【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学デバイスに用いる希土類−鉄ガーネット膜に係り、特に、光通信に用いられる光アイソレータ用の希土類−鉄ガーネット膜の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５９−５７９９０号公報（２頁左下欄１１行〜同右下欄３行）
【特許文献２】
特開平１−７２９９６号公報（特許請求の範囲第１項）
【特許文献３】
特開平７−２０６５９４号公報（段落番号００１３、００１５、００１９）
【０００４】
希土類−鉄ガーネット膜（以下、ＲＩＧ膜と記す）のファラデー効果を利用した磁気光学デバイスが精力的に開発されている。その中でも特に光通信における光源への戻り光を遮断する光アイソレータ、あるいは、発電所から消費者までの電力輸送経路である変電所、送電線、配電線に流れる電流により生じる磁界の大きさを測定して異常を発見する光磁界センサなどは既に実用化段階に入り、磁気光学デバイスに用いられるＲＩＧ膜もより安価なものが求められてきている。
【０００５】
このＲＩＧ膜は、通常、液相エピタキシャル法（以下、ＬＰＥ法と示す）によって結晶育成されている。すなわち、ＬＰＥ法によるＲＩＧ膜の結晶育成は、例えば、フラックス成分である酸化鉛、酸化ビスマス、酸化ホウ素と、希土類−鉄ガーネット成分である希土類酸化物、酸化鉄、場合によって非磁性元素の酸化物などを白金ルツボ内に充填し、約９５０℃で融解させた後、ルツボ内の融液に、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒで置換しその格子定数を大きくしたガドリニウム・ガリウム・ガーネット基板（以下、高格子定数ＧＧＧ基板と記す）を接触させ、この基板上にＲＩＧ膜を約８５０℃でエピタキシャル成長させて行われる。
【０００６】
そして、育成されたＲＩＧ膜は、この後、各磁気光学デバイスに合わせて所望の膜厚に研磨加工されて適用される。尚、酸化ビスマスはフラックス成分として説明したが、ビスマスは上記ＲＩＧ膜を構成する元素でもあり、希土類−鉄ガーネット成分でもある。
【０００７】
ところで、上述した従来のＬＰＥ法では、ガーネット基板とＲＩＧ膜の熱膨張係数差に起因する結晶育成中のクラック、あるいは、室温におけるガーネット基板とＲＩＧ膜の格子定数差に起因するクラックが頻繁に発生し、結晶の歩留まりを悪化させる問題があった。
【０００８】
このため、前者の熱膨張係数差に起因するクラックの低減については、例えば特許文献１においてエピタキシャル成長を途中で中断して熱膨張係数が小さいガーネット基板の部分のみを研磨により削り落とし、後に残ったエピタキシャル膜を基板としてさらにエピタキシャル成長する方法が提案され、また、特許文献２において、ＲＩＧ膜とガーネット基板の間に、熱膨張係数がＲＩＧ膜とガーネット基板の中間にあるような別の組成のＲＩＧ膜を中間層として成長させる方法等が提案されている。
【０００９】
また、後者の格子定数差に起因するクラックの低減については、特許文献３において、ガーネット基板とＲＩＧ膜の室温における格子定数差の範囲を±０．００１Åに限定して育成する方法が提案され、かつ、ガーネット基板とＲＩＧ膜の格子定数差を±０．００１Å以内にするための手順も幾つか提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１や特許文献２に記載された方法は、研磨や育成を繰り返す等その手順が多く、多くの時間をＲＩＧ膜育成に必要とする問題点があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載された方法も、過冷却温度ΔＴを明確にするための実験が必要となり、また、ＲＩＧ膜育成を繰り返していく中で、融液の組成変動のためにΔＴが変化する等の問題が発生し、頻繁にΔＴを測定する必要があり、結局多くの時間をＲＩＧ膜育成に必要とする問題点があった。
【００１２】
本発明はこの様な問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、結晶育成中のクラック、また、結晶育成後の室温におけるクラックといった結晶不良を簡単に低減できる液相エピタキシャル法による希土類−鉄ガーネット膜の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者等はルツボ内における融液の温度分布とクラックとの関係に着目し、鋭意研究したところ、融液の深さ方向の温度分布とクラックとの間に密接な関係があることを発見し本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、請求項１に係る発明は、
酸化鉛系フラックスに希土類−鉄ガーネット成分を溶かしたルツボ内の融液にガーネット基板を接触させ、この基板上に希土類−鉄ガーネット膜を結晶育成させる液相エピタキシャル法による希土類−鉄ガーネット膜の製造方法を前提とし、
上記ルツボの横断面中心部における融液の深さ方向の温度分布が、融液面下５ｍｍまでの領域を除いて（±１．５）℃以内に制御されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
まず、希土類−鉄ガーネット膜（ＲＩＧ膜）は、一般に縦型ＬＰＥ炉と呼ばれる電気炉で結晶育成される。
【００１７】
この縦型ＬＰＥ炉は、図１に示すように、３ゾーンヒータで構成されるヒータ部１、白金ルツボ２、白金ルツボ２内にある融液３、ガーネット基板４、および、ガーネット基板保持治具５から成る。尚、６は耐火物である。
【００１８】
本発明者等は、上述したように白金ルツボ２内における融液３の深さ方向の温度分布に着目して、育成中のクラック、および、育成後の室温におけるクラックとの関係を明確化させるために実験を試みた。
【００１９】
上記ヒータ部１には、各々独立に温度を制御できる３ゾーンヒータを用意し、各ヒータの温度を制御することで、融液の深さ方向の温度分布が、（±１）℃、（±１．５）℃、（±２）℃、（±２．５）℃、（±３）℃の５つの状態を実現させた。また、温度分布はＲ熱電対を用い、ＲＩＧ膜の育成温度において、ガーネット基板の中心が位置するルツボの横断面中心部における融液の底から、融液表面まで等間隔に１０点測定して求めた。但し、融液表面の温度は液面の揺らぎ等の問題で正確に測定することは難しいため、融液の底から液面下５ｍｍまでの温度分布を融液の温度分布とした。
