DE69405019T2

DE69405019T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung dunner kristalliner Schichten für Festkörperlasern

Info

Publication number: DE69405019T2
Application number: DE69405019T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kumagai; Kouichi Toyoda
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: CA2114980C; JP3351477B2; CN1075569C; US5645638A; US5851297A; EP0609886B1; DE69405019D1; CA2114980A1; CN1095769A; KR100286487B1; EP0609886A1; KR940019889A; JPH06226084A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser und insbesondere betrifft sie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zum Herstellen dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser, mit deren Hilfe solche dünnen kristallinen Schichten für Festkörperlaser hergestellt werden können, die für die Ausbildung von Mikroresonatoren und ähnliches verwendbar sind, und die es ermöglichen, einen Festkörperlaser direkt auf einem Halbleiterlaser zu wachsen.

Beschreibung des Stands der Technik

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen jeweils der Ansprüche 1 bis 6 sind aus der Veröffentlichung "RF Sputtering Crystal..." in JP Journal of Appl. Physics, Band 23, Nr. 3, März 84, Seiten 312-316 bekannt.
Die DE-A-30 05 536 zeigt ein Laseremissionselement, das als ein Film aus monokristallinem Zinnoxid ausgebildet ist und Lithium darin auf einem Substrat aufweist. Der Laseremissionsfilm wird hergestellt durch Schmelzen der jeweiligen Materialien zusammen in einem einzigen Schmelztiegel, Verdampfen und Ablagerungen der Bestandteile auf dem Substrat.
Kürzlich wurden umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf die Erforschung neuer Festkörperlasermaterialien durchgeführt, um dem vielfältigen Bedarf für eine kürzere Laserwellenlänge, einer Verbreiterung der Oszillationsbandbreite der Wellenlänge, einer höheren Laserausgangsleistung, einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Strahlqualität nachzukommen, und es wurden Untersuchungen im Hinblick auf eine höhere Qualität der Festkörperlaserkristalle angestellt, die bisher nicht bekannt war.
Bisher wurden Festkörperlaserkristalle durch Flußverfahren, Kristallziehverfahren oder ein Verfahren nach Verneuil und ähnliche Verfahren hergestellt. Diese Verfahren werden nachfolgend kurz beschrieben.

[Flußverfahren]

Bei diesem Verfahren wird ein Kristall abgelagert und aus einem aufgeschmolzenen Material bei hoher Temperatur gewachsen und ein geschmolzenes inorganisches Salz oder ein Oxid wirkt als Lösungsmittel.

[Kristallziehverfahren]

Bei diesem Verfahren wird ein Keimkristall in eine aufgeschmolzene Flüssigkeit oder eine gesättigte Lösung, die zueinander kompatibel sind, getaucht und dann wird der Keimkristall allmählich herausgezogen zum Wachsen eines Einkristalls an dem äußersten Endbereich des Keimkristalls.

[Verfahren nach Verneuil]

