JP2013257437A - 光変調素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間光変調器の画素としたときに開口率を大きくすることができる、光変調部の面積の大きな光変調素子について、簡易な製造方法を提供する。
【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

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器の光変調素子の製造方法に関する。

空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これをマトリクス状に２次元配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。

磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または反射する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射する、ファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。すなわち、空間光変調器は、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を異なるものとして、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式や、光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献１）がある。

磁界印加方式の空間光変調器は、各光変調素子の外周に沿って磁界を発生させるための電極（配線）を備えるので、画素サイズが数μｍ以上になり、さらなる微細化が困難である。また、磁界印加方式の空間光変調器は、印加磁界により隣の画素の光変調素子が追随して磁化反転しないように、光変調素子同士の間隔を十分に空ける必要があり、画素の開口率にも限界がある。これに対してスピン注入方式の光変調素子は、具体的には、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子やＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子等の、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）にも適用されるスピン注入磁化反転素子を適用することができる。このようなスピン注入磁化反転素子は、膜面に垂直に電流を供給してスピンを注入するので、上下に接続された配線を狭ピッチ化して、１μｍ以下といういっそうの微細化を可能とする。

一方で、前記のスピン注入磁化反転素子は、一辺３００ｎｍ程度以下としないと好適に動作（スピン注入磁化反転）し難いが、光変調素子（光変調部）は一辺５００ｎｍ程度以上とすることが求められ、それよりも小さいと入射光の波長によっては適用が困難である。そこで、細線加工された磁性体（磁性細線）を光変調素子とする空間光変調器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、磁性細線においては、２以上の磁区が細線方向に区切られて形成され易く、これらの磁区を区切る磁壁が当該磁性細線に電流を細線方向に供給することにより移動するという磁壁移動を利用している。磁性細線は、幅方向に単磁区を形成する太さ（３００ｎｍ程度）まで拡張が可能であり、細線方向を空間光変調器の面内方向（光の入射面）における一方向として配列することで、面積を拡張した光変調素子となる。

また、本願発明者らは、磁化自由層の両面にそれぞれ中間層を挟んで磁化固定層を積層して２つの磁化固定層が１つの磁化自由層を共有するデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（例えば、特許文献３参照）について、１つの磁化自由層の上下に配置していた磁化固定層を２つ共、磁化自由層の同じ側の面に、面方向に離間して積層した並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子（特許文献４参照）を開発した。並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、一対の電極を２つの磁化固定層に接続すれば、磁化自由層を底部として断面視Ｕ字型の電流経路を形成し、スピン注入磁化反転動作をさせることができる。そのため、並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子は、平面視面積を従来のスピン注入磁化反転素子の２倍に拡張することができ、画素の有効領域を広くすることができる。さらに並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、いずれの電極も磁化自由層の側に設けられないので、磁化自由層の側から光を入射して反射させることにより、電極が光を遮ることがなく、導電性に劣る透明電極材料を適用しなくてよい。

特許第４８２９８５０号公報 特許第４９３９４８９号公報 特許第４９３９５０２号公報 特開２０１２−７８５７９号公報

C. Chappert, et al. "Planar Patterned Magnetic Media Obtained by Ion Irradiation", Science, Vol.280, p.1919, 1998 B. D. Terris, et al. "Ion-beam patterning of magnetic films using stencil masks", Appl. Phys. Lett., Vol.75, p.403, 1999 R. Hyndman, et al. "Modification of Co/Pt multilayers by gallium irradiation - Part 1: The effect on structural and magnetic properties", J. Appl. Phys., Vol.90, p.3843, 2001 E. Suharyadi, et al. "Microstructures and Magnetic Properties of the FIB Irradiated Co-Pd Multilayer films", IEEE Trans. Magn., Vol.41, p.3595, 2005 E. Suharyadi, et al. "Magnetic Properties of Patterned Co/Pd Nanostructures by E-Beam Lithography and Ga Ion Irradiation", IEEE Trans. Magn., Vol.42, p.2972, 2006 T. Kato, et al. "Planar patterned media fabricated by ion irradiation into CrPt3 ordered alloy films", J. Appl. Phys., Vol.105, No.7, 07C117, 2009 T. Kato, et al. "Modification of magnetic properties and structure of Kr+ ion-irradiated CrPt3 films for planar bit patterned media", J. Appl. Phys., Vol.106, No.5, 053908, 2009

特許文献２の光変調素子に適用された磁性細線は、簡易な構成であるものの、磁壁を挟んで光変調領域（有効領域）における磁化方向と異なる磁化方向の磁区が形成されている必要があるため、このような光変調素子では、一定以上の非有効領域を確保するために画素の開口率に限界がある。また、単体の磁性体である磁性細線では、磁壁（２以上の磁区）が形成された状態を維持して動作させることに、安定性の点で改善の余地がある。

これに対して、特許文献４の光変調素子に適用された並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、２つの磁化固定層により安定した磁化反転動作を可能とするが、磁化自由層に対して同じ側の面に磁化方向の異なる２以上の磁化固定層を設ける必要がある。磁化固定層は、電流の供給では磁化方向が変化しないような保磁力の大きな磁性材料で形成されるので、外部からの磁界印加（初期設定）により磁化方向を所定の向きにする。したがって、１つの空間光変調器において、異なる２つの磁化方向とするために、２つの磁化固定層を互いの保磁力の大きさが異なるように磁性材料や膜厚等が異なる構造として、２段階の磁界印加を行ったり、交換結合した磁性膜を備えた多層構造とすることで、１回の磁界印加で互いに反平行な磁化方向に固定する。しかしながら、これらの構造のいずれにおいても、異なる磁化方向に固定される磁化固定層は、材料や積層構造を異なるものとする必要があり、このようなスピン注入磁化反転素子は、領域を分けて磁性材料を成膜する等、製造工程が煩雑なものとなる。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子について、複数の磁化固定層を互いに異なる磁化方向に固定することが容易な光変調素子の、簡易な製造方法を提供することが課題である。

本願発明者らは、磁気記録媒体の分野において、高記録密度化のために、垂直磁気異方性の磁性膜をエッチングせず、マスクパターンの上からＧａやＫｒ等のイオンビームを照射することで、保磁力や垂直磁気異方性を低減、さらには消失させて面内でパターン形成する技術が開発されていることに着目した（非特許文献１〜７）。これらの技術によれば、イオンの照射量により保磁力の大きさ（低下量）が変化するため、一体に成膜した磁性材料を領域毎に異なる大きさの保磁力とすることができる。

さらに、本願発明者らは、実験にて、垂直磁気異方性材料であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金で形成した磁性膜に１７０℃の真空アニールを施すと保磁力が低減することを知見し、アニールに代えてイオンビームを照射することで局所的に高温にして、保磁力を低減させることに想到した。

