特許 7256715 磁気光学薄膜およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-04

(45)【発行日】2023-04-12

(54)【発明の名称】磁気光学薄膜およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 10/16 20060101AFI20230405BHJP

   C01B 21/06 20060101ALI20230405BHJP

   C01G 51/00 20060101ALI20230405BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20230405BHJP

   H01F 10/14 20060101ALI20230405BHJP

   H01F 41/18 20060101ALI20230405BHJP

【ＦＩ】

H01F10/16

C01B21/06 D

C01G51/00 B

C23C14/06 L

H01F10/14

H01F41/18

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019145116

(22)【出願日】2019-08-07

(65)【公開番号】P2021027222

(43)【公開日】2021-02-22

【審査請求日】2022-06-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000173795

【氏名又は名称】公益財団法人電磁材料研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】弁理士法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】池田 賢司

(72)【発明者】

【氏名】小林 伸聖

(72)【発明者】

【氏名】岩佐 忠義

(72)【発明者】

【氏名】荒井 賢一

【審査官】古河 雅輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１３３７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０６７７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７５６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６５１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ １５／００－２３／００

Ｃ０１Ｇ ２５／００－９９／００

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｇ１１Ｂ １１／００－１３／０８

Ｈ０１Ｆ １０／００－１０／３２

Ｈ０１Ｆ ４１／１４－４１／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素としてのＭ成分とＮ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性マトリックスと、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなり、前記絶縁性マトリックスに分散している金属粒子とからなる磁気光学薄膜であって、
組成式Ｆｅ_ａＣｏ_ｂＮｉ_ｃＭ_ｗＮ_ｘＯ_ｙＦ_ｚで表わされ、組成比ａ、ｂ、ｃ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは原子比率で、０．０６≦ａ≦０．１４、０．０５≦ｂ≦０．１３、０≦ｃ≦０．０８、０．１１≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．２６、０．３２≦ｗ≦０．４３、０≦ｘ≦０．５０、０≦ｙ≦０．４８、ｚ＝０、０．７４≦ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．８９、かつ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記金属粒子の平均粒子径が３．９～１１．５［ｎｍ］の範囲に含まれ、かつ、平均粒子間隔が０．７５～１．２２［ｎｍ］の範囲に含まれ、粒子のアスペクト比が１．０１～１．１７の範囲に含まれることを特徴とする磁気光学薄膜。

【請求項2】

請求項１記載の磁気光学薄膜において、
Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素としてのＭ成分とＮ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性マトリックスと、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなり、前記絶縁性マトリックスに分散している金属粒子とからなる磁気光学薄膜であって、
組成式ＦｅａＣｏｂＮｉｃＭｗＮｘＯｙＦｚで表わされ、組成比ａ、ｂ、ｃ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは原子比率で、０．０６≦ａ≦０．１４、０．０６≦ｂ≦０．１３、０≦ｃ≦０．０８、０．１２≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．２６、０．３２≦ｗ≦０．４３、０．３８≦ｘ≦０．５０、０≦ｙ≦０．４８、ｚ＝０、０．７４≦ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．８９、かつ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記金属粒子の平均粒子径が３．９～１１．５［ｎｍ］の範囲に含まれ、かつ、平均粒子間隔が０．７５～１．２２［ｎｍ］の範囲に含まれ、粒子のアスペクト比が１．０１～１．１５の範囲に含まれることを特徴とする磁気光学薄膜。

【請求項3】

請求項１～２のうちいずれか１つに記載の磁気光学薄膜の製造方法であって、
Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素とＮ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性材料と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなる金属と、の複合ターゲットまたは個別の複数のターゲットを用いて、基板の温度を３００～８００［℃］の範囲に制御しながら当該基板の上に前記磁気光学薄膜を成膜することを特徴とする磁気光学薄膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気光学薄膜およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本願出願人により、絶縁体マトリックスにナノメーターサイズの金属粒子が分散しているナノグラニュラー構造を有する磁気光学特性を示す薄膜が提案されている（特許文献１参照）。薄膜のファラデー回転角を向上させ、かつ、光透過率を確保する観点から金属含有量が適当に調節されている。金属および誘電体マトリックスの含有比率が調節されることによって、金属粒子の粒径および分布状態ならびに金属粒子間の誘電体マトリックスの厚みなどの薄膜構造が、磁気光学特性の向上の観点から最適化されることが示唆されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－９８４２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、マトリックスの組成によっては光の透過率が高い一方で、屈折率が低いため、光導波路のコア材などの高屈折率材料に要求されるデバイスへの適用は困難であると考えられる。

