專利名稱：制造磁性石榴石單晶膜和具有不均勻厚度的磁性石榴石單晶膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造磁性石榴石單晶膜的方法。
磁性石榴石單晶膜通常被廣泛用于諸如延時線濾波器、振蕩器、非線性器件或相似的一類靜磁波器件，以及諸如采用拉弟效應的光隔離器、環(huán)行器或相似的一類磁光器件。作為制造這樣一種磁性石榴石單晶膜的方法，著名的為液相外延長生工藝(LPE工藝)。
制造磁性石榴石單晶膜用的液相外延生長工藝包括，例如，以石榴石組成元素的氧化物和作為助熔劑的PbO和B2O3裝填保持在加熱爐中的鉑坩堝，并在大約1200℃下均勻化以形成熔體。接著使熔體保持在過冷狀態(tài)，也即低于或接近液相線的溫度(大約900℃)，然后將一基底，例如Gd3Ga5O12(此后稱作“GGG”)作為基礎基底浸入該熔體，接著外延生長一預定時間以在基礎材料的表面上生長出磁性石榴石單晶膜。
在制造諸如光隔離器或相似的一類器件用的工藝中，為了加工磁性石榴石單晶膜的表面，或從基礎基底去除不需要的磁性石榴石單晶膜，通常采用一種方法，在該方法中對磁性石榴石單晶膜進行機械加工，或形成聚酰亞胺或相似的一類保護膜，然后通過用熱磷酸腐蝕去除上面無保護的磁性石榴石單晶膜部分。
然而，機械加工或通過腐蝕去除的普通方法均存在一種難于控制厚度的。問題在腐蝕法中所用的作為基礎基底的非磁性石榴石基底同樣被腐蝕掉，以致造成基礎材料的厚度發(fā)生變化，從而導致難于設計一種利用基礎材料作介質材料的器件。
鑒于上述情況，本發(fā)明提供一種制造磁性石榴石單晶膜的方法，它以生長出磁性石榴石單晶膜，與此同時，以任何想要的形狀和厚度提供給所生長的磁性石榴石單晶膜。本發(fā)明同樣提供生長在基底表面上的磁性石榴石單晶膜，該膜在最隨膜生長之后即具有不均勻的厚度。
為了達到該目的，借助液相外延工藝來制造磁性石榴石單晶膜的方法包括以下諸步驟在非磁性石榴石單晶基底上形成任何想要作形狀和具有任何想要的厚度的鉑或鉑合金膜，并將此非磁性石榴石單晶基底與含有作為助熔劑的氧化鉛的磁性石榴石原材料熔體相接觸，以便當用該助熔劑將鉑或鉑合金從非磁性石榴石單晶基底上去除時，在非磁性石榴石單晶基底上生長出磁性石榴石單晶膜。
在去除先前形成在非磁性石榴石單晶基底上的鉑或鉑合金的同時生長本發(fā)明的磁性石榴石單晶膜于非磁性的石榴石單晶基底上，允許磁性石榴石單晶膜的厚度在非磁性石榴石單晶基底的表面上在想要時是不均勻的。
正如從以上描述中所看到的那樣，制造本發(fā)明的磁性石榴石單晶膜的方法可以生長出磁性石榴石單晶膜，與此同時，將任何想要的形狀和厚度提供給所生長的磁性石榴石單晶膜。這樣就可得到在基底的表面上。生長出的不均勻厚度的磁性石榴石單晶膜。該制造方法可以消除生長后去除磁性石榴石單晶膜用的腐蝕工藝。
為說明本發(fā)明目的，示出了目前看來較為可取的幾種圖示形式。但應明白，本發(fā)明并不限于所述的那種布置和手段。


圖1是本發(fā)明例1中顯示-鉑膜圖案的GGG基底平面圖。
圖2是本發(fā)明例1中顯示-YIG單晶膜圖案的GGG基底平面圖。
圖3是顯示一與本發(fā)明例1和比較例相關的靜磁波器件。
圖4是顯示與例1相關的一靜磁波器件的微波傳輸特性圖。
圖5是一顯示鉑的GGG基底平面圖。
圖6是顯示圖5中沿A-A’線所取GGG基底的剖面圖。
圖7是本發(fā)明例2中顯示-YIG單晶膜圖案的GGG基底平面圖。
圖8是顯示圖7中沿B-B’線所取GGG基底的剖面圖。
圖9是-GGG基底的平面圖，顯示有本發(fā)明比較例中-形成在YIG單晶膜上的聚酰胺膜圖案。
圖10是顯示與比較例相關的一靜磁波器件的微波傳輸特性圖。
