JP5054604B2 - 光変調素子、光変調器、表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁化方向の変化を利用した光変調素子、この光変調素子を用いた光変調器、この光変調器を用いた表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置に関する。

光変調器としては、液晶や、ＭＥＭＳ（Micro-Electromechanical System）と呼ばれる半導体の微細加工技術を応用して作製されるＤＭＤ（Digital Micro-Mirror Device）を用いたものが、知られている。液晶方式は、一般に、液晶分子の配向を電圧印加により反転（回転）させて光の透過をコントロールしている(例えば、非特許文献１参照)。また、ＤＭＤ方式は、画素に対応した１０μｍ程度のミラーアレイを機械的に動かすことにより、光を変調している（例えば、非特許文献２参照）。

しかしながら、液晶方式は、ホログラフィ表示装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合に、画素の精細さや動作の高速応答性の点で問題がある。具体的には、高速型液晶と呼ばれているＯＣＢ（Optically Compensated Bend）液晶でも、応答速度は数ミリ秒に止まっている。また、液晶方式では、画像保持のためにＴＦＴ（薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor）が必要で、高コントラストを確保するために液晶層として少なくとも２μｍ程度の厚さが必要であり、しかも、このような液晶層を２枚の透明板材で挟む必要があるために、最小の画素サイズとしては数ミクロン角が限度と言われている。他方、ＤＭＤ方式では、応答速度は数マイクロ秒と速いものの、画素の大きさはＭＥＭＳの精度で決まり、十数ミクロン角程度が限界であるという問題がある。

そこで、磁性膜における磁化の方向の変化を用いた光変調素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された光変調素子は、磁化の方向をスピン注入磁化反転によって反転させ、入射光の偏光面をカー効果により回転させることによって光を変調するものであり、数ナノ秒という高速応答性と、サブミクロンサイズの画素による高精細な光変調を可能とするものである。
特開２００８−８３６８６号公報 T. Sonehara, H. Miura, and J. Amako: Proceeding of 12th International Display Research Conferences (1992) 315 J. Grimmett and J. Huffman, "Advancements in DLP Technology: The 10.6μm pixel and Beyond", Proc. IDW2005, pp1879-1882(2005)

しかしながら、特許文献１に開示された光変調方法では、光変調の大きさが大きくはないという問題がある。この問題を解決する１つの方法としては、磁性膜の膜厚を厚くして磁気光学効果を高める方法があるが、このような方法を用いると、反転電流が大きくなってしまう問題が生じる。別の方法としては、磁気光学効果の大きい材料、具体的には、光磁気ディスク記録媒体等に使われているような希土類金属と遷移金属とからなる合金を磁性膜に用いる方法が考えられる。しかし、希土類金属は隣接材料との反応性が高く、大気とも反応しやすいために、スピン注入磁化反転を用いる素子のように他の磁性材料や非磁性材料とからなる積層構造型の素子に適用した場合には、素子作製中に特性が変化してしまう等の問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、応答速度が速く、画素の微小化による精細な光変調を可能とする光変調素子、この光変調素子を用いて構成される光変調器、この光変調器を用いて構成される表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光変調素子は、２層以上の磁性膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層と、保護膜層とがこの順序で積層されたスピンバルブ型またはトンネル電流型の磁気抵抗素子構造を有し、前記磁性膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記保護膜層を介して前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光の偏光方向を変化させる光変調素子であって、前記自由磁化膜層が、ＧｄＦｅから形成され、前記保護膜層がＲｕ膜層のみからなり、前記自由磁化膜層に接しており、前記Ｒｕ膜層の膜厚が３〜５ｎｍであることを特徴としている。

このような構成によれば、保護膜層は、自由磁化膜層と反応して自由磁化膜層の特性を低下させることがなく、また、自由磁化膜層の酸化を防止することができる。さらに、保護膜層は、自由磁化膜層の光磁気効果（カー回転角の大きさ）に悪影響を与えない。そのため、自由磁化膜層の特性が安定しており、かつ、カー回転角の大きな光変調素子を実現することができる。また、このような構成の光変調素子は、微細化が容易であるため、高精細な光変調を実現することができる。

なお、本発明に係る光変調素子は、所謂、スピンバルブ型またはトンネル電流型の磁気抵抗素子（ＭＲ素子）と同等の構造を有する。これらのＭＲ素子は、周知の通り、ハードディスクドライブの磁気ヘッド等に用いられているものの、光変調のために用いられている例は皆無であり、本発明は、これらのＭＲ素子を光変調に用い、かつ、光変調素子として用いるために十分な特性を備えるように、Ｒｕ膜を設けていることに特徴がある。

本発明に係る光変調素子では、前記保護膜層がＲｕ膜層のみからなることが好ましい。この場合には、保護膜層は、自由磁化膜層と直接に接触し、かつ、光変調素子の積層端に位置することとなる。光変調素子の作製工程においては各層を積層した後に熱処理を施すが、このとき、耐酸化性と耐熱性に優れたＲｕ膜層が表層に設けられているために、他の層の酸化等を効果的に防止して、各層の特性を維持することができる。また、複数層からなる保護膜を用いる場合と比較して、作製プロセスを短縮することができるという利点もある。

