe、Al、V、Sc、In、Ti、Zr、SiおよびSnの中から選ばれた少なくとも1種、好ましくは配位数6を取りうるものが例示される。
【0042】
このような組成の単結晶基板は、熱膨張係数が、成長されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の熱膨張係数に近似し、また、この単結晶との格子整合性が良好である。特に、前記の一般式において、xが2.98〜3.02、yが1.67〜1.72およびzが3.15〜3.21の範囲の数であるものが好適である。
【0043】
このような組成のベース基板10の熱膨張係数は、室温〜850℃において、1.02×10−5/℃〜1.07×10−5/℃程度であり、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜における同じ温度範囲の線熱膨張係数1.09×10−5/℃〜1.16×10−5/℃に非常に近似している。
【0044】
また、このベース基板10の厚さについては特に制限はないが、膜厚が200μm以上の厚膜のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を成膜する場合には、成膜時における基板および単結晶膜の割れや反りなどの発生が抑制され、品質の良好な単結晶膜が得られる点で、厚さ2mm以下にするのが良い。ベース基板の厚さが1.5mmを超えると、厚さの増加に伴い、基板と単結晶膜の界面近傍でクラックの発生が増加する傾向がみられる。また、単結晶基板10の厚さがあまり薄すぎると機械的強度が小さくなり取扱い性が悪くなるので、厚さ0.1mm以上のものが好ましい。
【0045】
本発明の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板におけるベース基板10の製造方法については特に制限はなく、従来のGGG単結晶基板などの製造において慣用されている方法を採用することができる。
【0046】
たとえば、まず、前述の一般式におけるM1で示される金属、M2で示される金属、およびM3で示される金属の中から、それぞれ1種または2種以上選ばれた金属と、場合により用いられるM4で示される金属およびM5で示される金属の中から、それぞれ1種または2種以上選ばれた金属とを、それぞれ所定の割合で含有する均質な溶融混合物を調製する。次いで、この溶融混合物中に、たとえば長軸方向が<111>であるGGG種子結晶などを液面に対して垂直に浸漬し、ゆっくり回転させながら引き上げることにより、多結晶体を形成させる。
【0047】
この多結晶体にはクラックが多数存在するので、その中からクラックのない単結晶部分を選択し、結晶方位を確認したのち、種子結晶として、再度、上記溶融混合物中に、結晶方位<111>が液面に対して垂直になるように浸漬し、ゆっくり回転させながら引き上げることにより、クラックの存在しない単結晶を形成させる。次に、この単結晶を成長方向と垂直に所定の厚さに切断し、両面を鏡面研磨したのち、たとえば熱リン酸などでエッチング処理し、図1(A)に示すベース基板10が得られる。
【0048】
このようにして得られたベース基板10上に、本実施形態では、スパッタリング法、CVD法、パルスレーザ蒸着法、またはその他の薄膜成膜技術により、図1(B)に示すように、第1バッファ層30と第2バッファ層とを含むバッファ層11を成膜する。なお、ベース基板10の結晶育成面は、バッファ層11の形成前に研磨処理などにより平坦化することが好ましい。
【0049】
バッファ層11をスパッタリング法により成膜する場合には、チャンバの内部は、0.1〜10Pa、好ましくは0.5〜3Paに保たれ、ターゲットには、電源より、2〜10W/cm、さらに好ましくは3〜6W/cmの入力電力が印加される。この範囲に入力電力を制御することで、良質なバッファ層を形成することができる。
【0050】
また、チャンバの内部には、Arなどの不活性ガス中に、酸素(O)を35体積%以下、さらに好ましくは10〜30体積%で含ませたスパッタガスが導入される。酸素を全く含まないスパッタガス(雰囲気ガス)では、バッファ層11の結晶品質が悪くなる傾向にあり、酸素の量が多すぎると、異常放電などが発生し、良質なバッファ層11を得ることが困難になる傾向にある。
【0051】
スパッタリングに際して、ベース基板10は、加熱しても良いが、積極的に加熱しなくても良い。なお、ベース基板10を加熱しない場合でも、スパッタリング処理の影響で基板10の温度が、時間と共に上昇するが、結果として、基板10の温度は、室温から600°C未満、好ましくは室温〜300°C、特に好ましくは室温〜100°Cの温度に管理される。
【0052】
このようなスパッタリング処理によりベース基板10の上に形成されるバッファ層11のトータルでの厚みは、好ましくは1〜10000nm、さらに好ましくは5〜50nmの範囲にある。これらのバッファ層11の厚みが薄すぎると、本発明の効果が小さく、厚すぎると、コスト高になると共に、熱膨張係数の違いなどからエピタキシャル成長膜に対してクラックなどの悪影響を与える傾向にある。
【0053】
このように構成してある磁性ガーネット単結晶膜形成用基板2を用い、液相エピタキシャル成長法によって、図1(C)に示すように、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から成る磁性ガーネット単結晶膜12が形成される。
【0054】
この磁性ガーネット単結晶膜12を構成するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成は、たとえば、一般式Bi3−mFe5−n12(式中のRは、希土類金属の少なくとも1種、MはGa、Al、In、Sc、Si、Ti、GeおよびMgの中から選ばれた少なくとも1種の金属であり、mおよびnは、0<m<3.0、0≦n≦1.5の範囲である)で表わされる。
【0055】
この一般式において、Rで示される希土類金属としては、たとえばY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなどが挙げられ、これらは1種含まれていてもよいし、2種以上含まれていてもよい。
【0056】
この単結晶においては、Rで示される希土類金属の一部はビスマスで置換されており、このビスマスによる置換の割合はmで表わされ、このmの値は、0<m<3.0の範囲であるが、特に0.5〜1.5の範囲にある場合、単結晶の熱膨張係数と単結晶基板の線熱膨張係数とが極めて近似したものになるので、有利である。また、MはFeと置換可能な非磁性金属元素で、Ga、Al、In、Sc、Si、Ti、Ge、Mgであり、これらは1種含まれていてもよく、2種以上含まれていてもよい。この非磁性金属元素のFeとの置換の割合nは0〜1.5の範囲で選ばれる。
【0057】
液相エピタキシャル成長法により、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を形成させるには、たとえば、まず、(1)酸化ビスマスと、(2)少なくとも1種の希土類金属酸化物と、(3)酸化鉄と、(4)場合により用いられるGa、Al、In、Sc、Si、Ti、GeおよびMgの中から選ばれた少なくとも1種の金属の酸化物とを、それぞれ所定の割合で含有する均質な溶融混合物を調製する。析出用溶質としては、通常、主要構成成分として酸化鉛が用いられるが、酸化ビスマスなどのその他の析出用媒質であっても良い。また、所望に応じ、結晶成長向上剤として、酸化ホウ素などを含有させてもよい。
【0058】
次に、この溶融混合物(図2に示す坩堝20内の溶質フラックス22)中に、本発明の基板2を浸漬することにより、基板2におけるバッファ層11の表面に、溶融混合物から単結晶をエピタキシャル成長させて、磁性ガーネット単結晶膜12を成膜する。この際の溶融混合物の温度は、原料混合物の組成などにより異なるが、通常は600〜1000℃の範囲で選ばれる。また、基板2は、溶融混合物中に静置してエピタキシャル成長させてもよいし、図2に示す回転軸24により適当に回転させながらエピタキシャル成長させてもよい。基板2を回転させる場合、その回転数は10〜200rpm程度が有利である。また、成膜速度は、通常0.08〜0.8μm/分程度である。浸漬時間は、成膜速度および所望の膜厚などにより異なり、一概に定めることはできないが、通常は、10〜100時間程度である。
【0059】
エピタキシャル成長終了後、基板2を溶融混合物から引き上げ、付着している溶融混合物を十分に振り切ったのち、室温まで冷却する。次いで、希硝酸などの鉱酸水溶液中に浸漬して、形成した単結晶膜表面に付着している溶融混合物の固化物を取り除いたのち、水洗、乾燥する。このようにして、基板2上に形成されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶から成る磁性ガーネット単結晶膜12の厚さは、通常100〜1000μmの範囲である。また、その熱膨張係数は、室温〜850℃において、1.0×10−5/℃〜1.2×10−5/℃程度である。
【0060】
このようにして、基板2上に形成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の結晶構造および組成は、それぞれX線回折および蛍光X線による組成分析などにより同定することができる。また、この単結晶膜12の性能は、単結晶膜12から基板2(ベース基板10+バッファ層11)を研磨加工などで除去し、その後、単結晶膜12の両面を研磨加工処理したのち、その両面に無反射膜を設け、ファラデー回転係数、透過損失および温度特性などを求めることにより、評価することができる。
【0061】
第2実施形態
図3に示すように、本実施形態では、ベース基板10の底面(結晶育成面)10aのみでなく、その側面10bの全周にも、バッファ層11を連続して形成する。その他の構成および作用は、第1実施形態と同様なので、その詳細な説明は省略する。
【0062】
本実施形態では、バッファ層11は、ベース基板10の底面10aに形成される底面バッファ層11aと、ベース基板10の側面10bに形成される側面バッファ層(側面保護膜)11bとから構成される。
【0063】
本実施形態では、バッファ層11は、ベース基板10の底面10aのみでなく、ベース基板10の側面10bにも形成する。そのため、本実施形態では、ベース基板10の底面10aのみならず、側面10bも研磨し、側面10bにもバッファ層11が形成される条件で成膜を行う。たとえばスパッタリング法を採用する場合には、成膜圧力を0.1〜10Pa、好ましくは1〜3Paにすることで、ベース基板10の底面10aのみならず、側面10bにも側面保護膜11bが形成される。あるいはMOCVD法を採用すれば、一般的な成膜条件で、ベース基板10の底面10aのみならず、側面10bにも側面バッファ層11bが形成される。
【0064】
