JP4539053B2

JP4539053B2 - 単結晶基板及びその製造方法

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Publication number: JP4539053B2
Application number: JP2003291311A
Authority: JP
Inventors: 敦大井戸; 真一朗筧
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP2005060156A

Description

本発明は、単結晶基板及びその製造方法に関し、特に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際に用いる単結晶基板及びその製造方法に関する。

磁性ガーネット単結晶膜は、光アイソレータ等に用いられるファラデー回転子として光通信システムに多く用いられている。磁性ガーネット単結晶膜は、液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法により基板上に育成される。この基板には、ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）単結晶基板（ウエハ）やＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ単結晶基板が用いられている。育成した磁性ガーネット単結晶膜に研磨や切断などの加工を施し、膜表面に無反射膜を成膜してファラデー回転子が作製される。加工の際に単結晶（単結晶基板及び単結晶基板上に育成される磁性ガーネット単結晶膜）が割れるのを防止するため、基板の格子定数とエピタキシャル成長させる磁性ガーネット単結晶膜の格子定数とが室温でほぼ一致するようにして育成する必要がある。

図４は、各種のガーネットの格子定数の温度変化を示すグラフである（非特許文献１参照）。横軸は温度Ｔ（℃）を表し、縦軸は格子定数α／α０（室温（約２５℃）での格子定数を１としている）を表している。図４に示すように、磁性ガーネットの熱膨張係数とＧＧＧの熱膨張係数とは互いに約２０％異なっている。このため、室温で格子定数を一致させても例えば８００℃程度の高温での育成中に両者の格子定数は大きくずれてしまい、単結晶内で応力が発生する。育成中に内部に生じる応力に耐え切れなくなると、単結晶は融液中で割れてしまう。特許文献１には、この問題を解決する方法として磁性ガーネット単結晶膜の格子定数を最適な条件で制御する技術が提案されている。

ところが、近年は低コスト化を目的に１枚の単結晶基板から得られるファラデー回転子の個数を増やすため、従来の２インチの単結晶基板に代えて、よりサイズの大きい３インチの単結晶基板が用いられている。基板サイズを大きくすると育成中に単結晶内に生じる応力も大きくなるため、磁性ガーネット単結晶膜を育成する際の格子定数を最適な条件にしているにも関わらず、単結晶が割れる頻度が増加してしまう。このため、基板サイズを大きくしても、１枚の単結晶基板から得られるファラデー回転子の個数が十分に増えず、十分な低コスト化が図れないという問題が生じている。
特許第３１９７３８３号公報Ｖ．Ｊ．フラテロ他（Ｖ．Ｊ．Ｆｒａｔｅｌｌｏｅｔ．ａｌ．），"Ｅｆｆｅｃｔｏｆｂｉｓｍｕｔｈｄｏｐｉｎｇｏｎｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｍｉｓｆｉｔｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｉｎｅｐｉｔａｘｉａｌｉｒｏｎｇａｒｎｅｔｓ"，ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス１４２（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ１４２），１９９４年，ｐ．９３−１０２

本発明の目的は、割れの発生を抑制できる単結晶基板及びその製造方法を提供することにある。

上記目的は、互いに対向する２つの表面と、前記２つの表面のそれぞれの外周部の間に位置し、１．０μｍ以下の算術平均粗さに形成された側面とを有することを特徴とする単結晶基板によって達成される。

上記本発明の単結晶基板において、前記算術平均粗さは０．２５μｍ以下であることを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板において、前記算術平均粗さは０．０２μｍ以下であることを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板において、前記２つの表面のうち少なくとも一方は、鉄ガーネット単結晶膜が育成される膜育成面として用いられることを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板において、主要な構成元素としてＧａを含むことを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板において、前記側面は、端面丸め加工が施されていることを特徴とする。

また、上記目的は、単結晶のインゴットを育成し、前記インゴットを切断して基板を作製し、前記基板の側面を算術平均粗さ１．０μｍ以下に加工することを特徴とする単結晶基板の製造方法によって達成される。

上記本発明の単結晶基板の製造方法において、前記側面を算術平均粗さ０．２５μｍ以下に加工することを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板の製造方法において、前記側面を算術平均粗さ０．０２μｍ以下に加工することを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板の製造方法において、前記側面を加工する工程は、粒度８００番以上の砥石を用いることを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板の製造方法において、前記側面を加工する工程は、粒度１２００番以上の砥石を用いることを特徴とする。