Ｒｕ膜層の膜厚は、３〜５ｎｍであることが好ましい。保護膜層が３ｎｍより薄いと酸化防止の効果が小さくなり、自由磁化膜層が劣化するおそれがある。一方、保護膜層が５ｎｍを超えて厚くなるにしたがって光の透過率は徐々に小さくなり、自由磁化膜層へ到達する入射光量及び反射光量が低下する。

自由磁化膜層としては、希土類元素と遷移元素との金属間化合物が好適に用いられる。このような金属間化合物は、薄い膜厚でも大きな光磁気効果（カー効果）を示すからであり、特に、成膜が容易なＧｄＦｅやＴｂＦｅＣｏが好適に用いられる。
また、本発明に係る光変調素子は、反強磁性を示す垂直磁化材料からなる前記磁性膜層と、強磁性を示す垂直磁化材料からなる前記磁性膜層と、Ｃｕからなる前記非磁性中間膜層と、ＧｄＦｅからなる前記自由磁化膜層と、Ｒｕからなる保護膜層とがこの順序で積層されることが好ましい。
また、本発明に係る光変調素子では、前記自由磁化膜層のＧｄＦｅ膜は、ＧｄとＦｅとの元素比（ａｔ％）が３０対７０であるＧｄ ₃₀ Ｆｅ ₇₀ により形成されていることが好ましい。

本発明に係る光変調器は、このような光変調素子が二次元アレイ状に配置され、前記光変調素子を介して上下にそれぞれに配置されて、前記二次元アレイ状に配置されたそれぞれの光変調素子に電圧を印加するための一対の電極である上部電極および下部電極を備え、上部側から入射する光を変調する光変調器であって、前記上部電極が、透明電極材料で形成されていることを特徴とする。
本発明に係る光変調素子は、微細化が可能であるため、このような構成によれば、高精細な光変調を高速で行うことができる。

本発明に係る表示装置は、前記した光変調器と、この光変調器から出射した光を投影するスクリーンとを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。

本発明に係るホログラフィ装置は、物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮像する撮像手段と、前記撮像手段に記録された画像信号を前記した光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。

本発明に係るホログラム記録装置は、所定の情報を２系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、前記した光変調器と、
前記２系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記２系統の光のうちの少なくとも１系統の光変調を、前記光変調器を用いて行うことを特徴とする。
このような構成によれば、記録の多重度を格段に向上させることができ、前記２系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことにより、この効果をさらに向上させることができる。

本発明に係る光変調素子では、製造過程における特性劣化が抑えられた光磁気効果の大きな磁性材料を用いて光変調を行うため、高精細な光変調を高速に行うことができる。また、本発明によれば、このような光変調素子の特性に起因する高速応答性と高精細な光変調特性とを備えた光変調器や表示装置、ホログラフィ装置、ホログラム記憶装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
《光変調器》
＜全体構造＞
図１（ａ）に本発明の一実施形態に係る光変調器の概略構成を表した平面図を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）に示す矢視Ａ−Ａ断面図を示し、図１（ｃ）に光変調器に用いられている光変調素子の構造を模式的に表した図を示す。

光変調器１０は、基板１４と、基板１４上に一定間隔で平行に設けられた帯状の下部電極１３と、下部電極１３上に一定間隔で設けられた光変調素子１１と、下部電極１３とで光変調素子１１を挟むように一定間隔で平行に設けられた帯状の上部透明電極１２と、を備えている。上部透明電極１２の上空には偏光フィルタ１８が配置されており、光変調素子１１からの反射光の偏光面の角度に応じて、その反射光を透過し、または、遮光する。

この光変調器１０の駆動（動作）は制御装置８０によって制御され、制御装置８０は、複数の下部電極１３の中から電圧を印加する電極を選択する下部電極選択部８２と、複数の上部透明電極１２の中から電圧を印加する電極を選択する上部電極選択部８３と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３とに電力を供給する電源８１と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３及び電源８１の動作制御を司る制御部８４とを備えている。以下、各構成要素について説明する。

＜基板＞
基板１４は、下部電極１３、光変調素子１１及び上部透明電極１２を形成するための土台となるものである。光変調器１０では、後記するように、光変調素子１１に入射した後に反射される光を利用するため、基板１４に透光性は要求されず、下部電極１３、光変調素子１１及び上部透明電極１２を形成（成膜）する際の成膜環境に耐えられるものであればよい。したがって、基板１４としては、Ｓｉウエハ、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。

＜下部電極＞
下部電極１３は、光変調素子１１に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器１０では、光変調素子１１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、下部電極１３は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で基板１４上に設けられている。下部電極１３を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。下部電極１３の幅は、下部電極１３上に形成する光変調素子１１の形状に合わせて、適宜、定められる。

＜上部透明電極＞
上部透明電極１２は、光変調素子１１に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器１０では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子１１の中から選ばれる任意の素子に電圧を印加することができるように、上部透明電極１２は、一定幅の帯状形状を有し、その長手方向が下部電極１３の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されている。上部透明電極１２としては、ＩＴＯ等の透明電極材料が好適に用いられる。

＜光変調素子＞
光変調素子１１は、下部電極１３と上部透明電極１２との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子１１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて反射する役割を担う。光変調素子１１の平面視〔図１（ａ）〕での大きさは、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍの大きさからなり、光変調器１０では、光変調素子１１は、二次元マトリックス状（縦横に一定間隔で二次元配置された状態）に配置されている。より詳しくは、光変調素子１１の長手方向と下部電極１３の長手方向とを一致させて、光変調素子１１を下部電極１３上に一定間隔で配置し、かつ、下部電極１３の短手方向でも光変調素子１１は一定間隔で配置されている。