【0005】

そこで、本発明は、磁気光学特性および透過率の向上を図りながら、屈折率の向上を図り得る磁気光学薄膜およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素としてのＭ成分と、Ｎ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性マトリックスと、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなり、前記絶縁性マトリックスに分散している金属粒子とからなる磁気光学薄膜に関する。

【0007】

本発明の磁気光学薄膜は、組成式Ｆｅ_ａＣｏ_ｂＮｉ_ｃＭ_ｗＮ_ｘＯ_ｙＦ_ｚで表わされ、組成比ａ、ｂ、ｃ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは原子比率で、０．０６≦ａ≦０．１４、０．０５≦ｂ≦０．１３、０≦ｃ≦０．０８、０．１１≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．２６、０．３２≦ｗ≦０．４３、０≦ｘ≦０．５０、０≦ｙ≦０．４８、ｚ＝０、０．７４≦ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．８９、かつ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、前記金属粒子の平均粒子径が３．９～１１．５［ｎｍ］の範囲に含まれ、かつ、平均粒子間隔が０．７５～１．２２［ｎｍ］の範囲に含まれ、粒子のアスペクト比が１．０１～１．１７の範囲に含まれることを特徴とする。なお、ＮおよびＦおよびＯはそれぞれ単独で存在することが望ましいが、不純物として１０ａｔ．％以下の比率で含有しても特性には大きな影響は及ぼさない。

【0008】

本発明の磁気光学薄膜の製造方法は、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素とＮ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性材料と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなる金属と、の複合ターゲットまたは個別の複数のターゲットを用いて、基板の温度を３００℃～８００℃の範囲に制御しながら当該基板の上に前記磁気光学薄膜を成膜することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の磁気光学薄膜によれば、透過率の向上を図りながら、屈折率の向上が図られている。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】成膜時の基板温度が相違するマトリックスとしてＳｉＮを用いた薄膜のファラデー回転角の波長依存性に関する説明図。

【図2】成膜時の基板温度が相違するマトリックスとしてＳｉＮを用いた薄膜の透過率の波長依存性に関する説明図。

【図3】ＦｅおよびＣｏの合計原子比率ａ＋ｂが相違するマトリックスとしてＳｉＮを用いた薄膜のファラデー回転角の波長依存性に関する説明図。

【図4】ＦｅおよびＣｏの合計原子比率ａ＋ｂが相違するマトリックスとしてＳｉＮを用いた薄膜の透過率の波長依存性に関する説明図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態としての磁気光学薄膜は、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素としてのＭ成分と、Ｎ、ＯおよびＦの少なくとも１つの元素とからなる絶縁性マトリックスと、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つの元素からなり、前記絶縁性マトリックスに分散している金属粒子とからなる磁気光学薄膜に関する。

【0012】

本発明の磁気光学薄膜は、組成式Ｆｅ_ａＣｏ_ｂＮｉ_ｃＭ_ｗＮ_ｘＯ_ｙＦ_ｚで表わされ、組成比ａ、ｂ、ｃ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは原子比率で、０≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．３５、０≦ｃ≦０．３５、０．１０≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．３５、０．１０≦ｗ≦０．５０、０≦ｘ≦０．６０、０≦ｙ≦０．６０、０≦ｚ≦０．１０、０．６５≦ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．９０、かつ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、前記金属粒子の平均粒子径が３．０～２０．０［ｎｍ］の範囲に含まれ、かつ、平均粒子間隔が０．５～２．０［ｎｍ］の範囲に含まれ、粒子のアスペクト比が１．０～１．２の範囲に含まれる。

【0013】

（製造方法）
本発明の磁気光学薄膜は基板上に成膜される。基板としては、石英ガラスまたはコーニング社製♯７０５９（コーニング社の商品名）などのガラス基板、表面を熱酸化した単結晶ＳｉウエハまたはＭｇＯ基板が採用される。

【0014】

磁気光学薄膜は、例えばＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうち少なくとも１つを含む合金円板上に、Ｍ元素を含む窒化物、酸化物またはフッ化物の誘電体（絶縁体）のチップが配置された複合ターゲットが用いられ、スパッタリング法によって成膜される。複合ターゲットに代えて、金属ターゲットおよび誘電体ターゲットを用いて、スパッタリング法により、薄膜の組成比を調節するために各ターゲットのスパッタ電力およびスパッタ電力供給時間などの因子が調節されながら磁気光学薄膜が成膜されてもよい。

