JP2013257437A - 光変調素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2つのスピン注入磁化反転素子構造を有する光変調素子を製造する方法であって、透明な基板上に、磁化自由層、中間層、磁化固定層、保護膜をそれぞれ形成する材料を連続して成膜する成膜工程S10と、中間層までをエッチングして光変調素子における2つのスピン注入磁化反転素子構造間を分離する素子構造間分離工程S30と、光変調素子1の形状に加工する素子成形工程S40を行い、さらに保護膜の上からスピン注入磁化反転素子構造の一方の磁化固定層にイオンを照射するイオン照射工程S20を行う。イオンを照射された磁化固定層の保磁力が低下し、同一面内に形成された2つの磁化固定層の保磁力の大きさに差を設けて、2段階の磁界印加で互いに異なる磁化方向に固定することができる。
【選択図】図5
Description
(光変調素子)
はじめに、本発明の第1実施形態に係る光変調素子の製造方法にて製造される光変調素子(以下、適宜、第1実施形態に係る光変調素子と称する)について説明する。光変調素子1は、図1に示す空間光変調器10の画素8(空間光変調器による表示の最小単位での情報(明/暗)を表示する手段を指す。)として用いられて、図4に示すように、下方から入射した光を反射して異なる2値の光(偏光成分)に変調して下方へ出射する。
磁化固定層11,12は磁性体であり、磁化を互いに反対方向に固定されている。このような磁化固定層11,12は、CPP−GMR素子やTMR素子に用いられる公知の磁性材料にて構成することができ、特に、磁化自由層3の極カー効果で旋光角θkが大きくなる垂直磁気異方性材料を適用することが好ましい。垂直磁気異方性材料は、具体的には、Fe,Co,Ni等の遷移金属とPd,Ptのような貴金属とを繰り返し積層したCo/Pd多層膜等の多層膜、Tb−Fe−Co,Gd−Fe等の希土類金属と遷移金属との合金(RE−TM合金)、L10系の規則合金としたFePt, FePd,CrPt3等が挙げられる。
磁化自由層3は磁性体であり、磁化固定層11,12が磁化方向を固定されているのに対し、磁化自由層3はスピン注入によって磁化を容易に反転(180°回転)させることができ、磁化固定層11,12のいずれか一方と同じ磁化方向を示す。磁化自由層3は前記の公知の磁性材料にて構成することができ、磁化固定層11,12と同様に、垂直磁気異方性材料を適用することが好ましい。特に、磁化自由層3は、光変調素子1(空間光変調器の画素)への入射光の波長において磁気光学効果の大きい材料を選択することがより好ましい。例えば、短波長域(400nm近傍)はCo/Pt多層膜、長波長域(700nm近傍)はGd−Fe合金が好適である。
中間層21,22は、それぞれ磁化自由層3上に、磁化固定層11,12との間に設けられる。中間層21,22は、素子構造MR1,MR2がTMR素子であれば、MgO,Al2O3,HfO2のような絶縁体や、Mg/MgO/Mgのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは0.6〜2nm程度とすることが好ましく、1nm以下とすることがさらに好ましい。また、中間層21,22は、素子構造MR1,MR2がCPP−GMR素子であれば、Cu,Ag,Al,Auのような非磁性金属やZnO等の半導体からなり、その厚さは1〜10nmとすることが好ましい。特に中間層21,22(以下、区別しない場合に、適宜、中間層2と称する)は、Agを適用して厚さ6nm以上とした場合、光変調素子1に入射した光を高反射率で反射するため、出射する光の量が多くなってコントラストが向上するので好ましい。