すなわち、本発明に係る光変調素子の製造方法は、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を製造する方法である。そして、光変調素子の製造方法においては、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とした。

かかる手順の光変調素子の製造方法では、イオン照射工程にて磁化固定層の少なくとも１つにイオンを照射すると、この磁化固定層が他の磁化固定層よりも保磁力が小さくなる。これにより、一体に成膜した磁性膜を保磁力の異なる２以上の磁化固定層にして、これらの磁化固定層を同一面内に備えた光変調素子を製造することができる。

また、本発明に係る光変調素子の製造方法は、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うことができる。かかる光変調素子の製造方法は、前記イオン照射工程において、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とした。

また、本発明に係る光変調素子の製造方法は、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、を行ってもよく、この場合は、前記第１成膜工程または前記第２成膜工程において、前記中間層を形成する材料をさらに成膜する。かかる光変調素子の製造方法は、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としてもよい。

そして、本発明に係る光変調素子の製造方法は、前記基板上に前記磁化固定層、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、を行うことができる。かかる光変調素子の製造方法は、前記イオン照射工程において、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としてもよい。

かかる手順の光変調素子の製造方法では、イオン照射工程にて、イオンをイオンビームとして照射しても、磁化固定層に直接にイオンビームが衝突しないので、磁化固定層を減肉させずに保磁力を低減させることができる。

また、本発明に係る光変調素子の製造方法は、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が好ましい。あるいは、本発明に係る光変調素子の製造方法は、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が好ましい。

かかる手順の光変調素子の製造方法では、保護膜や中間層がイオンを照射されて減肉しても、追加成膜工程にて回復させることができる。

本発明に係る光変調素子の製造方法によれば、複数の磁化固定層を互いに異なる磁化方向に固定することが容易な並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を、簡易な方法で製造することができる。

本発明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を搭載した空間光変調器の底面図であり、空間光変調器の構成を説明する模式図である。 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の断面構造を説明する模式図であり、図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明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の断面図で、磁化反転動作を説明する模式図である。 図１に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当し、（ｃ）は（ｄ）における平面図である。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明の第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フローチャートである。 本発明の第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模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明の第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模式図であり、（ａ）〜（ｆ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の製造方法にて製造される光変調素子の断面構造を説明する模式図であり、図１３（ａ）のＢ−Ｂ部分断面図に相当する。 本発明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を搭載した空間光変調器の画素アレイの模式図であり、（ａ）は第２実施形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は第２実施形態の変形例で（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ部分断面図に相当する。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ部分断面図に相当する。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）、（ｃ）〜（ｅ）は図１３（ａ）のＢ−Ｂ部分断面図に相当し、（ｂ）は（ｃ）における平面図である。 本発明の実施例に係る光変調素子のサンプルによる、磁化固定層の保磁力のイオン照射ビーム電圧依存性を示すグラフである。

以下、本発明に係る光変調素子の製造方法を実現するための形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
（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。

図２に示すように、光変調素子１は、１つの磁化自由層３と、２つの中間層２１，２２と、２つの磁化固定層１１，１２（第１磁化固定層、第２磁化固定層）と、を積層して備える。この光変調素子１は、光を透過する基板７上に形成された磁化自由層３の上に、２つの中間層２１，２２を互いに離間して面方向に並べて積層し、中間層２１上に第１磁化固定層１１を、中間層２２上に第２磁化固定層１２を、それぞれ積層して備える。光変調素子１は、さらに、磁化固定層１１，１２のそれぞれの上に保護膜４１，４２を積層して備える。この光変調素子１は、ここでは断面視凹字型である。図２に示す光変調素子１は、基板７上に形成され、また、第１電極（電極）５１、第２電極（電極）５２が一対の電極として、保護膜４１，４２を介して２つの磁化固定層１１，１２に接続されている。なお、中間層２１，２２、磁化固定層１１，１２、保護膜４１，４２は、図２やその他図面の断面図においてはそれぞれ同じ厚さかつ同じ高さ位置で示しているが、厚さおよび高さ位置を同じとすることを規定するものではなく、互いに異なる厚さで、また異なる高さ位置に形成されてよい。

平面視においては、図１に示すように、光変調素子１は正方形（矩形）である。したがって、磁化自由層３は光変調素子１と同じ正方形である。一方、中間層２１，２２および磁化固定層１１，１２は、長辺が光変調素子１（磁化自由層３）と同じ長さの長方形（図１において網掛けを付した領域）であり、それぞれ短辺方向（図１、図２における横方向）に２つを離間して並べられている。平面視における大きさについては、光変調素子１が後記する磁化反転動作を好適に行うために、磁化固定層１１，１２およびその下の中間層２１，２２のそれぞれが、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下であることが好ましく、一般的なスピン注入磁化反転素子の一個の大きさである３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることがさらに好ましい。一方、光変調素子１の全体の、すなわち磁化自由層３の面積は特に規定されず、磁化固定層１１，１２の各面積の合計よりも膜面方向に拡張されても、後記するように磁化反転させることができる。具体的には、光変調素子１は、空間光変調器の画素アレイ（図１参照）として２次元配列されたときに、隣り合う光変調素子１，１同士が間隔を設けて絶縁されていればよい。

光変調素子１は、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１は、第１磁化固定層１１、中間層２１、磁化自由層３からなるスピン注入磁化反転素子構造（以下、適宜、第１素子構造ＭＲ１と称する）と、第２磁化固定層１２、中間層２２、磁化自由層３からなるスピン注入磁化反転素子構造（以下、適宜、第２素子構造ＭＲ２と称する）を備えるといえる（図３（ａ）参照）。

素子構造ＭＲ１，ＭＲ２は、磁化の方向が固定された磁化固定層１１，１２および磁化の方向が回転可能な磁化自由層３を、非磁性または絶縁体である中間層２１，２２を挟んで備えたＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant Magneto-Resistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子等のスピン注入磁化反転素子構造である。さらに、光変調素子１は、光変調素子１の製造時におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護膜４１，４２が設けられている。以下、光変調素子を構成する各要素について、詳細に説明する。

（磁化固定層）
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。

また、磁化自由層３の磁化方向が回転しても磁化固定層１１，１２の磁化が固定されているように、磁化固定層１１，１２は、その保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂が磁化自由層３の保磁力Ｈcfよりも十分に大きくなるように、それぞれの材料を選択したり、磁化自由層３よりも厚く形成される。具体的には、磁化固定層１１，１２の厚さは３〜５０ｎｍの範囲において設計されることが好ましい。