【００２０】
上記５種類の温度分布を有する融液で、育成温度を所望の温度Ｔに対して（±１）℃以内に制御して、厚さ５００μｍのＲＩＧ膜を各１０枚育成した。
【００２１】
尚、融液の温度分布以外に、育成温度自体を所望の温度Ｔに対してほぼ１℃の精度で制御したのは、育成温度によってＲＩＧ膜の組成が微妙に変化し、組成変化に伴い、ＲＩＧ膜の格子定数が変化するためであり、ガーネット基板とＲＩＧ膜の室温における格子定数差が±０．００１Åとなるよう育成温度を（±１）℃の精度で制御しないと、室温においてＲＩＧ膜にクラックが発生してしまう場合があるからである。
【００２２】
そして、育成した各１０枚のＲＩＧ膜における製品化できた面積と、結晶育成に使用したガーネット基板の面積比率を収率として、各温度分布の異なる融液との関係を図２に示す。図２から確認されるように、温度分布が（±１）℃、（±１．５）℃の融液では収率が９０％を超えているが、温度分布が大きくなるに従いクラックの発生により収率が悪化し、（±２）℃では５０％程度の収率しかない。従って、融液の深さ方向の温度分布を（±１．５）℃以内にすることが有効であることが分かった。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２４】
［実施例１］
白金ルツボ中に、ＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３をフラックスとし、ＲＩＧ成分としてＧｄ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３を溶かし込んだ融液を調製した。
【００２５】
次に、この融液を９５０℃に加熱し、攪拌した後、育成温度８１０℃に降温し、保持した。そして、ヒータ温度を調節した後、融液の深さ方向の温度分布を測定し、（±１．５）℃であることを確認した。
【００２６】
その後、再び融液を電気炉内で９５０℃に加熱し、所望の育成温度８１０℃に対し（±１）℃以内に制御しながら、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒで置換した直径３インチのガドリニウム・ガリウム・ガーネット基板（高格子定数ＧＧＧ基板）を上記融液表面に接触させると共に、上記基板を１００ｒｐｍで回転させて基板の片面に厚さ５５０μｍでかつ組成（ＧｄＢｉ）３（ＦｅＡｌＧａ）５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００２７】
育成後、ＲＩＧ膜を光アイソレータとして使用する厚さに研磨して、光アイソレータ用ＲＩＧ膜として使用可能の面積を測定し、結晶育成に使用したガーネット基板の面積との比率を収率とした。
【００２８】
そして、９０％以上の収率で使用可能であることが確認された。
【００２９】
［実施例２］
ＲＩＧ成分としてＴｂ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３を用い、かつ、結晶育成温度を８３０℃とした以外は実施例１と同様にして、高格子定数ＧＧＧ基板の片面に厚さ５００μｍでかつ組成（ＹｂＴｂＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００３０】
育成後、実施例１と同様にして収率を求めたところ、９０％以上の収率で使用可能であることが確認された。
【００３１】
［実施例３］
ＲＩＧ成分としてＧｄ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３を用い、かつ、結晶育成温度を８６０℃とした以外は実施例１と同様にして、高格子定数ＧＧＧ基板の片面に厚さ５５０μｍでかつ組成（ＧｄＢｉ）３（ＦｅＡｌ）５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００３２】
育成後、実施例１と同様にして収率を求めたところ、９０％以上の収率で使用可能であることが確認された。
【００３３】
［比較例１］
融液の深さ方向の温度分布を（±３）℃とした以外は実施例１と同様にして、厚さ５５０μｍでかつ組成（ＧｄＢｉ）３（ＦｅＡｌＧａ）５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００３４】
育成後、実施例１と同様にして収率を求めたところ、各実施例より劣る５０％以下の収率で使用可能であることが確認された。
【００３５】
［比較例２］
融液の深さ方向の温度分布を（±３）℃とした以外は実施例１と同様にして、厚さ５００μｍでかつ組成（ＹｂＴｂＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００３６】
育成後、実施例１と同様にして収率を求めたところ、各実施例より劣る５０％以下の収率で使用可能であることが確認された。
【００３７】
［比較例３］
融液の深さ方向の温度分布を（±３）℃とした以外は実施例１と同様にして、厚さ５５０μｍでかつ組成（ＧｄＢｉ）３（ＦｅＡｌ）５Ｏ１２のＲＩＧ膜を５枚育成した。
【００３８】
育成後、実施例１と同様にして収率を求めたところ、各実施例より劣る５０％以下の収率で使用可能であることが確認された。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明に係る液相エピタキシャル法による希土類−鉄ガーネット膜の製造方法によれば、ルツボの横断面中心部における融液の深さ方向の温度分布が融液面下５ｍｍまでの領域を除いて（±１．５）℃以内に制御されているため、クラックと呼ばれる結晶欠陥が少なく、光アイソレータや光磁界センサ等に適用される希土類−鉄ガーネット膜を簡単に製造することができる効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＩＧ膜を育成する育成炉の概略断面図。
【図２】ルツボ内融液の温度分布とＲＩＧ膜の収率との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ ヒータ部
