知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツール フェルデルンク デル ヴィッセンシャフテン エー．ファウ．の特許一覧
特表2024-526634固体コンポーネントを製造するための方法、固体コンポーネント、量子コンポーネント、および固体コンポーネントを製造するための装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-19
(54)【発明の名称】固体コンポーネントを製造するための方法、固体コンポーネント、量子コンポーネント、および固体コンポーネントを製造するための装置
(51)【国際特許分類】
C23C 14/56 20060101AFI20240711BHJP
C23C 14/24 20060101ALI20240711BHJP
C23C 14/58 20060101ALI20240711BHJP
H10N 60/01 20230101ALI20240711BHJP
H10N 60/85 20230101ALI20240711BHJP
G06N 10/40 20220101ALI20240711BHJP
【ＦＩ】
C23C14/56 F
C23C14/24 K
C23C14/58 C
H10N60/01 D ZAA
H10N60/85 A
G06N10/40
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024500014
(86)(22)【出願日】2021-07-01
(85)【翻訳文提出日】2024-02-29
(86)【国際出願番号】 EP2021068244
(87)【国際公開番号】W WO2023274548
(87)【国際公開日】2023-01-05
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500449363
【氏名又は名称】マックス－プランク－ゲゼルシャフト ツール フェルデルンク デル ヴィッセンシャフテン エー．ファウ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ボスフケル，ヨハネス
(72)【発明者】
【氏名】ブラウン，ヴォルフガング
(72)【発明者】
【氏名】マンハート，ヨッヘン
【テーマコード（参考）】
4K029
4M113
【Ｆターム（参考）】
4K029AA04
4K029AA24
4K029BA08
4K029BA16
4K029BA23
4K029BA43
4K029BA48
4K029BA58
4K029BA60
4K029BB02
4K029BD01
4K029CA02
4K029DA08
4K029DB14
4K029DB20
4K029EA01
4K029EA03
4K029EA08
4K029GA01
4K029JA01
4M113AC45
4M113AC50
4M113BB14
4M113BB17
4M113BB18
4M113CA12
4M113CA13
4M113CA16
4M113CA17
(57)【要約】
本発明は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントを製造する方法に関する。１つまたは複数の薄膜は、第１の材料を含み、薄膜の各々は、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の基板表面に堆積される。ここで、該方法の製造プロセスは、周囲雰囲気に対して密閉された反応チャンバ内で実施される。さらに、本発明は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントに関する。１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積される。また、本発明は、本発明によるそのような固体コンポーネントを備える量子コンポーネント、および本発明によるそのような固体コンポーネントを製造するための装置に関する。
【選択図】図１４
【選択図】図１４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントを製造する方法であって、前記１つまたは複数の薄膜は、第１の材料を含み、前記薄膜の各々は、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、前記方法の製造プロセスは、周囲雰囲気に対して密閉された反応チャンバ内で実施され、前記方法は、前記反応チャンバが第１の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第１の電磁放射で前記基板を加熱することで、前記基板表面を作製するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で作製された前記基板表面上に前記第１の材料を含む前記１つまたは複数の薄膜を堆積させるために、前記反応チャンバが第２の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第２の電磁放射で前記第１の材料を含むソース要素を加熱することで、前記第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップ（ｂ）と、
任意選択で、前記固体コンポーネントを形成するため、および前記固体コンポーネントの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、前記反応チャンバが第３の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第３の電磁放射で前記１つまたは複数の薄膜および／または前記基板を照射するステップ（ｃ）と、
を含み、
前記ステップ（ａ）～（ｃ）の間に、前記反応チャンバは前記周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、前記基板と後続の前記固体コンポーネントの両方は前記反応チャンバ内に連続的に留まることを特徴とする、方法。
【請求項2】
レーザ光、特に１０ｎｍ～１００μｍの範囲の波長を有するレーザ光、好ましくは可視または赤外線領域で選択された波長を有するレーザ光、特に３５０ｎｍ～２０μｍの範囲の波長を有するレーザ光が、前記第１の電磁放射および／または前記第２の電磁放射および／または前記第３の電磁放射として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の電磁放射および前記第２の電磁放射について、ならびに／または前記第２の電磁放射および前記第３の電磁放射について、ならびに／または前記第１の電磁放射および前記第３の電磁放射について、それぞれ同じ波長を有するレーザ光が使用されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の反応雰囲気および／または前記第２の反応雰囲気および／または前記第３の反応雰囲気は、以下・ １０－４ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、純粋に理想的な条件では１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、
・ 酸素、特にＯ２および／またはＯ３、
・ 窒素、および
・ 水素
から選択されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の反応雰囲気および／または前記第２の反応雰囲気および／または前記第３の反応雰囲気は、少なくとも部分的にイオン化、特にプラズマイオン化によりイオン化されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
前記第１の反応雰囲気、前記第２の反応雰囲気、および前記第３の反応雰囲気は、同一であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項7】
前記第１の反応雰囲気と前記第２の反応雰囲気とは異なっており、前記ステップ（ａ）と前記ステップ（ｂ）との間で交換され、および／または前記第２の反応雰囲気と前記第３の反応雰囲気とは異なっており、前記ステップ（ｂ）と前記ステップ（ｃ）との間で交換されることを特徴とする、
請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項8】
前記基板は、以下・ ＳｉＣ、
・ ＡｌＮ、
・ ＧａＮ、
・ Ａｌ２Ｏ３、
・ ＭｇＯ、
・ ＮｄＧａＯ３、
・ ＤｙＳｃＯ３、
・ ＴｂＳｃＯ３、
・ ＴｉＯ２、
・ （ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、
・ Ｇａ２Ｏ３、
・ ＳｒＬａＡｌＯ４、
・ Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、および
・ ＳｒＴｉＯ３
から選択された材料とともに使用されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項9】
以下の特徴・ 格子対称性、
・ 格子定数、
・ 表面再構成、および
・ 表面終端
のうちの１つまたは複数、好ましくは上記特徴すべてにおいて、前記薄膜と類似している基板が使用されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項10】
前記ステップ（ａ）では、少なくとも前記基板表面は、９００℃～３０００℃の範囲の温度、特に１０００℃～２０００℃の範囲の温度に加熱されることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項11】
前記ステップ（ａ）は、前記基板表面上に向けられた終端材料のフラックスを提供するステップを含むことを特徴とする、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項12】
前記基板を保持するために基板ホルダが使用され、前記基板ホルダは、前記基板と比較して、前記第１の電磁放射および／または前記第３の電磁放射に対する吸収が小さいことを特徴とする、請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項13】
前記ステップ（ｂ）では、前記第１の材料が２つ以上の異なる材料成分を含み、それに応じて前記ソース要素が２つ以上の別個のコンポーネント部分を含み、前記コンポーネント部分の各々は、前記２つ以上の材料成分のうちの１つを提供し、それに応じて前記第２の電磁放射は、２つ以上のコンポーネントビームを含み、前記２つ以上のコンポーネントビームの各々は、前記２つ以上の材料成分のうちの１つの蒸発および／または昇華のために適応されることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項14】
前記ステップ（ｂ）の蒸発および／または昇華は、前記第１の材料のプラズマ閾値未満で実施されることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項15】
前記第１の材料に、好ましくは銅アルミニウム、タンタル、および／またはニオブなどの金属、ならびに／または特に金属などの超伝導材料が使用され、前記超伝導材料は、＞～４Ｋ、好ましくは＞～７７Ｋの温度で超導電性を有し、好ましくはタンタルまたはニオブまたはアルミニウムまたは粒状アルミニウムまたはＮｂＮまたはＮｂＴｉＮまたはＴｉＮであることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項16】
前記第１の材料、特に前記ステップ（ｂ）における蒸発および／または昇華に使用される１つまたは複数の前記第１の材料は、自己支持可能であり、これにより、坩堝を有さないように提供されることを特徴とする、請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項17】
前記ステップ（ｂ）において堆積された前記薄膜の層の材料は、蒸発および／または昇華した前記第１の材料と前記第２の反応雰囲気の成分との反応生成物であることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項18】
前記ステップ（ｃ）は、２回以上の分離した焼戻し反復を含むことを特徴とする、請求項１～１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項19】
前記ステップ（ｃ）は、１回または複数回の焼戻し反復の各々の後に、前記第３の電磁放射によって制御される冷却のステップを含むことを特徴とする、請求項１～１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項20】
前記薄膜の多層構造を提供するために、前記ステップ（ｂ）は、１回または複数回繰り返されることを特徴とする、請求項１～１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項21】
前記ステップ（ｂ）の各反復の後に、前記ステップ（ｃ）の反復が実施されることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｃ）の各々は、使用される前記電磁放射および使用される前記反応雰囲気および前記第１の材料に関して同一に実施されることを特徴とする、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項23】
１回または複数回の前記反復の１回または複数回について、以下のパラメータ・ 第１の材料、
・ 第２の反応雰囲気、
・ 第３の反応雰囲気、
・ 第２の電磁放射、および
・ 第３の電磁放射
のうちの１つまたは複数が変更されることを特徴とする、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項24】
前記ステップ（ａ）の最終手順として、バッファ材料を含む１つまたは複数のバッファ層が前記基板表面上に堆積され、前記反応チャンバが第４の反応雰囲気を含む間に、前記バッファ材料は、前記反応チャンバ内に結合された第４の電磁放射によって蒸発および／または昇華され、好ましくは、前記第４の電磁放射および前記第４の反応雰囲気は、前記ステップ（ａ）、前記ステップ（ｂ）、または前記ステップ（ｃ）のうちの１つで使用されるものと同一であることを特徴とする、請求項１～２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項25】
最後の前記ステップ（ｂ）を実施した後に、カバー材料を含む１つまたは複数のカバー層が前記１つまたは複数の薄膜上に堆積され、前記反応チャンバが第５の反応雰囲気を含む間に、前記カバー材料は、前記反応チャンバ内に結合された第５の電磁放射によって蒸発および／または昇華され、好ましくは、前記第５の電磁放射および前記第５の反応雰囲気は、前記ステップ（ａ）、前記ステップ（ｂ）、または前記ステップ（ｃ）のうちの１つで使用されるものと同一であることを特徴とする、請求項１～２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項26】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントであって、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、請求項１～２５のいずれか１項に記載の方法によって得られることを特徴とする、固体コンポーネント。
【請求項27】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントであって、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つ、好ましくは前記１つまたは複数の薄膜のすべてが、１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間を有することを特徴とする、
固体コンポーネント。
【請求項28】
固体コンポーネントを備える量子コンポーネント、好ましくは量子ビットであって、前記固体コンポーネントは、請求項２６または２７に記載の固体コンポーネントであることを特徴とする、
量子コンポーネント。
【請求項29】
超伝導量子ビット、特に電荷量子ビット、またはフラックス量子ビット、または位相量子ビットであることを特徴とする、請求項２８に記載の量子コンポーネント。
【請求項30】
前記超伝導量子ビットは、１つまたは複数の超伝導層および１つまたは複数の分離層を含む多層構造を有する薄膜を備えることを特徴とする、請求項２９に記載の量子コンポーネント。
【請求項31】
前記１つまたは複数の超伝導層のうちの１つまたは複数は、以下の材料・ Ａｌ、特に粒状Ａｌ、
・ Ｔａ、
・ Ｎｂ、
・ ＮｂＮ、
・ ＮｂＴｉＮ、および
・ ＴｉＮ
のうちの１つを含み、且つ／または前記１つまたは複数の分離層のうちの１つまたは複数は、以下の材料
・ ＳｉＯｘ、
・ ＨｆＯｘ、および
・ ＡｌｘＯｙ
のうちの１つを含むことを特徴とする、
請求項３０に記載の量子コンポーネント。
【請求項32】
前記１つまたは複数の超伝導層および／または前記１つまたは複数の分離層は、１ｎｍ～３００ｎｍの範囲、好ましくは１０ｎｍ～２００ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項２９または３０に記載の量子コンポーネント。
【請求項33】
請求項２６および／または請求項２７に記載の固体コンポーネントを製造するための装置、および／または請求項１～２５のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、少なくとも・ 周囲雰囲気に対して密閉可能な反応チャンバと、
・ 基板の配置のための１つまたは複数の基板配置部と、
・ ソース要素の配置のための１つまたは複数のソース配置部と、
・ 対応する電磁放射を前記反応チャンバ内に結合させるための結合手段と、
・ 前記反応チャンバ内に反応雰囲気を提供するための手段と、
を備えることを特徴とする、装置。
【請求項34】
前記反応チャンバは、少なくとも２つの分離した反応容積を備え、前記少なくとも２つの反応容積は、互いに対して密閉可能であり、前記基板配置部は、前記周囲雰囲気に対して連続的に密閉された前記反応チャンバ内で前記少なくとも２つの反応容積間を移動することができることを特徴とする、請求項３３に記載の装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントを製造する方法に関する。１つまたは複数の薄膜は、第１の材料を含み、各膜は、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の基板表面上に堆積される。ここで、製造プロセスは、周囲雰囲気に対して密閉された反応チャンバ内で実施される。さらに、本発明は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントに関する。１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面に堆積される。また、本発明は、本発明による固体コンポーネントを備える量子コンポーネント、および本発明による固体コンポーネントを製造するための装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現代技術における最も困難な課題の１つは、量子コンポーネントの製造である。このような量子コンポーネントは、量子コンピュータ、特に量子情報の取り扱いおよび／または伝送に使用され得る。これは、これらのプロセスが、量子コンポーネント内に量子状態を保存し、単一処理を実施することに基づいているからである。量子コンポーネントの一例として、量子ビットが挙げられる。現在の技術では、量子ビットは、例えばイオントラップ、半導体コンポーネント、トポロジカルコンポーネント、および超電導コンポーネントとして実装されている。原理的にはすべて、特に最後の３つの例は、固体コンポーネントに基づいて構築され得る。
【0003】
効果的な量子コンピューティングのためには、上述した量子状態や、量子コンポーネントにおける上述した量子状態の保存は、十分な長時間にわたって安定している必要がある。現世代の量子コンピューティングデバイスでは、その最小値は約１００μｓである。量子コンポーネントの保存および量子状態の環境との相互作用、特に非弾性相互作用、例えばフォノンとの相互作用、特に量子コンポーネントの荷電性欠陥または帯電性欠陥または磁性欠陥との相互作用は、ほとんどの場合、量子状態を破壊する。したがって、いわゆるコヒーレンス時間で表される量子状態の耐久性は、固体コンポーネントをベースとする現在の量子コンポーネントでは制限されている。例えば、最新の超伝導量子ビットでは、到達可能な最大コヒーレンス時間は１ｍｓ程度である。しかしながら、効果的な量子コンピューティングには、この値では不十分である。
【0004】
上述したように、量子状態のコヒーレンス時間は、量子状態が量子コンポーネント内に保存される環境に依存する。例えば、遮蔽手段によって打ち消すことができる電磁放射や、それぞれの量子コンポーネントを０Ｋ近辺の温度で動作させることによって抑制することができる量子コンポーネント内のフォノンのような外部からの干渉とは異なり、原子の欠落や追加、対称性（特に格子対称性）の不連続性など、量子コンポーネントの構造自体の欠陥は、コヒーレンス時間の最大値を本質的に制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の点を鑑み、本発明の目的は、最新技術の上述したような欠点を有さない、固体コンポーネントの改良された製造方法、改良された固体コンポーネント、改良された量子コンポーネント、および固体コンポーネントを製造するための改良された装置を提供することである。特に、本発明の目的は、製造、実装、または実現された固体コンポーネントの欠陥の数が低減しており、それにより、固体コンポーネントに基づく量子コンポーネントにおいて増加したコヒーレンス時間を達成することができる、固体コンポーネントを製造する方法、固体コンポーネント、量子コンポーネント、および固体コンポーネントを製造するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的は、添付の特許請求の範囲に記載の独立請求項に記載の内容よって達成される。特に、上記目的は、請求項１に記載の固体コンポーネントを製造する方法、請求項２６および２７にそれぞれ記載の固体コンポーネント、請求項２８に記載の量子コンポーネント、および請求項３３に記載の固体コンポーネントを製造するための装置によって達成される。従属請求項には、本発明の好ましい実施形態が記載されている。本発明の第１の態様による方法に関して記載された詳細および利点は、技術的な意味合いで、本発明の第２および第３の態様による固体コンポーネント、本発明の第４の態様による量子コンポーネント、および本発明の第５の態様による固体コンポーネントを製造するための装置にも言及しており、その逆もまた同様である。