保護膜41,42は、光変調素子1において、その製造時におけるダメージから磁化固定層11,12等の各層を保護するために、最上層に設けられている。製造時におけるダメージとは、例えばレジスト形成時の現像液の含浸等、また、特に磁化固定層11,12が酸化し易いRE−TM合金で形成される場合には酸化が挙げられ、さらに本実施形態においては、後記するようにイオンビームを照射されるため、磁化固定層11,12等がスパッタリングされることを防止する。保護膜41,42は、Ta,Ru,Cuの単層、またはCu/Ta,Cu/Ruの2層等から構成される。なお、前記の2層構造とする場合は、いずれもCuを内側(下層)とする。保護膜41,42の厚さは、1nm未満であると連続した膜を形成し難く、一方、10nmを超えて厚くしても、製造工程において磁化固定層11,12等を保護する効果がそれ以上には向上しない。したがって、保護膜41,42(以下、区別しない場合に、適宜、保護膜4と称する)の厚さは1〜10nmとすることが好ましい。なお、この保護膜41,42の厚さは、光変調素子1(完成後)におけるものである。保護膜41,42は、後記するように、光変調素子1の製造時すなわち当該保護膜41,42を形成する材料の成膜時には、後続の工程の処理による減肉分を加味して厚さを設定したり、2回以上の成膜により形成してもよく、さらに、光変調素子1の完成後も含めて、面内領域によっては(保護膜41と保護膜42とで)厚さや材料を同一としなくてもよい。
次に、前記の光変調素子を画素に備える空間光変調器について、図面を参照してその構成を説明する。
図1および図4に示すように、空間光変調器10は、基板7と、基板7上に2次元アレイ状に配列された画素8からなる画素アレイ80と、画素アレイ80から1つ以上の画素8を選択して電流を供給することにより駆動する電流制御部90を備える。図1は基板7側からの底面図であり、画素8においては、第2電極52よりも第1電極51が基板7側、すなわち下に配され、さらにその下の基板7上に光変調素子1が配される(図2参照)。空間光変調器10の光の入射面は底面(下面)であり、空間光変調器10は、基板7を透過して画素8(画素アレイ80)に下方から入射した光を変調して下方へ出射する反射型の空間光変調器である(図4参照)。
光変調素子1は、磁化自由層3の側すなわち下方から光を入射され、反射させて下方へ出射する。したがって、図2に示すように、光変調素子1は透明な基板7上に形成され、基板7を透過した光が入射される。磁化固定層11,12等については、既に説明した構成であり、説明を省略する。なお、光変調素子1は、基板7への密着性を得るために、基板7との間(磁化自由層3の下)に金属薄膜からなる下地膜を備えてもよい(図示省略)。このような下地膜は、Ta,Ru,Cu,Al,Au,Ag,Cr等の非磁性金属材料で、厚さ1〜10nmとすることが好ましい。下地膜は、厚さが1nm未満であると連続した膜を形成し難く、一方、10nmを超えると入出射する光が吸収されて効率が低下する。
X電極51およびY電極52は、共に光変調素子1(磁化自由層3)に対して光の入出射側の反対側に配置されるので、光を遮ることがなく、低抵抗の金属材料で形成することができる。したがって、X電極51およびY電極52は、例えば、Cu,Al,Au,Ag,Ta,Cr等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される。そして、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状等の所望の形状に加工される。
基板7は、画素8を2次元配列するための土台であり、光変調素子1を製造するための広義の基板である。また、本実施形態に係る空間光変調器10は基板7側から光を入出射するので、基板7は光を透過させる材料からなる。このような基板7として、公知の透明基板材料が適用でき、具体的には、SiO2(酸化ケイ素、ガラス)、MgO(酸化マグネシウム)、サファイア、GGG(ガドリニウムガリウムガーネット)、SiC(シリコンカーバイド)、Ge(ゲルマニウム)単結晶基板等を適用することができる。
絶縁部材6は、光変調素子1における磁化固定層11,12間および中間層21,22間(素子構造MR1,MR2間)、ならびに隣り合う光変調素子1,1間、X電極51,51間、Y電極52,52間、さらにX電極51とY電極52との層間を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁部材6は、例えばSiO2やAl2O3等の酸化膜やSi3N4等の公知の絶縁材料を適用することができる。