上記本発明の単結晶基板の製造方法において、さらに前記側面の鏡面仕上げを行うことを特徴とする。

本発明によれば、単結晶基板の割れの発生を抑制でき、特に、ＬＰＥ法を用いて単結晶基板上に磁性ガーネット単結晶膜を育成する際の単結晶基板及び磁性ガーネット単結晶膜の割れの発生を抑制できる。

本発明の一実施の形態による単結晶基板及びその製造方法について図１乃至図３を用いて説明する。まず、本実施の形態の原理について説明する。一般に、ＬＰＥ法による磁性ガーネット単結晶膜の育成に使用する単結晶基板は、引き上げ法を用いて作製される。具体的には、引き上げ法を用いて単結晶のインゴットを育成し、結晶方位を調べた後、膜育成面が必要な結晶方位になるような円板に加工する。そして、円板のエッジ部の面取りのために端面丸め加工を施し、さらに膜育成面の研磨及びエッチングを行ってエピタキシャル成長用の単結晶基板が作製される。

膜育成中に単結晶が割れる様子を観察すると、割れは単結晶基板の外周部から生じていることが確認される。単結晶がエピタキシャル成長中に割れる場合、単結晶基板外周部に割れ（クラック）が発生して単結晶基板の一部が割れ落ちた後、基板固定用冶具から単結晶全体が外れて融液中に脱落する。そして脱落した単結晶と基板固定用冶具とがぶつかって割れが進行し、単結晶は融液中でばらばらになる。

単結晶基板と育成される磁性ガーネット単結晶膜との間には熱膨張係数の違いがあるため、育成中は単結晶基板と磁性ガーネット単結晶膜の双方に応力が内在し、単結晶基板に生じている瑕（きず）や欠陥などがきっかけとなり割れが発生する。これは、単結晶基板として用いられる非磁性ガーネット基板の主要な構成元素がＧａであり、エピタキシャル成長する磁性ガーネット単結晶膜（鉄ガーネット単結晶膜）の主要な構成元素が鉄であるため、単結晶基板と磁性ガーネット単結晶膜との間に不可避の熱膨張係数の差が生じるからである。単結晶基板の膜育成面は、鏡面研磨された上、エッチングにより加工変質層が除去されるので、大きな結晶欠陥や取扱いのミスによる瑕が生じていなければ割れは発生しない。ところが単結晶基板の側面は、当該側面上に磁性ガーネット単結晶膜を成長させる必要がないため比較的粗い加工が施されている。このため、基板側面の荒れた部分が単結晶の瑕となり、そこを発端にして育成中の単結晶割れが発生している。

図１は、磁性ガーネット単結晶膜の育成に用いられる一般的な単結晶基板の構成を示している。図１（ａ）は単結晶基板の構成を示す斜視図である。図１（ａ）に示すように、円板状の単結晶基板１は、互いに対向する２つの表面１０、１１を有している。２つの表面１０、１１のうち少なくとも一方は、磁性ガーネット単結晶膜を育成する膜育成面として用いられる。また単結晶基板１は、表面１０の外周部と表面１１の外周部との間に側面１２を有している。図１（ｂ）は、図１（ａ）の領域Ａ近傍の単結晶基板１を表面１０、１１に垂直に切断した断面構成を示している。図１（ｂ）に示すように、単結晶基板１の側面１２は、端面丸め加工が施されている。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の領域Ｂ近傍を拡大して示している。図１（ｃ）に示すように、側面１２には、複数の凸部１４と複数の凹部１６とからなる凹凸が形成されている。凸部１４と凹部１６との高低差は、一般に数十μｍ程度である。

本実施の形態では、端面丸め加工の条件を変化させて側面１２の表面形状を変えた複数の単結晶基板１を作製し、それらの単結晶基板１を用いて磁性ガーネット単結晶膜をそれぞれ育成した。レーザ式の表面粗さ測定装置を用いて側面１２の表面粗さを表面（膜育成面）１０、１１に垂直な方向に沿って測定及び評価し、側面１２の表面粗さと育成中の単結晶割れとの関係を調べた。すると側面１２の算術平均粗さＲａが１．０μｍとなる条件を境として、単結晶割れの発生頻度が大きく変化することが分かった。