【0007】
本発明の第１の態様によれば、上記目的は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントを製造する方法によって達成される。１つまたは複数の薄膜は、第１の材料を含む。各膜は、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の基板表面上に堆積される。ここで、製造プロセスは、周囲雰囲気に対して密閉された反応チャンバ内で実施される。
【0008】
本発明の第１の態様による方法は、
（ａ）反応チャンバが第１の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第１の電磁放射で基板を加熱することで、基板表面を作製するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で作製された基板表面上に第１の材料を含む薄膜を堆積させるために、反応チャンバが第２の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第２の電磁放射で第１の材料を含むソース要素を加熱することで、第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップと、
任意選択で、
（ｃ）固体コンポーネントを形成するため、および固体コンポーネントの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、反応チャンバが第３の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第３の電磁放射で１つまたは複数の薄膜および／または基板を照射するステップと、
を含む。ここで、ステップ（ａ）～（ｃ）の間、反応チャンバは周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、基板と後続の固体コンポーネントの両方は反応チャンバ内に連続的に留まる。
（ａ）反応チャンバが第１の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第１の電磁放射で基板を加熱することで、基板表面を作製するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で作製された基板表面上に第１の材料を含む薄膜を堆積させるために、反応チャンバが第２の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第２の電磁放射で第１の材料を含むソース要素を加熱することで、第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップと、
任意選択で、
（ｃ）固体コンポーネントを形成するため、および固体コンポーネントの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、反応チャンバが第３の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ内に結合された第３の電磁放射で１つまたは複数の薄膜および／または基板を照射するステップと、
を含む。ここで、ステップ（ａ）～（ｃ）の間、反応チャンバは周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、基板と後続の固体コンポーネントの両方は反応チャンバ内に連続的に留まる。
【0009】
本発明の第１の態様による方法は、欠陥の数が低減された固体コンポーネントを製造するために適合される。特に、本発明の第１の態様による方法で製造された固体コンポーネントは、１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間を有する量子ビット構造の製造を可能にするように、１ｃｍ２当たりまたは１層当たりの欠陥の数が理想的である。
【0010】
これにより、本発明の第１の態様による方法で製造されたそのような固体コンポーネントは、量子コンポーネント用、特に量子ビット用の基礎としての使用に見事に適している。このような低い欠陥の数を達成するためにとられた手段は、以下に記載されている。
【0011】
最も単純な実施形態において、本発明の第１の態様による方法で製造される固体コンポーネントは、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有する１つの薄膜を備える。しかしながら、このような薄膜を２つ以上積層することもできる。薄膜は、第１の材料を含む。
【0012】
最下層の薄膜は、基板の基板表面上に堆積される。好ましくは、基板材料は、単結晶として提供され得るが、これに限定されるものではない。固体コンポーネントが２つ以上の薄膜を備える場合、好ましくは、２つ以上の薄膜の各々は、先行する薄膜の上に連続して堆積される。
【0013】
以下、本発明の第１の態様による方法のステップについて説明する。特に、製造された固体コンポーネントの起こり得る欠陥の減少に関する各ステップの効果を説明する。
【0014】
固体コンポーネントの製造プロセスを構成する本発明の第１の態様による方法のすべてのステップは、反応チャンバ内で実施される。反応チャンバは、周囲雰囲気に対して密閉されており、これにより、周囲雰囲気とは異なる反応雰囲気を含むことができる。換言すれば、反応チャンバ内には、本発明の第１の態様による方法の現在のステップに適した任意の反応雰囲気を収容することができる。特に、反応雰囲気は、本発明の第１の態様による方法の様々なステップのために、適切に、および／または必要に応じて、変更することさえできる。反応チャンバは、単一の反応容積を備えることができる。ただし、２つ以上の反応容積が互いに密閉可能な反応チャンバの実施形態も可能である。
【0015】
該方法の開始条件は、反応チャンバ内に既に配置された基板である。反応チャンバ内に基板を配置する前に、例えば化学洗浄や真空中での脱気など、基板表面の前処理を行うこともできる。反応チャンバは、周囲雰囲気に対して密閉されている。
【0016】
本発明の第１の態様による方法の第１のステップ（ａ）において、基板の基板表面が作製される。このために、反応チャンバは、基板表面の計画された作製に適した第１の反応雰囲気、例えば真空または酸素を含む反応雰囲気で満たされる。さらに、第１の電磁放射は、適切な結合手段、例えば反応チャンバのチャンバ壁のチャンバ窓を介して、反応チャンバ内に結合される。
【0017】
第１の電磁放射は、基板上に作用する。好ましくは、第１の電磁放射は、基板表面とは反対側の基板の面、すなわち、ほとんどの場合、基板の裏面に作用する。代替的に、または追加的に、第１の電磁放射が基板の基板表面に直接作用する方向することも可能である。第１の電磁放射は、単一のビームとして、または２つ以上の分離したビームとして提供され得、また、パルス状または連続的なものであり得る。
【0018】
作用している第１の電磁放射のエネルギーを少なくとも部分的に吸収することで、基板が加熱される。これにより、基板表面上の不純物を蒸発させ、酸素を含む第１の反応雰囲気が使用される場合には、酸化させることもできる。
【0019】
また、基板の加熱は焼鈍プロセスにもつながる。換言すれば、基板表面の欠損原子や追加原子の数を減少させ、基板表面やバルク内に存在する対称性の不連続性を修復させることができる。
【0020】
上述した修復のために第１の電磁放射を使用することは、反応チャンバ内に追加のヒータまたは導電性銀のような基板をそのようなヒータに接続するための他の手段が必要ないという利点も提供する。これにより、反応チャンバ内に配置された追加の要素の存在によって引き起こされる不純物や欠陥を回避することができる。
【0021】
要約すると、本発明の第１の態様による方法のステップ（ａ）の後に、基板は、１つまたは複数の薄膜の次の堆積のために十分に作製された基板表面を有する反応チャンバ内に提供される。特に、基板の基板表面は、好ましくは欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて低い数に制限されている。
【0022】
本発明の第１の態様による方法の第２のステップ（ｂ）において、第１の材料を含む１つまたは複数の薄膜が、本発明の第１の態様による方法のステップ（ａ）で作製された基板表面上に堆積される。第１の材料には、特に、例えば導電性および／または超伝導特性に関して、作製される固体コンポーネントの目的に適したものを選択することができる。
【0023】
第１の材料は、反応チャンバ内で蒸発および／または昇華される。このために、第１の材料を含むソース要素は、反応チャンバ内に配置される。ステップ（ａ）における基板の加熱と同様に、本発明の第１の態様による方法のステップ（ｂ）においても、第１の材料の蒸発および／または昇華のために、再び適切な結合手段によって反応チャンバ内に結合された第２の電磁放射が使用される。これにより、第１の電磁放射の使用に関して上述したすべての利点、特に反応チャンバ内の追加要素を回避する可能性がステップ（ｂ）においても提供され得る。これにより、第１の材料の蒸発および／または昇華を極めてクリーンに提供することができ、蒸発および／または昇華した第１の材料に高純度を提供することができる。
【0024】
また、蒸発速度および／または昇華速度は、第２の電磁放射の強度を適宜選択することによって容易に調整され得る。したがって、基板表面上への第１の材料の安定で均一な堆積、換言すれば、それぞれの薄膜の安定で均一な成長速度を使用することができる。その結果、堆積された１つまたは複数の薄膜は、好ましくは欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて低い数に制限されている。
【0025】
また、上述したように、基板表面も、好ましくは欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて低い数に制限されている。基板表面の欠陥は、堆積された１つまたは複数の薄膜によって継承されるため、堆積された１つまたは複数の薄膜の欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて低い数に制限されているという上述した特徴は、基板表面の欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ないという特徴によってさらに改善される。
【0026】
また、第２の電磁放射の使用によって、広範囲の第１の材料を使用することができるようになる。特に、固体または流体の形態で提供可能なすべての純粋な化学元素は、本発明の第１の態様による方法おいて第１の材料として容易に使用され得る。ガスセルとして適切に構成されたソース要素により、残りのガス状化学元素もまた、本発明の第１の態様による方法において第１の材料として使用され得る。要約すると、異物原子および結晶不純物に関して極めて高い純度を有する、基板表面への薄膜の堆積を提供することができる。
【0027】
しかしながら、本発明の第１の態様による方法は、化学的に純粋な材料に限定されるものではない。特に、化学的化合物、混合物または合金を第１の材料として使用することができる。
【0028】
さらに、ステップ（ｂ）のために、反応チャンバは、１つまたは複数の薄膜の堆積のために適切に選択された第２の反応雰囲気で満たされる。例えば、高純度の蒸発および／または昇華した第１の材料のみを堆積するためには、第２の反応雰囲気として高真空または超高真空が選択され得る。その一方で、例えば、酸素を含む第２の反応雰囲気によって、蒸発および／または昇華した第１の材料を酸化させることができ、これにより、それぞれの酸化物の薄膜を堆積することができる。
【0029】
要約すると、ステップ（ｂ）で堆積された１つまたは複数の薄膜は、膨大な種類の可能な組成から選択され得る。この様々な可能性は、堆積された薄膜が高純度である点で共通している。さらに、堆積された１つまたは複数の薄膜は、欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ない。
【0030】
本発明の第１の態様による方法の最後のステップ（ｃ）において、固体コンポーネントが形成される。このために、第３の電磁放射は、適切な結合手段を介して反応チャンバ内に結合される。第３の電磁放射は、ステップ（ｂ）で堆積された１つまたは複数の薄膜および／または基板を照射するために使用され、以下に記載の目的のうちの１つまたは複数のために適宜選択され得る。また、これらの目的のために電磁放射を使用することで、反応チャンバ内に追加的な要素を存在させる必要がないことに関して、上述した利点のすべてを提供することができる。
【0031】
まず、固体コンポーネントは、焼戻しされ得る。このために、電磁放射は、固体コンポーネントを加熱する。この加熱により、焼鈍プロセスをトリガーする。換言すれば、固体コンポーネントの表面上の既に少ない数の欠損原子または追加原子をさらに減少させることができ、また、固体コンポーネントの表面および／またはバルクに存在する対称性の不連続性を修復することができる。
【0032】
また、固体コンポーネントの制御された冷却を提供することができる。このために、固体コンポーネントの加熱は徐々に減少され、特に、通常、放射冷却が支配的である固体コンポーネントの影響を受けない冷却が行われるよりも小さな割合で行われる。これは、基板と形成された固体コンポーネントが異なる熱膨張を有する場合に特に有利である。したがって、固体コンポーネントの急冷中に異なる熱膨張によって引き起こされ、固体コンポーネントに欠陥をもたらす内部張力は、回避され得る。
【0033】
さらに、ステップ（ｃ）のために、反応チャンバは、意図されたプロセス、特に形成された固体コンポーネントの焼戻しおよび／または制御された冷却のために適切に選択された第３の反応雰囲気で満たされる。
【0034】
要約すると、本発明の第１の態様による方法のステップ（ｃ）において、好ましくは形成された固体コンポーネントにないか、少なくとも数が極めて少ない欠陥の数は、少なくとも維持されるか、さらに低減される。
【0035】
上述したように、本発明の第１の態様による方法のすべてのステップ（ａ）～（ｃ）は、製造された固体コンポーネントにおける欠陥の数を低減させるための手段を提供する。それにもかかわらず、外部からの影響、特に周囲雰囲気への暴露は、ステップ（ａ）～（ｃ）に従って講じられた手段によって提供されるすべてのプラスの効果を減少させるか、完全に破壊することもある。
【0036】
したがって、ステップ（ａ）～（ｃ）の間、反応チャンバが周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、基板と後続の固体コンポーネントとの両方がそれぞれ連続的に反応チャンバ内に留まることが、本発明の第１の態様による方法にとって極めて重要である。換言すれば、すべてのステップ（ａ）～（ｃ）は、たとえ反応チャンバの反応容積が異なっていたとしても、同じ反応チャンバ内で連続的に実施され、全プロセスの間、周囲雰囲気に対する密閉はそのまま維持される。したがって、本発明の第１の態様による方法のすべてのステップ（ａ）～（ｃ）は、ｉｎ ｓｉｔｕで実施される。これにより、基板およびその後形成された固体コンポーネントに対する外部の影響、特に周囲雰囲気との接触を回避することができる。
【0037】
換言すれば、反応チャンバ内における基板とその後形成された固体コンポーネントの連続的な配置という要件と、形成された固体コンポーネントの欠陥の数を低減させるためのステップ（ａ）～（ｃ）の各々の対策とが組み合わされ、互いに補強し合うことさえある。
【0038】
要約すると、本発明の第１の態様による方法で製造された固体コンポーネントは、１ｃｍ２および１層当たりの欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ない。これにより、本発明の第１の態様による方法で製造されたこのような固体コンポーネントは、量子コンポーネント、特に量子ビットの基礎としての使用に見事に適している。特に、欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ないので、量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間が１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット構造を作製することができる。
【0039】
また、本発明の第１の態様による方法では、１０ｎｍ～１００μｍの範囲の波長を有するレーザ光、好ましくは可視または赤外線領域で選択された波長を有するレーザ光、特に３５０ｎｍ～２０μｍの範囲の波長を有するレーザ光が、第１の電磁放射および／または第２の電磁放射および／または第３の電磁放射として利用可能であり得る。レーザ光は、コヒーレントであり、幅広い波長と強度で照射できるという利点がある。ステップ（ａ）～（ｃ）の各電磁放射の具体的な目的に応じて、適切なレーザ光を選択することができる。例えば、多種多様な酸化物基板の加熱には、約１０μｍの波長を有する赤外線レーザ、特にＣＯ２レーザを使用することができる。その一方で、金属由来の第１の材料の蒸発および／または昇華には、約１μｍまたは約０．５μｍの波長を有するレーザが適している。レーザ光は、パルスで供給され得るが、より好ましくは連続的に供給される。これにより、基板表面の非常に均質な加熱、第１の材料の蒸発および／または昇華、ならびに１つまたは複数の薄膜および／または基板の照射が提供され得る。
【0040】
また、本発明の第１の態様による方法は、第１の電磁放射および第２の電磁放射、ならびに／または第２の電磁放射および第３の電磁放射、ならびに／または第１の電磁放射および第３の電磁放射について、同じ波長を有するレーザ光が使用されることによって改善され得る。使用される３つの電磁放射のうちの少なくとも２つと同じ波長のレーザ光を使用することで、本発明の第１の態様による方法に必要なレーザソースの数、ひいてはこの方法を実施するための装置の複雑さを低減することができる。また、初期コストおよびメンテナンスコストも低減することができる。
【0041】
さらに、本発明の第１の態様による方法では、第１の反応雰囲気および／または第２の反応雰囲気および／または第３の反応雰囲気は、以下
・ １０－４ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、純粋に理想的な条件では１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、
・ 酸素、特にＯ２および／またはＯ３、
・ 窒素、および
・ 水素
から選択され得る。なお、これらに限定されるものではなく、適切であれば他の雰囲気が選択され得る。上記のガス状雰囲気は、圧力が１０－８ｈＰａから周囲圧力まで、すなわち１ｈＰａまでの圧力で提供され得る。酸素変量Ｏ２およびＯ３は、好ましくは、インライングロー放電式オゾン発生器によって生成されるように、約９：１の比率で提供され得る。
・ １０－４ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、純粋に理想的な条件では１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、
・ 酸素、特にＯ２および／またはＯ３、
・ 窒素、および
・ 水素
から選択され得る。なお、これらに限定されるものではなく、適切であれば他の雰囲気が選択され得る。上記のガス状雰囲気は、圧力が１０－８ｈＰａから周囲圧力まで、すなわち１ｈＰａまでの圧力で提供され得る。酸素変量Ｏ２およびＯ３は、好ましくは、インライングロー放電式オゾン発生器によって生成されるように、約９：１の比率で提供され得る。
【0042】
また、本発明の第１の態様による方法では、第１の反応雰囲気および／または第２の反応雰囲気および／または第３の反応雰囲気は、少なくとも部分的にイオン化、特にプラズマイオン化によりイオン化され得る。反応雰囲気のイオン化された原子または分子は、それぞれの反応雰囲気の反応性の増強を提供することができる。したがって、例えば、蒸発および／または昇華した第１の材料とそれぞれの第２の反応雰囲気の元素との反応生成物を含む薄膜のために、それぞれの反応雰囲気の反応が所望される場合、それぞれの第２の反応雰囲気の原子および／または分子をイオン化することは有利であり得る。
【0043】
さらに、本発明の第１の態様による方法では、第１の反応雰囲気と第２の反応雰囲気と第３の反応雰囲気とが同一であり得る。換言すれば、ステップ（ａ）～（ｃ）のすべての間、反応雰囲気は同じままである。ステップ（ａ）または（ｂ）のうちの１つが終了した後に現在の反応雰囲気を変更したり、基板または後続の固体コンポーネントをそれぞれ別の反応容積に移動させたりする必要がない。要約すると、本発明の第１の態様による方法は、簡略化することができる。
【0044】
本発明の第１の態様による方法の代替実施形態において、第１の反応雰囲気と第２の反応雰囲気は異なっており、ステップ（ａ）とステップ（ｂ）との間で交換され、および／または第２の反応雰囲気と第３の反応雰囲気は異なっており、ステップ（ｂ）とステップ（ｃ）との間で交換される。これは、製造される固体コンポーネントが、本発明の第１の態様による方法のステップ（ａ）～（ｃ）のうちの少なくとも２つにおいて異なる反応雰囲気が要求される場合に適用される。
【0045】
上述したように、特定の目的に最も適した反応雰囲気を選択することにより、欠陥に関して得られる固体コンポーネントの品質を最適化することができる。実際には、本発明の第１の態様による方法の異なるステップのための異なる反応雰囲気は、反応チャンバに提供され得る。この場合、好ましくは、反応チャンバは、既に互いに対して密閉可能な異なる反応容積を備えるので、異なる反応雰囲気を含むことができる。これにより、本発明の第１の態様による方法のステップの間では、基板または後続の固体デバイスは、周囲雰囲気に対する密閉を破ることなく、反応チャンバ内で単に内部移動することができる。
【0046】
さらに、本発明の第１の態様による方法では、基板は、以下
・ ＳｉＣ、
・ ＡｌＮ、
・ ＧａＮ、
・ Ａｌ２Ｏ３、
・ ＭｇＯ、
・ ＮｄＧａＯ３、
・ ＤｙＳｃＯ３、
・ ＴｂＳｃＯ３、
・ ＴｉＯ２、
・ （ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、
・ Ｇａ２Ｏ３、
・ ＳｒＬａＡｌＯ４、
・ Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、および
・ ＳｒＴｉＯ３
から選択された材料とともに使用され得る。なお、これらに限定されるものではなく、適切であれば基板に他の材料が選択され得る。これに関連して、それぞれの基板は、好ましくは単結晶として提供される。