本実施形態では、ベース基板10の底面10aに形成される底面バッファ層11aの材質と、ベース基板10の側面10bに形成される側面バッファ層11bの材質とは、異なっていても良いが、同じでも良い。ただし、これらのバッファ層11aおよび11bは、同時に形成することが好ましい。その方が、バッファ層11の形成工程を削減することができる。
【0065】
なお、側面バッファ層11bは、底面バッファ層11aに比較して、その膜質が悪くても良い。側面バッファ層11bの表面に形成されることになる側面育成膜12bは、後工程により除去されても良い部分だからである。たとえば、底面バッファ層10aのみは、第1実施形態に示すスパッタリング法により成膜し、側面バッファ層11bは、ゾルゲル法などの化学溶液法を採用して形成しても良い。または、筆やスプレーなどを用いて、側面バッファ層(側面保護膜)11bの形成のための溶液を塗布しても良い。
【0066】
この実施形態では、底面バッファ層11aの厚みと、側面バッファ層11bの厚みとは、同じでも異なっていても良い。ただし、これらのバッファ層11aおよび11bの厚みは、好ましくは1〜10000nm、さらに好ましくは5〜50nmの範囲にある。これらのバッファ層11aおよび11bの厚みが薄すぎると、本発明の効果が小さく、厚すぎると、コスト高になると共に、熱膨張係数の違いなどからエピタキシャル成長膜に対してクラックなどの悪影響を与える傾向にある。
【0067】
このように構成してある磁性ガーネット単結晶膜形成用基板2を用い、液相エピタキシャル成長法によって、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から成る磁性ガーネット単結晶膜12が形成される。本実施形態では、磁性ガーネット単結晶膜形成用基板2の底面に単結晶膜が形成されるのみでなく、側面にも、側面育成膜(単結晶膜であるとは限らない)12bが形成される。ただし、基板2の側面に形成される側面育成膜12bは、底面に形成される底面単結晶膜12aよりも一般的に膜質が悪く、後で除去される。
【0068】
本実施形態において、単結晶膜12を光学素子として用いる場合には、基板2の側面に形成された側面育成膜12bは研磨加工などにより除去し、基板2の底面に形成された単結晶膜12aのみで光学素子を形成することが好ましい。
【0069】
特に本実施形態では、バッファ層11が、ベース基板10における結晶育成面の他に、結晶育成面と交差するベース基板の側面にも形成してあるので、ベース基板10の側面がフラックスと反応せず、磁性ガーネット単結晶膜12の品質が向上し、製造歩留まりも向上する。
【0070】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば、図3に示す実施形態では、ベース基板10の底面10aおよび側面10bにのみバッファ層11を形成したが、本発明では、ベース基板10の上面10cを含めて、ベース基板10の全周面にバッファ層11を形成しても良い。
【0071】
【実施例】
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
【0072】
実施例1
溶融液の組成がCaNb1.7Ga3.212となるように、CaCO、NbおよびGaを秤量して、大気中1350°Cで焼成し、ガーネット単相を確認した後、イリジウムルツボ中に仕込み、窒素ガス98容量%と酸素ガス2容量%との混合ガス雰囲気中で、高周波誘導により約1450℃に加熱して溶融させた。その後、この溶融液に長軸方向が<111>である5mm角柱状の上記組成の種子結晶を液面に対し垂直に浸漬し、これを20rpmの回転下に3mm/時の速度で引き上げたところ、全体にクラックの全く存在しない透明な単結晶が得られた。
【0073】
次に、この結晶の上部と下部から各約1gの試料を切出し、蛍光X線分析装置で各成分金属元素について定量分析を行ったところ、結晶上部および結晶下部共に、CaNb1.7Ga3.212(CNGG)の組成を有することが確認された。
【0074】
得られた単結晶を、成長方向と垂直に所定の厚さに切断し、両面を鏡面研磨したのち、熱リン酸でエッチング処理して、CNGG単結晶基板(ベース基板10)を作製した。この単結晶基板の室温〜850℃における熱膨張係数(α)は1.07×10−5/℃であった。このCNGG単結晶基板の厚みは、0.6mmであった。
【0075】
このCNGG単結晶基板の結晶育成面に、パルスレーザ蒸着法で、Gd2.2Yb1.7Ga4.112の第1バッファ層30を形成した。具体的には、Gd2.2Yb1.7Ga4.112の単結晶ターゲットにKrFエキシマレーザを照射レーザ密度2.0J/cmで照射し、基板温度600℃に保持されたCNGG基板の底面に、酸素分圧1Pa、照射時間5分の条件で、膜厚が約20nmのGd2.2Yb1.7Ga4.112の薄膜を形成した。このGd2. Yb1.7Ga4.112薄膜の蛍光X線分析を行ったところ、ターゲットと同組成であることが確認された。
【0076】
次に、このGd2.2Yb1.7Ga4.112薄膜から成る第1バッファ層の表面に、Gd2.4Yb1.7Ga3.912の単結晶ターゲットを用いて、前記と同様にして、膜厚が約20nmのGd2.4Yb1.7Ga3.912から成る第2バッファ層を形成した。第1バッファ層と第2バッファ層とから成るバッファ層のトータルでの膜厚は、約40nmであった。
【0077】
このようにして得られたバッファ層付きCNGG基板(基板2)を用いて、液相エピタキシャル成長法により、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を形成した。具体的には、白金製ルツボに、Hoを2.155g、Gdを5.501g、Biを830.0g入れ、約1000℃で溶融し、かきまぜて均質化したのち、120℃/hrの速度で降温して、805℃の過飽和状態を保持した。次いで、この溶融液中に、上述の方法で得られた基板2を浸漬し、100rpmで基板を回転させながら、単結晶膜を40時間液相エピタキシャル成長させ、基板2の底面(結晶育成面)に膜厚約350μmのビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜12を形成させた。
【0078】
この基板2の底面に形成された単結晶膜12の組成を、蛍光X線法により分析したところ、Bi1.8Gd0.9Ho0.3Fe5.012であることが確認できた。また、得られた単結晶膜のX線ロッキングカーブ半価値は0.02度であり、高品質な単結晶膜であることが確認された。
【0079】
これらの結果から、表面が平滑で緻密な良質の、ほぼ化学量論組成のBi1.8Gd0.9Ho0.3Fe5.012単結晶膜を、クラックや剥離などを発生させることなくエピタキシャル成長させることができることが確認できた。
【0080】
また、この単結晶膜の格子定数と、Gd2.4Yb1.7Ga3.912から成る第2バッファ層の格子定数とを調べたところ、双方共に、1.26nmであり、格子定数のミスマッチはほぼ0%であった。また、Gd2.2Yb1.7Ga4.112薄膜から成る第1バッファ層の格子定数と、CNGGから成るベース基板の格子定数とを調べたところ、双方共に、1.25nmであり、格子定数のミスマッチはほぼ0%であった。なお、格子定数の測定は、X線回折法により行った。
【0081】
また、この単結晶膜12から、基板2(ベース基板10とバッファ層11)を研磨加工により除去し、単結晶膜12の両面を研磨加工し、その両面にSiOまたはTaから成る無反射膜を付けて、波長1.55μmのファラデー回転角、ファラデー回転角45degでの透過損失および温度特性を評価したところ、ファラデー回転係数は0.180deg/μm、透過損失は0.03dB、温度特性は−0.067deg/℃であった。いずれも、光アイソレータの光学特性として満足できるレベルであった。
【0082】
なお、ファラデー回転角は波長1.55μmの偏光したレーザー光を単結晶膜に入射させ、出射した光の偏光面の角度を測定し求めた。透過損失は単結晶膜を透過した波長1.55μmのレーザー光強度と単結晶膜のない状態の光強度の差より求めた。温度特性は試料の温度を−40℃から85℃まで変化させて回転角を測定し、その測定値より算出した。
【0083】
さらに、この単結晶膜の室温〜850℃における熱膨張係数(α)は、1.10×10−5/℃であった。ベース基板と単結晶膜との熱膨張係数の差異は、0.03×10−5/℃であった。また、得られた単結晶膜にはクラックの発生は認められなかった。
【0084】
比較例1
実施例1と同様な手法で、CNGG単結晶基板を作製し、その上にバッファ層を全く形成することなく、実施例1と同様な液相エピタキシャル成長法により、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を形成した。
【0085】
実験後の基板の表面がかなりエッチングされていることが確認された。また、蛍光X線分析により、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が形成されていないことが分かった。
【0086】
以上述べた実施形態および実施例は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。
【0087】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などが発生しない厚膜状の磁性ガーネット単結晶膜を、高品質で歩留まり良く、液相エピタキシャル成長により安定して、低コストで形成することができる磁性ガーネット単結晶膜形成用基板、光学素子およびその製造方法を提供することができる。
【0088】
また、本発明によれば、市販の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板に本発明のバッファ層を形成することで、結晶欠陥や反り、割れ、剥離などが発生しない厚膜状の磁性ガーネット単結晶膜を、高品質で歩留まり良く、液相エピタキシャル成長により安定して、低コストで形成することができる。
【0089】
さらに本発明では、ファラデー回転子などの光学素子に用いられるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜におけるビスマス置換量を大きくして光学特性を向上させる場合にも、本発明は容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(A)および図1(B)は本発明の一実施形態に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板の製造過程を示す概略断面図、図1(C)は磁性ガーネット単結晶膜形成用基板に単結晶膜を形成する過程を示す概略断面図である。
【図2】図2は結晶成長を行うための装置の概略図である。
【図3】図3は本発明の他の実施形態に係る磁性ガーネット単結晶膜形成用基板と、これを用いて成長した単結晶膜を示す断面図である。