側面１２の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下になるように所定の粒度の砥石を備えた加工機を用いて端面丸め加工を行って単結晶基板１を作製し、それらの単結晶基板１を使用して磁性ガーネット単結晶膜の育成を行ったところ、育成中に単結晶が割れる頻度が大きく減少した。これに対し、側面１２の算術平均粗さＲａが１．０μｍより大きい単結晶基板１を用いると、育成中に単結晶が割れる頻度は従来と同様に多かった。端面丸め加工の加工条件を変えて、単結晶基板１の側面１２の表面状態をより滑らかな形状に加工することで、割れの原因となる側面１２の荒れが小さくなり、育成中の単結晶の割れを抑制することができた。

ここで、側面１２の算術平均粗さＲａの算出方法について図２を用いて説明する。表面粗さ測定装置により、図２（ａ）に示す線Ｃのような側面１２のプロファイル（粗さ曲線）が得られたとする。まず、任意の直線Ｄを引き、次に図２（ｂ）に示すように、線Ｃのうち直線Ｄよりも図中下側の部分（図中破線で示している）を直線Ｄに対して反転させた線Ｃ’を作成する。次に、図２（ｃ）に示すように直線Ｅを作成する。直線Ｅは、線Ｃ’とともに囲む領域のうち、直線Ｅより上側の領域（図では左上から右下へのハッチングで示している）と、直線Ｅより下側の領域（図では右上から左下へのハッチングで示している）との面積が等しくなるように作成される。このとき直線Ｅと直線Ｄとの距離が算術平均粗さＲａになる。なお、直線Ｅより上方の線Ｃ（線Ｃ’）上の点と直線Ｅとの距離の最大値が最大山高さＲｐになり、直線Ｅより下方の線Ｃ上の点と直線Ｅとの距離の最大値が最大谷深さＲｖになる。最大山高さＲｐと最大谷深さＲｖとの和が最大高さＲｙ（Ｐ−Ｖ値）になる。

図３は、単結晶基板１の構成を示している。図３（ａ）は単結晶基板１を表面１０に垂直な方向に見た構成を示し、図３（ｂ）は単結晶基板１を表面１０と平行な方向に見た構成を示している。図３（ｃ）及び（ｄ）は、図３（ｂ）の領域Ｆ内を拡大して示す写真である。図３（ｃ）は粒度８００番の砥石を備えた加工機を用いて端面丸め加工を行った本実施の形態の単結晶基板１の側面１２を示し、図３（ｄ）は荒削り用の加工機を用いて端面丸め加工を行った従来の単結晶基板１の側面１２を示している。図３（ｃ）、（ｄ）中の片矢印は、表面粗さの測定方向（単結晶基板１の厚さ方向）を示している。図３（ｃ）に示す側面１２の算術平均粗さＲａは１．０μｍであり、図３（ｄ）に示す側面１２の算術平均粗さＲａは５．５μｍであった。
以下、本実施の形態による単結晶基板及びその製造方法について、実施例１乃至３及び比較例を用いて具体的に説明する。

まず、本実施の形態の実施例１による単結晶基板及びその製造方法について説明する。直径８２ｍｍのＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ単結晶のインゴットを引き上げ法により育成した。Ｘ線回折による単結晶インゴットの方位出し、円筒研削及びワイヤーソー切断によって、膜育成面が（１１１）面となる厚さ５００μｍ、直径３インチの円板状基板を作製した。この円板状基板の側面に対し、粒度１２００番の砥石を備えた加工機を用いて端面丸め加工を行った。また円板状基板の膜育成面に対し、砥粒にコロイダルシリカを使った最終研磨などの鏡面研磨加工を行った。さらに１６０℃の熱リン酸によるエッチングで加工変質層の除去を行いエピタキシャル成長用の単結晶基板１を作製した。ここで、光学式表面粗さ測定装置（Ｌａｓｅｒｔｅｃ社製のＳｃａｎｌａｓｅｒｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒＶＨ２０００）を用いて単結晶基板１の側面１２の凹凸の粗さを評価した。ここでは、単結晶基板１の膜育成面に垂直な方向に沿って表面粗さを測定し、算術平均粗さＲａを算出した。単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａは０．２５μｍであった。