・ ＳｉＣ、
・ ＡｌＮ、
・ ＧａＮ、
・ Ａｌ２Ｏ３、
・ ＭｇＯ、
・ ＮｄＧａＯ３、
・ ＤｙＳｃＯ３、
・ ＴｂＳｃＯ３、
・ ＴｉＯ２、
・ （ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、
・ Ｇａ２Ｏ３、
・ ＳｒＬａＡｌＯ４、
・ Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、および
・ ＳｒＴｉＯ３
から選択された材料とともに使用され得る。なお、これらに限定されるものではなく、適切であれば基板に他の材料が選択され得る。これに関連して、それぞれの基板は、好ましくは単結晶として提供される。
【0047】
特に、本発明の第１の態様による方法は、以下の特徴の１つまたは複数、好ましくは以下の特徴のすべてにおいて薄膜と類似している基板が使用されることによって改善され得る。
・ 格子対称性、
・ 格子定数、
・ 表面再構成、および
・ 表面終端。
・ 格子対称性、
・ 格子定数、
・ 表面再構成、および
・ 表面終端。
【0048】
本発明の範囲において、薄膜と類似しているとは、基板のそれぞれの側面の値が薄膜のそれぞれの側面の値から１０％未満、好ましくは５％ずれていることを意味する。薄膜に類似している基板を選択することにより、欠陥を引き起こす場合がある、基板から薄膜への急激な遷移を回避することができる。これにより、製造される固体コンポーネントの品質をさらに向上させることができる。
【0049】
さらに、本発明の第１の態様による方法において、ステップ（ａ）では、少なくとも基板表面は、９００℃～３０００℃の範囲の温度、特に１０００℃～２０００℃の範囲の温度に加熱され得る。これらの温度は、多種多様な基板材料における欠陥を効果的に修復するのに最も適していることが分かっている。好ましくは、基板表面の加熱は、基板の裏面の加熱を介して間接的に適用することができる。このような裏面の加熱によって、特にコンパクトなセットアップが可能になり、特に、本発明の第１の態様による方法のステップ（ｃ）における基板の照射に適切であるといえる。
【0050】
また、本発明の第１の態様による方法では、ステップ（ａ）は、基板表面上に向けられた終端材料のフラックスを提供するステップを含むことができる。好ましくは、終端材料は、基板の材料の１つである。これにより、終端のフラックスは、基板の基板表面における欠陥を埋める。ステップ（ａ）にも含まれる基板の加熱は、基板材料の蒸発および／または昇華につながる可能性があるため、終端材料のフラックスは、この効果の平衡をとるために使用され得る。理想的には、基板表面から離脱する原子と基板表面に添加される原子との間の平衡が確立される。この平衡は、基板および／または終端材料のフラックスを適応させることで調整され得る。要約すると、欠陥に関する基板表面の品質をさらに向上させることができる。
【0051】
本発明の第１の態様による方法の別の実施形態において、基板を保持するために基板ホルダが使用される。基板ホルダは、基板と比較して、第１の電磁放射および／または第３の電磁放射に対する吸収が小さい。換言すれば、本発明の第１の態様による方法のステップ（ａ）および／または（ｃ）において、基板ホルダが、第１および第３の電磁放射によってそれぞれ偶発的に照射されたとしても、基板ホルダは、より少ないエネルギーを吸収するので、より少なく加熱される。これにより、蒸発ソースを除く基板が、反応チャンバ内で最も高い温度を有する要素であることが保証され、反応チャンバ外への基板への不純物の吸収が効果的に防止される。
【0052】
さらに、本発明の第１の態様による方法では、ステップ（ｂ）において、第１の材料が２つ以上の異なる材料成分を含み、それに応じてソース要素が２つ以上の別個のコンポーネント部分を含む。これにより、各コンポーネント部分は、２つ以上の材料成分のうちの１つを提供し、第２の電磁放射は、２つ以上のコンポーネントビームを含む。２つ以上のコンポーネントビームの各々は、２つ以上の材料成分のうちの１つの蒸発および／または昇華のために適応される。
【0053】
換言すれば、第１の材料は、単一のソースに限定されておらず、２つ以上の成分を含むことができる。ここで、各成分は、別個のソースに提供され得る。換言すれば、ここでは、材料成分の各々が別個に、高純度で、特に純粋な化学元素としてさえ提供されるので、本発明の第１の態様による方法によって、化学的化合物および／または合金を含む薄膜も、高い化学純度および低い欠陥数で提供され得る。
【0054】
本質的に、２つ以上の成分が同時に蒸発および／または昇華される。２つ以上の異なる材料成分は、反応チャンバ内で、および／または基板表面へのそれぞれの堆積後に、互いに結合することができる。ソース要素は、２つ以上の別個のコンポーネント部分のための共通の保持構造を含むことができる。また、代替的に、１つまたは複数のコンポーネント部分をそれぞれ提供するソース要素の別個の実施例も可能である。以下では、「ソース」という表現は、ソース要素のコンポーネント部分、および別個のソース要素の両方の意味で使用される。要約すると、１つまたは複数の薄膜のために提供可能な第１の材料の多様性を拡大することができる。
【0055】
好ましくは、本発明の第１の態様による方法では、ステップ（ｂ）の蒸発および／または昇華は、第１の材料のプラズマ閾値未満で実施され得る。これにより、第１の材料の蒸発および／または昇華のみが行われることが保証される。また、蒸発および／または昇華した第１の材料は、電気的に中性の状態で提供されるので、反応チャンバ内の妨害帯電効果を回避することができる。
【0056】
また、本発明の第１の態様による方法では、第１の材料に、金属、好ましくは銅アルミニウム、タンタル、および／またはニオブ、および／または特に金属などの超伝導材料を使用することができる。ここで、超伝導材料は、＞～４Ｋ、好ましくは＞～７７Ｋの温度で超導電性を有し、好ましくはタンタル、またはニオブ、またはアルミニウム、または粒状アルミニウム、またはＮｂＮ、またはＮｂＴｉＮ、またはＴｉＮである。金属および／または特に超伝導材料は、量子ビットとして使用されるように意図された固体デバイスに最も適している。特に、７７Ｋを超える温度で超伝導性を示す超伝導材料によって、非常に便利である液体窒素による冷却が可能になる。
【0057】
本発明の第１の態様による方法の別の好ましい実施形態によれば、ステップ（ｂ）における蒸発および／または昇華に使用される第１の材料は、自己支持可能であり、これにより、坩堝を有さないように提供され得る。したがって、第２の電磁放射が第１の材料の表面に当たり、第１の材料が蒸発および／または昇華するスポットの近傍には、他の材料は存在しない。これにより、蒸発および／または昇華および／または溶融物への取り込み、ならびにそれに続く、例えば坩堝など、第１の材料を保持する保持構造の溶融物からの共蒸発によって引き起こされる不純物を回避することができる。
【0058】
また、本発明の第１の態様による方法では、ステップ（ｂ）において堆積された薄膜の材料は、蒸発および／または昇華した第１の材料と第２の反応雰囲気の成分との反応生成物であり得る。例えば、第２の反応容積が酸素を含む場合、第１の材料の酸化物は、基板表面上に堆積された薄膜の材料として提供され得る。また、例えば、窒化物またはハロゲン化物などの他の反応生成物も可能である。これにより、基板表面上に堆積される１つまたは複数の薄膜の材料の可能性の範囲を拡大することができる。
【0059】
さらに、本発明の第１の態様による方法では、ステップ（ｃ）は、２回以上の分離した焼戻し反復を含むことができる。各焼戻し反復において、形成された固体デバイスに依然として存在する欠陥の一部が修復される。２回以上の焼戻し反復を行うことで、最終的に得られる欠陥の数をさらに低減させることができる。
【0060】
本発明の第１の態様による方法の好ましい実施形態において、ステップ（ｃ）は、１回または複数回の焼戻し反復の各々の後に、第３の電磁放射による制御された冷却のステップを含む。上述したように、固体コンポーネントの急冷は、特に、基板と形成された固体コンポーネントとが異なる熱膨張を有する場合、新たな欠陥を引き起こす場合がある。これは、２回以上の焼戻し反復のそれぞれの間に、明確に制御された冷却ステップを挿入することによって回避することができる。特に、第３の電磁放射は、基板および／または固体コンポーネントの加熱に使用され、これにより、加熱量が徐々に減少し、それによって、ゆっくりと制御された冷却が達成される。
【0061】
本発明の第１の態様による方法のさらなる別の実施形態において、薄膜の多層構造を提供するために、ステップ（ｂ）は、１回または複数回繰り返される。これにより、ステップ（ｂ）の異なる反復において使用される第１の材料は、同一であることができ、異なっていることもできる。また、それぞれのステップ（ｂ）で使用される第１の材料に関する反復パターンでステップ（ｂ）が繰り返され得る。換言すれば、このような多層構造の可能な層順序は、例えば、ＡＡＡＡＡＡ、ＡＢＡＢＡＢＡ、ＡＢＣＡＢＣ、ＡＢＡＣＡＤ、およびＡＢＢＡＣＣであり得るが、これらに限定されるものではない。ここで、第１の材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは異なっている。また、特に４つ以上の異なる第１の材料、および特に６つまでの異なる層の数を採用することもできる。これにより、固体コンポーネントのための多種多様な多層構造を提供することができる。
【0062】
また、ステップ（ｂ）の各反復は、好ましくは、シームレスに連続して実施されるのではなく、間に休息を挟んで分離されて実施され得る。これにより、反応チャンバの条件、例えば第１の電磁放射によって照射されるそれぞれのソース要素の表面の温度および物質の状態に関する条件が、ステップ（ｂ）の最初の反復の前に提供されたような初期値に戻ることが保証され得る。したがって、ステップ（ｂ）の各反復は、同じ環境条件で実施されるので、特に純度が高く均一な多層構造を提供することができる。
【0063】
好ましくは、本発明の第１の態様による方法は、ステップ（ｂ）の各反復の後に、実施されるステップ（ｃ）の反復によって強化され得る。換言すれば、ステップ（ｂ）の各反復の後に、基板上に既に堆積された層は、制御された方法で焼き戻しおよび／または冷却される。したがって、ステップ（ｃ）のいずれかを実施することによって提供される上述したすべての利点は、固体コンポーネントを形成する多層構造の各層に対して提供することができる。その結果、最終的に形成される固体コンポーネントの欠陥の数をさらに低減させることができる。
【0064】
本発明の第１の態様による方法のさらなる実施形態において、各ステップ（ｂ）および各ステップ（ｃ）は、使用される電磁放射および使用される反応雰囲気および第１の材料に関して同一に実施される。したがって、本発明の第１の態様による方法の本実施形態によって製造される固体コンポーネントは、２つ以上の同一の層を有する多層構造を備える。
【0065】
本発明の第１の態様による方法の代替実施形態において、１回または複数回の反復の１回または複数回について、以下のパラメータ
・ 第１の材料、
・ 第２の反応雰囲気、
・ 第３の反応雰囲気、
・ 第２の電磁放射、および
・ 第３の電磁放射
のうちの１つまたは複数が変更される。換言すれば、例えば、多層構造の異なる層に異なる第１の材料を使用することができる。
・ 第１の材料、
・ 第２の反応雰囲気、
・ 第３の反応雰囲気、
・ 第２の電磁放射、および
・ 第３の電磁放射
のうちの１つまたは複数が変更される。換言すれば、例えば、多層構造の異なる層に異なる第１の材料を使用することができる。
【0066】
別の例として、金属を第１の材料としたまま、第２の反応雰囲気を真空と酸素の間で変化させることで、純金属とその酸化物が交互に積層された多層構造を提供することができる。要約すると、提供可能な多層構造のバリエーションは、多かれ少なかれ限定されるものではないが、各バリエーションは、欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ないという点で共通している。
【0067】
好ましくは、本発明の第１の態様による方法において、ステップ（ａ）の最終手順として、バッファ材料を含む１つまたは複数のバッファ層は、基板表面上に堆積される。これにより、反応チャンバが第４の反応雰囲気を含む間に、バッファ材料は、反応チャンバ内に結合された第４の電磁放射によって蒸発および／または昇華される。ここで、好ましくは、第４の電磁放射および第４の反応雰囲気は、ステップ（ａ）、（ｂ）、または（ｃ）のうちの１つで使用されるものと同一である。
【0068】
上述したように、好ましくは、基板の基板表面上に堆積される薄膜と同様の基板が使用される。しかしながら、本発明の第１の態様による方法を実行するこの好ましい方法は、常に実現可能とは限らない。バッファ層を追加することで、格子対称性、格子定数、表面再構成、および／または表面終端に関する基板および薄膜との間の差異を埋めることができ、またはバッファ層をバルク基板と同じ材料でバルク基板自体よりも高い構造品質で成長させることができる場合、基板表面の品質を向上させることができる。
【0069】
好ましくは、２つ以上のバッファ層を使用することで、それぞれのバッファ層を堆積するためのバッファ材料および対応する第４の反応雰囲気は、異なるように選択され得る。これにより、結果として得られるバッファ層に最も近い基板が本発明での基板に類似することになり、追加されたそれぞれのバッファ層において、基板に対する類似性が低減され、同時に薄膜に対する類似性が向上し、その結果、本発明の薄膜に類似している最上層のバッファ層が得られる。これにより、基板と１つまたは複数の薄膜との間の差異に起因する欠陥の種がなく、バッファ層上、特に最上層のバッファ層上への薄膜の滑らかな堆積を提供することができる。
【0070】
このようなバッファ層のための典型的なバッファ材料の例として、アルミニウムが挙げられる。
【0071】
バッファ材料の蒸発および／または昇華のための電磁放射の使用は、第２の電磁放射の使用に関して上述したのと同じ利点を提供することができる。特に、バッファ材料の蒸発および／または昇華のために反応チャンバ内にさらなる元素または成分を必要としないので、そのようなさらなる元素や成分によって引き起こされる不純物を回避することができる。
【0072】
また、本発明の第１の態様による方法は、最後のステップ（ｂ）を実施した後に、カバー材料を含む１つまたは複数のカバー層が１つまたは複数の薄膜上に堆積される。これにより、反応チャンバが第５の反応雰囲気を含む間に、カバー材料は、反応チャンバ内に結合された第５の電磁放射によって蒸発および／または昇華される。ここで、好ましくは、第５の電磁放射および第５の反応雰囲気は、ステップ（ａ）、（ｂ）、または（ｃ）のうちの１つで使用されるものと同一である。
【0073】
キャップ層としても知られるこのようなカバー層は、１つまたは複数の薄膜を環境から保護するので、固体コンポーネントの保護を提供する。したがって、固体コンポーネント中に存在する欠陥の数を低減させることができる。特に、１つまたは複数の薄膜の最上面上へのさらなる材料の望ましくない堆積が提供され得る。
【0074】
カバー材料の蒸発および／または昇華のための電磁放射の使用は、第２の電磁放射の使用に関して上述したのと同じ利点を提供することができる。特に、カバー材料の蒸発および／または昇華のために反応チャンバ内にさらなる元素または成分を必要としないので、そのようなさらなる元素や成分によって引き起こされる不純物を回避することができる。
【0075】
本発明の第２の態様によれば、上記目的は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントによって達成される。１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含む。各膜は、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積される。
【0076】
本発明の第２の態様による固体コンポーネントは、特許請求の範囲に記載の請求項の１つによる方法によって得られる。これにより、本発明の第２の態様による固体コンポーネントは、本発明の第１の態様による方法に関して上述した利点のすべてを提供することができる。
【0077】
本発明の第３の態様によれば、上記目的は、１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネント、特に量子コンポーネント用、好ましくは量子ビット用の固体コンポーネントによって達成される。１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含む。各膜は、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積される。
【0078】
本発明の第３の態様による固体コンポーネントでは、１つまたは複数の薄膜のうちの１つ、好ましくは１つまたは複数の薄膜のすべてが、１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間をそれぞれ有する。このような薄膜は、欠陥の数が極めて少なく、好ましくは欠陥がないので、このようなデバイスを量子ビットとして使用することができる。好ましくは、本発明の第３の態様による固体コンポーネントは、本発明の第１の態様による方法によって得られる。
【0079】
本発明の第４の態様によれば、上記目的は、固体コンポーネントを備える量子コンポーネント、好ましくは量子ビットによって達成される。本発明の第４の態様による量子コンポーネントは、本発明の第２または第３の態様による固体コンポーネントである。これにより、本発明の第４の態様による量子コンポーネントは、本発明の第２または第３の態様に関して上述した利点のすべてを提供することができる。
【0080】
さらに、本発明の第４の態様による量子コンポーネントでは、量子コンポーネントは、超伝導量子ビット、特に電荷量子ビット、またはフラックス量子ビット、または位相量子ビットである。超伝導量子ビットは、その超伝導性により抵抗なく流れる電流に基づいている。そのため、電流は、外乱に対してロバストであり、電流によって表される量子状態を長時間にわたって維持することができる。コヒーレンス時間は、１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超に達することができる。
【0081】
また、本発明の第４の態様による量子コンポーネントは、１つまたは複数の超伝導層および１つまたは複数の分離層を含む多層構造を有する薄膜を備えた超伝導量子ビットを有することで強化され得る。特に、薄膜の多層構造のそれぞれの層は、本発明の第１の態様による方法を用いて堆積されるので、本発明の第１の態様による方法に関して上述した利点のすべてを含む。特に、各層は、欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少ない。したがって、到達可能なコヒーレンス時間がさらに向上する。
【0082】
別の実施形態において、本発明の第４の態様による量子コンポーネントでは、１つまたは複数の超伝導層のうちの１つまたは複数は、以下の材料
・ Ａｌ、特に粒状Ａｌ、
・ Ｔａ、
・ Ｎｂ、
・ ＮｂＮ、
・ ＮｂＴｉＮ、および
・ ＴｉＮ
のうちの１つを含むことができ、且つ／または１つまたは複数の分離層のうちの１つまたは複数は、以下の材料
・ ＳｉＯｘ、
・ ＨｆＯｘ、および
・ ＡｌｘＯｙ
のうちの１つを含むことができる。
・ Ａｌ、特に粒状Ａｌ、
・ Ｔａ、
・ Ｎｂ、
・ ＮｂＮ、
・ ＮｂＴｉＮ、および
・ ＴｉＮ
のうちの１つを含むことができ、且つ／または１つまたは複数の分離層のうちの１つまたは複数は、以下の材料
・ ＳｉＯｘ、
・ ＨｆＯｘ、および
・ ＡｌｘＯｙ
のうちの１つを含むことができる。
【0083】
なお、これらに限定されるものではなく、超伝導層および分離層には他の適切な材料が使用され得る。
【0084】
また、本発明の第４の態様による量子コンポーネントでは、１つまたは複数の超伝導層および／または１つまたは複数の分離層は、１ｎｍ～３００ｎｍの範囲、好ましくは１０ｎｍ～２００ｎｍの範囲の厚さを有する。特に、超伝導層は、好ましくは５ｎｍ～３００ｎｍの範囲の厚さを有することができ、分離層は、好ましくは２０ｎｍ～３００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。さらに、超伝導元素間の分離バリアは、好ましくは両方が多層構造の層によって、または層の少なくとも一部によって構築され、好ましくは１ｎｍ～１０ｎｍの範囲の厚さを有する。上述した範囲で厚さを選択することで、本発明の第４の態様による量子コンポーネントの特に良好な性能を提供することができる。
【0085】
本発明の第５の態様によれば、上記目的は、本発明の第２および／または第３の態様による固体コンポーネントを製造するための装置、および／または本発明の第１の態様による方法を実行するための装置によって達成される。該装置は、少なくとも
・ 周囲雰囲気に対して密閉可能な反応チャンバと、
・ 基板の配置のための１つまたは複数の基板配置部と、
・ ソース要素の配置のための１つまたは複数のソース配置部と、
・ 対応する電磁放射を反応チャンバ内に結合させるための結合手段と、
・ 反応チャンバ内に反応雰囲気を提供するための手段と、
を備える。
・ 周囲雰囲気に対して密閉可能な反応チャンバと、
・ 基板の配置のための１つまたは複数の基板配置部と、
・ ソース要素の配置のための１つまたは複数のソース配置部と、
・ 対応する電磁放射を反応チャンバ内に結合させるための結合手段と、
・ 反応チャンバ内に反応雰囲気を提供するための手段と、
を備える。
【0086】
好ましくは、本発明の第５の態様による装置は、ＴＬＥ（熱レーザ蒸発）装置である。さらに、本発明の第２または第３の態様による固体コンポーネントを製造し、特に、本発明の第１の態様による方法を実行することで、本発明の第５の態様による装置は、本発明の第２または第３の態様による固体コンポーネントに関して上述した利点、および／または本発明の第１の態様による方法に関して上述した利点のすべてを提供することができる。
【0087】
好ましい実施形態において、本発明の第５の態様による装置では、反応チャンバは、少なくとも２つの分離した反応容積を備えることができる。少なくとも２つの反応容積は、互いに対して密閉可能であり、基板配置部は、周囲雰囲気に対して連続的に密閉された反応チャンバ内で少なくとも２つの反応容積間を移動することができる。これにより、固体コンポーネントの製造中における反応雰囲気の変更を簡略化することができる。
【0088】
２つ以上の個別の反応容積がない場合、反応雰囲気の変更は困難で手間がかかることになる。例えば、反応雰囲気をガス状物質Ａからガス状物質Ｂに変更する場合、まず、反応チャンバ内にＡが存在しないように、すなわち、反応チャンバ内を真空、特に超高真空にする必要があるが、これには時間がかかる。その後で初めて、Ｂを反応チャンバ内に充填することができる。