２ 白金ルツボ
３ 融液
４ ガーネット基板
５ ガーネット基板保持具
６ 耐火物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rare earth-iron garnet film used for a magneto-optical device, and more particularly to a method for manufacturing a rare earth-iron garnet film for an optical isolator used for optical communication.
[0002]
[Prior art]
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-59-57990 (page 11, lower left column, line 11 to lower right column, line 3)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-72996 (Claim 1)
[Patent Document 3]
JP-A-7-206594 (paragraph numbers 0013, 0015, 0019)
[0004]
Magneto-optical devices utilizing the Faraday effect of a rare earth-iron garnet film (hereinafter referred to as an RIG film) have been vigorously developed. In particular, it measures the magnitude of the magnetic field generated by the current flowing through the optical isolator that blocks the return light to the light source in optical communication, or the substation, transmission line, and distribution line that is the power transport route from the power plant to the consumer. Optical magnetic field sensors that detect abnormalities have entered the stage of practical use, and RIG films used in magneto-optical devices are also required to be cheaper.
[0005]
This RIG film is usually grown by a liquid phase epitaxial method (hereinafter, referred to as an LPE method). That is, the crystal growth of the RIG film by the LPE method includes, for example, lead oxide, bismuth oxide, and boron oxide as flux components, rare earth oxide and iron oxide as rare earth-iron garnet components, and oxides of nonmagnetic elements in some cases. Is filled in a platinum crucible and melted at about 950 ° C., and then the melt in the crucible is replaced with Ca, Mg, and Zr to increase the lattice constant of a gadolinium-gallium-garnet substrate (hereinafter referred to as a high lattice). (Referred to as a constant GGG substrate), and an RIG film is epitaxially grown on the substrate at about 850 ° C.
[0006]
Then, the grown RIG film is thereafter polished to a desired film thickness in accordance with each magneto-optical device and applied. Although bismuth oxide has been described as a flux component, bismuth is also an element constituting the RIG film, and is also a rare earth-iron garnet component.
[0007]
In the above-described conventional LPE method, cracks frequently occur during crystal growth due to a difference in thermal expansion coefficient between the garnet substrate and the RIG film, or cracks due to a lattice constant difference between the garnet substrate and the RIG film at room temperature. However, there is a problem that the yield of crystals is deteriorated.