【符号の説明】
2… 磁性ガーネット単結晶膜形成用基板
10… ベース基板
10a… 底面(結晶育成面)
10b… 側面
10c… 上面
11… バッファ層
11a… 底面バッファ層
11b… 側面バッファ層(側面保護膜)
12… 単結晶膜
12a… 底面単結晶膜
12b… 側面育成膜
30… 第1バッファ層
32… 第2バッファ層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention uses a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film for liquid phase epitaxial growth of a magnetic garnet single crystal film such as a bismuth-substituted rare earth iron garnet (Bi-RIG) single crystal, a method for manufacturing the same, and this manufacturing method. The present invention relates to a substrate manufactured by the above method, a method of manufacturing a single crystal film for performing crystal growth using the substrate, and a single crystal film and an optical element manufactured by the method.
[0002]
[Prior art]
As a material of an optical element such as a Faraday rotator used for an optical isolator, an optical circulator, an optical magnetic field sensor, or the like, generally, a material obtained by epitaxially growing a magnetic garnet single crystal film on a single crystal substrate is used. As a magnetic garnet single crystal film grown on a substrate, a large Faraday rotation coefficient is desired so as to obtain a required Faraday effect. In addition, in order to form a high-quality single crystal film by epitaxial growth, it is necessary that the difference in lattice constant between the substrate single crystal and the growing single crystal film be as small as possible in the temperature range from the film formation temperature to room temperature. Required.
[0003]
It is known that the Faraday rotation coefficient of a magnetic garnet single crystal film is significantly increased by replacing a part of the rare earth component with bismuth. An increase in the amount of bismuth substitution causes an increase in the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film at the same time. Therefore, a larger lattice constant is also required for the substrate material used for film formation, for example, by adding Ca, Zr, Mg, or the like. Gadolinium gallium garnet (GGG) with a large lattice constant is used as a single crystal substrate material (see Patent Document 1).
[0004]
However, when attempting to grow a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal into a thick film (for example, a film thickness of 200 μm or more) on the GGG single crystal substrate to which Ca, Zr, Mg, etc. are added, during the film formation, The substrate or the single crystal film after film formation tends to be warped or cracked, which lowers the production yield during film formation and processing.
[0005]
In order to solve this problem, the present inventors have set a coefficient of thermal expansion in a plane perpendicular to the crystal orientation <111> extremely close to that of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal in a temperature range from room temperature to 850 ° C. A garnet single crystal substrate having a specific composition is proposed (see Patent Document 2). By using this single crystal substrate, it is possible to form a thick bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having no crystal defects, warpage, or cracks by liquid phase epitaxial growth.
[0006]
However, the garnet single crystal substrate having this specific composition is unstable with respect to the lead oxide flux used as a deposition solvent when liquid-phase epitaxial growth of a bismuth-substituted rare earth iron garnet (Bi-RIG) single crystal film is performed. The present inventors have found that the yield of obtaining a simple bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal is poor. In particular, it has been found that this tendency is large in a substrate composition containing Nb or Ta.
[0007]
Therefore, the present inventors have developed a substrate in which a buffer layer made of a garnet-based single crystal thin film that is stable against flux is formed on the substrate growing surface of a base substrate made of a garnet-based single crystal that is unstable to flux. And filed earlier (see Patent Document 3).
[0008]
[Patent Document 1] Japanese Patent Publication No. 60-4583 [Patent Document 2] JP-A-10-139596 [Patent Document 3] PCT / JP02 / 06223
[Problems to be solved by the invention]
However, the previously proposed invention presupposes a base substrate having a special composition, and cannot use a magnetic garnet single crystal film forming substrate that is currently commercialized. Currently, there are only a few types of commercialized substrates, among which the maximum value of the lattice constant is 1.25 nm, which is the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film when bismuth is maximally substituted. There is about 1.5% mismatch compared to 27 nm.