次に、白金製の坩堝（るつぼ）にＧｄ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＰｂＯを充填した。次に、前工程で作製した単結晶基板１を用いてＬＰＥ法により、組成がＢｉ_1.20Ｇｄ_0.60Ｙｂ_0.58Ｐｂ_0.02Ｆｅ_4.98Ｇｅ_0.01Ｐｔ_0.01Ｏ₁₂である磁性ガーネット単結晶膜を約５００μｍの厚さに育成した。１０枚の単結晶基板１を用いて順次磁性ガーネット単結晶膜を育成し、育成中の単結晶の割れの発生頻度を評価したところ、単結晶の割れを生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成できる確率は９０％であった。このように、単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａが０．２５μｍになるように加工した本実施例では、単結晶の割れをほとんど生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成することができた。

次に、本実施の形態の実施例２による単結晶基板及びその製造方法について説明する。直径８２ｍｍのＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ単結晶のインゴットを引き上げ法により育成した。Ｘ線回折による単結晶インゴットの方位出し、円筒研削及びワイヤーソー切断によって、膜育成面が（１１１）面となる厚さ５００μｍ、直径３インチの円板状基板を作製した。この円板状基板の側面に対し、粒度８００番の砥石を備えた加工機を用いて端面丸め加工を行った。また円板状基板の膜育成面に対し、砥粒にコロイダルシリカを使った最終研磨などの鏡面研磨加工を行った。さらに１６０℃の熱リン酸によるエッチングで加工変質層の除去を行いエピタキシャル成長用の単結晶基板１を作製した。ここで、光学式表面粗さ測定装置を用いて単結晶基板１の側面１２の凹凸の粗さを評価した。ここでは、単結晶基板１の膜育成面に垂直な方向に沿って表面粗さを測定し、算術平均粗さＲａを算出した。単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａは１．０μｍであった。

次に、白金製の坩堝にＧｄ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＰｂＯを充填した。次に、前工程で作製した単結晶基板１を用いてＬＰＥ法により、組成がＢｉ_1.20Ｇｄ_0.60Ｙｂ_0.58Ｐｂ_0.02Ｆｅ_4.98Ｇｅ_0.01Ｐｔ_0.01Ｏ₁₂である磁性ガーネット単結晶膜を約５００μｍの厚さに育成した。１０枚の単結晶基板１を用いて順次磁性ガーネット単結晶膜を育成し、育成中の単結晶の割れの発生頻度を評価したところ、単結晶の割れを生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成できる確率は８０％であった。このように、単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａが１．０μｍになるように加工した本実施例では、単結晶の割れを余り生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成することができた。

次に、本実施の形態の実施例３による単結晶基板及びその製造方法について説明する。直径８２ｍｍのＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ単結晶のインゴットを引き上げ法により育成した。Ｘ線回折による単結晶インゴットの方位出し、円筒研削及びワイヤーソー切断によって、膜育成面が（１１１）面となる厚さ５００μｍ、直径３インチの円板状基板を作製した。この円板状基板の側面に対し、粒度１２００番の砥石を備えた加工機を用いて端面丸め加工を行い、さらに鏡面仕上げを行った。また円板状基板の膜育成面に対し、砥粒にコロイダルシリカを使った最終研磨を含む鏡面加工を行った。さらに１６０℃の熱リン酸によるエッチングで加工変質層の除去を行いエピタキシャル成長用の単結晶基板１を作製した。ここで、光学式表面粗さ測定装置を用いて単結晶基板１の側面１２の凹凸の粗さを評価した。ここでは、単結晶基板１の膜育成面に垂直な方向に沿って表面粗さを測定し、算術平均粗さＲａを算出した。単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａは０．０２μｍであった。

次に、白金製の坩堝にＧｄ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＰｂＯを充填した。次に、前工程で作製した単結晶基板１を用いてＬＰＥ法により、組成がＢｉ_1.20Ｇｄ_0.60Ｙｂ_0.58Ｐｂ_0.02Ｆｅ_4.98Ｇｅ_0.01Ｐｔ_0.01Ｏ₁₂である磁性ガーネット単結晶膜を約５００μｍの厚さに育成した。１０枚の単結晶基板１を用いて順次磁性ガーネット単結晶膜を育成し、育成中の単結晶の割れの発生頻度を評価したところ、単結晶の割れを生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成できる確率は１００％であった。このように、単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａが０．０２μｍになるように加工した本実施例では、単結晶の割れを全く生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成することができた。

