JPH0582481A

JPH0582481A - ガーネツト膜加工方法

Info

Publication number: JPH0582481A
Application number: JP26547691A
Authority: JP
Inventors: Yujiro Kato; 雄二郎加藤; Naoto Sugimoto; 直登杉本; Akiyuki Tate; 彰之館; Atsushi Shibukawa; 篤渋川; Yasuhiro Nagai; 靖浩永井; Keiichi Yanagisawa; 佳一柳沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1993-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】マスク材のイオンビームに対する耐性を著し
く向上させることにより、ガーネット膜を深くエッチン
グする方法を提供する。【構成】一般式Ｒ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂で示される磁性ガーネ
ット膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の一部
を等価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた置換
型ガーネット膜の加工方法において、マスク材に、有機
及び／又は無機のレジストと、チタン、ジルコン、ニオ
ブ、タンタル、モリブデン、バナジウム、タングステ
ン、クロムの中から選ばれた一種以上の金属薄膜とを積
層したものを用い、ガス種に窒素、アルゴン、酸素、塩
素、塩化水素、三塩化ホウ素の中から選ばれた一種以上
のガスを用いてイオンビームにより加工するガーネット
膜の加工方法。【効果】容易に導波路を形成でき、磁性ガーネット膜
を用いたデバイスの作製が容易になり、産業上の利点が
大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁性ガーネット膜を用
いたデバイス、例えば導波型アイソレータ等を形成する
ためのガーネット膜の加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁性ガーネット膜を用いて導波型
デバイスを作製する場合、ガーネットの化学的安定性、
高硬度であること、及び形成温度の高さ〜９００℃によ
りガーネット導波路の加工が著しく困難であった。まず
ガーネットが化学的に安定であることから、石英系の導
波路の加工に用いられている反応性イオンエッチングを
利用しようとしても、ガーネットを構成する元素を昇華
させて除去しうるだけの昇華性を提供できる反応性ガス
がない。一般に用いられているフルオロカーボン系のガ
スや塩素を用いても格段の効果は認められない。溶液に
よる化学的エッチングを用いる場合、ガーネットを溶解
しうるのは、熱リン酸しか知られていない。熱リン酸を
用いれば、ガーネットの加工は一応可能であるが、等方
的なエッチングであるため、導波路の側面がテーパを持
ち、いわゆるアスペクト比を大きくすることができな
い。しかも、３μｍ以上深くエッチングしようとする
と、パターンの上部がリン酸にさらされる時間が長くな
るため、凸部の形状が丸みを帯びてくることがあった。
ガーネットの形成温度は〜９００℃と高温であるため、
あらかじめパターニングを行うための有機・無機のレジ
ストステンシルを形成しておいて、その後ガーネット膜
を成長させ、最後にレジストステンシルを溶解して不要
な箇所を取去るという、いわゆるリフトオフ法を適用す
ることはできない。そこで、従来は導波路デバイス向け
に磁性ガーネット膜を加工するのにアルゴンや塩素を用
いたイオンビームエッチングを適用してきた。イオンビ
ームエッチングは、イオン源により加速されたイオンを
衝突させることにより、イオンが衝突した部分を構成す
る物質を物理的に叩き出す、いわゆるスパッタリングに
よりエッチングを行うものである。その際のマスク材と
して、通常のリソグラフィに用いるフォトレジストを用
いてきた。従来の方法では、イオンビームに対するマス
ク材の耐性が十分でなく、高さ１μｍ以下程度のリッジ
型導波路までしか加工ができなかった。

【０００３】従来のイオンビームエッチングにおける問
題点に次のものがある。図２に、従来の方法の工程を模
式的に示す。すなわち図２は従来のガーネット膜の加工
方法を示す工程図であり、符号１は基板、例えばガドリ
ニウムガリウムガーネット等、２は磁性ガーネット膜、
例えば約４．５μｍの厚さのイットリウム鉄ガーネット
膜、３はフォトレジスト、例えば約４μｍの厚さのフォ
トレジストである。図２に示すように、基板（例えばガ
ドリニウムガリウムガーネット結晶）上に成長した磁性
ガーネット膜（例えばイットリウム鉄ガーネットＹＩ
Ｇ）の上に必要な部分を保護するためのマスク材をフォ
トレジストにより１〜３μｍの厚さに形成する（図２Ａ
の工程）。続いて、イオンビームエッチング装置内に基
板を持ち込み、アルゴンあるいは塩素イオンを基板に照
射することにより、磁性ガーネット膜を掘り下げる（図
２Ｂ）。この時、ガーネット膜が機械的硬度が高く、イ
オンビームに対するスパッタ効率（収量）が小さいた
め、ガーネットのエッチング深さに比べて、マスク材が
いち早く除去されてしまい、マスク材が丁度完全に除去
された状態でのガーネットのエッチング深さは、たかだ
か１μｍ程度であった（図２Ｃ）。