【0089】
これとは対照的に、周囲雰囲気に対して密閉され、互いに対して密閉可能な２つ以上の反応容積を用いることで、反応容積の各々が異なる反応雰囲気を含むことができる。反応雰囲気を変更する場合、例えば、ステップ（ａ）を実行した後に、且つステップ（ｂ）を開始する前に、基板配置部を一方の反応容積から他方の反応容積に移動させるだけでよい。好ましくは、適切なバルブと材料ロックが反応容積間に配置される。要約すると、これは、固体コンポーネントの製造を簡略化し、時間の大幅な節約を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0090】
以下、本発明の実施形態および添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【図1】単一の真空チャンバを備える熱レーザエピタキシー用途のための反応チャンバを示す図である。
【図2】第１および第２の反応容積を画定する第１および第２の真空チャンバを備える熱レーザエピタキシー用途のための反応チャンバを示す図である。
【図3】複雑な単結晶固体の段差のある表面の断面図であり、黒色と白色はそれぞれ異なる原子または分子種を示す。
【図4】基板の表面の段差の高さまたは表面化学的性質の不一致によるエピタキシー不良を示す図である。
【図5】基板の表面のバルク周期性に対応する段差高さを有するレジストリにおけるエピタキシーを示す図である。
【図6】「白色」終端の結晶表面を示す図である。
【図7】「黒色」終端の結晶表面を示す図である。
【図8】「黒色」材料の分数的追加被覆としての表面再構成を模式的に示す図である
【図9】表面再構成の２つの鏡面対称単位セルを示す図である。
【図10】下層の結晶構造と完全に整列したテラスのあるシステムを示す図である。
【図11】立方晶の面内結晶軸（図では水平軸および垂直軸）からわずかに離れた方向に向けられたミスカットを示す図である。
【図12】面内結晶軸から４５°ずれた方向のミスカットを示す図である。
【図13】２つの可能な表面単位セルの配向のうちの１つを優先するように、表面ミスカットによる対称性の破れを使用した場合の図である。
【図14】固体コンポーネントを作製する基本ステップを示す図である。
【図15】バッファ層を追加する追加のステップを示す図である。
【図16】２つの材料ソースを用いて薄膜を堆積するステップを示す図である。
【図17】カバー層を追加する追加のステップを示す図である。
【図18】量子デバイスの第１の実施例を示す図である。
【図19】量子デバイスの第２の実施例を示す図である。
【図20】Ａｌ２Ｏ３の√３１×√３１の表面再構成のＲＨＥＥＤパターンを示す図であり、基板の主結晶軸に対して単一の回転配向を有する。基板は、１×１０－６ｈＰａのＯ２雰囲気中、１７００℃で２００秒間焼鈍され、この雰囲気で２０℃まで急速に冷却された。基板の主結晶軸の１つにＲＨＥＥＤビームを沿わせ、２０℃で撮影した画像である。
【図22】Ａｌ２Ｏ３の√３１×√３１の表面再構成のＲＨＥＥＤパターンを示す図であり、基板の主結晶軸に対して両方向の回転配向を有する。基板は、０．７５×１０－１ｈＰａのＯ２雰囲気中、１７００℃で２００秒間焼鈍され、この雰囲気で２０℃まで急速に冷却された。基板の主結晶軸の１つにＲＨＥＥＤビームを沿わせ、２０℃で撮影した画像である。
【図23】本発明の表面処理プロセスのＡｌ２Ｏ３表面のＡＦＭ顕微鏡写真である。基板は、１×１０－６ｈＰａのＯ２雰囲気中、１７００℃で２００秒間焼鈍され、この雰囲気で２０℃まで急速に冷却された。
【図25】本発明の方法で作製されたＡｌ２Ｏ３基板上に成長した厚さ５０ｎｍ（画像中の参照バーの長さの４０分の１）のＴａ薄膜のＡＦＭ顕微鏡写真である。基板を、堆積前に超高真空（圧力＜１０－１０ｈＰａ）中、１７００℃で２００秒間焼鈍した。Ｔａ膜を、局所的に溶融したＴａ金属ソースから圧力＜２×１０－１０ｈＰａ、１２００℃の基板温度で成長させた。
【図26】本発明の方法で作製されたＡｌ２Ｏ３基板上に成長した厚さ１０ｎｍのＴａ薄膜の上面からのＳＥＭ顕微鏡写真である。基板を、堆積前に超高真空（圧力＜１０－１０ｈＰａ）中、１７００℃で２００秒間焼鈍した。Ｔａ膜を、圧力＜２×１０－１０ｈＰａ、１２００℃の基板温度で成長させた。
【図27】本発明の方法で作製されたＡｌ２Ｏ３基板上に成長した厚さ５０ｎｍのＴａ薄膜のＸＲＤ回折パターンを示す図である。基板を、堆積前に超高真空（圧力＜１０－１０ｈＰａ）中、１７００℃で２００秒間焼鈍した。Ｔａ膜を、圧力＜２×１０－１０ｈＰａ、１２００℃の基板温度で成長させた。Ｔａ膜のα－Ｔａ（１１０）／（２２０）等価面のみが、基板のピークとともに、表面に垂直な方向に見える。これは、完全なエピタキシャル整列に対応するＴａ膜の単一の面外配向を確認することができる。
【図28】ＴＬＥによって室温でエピタキシャル配向なしでＳｉテンプレート上に成長したＮｂ膜を示す図である。堆積時間は４０分であった。層の厚さは２０ｎｍであった。基板温度が低く、クリーンなエピタキシャルテンプレートがないので、多数の欠陥を含む無秩序な柱状膜構造が作製された。
【図29】一定のレーザ出力および酸素－オゾンガス流を使用して、Ｔｉのレーザ蒸発中に測定されたチャンバ圧力Ｐｏｘを示す図である。
【図30】ＴＬＥによってＳｉ（１００）基板上に成長した（ａ）Ｔｉ酸化膜、（ｂ）Ｆｅ酸化膜、（ｃ）Ｈｆ酸化膜、（ｄ）Ｖ酸化膜、（ｅ）Ｎｉ酸化膜、および（ｆ）Ｎｂ酸化膜の微小角入射Ｘ線回折パターンを示す図である。各酸化物の予想された回折ピーク位置は、各図において灰色の線で示されている。
【図32】複数のＰｏｘ値に対する（ａ）ＴＬＥ堆積Ｔｉ酸化物および（ｂ）ＴＬＥ堆積Ｎｉ酸化膜の微小角入射Ｘ線回折パターンを示す図である。Ｐｏｘが増加するにつれて、Ｔｉソースはルチル相およびアナテーゼ相のＴｉＯ２膜を作製し、Ｎｉソースは、部分的に酸化されたＮｉ／ＮｉＯ膜を作製する。（ａ）の灰色の線と紫色の実線の星は、ＴｉＯ２ルチル相とアナテーゼ相の予想される回折ピーク位置をそれぞれ示す。（ｂ）の灰色の線は、立方晶ＮｉＯの予想されるピーク位置を示す。
【図33】複数のＰｏｘで測定した（ａ）Ｔｉ（酸化物）および（ｂ）Ｎｉ（酸化物）の堆積速度を示す図である。Ｔｉの堆積速度はＰｏｘの増加とともに増加する一方で、ＮｉでＰｏｘ＞１０－３ｈＰａの増加は蒸発プロセスをほとんど抑制している。
【発明を実施するための形態】
【0091】
図１は、第１の反応容積１４を画定する単一の真空チャンバ１２を備える熱レーザエピタキシー用途のための反応チャンバ１０を示している。反応チャンバ１０は、周囲雰囲気、すなわち、実験室、工場、またはクリーンルームなどに対して密閉され得る。真空チャンバ１２は、１０１ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の圧力に加圧することができ、当業者には知られている純粋に理想的な条件では、真空チャンバ１２の外に向けられた矢印で模式的に示すように、真空チャンバ１２から空気を抽出する適切な真空ポンプ１８を使用して、１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の圧力に加圧することができる。
【0092】
必要に応じて、プロセスガスＧは、真空チャンバ１２内に向けられた矢印に沿って、ガス供給部２０から真空チャンバ１２内に導入され得る。反応ガスとしても知られるプロセスガスＧは、酸素、オゾン、プラズマ活性化酸素、窒素、プラズマ活性化窒素、水素、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｐ、Ｓ、Ｓｅ、およびＨｇなどのガス、またはＮＨ３、ＳＦ６、Ｎ２Ｏ、ＣＨ４などの化合物から選択され得る。プロセスガスＧの圧力は、１０－８ｈＰａから周囲圧力の範囲で選択され、純粋に理想的な条件では、１０－８ｈＰａ～１ｈＰａの範囲で選択され得る。
【0093】
真空ポンプ１８は、任意のガス供給部２０とともに、反応チャンバ１０内にそれぞれの反応雰囲気、すなわち、所定のガス雰囲気と任意に組み合わされた真空を提供する。
【0094】
反応チャンバは、基板２４を配置することができる基板配置部２２を備える。実際には、複数の基板配置部２２を設けることができ、且つ／または１つまたは複数の基板配置部２２上に複数の基板２４を配置することができる。
【0095】
使用される基板２４は、典型的には、単結晶ウエハであり得、ウエハの材料は、典型的には、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＮｄＧａＯ３、ＤｙＳｃＯ３、ＴｂＳｃＯ３、ＴｉＯ２、（ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＬａＡｌＯ４、Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、およびＳｒＴｉＯ３からなる群から選択される。このような単結晶ウエハは、典型的には、固体コンポーネントの作製に使用され、量子ビットなどの量子コンポーネントの作製には興味深い候補である。
【0096】
単結晶ウエハの形態で存在し得る基板２４のコーティングおよび前処理の間に、基板２４は、基板加熱レーザ２６を使用して加熱される。
【0097】
基板加熱レーザ２６は、典型的には、赤外線領域における波長、具体的には１μｍ～２０μｍ、特に約８μｍ～１２μｍの範囲で選択された波長で動作する赤外線レーザである。このような波長は、例えば、ＣＯ２レーザ２６を介して利用可能である。
【0098】
基板加熱レーザ２６は、典型的には、基板２４の裏面５０を介した間接加熱により、基板２４の基板表面４８、すなわち、基板２４の表側を加熱する。これにより、基板表面４８は、９００℃～３０００℃、特に１０００℃～２０００℃の範囲の温度に加熱され得る。これにより、基板加熱レーザ２６の強度は、最も高い昇華速度を有する基板成分の昇華速度および昇華温度に依存して、様々な所望の温度を達成するために変化する。
【0099】
典型的には、基板加熱レーザ２６の強度は、基板サイズが５×５ｍｍ２または１０×１０ｍｍ２の場合、４Ｗ～１ｋＷの範囲で変化させることができる。必要な処理温度に到達するためには、１０×１０ｍｍ２のサファイア基板で２０００℃に達するのに１００Ｗ、１０×１０ｍｍ２のＳｒＴｉＯ３基板で１４００℃に達するのに５００Ｗが必要である。必要な温度は、大きく異なる。プランクの法則によれば、面積当たりの放射電力は、材料の特性である材料のエミッタンスに依存し、Ｔ４として温度に依存する。これは、必要な電力が温度とともに劇的に増加することを意味する。
【0100】
本発明によるエピタキシャルテンプレートの作製に必要な温度範囲に対応するために、基板上の必要な最大出力密度は１ｋＷ／ｃｍ２であり、例えば、２０００℃のサファイアでは約１００Ｗ／ｃｍ２など、かなり小さい値であることがわかる。
【0101】
温度に対するＴ４の劇的な依存性により、基板加熱レーザは、同時に、基板作製のために低温を必要とする材料、特に低温での基板テンプレート上のエピタキシャル層の堆積のために、安定した低出力レベルを維持する能力を有する高いダイナミックレンジを必要とする。
【0102】
また、基板２４は、前面、側面、または別の方向から加熱されてもよいことに留意されたい。加熱手段に応じて、基板成分の１つ、すなわち、基板を形成する元素の１つが、加熱ステップ中に基板表面４８に沿って移動することができ、所望のエピタキシャルテンプレート６０を生成するために基板表面４８から脱離または昇華することができるように、基板表面４８の温度が９００℃～３０００℃の範囲内で加熱され得ることが単に保証されるべきである（以下、例えば、図５～図７を参照）。
【0103】
基板表面４８の温度は、パイロメータなど（図示せず）を使用して測定され得る。
【0104】
両方向の矢印２８で示すように、基板配置部２２は、適切な装置（図示せず）を使用して真空チャンバ１２に対して出し入れされ得る。
【0105】
基板２４を薄膜６２の１つまたは複数の層でコーティングするために（添付の図１４～図２０参照）、反応チャンバ１０は、ソース配置部３４に配置された第１のソース要素３０および第２のソース要素３２をさらに備える。これらのソース要素３０および３２は、単一のソース要素３０の別個のコンポーネント部分として設けられ得る。
【0106】
なお、これに関連して、それぞれのソース３０および３２は、薄膜６２の堆積のために使用されるそれぞれの真空チャンバ１２内で選択された温度および圧力において固体であれば、周期表の任意の元素から選択され得ることに留意されたい。
【0107】
また、これに関連して、元素が薄膜６２として二元酸化物を堆積させるために約１０％の反応雰囲気として酸素／オゾン混合物中で堆積される場合、それぞれのソース３０および３２のための好ましい材料は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、およびＡｕであることに留意されたい。単結晶薄膜６２を堆積させるために、典型的には真空雰囲気が使用される。
【0108】
第１のソース要素３０および第２のソース要素３２にそれぞれ向けられた第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８も提供される。第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８によって、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２において異なる蒸発および／または昇華温度が利用可能になる。
【0109】
第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８によって、典型的には、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２において、２８０ｎｍ～２０μｍの範囲で選択された波長のレーザ光が利用可能になる。金属ソースの場合、短い波長で金属の吸収率が増加するので、ソース加熱レーザ３６および３８によって、３５０ｎｍ～８００ｎｍの範囲で選択された波長範囲の光が利用可能になることが好ましい。５１５ｎｍを下回る短い波長の高出力レーザはまだ商業的に利用可能ではないが、低出力測定に従って３００ｎｍで最も高い吸収率が予想される。この波長のレーザが利用可能になれば、ソース加熱レーザの好ましい波長は３００ｎｍ±２０ｎｍとなる。
【0110】
さらに、これに関連して、レーザ２６、３６、および３８は、パルスモードで動作することができるが、連続放射ソースとして使用されることが好ましいことに留意されたい。連続レーザ２６、３６、および３８は、単位時間当たりの導入エネルギーが、ソース３０および３２を損傷させる可能性があるパルスソースよりも少ない。
【0111】
第１のソース要素３０および第２のソース要素３２から元素を昇華および／または蒸発させ、これらが基板２４のコーティングのために基板表面４８にそれらが到達するようにするために、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８の適切な強度を選択する必要がある。この強度は、基板表面４８からの第１のソース要素３０および第２のソース要素３２の距離に依存する。基板表面における所与のフラックス密度に対して、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２が基板表面４８から離れるおよび／または基板表面４８に向けて移動するにつれて、強度は増加および／または減少する。
【0112】
本実施例において、基板表面４８は、それぞれの第１のソース要素３０および第２のソース要素３２から６０ｍｍ離れて配置される。レーザの強度は、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２と基板表面４８との間の距離の２乗にほぼ相関する。したがって、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２と基板表面４８との間の距離を２倍増加させるためには、レーザの強度を約４倍増加させる必要がある。
【0113】
したがって、以下に指定する強度は、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２と基板表面４８との間の距離が６０ｍｍの場合である。より大きな距離が選択された場合、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のそれぞれの強度を増加させる必要があり、距離が減少された場合はその逆となる。
【0114】
一般に、基板加熱レーザ２６、第１のソース加熱レーザ３６、および第２のソース加熱レーザ３８によって、レーザ光が利用可能になり、特に１０ｎｍ～１００μｍの範囲の波長を有するレーザ光、好ましくは可視または赤外線範囲で選択された波長を有するレーザ光、特に２８０ｎｍ～１．２μｍの範囲の波長を有するレーザ光が利用可能になる。これらのレーザ２６、３６、および３８によって、第１の電磁放射および／または第２の電磁放射および／または第３の電磁放射および／または他のタイプの電磁放射が利用可能になる。
【0115】
第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８は、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２を第１の材料および／または第２の材料のプラズマ閾値を下回る温度まで加熱することで、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２から第１の材料および第２の材料を蒸発および／または昇華させるために設けられる。
【0116】
昇華および／または蒸発したソース材料がチャンバの入射窓５２に堆積するのを防止する遮蔽部として機能する遮蔽開口部４０が、真空チャンバ１２に模式的に示されている。このような材料の層が窓５２上に堆積した場合、それぞれのレーザ２６、３６、および３８は、窓上に吸収されたその材料を補償するために、時間の経過とともに適合される必要がある。
【0117】
また、遮蔽開口部４０は、レーザ２６、３６、および３８のうちの１つの反射レーザ光が、それぞれのレーザ２６、３６、および３８を破壊する可能性のあるレーザ２６、３６、および３８のうちの１つに再び集光されるのを防止するための遮蔽部として機能することができる。
【0118】
また、遮蔽開口部４０は、それぞれのレーザ２６、３６、および３８の１つまたは複数のビーム成形システムの一部を形成することができる。したがって、これは、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８からのそれぞれの電磁放射を反応チャンバ１０に結合し、且つ第１のソース要素３０および第２のソース要素３２に結合するための結合手段として使用され得る。
【0119】
一般に、さらなる結合手段として、それぞれのレーザ光を反応チャンバ１０に結合するために、レーザ２６、３６、および３８の各々と反応チャンバ１０との間に窓５２がそれぞれ配置される。
【0120】
これは、結合手段が、レーザ２６、３６、および３８のうちの１つからの光を反応チャンバに、すなわち、基板２４上および第１のソース要素３０および第２のソース要素３２のうちの１つまたは複数の上に、その意図された用途のために結合されるように使用され得る、任意の種類の光学要素またはレーザ光ビーム成形要素を備えることができることを意味する。
【0121】
なお、これに関連して、反応チャンバ１０は、単一のソース要素３０、または２つ以上のソース要素３０および３２を備えてもよく、さらなるソース要素によって、反応チャンバ１０内の１つまたは複数の基板２４上に堆積させることができる同じ種類または別の種類のさらなる材料が利用可能になることに留意されたい。
【0122】
また、これに関連して、２つ以上のソース要素３０および３２が真空チャンバ１２内で利用可能である場合、それぞれのソース要素３０および３２の材料を含む薄膜６２の昇華および／または蒸発のために、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のうちの１つからのレーザ光は、一方のソース要素３０および３２に向けられるが、他方のソース要素３２および３０には向けられないことに留意されたい。
【0123】
このプロセスは、基板２４上に複数の異なる層および多層、ならびに合金または複合構造を形成するために、真空チャンバ１２内に設けられた各ソース要素に対して繰り返され得る。
【0124】
同様に、複数のソース要素３０および３２からソース材料を同時に昇華および／または蒸発させて、基板２４の表面４８上に化合物を堆積させるための薄膜６２を基板２４の表面４８上に堆積させるために、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のうちの１つからのレーザ光、ならびに第３のソース加熱レーザが、ソース要素３０および３２の両方、ならびに提供される場合にはさらなるソース要素に向けられ得る。
【0125】
したがって、薄膜６２または基板２４上に堆積した層の材料は、蒸発および／または昇華した材料と反応雰囲気の成分との反応生成物であり、すなわち、プロセスガスＧと反応した化合物が提供された場合、または昇華および／または蒸発が真空中で実施された場合、単一の材料の薄膜６２である。
【0126】
後述するように、真空チャンバ１２内にいくつのソース要素３０および３２が設けられ、所与の時間でレーザ光が照射されるにもかかわらず、プロセスガスは、真空チャンバ内に導入され、蒸発および／または昇華したソース材料とプロセスガスとの反応をもたらして、酸化物など、ソース材料とプロセスガスとの化合物から形成される薄膜を生成することができる。
【0127】
さらに、蒸発および／または昇華に使用される第１のソース要素３０および／または第２のソース要素３２の材料は、自己支持が可能であり、これにより、坩堝を有さないように提供され得ることに留意されたい。例えば、坩堝が関連しないＴａソース要素３０および３２が提供され得る。
【0128】
図２は、第１の反応容積１４および第２の反応容積１６を画定する２つの真空チャンバ１２を備える２つの種類の反応チャンバ１０を示している。第１および第２の反応容積は、ゲートバルブ４４を介して互いに分離されている。
【0129】
このような反応チャンバ１０は、異なる反応雰囲気中で膜を形成する必要がある多層膜の形成（図１４～図１９参照）において、または生産ラインの一部として、基板２４を異なる反応チャンバ内でバッチ的に異なる膜でコーティングする場合に、有益に選択されてもよい。
【0130】
このようにして、反応チャンバ１０は、少なくとも２つの分離された反応容積１４および１６を備える。ここで、少なくとも２つの反応容積１４および１６は、例えば、ゲートバルブ４４を介して、互いに対して密閉可能であり、基板配置部は、周囲雰囲気に対して連続的に密閉された反応チャンバ１０内で少なくとも２つの反応容積１４および１６間を移動することができる。