次に、本実施の形態の実施例１乃至３に対する比較例について説明する。直径８２ｍｍのＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ単結晶のインゴットを引き上げ法により育成した。Ｘ線回折による単結晶インゴットの方位出し、円筒研削及びワイヤーソー切断によって、膜育成面が（１１１）面となる厚さ５００μｍ、直径３インチの円板状基板を作製した。この円板状基板の側面に対し、荒削り用の加工機を用いて端面丸め加工を行った。また円板状基板の膜育成面に対し、砥粒にコロイダルシリカを使った最終研磨を含む鏡面加工を行った。さらに１６０℃の熱リン酸によるエッチングで加工変質層の除去を行いエピタキシャル成長用の単結晶基板１を作製した。ここで、光学式表面粗さ測定装置を用いて単結晶基板１の側面１２の凹凸の粗さを評価した。ここでは、単結晶基板１の膜育成面に垂直な方向に沿って表面粗さを測定し、算術平均粗さＲａを算出した。単結晶基板１の側面１２の算術平均粗さＲａは５．５μｍであった。

次に、白金製の坩堝にＧｄ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＰｂＯを充填した。次に、前工程で作製した単結晶基板１を用いてＬＰＥ法により、組成がＢｉ_1.20Ｇｄ_0.60Ｙｂ_0.58Ｐｂ_0.02Ｆｅ_4.98Ｇｅ_0.01Ｐｔ_0.01Ｏ₁₂である磁性ガーネット単結晶膜を約５００μｍの厚さに育成した。１０枚の単結晶基板１を用いて順次磁性ガーネット単結晶膜を育成し、育成中の単結晶の割れの発生頻度を評価したところ、単結晶の割れを生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成できる確率は３０％であった。このように、本比較例による育成では大半の単結晶が割れてしまった。

以上説明した実施例１乃至３、及び比較例をまとめると表１のようになる。

表１に示すように、側面１２の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下の単結晶基板１を用いれば、単結晶の割れを余り生じさせずに磁性ガーネット単結晶膜を育成できる。側面１２の算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以下の単結晶基板１を用いれば単結晶の割れの発生をより減少させることができ、側面１２の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下の単結晶基板１を用いれば単結晶の割れの発生をさらに減少させることができる。このため、基板サイズを大きくすると、１枚の単結晶基板１から得られるファラデー回転子の個数を大幅に増やすことができ、十分な低コスト化が可能になる。

磁性ガーネット単結晶膜の育成に用いられる一般的な単結晶基板の構成を示す図である。側面１２の算術平均粗さＲａの算出方法を説明する図である。単結晶基板１の構成を示す図及び写真である。各種のガーネットの格子定数の温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１単結晶基板
１０、１１表面
１２側面
１４凸部
１６凹部
Ａ、Ｂ、Ｆ領域
Ｃ、Ｃ’ 線
Ｄ、Ｅ直線

Claims

互いに対向し、少なくとも一方が液相エピタキシャル法により鉄ガーネット単結晶膜が育成される膜育成面として用いられる直径３インチ以上の円板状の２つの表面と、
前記２つの表面のそれぞれの外周部の間に位置し、端面丸め加工が施されて０．０２μｍ以下の算術平均粗さに形成された側面と
を有することを特徴とする単結晶基板。
請求項１に記載の単結晶基板において、
主要な構成元素としてＧａを含むこと
を特徴とする単結晶基板。
単結晶のインゴットを育成し、
前記インゴットを切断して直径３インチ以上の円板状基板を作製し、
前記円板状基板の側面を粒度１２００番以上の砥石を用いて端面丸め加工を行い、さらに鏡面仕上げを行ない、算術平均粗さを０．０２μｍ以下に加工し、
前記円板状基板の膜育成面に液相エピタキシャル法により鉄ガーネット単結晶膜を育成すること
を特徴とする単結晶基板の製造方法。