なお、光変調素子１１の形状は長方形（矩形）に限定されるものではない。光変調素子１１同士の間隔は、上部透明電極１２、下部電極１３及び光変調素子１１の成膜技術（後述するように、半導体製造プロセスが好適に用いられる）の精度に依存し、適宜、定められる。

光変調素子１１としては、所謂、スピンバルブ型またはトンネル電流型の磁気抵抗素子（ＭＲ素子）構造を有するものが用いられ、図１（ｃ）に示されるように、下部電極１３側から、第１ピンド膜層２１（磁性膜層）、第２ピンド膜層２２（磁性膜層）、非磁性中間膜層２３、自由磁化膜層２４、保護膜層２５が逐次積層された構造を有しており、保護膜層２５上に上部透明電極１２が設けられる。光変調器１０は、このような光変調素子１１を二次元マトリックス状に配置することにより、メサ構造を有する。

［第１ピンド膜層と第２ピンド膜層］
第１ピンド膜層２１は反強磁性を示す材料からなり、例えば、ＴｂＦｅＣｏ等の垂直磁化材料（磁化の方向が膜面に垂直な方向となる材料）が用いられる。第２ピンド膜層２２は強磁性を示す材料からなる。第１ピンド膜層２１に垂直磁化材料を用いるため、第２ピンド膜層２２にも垂直磁化材料を用い、例えば、ＣｏＦｅ等を用いる。第２ピンド膜層２２における磁化の向きは、第１ピンド膜層２１との交換結合により固定される。

［非磁性中間膜層］
光変調素子１１がスピンバルブ型の磁気抵抗素子の場合、非磁性中間膜層２３として、非磁性金属であるＣｕ等が用いられる。この場合、下部電極１３と上部透明電極１２との間に電圧を印加したときに、非磁性中間膜層２３を流れる電子は、第１ピンド膜層２１と第２ピンド膜層２２による磁場の影響を受けて抵抗値が変化し、これにより自由磁化膜層２４の磁化の向きに影響を与える。また、非磁性中間膜層２３としては、マグネシア（ＭｇＯ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁体を用いることができる。その場合、光変調素子１１の構造は、トンネル電流型の磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）となる。以下、光変調器１０では、光変調素子１１として、スピンバルブ型の磁気抵抗素子が用いられているものとして、説明する。

［自由磁化膜層］
自由磁化膜層２４は、上部透明電極１２と下部電極１３との間に印加される電圧の向きに応じて、スピンバルブ効果により磁化の向きが逆になる垂直磁化材料で構成される。垂直磁化材料としては、希土類元素と遷移元素との金属間化合物材料が好適に用いられる。このような金属間化合物は、薄い膜厚でも電圧が印加された際に大きなカー効果を示し、大きなカー回転角を得ることができる。より具体的には、ＧｄＦｅ（例えば、Ｇｄ₃₀Ｆｅ₇₀）やＴｂＦｅＣｏ（例えば、Ｔｂ _32.1Ｆｅ_58.1Ｃｏ_9.8）等〔数値は元素比（ａｔ％）を示す〕が好適に用いられる。これらの金属間化合物は、成膜が容易という利点をも有している。

なお、ＧｄＦｅでは、ＧｄとＦｅの磁気モーメントが互いに反対に向き合い、その組成によって、全磁気モーメントがＧｄの磁気モーメントの向きになるか、Ｆｅの磁気モーメントの向きになるのかが決まる。例えば、Ｇｄ_３０Ｆｅ_７０の場合には、全磁気モーメントはＧｄの磁気モーメントの方向に向く。

また、希土類元素の化学的・物理的性質の類似を利用すれば、遷移金属との組み合わせによる材料変更は比較的容易であるが、希土類元素としては、得られる磁気的性質が同等である場合には、原料コストや成膜性に優れた材料を用いることが好ましい。

［保護膜層］
保護膜層２５は、自由磁化膜層２４の酸化を防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１１を形成する際の熱処理（後記する）における自由磁化膜層２４の酸化を防止する。また、保護膜層２５を構成する材料には、熱処理の際に自由磁化膜層２４を構成する材料と反応しない性質が求められる。さらに、保護膜層２５には、透光性に優れ、自由磁化膜層２４のカー効果を低下させない特性（換言すれば、入射光と反射光の偏光面を実質的に回転させない特性）を有していることが要求される。このような要求を満たす材料として、Ｒｕを用いる。

保護膜層２５は、Ｒｕ膜層のみからなることが好ましい。これにより、自由磁化膜層２４の酸化防止を薄い膜厚で実現することができ、また、製造上も１回の成膜で済ませることができる。さらに、保護膜層２５を薄く形成することができるために、自由磁化膜層２４への入射光強度の低下を抑制することができる。