【０００４】このように、従来のガーネット膜加工方法
では、たかだか１μｍ程度しかエッチングできないた
め、磁性ガーネットを用いた導波路デバイスの構成に著
しい制約があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２に示す、従来の磁
性ガーネット膜加工方法では、マスク材の耐性が低く、
導波路の構成を容易にするために期待されている４μｍ
以上のエッチング深さを得ることは困難であった。本発
明の目的は、この問題点を解決すべく、マスク材のイオ
ンビームに対する耐性を著しく向上させることにより、
ガーネット膜を深くエッチングする方法を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明はガーネット膜の加工方法に関する発明であって、
一般式Ｒ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂で示される磁性ガーネット膜、又
は該ガーネットの酸素以外の構成元素の一部を等価な価
数を有する一種以上の元素で置き換えた置換型ガーネッ
ト膜の加工方法において、マスク材に、有機及び／又は
無機レジストと、チタン、ジルコン、ニオブ、タンタ
ル、モリブデン、バナジウム、タングステン、クロムの
中から選ばれた一種以上の金属薄膜とを積層したものを
用い、ガス種に窒素、アルゴン、酸素、塩素、塩化水
素、三塩化ホウ素の中から選ばれた一種以上のガスを用
いてイオンビームにより加工することを特徴とする。

【０００７】前記のような目的を達成するために、本発
明では、マスク材に用いる有機レジストに、例えばフォ
トレジスト、ＰＭＭＡ、ポリイミドの中から選ばれた一
種以上を用い、無機レジストに、例えば酸化亜鉛、酸化
シリコン、酸化アルミ、窒化シリコンの中から選ばれた
一種以上を用い、これらレジストと、チタン、ジルコ
ン、タンタル、ニオブ、モリブデン、バナジウム、タン
グステン、クロムの中から選ばれた一種以上の金属薄膜
とを積層してマスク材とする。上記積層のマスク材を用
いてパターン形成のためのマスクを形成した後、窒素、
アルゴン、酸素、塩素、塩化水素、三塩化ホウ素の中か
ら選ばれた一種以上のガスを用いてイオンビームにより
不要な部分のガーネット膜を取去る。本発明によるマス
ク材は、イオンビームに対する耐性が極めて高いため、
従来の技術では加工が困難であった数μｍ以上の膜厚を
有するガーネット膜に対しても十分適用可能であること
を特徴とする。また、当然に有機、無機のレジスト及び
金属薄膜の積層する順序を変えたり、３層以上に積層し
たマスク材を用いて加工を行うのは、本発明の領域に含
まれる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の具体的実施例について説明す
るが、本発明はこれら実施例に限定されない。

【０００９】実施例１図１に、本発明によるガーネット膜加工の一例を示す。
すなわち図１は本発明による磁性ガーネット膜の加工方
法の一例を示す工程図であり、符号１〜３は図２と同
義、４は金属薄膜、例えば約１μｍの厚さのチタン薄
膜、５はマスク材となる金属薄膜を加工するためのフォ
トレジストのマスクである。図１に示すように、まず、
例えばガドリニウムガリウムガーネット〔ＧＧＧ基板
（１１１）方向〕上にイットリウム鉄ガーネット膜を液
層エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）により、約４．５
μｍの厚さに形成し、約４μｍ厚のフォトレジストをス
ピンコートした（図１Ａ）。次に、フォトレジストを約
２００℃でハードベークした後、基板上全面にチタン薄
膜をＤＣマグネトロンスパッタ法により基板を冷却しつ
つ約１μｍの厚さに形成した（図１Ｂ）。しかる後、チ
タン薄膜を加工するためのフォトレジストのマスクを通
常のフォトリソグラフィ技術を用いて形成した（図１
Ｃ）。続いて、チタン薄膜をアルゴンイオンビームエッ
チングにより加工した（図１Ｄ）。更に、ガス種を酸素
に切替えて、チタン薄膜下部のレジストを加工して、図
１Ｅに示すように、チタン薄膜とフォトレジストでなる
幅５μｍ、高さ約５μｍの２層の積層型マスク材のパタ
ーンを得た。その後、ガス種を再びアルゴンに切替え
て、イオンビームによりガーネット膜の加工を行った。
不要な部分のイットリウム鉄ガーネット膜を完全に取去
った状態で、なおかつ図１Ｆに示すように約１．７μｍ
の厚さのマスク材のフォトレジストが残っていた。最後
に、プラズマリアクタを用いて、残っているレジストを
酸素プラズマによりアッシングして取去り、図１Ｇに示
すリッジ型のイットリウム鉄ガーネット膜導波路を形成
した。その後、ＬＰＥ法によりイットリウムの一部をラ
ンタンに、鉄の一部をガリウムに置換したクラッド層を
形成して導波損失を調べたところ、〜１ｄＢ／ｃｍの低
損失導波路が形成できることが分かった。