図1に示すように、電流制御部90は、電極51,52を介して光変調素子1に電流を供給する電源95と、X電極51の1つ以上を選択して電源95に接続するX電極選択部91と、Y電極52の1つ以上を選択して電源95に接続するY電極選択部92と、電極選択部91,92および電源95を制御する画素選択部94と、を備える。これらは公知の装置を適用することができ、画素アレイ80における所望の画素8の光変調素子1に正または負の向きに電流を供給することで、後記するように光変調素子1を駆動する。
本発明の第1実施形態に係る光変調素子の製造方法を、光変調素子が2次元配列された画素アレイ(図1参照)の製造にて、図5〜8を参照して説明する。なお、図6〜8においては、画素アレイ80を、画素8の2個分の部分を拡大して示す。画素アレイ80は、はじめに、基板7上に光変調素子1を形成し、次に光変調素子1に接続する電極51,52を形成して製造される。
光変調素子1は、基板7上に当該光変調素子1の各層を形成する材料を成膜する成膜工程S10(図5参照、以下同)、磁化固定層11,12の一部(ここでは第1磁化固定層11)にイオンを照射するイオン照射工程S20、第1素子構造MR1と第2素子構造MR2とを分離する素子構造間分離工程S30、光変調素子1,1間を分離して光変調素子1の形状に加工する素子成形工程S40を行って製造される。また、画素アレイ80は、さらに基板7上の光変調素子1上に、電極51,52およびこれら電極同士を絶縁する層間絶縁膜を形成する電極形成工程S50を行って製造される。工程S10,S30,S40,S50は、それぞれ公知の方法で行うことができる。なお、光変調素子1の形成において、工程S20,S30,S40の順序は限定されず、本実施形態においては、成膜工程S10の次に素子構造間分離工程S30を行い、以下、工程S20,S40の順に行う。
基板7上に、磁化自由層3、中間層2(21,22)、磁化固定層11,12、保護膜4(41,42)をそれぞれ形成する材料(図中、各層と同じ符号で示す。以下同。)を連続して成膜する(成膜工程S10。以下、符号のみを示す。)。なお、下地膜を設ける場合は最初に成膜し、磁化自由層3等を引き続いて成膜する。次に、図6(a)に示すように、保護膜4上に、光変調素子1のそれぞれの素子構造MR1,MR2間の領域を空けたレジストパターンを形成する(S31)。エッチングで、図6(b)に示すように、保護膜4から磁化固定層11,12、中間層2(21,22)までを除去して磁化自由層3を露出させる(S32)。次に、図6(c)に示すように絶縁膜(絶縁部材6)を保護膜4(41,42)の上面の高さまで成膜して、レジストを絶縁膜ごと除去する(リフトオフ)(S34)。これにより、図6(d)に示すように、光変調素子1における2つのスピン注入磁化反転素子構造同士の間が分離し、絶縁部材6で埋められる。なお、磁化固定層11,12や中間層2を除去した領域は、光変調素子1における素子構造MR1,MR2間の領域に限られず、光変調素子1,1間において連続していてよい。ここでは、画素アレイ80の図1における縦方向(Y方向)に延設されたストライプ状の領域をエッチングして、絶縁部材6で埋められる(図7(c)参照)。
保護膜4および絶縁部材6の上に、図6(e)に示すように、光変調素子1のそれぞれの中間層21および第1磁化固定層11(第1素子構造MR1)が設けられる領域を空けた(中間層22および第2磁化固定層12(第2素子構造MR2)が設けられる領域をマスクする)レジストパターンを形成する(S21)。そして、図7(a)に示すように保護膜4の上から磁化固定層11,12を形成する磁性材料にイオンを照射して、第1磁化固定層11用の磁性材料とし(S22)、図7(b)に示すようにレジストを除去する(S24)。
図7(c)、(d)に示すように、保護膜4(41,42)および絶縁部材6上に、光変調素子1の平面視形状のレジストパターンを形成する(S41)。なお、図7(c)に示す平面図において、磁化自由層3は、全面に設けられているので符号を省略する。エッチングで、図7(e)に示すように、保護膜4から磁化固定層11,12、中間層21,22、磁化自由層3までを除去して基板7を露出させて、光変調素子1を完成させる(S42)。次に、図8(a)に示すように絶縁膜(絶縁部材6)を光変調素子1の上面(保護膜42の上面)の高さまで成膜して(S43)、レジストを絶縁膜ごと除去する(リフトオフ)(S44)。これにより、図8(b)に示すように、2つのスピン注入磁化反転素子構造MR1,MR2を備えた光変調素子1が形成され、上面が、イオンを照射された領域(保護膜41)を除いて面一に、絶縁部材6で埋められる。