磁化固定層１１，１２は、互いに反対方向の磁化に固定されるので、このような磁化方向とする初期設定を容易にするために、保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂が磁化自由層３の保磁力Ｈcfよりも大きいことに加えて、互いに異なる大きさになるように設計される。ここでは、第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂がより大きい、すなわちＨcf＜＜Ｈcp₁＜Ｈcp₂とする。ここでは、磁化固定層１１，１２は、材料および厚さ等の形状を同じとして、一方のみにイオンを照射される、または互いに異なる照射量でイオンを照射されることにより、互いに異なる大きさの保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂とする。以下に、磁化固定層１１，１２に好適な、イオン照射により保磁力が変化する磁性材料について説明する。

Ｃｏ／Ｐｔ多層膜やＣｏ／Ｐｄ多層膜は、Ｇａ等のイオンを照射されると、Ｃｏ膜とＰｔ膜との（またはＣｏ膜とＰｄ膜との）界面に作用して保磁力が低下すると推測されている（例えば、非特許文献１〜５参照）。また、Ｌ１₂規則合金のＣｒＰｔ₃は、Ｋｒ，Ａｒイオンを照射されると、不規則相のｆｃｃ構造に変化することで保磁力が低下すると推測されている（例えば、非特許文献６，７参照）。このように、これらの磁性材料は、イオンが照射されることで構造が変化し、いずれもイオン数が多いほど保磁力が小さくなるため、照射条件を調整することにより、照射領域における保磁力を制御することができる。

ＲＥ−ＴＭ合金であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（ＴｂＦｅＣｏ）は、アモルファス合金であり、大きな保磁力を示すが、熱処理により部分的に結晶化することで磁気特性が変化すると推測される。以下に、真空アニールによる保磁力の変化について観察した結果を説明する。ガラス基板上に、スピン注入磁化反転素子を模して、磁化自由層：ＧｄＦｅ（９ｎｍ）、中間層：Ａｇ（６ｎｍ）、磁化固定層：ＴｂＦｅＣｏ（１０ｎｍ）、保護層：Ｒｕ（３ｎｍ）を、イオンビームスパッタリング法にて連続して成膜し、平面視１０ｍｍ×１０ｍｍの積層膜のサンプルを作製した。このサンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界との関係から保磁力を同定した。さらに、サンプルを１７０℃で真空アニールし、同様に保磁力を同定した。

ＴｂＦｅＣｏ（磁化固定層）が磁化反転する印加磁界、すなわち保磁力は、アニール前のサンプルの保磁力５．７ｋＯｅに対して、１７０℃の真空アニールにより、約１．５ｋＯｅ減少した。

このようなＲＥ−ＴＭ合金の結晶化はイオン照射によっても可能であり、特にイオン照射によれば、レジストマスクを介することで所望の領域を限定して結晶化することができる。そして、この場合は、イオン照射におけるエネルギーの大きさで保磁力を制御すればよい。詳しくは、後記の製造方法にて説明する。

（磁化自由層）
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。

また、前記した通り、磁化自由層３は、保磁力Ｈcfが磁化固定層１１，１２の保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂よりも小さくなるように、材料を選択したり、磁化固定層１１，１２よりも薄く形成される。具体的には、磁化自由層３の厚さは１〜２０ｎｍの範囲において設計されることが好ましい。

（中間層）
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）
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。

光変調素子１は、中間層２１，２２を、磁化固定層１１，１２と平面視同一形状として互いに離間させて設けているがこれに限られず、離間させずに設けることもできる。詳しくは、中間層２１，２２の両方が絶縁体のみからなる場合は、このような２つの中間層２１，２２同士が接触していてもよく、特に同じ絶縁体材料からなるのであれば、磁化自由層３と同様に一体に設けてもよい（図示省略）。

（空間光変調器）
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）。

本実施形態では、画素アレイ８０は、説明を簡潔にするために、４行×４列の１６個の画素８からなる構成で例示される。画素アレイ８０は、平面（底面）視でＹ方向（図１における縦方向）に延設された４本の第１電極５１と、平面視で第１電極５１と直交するＸ方向（図１における横方向）に延設された４本の第２電極５２と、を備える。

ここで、前記した通り、空間光変調器１０の画素８に設けられた光変調素子１は、同一面に離間して形成された磁化固定層１１，１２のそれぞれに電極５１，５２を一対の電極として接続される。また、画素アレイ８０において、光変調素子１は、磁化固定層１１，１２の並び方向をＸ方向にして配置されている。そのため、この並び方向に直交したＹ方向に延設されて第１磁化固定層１１に接続する第１電極５１は、隣の（右側のまたは左隣の光変調素子１の）第２磁化固定層１２に接触しない程度の幅の帯状の配線に形成され、図２および図４に示すように、光変調素子１上に直接に接続する高さ位置に設けられる。一方、Ｘ方向に延設されて第２磁化固定層１２に接続する第２電極５２は、光変調素子１と同じまたはそれよりも幅の広い帯状の配線（配線部５２ａ）が、第１磁化固定層１１と第１電極５１との接続を妨げないように、かつ第１電極５１と短絡しないように、第１電極５１の上（光変調素子１から離れた側）に層間絶縁膜（絶縁部材６）を挟んで設けられる。そして、配線部５２ａは、第２磁化固定層１２の直上の領域に形成された接続部５２ｃに、層間接続部５２ｂ（コンタクト）で接続する。このように、画素アレイ８０において、電極５１，５２は互いに直交して、列単位、行単位で画素８に共有されて設けられるため、適宜、第１電極５１をＸ電極５１、第２電極５２をＹ電極５２と称する。さらに、画素アレイ８０は、隣り合う光変調素子１，１間、Ｘ電極５１，５１間、Ｙ電極５２，５２間、およびＸ電極５１とＹ電極５２との層間に、すなわち図２において空白で表された領域に、絶縁部材６が形成されている。以下、空間光変調器を構成する各要素について説明する。

（光変調素子）
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。

（電極）
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）
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）
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。

（電流制御部）
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。

［光変調素子の製造方法］
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。

（光変調素子の形成）
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。

（成膜工程、素子構造間分離工程）
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）。

（イオン照射工程）
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）。

イオンの照射には、例えば公知のイオンビームスパッタ装置やイオンビームミリング装置を用いることができる。イオン種としては、Ｎ，Ｇａ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅが挙げられ、特に原子サイズがある程度大きいＧａ，Ｋｒが好ましい。小さい（軽い）イオンは照射対象物の深部まで到達し易いため、第１磁化固定層１１のような厚さ数十ｎｍ以下の薄膜への照射には、ある程度大きい（重い）方が好ましい。イオン種および照射条件は、第１磁化固定層１１の磁性材料および保磁力の目標値に応じて選択される（例えば、非特許文献１〜７参照）。保磁力の低下が少ないと、磁化固定層１１，１２間で保磁力の差が小さく、２段階の磁界印加により互いに異なる磁化方向に固定することが困難である。反対に、保磁力が減少し過ぎると、磁化固定層として保磁力が小さくなり過ぎる。