Bei diesem Verfahren wird ein Rohmaterial, das fein pulverisiert wurde, in eine Hochtemperaturflamme wie eine Sauerstoffwasserstoffflamme oder ähnliches geblasen zum Aufheizen und Schmelzen des Rohmaterials, und das aufgeschmolzene Material wird von einem Keimkristall angenommen, um darauf einen Einkristall zu wachsen.
Wie oben beschrieben wurde, wird in jedem der herkömmlichen Verfahren zuerst ein Material, das zu dem Festkörperlaserkristall werden soll, bei hohen Temperaturen aufgeschmolzen und dann wird entweder ein Kristall abgelagert und gewachsen, oder es wird das Wachstum eines Einkristalls auf einem Keimkristall ermöglicht.
Während das oben beschriebene Flußverfahren, das Kristallziehverfahren oder das Verfahren nach Verneuil und andere Verfahren sehr wirkungsvolle Verfahren zum Herstellen großer Volumenkristalle sind, war bekannt, daß eine gleichförmige Verteilung der aktiven Ionenspezies, die den Emissionsvorgang eines Laserstrahls als Folge der Hohlraumregulierung (spatial control) in dem Laserwirtkristall hervorruft, und daß die Verhinderung eines Einschlusses einer Ionenspezies in den Laserwirtkristall, die eine Absorption des Laserstrahls hervorruft, schwierig ist.
Da man nach dem Stand der Technik einen Festkörperlaserkristall in stabähnlicher Form wächst, sind insbesondere die Temperaturen in dem zentralen Teil des stabartigen Festkörperlaserkristalls zu denen in dem Randbereich unterschiedlich, und als Folge davon sind die Diffusionsbedingungen der Ionen in beiden Bereichen unterschiedlich. Dementsprechend ist es schwierig, eine gleichmäßige Dotierung mit der aktiven Ionenspezies, die für den Emissionsvorgang verantwortlich ist, entlang der axialen und transversalen Richtung des Festkörperlaserkristalls zu bewirken. Aus diesem Grund konnte bisher keine gleichmäßige Verteilung der aktiven Ionenspezies in dem Laserwirtkristall erreicht werden.
Da es weiter schwierig ist, die Valenzzahl der als die aktive Ionenspezies einzudotierenden Ionen zu steuern, konnte der Fall vorkommen, daß das Dotierungsion nicht zur Emission eines Laserstrahls beitrug, sondern daß die Ionenspezies eine Absorption des Laserstrahls hervorrief. Beispielsweise in einem Fall, daß AlO&sub3; als der Laserwirtkristall verwendet wird und eine Dotierung bewirkt wird durch Verwendung von Titan als aktive Ionenspezies wurde das Titan zu einem Emissionsmaterial, wenn es dreiwertig ist, während es ein Absorptionsmaterial wurde, wenn das Titan zwei- oder vierwertig ist. Wie oben beschrieben war es extrem schwierig, nach dem Stand der Technik eine solche Valenzzahl zu steuern.
Während die bekannten Verfahren bevorzugt sind zur Herstellung großer Volumenkristalle, ist es, wie oben beschrieben wurde, darüber hinaus schwierig, einen Dünnfilmkristall herzustellen. Dementsprechend war es schwierig, die Filmdicke in einem atomaren Maßstab zu steuern.
Weiter wird nach dem oben beschriebenen Stand der Technik der Festkörperlaserkristall auf eine zu einem Herstellungsverfahren für Halbleiter ziemlich unterschiedliche Weise gefertigt. Somit war es nicht möglich, einen Festkörperlaserkristall auf einem Halbleitersubstrat in einem Hochvakuumbehälter, der das Halbleitersubstrat, das für das Halbleiterherstellungsverfahren verwendet wird, enthält, zu wachsen. Aus diesem Grund konnten Festkörperlaserkristalle bisher nicht in Verbindung mit Halbleitern und Halbleiterlasern hergestellt werden.