[0009]
In addition, since the buffer layer in the invention proposed earlier is a single layer of the same material, when the lattice constant of the buffer layer is adjusted to the base substrate, the buffer layer deviates from the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film to be subjected to liquid phase epitaxial growth. (Mismatch) occurs. When a mismatch in lattice constant occurs, distortion or the like occurs in the magnetic garnet single crystal film, which may cause a defect. Conversely, if the lattice constant of the buffer layer is matched to the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film to be subjected to liquid phase epitaxial growth, a lattice constant mismatch occurs between the buffer layer and the base substrate. It is difficult to form without peeling off.
[0010]
The present invention has been made in view of such a situation, and its object is to produce a thick magnetic garnet single crystal film in which crystal defects, warpage, cracking, peeling, etc. do not occur, with high quality and good yield, by liquid phase epitaxial growth. An object of the present invention is to provide a magnetic garnet single crystal film forming substrate, an optical element, and a method for manufacturing the same, which can be formed stably and at low cost. Another object of the present invention is to form a thick magnetic garnet which does not cause crystal defects, warpage, cracking, peeling, etc. by forming the buffer layer of the present invention on a commercially available substrate for forming a magnetic garnet single crystal film. It is an object of the present invention to form a single crystal film with high quality, high yield, stable liquid crystal epitaxial growth, and low cost.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the magnetic garnet single crystal film forming substrate according to the present invention,
A magnetic garnet single crystal film forming substrate for liquid phase epitaxial growth of a magnetic garnet single crystal film,
A base substrate having a different lattice constant from the magnetic garnet single crystal film;
The lattice constant formed on at least the crystal growth surface of the base substrate and in contact with the base substrate is substantially the same as the lattice constant of the base substrate, and the lattice constant on the outermost surface is the lattice of the magnetic garnet single crystal film. A buffer layer substantially identical to the constant.
[0012]
The method for manufacturing a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to the present invention includes:
Forming a base substrate;
At least a crystal growth surface of the base substrate, a lattice constant on a surface in contact with the base substrate is substantially the same as a lattice constant of the base substrate, and a lattice constant on the outermost surface is a lattice constant of the magnetic garnet single crystal film. Forming a substantially identical buffer layer.
[0013]
In the present invention, the term “substantially the same” means that the difference in lattice constant is within a range of ± 0.0002 nm.
[0014]
According to the present invention, the buffer layer having the outermost surface whose lattice constant is substantially the same as that of the magnetic garnet single crystal to be formed by liquid phase epitaxial growth is formed on at least the crystal growth surface of the base substrate. For this reason, there is no problem such as a mismatch of the lattice constant between the magnetic garnet single crystal film formed on the buffer layer and the surface of the buffer layer, and liquid phase epitaxial growth can be performed stably. Can be improved.
[0015]
For this reason, in the present invention, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film used for an optical element such as a Faraday rotator is suppressed in the occurrence of crystal defects, warpage, cracking, peeling, and the like, with high quality and high production yield. Liquid phase epitaxial growth can be performed. That is, according to the present invention, a magnetic garnet single crystal film having a relatively large thickness (for example, 200 μm or more) and a large area (for example, 3 inches or more in diameter) can be obtained by liquid phase epitaxial growth.
[0016]
Further, the present invention can easily cope with a case where the bismuth-substituted rare-earth iron garnet single crystal film used in an optical element such as a Faraday rotator has a large bismuth substitution amount to improve optical characteristics. For example, if the bismuth substitution amount in the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is increased, its lattice constant also increases. In the present invention, a commercially available single crystal substrate is used as a base substrate, and the buffer layer of the present invention is formed on the surface of the base substrate. Can be adjusted to As a result, the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film can be subjected to liquid phase epitaxial growth with high quality and high production yield while suppressing the occurrence of crystal defects, warpage, cracking, and peeling.
[0017]
The lattice constant of the buffer layer may be changed continuously in the film thickness direction or may be changed stepwise. When changing stepwise, the buffer layer may be composed of a multilayer film. The method of forming the buffer layer with a multilayer film is relatively easy to manufacture.
[0018]
Preferably, the buffer layer is
A first buffer layer formed at least on a crystal growth surface of the base substrate and having a lattice constant substantially equal to a lattice constant of the base substrate on a surface in contact with the base substrate;
A second buffer layer laminated directly or indirectly to the first buffer layer and having a lattice constant at the outermost surface substantially equal to a lattice constant of the magnetic garnet single crystal film.
[0019]
Between the first buffer layer and the second buffer layer, one or more intermediate buffer layers having an intermediate lattice constant between them may be laminated.
[0020]
Alternatively, the buffer layer is
It may have a lattice constant gradient layer whose lattice constant changes in the film thickness direction. That is, the lattice constant of the buffer layer may be continuously changed in the thickness direction.
[0021]
Preferably, the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film is in the range of 1.2 to 1.3 nm. A magnetic garnet single crystal film having a large lattice constant generally has excellent optical characteristics.
[0022]
Preferably, the magnetic garnet single crystal film is a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film. This bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film can be suitably used as an optical element such as a Faraday rotator.
[0023]
Preferably, the buffer layer includes a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and a lattice constant of the buffer layer is controlled by a content of bismuth in the buffer layer. In a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, the lattice constant can be controlled by controlling the bismuth content.
[0024]
Preferably, the base substrate contains Nb or Ta. By including Nb or Ta in the base substrate, it is easy to make the thermal expansion coefficient and / or the lattice constant of the base substrate substantially equal to the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film. However, when Nb or Ta is included in the base substrate, the stability to the flux tends to deteriorate.
[0025]
In the present invention, the base substrate may be composed of a magnetic garnet single crystal film that is stable to the flux used for the liquid phase epitaxial growth, or may be composed of an unstable garnet-based single crystal. .
[0026]
The flux is not particularly limited, but is, for example, a flux containing lead oxide and / or bismuth oxide. In the present invention, “unstable with respect to flux” means that the solute component in the flux starts crystallization with the target (base substrate or buffer layer) as a nucleus, that is, the target is in a so-called supersaturated state. This means that at least a part of the constituent material is eluted with respect to the flux and / or that at least a part of the flux component is diffused into the target, thereby inhibiting the liquid phase epitaxial growth of the single crystal film. Further, “stable to flux” means the opposite phenomenon of “unstable to flux”.
[0027]
In the present invention, a magnetic garnet single crystal to be formed by liquid phase epitaxial growth, for example, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal, a garnet single crystal substrate of a specific composition having a very close thermal expansion coefficient is selected, and the substrate is flux , Liquid-phase epitaxial growth can be performed stably. This is because a buffer layer is formed on the base substrate.
[0028]
Preferably, the thickness of the buffer layer is 1 to 10000 nm, more preferably 5 to 50 nm, and the thickness of the base substrate is 0.1 to 5 mm, more preferably 0.2 to 2.0 mm. If the thickness of the buffer layer is too small, the effect of the present invention is small, and if the thickness is too large, the cost increases and the epitaxial growth film tends to have an adverse effect such as a crack due to a difference in thermal expansion coefficient. If the thickness of the base substrate is too small, the mechanical strength tends to be insufficient and handling workability tends to be poor. If the thickness is too large, cracks and the like tend to increase.
[0029]
Preferably, the base substrate has a thermal expansion coefficient substantially equal to a thermal expansion coefficient of the magnetic garnet single crystal film. Preferably, in a temperature range of 0 ° C. to 1000 ° C., a coefficient of thermal expansion of the base substrate is in a range of ± 2 × 10 −6 / ° C. or less with respect to a coefficient of thermal expansion of the magnetic garnet single crystal film. It is in.