光変調素子1の第1素子構造MR1の上面(保護膜41)に接続されてY方向に延設されるX電極51、および第2素子構造MR2の上面(保護膜42)に接続されるY電極52の接続部52cを形成する。詳しくは、はじめに、光変調素子1および絶縁部材6上に、絶縁膜(絶縁部材6)をX電極51の厚さで成膜する。そして、図8(c)に示すように、絶縁部材6上に、X電極51が設けられる領域とY電極52の接続部52cが設けられる領域とを空けたレジストパターンを形成する。そして、エッチングで、図8(d)に示すように保護膜41,42が露出するまで、絶縁部材6を除去し、いわゆるコンタクトホールを形成する。このとき、上面の高さ位置がより低い保護膜41が露出するようにする。次に、金属電極材料を成膜して、レジストを金属電極材料ごと除去する(リフトオフ)。これにより、図8(e)に示すように、X電極51とY電極52の接続部52cとが、光変調素子1のスピン注入磁化反転素子構造MR1,MR2に保護膜41,42を介して接続される。
前記した通り、光変調素子1の製造において、成膜工程S10の後は、工程S20,S30,S40の順序は限定されない。したがって、例えば前記実施形態において、素子構造間分離工程S30の次に、先に素子成形工程S40を行ってから、イオン照射工程S20を行うことができる。また、先に素子成形工程S40を行ってから、素子構造間分離工程S30を行うこともできる(以上、図示省略)。さらに、第1実施形態の変形例に係る光変調素子の製造方法は、図9に示すように、成膜工程S10の次にイオン照射工程S20Aを行い、その後に素子構造間分離工程S30、素子成形工程S40を行う。以下、図9〜11を参照して、第1実施形態の変形例に係る光変調素子の製造方法を説明する。本変形例により製造される光変調素子および画素アレイは、第1実施形態(図1〜4参照)と同一であり、また第1実施形態に係る光変調素子の製造方法(図5〜8参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
基板7上に、磁化自由層3、中間層2(21,22)、磁化固定層11,12、保護膜4(41,42)をそれぞれ形成する材料を連続して成膜する(S10)。次に、図10(a)に示すように、保護膜4上に、光変調素子1のそれぞれの中間層21および第1磁化固定層11(第1素子構造MR1)が設けられる領域を空けた(中間層22および第2磁化固定層12(第2素子構造MR2)が設けられる領域をマスクする)レジストパターンを形成する(S21)。そして、図10(b)に示すように保護膜4の上から磁化固定層11,12を形成する磁性材料にイオンを照射して、第1磁化固定層11用の磁性材料とする(S22)。
図10(e)に示すように、保護膜4上に、光変調素子1のそれぞれの素子構造MR1,MR2間の領域を空けたレジストパターンを形成する(S31)。エッチングで、図11(a)に示すように、保護膜4から磁化固定層11,12、中間層2(21,22)までを除去して磁化自由層3を露出させる(S32)。次に、図11(b)に示すように絶縁膜(絶縁部材6)を保護膜4(41,42)の上面の高さまで成膜して、図11(c)に示すようにレジストを絶縁膜ごと除去する(リフトオフ)(S34)。本変形例においては、イオン照射工程20Aおよび素子構造間分離工程S30を終えた段階で、保護膜41,42および絶縁部材6に段差がなく面一に形成される。
以降の工程は、第1実施形態と同様に行うことができる。すなわち図11(d)(平面図は図7(c)参照)に示すように、保護膜41,42および絶縁部材6上に、光変調素子1の平面視形状のレジストパターンを形成する(S41)。エッチングで、図11(e)に示すように、保護膜41,42から磁化固定層11,12、中間層21,22、磁化自由層3までを除去して基板7を露出させて、光変調素子1を形成する(S42)。そして、絶縁膜(絶縁部材6)を光変調素子1の上面(保護膜41,42の上面)の高さまで成膜して(S43)、レジストを絶縁膜ごと除去する(リフトオフ)(S44)。これにより、図11(f)に示すように、光変調素子1が形成され、上面(保護膜41,42上面)までが面一に、絶縁部材6で埋められる。最後に、電極51,52を形成して(電極形成工程S50)、第1実施形態と同様の画素アレイ80が製造される。