本發(fā)明的特點之一在于供制造磁性石榴石單晶膜用的新方法采用鉑或鉑合金膜作為生長磁性石榴石單晶膜的掩模，它是基于以下發(fā)現(xiàn)，即作為主要組成的鉑或含有鉑的合金逐漸地被溶解在磁性石榴石原材料的熔體中。雖然對于熔解鉑的機制尚未全被了解，但相信鉑由磁性石榴石原材料熔體中作為助熔劑用的氧化鉛所氧化，而鉑氧化物則溶解在原材料的熔體中，被還原的沿和鉑形成一待溶解于原材料熔體中的合金。
按照本發(fā)明的方法，將具有所希開口圖案的鉑膜形成在非磁性的石榴石單晶基底上。在非磁性石榴石單晶基底與磁性石榴石原材料熔體相接觸的當兒在基底上生長磁性石榴石膜時，磁性石榴石單晶膜就生和在開口圖案內。在鉑膜上并不形成磁性石榴石單晶膜。在磁性石榴石膜生長期間，鉑膜的厚度逐漸減少，于是使鉑膜溶解和消失。如果此時停止石榴石膜的生和，則磁性石榴石單晶膜就只在基底開口圖案的區(qū)域內形成，而鉑則被去除，從而曝露出基底的剩余部分。那就是說，在去除鉑膜的同時，就完成了磁性石榴石單晶膜的生長。
待要形成的磁性石榴石單晶膜的厚度通過調節(jié)作為用鉑膜的厚度加以控制。例如，對于磁性石榴石單晶膜的生長速率調節(jié)作為掩模用鉑膜的厚度加以控制。例如，對于磁性石榴石單晶膜的生長速率和鉑膜溶解至磁性石榴石原材料熔體中的速率分別設置為a nm／分和b nm／分時的情況，為使形成的磁性石榴石單晶膜的厚度具有Xnm，則所形成的鉑膜的厚度應力x(b／a)nm。
在鉑膜剛性消失的時候停止磁性石榴石單晶膜生長是不必要的。對于鉑膜可能留在基底上的情況，磁性石榴石單晶膜的生長能在鉑膜消失之前停止。另一方面，對于在所希圖案的周圍可以形成層的磁性石榴石單晶膜的情況，磁性石榴石單晶膜的生長能在鉑膜消失之后一適當?shù)臅r間內加以停止。
對于即使在鉑膜去除之后磁性石榴石單晶膜也在繼續(xù)生長的情況，則把其上形成過鉑膜的區(qū)域看作為其上磁性石榴石單晶膜的生長開始在鉑膜消失處起動的區(qū)域。由于晶體生長的起始時間能通過改變鉑膜的厚度加以控制。故有可能在該膜以內立即生長出具有不同厚度的磁性石榴石單晶膜。
此后本發(fā)明的優(yōu)先實施例將參照圖例詳細加以說明。
以下將基于一些例子對按照本發(fā)明實施例制造磁性石榴石單晶膜的方法進行描述。
例1參看圖1、2、3和4，首先制備一具有直徑25mm的GGG基底1作為非磁性石榴石單晶基底的基礎基底。然后借助真空蒸氣工藝在GGG基底1的主表面上沉積形狀如圖1所示的鉑膜2至厚達3μm。
下一步為，對作為磁性石榴石單晶Y3Fe3O12(此后縮寫為“YIG”)單晶膜的原材料、純度為99．99％的氧化鐵(Fe2O3)和氧化鐿(Y2O3)以及作為助熔劑的氧化硼(B2O3)和氧化鉛(PbO)進行稱重，并圖以7．5、0．5、2．0和90．0重量％的比例進行混合，從而使總量為800g，然后將此混合物裝填至直徑為60mm、高為60mm并保持在垂直電滬內的鉑坩堝中，接著在1200℃下均勻在以形成熔體。
接下來維持此熔體在910℃的恒定溫度，以使熔體進入過飽和狀態(tài)，于是將其上事先沉積有鉑膜的GGG基底1浸入此熔體，從而YIG晶體生長20分鐘，與此同時，使基底以100rpm進行旋轉。然后將基底1從熔體向上拉至并以500rpm進行旋轉，以便離心力將粘附在YIG單晶體上的熔體摔掉來制得YIG單晶膜3。如圖2所示，如此獲得的YIG單晶膜3在先前沿積有鉑膜的部分并不形成，且因此未用助熔劑去除掉先前所形成的鉑膜。
于是將其上形成有YIG單晶膜3的GGG基底1用一鋸片切割成小片以形成為圖3所示的靜磁波器件，并平行地施加以12mT的外磁場于YIG單晶膜來測量1．5-2．5GH丁的微波傳輸。結果得到如圖4所示介入損耗不大的良好傳輸特性。在圖3中標號數(shù)4表示輸入端，標號數(shù)5表示輸出端，而參考字母A則表示外磁場的施加方向。