[0030]
By making the coefficient of thermal expansion of the base substrate substantially equal to the coefficient of thermal expansion of the magnetic garnet single crystal film, the film after epitaxial growth may be separated from the substrate, cracked or chipped (hereinafter also referred to as “crack”). Quality can be effectively prevented. This is because when a magnetic garnet single crystal film is formed by epitaxial growth, the temperature rises to near 1000 ° C. and then returns to room temperature. If the thermal expansion coefficient is different, cracks and the like are likely to occur in the epitaxially grown film. Because it becomes.
[0031]
The method for producing a magnetic garnet single crystal film according to the present invention uses a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of the above, and forms a magnetic garnet by liquid phase epitaxy on at least the crystal growth surface of the buffer layer. A step of growing a single crystal film.
[0032]
The method for producing an optical element according to the present invention includes:
After forming the magnetic garnet single crystal film using the method for manufacturing a magnetic garnet single crystal film described above,
Removing the base substrate and the buffer layer to form an optical element made of the magnetic garnet single crystal film.
The optical element according to the present invention is obtained by this manufacturing method.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
1 (A) and 1 (B) are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to one embodiment of the present invention, and FIG. Schematic sectional view showing a process of forming a single crystal film on a substrate,
FIG. 2 is a schematic diagram of an apparatus for performing crystal growth,
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a magnetic garnet single crystal film forming substrate according to another embodiment of the present invention and a single crystal film grown using the same.
[0034]
First Embodiment As shown in FIG. 1B, a magnetic garnet single crystal film forming substrate 2 in this embodiment is formed on a base substrate 10 and a crystal growth surface of the base substrate 10. And a buffer layer 11.
[0035]
The base substrate 10 may be a substrate that is unstable with respect to the lead oxide flux or a stable substrate. As the base substrate 10, a substrate commercially available as a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film can also be used.
[0036]
In the present embodiment, the buffer layer 11 is formed of a multilayer film having two or more layers, and has a first buffer layer 30 and a second buffer layer 32. The first buffer layer 30 is formed at least on the crystal growth surface of the base substrate 10, and has a lattice constant substantially the same as the lattice constant of the base substrate 10 in a surface in contact with the base substrate 10. The second base substrate 32 is laminated directly or indirectly on the first buffer layer 30, and the lattice constant at the outermost surface is substantially the same as the lattice constant of the magnetic garnet single crystal film 12.
[0037]
Between the first buffer layer 30 and the second buffer layer 32, one or more intermediate buffer layers having an intermediate lattice constant may be laminated. Alternatively, the buffer layer 11 may be formed of a single-layer film of a lattice constant gradient layer in which the lattice constant changes in the film thickness direction, without being formed of a multilayer film. That is, the lattice constant of the buffer layer 11 may be continuously changed in the thickness direction.
[0038]
On the buffer layer 11 of the substrate 2, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film 12 is liquid-phase epitaxially grown as shown in FIG. Since the base substrate 10 grows the magnetic garnet single crystal film 12 via the buffer layer 11, the base substrate 10 has good lattice matching with the single crystal film 12 and has a coefficient of linear thermal expansion close to that of the single crystal film 12. Although it is preferable to have, it is not particularly limited in the present invention.
[0039]
Base substrate 10 are constituted for example the general formula M1 x M2 y M3 z O 12 nonmagnetic garnet single crystal represented by. In this general formula, M1 is a metal selected from, for example, Ca, Sr, Cd and Mn. M1 is stably present with a valence of 2+, can take a coordination number of 8, and preferably has an ionic radius in the range of 0.096 to 0.126 nm in this state. M2 is a metal selected from Nb, Ta and Sb, for example. M2 is stably present with a valence of 5+, can take a coordination number of 6, and preferably has an ionic radius in the range of 0.060 to 0.064 nm in this state. M3 is a metal selected from, for example, Ga, Al, Fe, Ge, Si and V. M3 is stably present with a valence of 3+, 4+ or 5+, can take a coordination number of 4, and preferably has an ionic radius in this range of 0.026 to 0.049 nm. Note that these ionic radii are values of effective ionic radii defined by Shannon (RD Shannon). These M1, M2 and M3 may each be a single metal or a combination of two or more metals.
[0040]
Further, in order to adjust the valence and lattice constant, a part of the metal of M1 is substituted with a metal M4 which can be replaced with Ca or Sr in its composition, if necessary, within a range of less than 50 atomic%. May be. M4 may be, for example, at least one selected from Cd, Mn, K, Na, Li, Pb, Ba, Mg, Fe, Co, a rare earth metal and Bi, preferably having a coordination number of 8. Preferably, there is.
[0041]
In the same manner as in the case of M1, M2 may be partially replaced with a metal M5 which can be replaced with Nb, Ta or Sb in a range of less than 50 atomic%. As M5, for example, at least one selected from Zn, Mg, Mn, Ni, Cu, Cr, Co, Ga, Fe, Al, V, Sc, In, Ti, Zr, Si and Sn, preferably The thing which can take the coordination number 6 is illustrated.
[0042]
The single crystal substrate having such a composition has a thermal expansion coefficient close to that of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal to be grown, and has good lattice matching with the single crystal. In particular, in the above general formula, it is preferable that x is a number in the range of 2.98 to 3.02, y is 1.67 to 1.72, and z is a number in the range of 3.15 to 3.21.
[0043]
Thermal expansion coefficient of the base substrate 10 having such a composition is at room temperature to 850 ° C., a 1.02 × 10 -5 /℃~1.07×10 -5 / ℃ about, bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal We are very close to the same linear thermal expansion coefficient of the temperature range 1.09 × 10 -5 /℃~1.16×10 -5 / ℃ in the membrane.
[0044]
The thickness of the base substrate 10 is not particularly limited. However, when forming a thick bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having a thickness of 200 μm or more, the substrate and the single crystal The thickness is preferably 2 mm or less from the viewpoint that generation of cracks and warpage of the film is suppressed and a single crystal film of good quality is obtained. If the thickness of the base substrate exceeds 1.5 mm, the occurrence of cracks near the interface between the substrate and the single crystal film tends to increase as the thickness increases. Further, if the thickness of the single crystal substrate 10 is too small, the mechanical strength is reduced and the handling property is deteriorated. Therefore, a substrate having a thickness of 0.1 mm or more is preferable.
[0045]
The method of manufacturing the base substrate 10 in the magnetic garnet single crystal film forming substrate of the present invention is not particularly limited, and a method commonly used in manufacturing a conventional GGG single crystal substrate or the like can be employed.
[0046]
For example, first, one or two or more metals selected from among the metal represented by M1, the metal represented by M2, and the metal represented by M3 in the above-described general formula, and M4 used in some cases. A homogeneous molten mixture containing one or more metals selected from the metals shown and M5 is prepared at a predetermined ratio. Next, in this molten mixture, for example, a GGG seed crystal whose major axis direction is <111> is immersed perpendicularly to the liquid surface, and pulled up while slowly rotating to form a polycrystal.
[0047]
Since there are many cracks in this polycrystal, a single crystal portion without cracks is selected from the cracks, and after confirming the crystal orientation, the crystal orientation <111> is again used as a seed crystal in the molten mixture. Is immersed so as to be perpendicular to the liquid surface, and pulled up while rotating slowly to form a single crystal free of cracks. Next, this single crystal is cut to a predetermined thickness perpendicular to the growth direction, and both surfaces are mirror-polished, and then, for example, are etched with hot phosphoric acid or the like to obtain a base substrate 10 shown in FIG. .
[0048]
In this embodiment, as shown in FIG. 1B, the first substrate is formed on the base substrate 10 obtained in this manner by a sputtering method, a CVD method, a pulse laser deposition method, or another thin film deposition technique. The buffer layer 11 including the buffer layer 30 and the second buffer layer is formed. Note that the crystal growth surface of the base substrate 10 is preferably planarized by a polishing process or the like before the formation of the buffer layer 11.
