JP4640924B2

JP4640924B2 - 磁気光学デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP4640924B2
Application number: JP2004270411A
Authority: JP
Inventors: 勝博岩崎; 浩光梅澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006084871A; WO2006030836A1

Description

本発明は、結晶の選択的成長法を利用して磁気光学デバイスを製造する方法に関し、更に詳しく述べると、結晶性の良好な基板上に、熱処理により結晶性を悪化させた表面層を部分的に形成し、それらの上に磁性膜を液相エピタキシャル（ＬＰＥ）成長させることにより、前記表面層上の磁性膜部分とそれ以外の基板上の磁性膜部分とで結晶構造、ひいては磁気特性が２次元的に異なるようにした磁気光学デバイスの製造方法に関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、磁気光学空間光変調器などのピクセル分離に有用である。

磁性膜を用いる磁気光学デバイスとして、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。その典型的な例を図５に示す。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で反射す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で、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状態としている。これは、各ピクセルは非常に小さく且つ正確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、隣接する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、ピクセル間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行う。しかし、このような分離構造は、磁気光学空間光変調器として利用する際には、形状分解能の低さ、駆動電流の増大、回折による光の利用効率の低下、プロセスの困難さなどが懸念されている。また、表面に凹凸が生じるため、多層化が困難となる（駆動ラインの配線が困難となる）問題も生じる。

ところで近年、下地となる基板表面の結晶構造に選択性をもたせ、その上に結晶成長させることにより、２次元に結晶構造を変化させる『選択的成長法』が研究されている。特にエピタキシャル法は、基板上に育成する膜の結晶構造が下地の基板の結晶構造に影響を受けるので、選択的成長法に適している。例えば液相エピタキシャル法においては、Ｔｉ（金属チタン）をマスクとして配置する方法（例えば特許文献１参照）、あるいはイオンミリングにより下地表面を部分的に荒らす方法などが検討されている。

しかし、Ｔｉをマスクとした場合、その上に長時間かけて磁性膜をＬＰＥ成膜すると、Ｔｉがメルトへ溶け出すために、選択性の低下、メルトの汚染が懸念され、形成する膜の組成がずれるなど精度が出ない問題が生じる。他方、イオンミリングにより単結晶基板の表面を荒らす方法は、ミリング条件や装置の状態に大きく左右される他、基板の表面は荒らされても結晶性には殆ど変化が無いので、実際には、この方法により作製した磁気光学空間光変調器においては、ピクセル間の分離は不十分であり、ピクセルの磁化反転はギャップ部の磁気特性の影響を大きく受けることから、動的な動作（連続的なオン・オフ）は困難である。
特開２０００−３３８３４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、ほぼフラットな表面を有し連続的につながった磁性膜内に、単結晶の領域と非単結晶の領域とを明確に区画して２次元的に配置できるようにし、且つその磁性膜のエピタキシャル成長に際してメルトに悪影響を及ぼさず、しかも成膜作業性が良好な磁気デバイスの製造方法を提供することである。

本発明は、単結晶基板の表面に鉄ガーネット単結晶膜を作製する工程、それを熱処理することで前記鉄ガーネット単結晶膜を非単結晶化する工程、その非単結晶化した膜の一部の領域を除去して単結晶基板を露出する工程、それらの上に磁性膜をエピタキシャル成長させる工程を具備し、単結晶基板上に育成した磁性膜領域と非単結晶膜上に育成した磁性膜領域とで磁性膜の結晶構造が２次元的に異な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。

また本発明は、単結晶基板の表面の一部の領域に鉄ガーネット単結晶膜を作製する工程、それを熱処理することで前記鉄ガーネット単結晶膜を非単結晶化する工程、それらの上に磁性膜を液相エピタキシャル成長させる工程を具備し、単結晶基板上に育成した磁性膜領域と非単結晶膜上に育成した磁性膜領域とで磁性膜の結晶構造が２次元的に異な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。

単結晶基板としては、例えばＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板を用いる。単結晶基板上に作製され熱処理で非単結晶化される単結晶膜としては、例えば液相あるいは気相エピタキシャル法により育成した鉄ガーネット膜を用いる。非単結晶化のための熱処理は、還元雰囲気下５００℃〜８００℃で行うか、あるいは酸化雰囲気下（大気中でもよい）１２００℃〜１４００℃で行うのが望ましい。

また、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。

本発明で製造する磁気光学デバイスは、典型的には磁気光学空間光変調器である。単結晶基板上に育成した磁性膜領域を２次元アレイ状に配列してピクセルとし、それらピクセルの間に位置する非単結晶膜上に育成した磁性膜領域によって各ピクセルを磁気的に分離することができる。