【００１０】実施例２実施例１で示したガーネット膜加工方法を用いて、イッ
トリウム鉄ガーネットのイットリウムの一部をビスマス
あるいは希土類元素に、鉄の一部をガリウムあるいはア
ルミに置換した磁性ガーネット膜を加工して、マスク材
がなくなる時点での加工深さの測定を行った。その結果
を表１に示す。

【００１１】

【表１】表１各ガーネット膜に対する加工深さイットリウムを置換する元素最大加工深さ（μｍ）ビスマス７．５ランタン６．７ガドリニウム６．３ルテチウム６．４

【００１２】表１から分かるように、本発明による加工
方法により、各種磁性ガーネット膜を十分深く加工でき
る。また、希土類の中でセリウム、プラセオジム、ネオ
ジム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、ジスプ
ロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテ
ルビウムが適宜混合された原料を用いて作製したガーネ
ット膜についても、６．９μｍの加工深さを得た。な
お、鉄の一部を置換していないガーネット膜についても
加工深さが少なくとも６μｍ以上取れることは容易に類
推できる。

【００１３】実施例３実施例１で示した磁性ガーネット膜の加工方法に対し
て、有機レジストにＰＭＭＡ及びポリイミドを適用して
その効果を調べた。すなわち、ＧＧＧ基板上に厚さ８μ
ｍの厚さのイットリウム鉄ガーネットをＬＰＥ法により
成長した２枚の基板を用意して、それぞれＰＭＭＡ、ポ
リイミドを１０μｍの厚さにスピンコートした。しかる
後、溶剤を揮発させた。２枚の基板をイオンビームスパ
ッタ装置に導入し、タンタルターゲットを用いてアルゴ
ンイオンビームスパッタにより、タンタル薄膜を１．２
μｍの厚さに堆積した。その後、タンタル薄膜を加工す
るためのレジストマスクを通常のフォトリソグラフィ技
術により形成し、アルゴンイオンビームエッチングを用
いてタンタル薄膜を加工した。次に、タンタル薄膜をマ
スクにして酸素イオンビームによりＰＭＭＡ及びポリイ
ミドを加工してガーネット膜をエッチングするための２
層のマスク材のパターニングを終わった。その後、ガス
種を窒素に切替て窒素イオンビームにより、ガーネット
膜のエッチングを行った。８μｍの厚さのガーネット膜
を完全に掘り下げた時点で、マスク材に用いたＰＭＭＡ
及びポリイミドはそれぞれ１．２μｍ、３μｍの厚さだ
け残っていた。このことから、ＰＭＭＡあるいはポリイ
ミドとタンタル薄膜を積層したマスクを用いれば窒素イ
オンビームに対する耐性が十分であり、ガーネット膜の
加工が容易に行えることが分かった。