【0015】

スパッタ成膜に際して、Ａｒガス、ＡｒおよびＮ₂の混合ガスまたはＡｒおよびＯ₂の混合ガスが雰囲気ガスとして用いられる。成膜時間の長短により膜厚が制御され、例えば０．３～３［μｍ］の磁気光学薄膜が製造される。成膜時における基板温度は３００～８００［℃］の範囲に収まるように基板が加熱された。成膜時のスパッタ圧力は０．２～２．０［Ｐａ］に調節され、スパッタ電力は５０～３５０［Ｗ］に調節された。

【0016】

（実施例・比較例）
基板の上に、スパッタリング法により実施例１～１３および比較例１～１０のそれぞれの薄膜が作製された。基板としては、約０．５ｍｍ厚のコーニング社製＃７０５９（コーニング社の商品名）ガラス基板または石英基板が用いられた。表１には、各実施例および各比較例の薄膜の組成を表わす原子比率ａ、ｂ、ｃ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚの数値が、成膜時の基板温度とともに示されている。スパッタリングに際して用いられる複合ターゲットの組成が調節されることにより、薄膜の組成が調節された。

【0017】

【表1】

【0018】

ファラデー効果測定装置を用いて、複数の異なる波長の光における各実施例および各比較例の薄膜のファラデー回転角が測定された。表２には、各実施例および各比較例の薄膜の膜厚とともにこれらの測定結果が示されている。分光式エリプソメータを用いて、各実施例および各比較例の薄膜の屈折率ｎおよび消衰係数ｋが測定された。分光光度計を用いて、波長１５５０ｎｍの光に対する各実施例および各比較例の薄膜の透過率が測定された。高分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を通じて得られた画像の解析により、薄膜を構成する金属粒子の平均粒子径、平均粒子間隔およびその粒子の平均アスペクト比が測定された。表３には、各実施例および各比較例の薄膜のこれらの測定結果が示されている。

【0019】

【表2】

【0020】

【表3】

【0021】

図１には、基板温度４００℃で成膜された実施例４、基板温度５００℃で成膜された実施例５、基板温度６００℃で成膜された実施例６および基板温度７００℃で成膜された実施例７のそれぞれの薄膜のファラデー回転角の波長依存性が示されている。図１から、基板温度の増加に応じて各波長のファラデー回転角の絶対値が増加する傾向にあることが分かる。また、ＦｅＣｏ組成にかかわらず波長の増加に応じてファラデー回転角の符号が正から負へと変化するナノグラニュラー構造に起因した特徴的な波長依存性を示す（参考文献「Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ， Ｋ．Ｉｋｅｄａ， Ｂ．Ｇｕ， Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｈ．Ｍａｓｕｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｓ．Ｍａｅｋａｗａ， “Ｇｉａｎｔ Ｆａｒａｄａｙ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｅｔａｌ－Ｆｌｕｏｒｉｄｅ Ｎａｎｏｇｒａｎｕｌａｒ Ｆｉｌｍｓ”，Ｓｃｉ． Ｒｅｐ．，８， ４９７８（２０１８）．」参照）ことがわかる。

【0022】

図２には、実施例４～７のそれぞれの薄膜の膜厚１μｍあたりの透過率の波長依存性が示されている。図２から、波長の増加に応じて透過率が増加すること、基板温度の増加に応じて透過率が高くなる傾向にあることがわかる。

【0023】

図３には、実施例１、実施例２および実施例６のそれぞれの薄膜のファラデー回転角の波長依存性が示されている。図３からＦｅＣｏ組成に応じて各波長のファラデー回転角の絶対値が増加することが分かる。また、ＦｅＣｏ組成にかかわらず波長の増加に応じてファラデー回転角の符号が正から負へと変化するナノグラニュラー構造に起因した特徴的な波長依存性を示す（参考文献参照）ことがわかる。

【0024】

図４には、実施例１～３のそれぞれの薄膜の膜厚１μｍあたりの透過率の波長依存性が示されている。図４から、波長の増加に応じて透過率が増加すること、磁性金属の含有量に反比例して透過率が高くなることがわかる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】