熱レーザーエピタキシー

熱レーザーエピタキシー（TLE）は、連続波レーザーからの照射を局所的に熱源に利用して基板上に膜を成長させる物理蒸着技術である。 ^{[1] [2]この技術は、}超高真空下またはオゾンなどの背景雰囲気の存在下で実行して酸化膜を堆積することができる。^[3]

^TLEは104～106W ^/  cm2^の電力密度で動作し、その結果、原料が蒸発または昇華しますが、プラズマや高エネルギー粒子種は生成されません。比較的低い電力密度で動作するにもかかわらず、TLEは分子線エピタキシーでは実行が難しいプロセスである耐火金属を含む、 蒸気圧の低い多くの材料を堆積することができます。^[4]

TLE は、真空チャンバーの外側にある連続波レーザー (通常、波長は約 1000 nm) を使用して材料源を加熱し、蒸発または昇華によって蒸気の流れを発生させます。^[1]レーザーによって誘導される熱の局所的な性質により、ソースの一部が液体状態に変化し、残りが固体のままになり、ソースが独自のるつぼとして機能します。光の強い吸収により、レーザー誘導熱はレーザービームの直径が小さいため非常に局所的になり、熱をソースの軸に限定する効果もあります。結果として生じる吸収は、多くの材料の吸収係数α ~ 10 ⁵  cm ^{−1が高いため、典型的な光子浸透深度は 2 nm のオーダーになります。}伝導と放射による熱損失により、ソースの照射表面近くの高温領域がさらに局所化します。加熱の局所的な特性により、るつぼなしで自立型ソースから TLE によって多くの材料を成長させることができます。 TLE は、レーザーからソースへのエネルギーの直接転送により、高温に達するために 通常ワイヤベースのジュールヒーターに依存する蒸発や分子線エピタキシーなどの他の蒸発技術よりも効率的です。

蒸気源を加熱することで蒸気流が発生し、その圧力は温度とほぼ指数関数的な関係にあることが多い。次に、蒸気はレーザー加熱された基板上に堆積される。レーザー加熱によって達成可能な非常に高い基板温度により、分子線エピタキシーに似た吸着制御成長モードを使用でき、堆積した膜の化学量論と温度の正確な制御が保証される_。この正確な制御は、高温超伝導体などの複雑な材料の薄膜ヘテロ構造の成長に有用である。^{[5] [6]すべてのレーザーを蒸発チャンバーの外側に配置することで、} in situヒーターを使用する場合と比較して汚染を減らすことができ、非常に純粋な堆積膜が得られる。

基板に衝突する蒸気の堆積速度は、入射光源レーザーの出力を調整することによって制御されます。堆積速度は光源温度とともに指数関数的に増加することが多く、光源温度は入射レーザー出力とともに直線的に増加します。^[4]堆積速度の安定性は、TLEチャンバー内のレーザー光学系のコーティングを補正しながら、レーザービームを光源の周囲に連続的に移動させることによって達成できます。^[7]

チャンバー内のガスは堆積膜に取り込まれる可能性がある。酸素またはオゾン雰囲気を加えると、10 ⁻²  hPaまでの圧力でTLEで酸化膜を容易に成長させることができる。^{[3] [8]}

1960年にセオドア・メイマンがレーザーを発明して間もなく、^[9]レーザーは真空チャンバー内で原料を蒸発させて薄膜を製造する点光源として機能できることがすぐに認識されました。^{[10] [11]} 1965年にスミスとターナー^{[11] は}ルビーレーザーを使用して薄膜を堆積することに成功し、その後グローは1968年に連続波CO2レーザーを使用して薄膜を堆積しました_。^[12]さらなる研究で、レーザー誘起蒸発は誘電体や半導体の膜を堆積する効果的な方法であることが実証されました。しかし、堆積した膜の化学量論と均一性に関する問題が発生し、他の技術で堆積した膜と比較して品質が低下しました。^{[13] [14]}高出力密度のパルスレーザーを使用して薄膜の堆積を調査する実験は、今日広く使用されている非常に成功した成長技術である パルスレーザー堆積の基礎を築きました。

連続波レーザーを利用した実験は20世紀後半を通じて継続され、低出力密度など、連続波レーザー蒸発の多くの利点が強調され、敏感なフィルムの表面損傷を軽減することができます。連続波レーザーを使用して複合ソースから均一な蒸発を達成することは困難であることが判明し、利用可能な連続波出力密度が低いため、フィルムの堆積は通常、蒸気圧の高いソースに限定されていました。^{[15] [16] [17]}

2019年、マックスプランク固体研究所で連続波レーザーを使用した蒸発法が再発見され、「熱レーザーエピタキシー」と名付けられました。この新しい技術は、高出力連続波レーザー（通常、波長1000 nmでピーク出力が約1kW）で照射された元素源を使用するため、炭素やタングステンなどの低蒸気圧材料の堆積が可能になり、複合源からの同調蒸発の問題を回避できます。^{[1] [2]}

熱レーザーエピタキシー - マックスプランク固体研究所