JP4775914B2 - 磁気光学デバイスの製造方法 - 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てピクセルを形成する構造の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、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。

磁気光学結晶の薄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。各ピクセルは、磁気光学結晶からなり、その磁化方向を独立に制御可能な構造である。入射光（直線偏光）が各ピクセルに入射すると、各ピクセルを透過し反射して戻る光の偏光方向は、磁気光学結晶のファラデー効果によって所定の角度だけ回転する。従って、各ピクセルに印加する外部磁界の向きを正負切り換え制御することによって、各ピクセルによる反射光の偏光子での透過（オン）・遮断（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、液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）などによって基板上に磁気光学結晶を育成し、その磁気光学結晶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、基板表面に成膜した磁気光学結晶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。

そこで、このような問題を解決するため、非磁性基板表面の各ピクセル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多数の凹部を配列形成する凹部形成工程、その非磁性基板上に磁気光学結晶を成膜する結晶育成工程、余分な磁気光学結晶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各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てピクセルを形成する磁気光学デバイスの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。ここでは、深さ１．０μｍの凹部をイオンミリングによって掘り下げ、その後、磁気光学結晶を液相エピタキシャル法によって育成する技術が開示されている。

しかし、このような従来の方法では、凹部の深さが１．５μｍ以上になると、非磁性基板上の各ピクセル箇所に形成されている凹部内に磁気光学結晶を液相エピタキシャル法により磁気光学結晶の育成を行った場合に、一部の凹部に磁気光学結晶が育成されず、欠陥ピクセルが多発する問題が生じた。このことは、磁気光学結晶の膜厚が制限されることを意味し、ファラデー効果を利用する上で必要な光学特性が得られない場合があることになる。また、磁気光学結晶の反転磁界の大きさは熱処理を行うことにより低減することが可能であるが、磁気光学結晶が育成されているピクセルであっても、磁化方向を繰り返しスイッチングした場合、同一ピクセルであるにもかかわらず、その都度、反転磁界の大きさが著しく異なる現象が生じた。このことは、各ピクセルの磁化方向を正確に制御できないことを意味し、誤動作の原因となる。
特開２００６−２５９０７４号公報

本発明が解決しようとする課題は、ピクセル箇所に深い凹部（深さ１．５μｍ以上）を形成する場合であっても、効率よく掘り下げることができ、しかもその凹部内に良好な磁気光学結晶を育成でき、それによって欠陥ピクセルの発生を防止し、しかも個々のピクセルについて磁化方向のスイッチングを繰り返し行った際の反転磁界の変動を低減できるようにすることである。

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多数の凹部を配列形成する凹部形成工程、その非磁性基板上に磁気光学結晶を成膜する結晶育成工程、余分な磁気光学結晶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各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てピクセルを形成するようにした磁気光学デバイスの製造方法において、前記ピクセル箇所の凹部形成工程は、ドライエッチングにより凹部を掘り下げるステップと、その後に酸を用いたウエットエッチングにより凹部内壁の表面変質層を除去するステップの２段階からなることを特徴とする磁気光学デバイスの製造方法である。

非磁性基板としては、ＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板を用いる。ピクセル箇所となる凹部を２次元アレイ状に密に配列形成し、磁気光学結晶としては希土類鉄ガーネット単結晶を用い、液相エピタキシャル法により成膜するのが好ましい。ピクセル箇所となる凹部の深さは１．５μｍ以上であってよい。典型的には、ドライエッチングによる凹部の形成をイオンミリングにより行い、その後のウエットエッチングによる凹部内壁の表面層の除去処理をリン酸を用いて行う。ドライエッチングはＲＩＥ法などでもよく、ウエットエッチングに用いる酸はリン酸以外でもよい。なお、平面平坦化工程の後、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理することにより、育成した磁気光学結晶の保磁力を低減するのが望ましい。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造方法は、ドライエッチングにより凹部を形成した後、酸を用いたウエットエッチングにより凹部内壁（特に側壁）の表面変質層を除去したことにより、１．５μｍ以上の深い凹部側壁に形成されがちな微細な凹凸が滑らかに処理され、そのように深い凹部であっても、その内部に磁気光学結晶を良好に育成できる。そのため多数の比較的厚い磁気光学結晶からなるピクセルが非磁性基板表面に２次元アレイ状に規則的に密に配列されている構造で、欠陥ピクセルの発生を防止できる。また、本発明による磁気光学デバイスの製造方法は、１．５μｍ以上の深い凹部であっても、その内部に結晶性が均一な磁気光学結晶を育成できるため、ピクセルの磁化反転の際に磁壁移動のピンニングの影響が無くなり、磁化方向のスイッチングを繰り返し行った際における反転磁界の変動を低減できる。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造方法のフローチャートを図１に示す。ＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶からなる非磁性基板の表面に、多数のピクセル箇所を２次元アレイ状に密に設定し、各ピクセル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凹部加工する（凹部形成工程）。ピクセル箇所となる凹部の深さは１．５μｍ以上とする。この凹部形成工程によって、ピクセル箇所の凹部が２次元アレイ状に高密度で配列形成される。その非磁性基板上に、希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶を液相エピタキシャル法により育成する（結晶育成工程）。その後、余分な磁気光学結晶を除去して表面全体を平坦化する（表面平坦化工程）。これによって、図２に示すように、非磁性基板１０の表面に形成されている多数の凹部１２に磁気光学結晶１４が埋設され、それら磁気光学結晶１４同士が非磁性基板と一体の仕切り壁１６により磁気的に分離されてピクセルが形成された磁気光学デバイスが得られる。

