JP2862750B2 - ガーネット単結晶膜の製造方法 - Google Patents

ガーネット単結晶膜の製造方法

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JP2862750B2
JP2862750B2 JP6543593A JP6543593A JP2862750B2 JP 2862750 B2 JP2862750 B2 JP 2862750B2 JP 6543593 A JP6543593 A JP 6543593A JP 6543593 A JP6543593 A JP 6543593A JP 2862750 B2 JP2862750 B2 JP 2862750B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気光学効果を示すセ
リウム置換イットリウム鉄ガーネット単結晶膜の製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】イットリウム鉄ガーネットは、比較的大
きな磁気光学効果を示す材料である。このイットリウム
鉄ガーネットの希土類サイトをセリウムで置換したガー
ネット(Y3-X CeX Fe5 12)膜が知られている。
このセリウム置換イットリウム鉄ガーネットは、光通信
用の光アイソレータ、光サーキュレータに応用できる非
相反素子に対して、有用な材料として期待されている。
【0003】セリウム置換イットリウム鉄ガーネット
は、LPE法によっても作製されるが、セリウムの置換
量(x)は、0.06以下と微量である。本発明者は、
このセリウム置換イットリウム鉄ガーネット単結晶を、
スパッタ法によってガドリニウムガリウムガーネット
(Gd3 Ga5 12)単結晶基板上にエピタキシャル成
長させ、セリウムの置換量が0.5以上のファラデー回
転の大きい単結晶膜を得ることに成功している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】特に、セリウム置換イ
ットリウム鉄ガーネットは、セリウムの置換量が変化す
ると磁気光学特性が変化することを、本発明者は確認し
ている。従って、磁気光学素子の用途に応じてセリウム
の置換量を変化させる必要がある。ところが、セリウム
の置換量が異なるガーネット単結晶膜をスパッタ法で作
製する際に、膜質が劣化することが多く、特に、単結晶
膜のファラデー回転角が大きく劣化することが多くなっ
た。
【0005】特に、このセリウム置換イットリウム鉄ガ
ーネット膜については、通信に使用する波長との関係
で、厚さを10μm以上とすることが必要である。これ
と共に、膜厚を10μm以上としても、ファラデー回転
角の値が劣化しないことが必要である。しかし、このよ
うに膜厚が大きくなってくると、単結晶膜のファラデー
回転角の劣化が更に大きくなる場合が頻発した。
【0006】本発明の課題は、セリウム及び鉄を含有す
るガーネット単結晶膜をスパッタ法によって製造するに
際し、単結晶膜のファラデー回転角の劣化を防止できる
ようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、セリウム及び
鉄を含有するガーネット単結晶膜をスパッタ法によって
製造する方法において、セリウムの置換量をX(0.1
≦X≦3.0)とし、基板温度をY(℃)としたとき、
次式を満足する条件下で前記ガーネット単結晶膜を形成
することを特徴とする、ガーネット単結晶膜の製造方法
に係るものである。
【数2】90X+510≦Y≦90X+560
【0008】
【作用】本発明者は、上記のガーネット単結晶膜をスパ
ッタ法によって製造するのに際し、一定のスパッタ条件
下でガーネット単結晶膜を作製すると、ファラデー回転
角がほぼ理論値に近くなることもあるが、大幅に劣化す
る場合も多いことを発見した。そして、この原因につい
て研究を重ねる過程で、ガーネット単結晶膜におけるセ
リウムの置換量と、基板温度との相関が、得られたガー
ネット単結晶膜のファラデー回転角を決定づけることを
発見し、本発明に到った。
【0009】具体的には、図1に示すように、セリウム
の置換量をXとし、基板温度をY(℃)としたとき、9
0X+510≦Y≦90X+560とすれば、得られる
ガーネット単結晶膜のファラデー回転角が顕著に大きく
なるし、また厚さ10μm以上のガーネット単結晶膜
を、膜質の劣化なしに形成することができる。Y<90
X+510の場合も、Y>90X+560の場合も、急
激にファラデー回転角の劣化が見られた。
【0010】本発明によって製造できる、セリウム及び
鉄を含有するガーネット単結晶膜としては、下記の組成
を有するものが好ましい。
【0011】
【化1】Cex Rez 3-x-z Fe5 12
【0012】ただし、ここでReは、ガドリニウム、サ
マリウム、テルビウム、ユーロピウム、イッテルビウム
及びルテチウムからなる群より選ばれる一種以上の希土
類元素を示す。また、0.3≦Xとするのが好ましい。
【0013】更に、90X+530≦Y≦90X+54
0の範囲内に基板温度Y(℃)を設定すると、ほぼ理論
値に近いファラデー回転角を有するガーネット単結晶膜
が得られることが判明した。
【0014】
【実施例】以下、具体的な実験結果について述べる。
【0015】(実験1)rfマグネトロンスパッタ法に
より、セリウム置換イットリウム鉄ガーネット単結晶膜
の作製を行った。基板には、ネオジムガリウムガーネッ
ト(以下、NGGと略記する)単結晶の2インチウエハ
ーを使用した。
【0016】ターゲットを作製する際には、Y2 3
末を22.5800g、CeO2 粉末を34.4236
g、Gd2 3 粉末を36.2479g、Fe2 3
末を79.8455gを混合し、この混合物を1150
℃で4時間仮焼し、200kg/cm2 のプレス圧力で
プレス成形し、直径120mmの円盤状成形体を得、こ
れを1200℃で5時間焼成した。この焼結物を加工し