[0008]
For this reason, regarding the former reduction of cracks due to the difference in thermal expansion coefficient, for example, in Patent Document 1, epitaxial growth is interrupted in the middle and only the garnet substrate portion having a small thermal expansion coefficient is ground off by polishing, and the remaining epitaxial growth is removed. A method of further epitaxially growing a film as a substrate has been proposed. In Patent Document 2, a RIG film having another composition such that the thermal expansion coefficient is between the RIG film and the garnet substrate is provided between the RIG film and the garnet substrate. A method of growing an intermediate layer has been proposed.
[0009]
Regarding the latter method of reducing cracks caused by the lattice constant difference, Patent Document 3 proposes a method of growing the garnet substrate and the RIG film by limiting the range of the lattice constant difference at room temperature to ± 0.001 °. Also, several procedures have been proposed for making the lattice constant difference between the garnet substrate and the RIG film within ± 0.001 °.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the methods described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 involve many procedures such as repetition of polishing and growth, and have a problem that much time is required for growing the RIG film.
[0011]
Further, the method described in Patent Document 3 also requires an experiment to clarify the supercooling temperature ΔT, and changes in ΔT due to a change in the composition of the melt during repeated growth of the RIG film. In such a case, ΔT needs to be measured frequently, and as a result, there is a problem that much time is required for growing the RIG film.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a liquid phase epitaxial method that can easily reduce crystal defects such as cracks during crystal growth and cracks at room temperature after crystal growth. It is an object of the present invention to provide a method for producing a rare earth-iron garnet film by a method.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors have focused on the relationship between the temperature distribution of the melt in the crucible and the cracks, and have conducted intensive research, and have found that the temperature distribution in the depth direction of the melt and the cracks are closely related. The present inventors have discovered that there is an important relationship, and have completed the present invention.
[0014]
That is, the invention according to claim 1 is
Production of a rare earth-iron garnet film by a liquid phase epitaxy method in which a garnet substrate is brought into contact with a melt in a crucible in which a rare earth-iron garnet component is dissolved in a lead oxide-based flux, and a rare earth-iron garnet film is grown on the substrate. Given the method,
The temperature distribution in the depth direction of the melt at the center of the cross section of the crucible is controlled within (± 1.5) ° C. except for a region up to 5 mm below the melt surface. is there.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0016]
First, a rare earth-iron garnet film (RIG film) is crystal-grown in an electric furnace generally called a vertical LPE furnace.
[0017]
As shown in FIG. 1, this vertical LPE furnace includes a heater unit 1 composed of a three-zone heater, a platinum crucible 2, a melt 3 in the platinum crucible 2, a garnet substrate 4, and a garnet substrate holding jig. Consists of five. Reference numeral 6 denotes a refractory.
[0018]
The present inventors pay attention to the temperature distribution in the depth direction of the melt 3 in the platinum crucible 2 as described above, and clarify the relationship between the crack during growth and the crack at room temperature after growth. Tried the experiment for.
[0019]
The heater unit 1 is provided with a three-zone heater capable of independently controlling the temperature, and by controlling the temperature of each heater, the temperature distribution in the depth direction of the melt is (± 1) ° C., (± 1). Five states of 1.5) ° C, (± 2) ° C, (± 2.5) ° C, and (± 3) ° C were realized. The temperature distribution was measured at equal intervals from the bottom of the melt at the center of the cross section of the crucible where the center of the garnet substrate was located to the surface of the melt using the R thermocouple at the growth temperature of the RIG film. I asked. However, since it is difficult to accurately measure the temperature of the melt surface due to problems such as fluctuations of the liquid surface, the temperature distribution from the bottom of the melt to 5 mm below the liquid surface was taken as the temperature distribution of the melt.
[0020]
With the melt having the above five types of temperature distributions, the growth temperature was controlled within (± 1) ° C. with respect to a desired temperature T, and 10 RIG films each having a thickness of 500 μm were grown.
[0021]
In addition to the temperature distribution of the melt, the growth temperature itself was controlled with a precision of approximately 1 ° C. with respect to the desired temperature T because the composition of the RIG film slightly changed depending on the growth temperature. This is because the lattice constant of the RIG film changes. If the growth temperature is not controlled with an accuracy of (± 1) ° C. so that the lattice constant difference between the garnet substrate and the RIG film at room temperature becomes ± 0.001 °, the RIG film at room temperature. This is because a crack may be generated in the case.