【００１４】実施例４実施例１に示した方法と類似の方法で、マスク材に有機
レジスト、無機レジスト及び金属薄膜の３層の多層膜を
用いてアルゴンと酸素及びアルゴンと塩素の混合ガスイ
オンビームによりガーネット膜の加工を行った。まず、
実施例３と同じく、ＧＧＧ基板上に厚さ８μｍの厚さの
イットリウム鉄ガーネット膜をＬＰＥ法により成長した
４枚の基板を用意した。次に８μｍ厚のフォトレジスト
をスピンコートし、約２００℃でハードベークした。次
にハードベークした有機レジスト上に、無機レジスト及
び金属薄膜の２層膜をパターニングするためのリフトオ
フ用ステンシルを通常のフォトリソグラフィ技術を用い
て、厚さ５μｍのフォトレジストにより形成した。以上
の４枚の基板についてそれぞれ酸化亜鉛、酸化シリコ
ン、酸化アルミ、窒化シリコン膜を焼結体のターゲット
を用いてＲＦマグネトロンスパッタ法により約２．５μ
ｍの厚さに形成し、しかる後ニオブ薄膜をその上にＤＣ
マグネトロンスパッタ法により約０．９μｍの厚さに堆
積した。アセトン中で超音波をかけてレジストステンシ
ルをその上の不要な膜ごと取去って無機レジストと金属
薄膜の２層のマスクを形成した。次に、リアクティブイ
オンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて酸素イオンによ
り下部のハードベークしたフォトレジストを掘り下げ
た。以上により、有機レジスト、無機レジスト、金属薄
膜よりなる３層の積層マスク材のパターンが得られた。
これら４枚の基板を用いて、酸化亜鉛、酸化シリコンを
無機レジストに選んだ２枚の基板は、アルゴンと酸素の
混合ガスを、酸化アルミ、窒化シリコンを無機レジスト
に選んだ２枚の基板はアルゴンと塩素の混合ガスを用い
てイオンビームエッチングにより、ガーネット膜のエッ
チングを行った。これら４枚の基板について、８μｍの
磁性ガーネット膜を完全に掘り下げた状態で導波路とな
るガーネット膜上の残存しているレジストの膜厚は、そ
れぞれ３．５μｍ、４．５μｍ、５．２μｍ及び４．３
μｍであった。更に、イットリウムの一部をランタン
に、鉄の一部をガリウムに置換したガーネット膜をクラ
ッド層としてＬＰＥ法により形成して、導波損失を測定
したところ、すべて２ｄＢ／ｃｍ以下の低損失導波路と
して機能することが分かり、エッチングしたガーネット
膜の側壁は十分滑らかであることが明らかとなった。以
上により、有機レジストにフォトレジストを、無機レジ
ストに酸化亜鉛、酸化シリコン、酸化アルミ、窒化シリ
コンのいずれか、金属薄膜にニオブを使用して、アルゴ
ンと酸素あるいは塩素の混合ガスによりイオンビームエ
ッチングすれば容易に磁性ガーネットの加工が可能であ
り、導波路作製工程に適用可能であることが分かった。

【００１５】実施例５実施例１と類似の方法を用いて、多層マスクの金属薄膜
にジルコン、モリブデン、バナジウム、タングステン、
クロムを用いて、アルゴン、酸素、窒素、塩素の混合ガ
スでのイオンビームエッチングにより磁性ガーネット膜
を加工してその適用性を調べた。まず、ＧＧＧ基板上に
クラッド層となる置換型ガーネット膜をＬＰＥ法により
約４μｍの厚さ成長させ、しかる後導波路とするイット
リウム鉄ガーネット膜をＬＰＥ法により６μｍの厚さに
成長させた５枚の基板を用意した。これら５枚の基板上
にまずフォトレジストを７μｍの厚さにスピンコート
し、約２００℃でハードベークした。次にレジストのハ
ードベークまで施したこれら５枚の基板に金属薄膜をパ
ターニングするためのリフトオフ用レジストステンシル
を実施例４と同様の方法で形成した。ＤＣマグネトロン
スパッタ法を用いて、これら５枚の基板にそれぞれジル
コン、モリブデン、バナジウム、タングステン、クロム
の薄膜を約０．８μｍの厚さに堆積して、アセトン中で
リフトオフして金属薄膜のマスクパターンを形成した。
金属薄膜をマスクにして、酸素プラズマによる反応性イ
オンエッチングにより７μｍのハードベークしたレジス
トを加工した。この際、金属薄膜は、酸素プラズマでは
ほとんど損傷を受けず、２層のマスク材のパターニング
終了時点で金属薄膜の膜厚は変化していない。次に、２
層マスクのパターニングまで終了した５枚の基板に対し
て、アルゴン、酸素、窒素、塩素の混合ガスでのイオン
ビームエッチングにより導波路となる６μｍ厚のイット
リウム鉄ガーネット膜を加工した。導波路膜を完全に掘
り下げた時点で残っているマスク材の厚さはそれぞれ、
２．８μｍ、２．６μｍ、３．１μｍ、２．７μｍ及び
２．９μｍであった。最後に、導波路膜上のレジストを
酸素プラズマによりアッシングして除去し、置換型ガー
ネット膜をクラッド層とするためＬＰＥ法により形成し
て導波路の作製を終わった。これら導波路の損失を調べ
たところ、すべて１．５ｄＢ／ｃｍ以下の低損失であっ
た。以上により、有機レジストにフォトレジストを、金
属薄膜にジルコン、モリブデン、バナジウム、タングス
テン、クロムのいずれかを使用して、アルゴン、窒素、
酸素、塩素の混合ガスによりイオンビームエッチングす
れば容易に磁性ガーネットの加工が可能であり、導波路
作製工程に適用可能であることが分かった。