【0131】
なお、これに関連して、第１の反応雰囲気および第２の反応雰囲気、ならびに提供される場合には第３またはそれ以上の反応雰囲気は、同一あってもよいことに留意されたい。
【0132】
代替的に、第１の反応雰囲気と第２の反応雰囲気および／または第３の反応雰囲気とは異なっており、異なる反応容積１４および１６の間で交換されるか、第１の容積１４および／または反応容積１６内で交換され、且つ／または第２の反応雰囲気と第３の反応雰囲気とは異なっており、異なる反応容積１４および１６の間で交換されるか、第１の容積１４および／または反応容積１６内で交換される。
【0133】
さらに、これに関連して、第１の反応雰囲気および／または第２の反応雰囲気および／または第３またはそれ以上の反応雰囲気は、少なくとも部分的にイオン化または励起され、特にプラズマイオン化および／または励起によってイオン化される。励起は、原子または分子内の１つまたは複数の電子がエネルギー的により高いレベルに遷移することを表す。このような高いレベルからの緩和は、蒸発した原子または分子と、活性化またはイオン化した反応ガスとの間の化学反応を可能にするかそれを改善するための追加のエネルギーを提供することができる。
【0134】
基板表面４８の作製のため、１つまたは複数の薄膜の堆積のため、および終端の焼戻しおよび／または冷却のために、それぞれ異なる反応雰囲気であることが適している場合がある。したがって、異なる反応容積１４および１６が利用可能であることは、さらなる利点となり得る。
【0135】
なお、これに関連して、１つまたは複数の薄膜６２を備える固体デバイス、特に量子デバイス、好ましくは量子ビットが作製され、１つまたは複数の薄膜６２が第１の材料を含み、各膜６２が単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の前面上に堆積される場合、製造プロセスは、図１または図２に示す反応チャンバ１０内で実施され得ることに留意されたい。次に、反応チャンバ１０は、周囲雰囲気に対して密閉されて、制御された真空が発生し、任意選択でプロセスガスＧにおいて利用可能なガス反応雰囲気と一緒にされる。
【0136】
このような方法は、以下のステップを含む。
（ａ）反応チャンバ１０が第１の反応雰囲気を含む間、例えば、真空を含む間、場合によっては酸素などのプロセスガス２０と組み合わせて含む間に、反応チャンバ１０に結合された第１の電磁放射で基板２４を加熱することで、基板２４の前面４８を作製するステップ。これに関連して、第１の電磁放射は、基板加熱レーザ２６によって利用可能となる。
（ｂ）ステップ（ａ）で作製された前面４８上に第１の材料および／または第１の材料を含む化合物を含む薄膜６２を堆積させるために、反応チャンバ１０が第２の反応雰囲気を含む間、例えば、真空、または部分真空および所定のガス雰囲気を含む間に、例えば、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のうちの１つを使用して、反応チャンバ１０に結合された第２の電磁放射で第１の材料を含むソース要素３０および３２を加熱することで、第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップ。
（ｃ）任意選択で、固体デバイスを形成するため、および固体デバイスの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、反応チャンバ１０が第３の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ１０に結合された第３の電磁放射で１つまたは複数の薄膜６２および／または基板２４を照射するステップ。
（ａ）反応チャンバ１０が第１の反応雰囲気を含む間、例えば、真空を含む間、場合によっては酸素などのプロセスガス２０と組み合わせて含む間に、反応チャンバ１０に結合された第１の電磁放射で基板２４を加熱することで、基板２４の前面４８を作製するステップ。これに関連して、第１の電磁放射は、基板加熱レーザ２６によって利用可能となる。
（ｂ）ステップ（ａ）で作製された前面４８上に第１の材料および／または第１の材料を含む化合物を含む薄膜６２を堆積させるために、反応チャンバ１０が第２の反応雰囲気を含む間、例えば、真空、または部分真空および所定のガス雰囲気を含む間に、例えば、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のうちの１つを使用して、反応チャンバ１０に結合された第２の電磁放射で第１の材料を含むソース要素３０および３２を加熱することで、第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップ。
（ｃ）任意選択で、固体デバイスを形成するため、および固体デバイスの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、反応チャンバ１０が第３の反応雰囲気を含む間に、反応チャンバ１０に結合された第３の電磁放射で１つまたは複数の薄膜６２および／または基板２４を照射するステップ。
【0137】
ここで、ステップ（ａ）～（ｃ）の間、反応チャンバ１０は周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、基板と後続の固体デバイスの両方は反応チャンバ１０内に連続的に留まる。
【0138】
なお、これに関連して、基板２４の前面４８を作製する方法は、以下の教示に従って利用可能となることに留意されたい。しかしながら、基板２４上のあまり純度の高くない層構造についても、従来の洗浄および精製ステップが実施できることにも留意されたい。
【0139】
ここで、エピタキシャルテンプレート６０として単結晶ウエハ２４の表面４８を作製する具体的な方法を説明する。表面４８は、表面原子および／または表面分子を含み、単結晶ウエハ２４は、基板成分として２つ以上の元素および／または２つ以上の分子を含む単結晶を含み、元素および分子の各々は、昇華速度を有する。該方法は、
・ 単結晶ウエハ基板２４に、所定のミスカット角および方向を提供するステップと、
・ 表面原子および／または表面分子が表面４８に沿って移動して、最小の段差密度と、所定のミスカット角およびミスカット方向に従って配向された段差エッジとを有する配置部を形成することができる温度まで基板２４を加熱するステップと、
・ 昇華速度が最も高い基板成分の原子または分子が表面から離脱（昇華、脱離）する温度まで基板２４を加熱するステップと、
を含む。
・ 単結晶ウエハ基板２４に、所定のミスカット角および方向を提供するステップと、
・ 表面原子および／または表面分子が表面４８に沿って移動して、最小の段差密度と、所定のミスカット角およびミスカット方向に従って配向された段差エッジとを有する配置部を形成することができる温度まで基板２４を加熱するステップと、
・ 昇華速度が最も高い基板成分の原子または分子が表面から離脱（昇華、脱離）する温度まで基板２４を加熱するステップと、
を含む。
【0140】
任意選択で、基板２４の表面４８は、同じ種の連続的なフラックスで照射され、表面から離脱する原子または分子と表面に到達する原子または分子との間の所定のフラックス平衡を得ることができる（化学ポテンシャル）。このステップにより、通常、エネルギー的に等価な面内配向を有する場合がある表面再構成が得られる。
【0141】
これにより、異なる面内配向のうちの１つだけを形成するように基板表面４８が強制する段差の向きによって、表面４８に予め配置された原子および／または分子の対称性の破れを引き起こすことができる。
【0142】
基板２４の結晶配向に対して定義された配向を有する結晶層（エピタキシャル層）は、表面が、表面再構成において異なる配向を有する場合、異なる面内配向で成長する可能性がある。これは、エピタキシャル層における欠陥に繋がる。本明細書に記載の基板を作製する方法を使用する場合、この方法を使用して再構成された表面２４の単一の配向を提供することによって、これを回避することができる。
【0143】
なお、これに関連して、所与の温度における２つ以上の元素および／または２つ以上の分子の昇華速度は、通常、互いに異なることに留意されたい。
【0144】
単結晶ウエハ２４を加熱するステップは、２つの加熱要素、すなわち、単結晶ウエハ２４を処理対象の表面４８から離間した表面で加熱する第１の加熱要素と、高温蒸発ソース３２および３４によって生成された熱黒体放射を処理対象の表面４８に照射することで加熱する第２の加熱要素とを含む。
【0145】
フラックスは、表面４８に圧力を導入し、表面からの脱離フラックスと競合することで、表面におけるフラックス種の化学ポテンシャルを定義する平衡を確立する。
【0146】
基板表面を加熱し、揮発性成分の平衡フラックスを照射することで、いくつかのプロセスが活性化する。
【0147】
最初のものは、図３に関して図６および図７を参照すると、表面構造の繰り返し周期を定義する特定の終端（「黒色」と「白色」で模式的に示す）を定義することである。したがって、ミスカット面に最も近い結晶面に垂直な段差高さが定義される。
【0148】
２つ目のものは、ステップ構造に関してエネルギーが最も低い表面が採用されるような、表面に沿った原子の動員である。これにより、最初のステップの段差高さとミスカット角によって与えられるステップの数が最も少なくなる。
【0149】
３つ目のものは、揮発性フラックスの設定によって制御されるように、主に基板温度および揮発性フラックスの化学ポテンシャルによって決定される表面再構成の形成である。
【0150】
４つ目のものは、図１３に模式的に示すように、ミスカット方向の選択による、表面単位セルのエネルギー的に等価な異なる配向の選択である。
【0151】
例えば、サファイア基板２４のための酸素などの材料のフラックスは、表面４８における欠陥を埋め、表面４８から離脱する原子と表面４８に加わる原子との間の平衡を得るために原子の余剰を提供するのを助ける。これは、フラックスによって及ぼされる圧力、すなわち、基板上に作用する酸素の量を適応することで変化させることができる。
【0152】
なお、例えば、昇華温度は典型的には９５０℃を超え、サファイアの場合は約１７００℃、ＳｒＴｉＯ３の場合は約１３００℃であることに留意されたい。
【0153】
単結晶ウエハ２４を形成する結晶の２つ以上の元素および／または２つ以上の分子は、Ｓｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ａｓ、Ａｌ、Ｏ、Ｎ、Ｏ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｔａ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され得る。例えば、単結晶ウエハ２４は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＮｄＧａＯ３、ＤｙＳｃＯ３、ＴｂＳｃＯ３、ＴｉＯ２、（ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、Ｇａ２Ｏ３、ＳｒＬａＡｌＯ４、Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、およびＳｒＴｉＯ３の化合物のうちの１つから作製され得る。
【0154】
加熱のステップは、基板加熱レーザ２６によって、任意選択で、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８のうちの１つと組み合わせて実施される。ただし、最も昇華速度が高く、基板に向けて連続的に供給されるべき単結晶ウエハ２４の材料を含む場合に限る。
【0155】
脱離フラックスと補償安定化フラックスとの間の平衡が望ましくない場合、基板２４の作製中の加熱のステップは、典型的には、１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲で選択された真空雰囲気中で実施される。
【0156】
安定化フラックスを用いることで、基板２４の作製中の加熱のステップは、典型的には、１０－６ｈＰａ～１０３ｈＰａの範囲で選択された真空雰囲気中で実施される。
【0157】
【0158】
一般に、基板２４は、その上に成長／堆積される層構造と一致するように選択される。一般に、基板２４は、その上に成長される薄膜６２と同じものが使用されるか、格子対称性、格子定数、表面再構成、および表面終端のうちの１つまたは複数、あるいはすべてにおいて、薄膜６２から最大１０％逸脱するものが使用される。
【0159】
これを促進するために、薄膜６２をその上に堆積する前に、表面４８上にバッファ層を堆積することが必要あるいは有益であり得る。
【0160】
本発明は、表面４８の垂直方向および面内方向において均一な原子配列が有利である、後続のエピタキシーまたはその他の用途のための本質的に単結晶のテンプレートを提供するという問題に対する解決策を提示している。
【0161】
図３は、少なくとも２つの元素または式単位からなる結晶２４を切断した模式図であり、結晶を切断した表面４８が２つ以上の元素または式単位からなるテラス５８の交互配列を露出するように配向させた状態で切断されている。図を明確にするために、図３には、白と黒で示された２つの元素または式単位だけが示されている。表面処理の場合、結晶２４は、原子または分子が表面４８から離脱するか、表面４８に付着することができるような十分に高温に供されて、結晶２４内の式単位に対応する原子または分子の両方のフラックスは、結晶２４とフラックスとが互いに平衡状態であるように利用可能である。図３に示すように、表面２４は、通常、異なる表面組成を有するテラス５８を交互に露出させ、結晶２４内の最も小さい安定段差サイズ（式単位）に対応する段差高さを有する。
【0162】
【0163】
図に示す典型的なケースでは、テラス５８の構造の段差高さは、エピタキシャル層６０の格子定数と一致しない。これにより、段差エッジ６６に積層オフセットが形成され、エピタキシャル層６０の単位セルが互いに対してずらされる。図を明確にするために、図４では、このずれは、段差高さによるものだけである。また、後続のテラス上の表面化学的性質が交互に変化し（「白色」対「黒色」）、両方のテラス上の基板とエピタキシャル層との間の界面構造が異なることに起因する場合もある。通常、このような化学的不一致は、界面に幾何学的なオフセットを生じさせ、さらに、局所的な電荷や構造欠陥などの有害な影響をもたらす。その代わりに、本出願人は、エピタキシャル層６２、すなわち薄膜６２および基板２４の格子定数が一致し、エピタキシャル層６２、すなわち薄膜６２が常に１つの同じ露出表面層に成長する、図５に示す界面構造の実現を目指した。また、この一致は、界面に垂直な方向に適用されるだけでなく、表面４８は、結晶構造の単一の面内配向を露出させ、表面の垂直方向の周りに回転した、あるいは表面または露出したテラスに平行でない面で鏡面化された異なる領域の形成を回避する必要がある。
【0164】
本明細書に記載の作製方法を使用することで、すべてのテラス５８の表面において均一な表面化学的性質および（通常、再構築された）表面原子配列の単一の面内配向の両方を提供するエピタキシャルテンプレート６０としての表面４８を作製することができる。図３に示す状況は、ほとんどの結晶固体において、その成分（元素または分子）の蒸気圧がしばしば強く異なるという点で、ある程度理想化されている。したがって、特に、基板２４の作製中に原子または分子のフラックスが表面４８に作用することがなければ、基板２４が十分に高い温度に加熱された場合、特定の種が表面４８から優先的に離脱する。
【0165】
したがって、図６および図７に示す状況は、選択的に発生するので、通常、いずれか一方の状況しか実際には実現できない。ここでは、この２つの図は、表面処理で原理的に可能な２つの極端な状況を示している。作用している気相における一方の成分に対する他方の相対的な過圧に依存して、表面４８は、「白色」（図６）または「黒色」（図７）のいずれか一方のタイプのテラスが他方のタイプを犠牲にして成長し、最終的に表面全体を覆うような状態で作製され得る。
【0166】
実際には、このような化学的平衡は、典型的に１つの元素または式単位がほぼ完全に優勢になるには、異なる成分間の圧力差が何桁も必要であるため、揮発性の低い元素または式単位が表面４８を覆うことによってのみ、完全な被覆を達成することができる。注目すべきことに、この２つの間の固有の揮発性の差も、通常、それ自体で数桁に相当する。
【0167】
したがって、この作製方法は、少なくとも結晶の最も揮発性の高い成分が表面４８から昇華する温度まで基板結晶２４を加熱するステップを含む。結晶２４の異なる不要な化合物への分解を回避するために、より高い温度で揮発性種のフラックスを表面４８に照射する必要がある場合もある。十分に高い温度を使用して
・ 表面４８が、少なくとも揮発性種の原子をその周囲と交換することができるように、且つ
・ 表面４８に沿った原子の移動度が、高度に秩序化した最小エネルギーテラスを形成するのに十分に高くなるように
することで、均一な表面化学的性質を有する所望の２段表面構造が形成される。
・ 表面４８が、少なくとも揮発性種の原子をその周囲と交換することができるように、且つ
・ 表面４８に沿った原子の移動度が、高度に秩序化した最小エネルギーテラスを形成するのに十分に高くなるように
することで、均一な表面化学的性質を有する所望の２段表面構造が形成される。
【0168】
実際には、表面４８は、バルク終端表面層の間で切り替わるのではなく、表面再構成を形成する。ここで、表面原子は、バルクとは異なる位置に再配列し、多くの場合、表面エネルギーが最小限に抑えられるように、化学量論さえも異なる。これは図８に示されている。ここでは、追加的な「黒色」を含む上記のような表面再構成は、より厚い黒色層で示されている。
【0169】
作用する種の圧力と表面温度に応じて、所与の終端ではしばしば異なる表面再構成が可能になり、例えば、サファイアでは、少なくとも２つの異なるＡｌリッチ表面再構成が存在する。
【0170】
表面再構成は、通常、下層のバルク結晶の複数の単位セルにまたがる表面スーパーセルの形成に関連する。図７には、任意の例として、２つのバルク単位セルを覆い、２つの等価な鏡面対称の表面単位セルを有する表面単位セルが示されている。どちらの場合も、２つの表面単位セルが示されている。実際には、表面単位セルは、表面４８に沿って両方向に周期的に繰り返され、テラス５８全体を覆う。本実施例において、表面単位セルの両方の配向が同じエネルギーを有しており、そのため、広い領域にわたって、平均して表面４８の半分がそれぞれの配向で覆われるように、互いに独立して等しい確率で核形成される。
【0171】
これは、領域が接する境界での欠陥に繋がるので、望ましくない構成である。エピタキシャル成長のためのテンプレートとして使用される場合、このような異なる表面再構成の領域は、その上に成長するエピタキシャル膜６２の異なる配向を引き起こす可能性もあり、これにより、面内表面再構成領域の境界が、異なる配向の結晶子間の３次元平面領域の境界としてエピタキシャル膜６２に転写される。この問題は、表面４８の対称性を破り、エネルギー的に不等価にすることで、一方の表面単位セルの配向を他方より有利にすることで解決される場合がある。
【0172】
図９は、表面再構成の２つの鏡面対称の単位セルを示している。これは、例えば、サファイア単結晶ウエハ２４の場合であり、ミスカットによって２つの異なる配向を有する表面が作製される。これは、図４に示すような状況をもたらす。
【0173】
本発明に従ってこれを達成するために提案された方法は、表面のミスカットの配向と傾斜である。バルク単結晶から基板ディスク（「ウエハ」２４）を切断するとき、切断面は、結晶面からわずかに離れる方向に向けられる場合がある。この粘性ミスカットの角度に応じて、作製された表面４８は、切断方向に依存するテラス幅およびテラス配向を有するので、任意に制御され得る。立方晶の面内結晶構造の一例として、３つの異なる結果のテラス構造が図１１～図１３に模式的に示されている。
【0174】
図１０は、基板表面４８のテラスのあるシステム５８が、下層の結晶構造と完全に整列した状態を示している。図に示す実施例において、この段差の配向は、どちらも表面の段差と同じ角度をなすため、図９の表面単位セルの２つの可能な面内配向のうちの１つを支持するものではない。
【0175】
図１１は、面内結晶軸から垂直方向にわずかに離れた面内配向を示している。大きな正方形のエッジは、バルク立方晶の面を示している。最後に、図１２は、面内結晶軸から４５°の方向に配向したテラストレインを示している。
【0176】
このミスカットは、システムの対称性を破る他の方法と同様に、図１３に示すように、２つの異なる表面単位セルのうちの一方を有利にするために使用されてもよい。この模式図では、等価な表面再構成単位セルの１つに平行な段差配向で面内テラスシステムが作製されており、これは、本実施例において、表面再構成単位セルと段差エッジとの位置関係、すなわち上側の配向が有利になり、下側の交差した配向は抑制される。
【0177】
ミスカット角の方位角成分に対応する段差エッジの面内配向が表面単位セルの配向のうちの一方を選択させる一方で、ミスカット角の絶対値、すなわちその極性成分も、単一の配向構造を安定化させる上で重要である。高温では、エントロピーがあらゆるシステムに統計的無秩序をもたらす。この場合、面内表面単位セルの配向がエッジで確立され、その後、単位セルから単位セルへと伝播するので、各テラス上の特定の平均距離で再び反対配向の単位セルを有する欠陥が生じる可能性がある。ミスカット角の絶対値が十分に高い場合（例えば、０．０５°）、一方の配向を他方の配向に転写する安定化ステップが非常に短い距離で発生するので、このようなずれ、ひいては欠陥密度の増加を回避することができる。
【0178】
図１４は、固体コンポーネント１００を作製するための方法における３つの基本的なステップＡ、Ｂ、およびＣを示している。これらのステップは、反応チャンバ１０内で実施される（図１参照）。特に、反応チャンバ１０は、製造プロセス全体にわたって周囲雰囲気に対して密閉されたままである。これにより、形成された固体コンポーネント１００における欠陥の数の低減に関して各ステップの利点を維持することができ、その結果、量子ビットの緩和時間および量子ビットのコヒーレンス時間が１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、さらに好ましくは１０ｍｓとなる。
【0179】
図１４の左側に「Ａ」で示される該方法の第１のステップ（ａ）において、基板２４は、例えば本明細書に記載されるように、または単に当該技術分野で知られているように、ガス雰囲気中で作製される。第１の反応雰囲気１１６は、反応チャンバ１０内に充填される。特に、基板２４は、第１の電磁放射１０４によって加熱される。好ましくは、この第１の電磁放射１０４は、基板加熱レーザ２６によって提供される（図１、図２参照）。好ましくは、基板表面４８とは反対側の裏面５０から基板を加熱することで、焼鈍効果を引き起こすことができる。