なお、保護膜層２５は、Ｒｕ膜層と他の金属膜層との積層構造であってもよい。この場合、耐酸化性に優れる金属材料であれば、自由磁化膜層２４の表面にＲｕ膜層を設け、Ｒｕ膜層の表面に耐酸化性金属膜層を設けることができる。自由磁化膜層２４の表面にＲｕ膜以外の金属膜を設ける場合には、その金属膜と自由磁化膜層２４との反応（合金化）によってカー効果の反転等が起こらない材料を選択することが好ましい。また、自由磁化膜層２４への入射光強度が低下しないように、各膜の厚さを調整することが好ましい。

保護膜層２５としてのＲｕ膜層については、後に試験結果を踏まえて詳細に説明するが、単層で用いる場合には、その膜厚を３〜５ｎｍとすることが好ましい。Ｒｕ膜層が３ｎｍより薄いと酸化防止の効果が小さくなり、自由磁化膜層２４が劣化して、カー回転角が小さくなる。一方、Ｒｕ膜層が５ｎｍを超えて厚くなるにしたがって光の透過率が徐々に小さくなり、自由磁化膜層２４へ到達する入射光量及び反射光量が低下するため、カー効果が得られなくなる。なお、保護膜層２５としてのＲｕ膜層を、他の金属膜層と積層構造にして用いる場合には、同時に用いる金属の耐酸化性等を考慮して膜厚を決定すればよいが、前記理由からＲｕ膜層は５ｎｍ以下とすることが好ましい。

＜制御装置＞
下部電極選択部８２は、複数の下部電極１３にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。上部電極選択部８３もこれと同様に、複数の上部透明電極１２にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源８１から一定電圧が供給されており、駆動対象となる光変調素子１１に下部電極１３を介して接続されているスイッチング素子及び上部透明電極１２を介して接続されているスイッチング素子が、制御部８４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子１１に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調素子１１の選択と、この光変調素子１１を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、制御部８４によって行われる。

電源８１は電圧反転機能を備えている。つまり、下部電極１３に正電圧を印加すると共に、上部透明電極１２に負電圧を印加することができ、逆に、下部電極１３に負電圧を印加すると共に、上部透明電極１２に正電圧を印加することもできるようになっている。この電源８１の電圧反転機能の制御もまた制御部８４により行われる。制御部８４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、電源８１、下部電極選択部８２及び上部電極選択部８３の動作制御が行われる。

＜偏光フィルタ＞
偏光フィルタ１８は、図１（ｂ）に示されるように、光変調素子１１からの反射光を、その偏光面の角度によって、透過させたり遮光したりする。この図１（ｂ）に示されている状態について、図２を参照して以下に説明する。

＜光変調素子の駆動＞
図２に光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のカー効果との関係を模式的に表した図を示す。図２（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、下部電極と上部透明電極とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。図２（ａ），（ｂ）に示す第１ピンド膜層２１、第２ピンド膜層２２及び自由磁化膜層２４の各層内に示される矢印は磁化の向き（スピンの向き）を表している。

図２（ａ）に示すように、上部透明電極１２と下部電極１３との間で電流が上部透明電極１２側から下部電極１３側へと膜層面に垂直に流れるようにした場合には、自由磁化膜層２４における磁化（スピン）の向きは、第１ピンド膜層２１及び第２ピンド膜層２２における磁化の向きと同じになる。一方、図２（ｂ）に示すように、下部電極１３側から上部透明電極１２側へと膜層面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層２４における磁化の向きは、第１ピンド膜層２１及び第２ピンド膜層２２における磁化の向きとは逆になる。このように、上部透明電極１２と下部電極１３との間で流す電流の向きによって、自由磁化膜層２４における磁化の状態が変化する。この磁化の状態変化は、数ｎｓ〜数十ｎｓ（ｎｓ：ナノ秒）と極めて高速である。

偏光軸７１で示される所定の偏光方向を有する入射光が、図２（ａ），（ｂ）に示す各光変調素子１１へ入射すると、自由磁化膜層２４によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した反射光となって、各光変調素子１１から射出される。ここでは、図２（ａ）の場合には偏光軸７２で示される右回転方向（これを「＋方向」とする）へ、図２（ｂ）の場合には偏光軸７３で示される左回転方向（これを「−方向」とする）へ、それぞれカー回転が生じる。

そこで、反射光の進行方向に、偏光軸７２と平行な偏光軸を有する偏光フィルタ１８を配置すると、図２（ａ）の場合の反射光は偏光フィルタ１８を通過することができるが、図２（ｂ）の場合の反射光は偏光フィルタ１８を通過することができない状態を作り出すことができる。こうして、偏光フィルタ１８を通過する反射光を、光変調素子１１ごとにその自由磁化膜層２４の磁化の向きを電流の向きによって制御することにより、反射光の強弱（コントラスト）を制御することができる。光変調器１０は、前記の通りに上部透明電極１２と下部電極１３とを選択的に駆動（電圧印加）して所望の光変調素子１１に電流を流すことができるようになっているため、この光変調器１０を、後記する表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記憶装置に用いることができるようになる。

なお、自由磁化膜層２４によるカー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって反射光のコントラストの強弱比が決まる。図２（ａ），（ｂ）に示すように、反射光を透過するかまたは遮光するかの状態の場合（つまり、カー回転角が一定角度以上ある場合）には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。

また、図１（ｂ）や図２（ａ），（ｂ）では、自由磁化膜層２４の膜面に垂直な方向に対して一定角度ずれた方向から光を入射させているが、カー効果を最大限に得ることができる入射光の方向は、磁化の方向と平行な方向である。したがって、光変調素子１１の上空にハーフミラーを設け、そのハーフミラーを介して自由磁化膜層２４の膜面に垂直な方向から光変調素子１１に光を入射させ、その反射光をハーフミラーで取り出すように構成してもよい。