後記するように、空間光変調器10について、画素アレイ80のすべての画素8の光変調素子1は、磁化固定層11,12のそれぞれの磁化が所定の方向に固定されている必要があり、ここでは、第1磁化固定層11が上向きに、第2磁化固定層12が下向きに、それぞれ磁化が固定されている(図4参照)。磁化固定層11,12は電源95からの電流供給では磁化反転しないため、次の方法で光変調素子1の初期設定を行う。
次に、第1実施形態に係る光変調素子の製造方法で製造される光変調素子の磁化反転の動作を、図3を参照して説明する。図3において保護膜41,42は図示を省略する。光変調素子1において、第1磁化固定層11は上向きに、第2磁化固定層12は下向きに、それぞれ磁化が固定されている。また、磁化自由層3は、磁化方向が上向きのときには+θk、磁化方向が下向きのときには−θkの角度で、入射した光の偏光の向きを回転させる。
次に、光変調素子1の光変調の動作を、図4および適宜図3を参照して、当該光変調素子1を画素に備えた空間光変調器10を用いた表示装置にて説明する。光変調素子1に入射した光が磁性体である磁化自由層3で反射すると、磁気光学効果により、光はその偏光の向きが変化(旋光)して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が180°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図3(a)、(c)にそれぞれ示す、磁化自由層3の磁化方向が互いに180°異なる光変調素子1は、互いに逆方向に偏光面を回転させ、図4に示す左から1つ目と2つ目の光変調素子1のそれぞれにおける旋光角は−θk,+θkで表すことができる。このように、光変調素子1は、その出射光の偏光の向きを、供給される電流IWの向き(正負)に応じて変化させることで空間光変調器等の画素として機能する。なお、旋光角−θk,+θkは、光変調素子1での1回の反射による旋光(カー回転)に限られず、例えば多重反射により累積された角度も含める。
本発明の第2実施形態に係る光変調素子の製造方法について説明する。第1実施形態およびその変形例(図1〜11参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。はじめに、本実施形態に係る光変調素子の製造方法にて製造される光変調素子(以下、適宜、第2実施形態に係る光変調素子と称する)について説明する。
光変調素子1Aは、光変調素子1(図2参照)と同様に、2つのスピン注入磁化反転素子を、磁化自由層を共有して接続した構造である。すなわち、光変調素子1Aは、第1磁化固定層11、中間層21、磁化自由層3からなる第1素子構造MR1と、第2磁化固定層12、中間層22、磁化自由層3からなる第2素子構造MR2を備えるといえる(図3(a)参照)。そして、光変調素子1Aは、このような構成であるので、光変調素子1と同様に、図3に示すように、電極51,52から電流を供給されて磁化自由層3の磁化が反転する。したがって、光変調素子1Aは、その平面視形状および面積は、第1実施形態にて光変調素子1について説明した通りである。ここでは、図13(a)に示すように、光変調素子1Aは、光変調素子1(図1参照)と同様に平面視正方形である。以下、光変調素子を構成する各要素について説明する。
次に、前記の光変調素子を画素に備える空間光変調器について、図面を参照してその構成を説明する。
光変調素子1Aは、基板7A上に形成された電極51,52上に接続するように形成され、磁化自由層3が最上層(保護膜4Aを除く)に位置する。したがって、光変調素子1Aを画素に備える空間光変調器は、図13(a)、(b)に示す画素アレイ80Aに、基板7Aとは反対側である上方から入射した光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器であり、第1実施形態(図4参照)とは上下反転させて表示装置等に使用される。電流制御部90は、第1実施形態(図1参照)と同様の構成であるので、図示および説明を省略する。