【0180】
また、第１の反応雰囲気１１６は、基板表面４８の組成も維持されるように選択され得る。すなわち、適切な反応ガスまたはプロセスガスＧを使用することができ、例えば、酸素欠乏および酸素空孔の形成を回避するために、Ａｌ２Ｏ３の場合には酸素を使用することができる。さらに、終端材料Ｔのフラックスも基板表面４８上に向けることができる。好ましくは、終端材料Ｔは、特に基板２４の材料の元素を含み、特にその元素から構成される。これにより、終端材料Ｔは、原子または分子の欠落によって生じる基板表面４８の欠陥を埋めることができ、且つ／または基板表面４８に圧力を与えることができる。これにより、基板表面４８から原子または分子が蒸発するのを防止することができる。
【0181】
好ましくは、全体的な結果として、ステップ（ａ）の後に、基板表面４８は、基板２４の格子構造に関する欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が低減しており、さらに、表面再構成および表面終端に関する欠陥も大幅に減少させることができ、好ましくはゼロまで減少させることができる。
【0182】
図１４の中央に「Ｂ」で示されるステップ（ｂ）において、第１の材料１２６を含む１つまたは複数の薄膜６２がステップ（ａ）で先に作製された基板表面４８上に堆積される。上述したように、ステップ（ａ）とステップ（ｂ）との間、反応チャンバ１０は周囲雰囲気に対して密閉されたままである。
【0183】
これに関連して、本明細書に記載の薄膜６２は、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有する、閉じた膜と同種の原子または分子の層、または式単位であることに留意されたい。
【0184】
図１４の「Ｂ」に示すように、第１の材料１２６は、ソース配置部３４によって反応チャンバ１０内に第１のソース３０、すなわちソース要素として提供される。第１のソース３０は、第１の材料１２６の蒸発および／または昇華のために、好ましくは第１のソース加熱レーザ３６（図１、図２参照）によって提供される適切な第２の電磁放射１０６によって加熱される。第２の電磁放射１０６を使用することで、蒸発および／または昇華プロセスのために、薄膜６２の不純物、ひいては欠陥の源となるような追加の成分は、反応チャンバ１０内で必要とされない。
【0185】
堆積プロセス中に、反応チャンバ１０は、第２の反応雰囲気１１８で満たされ得る。第１の材料１２６を含む高純度の薄膜６２に好ましく使用されるような高真空に加えて、適切なプロセスガスＧも第２の反応雰囲気１１８として使用することができる。これにより、蒸発および／または昇華した第１の材料１２６（図１４の「Ｂ」において矢印１２６として示す）は、第２の反応雰囲気１１８と反応することができ、第１の材料１２６と第２の反応雰囲気１１８のプロセスガスＧの材料とを含むそれぞれの反応生成物は、基板表面４８上に堆積される。例えば、第１の材料１２６は、金属であり得、プロセスガスは、酸素であり得、その結果、金属の酸化物が薄膜６２として堆積される。
【0186】
要約すると、ステップ（ｂ）の後に、１つまたは複数の薄膜６２が基板表面４８上に堆積される。第２の電磁放射１０６を使用することで、広範囲の第１の材料１２６を使用することができ、これにより、適切な第２の反応雰囲気１１８を選択して、１つまたは複数の薄膜６２の材料の可能な組成の範囲をさらに拡大することができる。さらに、第１の材料１２６の特に純粋な蒸発および／または昇華を確保することができる。したがって、好ましくは、１つまたは複数の薄膜６２は、欠陥のない基板表面４８上にも構築され、また、基板に起因する欠陥もないか、少なくとも低減されている。
【0187】
図１４の左側に「Ｃ」で示される該方法のステップ（ｃ）において、第３の電磁放射１０８は、基板２４および１つまたは複数の薄膜６２を照射するために使用される。これにより、最終的に固体コンポーネント１００が形成される。特に図に示す実施形態において、第３の電磁放射１０８は、基板２４の裏面５０に熱を加え、これにより、１つまたは複数の薄膜６２に熱を間接的に加えることができる。
【0188】
第３の電磁放射１０８は、２つの目的を果たすことができる。まず、加えられた熱は、固体コンポーネント１００を焼戻しするために使用され得る。これにより、既に低くなっている固体コンポーネント１００の欠陥の数をさらに低減させることができる。
【0189】
次に、第３の電磁放射１０８の強度を適切に変化させる、特に減少させることで、固体コンポーネント１００に制御された冷却を提供することができる。これにより、基板２４および１つまたは複数の薄膜６２の異なる熱膨張によって引き起こされる欠陥を回避することができる。
【0190】
この焼戻しおよび制御された冷却は、反応チャンバ１０を適切な第３の反応雰囲気１２０で満たすことで対応することができる。
【0191】
要約すると、図１４に示す非常に基本的なバージョンで示す方法を用いて作製された固体コンポーネント１００は、欠陥がないか、少なくとも欠陥の数が極めて少なく、これにより、理想的には１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット緩和時間と量子ビットコヒーレンス時間を達成することができる。これにより、このような固体コンポーネント１００は、量子コンポーネント１０２（図１８、図１９参照）、特に量子ビットの基礎として使用するのに見事に適している。
【0192】
図１５は、図１４に示す方法のステップ（ａ）において任意選択で実施されるサブステップを示している。バッファ材料１３２は、第４の電磁放射１１０によって蒸発および／または昇華され、蒸発および／または昇華プロセスに必要なエネルギーの外部ソースの使用に関して上述したすべての利点を提供する。
【0193】
蒸発および／または昇華したバッファ材料１３２（図１５のそれぞれの矢印１３２参照）は、基板表面４８上に堆積され、バッファ層１３４を形成する。ここでも、適切に選択された第４の反応雰囲気１２２が、この堆積に対応するために使用される。換言すれば、１つまたは複数の薄膜６２（図１７、図１９参照）のその後の堆積は、バッファ層１３４上に実施される。バッファ層は、基板２４と最下部の薄膜６２との間の、特に格子定数に関する差を均等化するために使用され得る。これにより、このような差によって１つまたは複数の薄膜６２に生じる欠陥を抑制することができる。
【0194】
図１６には、該方法のステップ（ｂ）の可能な実施形態のスナップショットが示されている。特に、実際に示されている堆積プロセスは、第１の材料１２６と第２の材料１２８を同時に蒸発および／または昇華するステップを含む。反応チャンバは、適切な第２の反応雰囲気１１８で満たされる。
【0195】
図に示す実施形態において、第２の電磁放射１０６は、２つのコンポーネントビーム１１４を含み、その一方が第１の材料１２６を含む第１のソース３０上に向けられ、他方が第２の材料１２８を含む第２のソース３２に向けられる。コンポーネントビーム１１４は、材料１２６および１２８の蒸発および／または昇華のためにそれぞれ適応的に選択される。
【0196】
蒸発および／または昇華した第１の材料１２６および第２の材料１２８（それぞれの矢印１２６および１２８参照）は、ともに堆積されて１つの薄膜６２を形成する。例えば、材料１２６および１２８の両方は、金属要素であり得、薄膜６２は、これらの金属の合金から形成され得る。
【0197】
なお、図１６に示す薄膜６２は、多層構造を有し、第３の材料１３０を含む層も存在することに留意されたい。第３の材料１３０の堆積のための対応する第２の反応雰囲気１１８が、図１６に示す第１の材料１２６および第２の材料１２８の同時堆積に適して使用される第２の反応雰囲気１１８と異なる場合、好都合なことに、２つの反応容積１４および１６（図２参照）を有する反応チャンバ１０を使用することができる。ここで、２つの堆積プロセスの一方が第１の反応容積１４内で実施され、他方が第２の反応容積１６内で実施される。
【0198】
図１７は、図１４に示す方法のステップ（ｂ）の最後の反復と次のステップ（ｃ）との間、またはステップ（ｃ）の後に実施される任意のサブステップを示している。カバー材料１３６は、第５の電磁放射１１２によって蒸発および／または昇華される。これにより、蒸発および／または昇華プロセスのために必要なエネルギーの外部ソースの使用に関して上述したすべての利点を再び提供することができる。
【0199】
蒸発および／または昇華したカバー材料１３６（図１７のそれぞれの矢印１３６参照）は、薄膜６２上に堆積され、図１７に示す特定の実施例では、それぞれ交互に第１の材料１２６および第２の材料１２８からなる４つの層を備える多層構造であり、カバー層１３８を形成する。また、カバー層１３８の堆積のために、適切に選択された第５の反応雰囲気１２４は、この特定の堆積に対応するために使用される。カバー層１３８は、薄膜６２を外部の影響から遮蔽する。これにより、このような外部の影響によって引き起こされる欠陥、例えば、薄膜６２の最上層へのさらなる材料の望ましくない堆積を回避することができる。
【0200】
図１８および図１９には、本発明による固体コンポーネント１００に基づく量子コンポーネント１０２が示されている。図１８は、非常に単純な量子コンポーネント１０２を示しており、図１９は、より洗練されたものを示している。また、機能する量子コンポーネントを得るには、通常、フォトリソグラフィ、エッチング、イオンミリング、およびその他の適切な手順によって実施される複数のパターニングステップが必要である。
【0201】
固体コンポーネント１００は、１００μｓ超、好ましくは１０００μｓ超、より好ましくは１０ｍｓ超の量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間を有する、および／または本発明による方法によって作製される、１ｃｍ２および層当たりの欠陥の数が十分に少ないという共通点を有する。固体コンポーネント１００の欠陥の数が少ないと、量子コンポーネント１０２のコヒーレンス時間が長くなる。
【0202】
図１８に示す量子コンポーネント１０２は、第１の材料１２６を含む単一の薄膜６２を備える。薄膜６２は、基板２４上に堆積される。
【0203】
それとは対照的に、図１９は、合計６層の多層構造、特に２回繰り返される３層パターンを有する薄膜６２を備える量子コンポーネント１０２を示している。この３つの異なる層は、最も下層から、第１の材料１２６、第２の材料の反応生成物および第２の反応雰囲気１１８の元素、ならびに第３の材料１３０をそれぞれ含む。
【0204】
また、量子コンポーネント１０２は、基板２４と薄膜６２の最下層との間に、バッファ材料１３２を含むバッファ層１３４を備える。これにより、図１５を参照して上述したように、基板２４とそれに続く薄膜６２との間の遷移に起因する欠陥を回避することができる。
【0205】
さらに、量子コンポーネント１０２は、薄膜６２を覆って保護するカバー材料１３６を含むカバー層１３８を備える。これにより、図１７を参照して上述したように、外部の影響、特に周囲雰囲気との反応、例えばさらなる材料の望ましくない堆積に起因する欠陥を回避することができる。
【0206】
上述したように、基板表面４８上に複数の薄膜６２を堆積することで、基板２４上に多層膜や多材料膜６２を形成するために、様々な薄膜６２を異なる材料で形成することができる。
【0207】
薄膜６２を形成するために、第１のソース要素３０および第２のソース要素３２の第１の材料および／または第２の材料には、金属などの元素が使用される。
【0208】
本発明の技術的実現可能性を例示するために、図２０～図２８は、ＴａおよびＮｂ薄膜６２を成長させたＡｌ２Ｏ３基板２４に対する本技術の実験的検証を示している。ＴａおよびＮｂは、数Ｋで超電導性を示すので、量子ビットデバイスの作製に適している。
【0209】
図２０は、本発明の方法により作製されたＡｌ２Ｏ３基板２４の、ＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折法）による表面回折パターンである。ＲＨＥＥＤビームは、約２°の極角で表面４８に入射する。
【0210】
多数のスポットが、高度に秩序化した２次元結晶表面を例示している。斜線の鏡面対称パターンは、ＲＨＥＥＤビームが基板の主結晶軸のうちの１つに沿って整列されていることを示している。この場合、表面再構成は、バルク格子に対して＋９°回転している。これは、基板２４がＲＨＥＥＤビームに対して反時計回りに９°回転し、ＲＨＥＥＤビームと表面再構成とが整列している図２１に示されている。
【0211】
その他の観察可能なスポットのない同心円の対称パターンは、基板表面全体で＋９°の単一の回転をもつ単一の表面再構成を示している。－９°の配向はまったく見られないことから、本発明によるエネルギー的に等価な複数の表面再構成から１つを選択する方法の実行可能性を確認することができた。
【0212】
酸素プロセスガスの圧力を０．７５×１０－１ｈＰａに変えることで、酸素原子が表面４８から離脱する化学ポテンシャルがシフトし、最小エネルギー較正は、より低い圧力で観察された単一の回転最高ではなくなった。図２２は、どちらの表面回転配向も等しく有利であることを示している。ＲＨＥＥＤパターンは鏡面対称であり、左側のスポットと右側のスポットの強度は等しい。
【0213】
図２３は、図２０におけるＲＨＥＥＤで撮像した、作製プロセス後の基板の表面形態を示している。表面は高度に秩序化されており、最小エネルギーのテラス・段差構造を示している。ここで、直線状のテラスエッジ６６は、主結晶軸に対して約＋２５°の角度で配向しており、画像のエッジとほぼ整列している。
【0214】
図２４は、図２３の線に沿って抽出された高さプロファイルを示している。この基板のテラスの幅は約５００μｍであり、テラス５８間の段差の高さの差は約０．４３ｎｍである。Ａｌ２Ｏ３の場合、これは、バルクＡｌ２Ｏ３構造内の２つのＡｌ層間の分離に相当する。これらのＡｌ層は、図３～図８の模式図における「黒色」層に対応している。図２０に示す表面再構成は、バルク基板２４の上に追加された「黒色」層に対応している。
【0215】
図２５は、超高純度条件下、且つ高い表面温度で上記のようなテンプレート上に成長させたＴａ膜６２の表面のＡＦＭ画像を示している。これにより、表面に沿ったＴａ原子の長距離変位が可能になる。この膜の異なる単結晶領域は、元々異なる配向で核形成されているが、下層の結晶表面の表面再構成の長距離秩序によって制約されている。これらの領域は、過剰に成長して場合によっては隣接する領域を取り込んで、欠陥密度が極めて低く、且つ厚さの約４０倍の横方向の広がりを有する、大きくて平坦な単結晶領域が形成される。
【0216】
この領域の単結晶性は、表面に見える単一の原子の段差、および下層のエピタキシャルテンプレートの軸に沿った六方晶系六回対称（６０°ごと）の段差および領域のエッジの整列から明らかである。
【0217】
図２６は、ほぼ同一の条件下で成長させた膜６２の同様のＳＥＭ画像を示している。ここでは、横方向の解像度は図２５の約２倍である。ただし、図２５の場合とは異なり、層の厚さの約１／５しか成長しなかったところで成長を停止させた。したがって、この画像は、独立して核形成された異なるエピタキシャル結晶粒間の合体プロセスにおけるスナップショットを表している。ここでは、結晶は、横方向につながって、大きなサイズの単結晶粒が形成され始めている。
【0218】
図２７に示すＸ線スキャンは、図２５と同じ膜のものである。その測定は、試料表面全体の平均を本質的に算出し、膜６２が実験の解像度の範囲内で完全に単結晶であり、明確で別個のピークが、基板２４に平行に配向したＴａの結晶面の単一族に対応することが明らかになった。この結果は、非常に高い構造的完全性、および膜６２と基板２４との完全なエピタキシャル整列を示している。
【0219】
最後に、図２８は、堆積後にへき開した層構造のＳＥＭの断面画像を示している。ここでは、エピタキシャル整列のないＳｉ基板２４上のＮｂ膜６２を約２５０℃の基板温度で成長させた。この膜６２はエピタキシャルではなく、高い欠陥密度をもつ無秩序な柱状構造を示しているが、本発明によれば、シームレスに統合されたｉｎ ｓｉｔｕのプロセスにおいて、高温焼鈍を用いた基板作製技術と極めてクリーンな後続の堆積を組み合わせることで、それを回避することができる。
【0220】
また、化合物の層を薄膜６２として成長させることもできる。この目的のために、基板上に、単層から数μｍの範囲で選択された厚さを有する化合物層６２を形成する方法が実施される。上述したように、基板２４は、単結晶ウエハであり得る。基板２４は、図１および図２に示す反応チャンバ１０などのプロセスチャンバ内に配置される。反応チャンバ１０は、ソース材料の１つまたは複数のソース３０および３２を含む。該方法は、
・ プロセスチャンバ１０内に反応雰囲気を提供するステップであって、該反応雰囲気は、所定のプロセスガスＧおよび反応チャンバ圧力を含む、ステップと、
・ 第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８から１つまたは複数のソース３０および３２にレーザ光を照射して、ソース材料の原子および／または分子を昇華および／または蒸発させるステップと、
・ 蒸発した原子および／または分子を、プロセスガスと反応させて、上に化合物の層を形成するステップと、
を含む。
・ プロセスチャンバ１０内に反応雰囲気を提供するステップであって、該反応雰囲気は、所定のプロセスガスＧおよび反応チャンバ圧力を含む、ステップと、
・ 第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８から１つまたは複数のソース３０および３２にレーザ光を照射して、ソース材料の原子および／または分子を昇華および／または蒸発させるステップと、
・ 蒸発した原子および／または分子を、プロセスガスと反応させて、上に化合物の層を形成するステップと、
を含む。
【0221】
なお、これに関連して、第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８からのレーザ光は、基板２４に直接対向するソースの表面に向けられることに留意されたい。
【0222】
典型的には、反応チャンバ圧力は、１０－６ｈＰａ～１０１ｈＰａの範囲で選択される。化合物を形成する方法を実行することに関して、反応雰囲気を提供するステップは、通常、プロセスチャンバ１０を第１の圧力まで排気し、次に、プロセスガスＧを導入して反応チャンバ１０内の反応チャンバ圧力である第２の圧力を得るステップを含む。
【0223】
典型的には、第１の圧力は、第２の圧力よりも低くなっており、第２の圧力は、１０－１１ｈＰａ～１０－２ｈＰａの範囲で選択される。
【0224】
反応チャンバ１０の少なくともシュラウドおよび／または内壁の温度は、７７Ｋ～５００Ｋの範囲で選択された温度に制御される。
【0225】
ソース材料は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、および上記の合金、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される。
【0226】
ソース材料の原子および／または分子を昇華および／または蒸発させるためにレーザ光を１つまたは複数のソース３０および３２に照射することができるレーザ光は、１ｍｍ２のスポットサイズおよび５０ｍｍ～１２０ｍｍの範囲で選択された１つまたは複数のソースと基板との間の距離に対して、１Ｗ～２０００Ｗの範囲で選択された強度で１つまたは複数のソース３０および３２に集光される。
【0227】
１つまたは複数のソース３０および３２を照射するレーザ光は、２８０ｎｍ～２０μｍの範囲、特に４５０ｎｍ～１．２μｍの範囲の波長を有する。
【0228】
基板上に堆積される化合物は、酸化物、窒化物、水素化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、リン化物、硫化物、セレン化物、または水銀化合物のうちの１つであり得る。
【0229】
プロセスガスＧの圧力が高くなると、蒸発した原子または分子は、ガス原子との衝突が多くなる。これは、それらの方向および運動エネルギーのランダム化をもたらす。その結果、蒸発した原子または分子のうち、基板２４に到達するものの割合はかなり小さくなるが、それでも場合によっては、特に作業距離が短く基板が大きい場合に、層６２を形成するのに有効なことがある。このような条件下で基板２４上に化合物層または酸化物層６２を形成するには、以下のいくつかの条件がある。
・ 成長様式１：ソース材料１２６がソース表面で反応または酸化し、化合物または酸化物として蒸発または昇華する。次に、基板上に化合物または酸化物として堆積する。
・ 成長様式２：ソース材料１２６が反応せずに蒸発または昇華し、ソース３０および３２から基板２４への軌道上でガス原子との衝突によりガスＧと反応し、化合物または酸化物として堆積する。
・ 成長様式３：ソース材料１２６が反応せずに蒸発または昇華し、反応することなく移動し、基板２４上に堆積するときまたは堆積した後に、基板２４に作用するガス原子または分子と反応する。
・ 成長様式４：上記の任意の組み合わせ。
・ 成長様式１：ソース材料１２６がソース表面で反応または酸化し、化合物または酸化物として蒸発または昇華する。次に、基板上に化合物または酸化物として堆積する。
・ 成長様式２：ソース材料１２６が反応せずに蒸発または昇華し、ソース３０および３２から基板２４への軌道上でガス原子との衝突によりガスＧと反応し、化合物または酸化物として堆積する。
・ 成長様式３：ソース材料１２６が反応せずに蒸発または昇華し、反応することなく移動し、基板２４上に堆積するときまたは堆積した後に、基板２４に作用するガス原子または分子と反応する。
・ 成長様式４：上記の任意の組み合わせ。
【0230】
特に興味深いのは、ソース材料１２６がガスＧと反応して、ソース材料１２６自体よりも高い蒸発／昇華速度をもつ準安定化合物を形成する輸送反応である。この材料は、気相でさらに反応し、薄膜６２として最終化合物として堆積するか、基板２４上に堆積し、さらにガスＧと反応して、薄膜６２として最終的な安定化合物が形成される。
【0231】
化合物の具体的な例は以下の通りである。
【0232】
ＴｉＯ２：ＴｉＯ２の場合、ソース材料はＴｉであり、基板上に堆積される化合物は主にアナテーゼまたはルチルＴｉＯ２であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．１ｋＷ／ｍｍ２～０．２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１００Ｗ～２００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～１８０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１５分～３０分の時間内で得られる７００ｎｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0233】