＜光変調器の製造方法＞
図３に光変調器の製造方法を模式的に示す。最初に、基板１４の表面にＣｕ等からなる下部電極１３を形成する〔図３（ａ）〕。この下部電極１３の形成は、例えば、基板１４の表面に一様にスパッタ法等によりＣｕ膜を形成し、Ｃｕ膜上に下部電極１３と同じ線幅のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとして基板表面が露出するまでＣｕ膜をドライエッチング等した後、レジストパターンを剥離することにより、行うことができる。また、下部電極１３を形成する領域を溝としたレジストパターンを先に形成し、スパッタ法によりＣｕ膜を形成した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法によって下部電極１３を形成してもよい。

続いて、下部電極１３間の溝をアルミナ等の絶縁材料で埋める〔図３（ｂ）〕。アルミナ膜の形成は、反応性スパッタ法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができ、必要に応じて、ＣＭＰ処理等により下部電極１３を含む表面を平滑にする。こうして形成された表面に、光変調素子１１を構成する第１ピンド膜層２１、第２ピンド膜層２２、非磁性中間膜層２３、自由磁化膜層２４、保護膜層２５（図３では各層ごとの表示を省略する）を、この順番で各層ごとに所定の膜厚でスパッタ法（例えば、マグネトロンスパッタリング）等により逐次成膜し、光変調素子１１の層を形成する〔図３（ｃ）〕。なお、光変調素子１１の層を構成する各膜の材料及び厚さについては、本発明の試験結果について、後に図７〜１２を参照して説明する際に、併せて説明する。

次に、基板１４上に形成された光変調素子１１に対して熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１１の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１１の特性変化を抑制するために行われる。保護膜層２５に耐酸化性に優れるＲｕ膜を用いることによって、薄い膜厚でも、この熱処理において、自由磁化膜層２４の酸化を防止し、保護することができる。これにより、自由磁化膜層２４の劣化によるカー効果の低下が防止されると共に、保護膜層２５による入射光強度と反射高強度の低下が抑制される。しかも、Ｒｕ膜はカー回転角に実質的に悪影響を与えない。このように、保護膜層２５としてＲｕ膜を用いることは、光変調素子１１の光変調性能に極めて重要な役割を果たす。

続いて、熱処理された光変調素子１１の層上に、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍのレジストパターン９１をメサパターンとなるように、ＥＢ露光法等により形成する〔図３（ｄ）〕。このレジストパターン９１をエッチングマスクとして用いて、光変調素子１１の層をエッチングし、その後、レジストパターン９１を除去する〔図３（ｅ）〕。これにより光変調素子１１が形成される。次いで、ＣＶＤ法等により、光変調素子１１間をアルミナ等の絶縁材料で埋め、必要に応じてＣＭＰ処理等により光変調素子１１を含む表面を平滑にする〔図３（ｆ）〕。または、光変調素子１１の層をエッチングした後に、このエッチングにより形成された溝をアルミナ等の絶縁材料で埋め、その後にリフトオフ（レジストパターン９１の剥離）またはＣＭＰを行う方法を用いてもよい。ＣＭＰ処理等を行う場合には、光変調素子１１の最上部に形成されている保護膜層２５の厚さが所定値（好ましくは３〜５ｎｍ）に維持されるようにする。

上部透明電極１２を、光変調素子１１が覆われるように、かつ、下部電極１３のラインパターンと直交するように、所定間隔で形成する〔図３（ｇ）〕。この上部透明電極１２の形成は、下部電極１３の形成方法と同様にして行うことができる。このような製造方法を用いれば、微細な光変調素子１１を高密度に配置した光変調器１０を製造することができるため、表示速度が速く、高精細な画像及び映像表現が可能な光変調器１０を製造することができる。

《表示装置》
図４に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた表示装置の概略構成図を示す。この表示装置３０は、光変調器１０を用いたカラー対応の表示装置であり、光変調器１０と、ＲＧＢ時分割照明器１９と、偏光フィルタ１７，１８と、スクリーン２９を備えている。

ＲＧＢ時分割照明器１９は、光の三原色であるＲ，Ｇ，Ｂ光をそれぞれ放射する発光ダイオードや半導体レーザ等の光源を備えており、Ｒ，Ｇ，Ｂにそれぞれ対応する各光源が１フィールド期間内で順次点灯する構造になっている。例えば、図示しない映像信号送信装置からの信号を受けてＲＧＢ時分割照明器１９を駆動させる。ＲＧＢ時分割照明器１９から射出された光は、偏光方向（偏光面）を揃えるための偏光フィルタ１７を通して光変調器１０に入射し、その際に入射光に対応する光変調素子１１を駆動（電流印加）してカー効果による反射光の偏光方向制御を行う。そして、偏光フィルタ１８は所定の偏光方向の反射光を強く透過し、この偏光方向と角度が偏光方向を有する光の透過を、その角度に応じて制限する。こうして、所定のコントラストを有する映像がスクリーン２９に投影される。

前記した通り、光変調器１０は、高速応答性を有し、微細な光変調素子１１を高密度に配置した構造を有しているため、表示装置３０では、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。