光変調素子1Aは、既に説明した構成であり、説明を省略する。なお、光変調素子1Aは、電極51,52への密着性を得るために、また、中間層21,22および磁化固定層11,12の厚さが同じでない場合にその上に形成される磁化自由層3の段差を解消するために、電極51,52との間(磁化固定層11,12の下)に金属薄膜からなる下地膜を備えてもよい(図示省略)。このような下地膜は、Ta,Ru,Cu等の非磁性金属材料で、厚さ1〜10nmとすることが好ましい。下地膜は、厚さが1nm未満であると連続した膜を形成し難く、一方、10nmを超えても効果がそれ以上には向上しない。X電極51およびY電極52、ならびに絶縁部材6は、第1実施形態と同様の構成であるので説明を省略する。
基板7Aは、第1実施形態と同様に透明基板材料を適用してもよく、また、本実施形態においては、基板7Aは画素アレイ80Aの光の入出射側にないので光を透過しなくてよく、Si(シリコン)基板等を適用することができる。なお、基板7Aがガラス等の絶縁材料、あるいは表面に厚い熱酸化膜を形成されたSi基板等であれば、絶縁部材6を挟まずに、基板7A上に直接にY電極52の配線部52aを設けてよい。
本発明の第2実施形態に係る光変調素子の製造方法を、光変調素子が2次元配列された画素アレイ(図13(a)、(b)参照)の製造にて、図14〜17を参照して説明する。図15〜17においては、第1実施形態(図6〜8参照)と同様に、画素アレイ80Aを、画素8Aの2個分の部分を拡大して示す。画素アレイ80Aは、はじめに、基板7A上に電極51,52を形成し、次に電極51,52に接続するように光変調素子1Aを形成して製造される。
電極形成工程50Aは、第1実施形態における電極形成工程50と同様に、フォトリソグラフィやエッチング、リフトオフ法等の公知の方法を用いて、X電極51およびY電極52を形成する。ここで、図15(a)に示すように、電極同士の間を絶縁部材6で埋め、さらにその表面と電極51,52の表面すなわち光変調素子1Aとの接続面を面一にする。
図15(a)に示す基板7A上に設けられた電極51,52および絶縁部材6上に、光変調素子1Aを形成して画素アレイ80Aを製造する。なお、図15(b)〜(e)、図16および図17の各断面図においては、第2電極52における素子接続部52c以外、および基板7Aは図示を省略する。光変調素子1Aは、当該光変調素子1Aの磁化固定層11,12および中間層2(21,22)の各層を形成する材料を成膜する第1成膜工程S11(図14参照、以下同)、引き続き、中間層2上に仮保護膜を成膜する仮保護膜成膜工程S13、磁化固定層11,12の一部(ここでは第1磁化固定層11)にイオンを照射するイオン照射工程S20B、第1素子構造MR1と第2素子構造MR2とを分離する素子構造間分離工程S30A、仮保護膜を除去する仮保護膜除去工程S60、光変調素子1Aの磁化自由層3および保護膜4Aの各層を形成する材料を成膜する第2成膜工程S12、光変調素子1A,1A間を分離して光変調素子1Aの形状に加工する素子成形工程S40を行って製造される。工程S11,S12,S13,S30A,S40は、それぞれ公知の方法で行うことができる。
電極51,52および絶縁部材6上に、磁化固定層11,12および中間層2(21,22)をそれぞれ形成する材料(図中、各層と同じ符号で示す。以下同。)、ならびに仮保護膜を連続して成膜する(第1成膜工程S11、仮保護膜成膜工程S13。以下、符号のみを示す。)。なお、下地膜を設ける場合は最初に成膜し、磁化固定層11,12等を引き続いて成膜する。ここで、仮保護膜とは、一時的に設けられ、第1実施形態における光変調素子1の保護膜4(41,42)と同様に、製造時におけるダメージから中間層2等の層を保護するための膜であり、Ru等の前記保護膜4,4Aの材料として挙げたものが適用できる。仮保護膜は、厚さは特に規定されず、第1実施形態と同様にレジスト形成時の現像液の中間層2への含浸等によるダメージを防止できればよく、Ruを適用する場合は厚さを3nm程度とすることが好ましい。