例えばＴｂＦｅＣｏであれば、前記したように、イオン照射によるエネルギーが大きいほど保磁力の低下が大きくなり、２４０〜３６０Ｊ程度とすることが好ましい。そのためには、照射時間６０秒間として、ビーム電圧（加速電圧）がエッチング等の一般的な処理よりも低い２００〜３００Ｖ程度とすることが好ましい。また、ビーム電圧が高くなると、磁化固定層１１，１２の下に設けられた磁化自由層３に影響する虞がある。

イオンビームにはスパッタ作用があるため、イオンを照射された領域は、図７（ａ）に示すように保護膜４（４１）が減肉する。照射条件にもよるが、イオン照射による保護膜４のエッチング（減肉）厚さは数ｎｍ以下である。したがって、成膜工程Ｓ１０において、従来の光変調素子よりも保護膜４を形成する材料を厚く形成して、光変調素子１の完成時（電極５１，５２との接続時）まで、十分に残存するようにする。

（素子成形工程）
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。

（電極形成工程）
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。

同様に、絶縁膜および金属電極材料の成膜ならびにエッチング等により、Ｙ電極５２の接続部５２ｃに接続する層間接続部５２ｂおよび配線部５２ａを形成して、Ｙ電極５２を完成させる（図２参照）。

このような製造方法によれば、並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子であって、一体に成膜された磁性材料から形成されて保磁力の大きさが異なる磁化固定層１１，１２を備える光変調素子１、および光変調素子１に接続する電極５１，５２を備えた画素８が２次元配列された画素アレイ８０を、基板７上に形成することができる。なお、本実施形態によれば、光変調素子１の完成時（図７（ｅ）参照）において、上面すなわち保護膜４１，４２間に段差が形成されているが、前記した通り、保護膜４１のイオン照射（Ｓ２２）時のエッチングによる保護膜４２との厚さの差は数ｎｍ以下である。したがって、その後の光変調素子１，１間への絶縁膜の成膜（絶縁部材６の埋込み）（図８（ａ）、（ｂ）参照）、さらに電極形成工程Ｓ５０における光変調素子１上への絶縁膜の成膜（図８（ｃ）参照）およびこの絶縁膜へのコンタクトホールの形成（図８（ｄ）参照）に影響はない。図面（段面図）においては、説明のために、実際の大きさに対して光変調素子１およびその各層の厚さを大きく表している。

（変形例）
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。

（成膜工程、イオン照射工程）
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）。

第１実施形態において説明した通り、イオンの照射により、図１０（ｂ）に示すように保護膜４（４１）が減肉する。本変形例では、図１０（ｃ）に示すように、レジストパターンの上から減肉分の厚さの保護膜４の材料を成膜して、イオンを照射されていない領域と保護膜４の厚さを一致させてから（Ｓ２３、追加成膜工程）、図１０（ｄ）に示すようにレジストを追加した保護膜４ごと除去する（リフトオフ）（Ｓ２４）。

（素子構造間分離工程）
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。

（素子成形工程）
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。

本変形例では、イオン照射（Ｓ２２）により減肉した保護膜４（４１）を追加成膜（Ｓ２３）により回復させるため、成膜工程Ｓ１０にて保護膜４を厚膜化する必要がなく、イオンを照射されない領域における保護膜４（４２）が不要に厚くなることもない。さらに本変形例では、素子構造間分離工程Ｓ３０の前に、イオン照射（Ｓ２２）で減肉した保護膜４（４１）を追加成膜（Ｓ２３）により回復させて、保護膜４（４１，４２）全体を面一にしたため、第１実施形態と同様に、中間層２と磁化自由層３との界面まで均一にエッチング（Ｓ３２）することができる。なお、本変形例では、イオン照射（Ｓ２２）後に保護膜４を追加成膜（Ｓ２３）したが、レジストパターンの形成（Ｓ２１）後、先に保護膜４を追加成膜して、イオンを照射される領域において予め保護膜４を厚膜化してもよい（後記の第２実施形態参照）。

第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子の製造方法で製造される光変調素子１は、中間層２１，２２が離間して磁化固定層１１，１２と同じ平面視形状に形成されているが、前記した通り、中間層２１，２２が共に絶縁体のみからなる光変調素子であれば、中間層２１，２２を離間させる必要はなく、さらには一体としてもよい。このような光変調素子を製造する場合は、素子構造間分離工程Ｓ３０のエッチング（Ｓ３２）において、磁化固定層１１，１２を除去して中間層２（２１，２２）を露出させればよい。また、前記変形例のように先にイオン照射工程Ｓ２０を行った場合であっても、減肉による保護膜４（４１，４２）の段差が中間層２（２１，２２）の厚さよりも小さければ、保護膜４（４１）の追加成膜（Ｓ２３）なしで素子構造間分離工程Ｓ３０を行ってもよい。エッチング（Ｓ３２）により、磁化自由層３が削られることなく、磁化固定層１１，１２を完全に除去することができるからである。この場合は、第１実施形態と同様に、成膜工程Ｓ１０において、保護膜４を十分な厚さで成膜する。

（光変調素子の初期設定）
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。

本実施形態に係る光変調素子１は、第１磁化固定層１１の保磁力Ｈcp₁よりも第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂が大きい（Ｈcp₁＜Ｈcp₂）。そのため、まず、画素アレイ８０に、Ｈcp₂よりも大きい外部磁界を印加して、すべての磁化固定層１１，１２の磁化を下向きにする。次に、Ｈcp₂よりも小さくかつＨcp₁よりも大きい外部磁界を印加して、第１磁化固定層１１の磁化を上向きにする。なお、この２段階の磁界印加は、完成した（製造後の）画素アレイ８０に限られず、画素アレイ８０の製造工程途中において磁化固定層１１，１２用の磁性膜材料にイオンを照射して、保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂を設定した（イオン照射工程Ｓ２０におけるイオンの照射（Ｓ２２））後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。