本発明は、熱処理により結晶性を悪化させた表面層を部分的に形成し、その上に磁性膜をエピタキシャル成長させることにより、磁性膜の結晶構造が２次元的に異ならせる方法であるから、ほぼフラットな表面を有し連続的につながった磁性膜内に、磁気特性の異なる単結晶の領域と非単結晶の領域とを明確に区画して２次元的に配置することができる。また、熱処理により結晶性を悪化させた表面層を使用するため、磁性膜と同じ材料が使用でき、エピタキシャル成長に際してメルトに悪影響を及ぼさず、しかも成膜作業性が損なわれることもない。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造工程の一例を図１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）ガーネット単結晶基板（例えばＳＧＧＧ基板あるいはＧＧＧ基板）３０の表面に鉄ガーネット単結晶膜３２を液相エピタキシャル成長によって作製する工程、
（ｂ）それを熱処理することにより、前記鉄ガーネット単結晶膜を非単結晶化した鉄ガーネット膜３４に変換する工程、
（ｃ）その非単結晶化した鉄ガーネット膜３４の一部の領域（ピクセル間ギャップ部分に相当する領域）に、フォトレジスト３６によるマスクを形成する工程、
（ｄ）前記フォトレジストをマスクとしてエッチングし、非単結晶化した鉄ガーネット膜３４の一部の領域（ピクセル間ギャップ部分に相当する領域）を残し他の部分を除去してピクセルに相当する領域のガーネット単結晶基板３０を露出する工程、
（ｅ）それらの上に磁性ガーネット膜３８を液相エピタキシャル成長させる工程。

このような工程を経ることによって、ガーネット単結晶基板３０上に直接育成した磁性ガーネット膜領域３８ａと、非単結晶化した鉄ガーネット膜３４上に育成した磁性ガーネット膜領域３８ｂとで、磁性ガーネット膜３８の結晶構造が２次元的に異なるものとなる。即ち、ガーネット単結晶基板３０上に育成した磁性ガーネット膜領域３８ａは単結晶となり、非単結晶化した鉄ガーネット膜３４上に育成した磁性ガーネット膜領域３８ｂは非単結晶となる。そして、単結晶基板３０上に育成した単結晶の磁性ガーネット膜領域３８ａが、それぞれピクセルに対応することになる。

本発明者等は、鉄ガーネット単結晶膜を熱処理することによって非単結晶化でき、それを選択成長法のマスクとして使用すると、その後の磁性膜のエピタキシャル成長に都合がよいこと、即ちマスクである鉄ガーネット膜の基板との結合力が強いこと、鉄ガーネット膜は育成中のメルトへの溶け出しが殆ど無く、もし一部が溶け出しても同種の成分であるのでメルトの汚染は考えなくてよいこと、に着目したものである。このように、熱処理により非単結晶化した鉄ガーネット膜を選択成長法のマスクとして用いる点に、本発明の特徴がある。

ＬＰＥ法により鉄ガーネット膜を育成する際に、予めピクセル間ギャップ部分にマスクとして熱処理により非単結晶化した鉄ガーネット膜を配置すると、その部分でのエピタキシャル成長が阻害される。例えば鉄ガーネット単結晶膜を還元雰囲気下５００℃〜８００℃で熱処理すると、酸素欠陥が生じて非単結晶構造（非晶質あるいは非晶質と微量の結晶が混在する多結晶）となり、通常のガーネット単結晶基板の単結晶構造とは異なった表面・内部状態となる。これは、鉄ガーネット膜中の鉄が還元され易く、他方、ガーネット単結晶基板は構造変化しないからである。また同時に、還元雰囲気下での熱処理によって鉄ガーネット膜の表面が荒らされる。そのため、熱処理により非単結晶化した鉄ガーネット膜をピクセル間ギャップ部分に配置し、ピクセル部分はガーネット単結晶基板を露出させておくことで、ピクセル部分ではガーネット単結晶基板上にエピタキシャル成長した鉄ガーネット単結晶膜が、ピクセル間ギャップ部分の非単結晶化した鉄ガーネット膜上にはエピタキシャル成長を阻害された鉄ガーネット非単結晶膜が、選択的に同時に形成されることになる。

