JP4577832B2 - 磁気光学デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファラデー効果を利用する磁気光学デバイス及びその製造方法に関し、更に詳しく述べると、非磁性基板表面の各ピクセル箇所に形成されている凹部に磁気光学結晶が埋設され、ピクセル間ギャップ位置で非磁性基板と一体の仕切り壁により磁気光学結晶同士が磁気的に分離され、且つ表面全体が平坦化されている構造の磁気光学デバイス及びその製造方法に関するものである。この技術は、例えば、ピクセルとなる磁気光学結晶が多数、２次元アレイ状に規則的に密に配列されている磁気光学空間光変調器などに有用である。

磁性膜を用いる磁気光学デバイスとしては、光通信分野では光アイソレータや光スイッチなどがあり、光情報処理分野では磁気光学空間光変調器（ＭＯＳＬＭ）などがある。磁気光学空間光変調器は、光の振幅、位相、偏光状態を、磁性膜のファラデー効果を利用して空間的に変調する磁気光学デバイスであり、近年、ホログラム記録、各種ディスプレイなどへの応用が期待されている。

このような磁気光学空間光変調器は、光を並列処理するために、磁性膜の磁化方向を独立に制御可能な多数のピクセル（画素）を２次元アレイ状に配列した構成となっている。その動作について、図５により説明する。第１の偏光子１０を透過して直線偏光となった入射光は、磁気光学空間光変調器の各ピクセル１２に入射する。入射光は、透明基板（例えばＳＧＧＧ）１４及び磁性膜１６を透過し、金属膜１８で反射され、再び磁性膜１６及び透明基板１４を透過して出射する。このとき、磁性膜１６のファラデー効果によって、各ピクセル１２を透過し反射して戻る光の偏光方向は所定の角度だけ回転する。ここで、上段のピクセルに正方向の磁界（＋Ｈ）が印加されたとき＋θ_F （例えば＋４５度）のファラデー回転が生じるとすると、下段のピクセルに負方向の磁界（−Ｈ）が印加されたときには−θ_F （例えば−４５度）のファラデー回転が生じる。これらの反射光は第２の偏光子２０に達するが、その偏光透過面が＋４５度に設定されていると、＋４５度ファラデー回転した上段の光は透過（ＯＮ）するが、−４５度ファラデー回転した下段の光は遮断（ＯＦＦ）される。このようにして、各ピクセルに印加する磁界の向きを制御することによって、各ピクセルによる反射光のオン・オフを制御できる。

磁気光学空間光変調器において、各ピクセルは１個１個完全に独立した個別の素子ではなく、実際には、ＬＰＥ法などによって基板上の全面に磁性膜を育成し、その磁性膜を多数のピクセルに磁気的に区画した集積構造が採用されている。これは、各ピクセルは非常に小さく且つ正確に密に配列されている必要があるためである。従って、各ピクセルの磁化反転に際しては、任意のピクセルが隣接する他のピクセルに影響を及ぼさないような構造にする必要がある。

各々のピクセルを磁気的に確実に分離する方法としては、基板表面に成膜した磁性膜のピクセル間位置にギャップを掘り込む方法が一般的である。具体的には、ドライエッチングあるいはウエットエッチングによって溝を形成する。しかし、このような分離構造は、表面に凹凸が生じるため、磁気光学空間変調器として利用する際には、多層化が困難となる（駆動ラインの配線が困難となる）点で問題が大きい。つまり、このような凹凸が駆動ラインの抵抗値を増加し、甚だしい場合には断線を引き起こしかねない。

このような凹凸のある表面を平坦化するために、ポリマーなどの平坦化材料で覆うことも考えられるが、この種の平坦化材料はベーク時に熱収縮するためにピクセルの磁気的な性質が変化する（具体的には保磁力が増大する）恐れがあり、採用し難い。

その他、例えば、特許文献１には、磁性ガーネット材料上の各ピクセル箇所にＳｉ等の酸化可能な膜パターンを形成し、全体を熱処理することにより、Ｓｉ膜直下の磁性ガーネット材料を還元して変質させ、ピクセル単位で磁化反転が可能となるようにする技術が開示されている。しかし、Ｓｉのような酸化可能な膜を用いて磁性ガーネット材料全体を熱処理すると、熱拡散のためＳｉ膜周辺も還元してしまうため、各ピクセルの輪郭が不明瞭となり、ピクセルサイズにもばらつきが生じる。そのためピクセル間距離を大きく取らなければならない。ピクセル間ギャップ長が大きくなると、単位面積当たりの情報量が少なくなってしまうため、大量の情報を高速で処理する用途には不向きとなる。
米国特許第５，４７３，４６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、各ピクセルの磁気光学結晶が磁気的に完全に分離され、且つ表面全体が平坦な構造の磁気光学デバイス及びその製造方法を提供することである。