（光変調素子の磁化反転動作）
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。

まず、磁化自由層３を図３（ａ）に示す下向きの磁化から、図３（ｃ）に示す上向きの磁化に反転させる光変調素子１の動作を説明する。図３（ｂ）に示すように、電源９５から電流−Ｉ_Wを供給して、第１磁化固定層１１に接続した第１電極５１を「−」に、第２磁化固定層１２に接続した第２電極５２を「＋」にして、第１磁化固定層１１側から電子を注入する。すると、第１磁化固定層１１により当該第１磁化固定層１１の磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄ₂が弁別されて、第１電極５１からは上向きのスピンを持つ電子ｄ₁のみが第１磁化固定層１１に注入され、さらに中間層２１を介して磁化自由層３に注入される。磁化自由層３においては、電子ｄ₁の上向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層３の内部電子のスピンが反転し、第１磁化固定層１１の直下の領域から磁化が上向きへ反転する。さらに、磁化自由層３に注入された電子ｄ₁は、磁化が逆方向の第２磁化固定層１２により弁別されるために磁化自由層３に留まり、その結果、図３（ｃ）に示すように、磁化自由層３は、磁化固定層１１，１２が積層された領域だけでなく、これら２つの領域に挟まれた領域も含めて、すなわち全体が、第１磁化固定層１１の磁化方向と同じ上向きの磁化を示す状態に変化（磁化反転）する。

次に、磁化自由層３を図３（ｃ）に示す上向きの磁化から、図３（ａ）に示す下向きの磁化に反転させる光変調素子１の動作を説明する。前記の図３（ｂ）に示す動作とは反対に、図３（ｄ）に示すように、電源９５から電流＋Ｉ_Wを供給して、第１電極５１を「＋」に、第２電極５２を「−」にして、第２磁化固定層１２側から電子を注入する。すると、磁化自由層３には下向きのスピンを持つ電子ｄ₂のみが中間層２２を介して注入され、電子ｄ₂の下向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層３の内部電子のスピンが反転し、第２磁化固定層１２の直下の領域から磁化が下向きへと反転する。さらに、磁化自由層３に注入された電子ｄ₂は、磁化が逆方向の第１磁化固定層１１により弁別されるために磁化自由層３に留まり、その結果、磁化自由層３は、図３（ａ）に示すように、全体が第２磁化固定層１２の磁化方向と同じ下向きの磁化を示す状態に変化（磁化反転）する。

このように、本実施形態における光変調素子１は、磁化自由層３の同じ側の面、図３では上側の面に中間層２１，２２を挟んで積層された、磁化方向が互いに反平行な２つの磁化固定層１１，１２のそれぞれに一対の電極５１，５２を接続して電流−Ｉ_W（または＋Ｉ_W）を供給することで、断面視Ｕ字型の電流経路が形成されて磁化自由層３の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができる。したがって、光変調素子１は、２つのスピン注入磁化反転素子構造のそれぞれすなわち磁化固定層１１，１２および中間層２１，２２を、磁化反転に好適な小さな面積として、共有される磁化自由層３において電流が流れる膜面方向に磁壁が移動して磁化反転するので、この磁化自由層３を大きな面積に形成することができる。また、光変調素子１は、２つの磁化固定層１１，１２によるスピン注入駆動のため、磁化反転動作が安定したものとなる。なお、電流−Ｉ_W，＋Ｉ_Wの大きさ|Ｉ_W|は、光変調素子１の磁化自由層３を磁化反転させる電流（磁化反転電流Ｉ_STSと称する）以上であればよい。この磁化反転電流Ｉ_STSは、光変調素子１の２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の磁化反転電流であり、素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の面積、各層の材料や厚さ等によって決定される。

なお、図３（ａ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、光変調素子１は、磁化自由層３が下向きの磁化を示すときに電流＋Ｉ_Wを供給されたり、反対に磁化自由層３が上向きの磁化を示すときに電流−Ｉ_Wを供給されても、磁化自由層３の磁化方向は変化しない。また、光変調素子１は、磁化自由層３の磁化方向が上または下に一様であるときに電流供給を停止されても、磁化自由層３自体の保磁力Ｈcfにより磁化方向が変化することはない。したがって、光変調素子１の駆動電流として、パルス電流のように磁化方向を反転させる電流値（≧Ｉ_STS）に一時的に到達する電流を用いることができる。したがって、空間光変調器１０において、電流制御部９０に備えられる電源９５（図１参照）は、正または負の電流（＋Ｉ_W／−Ｉ_W）を、直流パルス電流として、電極５１，５２を介して光変調素子１に供給する。

（光変調素子の光変調動作）
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Ｉ_W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。

本発明に係る光変調素子は、前記した通り、空間光変調器の画素として２次元配列されて設けられる。ここで、多数の画素が２次元状に規則的に配列された構造を有する空間光変調器は、平行な波面を有して直進する光が各画素に入射すると、当該画素の端部でその光の進む方向が曲げられ（回折現象）、出射した光による干渉効果（波の強め合いと弱め合い）によって、光の強め合う方向が複数本に分離する。この回折現象により、入射光の直進方向に対して回折角φ_nの角度に曲げられた±１次、±２次、・・・、±ｎ次の回折光が生じる（ｎは、０または自然数）。回折角φ_nは、入射光の波長λおよび画素ピッチｐに依存する。空間光変調器をホログラフィ装置に応用する際には、一般的には１次回折光が用いられる。ｎ＝０における０次回折光は、反射型の空間光変調器においては、入射角と同一角度で反射する反射光と等価である（透過型の空間光変調器の場合は、入射光の直進方向と同一方向の透過光と等価である）。したがって、本明細書において、光変調素子（空間光変調器の画素）から出射した反射光（出射光）とは、前記のｎ次回折光も含まれるものとして説明する。この回折光においても、磁性体（磁化自由層）の磁化方向に応じて、ファラデー効果またはカー効果による偏光の向きの変化（旋光）が生じる。

光変調素子１は、光の偏光面を回転させて出射することから、表示装置は、前記した従来のスピン注入磁化反転素子を光変調素子としたもの（特許文献１参照）と同様の構成とすればよい。空間光変調器１０は反射型であり、また、その光変調部となる光変調素子１の磁化自由層３は、透明な基板７上に設けられ、また垂直磁気異方性材料からなり磁化方向が上向きまたは下向きを示すため、表示装置は以下の構成とすることが好ましい。空間光変調器１０の画素アレイ８０の下方には、画素アレイ８０に向けて光（レーザー光）を照射する光源等を備える光学系ＯＰＳと、光学系ＯＰＳから照射された光を画素アレイ８０に入射する前に１つの偏光成分の光（以下、入射光）にする偏光子（偏光フィルタ）ＰＦｉと、この下方から画素アレイ８０に入射した入射光が画素アレイ８０で反射して出射した出射光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光子（偏光フィルタ）ＰＦｏと、偏光子ＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤとが配置される。