このようにして、表面がほぼフラットで連続的につながっていながら、結晶構造が２次元的に変化した「選択成長膜」が得られる。そして、ピクセル部分とピクセル間ギャップ部分の結晶性の違いによって磁気特性が異なり、その結果ピクセル部分が安定に単磁区化する。そしてギャップ部分が磁化される際のギャップ部からピクセル部への磁壁の侵入が抑えられる。また、ギャップ部の磁区は微細で、磁界を印加した際の磁区の広がりも小さい。これは、非単結晶構造に起因するピクセル部との磁気異方性の違いによるものであると考えられる。このようにして、ギャップ部分の磁性ガーネット膜を介したピクセル間の磁気的なつながりを無くし、任意の選択されたピクセルのみを磁化反転させることが可能となる。そのため、磁気光学空間光変調器の動的な駆動が容易に行えるようになる。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造工程の他の例を、図２に示す。これは、
（ａ）ガーネット単結晶基板（例えばＳＧＧＧ基板あるいはＧＧＧ基板）４０の表面の一部（ピクセル部分）に金属マスク（例えばＴｉマスク）４２を形成する工程、
（ｂ）それらガーネット単結晶基板４０及び金属マスク４２の上に、鉄ガーネット膜４４を気相エピタキシャル成長によって作製する工程、
（ｃ）エッチングにより金属マスクを除去することで、ピクセル間ギャップ部分に鉄ガーネット膜４４を残す工程、
（ｄ）それを熱処理することで鉄ガーネット膜を非単結晶化した鉄ガーネット膜４６にする工程、
（ｅ）それらの上に磁性ガーネット膜４８を液相エピタキシャル成長させる工程、
を具備している。

これらの工程を経ることによっても、ガーネット単結晶基板４０上に育成した磁性ガーネット膜領域４８ａと、非単結晶化した鉄ガーネット膜４６上に育成した磁性ガーネット膜領域４８ｂとで、磁性ガーネット膜の結晶構造が２次元的に異なるものとなる。即ち、ガーネット単結晶基板４０上に育成した磁性ガーネット膜領域４８ａは単結晶となり、非単結晶化した鉄ガーネット膜４６上に育成した磁性ガーネット膜領域４８ｂは非単結晶となる。そして、単結晶基板４０上に育成した磁性ガーネット膜領域（単結晶）４８ａが、それぞれピクセルに対応することになる。なお、鉄ガーネット膜４４は、選択的成長法のマスクの機能を果たすものであるから薄くてよく、気相エピタキシャル成長法が使用できる。そのため、金属マスクの溶け出しやそれに伴う不具合が生じる恐れはない。

鉄ガーネット単結晶膜を非単結晶化する熱処理は、上記のように還元雰囲気下５００℃〜８００℃で行う方法の他、酸化雰囲気下（大気中でもよい）１２００℃〜１４００℃で行う方法もある。いずれにしても、鉄ガーネット単結晶膜は非単結晶化され、ガーネット単結晶基板の結晶構造とは異なったものとなる。

ガーネット単結晶基板及び鉄ガーネット非単結晶膜の上に、磁性ガーネット膜を液相エピタキシャル成長させた後、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理すると、ピクセル部分の保磁力を下げ、磁化反転に要する磁界を低減することが可能となるために好ましい。これは、ＬＰＥ膜育成時に生じる垂直方向の磁気異方性である成長誘導磁気異方性を減少させた結果である。これにより、磁気光学空間光変調器におけるスイッチング磁界、つまり駆動電流を小さくすることが可能となる。更に、バイアス磁界のスイッチングが不必要であることから、デバイス全体の駆動速度の向上にもつながる。

図１に示す工程に従って磁気光学空間光変調器を試作した。ＳＧＧＧ基板を用い、その表面全面にマスクとなるＢｉ置換鉄ガーネット単結晶膜をＬＰＥ法によって０．３μｍの厚みに育成した。膜の組成は、（ＢｉＧｄＹ）₃（ＦｅＡｌ）₅Ｏ₁₂であり、育成条件は、Ｂｉ₂Ｏ₃−Ｎａ₂Ｏフラックスを使用し、６９０℃で１分間である。その後、窒素ベースのＨ₂２．７％還元雰囲気下で、６００℃で１時間の熱処理を行い非単結晶化した。そして、フォトレジストをパターニングマスクとして、２μｍのギャップ幅、１６μｍ角のピクセル開口部を設けた。イオンミリングによって、開口部となるピクセル部を深さ０．５μｍ削り飛ばした。ミリング条件は、ビーム電圧７００Ｖ、ビーム電流４００ｍＶ、時間７０分である。これによって、ピクセル部の非単結晶化されたＢｉ置換鉄ガーネット膜（マスクＬＰＥ膜）が除去されて新たなＳＧＧＧ基板表面が露出すると共に、０．２μｍの段差が形成され、磁気分離し易い状況を作り出すことができた。このような表面構造に選択性を有する基板を用いて、２層目のＢｉ置換鉄ガーネットＬＰＥ膜（磁性膜）を３μｍ育成した。育成した膜の組成は、（ＧｄＹＢｉ）₃（ＧａＦｅ）₅Ｏ₁₂である。