《ホログラフィ装置》
図５に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造を示す。なお、図５では光変調器１０の詳細な構造は省略しており、また、制御装置８０の図示を省略している。

ホログラフィ装置４０は、大別して、画像入力系と画像再生系とに分けられる。画像入力系は、レーザ光源３１と、ビーム拡大器３２と、レンズ３３，３６と、ハーフミラー３４，３７と、ミラー３５と、撮像手段たるＣＣＤカメラ３８とを備えている。一方、画像再生系は、レーザ光源４１と、ビーム拡大器４２と、レンズ４５と、偏光板４３，４４と、光変調器１０とを備えている。レーザ光源３１とレーザ光源４１とは同等のものであり、例えば、前記した表示装置２０に用いられているＲＧＢ時分割照明器１９であって、半導体レーザ光源を備えたものが用いられる。

ホログラフィ装置４０では、まず、画像入力にあたって、レーザ光源３１から発するレーザ光をビーム拡大器３２で拡大した後、レンズ３３により並行光とする。このレーザ光（平行光）をハーフミラー３４により、被写体に照明して物体光とするための光と、参照光とに分ける。被写体からは反射光たる物体光は、レンズ３６とハーフミラー３７を介して、ＣＣＤカメラ３８側へ出射する。一方、参照光は、ミラー３５とハーフミラー３７によって反射される。こうして、ハーフミラー３７から出射する物体光と参照光とが合成されて干渉縞が形成される。この干渉縞のパターンをＣＣＤカメラ３８により撮像する。なお、図５では、レンズ３３から射出された光の光路を１本線で簡単に示している。

ホログラフィ装置４０での画像の再生にあたっては、まず、レーザ光源４１から出射したレーザ光をビーム拡大器４２で拡大し、その光をレンズ４５により平行にして、この平行光を光変調器１０に入射させる。他方、ＣＣＤカメラ３８から干渉縞パターンを記録した画像信号が光変調器１０の制御装置８０（図５に図示せず）に入力される。制御装置８０が入力信号にしたがって光変調素子１１を駆動することによって、干渉縞パターンの画像信号に対応した光変調が行われ、立体画像を再生することができる。ホログラフィ装置４０では、光変調器１０が用いられていることによって、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。

《ホログラム記録装置》
図６に本発明の実施形態に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造を示す。なお、図６では光変調器１０の詳細な構造は省略している。また、図６では、光の進行方向のみを示すものとし、レンズ等による光の空間的な幅の変更等の図示を省略する。

ホログラム記録装置５０では、レーザ光源５１（前記したレーザ光源３１，４１等と同等）から発するレーザ光を、ビーム拡大器５２で拡大した後、レンズ５３により並行光とする。この平行光（レーザ光）は、ハーフミラー５４によって、信号光と参照光とに分けられる。信号光は、光変調器１０により２次元ページデータに対応した光変調がなされて、記録媒体５５に到達する。一方、参照光は、ミラー５７を介して別の光変調器１０に入射され、そこで光変調された後、ミラー５８を介して記録媒体５５に到達する。記録媒体５５での状態変化たる波面の乱れは、位相情報として撮像手段たるＣＭＯＳカメラ５６によってリアルタイムに検出される。こうしてＣＭＯＳカメラ５６によって検出された位相情報に基づいて、別の光変調器１０が参照光の光変調を行うことによって、記録媒体５５での波面の乱れの影響をキャンセルすることができ、これにより、多重記録の精度を向上させることができる。

例えば、従来のフォトポリマー記録媒体を用いた体積ホログラム記録の場合、空気の流れ等によるシステムの温度変動や書き込み時の光重合によるフォトポリマーの収縮、収差等の光学系の不完全性等に起因して、記録媒体の波面が乱れることが、記録の多重化を妨げる要因となる場合がある。

そこで、ホログラム記録装置５０では、この波面の乱れをＣＭＯＳカメラ５６等の撮像手段でリアルタイムに検出し、その乱れをキャンセルするように参照光を空間的に変調する。この場合、参照光の変調は高速で行われることが好ましく、光変調器１０はその用途に適する。また、ページデータの書き込みにも光変調器１０を用いることができる。こうして、ホログラム記録装置５０では、光の波長程度の分解能で記録媒体５５での波面の乱れを制御できるため、記録の多重度を格段に向上させることができる。

次に本発明に係る光変調器を構成する光変調素子の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、本発明に属さない構成についても適宜取り上げて、対比説明することとする。

《保護膜層の膜厚の最適化》
図７（ａ）に、Ｒｕ膜の膜厚とカー効果との関係を調べるために作製した光変調素子の概略構成を示す。基板１４（Ｓｉウエハ）上に、下部電極１３としてのＣｕ電極を形成し、Ｃｕ電極上に前記した光変調素子の製造方法にしたがって、光変調素子１１を形成した。光変調素子１１は、マグネトロンスパッタリングにより、第１ピンド膜層２１（膜厚：２０ｎｍのＴｂＦｅＣｏ膜）、第２ピンド膜層２２（膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜）、非磁性中間膜層２３（膜厚６ｎｍのＣｕ膜）、自由磁化膜層２４（膜厚：５ｎｍのＧｄＦｅ膜）、保護膜層２５（Ｒｕ膜）を、この順序で積層形成することにより行い、保護膜層２５の膜厚を種々に変えた。