ＮｉＯ：ＮｉＯの場合、ソース材料はＮｉであり、基板上に堆積される化合物は主にＮｉＯであり、レーザ光は５１５ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．１ｋＷ／ｍｍ２～０．３５ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１００Ｗ～３５０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～５０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる５００ｎｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0234】
Ｃｏ３Ｏ４：Ｃｏ３Ｏ４の場合、ソース材料はＣｏであり、基板上に堆積される化合物は主にＣｏ３Ｏ４であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．１ｋＷ／ｍｍ２～０．２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１００Ｗ～２００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～９０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる２００ｎｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0235】
Ｆｅ３Ｏ４：Ｆｅ３Ｏ４の場合、ソース材料はＦｅであり、基板上に堆積される化合物は主にＦｅ３Ｏ４であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．１ｋＷ／ｍｍ２～０．２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１００Ｗ～２００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～３０分の時間内で得られる０～１０μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる５μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0236】
ＣｕＯ：ＣｕＯの場合、ソース材料はＣｕであり、基板上に堆積される化合物は主にＣｕＯであり、レーザ光は５００ｎｍ～１０７０ｎｍの範囲、特に５００ｎｍ～５５０ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～０．９ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～９００Ｗの範囲、特に０．２ｋＷ／ｍｍ２～０．４ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２００Ｗ～４００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～１００分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１５分～３０分の時間内で得られる０．１５μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0237】
バナジウム酸化物：バナジウム酸化物の場合、ソース材料はＶであり、基板上に堆積される化合物は主にＶ２Ｏ３、ＶＯ２、またはＶ２Ｏ５であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．０６ｋＷ／ｍｍ２～０．１２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する６０Ｗ～１２０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～６０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる０．３μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0238】
Ｎｂ２Ｏ５：Ｎｂ２Ｏ５の場合、ソース材料はＮｂであり、基板上に堆積される化合物は主にＮｂ２Ｏ５であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．２ｋＷ／ｍｍ２～０．４ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２００Ｗ～４００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～２０分の時間内で得られる０～２μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる１．４μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0239】
Ｃｒ２Ｏ３：Ｃｒ２Ｏ３の場合、ソース材料はＣｒであり、基板上に堆積される化合物は主にＣｒ２Ｏ３であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．０２ｋＷ／ｍｍ２～０．０８ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２０Ｗ～８０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～３０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる０．５μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0240】
ＲｕＯ２：ＲｕＯ２の場合、ソース材料はＲｕであり、基板上に堆積される化合物は主にＲｕＯ２であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．２ｋＷ／ｍｍ２～０．６ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２００Ｗ～６００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～３００分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる０．０６μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0241】
ＺｎＯ：ＺｎＯの場合、ソース材料はＺｎであり、基板上に堆積される化合物は主にＺｎＯであり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．００５ｋＷ／ｍｍ２～０．０１０ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する５Ｗ～１０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～２０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる１．４μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0242】
ＭｎＯ：ＭｎＯの場合、ソース材料はＭｎであり、基板上に堆積される化合物は主にＭｎＯであり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．００５ｋＷ／ｍｍ２～０．０１０ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する５Ｗ～１０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～２０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる１．４μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0243】
Ｓｃ２Ｏ３：Ｓｃ２Ｏ３の場合、ソース材料はＳｃであり、基板上に堆積される化合物は主にＳｃ２Ｏ３であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．０２ｋＷ／ｍｍ２～０．０５ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２０Ｗ～５０Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～２０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる１．３μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0244】
Ｍｏ４Ｏ１１またはＭｏＯ３：Ｍｏ４Ｏ１１またはＭｏＯ３の場合、ソース材料はＭｏあり、基板上に堆積される化合物は主にＭｏ４Ｏ１１またはＭｏＯ３であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．４ｋＷ／ｍｍ２～０．８ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する４００Ｗ～８００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～３０分の時間内で得られる０～４μｍの範囲で選択され、特に１０分～２０分の時間内で得られる４．０μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0245】
ＺｒＯ２：ＺｒＯ２の場合、ソース材料はＺｒであり、基板上に堆積される化合物は主にＺｒＯ２であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．３ｋＷ／ｍｍ２～０．５ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する３００Ｗ～５００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～１００分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１５分～２５分の時間内で得られる０．２μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0246】
ＨｆＯ２：ＨｆＯ２の場合、ソース材料はＨｆであり、基板上に堆積される化合物は主にＨｆＯ２であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．２５ｋＷ／ｍｍ２～０．４ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２５０Ｗ～４００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～４０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１５分～２５分の時間内で得られる０．６μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。
【0247】
Ａｌ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３の場合、ソース材料はＡｌであり、基板上に堆積される化合物は主にＡｌ２Ｏ３であり、レーザ光は５１５ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で選択された波長を有し、強度はソース表面上で０．００１ｋＷ／ｍｍ２～２ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する１Ｗ～２０００Ｗの範囲、特に０．２ｋＷ／ｍｍ２～０．４ｋＷ／ｍｍ２の出力密度に対応する２００Ｗ～４００Ｗの範囲であり、プロセスガスはＯ２とＯ３の混合物、特にＯ３含有量が５重量％～１０重量％のものであり、反応チャンバ圧力は１０－１１ｈＰａ～１ｈＰａ、特に１０－６ｈＰａ～１０－２ｈＰａであり、化合物層の厚さは０～２０分の時間内で得られる０～１μｍの範囲で選択され、特に１５分～２５分の時間内で得られる１．０μｍであり、作業距離は１０ｍｍ～１ｍ、特に４０ｍｍ～８０ｍｍであり、基板直径は５ｍｍ～３００ｍｍ、特に５１ｍｍである。Ａｌの場合、成長様式４により、３００Ｗ～５００Ｗのレーザ出力で毎分１μｍ超の高い成長速度を達成することができる。
【0248】
ＴＬＥ（熱レーザ蒸発）は、金属膜の成長に特に有効な技術である。ここでは、熱レーザ蒸発が非結晶質および多結晶酸化膜の成長にも適していることを実証した。以下、酸素－オゾン雰囲気中で、元素金属ソースのレーザ誘起蒸発によって堆積された二元酸化膜のスペクトルについて報告する。ＴＬＥによる酸化物の堆積は、元素金属ソースの酸化を伴う。これは、ソースの分子フラックスを系統的な影響を与える。同じレーザ光学系を使用し、加熱していない基板上に成長させた酸化膜のソースとして１５種類の元素金属を使用することに成功した。ソース材料は、Ｈｆ、Ｍｏ、およびＲｕなどの蒸気圧が低い耐火性金属から、低温で容易に消化するＺｎまで多岐にわたった。これらの結果から、ＴＬＥは、非常にクリーンな酸化膜の成長に適していることが明らかになった。
【0249】
酸化膜６２は、その広範囲にわたる興味深い有用な特性により、新しい機能性を実現するうえで大きな関心を集めている。酸化膜の成長には、電子ビーム蒸着（ＥＢＥ）、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）、スパッタリング、および原子層堆積（ＡＬＤ）など、事実上あらゆる蒸着技術が用いられている。熱レーザ蒸発（ＴＬＥ）は、レーザビームで金属ソースを熱蒸発させることで、ＭＢＥ、ＰＬＤ、およびＥＢＥの利点を併せもつため、非常にクリーンな金属膜の成長に有望な技術であることが最近実証された。
【0250】
吸着制御成長様式を利用することで、ＭＢＥは特に優れた構造品質をもつ膜の成長に適している。ＭＢＥでは、ソース材料の分子フラックスは、ソース材料を蒸発させることによって生成される。しかしながら、この目的に好ましいオーミックヒータは、反応性バックグランドガスの使用を制限する。この制限は、複雑な金属酸化物の成長には致命的である。さらに、Ｂ、Ｃ、Ｒｕ、Ｉｒ、およびＷなどの蒸気圧の低い元素は、外部からのオーミック加熱では蒸発させることができない。これらの元素を蒸発させるにはＥＢＥが必要だが、この技術は正確で安定した蒸発速度を達成するには最適ではない。ＰＬＤは、短周期の高出力レーザーパルスを介して基板上にソース材料を転写する。ＰＬＤは、反応性ガスの高いバックグラウンド圧力で作動できるが、材料組成の精密な制御は困難であり、特に膜組成を滑らかに変化させたい場合には難しい。
【0251】
レーザの発明後、レーザアシスト蒸発法による薄膜の堆積が提案され、試みられてきた。しかしながら、連続発振（ｃｗ）レーザによる蒸発は、非化学量論的な薄膜の形成により断念された。同時に、高出力密度パルスレーザによる蒸発がＰＬＤの発明につながった。ｃｗレーザ技術の発展とともに、ＴＬＥは、ＭＢＥ、ＰＬＤ、およびＥＢＥのそれぞれの弱点を解消しながら、それぞれの利点を組み合わせることができる複雑な材料のエピタキシャル成長の候補として、最近再発見された。真空チャンバ１２の外部に設置されたレーザ３６および３８は、局所加熱によって純金属ソース３０および３２を蒸発させる。これは、簡単なセットアップしか必要とせず、各ソース要素の精密な蒸発制御、ソース材料の高純度化、およびバックグラウンドガスＧの組成と圧力に関するほぼ無制限の選択を可能にする。多くの場合、局所的に溶融したソース３０および３２は、それ自体が坩堝を形成する。坩堝からの不純物の混入を回避することで、ソース３０および３２は、高純度を保つことが保証される。元素金属膜および半導体膜６２を堆積するＴＬＥの可能性は、ＢｉおよびＺｎなどの蒸気圧の高い元素から、ＷおよびＴａなどの蒸気圧の低い元素まで、幅広い元素を膜６２として堆積することで実現している。
【0252】
酸化膜６２およびヘテロ構造の成長にＴＬＥを使用することも非常に有利であり得るが、酸化雰囲気でそれが可能であることは明らかではない。ＭＢＥおよびＥＢＥに干渉する熱源（フィラメント）の酸化は、ＴＬＥでは回避するのが容易でない。しかしながら、酸化雰囲気中でレーザビームを用いて加熱すると、金属ソース３０および３２自体が酸化しやすくなる。ソースが酸化すると、レーザ放射は、もはや元のソース材料によってのみ吸収されるのではなく、その酸化物によっても吸収される。実際、ソース全体またはソースの表面が酸化する場合があり、あるいは酸化物が溶融プール上に部分的な層を形成する場合がある。また、ソース材料の分子フラックスは、ソースの金属部分とソース材料の酸化物の両方によって生成される可能性がある。
【0253】
そのために、蒸気圧の高いあるいは低い元素金属ソース３０および３２を、様々な酸素－オゾン雰囲気中でレーザ照射して蒸発させる一連の実験を行った。蒸発プロセスを簡便に調べるため、本来の酸化物で覆われた加熱していないＳｉ（１００）ウエハを基板２４として使用した。第１のソース加熱レーザ３６および第２のソース加熱レーザ３８と同じレーザ光学系と１０３０ｎｍ～１０７０ｎｍのレーザ波長を使用して、酸化膜６２を成長させることに成功した。この実験から、強酸化雰囲気中で元素ソースを蒸発させると、プロセス中にソース３０および３２が酸化されるにもかかわらず、酸化膜成長に適用できることが明らかになった。酸化雰囲気を調整することで、所与の雰囲気中で異なる酸化物相が得られることもわかった。さらに、堆積プロセスは、酸素－オゾン圧力の関数として特徴的な変化を示すことがわかった。
【0254】
図１は、本発明で使用したＴＬＥチャンバ１０の模式図を示している。６０ｍｍの作業距離を隔てて、高純度の円筒形金属ソース３０および３２と２インチのＳｉ（１００）基板２４とがＴａベースのホルダ２２で支持されている。ソース３０および３２の加熱には、１０３０ｎｍのファイバ結合ディスクレーザ３６と、上面に４５°で入射する１０７０ｎｍのファイバレーザ３８を使用した。これらのレーザ３６および３８の利用可能性から判断して、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＮｉの蒸発には前者のレーザ３６を使用し、その他の元素には後者のレーザ３８を使用した。２つのレーザ３６および３８の性能に差は見られなかった。どちらのレーザ３６および３８も、ソース３０および３２上の１ｍｍ２までのほぼ楕円状の領域を照射した。温度検出のために、Ｓｉウエハ２４の裏面とソース３０および３２の底面にＣ型Ｗ－Ｒｅ熱電体を配置した。
【0255】
酸素－オゾン混合流２０と、直列に接続された２つのターボ分子ポンプおよびダイアフラムポンプを備えるカスケードポンプシステム１８が、１０－８ｈＰａ～１０－２ｈＰａの範囲で変化するチャンバ圧力Ｐｏｘを精密に制御するために採用された。オゾンは、グロー放電式連続流オゾン発生器（図示せず）から供給される全流量の約１０ｗｔ％を占めた。このガス流量を制御するバルブの設定は、一定の流量を供給するために各堆積の間一定に保たれた。蒸発プロセス中に、Ｐｏｘとソース３０および３２と基板２４の温度を、圧力計と熱電体（図示せず）で監視した。同じ堆積ジオメトリを用いて、ＴＬＥを使用して１５種類の金属元素を蒸発させて、酸化膜６２を堆積させた。各元素を、同じレーザ出力およびレーザ光学系を使用して、１０－８ｈＰａ～１０－２ｈＰａの範囲で異なるＰｏｘの値を用いて数回に分けて蒸発させた。膜の厚さを測定し、その微細構造を調べるために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を採用した。堆積された膜６２の結晶構造をＸ線回折で同定した。光電子分光法を実施して、ＴＬＥで成長させたＴｉＯ２膜６２の酸化状態を明らかにした。膜６２が非結晶質であることが判明した場合、その後、結晶化のために５００℃で２時間Ａｒ焼鈍を追加で行った。
【0256】
ソース３０および３２と蒸発した材料の酸化によって酸素－オゾンガス混合物が消費されるので、Ｐｏｘは、図２９に示すように、堆積中に頻繁に減少した。図には、複数のガス圧力におけるＴｉの蒸発中のＰｏｘが示されている。ＴｉのＴＬＥにおけるレーザ照射時間は１５分であった。Ｐｏｘは、レーザ３６および３８がオンされて３００秒までの時間で減少し、レーザがオフされて１２００秒までの時間ですぐに初期値に戻った。酸化は温度が高いほど活発であるため、Ｐｏｘの減少は主に元素ソースの酸化に起因すると考えられる。蒸発した材料を酸化するのに必要な酸素の最大量は、入口ガス流量の１％未満であり、観察された圧力変化を説明することはできない。１６０Ｗレーザを用いた１０－２ｈＰａでの堆積の後に、Ｔｉソース３０および３２は白色の物質で覆われた。これは、高い確率でＴｉＯ２からなる。その他の元素ソースも使用後に酸化した。上述したソース３０および３２の実質的な酸化は、レーザ光の吸収、蒸発プロセス、および基板２４上に堆積した蒸気種に影響を与える。
【0257】
しかしながら、バックグラウンド圧力の低下は、すべての場合に観察されたわけではない。第１に、プロセスの開始時にソース３０および３２がすでに完全に酸化されている場合、第２に、ソース３０および３２の酸化が本質的に好ましくない場合に、圧力変化は小さいか、あるいは全くなかった。酸化雰囲気中でのＮｉの熱レーザ蒸発は、最初のケースの例である。Ｐｏｘの減少は、Ｐｏｘ＜１０－４ｈＰａの場合にのみ観察された。圧力が高くなると、Ｎｉソース３０および３２は酸化物で覆われるようになった。したがって、それ以上の酸化が抑制され、Ｐｏｘの減少が消失した。強酸化条件下でＮｉを加熱して得られた主な蒸気種はＮｉＯである。Ｃｕの熱レーザ蒸発は、２つ目のケースの例である。ここでは、Ｃｕの酸化は比較的不利である。１０００℃超で、１０－４ｈＰａ～１０－２ｈＰａの範囲の酸素圧力において、金属Ｃｕは、酸化物よりも安定していた。実験では、Ｃｕが局所的に溶融したことから明らかなように、照射領域におけるソース温度は１０８５℃を超えていた。この温度では、液体Ｃｕが熱力学的に安定な相であり、元素Ｃｕが主な蒸気種になると予想された。実際、図Ｓ３に示すように、Ｃｕの蒸発中にチャンバ圧力に大きな変化は見られなかった。ＴＬＥプロセスの後に、Ｃｕソース３０および３２のレーザ照射領域は、金属になった。
【0258】