このようにして、図３に示すような構造の１６×１６ピクセルの磁気光学空間光変調器を試作した。なお、図面を簡略化するために、３×４ピクセルのみ描き、その他は省略している。ピクセル部分では、ＳＧＧＧ基板５０の上に直接Ｂｉ置換鉄ガーネット単結晶膜（磁性膜）５２ａが成膜されており、ピクセル間ギャップ部分では、ＳＧＧＧ基板５０の上に非単結晶化されたＢｉ置換鉄ガーネット膜（マスク）５４、更にＢｉ置換鉄ガーネット膜（磁性膜）５２ｂが積層された構造となる。

このように製造した磁気光学空間光変調器に、印加する外部磁界を変えて磁化反転の様子を観察した。その結果、ギャップ部分が先に約１６０００Ａ／ｍ（２００Ｏｅ）の磁界でほぼ完全に磁化反転した後、ピクセル部が単独で磁化反転することが観察され、ピクセル間の磁気的なつながりは抑えられていることが確認できた。

この試作品について、酸化雰囲気下９７０℃で３時間の熱処理を行った。その結果を図４に示す。黒丸は熱処理前、白丸は熱処理後をそれぞれ示している。この図４から分かるように、熱処理によりピクセルの磁化反転に要する磁界を低減できることが分かる。

また、上記の試作品について、個々のピクセルに磁界を印加できるように配線して、電流を流して駆動した。駆動に際してピクセル反転の間にオフ状態をはさんでおり、その結果、所望のピクセルのみの磁化反転（オン状態）を行うことが可能であることが確認できた。

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。本発明に係る磁気光学デバイスの製造工程の他の例を示す説明図。本発明により得られる磁気光学空間光変調器の一例を示す部分斜視図。熱処理の効果を示すグラフ。磁気光学空間光変調器の動作説明図。

符号の説明

３０ガーネット単結晶基板
３２鉄ガーネット単結晶膜
３４非単結晶化した鉄ガーネット膜
３６フォトレジスト
３８磁性ガーネット膜
３８ａ磁性ガーネット膜領域（単結晶；ピクセル部）
３８ｂ磁性ガーネット膜領域（非単結晶；ピクセル間ギャップ部）

Claims

単結晶基板の表面に鉄ガーネット単結晶膜を作製する工程、それを熱処理することで前記単鉄ガーネット結晶膜を非単結晶化する工程、その非単結晶化した膜の一部の領域を除去して単結晶基板を露出する工程、それらの上に磁性膜を液相エピタキシャル成長させる工程を具備し、単結晶基板上に育成した磁性膜領域と非単結晶膜上に育成した磁性膜領域とで磁性膜の結晶構造が２次元的に異な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。
単結晶基板の表面の一部の領域に鉄ガーネット単結晶膜を作製する工程、それを熱処理することで前記鉄ガーネット単結晶膜を非単結晶化する工程、それらの上に磁性膜を液相エピタキシャル成長させる工程を具備し、単結晶基板上に育成した磁性膜領域と非単結晶膜上に育成した磁性膜領域とで磁性膜の結晶構造が２次元的に異な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。
単結晶基板がＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板であり、該単結晶基板上に作製され熱処理で非単結晶化される鉄ガーネット単結晶膜が、液相あるいは気相エピタキシャル法により育成した膜である請求項１又は２記載の磁気光学デバイスの製造方法。
非単結晶化のための熱処理を、還元雰囲気下５００℃〜８００℃で行う請求項３記載の磁気光学デバイスの製造方法。
非単結晶化のための熱処理を、酸化雰囲気下１２００℃〜１４００℃で行う請求項３記載の磁気光学デバイスの製造方法。
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請求項４又は５記載の磁気光学デバイスの製造方法。
磁気光学デバイスが、磁気光学空間光変調器であり、単結晶基板上に育成した磁性膜領域を２次元アレイ状に配列してピクセルとし、それらピクセルの間に位置する非単結晶膜上に育成した磁性膜領域によって各ピクセルを磁気的に分離した請求項６記載の磁気光学デバイスの製造方法。