本発明は、非磁性基板表面の各ピクセル箇所に掘り込まれている凹部に、成膜により磁気光学結晶が埋設され、ピクセル間ギャップ位置で非磁性基板と一体で突出している非磁性基板材料の仕切り壁により前記磁気光学結晶同士が磁気的に分離され、表面全体が平坦化されていることを特徴とする磁気光学デバイスである。この磁気光学デバイスは、例えばピクセルとなる磁気光学結晶が多数、２次元アレイ状に密に配列されている磁気光学空間光変調器などである。非磁性基板としてはＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板が好ましく、磁気光学結晶は典型的には希土類鉄ガーネット単結晶である。

また本発明は、非磁性基板表面の各ピクセル形成箇所を予め掘り下げることで周囲のピクセル間ギャップ部が残って仕切り壁となるように加工するピクセル箇所掘り下げ工程、その非磁性基板上のほぼ全面に磁気光学結晶を成膜する磁性膜成膜工程、ギャップ部上に成長した磁性膜による凸部を除去して平坦化する表面平坦化工程を具備し、非磁性基板表面に形成されている凹部に磁気光学結晶が埋設され、それら磁気光学結晶同士が非磁性基板と一体の仕切り壁により磁気的に分離されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイスの製造方法である。

非磁性基板がＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板であり、磁気光学結晶が希土類鉄ガーネット単結晶であって、液相エピタキシャル法あるいはスパッタ法で成膜するのが好ましい。磁性膜をエピタキシャル成長させた後、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理することにより保磁力を低減することができる。

本発明の磁気光学デバイスは、非磁性基板表面の各ピクセル箇所に形成されている凹部に磁気光学結晶が埋め込まれている構造であるから、ピクセルを構成する各磁気光学結晶が互いに非磁性基板材料で仕切られ磁気的に完全に分離され、且つ表面を平坦化することができる。そのため、ピクセルの磁化反転において周囲の磁気特性が影響せず、しかも表面に駆動ラインなどを配置することが容易となり、デバイスを高密度化でき信頼性も向上する。これによって、面内で２次元アレイ化したピクセルの磁化方向を個々に任意に制御できることになり、例えば磁気光学空間光変調器というような光を並列に処理する磁気光学デバイスの駆動が可能になる。

図１は、本発明に係る磁気光学デバイスの一例を示す説明図である。非磁性基板３０の表面の各ピクセル箇所に形成されている凹部３２に磁気光学結晶３４が埋設され、ピクセル間ギャップの位置で、非磁性基板と一体となっている仕切り壁３６によって前記磁気光学結晶３４同士が磁気的に分離され、且つ表面全体が平坦化されている構造である。互いに独立した各磁気光学結晶３４が、それぞれピクセル（画素）となる。

このような構造は、非磁性基板（例えばＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板）表面の各ピクセル形成箇所を予め必要とする磁性膜（磁気光学結晶）の厚みよりも掘り下げることで周囲のピクセル間ギャップ部が残って仕切り壁となるように加工するピクセル箇所の掘り下げ工程、その非磁性基板上のほぼ全面に磁気光学結晶（例えば希土類鉄ガーネット単結晶）を成膜する磁性膜成膜工程、ギャップ部上に成長した磁性膜による凸部を除去して平坦化する表面平坦化工程、の３工程を経ることで作製できる。