酸化膜のＴＬＥでの成長のためのソースとして１５種類の金属元素を試験した（表１）。図３０は、ＴＬＥで成長させたＴｉＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、ＨｆＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＮｉＯ、およびＮｂ２Ｏ５の膜の微小角入射ＸＲＤパターンを示している。これらのパターンは、ここで調べたすべての二元系酸化物の典型的なパターンである。図に示すように、膜６２は、多結晶であり、多くの場合、単相である。非結晶質酸化物を形成したＣｒを除き、ほとんどの元素が加熱していないＳｉ基板２４上に多結晶膜６２を形成した。その後、５００℃で２時間Ａｒ焼鈍を行うことで、この層は多結晶Ｃｒ２Ｏ３膜６２に変化した。観察された酸化物相を表１にまとめる。Ｔｉ、Ｖ、およびＭｏ酸化物は、複数の相を形成し、どの層が得られたかはＰｏｘにより決定された。例えば、Ｖの場合、Ｐｏｘを１０－４ｈＰａから１０－２ｈＰａに増加させることで、Ｖ２Ｏ３、ＶＯ２、またはＶ２Ｏ５膜６２が得られた。その他の元素の場合、使用したＰｏｘの範囲内で単一の酸化状態のみが観察された。
【0259】
膜６２の構造をより詳細に調べるために、断面ＳＥＭを行った。図３０に示す膜６２のＳＥＭ断面を示した図３１に示すように、ほとんどの多結晶膜は柱状構造を有していた。測定された基板温度と堆積した酸化物の融点との比は、０．０５～０．２の範囲であった。したがって、観察された柱状構造は、ここで用いた条件では柱状微細構造の形成を予測する膜成長のゾーンモデルと一致する。ここでは、堆積された酸化物の結晶構造は膜構造に影響を与える。１０－３ｈＰａおよび１０－２ｈＰａで成長したＭｏ酸化膜は、角柱板および六角板をそれぞれ備える。図３１に示す膜６２を、数Å／ｓの速度で成長させた。これらの速度は、酸化膜の成長における典型的なものとして選ばれた。速度（図３１参照）を、ウエハ中心部の膜の厚さをレーザ照射時間で割って測定した。堆積速度は、ここに記載する値に限定されない。実際、レーザ出力に伴って超直線的に増加する。
【0260】
ソース３０および３２は、局所的に加熱されることに伴い、平坦な小面積蒸発ソース３０および３２のように振る舞い、放出角度の関数として余弦タイプのフラックス分布を提供する。実際、ＳＥＭ測定から、ウエハエッジに向けて膜６２が薄くなっていることがわかった。使用した蒸発パラメータでは、エッジに向かう膜の厚さの減少は、ほとんどの場合２０％以下に等しく、理論的に予想される１５％以下という値よりわずかに高い。この効果は、分子フラックスを集中させる蒸発中のソースの顕著なピッティングによるものと考えられる。
【0261】
本研究の結果、予想通り、堆積された酸化物の相は酸化ガス圧力の関数であった。この挙動は、図３２におけるＴｉおよびＮｉ膜６２で示されている。この図は、いくつかの異なるＰｏｘで成長させたこのような膜のＸＲＤパターンを示している。Ｔｉの場合、酸素－オゾンなしで堆積すると、多結晶六方晶Ｔｉ膜が得られた。Ｐｏｘが増加すると、サブ化学量論的なＴｉＯ、ルチルＴｉＯ２、およびアナテーゼＴｉＯ２の膜６２が堆積した。ＴｉＯは、よく知られたＴｉの揮発性亜酸化物である。これは、Ｐｏｘが１０－６ｈＰａ以下の弱酸化環境で形成された。３７．３６°、４３．５０°、および６３．１８°（図５ａ、赤色曲線）におけるピークは、立方晶ＴｉＯを示している。ルチルＴｉＯ２は、Ｐｏｘが１０－４ｈＰａの膜に現れた。灰色の線は、ルチルＴｉＯ２の予想される回折ピーク位置を示している。１０－３ｈＰａでは、図５の紫色の星印で示すように、ルチル相とともにアナテーゼＴｉＯ２が生成される。表面自由エネルギーが低いため、準安定なＴｉＯ２アナテーゼ相は、ほとんどの合成法や堆積法で好ましく得られる。アナターゼ相をルチル相に変化させるか、ルチル相のＴｉＯ２を直接合成するには、通常、高エネルギー条件が必要である。蒸発した原子および分子の熱エネルギーから考えると、ＴＬＥは低エネルギーのプロセスであるが、ここでは、ルチル相ＴｉＯ２の優先的な形成を観察した。１０－２ｈＰａでは、堆積された膜は結晶性を失った。
【0262】
ＴＬＥで成長させたＴｉＯ２膜６２の酸化状態をＸＰＳで分析し、ＥＢＥで成長させたＴｉＯ２膜と比較した。堆積されたままのＥＢＥ試料はかなりの量のＴｉ３＋を含む一方で、ＴＬＥ試料はほとんどがＴｉ４＋であった。この現象は、酸素－オゾンバックグラウンドがＴｉＯ２の熱解離（ＴｉＯ２（ｓ）→ＴｉＯ（ｇ）＋１／２Ｏ２（ｇ））を抑制し、堆積された材料を酸化させるためと考えられる。
【0263】
興味深いことに、ＴＬＥで成長させたＮｉ酸化膜６２の酸化挙動は、Ｔｉ酸化膜６２の酸化挙動とは著しく異なることがわかった。ＵＨＶ条件下では、金属Ｎｉにも立方晶相が見られた（図３２ｂ）。Ｐｏｘが１０－６ｈＰａ以下では（チャンバ圧力の減少によって示されるように）Ｎｉソース表面３０が酸化されるが、得られた膜６２はこのＰｏｘでも金属的挙動を示した。これは、Ｎｉの酸化電位が高いことと、ＮｉがＮｉＯよりも蒸気圧が高いことに起因する。したがって、大部分の蒸気種は、照射された高温領域の酸化されていないＮｉに由来する。さらに、基板２４上に堆積されたＮｉは、低い基板温度では著しく酸化しない。ＮｉＯ相は、Ｐｏｘの増加とともに徐々に進化する。図３２には、ＮｉＯ相に予想される回折ピーク位置が存在し、立方晶ＮｉＯの形成を示している。金属と酸化物の両方のピークが存在することからわかるように、１０－５ｈＰａで堆積されたＮｉ膜６２は、部分的に酸化されてＮｉＯになっている。高いＰｏｘではＮｉＯ相が支配的である。
【0264】
また、Ｐｏｘは、ＴＬＥで成長させた酸化膜６２の堆積速度にも影響を与える。図３３は、ＴｉベースおよびＮｉベースの酸化膜６２の堆積速度の圧力依存性を示している。膜６２中への酸素の取り込みを考慮すると、Ｐｏｘが増加するにつれて堆積速度が増加すると予想される。しかしながら、観察された堆積速度の挙動は、酸素の取り込みだけでは説明できない。Ｔｉベースの膜６２の成長速度は、Ｐｏｘとともに、基準圧力での０．６Å／ｓ以下から、１０－３ｈＰａで３．５Å／ｓまで増加した。堆積速度が６倍になることから、速度に影響を与える他の要因があることが推測される。対照的に、Ｎｉベースの酸化膜６２の堆積速度は、１０－４ｈＰａで３．１Å／ｓから４．６Å／ｓまでしか増加せず、その後、Ｐｏｘ＞１０－４ｈＰａで０．３Å／ｓまで急激に低下した。膜６２（図３２参照）中の酸化物割合の増加が最初の堆積速度の増加の原因かもしれないが、１０－３ｈＰａでの堆積速度の大幅な低下を説明することはできない。ＴｉベースおよびＮｉベースの膜６２の成長特性は、ほとんどの膜６２で観察される２つの特徴的なモードを表している。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｚｎ、およびＭｏはＴｉの挙動を示し、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｍｎ、およびＶはＮｉの挙動を示す。
【0265】
なぜＰｏｘは、ＴＬＥで成長された酸化膜の堆積速度を、この２つの特徴的なモードに変化させるのか。本出願人は、この挙動がソース３０および３２の酸化表面層の蒸気圧によって制御されていると考える。ソース表面に形成される酸化物の蒸気圧が金属のそれを上回る場合、堆積速度はＰｏｘとともに増加する。これは、Ｔｉのような堆積速度の挙動に対応している。ＴｉＯ２ガス蒸気の形成（Ｔｉ（ｓ）＋Ｏ２（ｇ）→ＴｉＯ２（ｇ））は、ソースからの酸化物蒸気の効果的な発生につながる発熱反応である。金属の酸化速度がＰｏｘのべき乗
で増加すると、ＦｅおよびＮｂで観察されるように、堆積速度はＰｏｘに対応して増加する。対照的に、金属の蒸気圧が酸化物の蒸気圧を上回ると、Ｎｉのようなシナリオが見られる。ＮｉＯの蒸気圧は、Ｎｉの蒸気圧より１桁ほど小さいので、ＮｉＯで覆われたソースは、堆積速度を同じ度合だけ低下させる。この理解は、Ｎｉの堆積速度の急激な低下が、チャンバ内の圧力降下が消失するのと同じ圧力である１０－３ｈＰａで生じるという観察によって裏付けられ、このＰｏｘでは、ソースがＮｉＯ層６２によって不動態化されていることが明らかになった。
【数1】
【0266】
このようにして、ＴＬＥによる多結晶酸化膜６２の成長が実証された。酸素－オゾン圧力が１０１ｈＰａまでの純金属ソースを蒸発させることにより、ソース３０および３２の酸化の可能性に関係なく、酸化状態が調整可能で結晶構造を有する膜６２を成長させることができる。低蒸気圧元素と高蒸気圧元素を含む広範な金属ソースから、様々な酸化状態の多結晶膜６２が、加熱していないＳｉ（１００）基板２４上に数Å／ｓの成長速度で堆積された。ソースの酸化度を決定する酸化ガスの圧力は、堆積速度だけでなく、得られた酸化膜３２の組成と相にも強く影響を与える。本出願人の研究は、多様な化合物の超高純度エピタキシャル酸化物ヘテロ構造のＴＬＥ成長への道を開くものである。
【0267】
【表1】
【符号の説明】
【0268】
１０：反応チャンバ
１２：真空チャンバ
１４：第１の反応容積
１６：第２の反応容積
１８：真空ポンプ
２０：ガス供給部
２２：基板配置部
２４：基板
２６：基板加熱レーザ
２８：基板ホルダの転写
３０：第１のソース
３２：第２のソース
３４：ソース配置部
３６：第１のソース加熱レーザ
３８：第２のソース加熱レーザ
４０：遮蔽開口部
４２：ソースホルダの転写
４４：ゲートバルブ
４６：基板ホルダ
４８：基板２４の表面
５０：２４の裏面
５２：窓
５４：第１の元素、分子、式単位
５６：第２の元素、分子、式単位
５８：テラス
６０：表面
６２：薄膜、層
６６：エッジ
１００：固体コンポーネント
１０２：量子コンポーネント
１０４：第１の電磁放射
１０６：第２の電磁放射
１０８：第３の電磁放射
１１０：第４の電磁放射
１１２：第５の電磁放射
１１４：コンポーネントビーム
１１６：第１の反応雰囲気
１１８：第２の反応雰囲気
１２０：第３の反応雰囲気
１２２：第４の反応雰囲気
１２４：第５の反応雰囲気
１２６：第１の材料
１２８：第２の材料
１３０：第３の材料
１３２：バッファ材料
１３４：バッファ層
１３６：カバー材料
１３８：カバー層
Ｇ：プロセスガス
Ｔ：終端材料
１２：真空チャンバ
１４：第１の反応容積
１６：第２の反応容積
１８：真空ポンプ
２０：ガス供給部
２２：基板配置部
２４：基板
２６：基板加熱レーザ
２８：基板ホルダの転写
３０：第１のソース
３２：第２のソース
３４：ソース配置部
３６：第１のソース加熱レーザ
３８：第２のソース加熱レーザ
４０：遮蔽開口部
４２：ソースホルダの転写
４４：ゲートバルブ
４６：基板ホルダ
４８：基板２４の表面
５０：２４の裏面
５２：窓
５４：第１の元素、分子、式単位
５６：第２の元素、分子、式単位
５８：テラス
６０：表面
６２：薄膜、層
６６：エッジ
１００：固体コンポーネント
１０２：量子コンポーネント
１０４：第１の電磁放射
１０６：第２の電磁放射
１０８：第３の電磁放射
１１０：第４の電磁放射
１１２：第５の電磁放射
１１４：コンポーネントビーム
１１６：第１の反応雰囲気
１１８：第２の反応雰囲気
１２０：第３の反応雰囲気
１２２：第４の反応雰囲気
１２４：第５の反応雰囲気
１２６：第１の材料
１２８：第２の材料
１３０：第３の材料
１３２：バッファ材料
１３４：バッファ層
１３６：カバー材料
１３８：カバー層
Ｇ：プロセスガス
Ｔ：終端材料
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-29
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネントを製造する方法であって、前記１つまたは複数の薄膜は、第１の材料を含み、前記薄膜の各々は、単層から１００ｎｍの範囲で選択された厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、前記方法の製造プロセスは、周囲雰囲気に対して密閉された反応チャンバ内で実施され、前記方法は、前記反応チャンバが第１の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第１の電磁放射で前記基板を加熱することで、前記基板表面を作製するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で作製された前記基板表面上に前記第１の材料を含む前記１つまたは複数の薄膜を堆積させるために、前記反応チャンバが第２の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第２の電磁放射で前記第１の材料を含むソース要素を加熱することで、前記第１の材料を蒸発および／または昇華させるステップ（ｂ）と、
任意選択で、前記固体コンポーネントを形成するため、および前記固体コンポーネントの焼戻しおよび／または制御された冷却のために、前記反応チャンバが第３の反応雰囲気を含む間に、前記反応チャンバ内に結合された第３の電磁放射で前記１つまたは複数の薄膜および／または前記基板を照射するステップ（ｃ）と、
を含み、
前記ステップ（ａ）～（ｃ）の間に、前記反応チャンバは前記周囲雰囲気に対して密閉されたままであり、前記基板と後続の前記固体コンポーネントの両方は前記反応チャンバ内に連続的に留まる、方法。
【請求項2】
レーザ光が、前記第１の電磁放射および／または前記第２の電磁放射および／または前記第３の電磁放射として使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の電磁放射および前記第２の電磁放射について、ならびに／または前記第２の電磁放射および前記第３の電磁放射について、ならびに／または前記第１の電磁放射および前記第３の電磁放射について、それぞれ同じ波長を有するレーザ光が使用される、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の反応雰囲気および／または前記第２の反応雰囲気および／または前記第３の反応雰囲気は、以下・ １０－４ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、純粋に理想的な条件では１０－８ｈＰａ～１０－１２ｈＰａの範囲の真空、
・ 酸素、
・ Ｏ２ 、
・ Ｏ３、
・ 窒素、および
・ 水素
から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の反応雰囲気および／または前記第２の反応雰囲気および／または前記第３の反応雰囲気は、少なくとも部分的にイオン化される、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第１の反応雰囲気、前記第２の反応雰囲気、および前記第３の反応雰囲気は、同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記第１の反応雰囲気と前記第２の反応雰囲気とは異なっており、前記ステップ（ａ）と前記ステップ（ｂ）との間で交換され、および／または前記第２の反応雰囲気と前記第３の反応雰囲気とは異なっており、前記ステップ（ｂ）と前記ステップ（ｃ）との間で交換される、
請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記基板は、以下・ ＳｉＣ、
・ ＡｌＮ、
・ ＧａＮ、
・ Ａｌ２Ｏ３、
・ ＭｇＯ、
・ ＮｄＧａＯ３、
・ ＤｙＳｃＯ３、
・ ＴｂＳｃＯ３、
・ ＴｉＯ２、
・ （ＬａＡｌＯ３）０．３（Ｓｒ２ＴａＡｌＯ６）０．３５（ＬＳＡＴ）、
・ Ｇａ２Ｏ３、
・ ＳｒＬａＡｌＯ４、
・ Ｙ：ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、および
・ ＳｒＴｉＯ３
から選択された材料とともに使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
以下の特徴・ 格子対称性、
・ 格子定数、
・ 表面再構成、および
・ 表面終端
のうちの１つまたは複数において、前記薄膜と類似している基板が使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記ステップ（ａ）では、少なくとも前記基板表面は、９００℃～３０００℃の範囲の温度に加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記ステップ（ａ）は、前記基板表面上に向けられた終端材料のフラックスを提供するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記基板を保持するために基板ホルダが使用され、前記基板ホルダは、前記基板と比較して、前記第１の電磁放射および／または前記第３の電磁放射に対する吸収が小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
前記ステップ（ｂ）では、前記第１の材料が２つ以上の異なる材料成分を含み、それに応じて前記ソース要素が２つ以上の別個のコンポーネント部分を含み、前記コンポーネント部分の各々は、前記２つ以上の材料成分のうちの１つを提供し、それに応じて前記第２の電磁放射は、２つ以上のコンポーネントビームを含み、前記２つ以上のコンポーネントビームの各々は、前記２つ以上の材料成分のうちの１つの蒸発および／または昇華のために適応される、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記ステップ（ｂ）の蒸発および／または昇華は、前記第１の材料のプラズマ閾値未満で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
前記第１の材料に金属および／または超伝導材料が使用され、前記超伝導材料は、＞～４Ｋの温度で超導電性を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
前記第１の材料は、自己支持可能であり、これにより、坩堝を有さないように提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項17】
前記ステップ（ｂ）において堆積された前記薄膜の層の材料は、蒸発および／または昇華した前記第１の材料と前記第２の反応雰囲気の成分との反応生成物である、請求項１に記載の方法。
【請求項18】
前記ステップ（ｃ）は、２回以上の分離した焼戻し反復を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項19】
前記ステップ（ｃ）は、１回または複数回の焼戻し反復の各々の後に、前記第３の電磁放射によって制御される冷却のステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項20】
前記薄膜の多層構造を提供するために、前記ステップ（ｂ）は、１回または複数回繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項21】
前記ステップ（ｂ）の各繰り返しの後に、前記ステップ（ｃ）の反復が実施される、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｃ）の各々は、使用される前記電磁放射および使用される前記反応雰囲気および前記第１の材料に関して同一に実施される、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
１回または複数回の前記繰り返しの１回または複数回について、以下のパラメータ・ 第１の材料、
・ 第２の反応雰囲気、
・ 第３の反応雰囲気、
・ 第２の電磁放射、および
・ 第３の電磁放射
のうちの１つまたは複数が変更される、請求項２０に記載の方法。
【請求項24】
前記ステップ（ａ）の最終手順として、バッファ材料を含む１つまたは複数のバッファ層が前記基板表面上に堆積され、前記反応チャンバが第４の反応雰囲気を含む間に、前記バッファ材料は、前記反応チャンバ内に結合された第４の電磁放射によって蒸発および／または昇華される、請求項１に記載の方法。
【請求項25】
最後の前記ステップ（ｂ）を実施した後に、カバー材料を含む１つまたは複数のカバー層が前記１つまたは複数の薄膜上に堆積され、前記反応チャンバが第５の反応雰囲気を含む間に、前記カバー材料は、前記反応チャンバ内に結合された第５の電磁放射によって蒸発および／または昇華される、請求項１に記載の方法。
【請求項26】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネントであって、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、請求項１に記載の方法によって得られる、固体コンポーネント。
【請求項27】
１つまたは複数の薄膜を備える固体コンポーネントであって、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つは、第１の材料を含み、単層から１００ｎｍの範囲の厚さを有し、基板の基板表面上に堆積され、前記１つまたは複数の薄膜のうちの１つが、１００μｓ超の量子ビット緩和時間および量子ビットコヒーレンス時間を有する、
固体コンポーネント。
【請求項28】
固体コンポーネントを備える量子コンポーネントであって、前記固体コンポーネントは、請求項２７に記載の固体コンポーネントである、
量子コンポーネント。
【請求項29】
超伝導量子ビットである、請求項２８に記載の量子コンポーネント。
【請求項30】
前記超伝導量子ビットは、１つまたは複数の超伝導層および１つまたは複数の分離層を含む多層構造を有する薄膜を備える、請求項２９に記載の量子コンポーネント。
【請求項31】
前記１つまたは複数の超伝導層のうちの１つまたは複数は、以下の材料・ Ａｌ、
・ Ｔａ、
・ Ｎｂ、
・ ＮｂＮ、
・ ＮｂＴｉＮ、および
・ ＴｉＮ
のうちの１つを含み、且つ／または前記１つまたは複数の分離層のうちの１つまたは複数は、以下の材料
・ ＳｉＯｘ、
・ ＨｆＯｘ、および
・ ＡｌｘＯｙ
のうちの１つを含む、
請求項３０に記載の量子コンポーネント。
【請求項32】
前記１つまたは複数の超伝導層および／または前記１つまたは複数の分離層は、１ｎｍ～３００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項２９に記載の量子コンポーネント。
【請求項33】
請求項２７に記載の固体コンポーネントを製造するための装置、および／または請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、
・ 周囲雰囲気に対して密閉可能な反応チャンバと、
・ 基板の配置のための１つまたは複数の基板配置部と、
・ ソース要素の配置のための１つまたは複数のソース配置部と、
・ 対応する電磁放射を前記反応チャンバ内に結合させるための結合手段と、
・ 前記反応チャンバ内に反応雰囲気を提供するための手段と、
を備える、装置。
【請求項34】
前記反応チャンバは、少なくとも２つの分離した反応容積を備え、前記少なくとも２つの反応容積は、互いに対して密閉可能であり、前記基板配置部は、前記周囲雰囲気に対して連続的に密閉された前記反応チャンバ内で前記少なくとも２つの反応容積間を移動することができる、請求項３３に記載の装置。
【国際調査報告】