光学系ＯＰＳは、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を画素アレイ８０の全面に照射する大きさに拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光にするレンズで構成される（図示省略）。光学系ＯＰＳから照射された光（レーザー光）は様々な偏光成分を含んでいるため、この光を画素アレイ８０の手前の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光にする。偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段である。

光学系ＯＰＳは、平行光としたレーザー光を、画素アレイ８０へ照射する。ここで、光変調素子１の磁化自由層３の磁気光学効果は、光の入射角が磁化自由層３の磁化方向に平行に近いほど大きい。したがって、入射角は膜面に垂直すなわち０°とすることが光変調度を最大とする上で望ましいが、このようにすると、出射光の光路が入射光の光路と一致する。そこで、入射角を少し傾斜させて、偏光子ＰＦｏおよび検出器ＰＤ、光学系ＯＰＳおよび偏光子ＰＦｉが、それぞれ入射光および出射光の光路を遮らない配置となるようにする。具体的には、入射光の入射角は３０°以下とすることが好ましい。レーザー光は偏光子ＰＦｉを透過して１つの偏光成分の入射光となり、画素アレイ８０の下方からすべての画素８に向けて入射する。入射光は、基板７を透過してそれぞれの画素８の光変調素子１で反射して、当該画素８から出射光として出射し、再び基板７を透過する。

出射光は偏光子ＰＦｏによって特定の１つの偏光成分の光、ここでは入射光に対して＋θk旋光した光が遮光され、偏光子ＰＦｏを透過した光が検出器ＰＤに入射する。したがって、光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が上向きである画素８からの出射光は偏光子ＰＦｏで遮光されるため、この画素８は暗く（黒く）、検出器ＰＤに表示される。一方、入射光に対して−θk旋光した光すなわち光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が下向きである画素８からの出射光は、偏光子ＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達するため、この画素８は明るく（白く）検出器ＰＤに表示される。

このように、空間光変調器１０は、画素８毎に明／暗（白／黒）を切り分けられる。そして、電流制御部９０により、各画素８に供給する電流の向き（＋Ｉ_W／−Ｉ_W）を切り換えれば、それぞれの光変調素子１の磁化自由層３の磁化が所望の方向となるので、明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１０の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素８の光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が下向きにするべく、電源９５からすべての画素８に電流＋Ｉ_Wを供給すればよい（図３（ｄ）、（ａ）参照）。

以上のように、第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子の製造方法によれば、１つの磁化自由層上の同一面内に、それぞれ異なる保磁力の２以上の磁化固定層を設けた光変調素子を、簡易な方法で基板上に形成することができる。

［第２実施形態］
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。

図１２に示すように、光変調素子１Ａは、磁化固定層１１，１２（第１磁化固定層、第２磁化固定層）と、２つの中間層２１，２２と、１つの磁化自由層３と、を積層して備える。この光変調素子１Ａは、２つの磁化固定層１１，１２を互いに離間して面方向に並べて最下層に形成し、第１磁化固定層１１上に中間層２１を、第２磁化固定層１２上に中間層２２を、それぞれ積層し、２つの中間層２１，２２およびその隙間も含めた全体に１つの磁化自由層３を積層して備える。光変調素子１Ａは、さらに、磁化自由層３の上に保護膜４Ａを積層して備える。すなわち、光変調素子１Ａは、光変調素子１を積層順を入れ替えて上下反転した構造であり、断面視が上下反転した凹字型である。したがって、図１２に示す光変調素子１Ａは、２つの磁化固定層１１，１２を一対の電極に接続するために、基板７Ａ上に形成された第１電極（電極）５１、第２電極（電極）５２上に積層するように形成され、磁化自由層３の側すなわち上方から光を入射され、反射させて上方へ出射する。なお、磁化固定層１１，１２、中間層２１，２２は、図２やその他図面の断面図においてはそれぞれ同じ厚さかつ同じ高さ位置で示しているが、厚さおよび高さ位置を同じとすることを規定するものではなく、互いに異なる厚さで、また異なる高さ位置に形成されてよい。

（光変調素子）
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。

磁化固定層１１，１２、中間層２１，２２、磁化自由層３は、それぞれ前記した光変調素子１におけるものと同様の構成（材料、厚さ、保磁力）とすることができるので、説明を省略する。

保護膜４Ａは、光変調素子１の保護膜４（４１，４２）と同様に、光変調素子１Ａの製造時におけるダメージから磁化自由層３等の各層を保護するために、最上層に設けられている。保護膜４Ａは、保護膜４と同様に、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成され、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４Ａの厚さは、保護膜４と同様に１〜１０ｎｍとすることが好ましく、特に１０ｎｍを超えると光の透過が妨げられる上、後記の製造方法にて説明するように、保護膜４Ａは第１実施形態における保護膜４程にはダメージを多く受けないので、成膜時において厚くし過ぎないことが好ましい。

（空間光変調器）
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。

第１実施形態において、空間光変調器１０の画素アレイ８０は、設けられたすべての光変調素子１の平面視（底面視）における向きを揃え、図１、図４において左側に第１磁化固定層１１が、右側に第２磁化固定層１２がそれぞれ配置されているが、これに限られない。本実施形態では、画素アレイ８０Ａは、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ方向において、画素８Ａを１つおきに左右反転させて配列する。したがって、画素アレイ８０Ａは、隣り合う光変調素子１Ａ，１Ａにおいて、第１磁化固定層１１，１１同士、第２磁化固定層１２，１２同士が隣り合う構成となる。なお、図１３（ｂ）において、保護膜４Ａは図示を省略する。また、図１３（ａ）に示すように、画素アレイ８０Ａにおいては、Ｙ電極（第２電極）５２（配線部５２ａ）の幅をＸ電極（第１電極）５１と同じとしている。Ｘ電極５１およびＹ電極５２は、光変調素子１Ａの下に設けられているため、第１実施形態の画素アレイ８０におけるものと上下（天地）反転した構成となり、さらに下方（光変調素子１Ａから離れた側）に設けられたＹ電極５２の配線部５２ａは、基板７Ａ上に絶縁部材６を挟んで設けられる。以下、空間光変調器（画素アレイ８０Ａ）を構成する各要素について説明する。

（光変調素子、電極、絶縁部材）
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）
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。

［光変調素子の製造方法］
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）
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。

（光変調素子の形成）
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。

（第１成膜工程、仮保護膜成膜工程）
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。

（イオン照射工程）
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）。

第１実施形態において説明した通り、イオンの照射により、図１５（ｄ）に示すように仮保護膜が減肉する。本実施形態では、図１５（ｃ）に示すように、イオンを照射する（Ｓ２２）前に、レジストパターンの上から減肉分の見込み厚さの仮保護膜の材料を成膜して、イオンを照射された後において、イオンを照射されていない領域と仮保護膜の厚さが一致するようにする。また、イオン照射（Ｓ２２）におけるイオン種や照射条件等は、第１実施形態と同様であるが、照射対象である磁化固定層１１，１２以外の磁性材料（磁化自由層３）が形成されていないため、磁化自由層３への影響を考慮する必要がない。