本試験では、Ｒｕ膜よる自由磁化膜層２４の酸化防止効果を確認するために、本来は保護膜層２５上に形成すべき上部透明電極を設けずに、直接に光変調素子１１に磁界を印加して自由磁化膜層２４の磁化の向きを調整することにより、自由磁化膜層２４の磁気光学特性（カー効果）を測定することとした。カー効果の測定は、熱処理前と熱処理後（真空中、１９０℃×１時間）にそれぞれ、カー効果測定装置（レーザ波長：７８０ｎｍ）を用い、外部磁界±１ｋＯｅを印加して行った。結果を図７（ｂ）に示す。

図７（ｂ）に示されるように、Ｒｕ膜の膜厚が、大凡、２〜６ｎｍの範囲で大きなカー回転角（絶対値）が得られていることがわかる。Ｒｕ膜の膜厚が３ｎｍから厚くなるにしたがってカー回転角が小さくなる傾向は、熱処理前と熱処理後とで同じであり、これは、Ｒｕ膜の膜厚が厚くなることによってＲｕ膜の反射率が大きくなり、自由磁化膜層２４へ入射する光が少なくなることに起因すると考えられる。一方、Ｒｕ膜の膜厚が３ｎｍよりも薄い場合のカー回転角の減少は、Ｒｕ膜の膜厚が薄いために、熱処理前では測定雰囲気（空気中）に放置されることにより自由磁化膜層２４が酸化され、熱処理後では熱処理時に自由磁化膜層２４が酸化されたことに起因すると考えられる。Ｒｕ膜の膜厚が１ｎｍの場合には、熱処理による自由磁化膜層２４の劣化が大きいために、カー回転角の大きさ（絶対値）は、熱処理後の方が熱処理前よりも下がっている。この試験結果からは、Ｒｕ膜の膜厚は、好ましくは３〜５ｎｍであり、さらに好ましくは３ｎｍであることがわかる。なお、熱処理前と熱処理後とでは、偏光面の回転方向が逆になっている。この現象の詳細はわかっていないが、自由磁化膜層２４の成分であるＧｄが隣接する材料と反応することで、自由磁化膜層２４中のＧｄＦｅ組成におけるＦｅ量が相対的に増加したことによるものと考えられる。

《保護膜層の構成とカー効果との関係》
＜試料作製と試験条件＞
図８〜図１２に、作製した各種の光変調素子について、印加した磁場の大きさと測定されたカー回転角との関係〔各図（ａ）：熱処理前、各図（ｂ）：熱処理後〕と、その光変調素子構造〔各図（ｃ）〕を示す。図８〜図１２に示される各光変調素子は、第１ピンド膜層２１が膜厚：２０ｎｍのＴｂＦｅＣｏ膜、第２ピンド膜層２２が膜厚：１ｎｍのＣｏＦｅ膜、非磁性中間膜層２３が膜厚：６ｎｍのＣｕ膜、自由磁化膜層２４が膜厚：６ｎｍのＧｄＦｅ膜であり、保護膜層２５を種々に変えた。

前記した《保護膜層の膜厚の最適化》の試験と同様に、真空中、１９０℃×１時間の熱処理前と熱処理後とで、カー効果を測定した。ここでも、上部透明電極は形成せずに、自由磁化膜層２４に印加する磁場の大きさで、自由磁化膜層２４における磁化の向きを制御した。このとき、図２（ａ）に示したように、正の磁界でカー回転角が正に出るように、実験系を設定した。

＜試験結果−実施例１＞
図８に、保護膜層としてＲｕ膜を用いた実施例１の試験結果を示す。Ｒｕ膜の膜厚は３ｎｍである。図８（ａ），（ｂ）に示されるように、熱処理前と熱処理後のいずれの場合でもカー効果が観察され、正磁界での回転角も正であり、カー効果の反転も生じていない。よって、Ｒｕ膜を保護膜層２５として用いる光変調素子は、光変調器に有用である。

＜試験結果−実施例２＞
図９に、保護膜層としてＲｕとＣｕの２層膜を用いた実施例２の試験結果を示す。Ｒｕ膜とＣｕ膜の膜厚はそれぞれ３ｎｍである。図９と後記する図１２とを対比すると明らかなように、Ｒｕ膜を最表面に形成することによってカー効果が得られていることから、Ｒｕ膜が自由磁化膜層２４の酸化を防止している。図９（ａ）に示されるように、熱処理前の状態では、カー回転角の低下や反転は生じていないが、図９（ｂ）に示されるように、熱処理後に、カー回転角の反転が生じている。このカー効果の反転は、ＧｄＦｅと接するＣｕがＧｄと反応することによりＧｄＣｕ合金となり、磁気モーメントが失われる影響で、磁気的に、Ｇｄリッチな組成からＦｅリッチな組成へと変化したためと考えられる。

＜試験結果−比較例１＞
図１０に、保護膜層としてＲｕとＴａの２層膜を用いた比較例１の試験結果を示す。Ｒｕ膜とＴａ膜の膜厚はそれぞれ５ｎｍである。図１０（ａ）に示されるように、熱処理前（成膜後）では、正磁界でのカー回転角が負となり、カー効果の反転が生じている。このようなカー効果の反転が生じるような大きな変化は、光変調器として応用する場合に望ましくない。なお、図１０（ｂ）に示されるように、熱処理によるカー効果の反転はない。