ここで本発明の特徴は、ピクセル箇所となる凹部の形成工程が、ドライエッチングにより凹部を掘り下げるステップと、その後のウエットエッチングにより凹部内壁の表面変質層を除去するステップの２段階からなる点である。ドライエッチングにより凹部を掘り下げるステップは、典型的にはイオンミリングにより行うことができる。ウエットエッチングは、例えばリン酸を用いて行い、凹部内壁の微細な凹凸を滑らかにする。

多数の凹部を規則的に配列した非磁性基板上に磁気光学結晶を育成し、その表面の平滑化処理を行った後、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で熱処理する（アニール）ことにより、磁気光学結晶の保磁力を低減させる。

このように非磁性基板表面の各ピクセル箇所を予め掘り下げ、その凹部内に磁気光学結晶を育成する場合、高密度のピクセルアレイを作製するためにはピクセル間ギャップの幅は狭いことが好ましい。また、凹部の深さは磁気光学結晶の膜厚に関連するので、必要とするファラデー回転角を得るためには、凹部を深く掘り下げて磁気光学結晶を厚く成膜する必要がある。従って、ピクセル箇所を掘り下げる際には、等方的なウエットエッチングよりは方向性のあるドライエッチングを用いる方が好まく、本発明でも従来技術と同様、ドライエッチングを採用している。

しかし、ドライエッチングを利用した場合には、基板の損傷や削り屑の再付着などの問題が生じる可能性がある。本発明者らが行った実験によれば、凹部が比較的浅い（１μｍ程度）場合は殆ど影響はないが、より深く（１．５μｍ以上に）掘り下げると、特に凹部の側壁付近に、イオンミリングの際に発生した削り屑の再付着などによる微細な凹凸が認められた。そして、この凹部の側壁付近に生じる微小な凹凸が原因となって、磁気光学結晶を育成する際に、凹部内での結晶性に悪影響を与え不連続性が生じたり、甚だしい場合には結晶を育成できずピクセル欠陥になるものと推定された。そして、凹部内での磁気光学結晶の不連続性によって、磁化方向のスイッチングの際に磁壁移動がランダムにピンニングされ、それが反転磁界の変動を大きくしていると予想された。

そこで本発明では上記のように、非磁性基板のピクセル箇所に、まずドライエッチングによって１．５μｍ以上の深さの凹部を掘り下げ、その後、酸を用いたウエットエッチングを行うことで、高密度で配設されている凹部形状を維持しつつ、微細な凹凸のある表面変質層を除去して（０．１〜０．２μｍ程度）表面を滑らかにする。これによって、深さが１．５μｍ以上の多数の凹部を有する非磁性基板であっても、全ての凹部内に磁気光学結晶を育成することができる。しかも凹部内壁が滑らかであるため、結晶性が均一になることにより、ピクセルの磁化反転の際に磁壁移動のピンニングの影響が無くなるため、繰り返し磁化反転のスイッチングを行った際にも各ピクセルの反転磁界の変動を低減することができる。

１インチＳＧＧＧ基板表面に、ピクセル箇所となる多数の凹部を、凹部サイズ：１４×１４μｍ、凹部深さ：２．２μｍ、ギャップ幅：２μｍとなるように、縦横２次元的に規則的に配列形成し、その上に厚さ４μｍの磁気光学結晶（Ｂｉ置換鉄ガーネット膜）を液相エピタキシャル法によって育成した。使用した基板は次の２種類である。
Ａ基板：イオンミリングのみによる凹部形成（従来法）
Ｂ基板：イオンミリングによる凹部掘り下げの後、１３０℃リン酸中で３分間のエッチング処理（本発明方法）