[0049]
When the buffer layer 11 is formed by a sputtering method, the inside of the chamber is kept at 0.1 to 10 Pa, preferably 0.5 to 3 Pa, and the target is supplied with a power source at 2 to 10 W / cm 2 . More preferably, an input power of 3 to 6 W / cm 2 is applied. By controlling the input power in this range, a good quality buffer layer can be formed.
[0050]
In addition, a sputtering gas in which oxygen (O 2 ) is contained in an inert gas such as Ar at 35% by volume or less, more preferably 10 to 30% by volume, is introduced into the chamber. With a sputtering gas (atmosphere gas) containing no oxygen, the crystal quality of the buffer layer 11 tends to be deteriorated. If the amount of oxygen is too large, abnormal discharge or the like occurs, and a good quality buffer layer 11 can be obtained. It tends to be difficult.
[0051]
During sputtering, the base substrate 10 may be heated, but need not be heated positively. Note that, even when the base substrate 10 is not heated, the temperature of the substrate 10 rises with time due to the effect of the sputtering process. As a result, the temperature of the substrate 10 is lower than room temperature to less than 600 ° C, preferably, room temperature to 300 ° C. C, particularly preferably from room temperature to 100 ° C.
[0052]
The total thickness of the buffer layer 11 formed on the base substrate 10 by such a sputtering process is preferably in the range of 1 to 10000 nm, more preferably 5 to 50 nm. If the thickness of the buffer layer 11 is too small, the effect of the present invention is small. If the thickness is too large, the cost increases, and the epitaxial growth film tends to have an adverse effect such as a crack due to a difference in thermal expansion coefficient. .
[0053]
As shown in FIG. 1C, a magnetic garnet single crystal film made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is formed by a liquid phase epitaxial growth method using the substrate 2 for forming a magnetic garnet single crystal film formed as described above. 12 are formed.
[0054]
The composition of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film constituting the magnetic garnet single crystal film 12, for example, the general formula Bi m R 3-m Fe 5 -n M n O 12 ( in the formula R is a rare earth metal At least one kind, M is at least one kind of metal selected from Ga, Al, In, Sc, Si, Ti, Ge and Mg, and m and n are 0 <m <3.0, 0 ≦ n ≦ 1.5).
[0055]
In this general formula, examples of the rare earth metal represented by R include Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu and the like. Species may be contained, or two or more kinds may be contained.
[0056]
In this single crystal, a part of the rare earth metal represented by R is substituted with bismuth, and the ratio of the substitution with bismuth is represented by m, and the value of m is 0 <m <3.0. Although it is in the range, especially in the range of 0.5 to 1.5, the coefficient of thermal expansion of the single crystal and the coefficient of linear thermal expansion of the single crystal substrate are very similar, which is advantageous. M is a nonmagnetic metal element that can be substituted for Fe, and is Ga, Al, In, Sc, Si, Ti, Ge, or Mg. These may be contained alone or in combination of two or more. You may. The substitution ratio n of the nonmagnetic metal element with Fe is selected in the range of 0 to 1.5.
[0057]
In order to form a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film by liquid phase epitaxial growth, for example, first, (1) bismuth oxide, (2) at least one rare earth metal oxide, and (3) iron oxide , (4) a homogeneous melt containing at least one oxide of at least one metal selected from Ga, Al, In, Sc, Si, Ti, Ge and Mg, which is optionally used, Prepare a mixture. As a solute for deposition, lead oxide is usually used as a main component, but other deposition media such as bismuth oxide may be used. If desired, boron oxide or the like may be contained as a crystal growth improver.
[0058]
Next, by dipping the substrate 2 of the present invention in the molten mixture (the solute flux 22 in the crucible 20 shown in FIG. 2), a single crystal is epitaxially grown from the molten mixture on the surface of the buffer layer 11 in the substrate 2. Thus, the magnetic garnet single crystal film 12 is formed. The temperature of the molten mixture at this time varies depending on the composition of the raw material mixture and the like, but is usually selected in the range of 600 to 1000 ° C. The substrate 2 may be allowed to stand still in the molten mixture for epitaxial growth, or may be epitaxially grown while being appropriately rotated by the rotation shaft 24 shown in FIG. When rotating the substrate 2, the number of rotations is advantageously about 10 to 200 rpm. The film forming speed is usually about 0.08 to 0.8 μm / min. The immersion time varies depending on the film-forming speed, desired film thickness, and the like, and cannot be unconditionally determined, but is usually about 10 to 100 hours.
[0059]
After the completion of the epitaxial growth, the substrate 2 is pulled out of the molten mixture, the attached molten mixture is sufficiently shaken off, and then cooled to room temperature. Next, the substrate is immersed in an aqueous solution of a mineral acid such as dilute nitric acid to remove a solidified melt mixture adhering to the surface of the formed single crystal film, and then washed with water and dried. Thus, the thickness of the magnetic garnet single crystal film 12 formed of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal formed on the substrate 2 is usually in the range of 100 to 1000 μm. Further, its thermal expansion coefficient, at room temperature to 850 ° C., is 1.0 × 10 -5 /℃~1.2×10 -5 / ℃ about.
[0060]
Thus, the crystal structure and composition of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film formed on the substrate 2 can be identified by X-ray diffraction and composition analysis using fluorescent X-ray, respectively. The performance of the single crystal film 12 is such that the substrate 2 (base substrate 10 + buffer layer 11) is removed from the single crystal film 12 by polishing, and thereafter, both surfaces of the single crystal film 12 are polished. The evaluation can be performed by providing a non-reflective film on both surfaces and obtaining a Faraday rotation coefficient, a transmission loss, a temperature characteristic, and the like.
[0061]
Second Embodiment As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the buffer layer 11 is continuously formed not only on the bottom surface (crystal growth surface) 10a of the base substrate 10 but also on the entire periphery of the side surface 10b. Formed. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof will be omitted.
[0062]
In the present embodiment, the buffer layer 11 includes a bottom buffer layer 11 a formed on the bottom surface 10 a of the base substrate 10 and a side buffer layer (side protection film) 11 b formed on the side surface 10 b of the base substrate 10. .
[0063]
In the present embodiment, the buffer layer 11 is formed not only on the bottom surface 10 a of the base substrate 10 but also on the side surface 10 b of the base substrate 10. Therefore, in the present embodiment, not only the bottom surface 10a but also the side surface 10b of the base substrate 10 is polished, and the film is formed under the condition that the buffer layer 11 is formed on the side surface 10b. For example, when a sputtering method is adopted, the side surface protective film 11b is formed not only on the bottom surface 10a of the base substrate 10 but also on the side surface 10b by setting the film forming pressure to 0.1 to 10 Pa, preferably 1 to 3 Pa. Is done. Alternatively, if the MOCVD method is adopted, the side buffer layer 11b is formed not only on the bottom surface 10a of the base substrate 10 but also on the side surface 10b under general film forming conditions.
[0064]
In the present embodiment, the material of the bottom surface buffer layer 11a formed on the bottom surface 10a of the base substrate 10 and the material of the side surface buffer layer 11b formed on the side surface 10b of the base substrate 10 may be different, but are the same. But it's fine. However, it is preferable that these buffer layers 11a and 11b are formed simultaneously. This can reduce the number of steps for forming the buffer layer 11.
[0065]
The film quality of the side buffer layer 11b may be lower than that of the bottom buffer layer 11a. This is because the side growth film 12b to be formed on the surface of the side buffer layer 11b may be removed in a later step. For example, only the bottom buffer layer 10a may be formed by the sputtering method described in the first embodiment, and the side buffer layer 11b may be formed by employing a chemical solution method such as a sol-gel method. Alternatively, a solution for forming the side buffer layer (side protective film) 11b may be applied using a brush or a spray.