図15(b)に示すように、仮保護膜上に、光変調素子1Aのそれぞれの中間層21および第1磁化固定層11(第1素子構造MR1)が設けられる領域を空けた(中間層22および第2磁化固定層12(第2素子構造MR2)が設けられる領域をマスクする)レジストパターンを形成する(S21)。画素アレイ80Aにおいては、隣り合う光変調素子1A,1Aの第1磁化固定層11,11同士が対向するので、2個分が連続した領域を空けたレジストパターンとなる。次に、図15(c)に示すように、レジストパターンの上からイオンの照射により減肉する分の厚さの仮保護膜の材料を成膜して、イオンを照射される領域の仮保護膜を厚膜化する(S23A、追加成膜工程)。そして、図15(d)に示すように仮保護膜の上から磁化固定層11,12を形成する磁性材料にイオンを照射して、第1磁化固定層11用の磁性材料とし(S22)、図15(e)に示すようにレジストを除去する(S24)。
図16(a)に示すように、仮保護膜上に、光変調素子1Aのそれぞれの素子構造MR1,MR2間の領域を空けたレジストパターンを形成する(S31)。エッチングで、図16(b)に示すように、仮保護膜から中間層2(21,22)、磁化固定層11,12までを除去して絶縁部材6を露出させる(S32A)。次に、図16(c)に示すように絶縁膜(絶縁部材6)および仮保護膜を成膜する(S33A)。絶縁部材6は中間層2の上面(仮保護膜との界面)の高さまで、仮保護膜はこの時点での中間層2上の仮保護膜と同じ厚さに成膜する。そして、図16(d)に示すようにレジストを絶縁膜等ごと除去する(リフトオフ)(S34)。
図16(e)に示すように、仮保護膜を全面エッチングにて除去して、中間層21,22および絶縁部材6を露出させる(S60)。このように、仮保護膜の追加成膜(S23A)により中間層21,22上の仮保護膜の厚さが揃い、さらに素子構造MR1,MR2間の絶縁部材6上にも同じ材料および厚さで仮保護膜を設けたことにより、エッチングレートが均等であるので、図16(e)に示すように、光変調素子1Aにおける2つの素子構造MR1,MR2間が分離し、絶縁部材6で面一に埋められる。
仮保護膜の除去(S60)に引き続いて、図17(a)に示すように、磁化自由層3、保護膜4Aをそれぞれ形成する材料を連続して成膜する(S12)。詳しくは、この磁化自由層3等の成膜(S12)は、仮保護膜を除去した装置の処理室(チャンバ)を大気開放せず、除去(エッチング)と成膜とを一貫で処理することが好ましい。その上に、図17(b)、(c)に示すように、光変調素子1Aの平面視形状のレジストパターンを形成する(S41)。なお、図17(b)に示す平面図において、磁化自由層3および保護膜4Aは、全面に設けられているので符号を省略する。図17(d)に示すように、エッチングで、保護膜4Aから磁化自由層3、中間層21,22、磁化固定層11,12までを除去してその下の絶縁部材6を露出させる(S42)。次に、第1実施形態と同様に、絶縁膜(絶縁部材6)を成膜して(S43)、レジストを絶縁膜ごと除去する(リフトオフ)(S44)。これにより、図17(e)に示すように、電極51,52上に接続された2つのスピン注入磁化反転素子構造MR1,MR2を備えた光変調素子1Aが形成され、上面(保護膜4A上面)までが面一に絶縁部材6で埋められる。さらにその上に絶縁膜を形成してもよい(図示省略)。
第2実施形態においては、以下の変形例により、光変調素子1Aを形成することもできる(以下、図示省略)。
第2実施形態の変形例に係る光変調素子の製造方法として、仮保護膜の材料に中間層2(21,22)を形成する材料を適用することができる。すなわち仮保護膜成膜工程S13に代えて、第1成膜工程S11において中間層2を形成する材料を、光変調素子1A完成時よりも厚く成膜すればよく、具体的にはレジスト形成の条件等に応じて10nm程度厚く成膜することが好ましい。そして、追加成膜(S23,S23A)では、同じく中間層2を形成する材料を成膜する。また、本実施形態の通り、イオン照射工程S20Bの次に素子構造間分離工程S30Aを行って、エッチング(S32A)完了時に、中間層21,22が光変調素子1A完成時の厚さであれば、その後に素子構造MR1,MR2間に埋め込む絶縁部材6のみを成膜すればよく、仮保護膜(中間層2)の成膜は不要であり、さらに仮保護膜除去工程S60を行う必要もない(図示省略)。