AUFGABEN UND OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die vorhergehenden Probleme, die beim Stand der Technik auftraten, wurde die vorliegende Erfindung gemacht durch Erkennen der tatsächlichen Möglichkeit, daß eine Vorgehensweise ähnlich zu einem Halbleiterherstellungsverfahren wie ein CVD-(chemische Gasphasenablagerung)Verfahren (bei dem ein Material in gasförmiger Form verwendet wird, und bei dem das Gas thermisch auf einem Substrat zersetzt wird, wodurch sich das Material auf dem Substrat ablagert), durch das das Material und die Filmdicke in einem atomaren Maßstab gesteuert werden kann, oder ein ähnliches Verfahren bei der Herstellung von Kristallen in Form dünner Schichten verwendet werden kann. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser zu schaffen, bei dem eine Vorgehensweise nach Art eines Halbleiterherstellungsverfahrens, die zum Stand der Technik stark unterschiedlich ist, verwendet wird und durch das die oben erwähnten nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme überwunden werden können.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser zu schaffen, durch die eine aktive Ionenspezies gleichförmig in ihrem Laserwirtkristall verteilbar ist.
Weiter ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser zu schaffen, durch die die Valenzzahl der aktiven Ionenspezies steuerbar ist.
Noch weiter ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser zu schaffen, durch die die Dicke in einem atomaren Maßstab steuerbar ist.
Noch weiter ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser zu schaffen, die einen Festkörperlaserkristall in Verbindung mit einem Halbleiter oder einem Halbleiterlaser herstellen können.
Es sei bemerkt, daß die Vorgehensweise nach Art eines Halbleiterherstellungsverfahrens das oben beschriebene CVD-Verfahren, das zum Wachstum von Galliumarsenid oder ähnlichem verwendet wird, ein MBE-(Molekularstrahlepitaxie)Verfahren, ein ALE- (Atomschichtepitaxie)Verfahren, ein Ablationsablagerungsverfahren und entsprechende Verfahren beinhaltet, und daß solche Verfahren, bei denen ein Kristallwachstum auf einem erhitzten Substrat als Folge einer Bereitstellung eines Materialgases, oder einer gasförmigen oder strahlartigen Molekül- oder Ionenbereitstellung auf dem Substrat durchgeführt wird, allgemein als "Vorgehensweise nach Art eines Halbleiterherstellungsverfahrens" bezeichnet werden.
Die obigen Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser mit den folgenden Schritten: Aufheizen eines Substrats in einem Behälter unter einer Hochvakuumbedingung, Bereitstellen von Materialien zur Bildung eines Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats in Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbundstoffs durch Kristallwachstum auf der Oberfläche des Substrats, und Bereitstellen eines Materials einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats gleichzeitig mit der Bereitstellung der Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der aktiven ionischen Spezies getrennt und unabhängig in bezug auf die Bereitstellung des Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitgestellt wird, wodurch ermöglicht wird, die Valenzzahl des Materials der aktiven ionischen Spezies so zu steuern, daß sie mit der Valenzzahl eines Metallions, das in dem Laserwirtkristall enthalten ist, identisch ist.
Die Aufgaben werden weiter gelöst durch eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 6 beansprucht ist, zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser mit einem Behälter, dessen Inneres hoch evakuiert wurde und der geeignet ist zur Aufnahme eines Substrats, dessen Oberfläche einem Kristallwachstum dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser unterworfen wird, einer Heizvorrichtung zum Aufheizen des Substrats, einer Laserwirtkristallbereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats, das im Inneren des Behälters enthalten ist, in der Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Materials einer aktiven ionischen Spezies separat innerhalb des Behälters vorgesehen ist, um ein Material einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des innerhalb des Behälters enthaltenen Substrats separat, unabhängig und gleichzeitig mit der Bereitstellung des Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitzustellen.
Gemäß der zuvor beschriebenen Erfindung wird ein Substrat in einem Behälter unter Hochvakuumbedingungen erhitzt, und Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls werden in Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds auf der Oberfläche des zuvor erwähnten Substrats bereitgestellt, um darauf einen Kristall zu wachsen. Dementsprechend kann ein Festkörperlaserkristall sogar auf einem Halbleitersubstrat wie z.B. aus Silizium oder ähnlichem, das sich von dem Keimkristall unterscheidet, wie im Falle einer Vorgehensweise nach einem Halbleiterherstellungsverfahren gewachsen werden.