ＳＥＭでの観察によれば、Ａ基板を用いた従来法では、凹部内に磁気光学結晶が成膜されていないピクセル箇所が１インチ基板内に多数認められた。凹部内に成膜されていないことは、段差計による測定でも確認された。更に、磁気光学結晶が成膜されていても、凹部の側壁から成長した部分には成長面に凹凸が認められた。それに対してＢ基板を用いた本発明方法では、全ての凹部において良好に成膜されており、成長面も滑らかであることが確認できた。なお、リン酸によるエッチングは、０．１〜０．２μｍ程度の極僅かなものであり、主に凹部側壁の微細な凹凸を滑らかにする機能を果たしている。

上記方法によってそれぞれの基板上に成膜した磁気光学結晶について、研磨によりギャップ部上の余分な膜を除去し、個々のピクセル箇所の磁気光学結晶を非磁性基板と一体の仕切り壁により磁気的に分離しピクセルを形成した。その後、熱処理（アニール）により磁気光学結晶の保磁力を低減し、ピクセル（磁気光学結晶）の反転磁界を低減した。熱処理は、酸化雰囲気下９００℃〜１１５０℃で行った。

このようにして作製した試料（Ａ試料：従来品、Ｂ試料：本発明品）について、繰り返し磁化反転を行わせて反転強度を測定した。測定は８回行った。結果を図３に示す。Ｂ試料では反転磁界がほぼ一定（ほぼ１６０００Ａ／ｍ）であるのに対して、Ａ試料では８０００〜１８０００Ａ／ｍと変動幅が非常に大きいことが分かる。

Ａ試料（従来品）についてピクセルの磁化反転の様子を観察した。その一例について述べる。外部印加磁界が０Ａ／ｍのとき、磁化は一方向を向いている。外部磁界を印加していくにつれてピクセル周囲が磁化反転し、７４１２Ａ／ｍでほぼピクセル周囲全体が磁化反転した。その後、更に印加磁界を大きくしてもピクセル全体は磁化反転せず、１０２８１Ａ／ｍになってはじめてピクセル全体が磁化反転した。このことは、このピクセルの磁化反転において、ピクセル周囲のやや内側に磁壁移動を妨げるピンニングサイトが存在することを示している。Ａ試料では、このような現象が多く見られる。それに対してＢ試料（本発明品）では、そのような現象は生じず、磁化反転は一斉に行われた。つまり、ピンニングサイトは存在しないか、あるいはアニールでほぼ緩和されている。このような磁化反転機構の違いが、図３のような繰り返しスイッチング時における反転磁界の変動の違いとして現れている。

本発明に係る磁気光学デバイスの製造方法のフローチャート。 それにより得られる磁気光学デバイスの一例を示す部分斜視図。 繰り返しスイッチング時の反転磁界の変動を示す説明図。

符号の説明

１０ 非磁性基板
１２ 凹部
１４ 磁気光学結晶
１６ 仕切り壁

Claims (5)

1. 非磁性基板表面の各ピクセル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多数の凹部を配列形成する凹部形成工程、その非磁性基板上に磁気光学結晶を成膜する結晶育成工程、余分な磁気光学結晶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各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てピクセルを形成するようにした磁気光学デバイスの製造方法において、
   前記ピクセル箇所の凹部形成工程は、ドライエッチングにより凹部を掘り下げるステップと、その後に酸を用いたウエットエッチングにより凹部内壁の表面変質層を除去するステップの２段階からなることを特徴とする磁気光学デバイスの製造方法。
2. 非磁性基板としてＳＧＧＧあるいはＧＧＧ単結晶基板を用い、ピクセル箇所となる凹部を２次元アレイ状に密に配列形成し、磁気光学結晶として希土類鉄ガーネット単結晶を用い、液相エピタキシャル法により成膜する請求項１記載の磁気光学デバイスの製造方法。
3. ドライエッチングにより掘り下げるピクセル箇所となる凹部の深さを１．５μｍ以上とする請求項１又は２記載の磁気光学デバイスの製造方法。
4. ドライエッチングによる凹部の掘り下げをイオンミリングにより行い、その後のウエットエッチングによる表面変質層の除去をリン酸を用いて行う請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学デバイスの製造方法。
5. 表面平坦化工程の後、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２乃至４のいずれかに記載の磁気光学デバイスの製造方法。

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