例2參看圖5、6、7和8，制備一具有直徑25mm的GGG基底1作為非磁性石榴石單晶基底的基礎基底。然后借助于真空蒸發(fā)工藝在GGG基底1的主表面沉積具有如圖5所示的厚度和形狀的鉑膜2。
下一步為，對作為磁性石榴石Y3Fe5O12(此后縮小為“YIG”)單晶膜的原材料的純度為99．99％的氧化鐵(Fe2O3)和氧化鐿(Y2O3)以及作為助熔劑的氧化硼(B2O3)和氧化鉛(PbO)進行稱重，并各以7．5、0．5、2．0和90．0重量％的比例進行混合，從而使總量為800g，然后將此混合物裝填至直徑為60mm、高為60mm并保持在垂直電滬內的鉑坩堝中，接著在1200℃下均勻在以形成熔體。
接下來維持此熔體在910℃的恒定溫度，以使熔體進入過飽和狀態(tài)，于是將其上事先沉積有鉑膜的GGG基底1浸入此熔體，從而YIG晶體生長20分鐘，與此同時，使基底以100rpm進行旋轉。然后將基底1從熔體向上拉至并以500rpm進行旋轉，以便離心力將粘附在YIG單晶體上的熔體摔掉來制得YIG單晶膜3。
所沉積的鉑膜用助熔劑加以去除，而如此獲得的YIG單晶膜則為一具有如圖7和8所示厚度分布的單晶膜。
比較例參看圖9和10，制圖一具有直徑為25mm的GGG基底1作為非磁性石榴石單晶基底的基礎襯度。
接下來，相似于例1，對作為磁性石榴石Y3Fe5O12(此后縮寫為“YIG”)單晶膜的原材料、純度為99．99％的氧化鐵和氧化鐿以及作為助劑的氧化硼和氧化鉛進行稱重，并如以7．5、0．5、2．0和90．0重量％的比例進行混合，從而使總量為800g，然后將此混合物裝填至直徑為60mm、高為60mm并保持在垂直電滬內的鉑坩堝中，接著在1200℃下均勻在以形成熔體。
相似于例1，將此熔保持在910℃的恒定，溫度使之進入過飽和狀態(tài)，于是將其上事先沉積有鉑膜2的GGG基底1浸入此熔體，從而使YIG單晶生長20分鐘，與此同時，使基底以100rpm進行旋轉。然后將基底1從中熔體向上拉出，并以500rpm進行旋轉，以使借助于離心力將粘附在YIG單晶上的熔體飛出以制得YIG單晶膜3。
下一步為，在如此得到的“YIG”單晶膜上通過使用聚酰亞胺膜6形成如圖9所示的圖案。
然后在210℃下用熱磷酸將YIG單晶膜3從沒有聚酰亞胺膜的部分上去除掉，并去除聚酰亞胺膜以形成YIG單晶膜的圖案。
接下來相似于例1形成一靜磁波器件，并測量在1．5～2．5GHz下的微波傳輸。結果示于圖10。
雖然在每一例子中描述了YIG(Y3Fe5O12)磁性石榴石單晶膜，但本發(fā)明并不限于YIG。例如，通過使用各種不同的磁性石榴石單晶膜，其中Y3Fe5O12的Y部分地代之以La、Gd和Lu中的至少一個，或者其中的Fe部分地代之以Al、Ga、In和Sc中的至少一個，均可獲得相同的效果。
除GGG基底外，例如也可以使用NGG(Nd3Ga5O12)基底，SGG(Nd3Ga5O12)基底以及相似物體為非磁性石榴石晶基底來生長磁性石榴石單晶膜。
雖然在每一例子中，均事先沉積鉑膜于非磁性的石榴石單晶基底上，但當采用諸如鉑-銠合金、鉑-銥合金以及相似的一類鉑合金來代替鉑時，本發(fā)明也顯示出相同的效果。
比較例1和比較例表明，本發(fā)明的方法可以生長出磁性石榴石單晶膜，且與此同時可以任何想經(jīng)的形狀提供給所生長的磁性石榴石單晶膜。此外，在用作為靜磁波器件時，所得到的磁性石榴石單晶膜顯示出優(yōu)良的傳輸特性，其介入損耗等于或低于常規(guī)的單晶膜。
雖然揭示了本發(fā)明優(yōu)先實施例，但人們企圖以各種不同的模式實施此外所公開的原理而不超出以下權利要求的范圍。所以就理解，除非在權利要求中作為另外陳述，否則本發(fā)明的范圍是不被限止的。
權利要求