て、直径100mm、厚さ5mmの円盤状のターゲット
を得た。
【0017】このターゲットの組成は、Ce1.0 Gd
1.0 1.0 Fe5 12であった。スパッタ装置の真空チ
ャンバー内部の陰極電極上に上記のターゲットを固定
し、スパッタアップ方式で単結晶膜の形成を行った。
【0018】基板表面は、抵抗加熱基板ヒーターにより
630℃まで加熱し、630℃に保持した。装置のチャ
ンバー内部を2×10-7Torrまで真空引きを行った
後、スパッタガスを導入した。スパッタガスとしては、
純アルゴンガスを使用した。ガス導入後、チャンバー内
部の圧力を1×10-2Torrに調節し、投入電力密度
4.46W/cm2 で放電させ、スパッタを行った。成
長速度約30nm/分で500分間、膜の作製を行い、
厚さ15μmの膜を得た。
【0019】ここで、セリウムの置換量Xは1.0であ
り、Y=630℃である。そして、90X+510=6
00であり、90X+560=650℃である。
【0020】作製したセリウム置換イットリウム鉄ガー
ネット単結晶膜の、2インチウエハー内での膜厚分布、
組成分布を測定した。その結果、膜厚の変動は5%以内
で、また組成のずれは、装置の測定精度以下であった。
【0021】また、波長633nmのレーザーを使用
し、上記の単結晶膜についてファラデー回転角を測定し
たところ、2.3×104 deg./cmであった。こ
れは、膜厚1μmの単結晶膜のファラデー回転角(報告
値)と一致した。従って、膜厚15μmであっても、磁
気光学特性が劣化していないことが確認された。また、
ファラデー回転角の面内分布は、検出されなかった。
【0022】(実験2)ターゲットにCe0.5 Eu2.0
0.5 Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表1の
ように変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板
の(111)方向にCe0.5 Eu2.0 0.5 Fe5.0
12で示されるエピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μ
mの膜を作製し、この各膜のファラデー回転を測定し
た。その結果を表1に示した。その他の作製条件は実験
1で示した条件と同一であった。
【0023】
【表1】
【0024】本例ではセリウム置換量Xは0.5であ
り、90X+510=555、90X+560=605
である。表1から解るように、555≦Y≦605の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0025】(実験3)ターゲットにCe0.7 Sm1.3
1.0 Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表2の
ように変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板
の(111)方向にCe0.7 Sm1.3 1.0 Fe5.0
12で示されるエピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μ
mの膜を作製し、この各膜のファラデー回転を測定し
た。その結果を表2に示した。その他の作製条件は実験
1で示した条件と同一であった。
【0026】
【表2】
【0027】本例ではセリウム置換量Xは0.7であ
り、90X+510=573、90X+560=623
である。表2から解るように、573≦Y≦623の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0028】(実験4)ターゲットにCe1.0 Gd1.0
1.0 Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表3の
ように変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板
の(111)方向にCe1.0 Gd1.0 1.0 Fe5.0
12で示されるエピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μ
mの膜を作製し、この各膜のファラデー回転を測定し
た。その結果を表3に示した。その他の作製条件は実験
1で示した条件と同一であった。
【0029】
【表3】
【0030】本例ではセリウム置換量Xは1.0であ
り、90X+510=600、90X+560=650
である。表3から解るように、600≦Y≦650の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0031】(実験5)ターゲットにCe1.3 Tb0.4
1.3 Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表4の
ように変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板
の(111)方向にCe1.3 Tb0.4 1.3 Fe5.0
12で示されるエピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μ
mの膜を作製し、この各膜のファラデー回転を測定し
た。その結果を表4に示した。その他の作製条件は実験
1で示した条件と同一であった。
【0032】
【表4】
【0033】本例ではセリウム置換量Xは1.3であ
り、90X+510=627、90X+560=677
である。表4から解るように、627≦Y≦677の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0034】(実験6)ターゲットにCe1.6 Lu0.7
0.7 Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表5の