[0066]
In this embodiment, the thickness of the bottom buffer layer 11a and the thickness of the side buffer layer 11b may be the same or different. However, the thickness of these buffer layers 11a and 11b is preferably in the range of 1 to 10000 nm, and more preferably in the range of 5 to 50 nm. If the thickness of these buffer layers 11a and 11b is too thin, the effect of the present invention is small, and if the thickness is too thick, the cost increases and the epitaxial growth film tends to have a bad influence such as a crack due to a difference in thermal expansion coefficient. It is in.
[0067]
Using the magnetic garnet single crystal film forming substrate 2 thus configured, a magnetic garnet single crystal film 12 made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is formed by a liquid phase epitaxial growth method. In the present embodiment, not only a single crystal film is formed on the bottom surface of the magnetic garnet single crystal film forming substrate 2, but also a side growth film (not necessarily a single crystal film) 12b is formed on the side surface. You. However, the side growth film 12b formed on the side surface of the substrate 2 generally has lower film quality than the bottom single crystal film 12a formed on the bottom surface, and is removed later.
[0068]
In the present embodiment, when the single crystal film 12 is used as an optical element, the side growth film 12b formed on the side surface of the substrate 2 is removed by polishing or the like, and the single crystal film 12a formed on the bottom surface of the substrate 2 is formed. It is preferable to form the optical element only by using the optical element.
[0069]
In particular, in the present embodiment, the buffer layer 11 is formed not only on the crystal growth surface of the base substrate 10 but also on the side surface of the base substrate that intersects the crystal growth surface, so that the side surface of the base substrate 10 reacts with the flux. Instead, the quality of the magnetic garnet single crystal film 12 is improved, and the production yield is also improved.
[0070]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the present invention. For example, in the embodiment shown in FIG. 3, the buffer layer 11 is formed only on the bottom surface 10a and the side surface 10b of the base substrate 10, but in the present invention, the entire peripheral surface of the base substrate 10 including the upper surface 10c of the base substrate 10 is provided. Alternatively, the buffer layer 11 may be formed.
[0071]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on more detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0072]
Example 1
CaCO 3 , Nb 2 O 5 and Ga 2 O 3 are weighed and baked at 1350 ° C. in the atmosphere so that the composition of the melt becomes Ca 3 Nb 1.7 Ga 3.2 O 12. After confirming the phase, the mixture was charged into an iridium crucible and heated to about 1450 ° C. by high-frequency induction and melted in a mixed gas atmosphere of 98% by volume of nitrogen gas and 2% by volume of oxygen gas. Then, a 5 mm prismatic seed crystal having the above-mentioned composition having a major axis direction of <111> was immersed in the melt perpendicularly to the liquid surface, and this was pulled up at a speed of 3 mm / hour under a rotation of 20 rpm. As a result, a transparent single crystal free of any cracks was obtained.
[0073]
Next, about 1 g of each sample was cut out from the upper and lower portions of the crystal, and quantitative analysis was performed on each component metal element using a fluorescent X-ray analyzer. As a result, both Ca 3 Nb 1.7 Ga and the lower portion of the crystal were analyzed. It was confirmed to have a composition of 3.2 O 12 (CNGG).
[0074]
The obtained single crystal was cut into a predetermined thickness perpendicular to the growth direction, mirror-polished on both sides, and then etched with hot phosphoric acid to produce a CNGG single crystal substrate (base substrate 10). The coefficient of thermal expansion (α) at room temperature to 850 ° C. of this single crystal substrate was 1.07 × 10 −5 / ° C. The thickness of this CNGG single crystal substrate was 0.6 mm.
[0075]
The crystal growth surface of the CNGG single crystal substrate, a pulse laser deposition method to form a first buffer layer 30 of Gd 2.2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 . Specifically, by irradiating KrF excimer laser in the single crystal targets Gd 2.2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 In the irradiated laser density 2.0 J / cm 2, is held by the substrate temperature 600 ° C. CNGG A Gd 2.2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 thin film having a thickness of about 20 nm was formed on the bottom surface of the substrate under the conditions of an oxygen partial pressure of 1 Pa and an irradiation time of 5 minutes. This Gd 2. X-ray fluorescence analysis of the 2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 thin film confirmed that it had the same composition as the target.
[0076]
Next, a single crystal target of Gd 2.4 Yb 1.7 Ga 3.9 O 12 is used on the surface of the first buffer layer composed of the Gd 2.2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 thin film. In the same manner as described above, a second buffer layer made of Gd 2.4 Yb 1.7 Ga 3.9 O 12 having a thickness of about 20 nm was formed. The total thickness of the buffer layer composed of the first buffer layer and the second buffer layer was about 40 nm.
[0077]
Using the CNGG substrate with a buffer layer (substrate 2) thus obtained, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film was formed by a liquid phase epitaxial growth method. Specifically, 2.155 g of Ho 2 O 3 , 5.501 g of Gd 2 O 3, and 830.0 g of Bi 2 O 3 were put in a platinum crucible, melted at about 1000 ° C., and homogenized by stirring. Thereafter, the temperature was lowered at a rate of 120 ° C./hr to maintain a supersaturated state of 805 ° C. Next, the substrate 2 obtained by the above-described method is immersed in the melt, and while the substrate is rotated at 100 rpm, the single crystal film is subjected to liquid phase epitaxial growth for 40 hours. A bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film 12 having a thickness of about 350 μm was formed.
[0078]
When the composition of the single crystal film 12 formed on the bottom surface of the substrate 2 was analyzed by the X-ray fluorescence method, it was confirmed that the composition was Bi 1.8 Gd 0.9 Ho 0.3 Fe 5.0 O 12. Was. Further, the X-ray rocking curve half value of the obtained single crystal film was 0.02 degrees, and it was confirmed that the single crystal film was a high quality single crystal film.
[0079]
These results, the surface smooth and dense quality, the Bi 1.8 Gd 0.9 Ho 0.3 Fe 5.0 O 12 single crystal film of substantially stoichiometric, to generate cracks and peeling It has been confirmed that epitaxial growth can be performed without any problem.
[0080]
When the lattice constant of this single crystal film and the lattice constant of the second buffer layer made of Gd 2.4 Yb 1.7 Ga 3.9 O 12 were examined, both were 1.26 nm. The constant mismatch was almost 0%. We also examined the lattice constant of the first buffer layer made of Gd 2.2 Yb 1.7 Ga 4.1 O 12 thin film, and a lattice constant of the base substrate made of CNGG, in both, be 1.25nm And the mismatch of lattice constant was almost 0%. The measurement of the lattice constant was performed by the X-ray diffraction method.
[0081]
The substrate 2 (the base substrate 10 and the buffer layer 11) is removed from the single crystal film 12 by polishing, and both surfaces of the single crystal film 12 are polished, and both surfaces are made of SiO 2 or Ta 2 O 5. The Faraday rotation angle at a wavelength of 1.55 μm, the transmission loss at a Faraday rotation angle of 45 deg, and the temperature characteristics were evaluated with a non-reflective film. The characteristics were -0.067 deg / ° C. In each case, the optical characteristics of the optical isolator were at satisfactory levels.
[0082]
Note that the Faraday rotation angle was obtained by irradiating a polarized laser beam having a wavelength of 1.55 μm to the single crystal film and measuring the angle of the polarization plane of the emitted light. The transmission loss was determined from the difference between the laser light intensity at a wavelength of 1.55 μm transmitted through the single crystal film and the light intensity without the single crystal film. The temperature characteristics were calculated by measuring the rotation angle while changing the temperature of the sample from −40 ° C. to 85 ° C., and calculating from the measured value.