＜試験結果−比較例２＞
図１１に、保護膜層としてＰｔ膜を用いた比較例２の試験結果を示す。Ｐｔ膜の膜厚は３ｎｍである。図１１（ａ）に示されるように、熱処理前には自由磁化膜層２４のカー効果が観察されたが、比較例１と同様に、カー効果の反転が起こっている。また、図１１（ｂ）に示されるように、熱処理後には自由磁化膜層２４のカー効果が著しく失われていることがわかる。すなわち、熱処理によってＧｄＦｅが酸化されて磁性を示さなくなったと考えられる。

＜試験結果−比較例３＞
図１２に、保護膜層としてＣｕ膜を用いた比較例３の試験結果を示す。Ｃｕ膜の膜厚は３ｎｍである。図１２（ａ），（ｂ）に示されるように、カー回転角はほとんど観察されず、熱処理前でさえも自由磁化膜層２４のカー効果が著しく失われていることがわかる。これは、膜厚が３ｎｍのＣｕのキャッピングでは、ＧｄＦｅの酸化を防止することができず、ＧｄＦｅが酸化されて磁性を示さなくなったことが原因と考えられる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る光変調器の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す矢視Ａ−Ａ断面図であり、（ｃ）は光変調器に用いられている光変調素子の構造を模式的に示す図である。 光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のカー効果との関係を模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ下部電極と上部透明電極とに印加する電圧の正負を逆にした場合の模式図である。 光変調器の製造方法を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ所定の製造段階での構成を示した模式図である。 本発明に係る光変調器を用いた表示装置の概略構造図である。 本発明に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造図である。 本発明に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造図である。 （ａ）は作製した光変調素子の概略構成を示す図であり、（ｂ）はＲｕ膜の膜厚とカー効果との関係を示す図である。 実施例１に係る光変調素子のカー効果について、（ａ），（ｂ）はカー回転角と磁場の大きさとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は素子構造を示す図である。 実施例２に係る光変調素子のカー効果について、（ａ），（ｂ）はカー回転角と磁場の大きさとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は素子構造を示す図である。 比較例１に係る光変調素子のカー効果について、（ａ），（ｂ）はカー回転角と磁場の大きさとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は素子構造を示す図である。 比較例２に係る光変調素子のカー効果について、（ａ），（ｂ）はカー回転角と磁場の大きさとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は素子構造を示す図である。 比較例３に係る光変調素子のカー効果について、（ａ），（ｂ）はカー回転角と磁場の大きさとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は素子構造を示す図である。

符号の説明

１０ 光変調器
１１ 光変調素子
１２ 上部透明電極
１３ 下部電極
１４ 基板
１８ 偏光フィルタ
１９ ＧＲＢ時分割照明器
２１ 第１ピンド膜層（磁性膜層）
２２ 第２ピンド膜層（磁性膜層）
２３ 非磁性中間膜層
２４ 自由磁化膜層
２５ 保護膜層
３０ 表示装置
４０ ホログラフィ装置
５０ ホログラム記憶装置
７０ 偏光軸
７１ （正方向）回転した偏光軸
７２ （負方向）回転した偏光軸

Claims (8)

1. ２層以上の磁性膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層と、保護膜層とがこの順序で積層されたスピンバルブ型またはトンネル電流型の磁気抵抗素子構造を有し、前記磁性膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記保護膜層を介して前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光の偏光方向を変化させる光変調素子であって、
   前記自由磁化膜層は、ＧｄＦｅから形成され、
   前記保護膜層がＲｕ膜層のみからなり、前記自由磁化膜層に接しており、
   前記Ｒｕ膜層の膜厚が３〜５ｎｍであることを特徴とする光変調素子。
2. 反強磁性を示す垂直磁化材料からなる前記磁性膜層と、
   強磁性を示す垂直磁化材料からなる前記磁性膜層と、
   Ｃｕからなる前記非磁性中間膜層と、
   ＧｄＦｅからなる前記自由磁化膜層と、
   Ｒｕからなる保護膜層とがこの順序で積層されたことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記自由磁化膜層のＧｄＦｅ膜は、ＧｄとＦｅとの元素比（ａｔ％）が３０対７０であるＧｄ ₃₀ Ｆｅ ₇₀ により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光変調素子が二次元アレイ状に配置され、前記光変調素子を介して上下にそれぞれに配置されて、前記二次元アレイ状に配置されたそれぞれの光変調素子に電圧を印加するための一対の電極である上部電極および下部電極を備え、上部側から入射する光を変調する光変調器であって、
   前記上部電極は、透明電極材料で形成されていることを特徴とする光変調器。
5. 請求項４に記載の光変調器と、
   前記光変調器から出射した光を投影するスクリーンと、を備えたことを特徴とする表示装置。
6. 物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段に記録された画像信号を前記請求項４に記載の光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とするホログラフィ装置。
7. 所定の情報を２系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、
   前記請求項４に記載の光変調器と、
   前記２系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
   前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記２系統の光のうちの少なくとも１系統の光変調を前記光変調器を用いて行うことを特徴とするホログラム記録装置。
8. 前記２系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことを特徴とする請求項７に記載のホログラム記録装置。

Images