ように変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板
の(111)方向にCe1.6 Lu0.7 0.7 Fe5.0
12で示されるエピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μ
mの膜を作製し、この各膜のファラデー回転を測定し
た。その結果を表5に示した。その他の作製条件は実験
1で示した条件と同一であった。
【0035】
【表5】
【0036】本例ではセリウム置換量Xは1.6であ
り、90X+510=654、90X+560=704
である。表5から解るように、654≦Y≦704の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0037】(実験7)ターゲットにCe2.0 Yb1.0
Fe5.0 12焼結体を使用し、基板温度を表6のように
変化させた条件で、NGG2インチウエハー基板の(1
11)方向にCe2.0 Yb1.0 Fe5.0 12で示される
エピタキシャル膜を成長させ、厚さ10μmの膜を作製
し、この各膜のファラデー回転を測定した。その結果を
表6に示した。その他の作製条件は実験1で示した条件
と同一であった。
【0038】
【表6】
【0039】本例ではセリウム置換量Xは2.0であ
り、90X+510=690、90X+560=740
である。表6から解るように、690≦Y≦740の範
囲内でファラデー回転角が理論値に近い値を示してお
り、また膜も完全に結晶化していた。
【0040】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、少
なくともセリウム及び鉄を含有するガーネット単結晶膜
をスパッタ法によって製造するのに際し、膜質の劣化、
単結晶膜のファラデー回転角の劣化の発生を防止でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】セリウムの置換量Xと基板温度Yとの関係を示
すグラフである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−61355(JP,A) 特開 平3−82001(JP,A) 特開 平3−82003(JP,A) Manabu Gomi et a l.,”Giant Faraday Rotation of Ce−Sub stituted YIG Films Epitaxially Grown by RF Sputterin g,”Japanese Journa l of Applied Physi cs,Aug.1988,Vol.27,N o.8,pp.L1536−1538 Manabu Gomi et a l.,”Enhancement of Faraday Effect in Highly Ce−Substit uted YIG Epitaxial Films by RF Sputt ering,”Japanese Jo urnal of Applied P hysics,Jan.1990,Vol. 29,No.1,pp.L99−100 M.Gomi et al.,”St rong magneto−optic al enhancement in highly Ce−Substitu ted iron garnet fi lms prepared by sp uttering,”Journal of Applied Physic s,Dec.1991,Vol.70,No. 11,pp.7065−7067 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 28/00 - 35/00 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セリウム及び鉄を含有するガーネット単
    結晶膜をスパッタ法によって製造する方法において、セ
    リウムの置換量をX(0.1≦X≦3.0)とし、基板
    温度をY(℃)としたとき、次式を満足する条件下で前
    記ガーネット単結晶膜を形成することを特徴とする、ガ
    ーネット単結晶膜の製造方法。 【数1】90X+510≦Y≦90X+560
JP6543593A 1993-03-24 1993-03-24 ガーネット単結晶膜の製造方法 Expired - Lifetime JP2862750B2 (ja)

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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.Gomi et al.,"Strong magneto−optical enhancement in highly Ce−Substituted iron garnet films prepared by sputtering,"Journal of Applied Physics,Dec.1991,Vol.70,No.11,pp.7065−7067
Manabu Gomi et al.,"Enhancement of Faraday Effect in Highly Ce−Substituted YIG Epitaxial Films by RF Sputtering,"Japanese Journal of Applied Physics,Jan.1990,Vol.29,No.1,pp.L99−100
Manabu Gomi et al.,"Giant Faraday Rotation of Ce−Substituted YIG Films Epitaxially Grown by RF Sputtering,"Japanese Journal of Applied Physics,Aug.1988,Vol.27,No.8,pp.L1536−1538

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