[0083]
Furthermore, the coefficient of thermal expansion (α) at room temperature to 850 ° C. of this single crystal film was 1.10 × 10 −5 / ° C. The difference in the coefficient of thermal expansion between the base substrate and the single crystal film was 0.03 × 10 −5 / ° C. No crack was observed in the obtained single crystal film.
[0084]
Comparative Example 1
A CNGG single crystal substrate was prepared in the same manner as in Example 1, and a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film was formed by the same liquid phase epitaxial growth method as in Example 1 without forming any buffer layer thereon. Formed.
[0085]
It was confirmed that the surface of the substrate after the experiment was considerably etched. In addition, X-ray fluorescence analysis showed that a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film was not formed.
[0086]
The embodiments and examples described above all illustrate the present invention by way of example and not by way of limitation, and the present invention can be embodied in various other modified and modified forms.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a thick magnetic garnet single crystal film in which crystal defects, warpage, cracks, peeling, etc. do not occur, has a high quality, a good yield, and is stable by liquid phase epitaxial growth, A substrate for forming a magnetic garnet single crystal film, an optical element, and a method for manufacturing the same, which can be formed at low cost, can be provided.
[0088]
Further, according to the present invention, by forming the buffer layer of the present invention on a commercially available substrate for forming a magnetic garnet single crystal film, a thick film-shaped magnetic garnet single crystal that does not cause crystal defects, warpage, cracking, peeling, etc. A film can be formed stably at low cost with high quality, high yield, and liquid phase epitaxial growth.
[0089]
Furthermore, in the present invention, the present invention can easily cope with a case where the bismuth-substituted rare-earth iron garnet single crystal film used in an optical element such as a Faraday rotator is increased in the amount of bismuth substitution to improve the optical characteristics. .
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a process of forming a single crystal film on a substrate for forming a crystal film.
FIG. 2 is a schematic view of an apparatus for performing crystal growth.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a magnetic garnet single crystal film forming substrate according to another embodiment of the present invention and a single crystal film grown using the same.
[Explanation of symbols]
2. Magnetic garnet single crystal film forming substrate 10 Base substrate 10a Bottom surface (crystal growth surface)
10b Side surface 10c Top surface 11 Buffer layer 11a Bottom buffer layer 11b Side buffer layer (side protection film)
12 Single crystal film 12a Bottom single crystal film 12b Side growth film 30 First buffer layer 32 Second buffer layer

Claims (15)

磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル成長させるための磁性ガーネット単結晶膜形成用基板であって、
前記磁性ガーネット単結晶膜と格子定数が異なるベース基板と、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に形成され、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一であり、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一であるバッファ層と、を有する
磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。
A magnetic garnet single crystal film forming substrate for liquid phase epitaxial growth of a magnetic garnet single crystal film,
A base substrate having a different lattice constant from the magnetic garnet single crystal film;
The lattice constant formed on at least the crystal growth surface of the base substrate and in contact with the base substrate is substantially the same as the lattice constant of the base substrate, and the lattice constant on the outermost surface is the lattice of the magnetic garnet single crystal film. A substrate for forming a magnetic garnet single crystal film, comprising: a buffer layer having substantially the same constant as a constant.
前記バッファ層は、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に形成され、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一である第1バッファ層と、
前記第1バッファ層に直接または間接的に積層され、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一である第2バッファ層とを有する請求項1に記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。
The buffer layer,
A first buffer layer formed at least on a crystal growth surface of the base substrate and having a lattice constant substantially equal to a lattice constant of the base substrate on a surface in contact with the base substrate;
2. The magnetic layer according to claim 1, further comprising a second buffer layer directly or indirectly stacked on the first buffer layer, wherein a lattice constant at the outermost surface is substantially the same as a lattice constant of the magnetic garnet single crystal film. Garnet single crystal film forming substrate.
前記バッファ層は、
格子定数が膜厚方向に変化する格子定数傾斜層を有する請求項1に記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。
The buffer layer,
The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to claim 1, further comprising a lattice constant gradient layer whose lattice constant changes in a film thickness direction.
前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数が、1.2〜1.3nmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The magnetic garnet single crystal film forming substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein a lattice constant of the magnetic garnet single crystal film is in a range of 1.2 to 1.3 nm. 前記磁性ガーネット単結晶膜が、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜である請求項1〜4のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic garnet single crystal film is a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film. 前記バッファ層がビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を含み、前記バッファ層における格子定数が、前記バッファ層におけるビスマスの含有量により制御してある請求項1〜5のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The magnetic garnet single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the buffer layer includes a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and a lattice constant of the buffer layer is controlled by a content of bismuth in the buffer layer. Crystal film formation substrate. 前記ベース基板が、前記液相エピタキシャル成長させるために用いるフラックスに対して不安定なガーネット系単結晶から成る請求項1〜6のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 6, wherein the base substrate is made of a garnet-based single crystal that is unstable to a flux used for the liquid phase epitaxial growth. 前記バッファ層の厚みが1〜10000nmである請求項1〜7のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 7, wherein the buffer layer has a thickness of 1 to 10000 nm. 前記ベース基板が、前記磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 8, wherein the base substrate has a thermal expansion coefficient substantially equal to a thermal expansion coefficient of the magnetic garnet single crystal film. . 0°C〜1000°Cの温度範囲において、前記ベース基板の熱膨張係数が、前記磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係数に対して、±2×10−6/°C以下の範囲にあることを特徴とする請求項9に記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。In a temperature range of 0 ° C. to 1000 ° C., the coefficient of thermal expansion of the base substrate is within ± 2 × 10 −6 / ° C. or less with respect to the coefficient of thermal expansion of the magnetic garnet single crystal film. The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to claim 9, wherein: 前記フラックスの主成分として、酸化鉛および/または酸化ビスマスを含有していることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板。The substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 10, wherein the flux contains lead oxide and / or bismuth oxide as a main component. 請求項1〜11のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板を製造するための方法であって、
ベース基板を形成する工程と、
前記ベース基板の少なくとも結晶育成面に、前記ベース基板に接する面における格子定数が前記ベース基板の格子定数と実質的に同一であり、最表面における格子定数が前記磁性ガーネット単結晶膜の格子定数と実質的に同一であるバッファ層を形成する工程とを有する磁性ガーネット単結晶膜形成用基板の製造方法。
A method for producing a substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to any one of claims 1 to 11,
Forming a base substrate;
At least a crystal growth surface of the base substrate, a lattice constant on a surface in contact with the base substrate is substantially the same as a lattice constant of the base substrate, and a lattice constant on the outermost surface is a lattice constant of the magnetic garnet single crystal film. Forming a substantially identical buffer layer.
請求項1〜11のいずれかに記載の磁性ガーネット単結晶膜形成用基板を用いて、前記バッファ層の少なくとも結晶育成面に、液相エピタキシャル成長法によって磁性ガーネット単結晶膜を成長させる工程を有する磁性ガーネット単結晶膜の製造方法。12. A magnetic method comprising: using the substrate for forming a magnetic garnet single crystal film according to claim 1 to grow a magnetic garnet single crystal film on at least a crystal growth surface of the buffer layer by a liquid phase epitaxial growth method. A method for producing a garnet single crystal film. 請求項13に記載の磁性ガーネット単結晶膜の製造方法を用いて、前記磁性ガーネット単結晶膜を形成した後、
前記ベース基板およびバッファ層を除去し、前記磁性ガーネット単結晶膜から成る光学素子を形成する工程を有する、
光学素子の製造方法。
After forming the magnetic garnet single crystal film using the method of manufacturing a magnetic garnet single crystal film according to claim 13,
Removing the base substrate and the buffer layer, and forming an optical element comprising the magnetic garnet single crystal film,
A method for manufacturing an optical element.
請求項14に記載の光学素子の製造方法により得られた光学素子。An optical element obtained by the method for manufacturing an optical element according to claim 14.
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