[0022]
FIG. 2 shows the relationship between the area of each of the ten grown RIG films that could be commercialized and the area ratio of the garnet substrate used for crystal growth as a yield and the melts having different temperature distributions. As can be seen from FIG. 2, the yield exceeds 90% in the case of a melt having a temperature distribution of (± 1) ° C. and (± 1.5) ° C. However, as the temperature distribution increases, cracks are generated. The yield deteriorates, and is only about 50% at (± 2) ° C. Therefore, it was found that it is effective to keep the temperature distribution in the depth direction of the melt within (± 1.5) ° C.
[0023]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[0024]
[Example 1]
A melt is prepared by dissolving PbO, Bi 2 O 3 and B 2 O 3 in a platinum crucible and dissolving Gd 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 as RIG components. did.
[0025]
Next, the melt was heated to 950 ° C. and stirred, then cooled to a growth temperature of 810 ° C. and held. After adjusting the heater temperature, the temperature distribution in the depth direction of the melt was measured, and it was confirmed that the temperature was (± 1.5) ° C.
[0026]
Thereafter, the melt is again heated to 950 ° C. in an electric furnace, and while maintaining the desired growth temperature at 810 ° C. within (± 1) ° C., gadolinium gallium with a diameter of 3 inches replaced with Ca, Mg, and Zr. A garnet substrate (high lattice constant GGG substrate) is brought into contact with the surface of the melt, and the substrate is rotated at 100 rpm to form a RIG having a thickness of 550 μm and a composition (GdBi) 3 (FeAlGa) 5 O 12 on one surface of the substrate. Five films were grown.
[0027]
After the growth, the RIG film was polished to a thickness to be used as an optical isolator, the area usable as the RIG film for the optical isolator was measured, and the ratio to the area of the garnet substrate used for crystal growth was defined as the yield.
[0028]
And it was confirmed that it can be used with a yield of 90% or more.
[0029]
[Example 2]
The same procedure as in Example 1 was carried out except that Tb 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Fe 2 O 3 were used as RIG components, and the crystal growth temperature was 830 ° C. Five RIG films of 500 μm and having the composition (YbTbBi) 3 Fe 5 O 12 were grown.
[0030]
After the growth, the yield was determined in the same manner as in Example 1, and it was confirmed that the product could be used at a yield of 90% or more.
[0031]
[Example 3]
Gd 2 O 3 , Al 2 O 3 , and Fe 2 O 3 were used as the RIG components, and the thickness was formed on one surface of the high lattice constant GGG substrate in the same manner as in Example 1 except that the crystal growth temperature was 860 ° C. Five RIG films of 550 μm and having the composition (GdBi) 3 (FeAl) 5 O 12 were grown.
[0032]
After the growth, the yield was determined in the same manner as in Example 1, and it was confirmed that the product could be used at a yield of 90% or more.
[0033]
[Comparative Example 1]
Five RIG films having a thickness of 550 μm and a composition of (GdBi) 3 (FeAlGa) 5 O 12 were grown in the same manner as in Example 1 except that the temperature distribution in the depth direction of the melt was (± 3) ° C. did.
[0034]
After the growth, the yield was determined in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the product could be used at a yield of 50% or less, which was inferior to that of each example.
[0035]
[Comparative Example 2]
Five RIG films having a thickness of 500 μm and a composition (YbTbBi) 3 Fe 5 O 12 were grown in the same manner as in Example 1 except that the temperature distribution in the depth direction of the melt was (± 3) ° C.
[0036]
After the growth, the yield was determined in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the product could be used at a yield of 50% or less, which was inferior to that of each example.
[0037]
[Comparative Example 3]
Five RIG films having a thickness of 550 μm and a composition of (GdBi) 3 (FeAl) 5 O 12 were grown in the same manner as in Example 1 except that the temperature distribution in the depth direction of the melt was (± 3) ° C. did.
[0038]
After the growth, the yield was determined in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the product could be used at a yield of 50% or less, which was inferior to that of each example.
[0039]
【The invention's effect】
According to the method for producing a rare earth-iron garnet film by the liquid phase epitaxial method according to the invention of claim 1, the temperature distribution in the depth direction of the melt at the center of the cross section of the crucible is up to 5 mm below the melt surface. The temperature is controlled within (± 1.5) ° C. except for the above, so that there are few crystal defects called cracks, and it is possible to easily manufacture a rare earth-iron garnet film applied to an optical isolator, an optical magnetic field sensor, and the like. Has an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a growth furnace for growing a RIG film.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the temperature distribution of the melt in the crucible and the yield of the RIG film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heater part 2 Platinum crucible 3 Melt 4 Garnet board 5 Garnet board holder 6 Refractory