【００１６】実施例６実施例１でチタン薄膜とフォトレジストでなる積層型マ
スク材のパターンまで形成したイットリウム鉄ガーネッ
ト膜を有する２枚のＧＧＧ基板を用いて、窒素と塩化水
素及び窒素と三塩化ホウ素の混合ガスを導入して、イオ
ンビームエッチングによりイットリウム鉄ガーネット膜
の加工を行った。不要な部分のイットリウム鉄ガーネッ
ト膜を完全に取去った状態で、なおかつ約１．２μｍの
厚さのマスク材のフォトレジストが残っていた。最後
に、プラズマリアクタを用いて、残っているレジストを
酸素プラズマによりアッシングして取去り、図１Ｇに示
すリッジ型のイットリウム鉄ガーネット膜導波路を形成
した。その後、ＬＰＥ法によりイットリウムの一部をラ
ンタンに、鉄の一部をガリウムに置換したクラッド層を
形成して導波損失を調べたところ、〜１ｄＢ／ｃｍの低
損失導波路が形成できることが分かった。この結果か
ら、塩化水素及び三塩化ホウ素の両方のガス種が使用可
能であることが分かった。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁性ガーネット膜の加工方法において、マスク材に、例
えばフォトレジスト、ＰＭＭＡ、ポリイミドの中から選
ばれた一種以上のような有機レジスト、例えば酸化亜
鉛、酸化シリコン、酸化アルミ、窒化シリコンの中から
選ばれた一種以上のような無機レジストの少なくとも一
種のレジストと、例えばチタン、ジルコン、ニオブ、タ
ンタル、モリブデン、バナジウム、タングステン、クロ
ムの中から選ばれた一種以上のような金属薄膜とを積層
したものを用い、ガス種にアルゴン、窒素、酸素、塩
素、塩化水素、三塩化ホウ素の中から選ばれた一種以上
のガスを用いてイオンビームによりガーネット膜をエッ
チングすれば容易に導波路を形成でき、磁性ガーネット
膜を用いたデバイスの作製が容易になり、産業上の利点
が大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁性ガーネット膜の加工方法の一
例を示す工程図である。

【図２】従来のガーネット膜の加工方法を示す工程図で
ある。

【符号の説明】

１：基板、２：磁性ガーネット膜、３：フォトレジス
ト、４：金属薄膜、５：マスク材となる金属薄膜を加工
するためのフォトレジストのマスク

フロントページの続き (72)発明者渋川篤東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者永井靖浩東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者柳沢佳一東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式Ｒ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂で示される磁性ガ
ーネット膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の
一部を等価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた
置換型ガーネット膜の加工方法において、マスク材に、
有機及び／又は無機レジストと、チタン、ジルコン、ニ
オブ、タンタル、モリブデン、バナジウム、タングステ
ン、クロムの中から選ばれた一種以上の金属薄膜とを積
層したものを用い、ガス種に窒素、アルゴン、酸素、塩
素、塩化水素、三塩化ホウ素の中から選ばれた一種以上
のガスを用いてイオンビームにより加工することを特徴
とするガーネット膜の加工方法。
【請求項２】有機レジストに、フォトレジスト、ＰＭ
ＭＡ、ポリイミドの中から選ばれた一種以上、無機レジ
ストに、酸化亜鉛、酸化シリコン、酸化アルミ、窒化シ
リコンの中から選ばれた一種以上を用いることを特徴と
する請求項１に記載のガーネット膜の加工方法。