（素子構造間分離工程）
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）。

（仮保護膜除去工程）
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。

（第２成膜工程、素子形成工程）
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）。

このような製造方法によれば、並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子であって、一体に成膜された磁性材料から形成されて保磁力の大きさが異なる磁化固定層１１，１２を備える光変調素子１Ａを電極５１，５２上に接続して備えた画素８Ａが２次元配列された画素アレイ８０Ａを、基板７Ａ上に形成することができる。本実施形態によれば、仮保護膜の厚さを追加成膜で揃えたことにより、磁化自由層３が段差のない平坦な面に形成される。特に、イオン照射（Ｓ２２）前に追加成膜（Ｓ２３Ａ）により仮保護膜を厚膜化しておいたことで、イオン照射（Ｓ２２）によりその下の中間層２（２１）が減肉することはない。なお、最初に成膜した（Ｓ１３）仮保護膜が、イオン照射（Ｓ２２）によって中間層２１が減肉することのない程度に十分な厚さであれば、イオン照射（Ｓ２２）前に仮保護膜を追加成膜（Ｓ２３Ａ）しなくてもよい。この場合は、第１実施形態の変形例（図９参照）における保護膜４の追加成膜（Ｓ２３）と同様に、イオン照射（Ｓ２２）の次に仮保護膜を追加成膜（Ｓ２３Ａ）して、イオンを照射されていない領域と仮保護膜の厚さを揃えることができる。

（変形例）
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）。

あるいは別の変形例として、磁化固定層１１，１２の下にイオン照射（Ｓ２２）による減肉分だけ厚さの異なる下地膜を設けて、追加成膜（Ｓ２３，Ｓ２３Ａ）によらずにイオン照射（Ｓ２２）後の上面高さ位置を揃えてもよい。また、第１実施形態（図５参照）と同様に、素子構造間分離工程Ｓ３０Ａの後にイオン照射工程Ｓ２０Ｂを行ってもよい。

また、光変調素子１Ａは、第１実施形態の光変調素子１（図２参照）と同様に、中間層２１，２２を離間させずに一体に設けることができる。この場合は、中間層２を形成する材料を、第２成膜工程Ｓ１２で成膜すればよい。すなわち、工程Ｓ１１，Ｓ１３にて、磁化固定層１１，１２を形成する材料および仮保護膜のみを連続して成膜し、工程Ｓ２０Ｂ，Ｓ３０Ａ（順序不同）の後、仮保護膜除去工程Ｓ６０を行って、第２成膜工程Ｓ１２として、中間層２、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。

以上のように、第２実施形態およびその変形例に係る光変調素子の製造方法によれば、それぞれ異なる保磁力の２以上の磁化固定層を同一面内に設けた上に、１つの磁化自由層を設けた光変調素子を、簡易な方法で基板上に形成することができる。

［光変調素子のその他の構成］
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。

［画素アレイのその他の構成］
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）。

画素アレイ８０は、図１および図４に示すように、光変調素子１を平面視における向きを揃えて配列し、画素アレイ８０Ａは、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、隣り合う光変調素子１Ａ，１Ａの第１磁化固定層１１，１１同士および第２磁化固定層１２，１２同士が対向するように配列しているが、それぞれこれらに限定されるものではなく、画素アレイ８０，８０Ａは光変調素子１，１Ａの配列を互いに入れ替えたものとしてもよい。さらに画素アレイ８０，８０Ａ（ここでは画素アレイ８０Ａ）は、図１３（ｃ）に示すように、隣り合う第２磁化固定層１２，１２、および中間層２２，２２を、それぞれ一体に結合してもよい。Ｘ方向において隣り合う第２磁化固定層１２，１２は同じＹ電極５２に接続され、また磁化自由層３に積層されたスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ２の面積は光変調素子１，１Ａと同一であるため、このように変形した光変調素子１Ｂであっても光変調素子１，１Ａと同様に磁化反転動作させることができる。ただし、このような光変調素子１Ｂにおいては、第２磁化固定層１２の面積が第１磁化固定層１１よりも２倍を超えて大きいので、イオンを照射しない状態では第１磁化固定層１１の方が保磁力が大きくなる。そのため、光変調素子１Ｂ（画素アレイ８０Ｂ）の製造においては、イオン照射により、保磁力の面積依存性による差を上回って第１磁化固定層１１の保磁力Ｈcp₁を低減させるか、第２磁化固定層１２にイオン照射して、第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂の方をさらに低減させる（Ｈcp₁＞Ｈcp₂）。

画素アレイ８０，８０Ａは、光変調素子１，１Ａの光の入出射側に、すなわち画素アレイ８０は基板７上の光変調素子１との間に、画素アレイ８０Ａは光変調素子１Ａ上に、光変調素子１，１Ａに近い側から、高屈折率、低屈折率の順に屈折率の異なる誘電体（絶縁体）層の積層体を設けてもよい（図示省略）。

具体的には、画素アレイ８０においては、基板７にＳｉＯ₂（ガラス）等の低屈折率の材料を適用し、その上に、Ｓｉ−Ｎ（シリコン窒化物）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ₂（酸化ハフニウム）、ＺｒＯ₂（酸化ジルコニウム）等の、基板７に対して高屈折率の誘電体層を設けて、その上に光変調素子１を形成する。あるいは、前記の高屈折率の誘電体層に代えて、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＺＯ（インジウム酸化亜鉛）等の高屈折率の透明酸化物半導体（透明導電体）層を基板７上に成膜し、その上にＳｉＯ₂，Ｓｉ−Ｎ等の誘電体（絶縁体）層を積層して、さらにその上に光変調素子１を形成してもよい。また、前記透明導電体層または高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とを交互に積層した多層膜を形成し、その上に光変調素子１を形成してもよい。

同様に、画素アレイ８０Ａにおいては、光変調素子１Ａ上に高屈折率の誘電体層を設けて、さらにその上に低屈折率の誘電体層を積層すればよい。または、光変調素子１Ａ上にＳｉＯ₂，Ｓｉ−Ｎ等の絶縁体層を成膜した上に透明導電体層を積層して、低屈折率の誘電体層を積層してもよい。あるいは、前記画素アレイ８０と同様に、多層膜を形成してもよい。光変調素子１，１Ａ（磁化自由層３）で反射した光が高屈折率の誘電体層（または透明導電体層）と低屈折率の誘電体層との界面で反射して、再び光変調素子１，１Ａに入射するという動作を繰り返すため、光が画素アレイ８０，８０Ａから出射するまでに、光変調素子１，１Ａで何回も旋光を繰り返して旋光角が累積されて大きくなり、明暗のコントラストが向上する。