まず、ピクセル箇所の非磁性基板を予めエピタキシャル成長させる磁性膜の厚さよりも深く掘り込んでおく。このような形状の非磁性基板表面に液相エピタキシャル成長させることで、ピクセル間ギャップ部に非磁性基板と一体の仕切り壁が組み込まれる構造が作製できる。このとき、ギャップ位置の非磁性基板上にも磁性膜が成長し、育成後にも下地の非磁性基板と同様の凸構造が生じる。しかし、この凸部は、平坦化材料により平坦にした後にエッチングするか、研磨などにより取り去ることができるので、最終的にピクセル箇所の磁性膜（磁気光学結晶）同士が磁気的に完全に分離され、且つ表面がフラットな２次元の磁性ピクセルアレイを作製することができる。なお、平坦化材料により平坦にした後にエッチングする場合でも、最終的には平坦化材料も取り去るので、平坦化材料がピクセルに対して磁気的性質に悪影響を及ぼすことはない。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造工程の一実施例を図２に示す。これは、磁気光学空間光変調器の製造に適用した例であり、次の工程からなる。
（ａ）表面が（１１１）方位のＳＧＧＧ基板４０上に、フォトリソグラフィー技術を使用してフォトレジスト４２により正方格子状のパターニングを行う。フォトレジストが付着していない多数の矩形微細領域が、それぞれピクセル形成箇所となる。
（ｂ）イオンミリングを用いてＳＧＧＧ基板４０の各ピクセル形成箇所に、１．０μｍの段差が形成されるように多数の矩形の凹部４４を掘り込む。
（ｃ）表面に残っているフォトレジストを除去する。これによって、ピクセル形成箇所が１．０μｍだけ掘り込まれ、ピクセル間ギャップ位置が逆に１．０μｍだけ突出した表面構造のＳＧＧＧ基板４０が得られる。ピクセル間ギャップ位置で突出した部分が、仕切り壁４８となる。
（ｄ）このように表面加工したＳＧＧＧ基板４０の上に、Ｂｉ置換鉄ガーネット薄膜５０を液相エピタキシャル法により育成する。育成膜厚は３．０μｍとした。このときの表面は、下地のＳＧＧＧ基板と同様の凸部５１を有する構造を呈し、その段差も１．０μｍであった。
（ｅ）その後、表面を研磨することにより、磁性膜に現れている凸部を削りフラットな表面を作製する。
（ｆ）更に、イオンミリングを用いて表面全体を削り、ギャップ位置上の磁性膜が除去されたところで終了する。これによって、ＳＧＧＧ基板４０の凹部４４にピクセルとなるＢｉ置換鉄ガーネット単結晶５２が埋設され、ピクセル間ギャップに基板と一体となっている仕切り壁４８が設けられて、ピクセル間の完全な磁気的分離が達成されている。

図３は、試作品の表面のＳＥＭ写真である。Ａは、磁性膜を育成した直後の状態を示している。磁性膜表面には、下地基板の凹凸が反映し、１μｍの段差が現れている。それに対してＢは、研磨とエッチングによりギャップ位置の上方の磁性膜が完全に除去されている状態を表している。写真から表面が平坦化されていることが分かる。

液相エピタキシャル法で成膜した状態のＢｉ置換鉄ガーネット単結晶薄膜は、そのままでは保磁力が大きく（＞４００００Ａ／ｍ）、ピクセルの磁化反転に大きな駆動電流を必要とする。そこで、磁性膜をエピタキシャル成長させた後（図３の（ｆ）の工程で表面を平坦化した後）、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理する。これによって、各ピクセルの磁化反転に要する磁界を低減することができ、駆動電流も下げることができる。大気中熱処理によりピクセルの反転磁界が低減する様子を図４に示す。

本発明に係る磁気光学デバイスの一例を示す説明図。 本発明に係る磁気光学デバイスの製造工程の一例を示す説明図。 試作品の表面のＳＥＭ写真。 熱処理による磁気特性の変化を示すグラフ。 磁気光学空間光変調器の動作説明図。

符号の説明

３０ 非磁性基板
３２ 凹部
３４ 磁気光学結晶
３６ 仕切り壁

Claims (6)

1. 非磁性基板表面の各ピクセル箇所に掘り込まれている凹部に、成膜により磁気光学結晶が埋設され、ピクセル間ギャップ位置で非磁性基板と一体で突出している非磁性基板材料の仕切り壁により前記磁気光学結晶同士が磁気的に分離され、表面全体が平坦化されていることを特徴とする磁気光学デバイス。
2. 磁気光学デバイスが、ピクセルとなる磁気光学結晶が多数、２次元アレイ状に密に配列されている磁気光学空間光変調器である請求項１記載の磁気光学デバイス。
3. 非磁性基板がＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板であり、磁気光学結晶が希土類鉄ガーネット単結晶である請求項１又は２記載の磁気光学デバイス。
4. 非磁性基板表面の各ピクセル形成箇所を予め掘り下げることで周囲のピクセル間ギャップ部が残って仕切り壁となるように加工するピクセル箇所の掘り下げ工程、その非磁性基板上のほぼ全面に磁気光学結晶を成膜する磁性膜成膜工程、ギャップ部上に成長した磁性膜による凸部を除去して平坦化する表面平坦化工程を具備し、非磁性基板表面に形成されている凹部に磁気光学結晶が埋設され、それら磁気光学結晶同士が非磁性基板と一体の仕切り壁により磁気的に分離されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイスの製造方法。
5. 非磁性基板がＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板であり、磁気光学結晶が希土類鉄ガーネット単結晶であって、液相エピタキシャル法あるいはスパッタ法で成膜する請求項４記載の磁気光学デバイスの製造方法。
6. 磁性膜を成膜した後、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理することにより、磁気光学結晶の保磁力を低減する請求項４又は５記載の磁気光学デバイスの製造方法。
   

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