光変調素子1,1Aは、2つのスピン注入磁化反転素子構造、すなわち2つの磁化固定層11,12(および中間層21,22)を備える構成としたが、3つ以上備える構成の光変調素子であっても、本発明に係る製造方法を適用することができる。さらに、磁化固定層のそれぞれの保磁力の大きさも2段階(Hcp1,Hcp2)に限られず、イオン照射における電圧や時間あるいは照射回数により、あるいは材料や形状等の選択と組み合わせることにより、3段階以上とすることもできる。
第1、第2実施形態およびそれぞれの変形例に係る光変調素子の製造方法の一連の工程(S10〜S40)の前または後に、電極形成工程S50,S50A以外にさらに工程を行うことで、画素アレイを以下に示す態様とすることができる(以下、図示省略)。
1,1A,1B 光変調素子
11 第1磁化固定層
12 第2磁化固定層
2,21,22 中間層
3 磁化自由層
4,41,42,4A 保護膜
51 第1電極、X電極(電極)
52,52A 第2電極、Y電極(電極)
7,7A 基板
80,80A,80B 画素アレイ
8,8A 画素
Claims (6)
- 基板上に形成され、磁化自由層および磁化固定層を中間層を挟んで積層したスピン注入磁化反転素子構造を備え、面方向に分離した2以上の前記磁化固定層がそれぞれ前記中間層を挟んで前記磁化自由層に設けられた光変調素子の製造方法であって、
前記2以上の磁化固定層の少なくとも1つにイオンを照射するイオン照射工程を行うことを特徴とする光変調素子の製造方法。 - 前記イオン照射工程の前に、前記基板上に、前記磁化自由層、前記中間層、前記磁化固定層、保護膜の順に、それぞれを形成する材料を成膜して積層する成膜工程を行い、
前記イオン照射工程は、前記少なくとも1つの磁化固定層に積層された前記保護膜の上から、前記イオンを照射することを特徴とする請求項1に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記基板上に前記磁化固定層を形成する材料を成膜する第1成膜工程と、前記材料の上に前記磁化固定層の保護膜として仮保護膜を成膜する仮保護膜成膜工程と、前記イオン照射工程と、前記仮保護膜を除去する仮保護膜除去工程と、前記磁化自由層を形成する材料を成膜する第2成膜工程と、を行い、
前記第1成膜工程または前記第2成膜工程は、前記中間層を形成する材料をさらに成膜し、
前記イオン照射工程は、前記少なくとも1つの磁化固定層の上に設けられた前記仮保護膜の上から、前記イオンを照射することを特徴とする請求項1に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記少なくとも1つの磁化固定層の上に設けられた前記保護膜に、前記保護膜を形成する材料を成膜して積層し、前記イオン照射工程の後において前記磁化固定層のすべての上に設けられた前記保護膜を同じ厚さとする追加成膜工程をさらに行うことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の光変調素子の製造方法。
- 前記磁化固定層、前記中間層の順にそれぞれを形成する材料を前記基板上に成膜して積層する第1成膜工程と、前記イオン照射工程と、前記磁化自由層を形成する材料を成膜して前記中間層に積層する第2成膜工程と、を行い、
前記イオン照射工程は、前記少なくとも1つの磁化固定層に積層された前記中間層の上から、前記イオンを照射することを特徴とする請求項1に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記第2成膜工程の前に、前記少なくとも1つの磁化固定層の上に設けられた前記中間層に、前記中間層を形成する材料を成膜して積層する追加成膜工程をさらに行うことを特徴とする請求項5に記載の光変調素子の製造方法。
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