画素アレイ８０，８０Ａは、画素８，８Ａのそれぞれに、光変調素子１，１Ａの一端（第１磁化固定層１１または第２磁化固定層１２）に接続する選択回路（選択素子）を設けてもよい。特に、素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の抵抗変化量が互いに異なる場合、あるいは３つ以上のスピン注入磁化反転素子構造を備える光変調素子であって、磁化自由層３の磁化反転に伴い、所定の電極間で測定される抵抗が変化する場合、光変調素子は磁気抵抗効果素子となり、画素アレイは、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のデータ読出しと同様に、磁化自由層３の磁化方向を電気的に検知可能となる。このような画素アレイは、光変調素子に直接にすべての電極（配線）を接続すると、非選択の画素の光変調素子にも電流が漏れるため、光変調素子の搭載個数（画素数）が多いほどデータ読出し時に検出される１個の光変調素子の抵抗変化量が実際の値よりも小さくなることから、検出困難となる。そこで、選択トランジスタ型ＭＲＡＭのように、光変調素子のそれぞれに選択素子を接続して、電極（配線）との電気的接続を接続解除自在とすることにより、非選択の画素の光変調素子への漏れ電流を防止することができる。

トランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を適用することができる。画素アレイ８０Ａのように、透明基板を適用しなくてよく、光変調素子１Ａの下に電極５１，５２を接続する場合は、基板７ＡをＳｉ基板として、一般的な方法にてその表層にＭＯＳＦＥＴを形成してから、電極形成工程５０Ａ（図１４参照）を行えばよい。このとき、トランジスタのソース、ドレイン、ゲートにそれぞれ接続する電極も形成する。一方、画素アレイ８０のように、基板７の反対側に電極５１，５２を設ける場合は、光変調素子１の形成後に、その上にトランジスタを形成することになるが、光変調素子１を形成した上に８００℃程度の熱処理を必要とする通常の結晶Ｓｉ膜を形成すると、光変調素子１にダメージを与えることになる。そこで、画素アレイ８０においては、１５０℃程度の低温で成膜可能な多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を適用する。具体的に、一例として、基板７上に光変調素子１を形成し、その上に層間絶縁膜（絶縁部材６）を成膜した（図８（ｃ）参照）後に、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を成膜し、ＭＯＳＦＥＴ（トランジスタ）を形成する。そして、光変調素子１の磁化固定層１１，１２上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、金属電極材料で、第２磁化固定層１２とトランジスタのドレインとを接続し、第１磁化固定層１１にＸ電極５１を接続して形成する。さらに、トランジスタのソースにＹ電極５２を、ゲートに新たな電極を、それぞれ接続して形成する。なお、磁化固定層１１，１２への接続の妨げとならないように、トランジスタは平面視で光変調素子１のない領域に形成される。

選択素子としては、トランジスタ以外にダイオードを適用することもでき、画素アレイ８０，８０Ａのそれぞれにおいて、前記トランジスタと同様に、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に形成したり、基板７Ａ上に形成すればよい。

以上、本発明の光変調素子の製造方法を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

本発明の効果を確認するために、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、光変調素子のサンプルを作製した。ここでは、イオン照射による保磁力の変化を確認するため、また反射光のカー回転角から磁化反転を検知してそのときの印加磁界の大きさから保磁力を測定するために、シングルピン構造のスピン注入磁化反転素子の積層構造を模擬し、また上部電極のないサンプルとした。表面に熱酸化膜を形成したＳｉ基板を用い、下部電極を模擬したＣｕ膜を形成した上に、磁化自由層：ＧｄＦｅ（８ｎｍ）、中間層：Ｃｕ（４ｎｍ）、磁化固定層：ＴｂＦｅＣｏ（１３ｎｍ）、保護層：Ｒｕ（３ｎｍ）を積層し、平面視１０ｍｍ×１０ｍｍの積層膜のサンプルを作製した。各層の成膜には、イオンビームスパッタ装置を用いて連続して成膜することにより積層し、さらに保護層の成膜後に、引き続きイオンビームスパッタ装置を用いて、Ｋｒをイオン種としたイオンビームを、ビーム電圧を変化させて１分間照射した。また、比較例として、イオンビームを照射しないサンプルも作製した。

作製したサンプルについて、前記のアニールによる保磁力の変化の測定と同様に、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界との関係から保磁力を同定した。詳しくは、サンプルに、外部から一様な磁界Ｈ（＞０）を印加することによって、磁化固定層および磁化自由層の磁化方向が一方向となるようにした。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光を入射角３０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向きを、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定した。次に、反射光の偏光の測定を継続したまま、前記印加磁界と反対方向の磁界Ｈ（＜０）をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加することによって、磁化自由層の磁化、さらに磁化固定層の磁化を反転させ、サンプルからの反射光の偏光の向きにより磁化固定層の磁化反転を検知して、そのときの印加磁界から磁化固定層の保磁力（＜０）を得た。同様に、反対方向の磁界Ｈ（＞０）を印加して、磁化固定層の逆方向の保磁力（＞０）を得た。これら２方向の保磁力の絶対値の平均を磁化固定層の保磁力とした。図１８に、保磁力（Ｈcp）のビーム電圧依存性のグラフを示す。なお、図１８において、イオンビームを照射しないサンプルは、ビーム電圧０Ｖとして示す。

図１８に示すように、Ｋｒイオンを照射することにより、Ｋｒイオンを照射しないサンプルの保磁力９．５ｋＯｅに対して、ＴｂＦｅＣｏ膜（磁化固定層）の保磁力が低下した。特に、ビーム電圧２００Ｖで、保磁力の差約１．２ｋＯｅに低減し、これは１７０℃の真空アニールに相当するといえる。２つの磁化固定層に１ｋＯｅ程度以上の保磁力の差を設けることで、２段階の磁界印加により互いに異なる磁化方向に固定することが容易になるといえる。一方、ビーム電圧が３００Ｖで、ＴｂＦｅＣｏ膜の保磁力が２ｋＯｅ程度に低減し、さらに低下すると、ＧｄＦｅ膜（磁化自由層）の保磁力０．２ｋＯｅとの差が不十分になり、効率的なスピン注入磁化反転をし難くなる。このように、磁性材料にイオンを照射して、保磁力を低減することができ、さらに照射条件を調整して、保磁力の大きさを制御することができる。

１０ 空間光変調器
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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