1．一種借助于液相外延工藝制造磁性石榴石單晶膜的方法，其特征在于它包括以下步驟提供一其上具有鉑或鉑合金膜的非磁性石榴石單晶基底；和將所述非磁性石榴石單晶基底與含有作為助熔劑氧化鉛的磁性石榴石原材料熔體相接觸以在非磁性石榴石單晶基底上生長出磁性石榴石單晶膜，同時用所述助熔劑從該非磁性石榴石單晶基底上去除掉所述鉑或鉑合金膜。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于該膜并不復蓋在基底的整個表面。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于膜的厚度是不均勻的。
4．如權利要求1所述的方法，其特征在于包括在非磁性的石榴石單晶基底上形成具有期望的形狀和期望的厚度的鉑或鉑合金膜的步驟。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述磁性石榴石單晶膜是Y3Fe5O12，或以La、Bi、Gd和Lu中的至少一種部分代替Y3Fe5O12中的Y，或以Al、Ga、In和Sc中的至少一種部分代替Y3Fe5O12中的Fe，或者Y和Fe兩者均被部分地代替。
6．如權利要求5所述的方法，其特征在于所述基底Gg3Ga5O12、Nd3Ga5O12或Nd3Ga5O12。
7．如權利要求6所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt。
8．如權利要求6所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt合金。
9．如權利要求4所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt。
10．如權利要求4所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt合金。
11．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt。
12．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的膜是Pt合金。
13．借助權利要求1所述的方法在非磁性的石榴石單晶基底上制造磁性石榴石單晶膜。
14．借助權利要求2所述的方法非磁性的石榴石單晶基底上制造的磁性石榴石單晶膜。
15．借助權利要求3所述的方法非磁性的石榴石單晶基底上制造的磁性石榴石單晶膜。
16．借助權利要求4所述的方法非磁性的石榴石單晶基底上制造的磁性石榴石單晶膜。
17．借助權利要求6所述的方法非磁性的石榴石單晶基底上制造的磁性石榴石單晶膜。
18．借助權利要求7所述的方法非磁性的石榴石單晶基底上制造的磁性石榴石單晶膜。
19．一種在非磁性的石榴石單晶基底上用液相外延生長的磁性石榴石單晶膜，其特征在于，所述磁性石榴石單晶膜的厚度在非磁性石榴石單晶基底的表面上是不均勻的。
20．一種當事先形成在非磁性的石榴石單晶基底上的鉑或鉑合金膜被去除的同時生長在所述非磁性石榴石單晶基底上的磁性石榴石單晶膜，其特征在于所述磁性石榴石單晶膜的厚度在所述非磁性石榴石單晶基底的表面上是不均勻的。
全文摘要
一種用液相外延工藝制造磁性石榴石單晶膜的方法,它包括以下步驟;在非磁性石榴石單晶基底上形成任何想要的形狀和具有任何想要的厚度鉑或鉑合金膜;將此非磁性石榴石單晶基底與含有作為助熔劑的氧化鉛的磁性石榴石原材料的熔體相接觸,以使當以助熔劑使鉑或鉑合金膜從非磁性石榴石單晶基底上去除時生長出磁性石榴石單晶膜于非磁性的石榴石單晶基底上。
文檔編號C30B19/02GK1278649SQ0011868
公開日2001年1月3日 申請日期2000年6月16日 優(yōu)先權日1999年6月16日
發(fā)明者藤野優(yōu) 申請人:株式會社村田制作所