Da darüber hinaus ein Material einer aktiven Ionenspezies auf der Oberfläche des Substrats gleichzeitig mit der Bereitstellung von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitgestellt wird, ist es möglich, die Valenzzahl des Materials der aktiven Ionenspezies so zu steuern, daß sie mit der Valenzzahl des Metallions, das den Kristall des Laserwirtkristalls aufbaut, identisch ist. Somit kann ein Festkörperlaserkristall mit wenigen Defekten, bei dem keine Absorption oder eine kontrolliert kleine Menge an Absorption vorhanden ist, hergestellt werden.
Zusätzlich zu dem Obengesagten ist es einfach, die Schichtdikke in einem atomaren Maßstab zu steuern, und ein Material einer aktiven Ionenspezies kann gleichförmig im Hinblick auf die Hohlraumeigenschaften injiziert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgend erfolgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung beigelegt werden und somit die vorliegende Erfindung nicht beschränken, besser verstanden werden.
Fig. 1 ist eine erläuternde Schnittansicht, die die Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 ist ein Timing-Diagramm, das das Timing der Bereitstellung von Gaspulsen auf der Oberfläche eines Substrats zeigt;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit von der Anzahl der Gasbereitstellungszyklen für das Wachstum von AlO&sub3; zeigt;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Temperaturveränderung eines Substrats und einer Wachstumsgeschwindigkeit zeigt;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Temperaturveränderung eines Substrats und dem Brechungsindex bei 632,8 nm zeigt;
Fig. 6 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer möglichen Kombination der Materialien des Laserwirtkristalls, der Materialien der aktiven Ionenspezies und der Materialien des Substrats in dem Fall zeigt, daß AlO&sub3; als Laserwirtkristall gebildet wird;
Fig. 7 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer möglichen Kombination von Laserwirtkristallmaterialien, Materialien der aktiven Ionenspezies und Materialien eines Substrats in dem Fall zeigt, daß Y&sub3;Al&sub5;O&sub2; als Laserwirtkristall gebildet wird;
Fig. 8 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer möglichen Kombination von Laserwirtkristallmaterialien, Materialien der aktiven Ionenspezies und Materialien eines Substrats in dem Fall zeigt, daß LiYF&sub4; als Laserwirtkristall gebildet wird; und
Fig. 9 ist eine erläuternde Schnittansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend werden Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser gemäß der Erfindung im einzelnen unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel der Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zylindrischen Behälter 10, der aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, einem Verbindungsrohr 12, das mit dem Behälter 10 verbunden ist zum Bereitstellen eines metallischen Materials zur Bildung eines Laserwirtkristalls in dem Behälter 10, einem Verbindungsrohr 14, das mit dem Behälter 10 verbunden ist, zur Bereitstellung eines oxidierenden Wirkstoffs oder eines halogenierenden Wirkstoffs zur Bildung des Laserwirtkristalls in dem Behälter 10, einem Verbindungsrohr 16, das mit dem Behälter verbunden ist, zur Bereitstellung eines Materials einer aktiven Ionenspezies in dem Behälter 10, einem elektromagnetischen Ventilmittel 18 zum Öffnen und Schließen des Verbindungsrohrs 12, einem elektromagnetischen Ventilmittel 20 zum Öffnen und Schließen des Verbindungsrohrs 14, einem elektromagnetischen Ventilmittel 22 zum Öffnen und Schließen des Verbindungsrohrs 16, einem Quarzstab 24, der senkrecht in dem Behälter 10 derart angeordnet ist, daß ein Ende 24a davon außerhalb des Behälters 10 angeordnet ist, und einer Halogenlampe 26 zum Aussenden von Infrarotstrahlen in das Ende 24a zum Aufheizen eines Substrats 100, das auf dem anderen Ende 24b des Quarzstabs 24 sitzt. Weiter befindet sich das Innere des Behälters 10 unter Hochvakuumbedingungen als Folge einer Evakuierung in der Größenordnung von 1,33 x 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) mittels einer Turbomolekularpumpe (nicht gezeigt).
Für den oben beschriebenen Aufbau wird nun ein Fall, bei dem Titan-Saphir- (Laserwirtkristall: AlO&sub3;, aktive Ionenspezies: Ti) Dünnfilme als dünne kristalline Schichten für Festkörperlaser auf dem Substrat 100, bei dem es sich um ein Si(100)- Substrat handelt, unter Verwendung eines CVD-Verfahrens eines Typs mit abwechselnder Bereitstellung eines Materialgases als eine Vorgehensweise nach Art eines Halbleiterherstellungsverfahrens hergestellt werden, beschrieben werden.
Es sei bemerkt, daß ein Material wie Si (100), α-AlO&sub3; oder ähnliche Materialien, deren Gitterkonstanten zu der des Laserwirtkristalls passen, als Substrat 100 verwendet werden können. Beispielsweise gibt es in dem Fall, daß α-AlO&sub3; als das Substrat 100 verwendet wird, kein Problem, da α-AlO&sub3; das gleiche Material ist wie das des Laserwirtkristalls. Obwohl Si (100) ein Material ist, das sich von dem des Laserwirtkristalls unterscheidet, passen die Gitterkonstanten dieser beiden Materialien zusammen, so daß Si (100) als das Substrat 100 verwendet werden kann.
Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Laserwirtkristall aus AlO&sub3; gebildet wird und Titan als aktive Ionenspezies verwendet wird, muß Vorsorge getroffen werden dafür, daß Trimethylaluminium (TMA) als ein metallisches Material zum Bilden des Laserwirtkristalls durch das Verbindungsrohr 12 durch Öffnen und Schließen des Elektromagnetventilmittels 18, NO als ein oxidierender Wirkstoff zur Bildung des Laserwirtkristalls durch das Verbindungsrohr 14 durch Öffnen und Schließen des Elektromagnetventilmittels 20 und Titangas als das Material der aktiven ionischen Spezies durch das Verbindungsrohr 16 durch Öffnen und Schließen des Elektromagnetventilmittels 22 jeweils in den Behälter 10 geliefert werden.
In diesem Fall werden TMA-, NO- und Ti-Gas in den Behälter 10 als Gaspulse auf die folgende Weise eingespeist. Es werden die TMA- und NO-Materialgase alternierend alle zwei Sekunden auf das Substrat 100, das in dem Behälter 10 angeordnet ist, für eine Gasinjektionsdauer von einer Sekunde eingestrahlt. Insbesondere wird das TMA-Gas (oder das NO-Gas) in das Innere des Behälters 10 für eine Sekunde bereitgestellt zum Erhöhen des Drucks des TMA-Gases (oder des NO-Gases), worauf die Bereitstellung des TMA-Gases und des NO-Gases für eine Dauer von zwei Sekunden unterbrochen wird und das Innere des Behälters 10 durch eine Turbomolekularpumpe evakuiert wird. Dann wird NO-Gas (oder TMA-Gas) für eine Sekunde eingespeist zur Erhöhung des Drucks des NO-Gases (oder des TMA), worauf die Einspeisung des TMA-Gases oder des NO-Gases unterbrochen wird für eine Dauer von zwei Sekunden und das Innere des Behälters 10 durch die Turbomolekularpumpe evakuiert wird. Die hier beschriebene Behandlung wird als ein Zyklus verwendet und eine vorgeschriebene Wiederholanzahl dieser Zyklen wird wiederholt. In diesem Zusammenhang benötigt ein Zyklus sechs Sekunden. Weiter wird das Ti-Gas, das die aktive Ionenspezies bildet, synchron mit dem TMA-Gas eingespeist.
Zusätzlich wird das Substrat 100 an dem Ende 24b des Quarzstabs 24 angeordnet und von dessen Rückseite aus mit Infrarotstrahlen, die von der Halogenlampe 26 eingestrahlt werden, erwärmt.
In diesem Fall ist ein Basisdruck in der Größenordnung von 1,33 10&supmin;&sup5; Pa (1 x 10&supmin;&sup7; Torr) und der Druck in dem Behälter 10 zur Zeit der Einspeisung des Gases wurde auf 2,7x10&supmin;² Pa (2 x 10&supmin;&sup4; Torr) gesetzt.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit des Wachstums der AlO&sub3;-Schicht auf dem Silizium (100) als dem Substrat 100 von der Anzahl der Gasbereitstellungszyklen zeigt (eine Dicke( Dicke a der dünnen Schicht: nm) ist als Ordinate aufgetragen und die Anzahl der Zyklen auf der Abszisse). Wie oben beschrieben wurde, wurden die Drucke sowohl von TMA als auch NO in dem Behälter 10 auf 2,7 x 10&supmin;² Pa (2 x 10&supmin;&sup4; Torr) gesetzt (Druckverhältnis von "TMA/NO = 1"), und die Temperatur des Substrats betrug 360ºC (Tsub = 360ºC). Man erkennt aus der Fig. 3, daß die AlO&sub3;-Schichtdicke linear mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,4 nm/Zyklus wächst.
Insbesondere war eine Dicke der AlO&sub3;-Schicht proportional zur Anzahl der Gasbereitstellungszyklen, und die Wachstumsrate betrug 0,4 nm/Zyklus. Weiter hat man auch als Ergebnis einer XPS (Röntgenstrahlphotoelektronenspektroskopie) festgestellt, daß die dünne Schicht eine stöchiometrische Zusammensetzung von 2 : 3 hatte.
Als nächstes wurden die Drucke sowohl von TMA als auch NO in dem Behälter 10 auf 2,7 x 10&supmin;² Pa (2 x 10&supmin;&sup4; Torr) wie in dem oben beschriebenen Fall jeweils eingestellt, und eine Temperatur des Substrats (Tsub) wurde verändert. Die Ergebnisse in diesem Fall wurden durch ein spektroskopisches Ellipsometer bezüglich der dünnen Schichten und der Brechungsindizes gemessen.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit der dünnen Schicht und einer Temperaturveränderung in dem Substrat zeigt, bei der die Wachstumsrate (Wachstumsgeschwindigkeit: nm/Zyklus), die durch Division der Schichtdicke durch die Anzahl der Zyklen erhalten wird, als Ordinate aufgetragen ist und die Temperaturveränderung (ºC) des Substrats (Tsub) als Abszisse. Weiter ist die Fig. 5 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen den Brechungsindizes der dünnen Schicht und Veränderungen der Temperatur des Substrats zeigt, bei der die Brechungsindizes (n) bei 632,8 nm als Ordinate und Temperaturveränderungen (ºC) des Substrats (Tsub) als Abszisse aufgetragen sind.
Man hat aus der Fig. 4 herausgefunden, daß die Wachstumsrate nur 0,02 nm/Zyklus beträgt, bevor das Substrat 320ºC erreicht. In diesem Fall waren die Brechungsindizes 1,6 - 1,7, die entsprechend gleich oder höher sind als der Brechungsindex von amorphem AlO&sub3;. Bei der höheren Substrattemperatur von 360ºC betrug die Wachstumsgeschwindigkeit 0,4 nm/Zyklus und der Brechungsindez betrug 1,77.
Weiter ist das Timing der Dotierung mit einer aktiven ionischen Spezies mit dem Timing der Bereitstellung von TMA synchronisiert, wie in der Fig. 2 gezeigt ist. Gemäß dieser Anordnung wird dreiwertiges Aluminium durch Titan ersetzt, so daß das zu dotierende Titan nur dreiwertig oder im wesentlichen dreiwertig wird.
Die Fig. 6 bis 8 inklusive veranschaulichen jeweils Beispiele möglicher Kombinationen von Materialien für den Laserwirtkristall, Materialien für die aktive ionische Spezies und Materialien für das Substrat, wobei Fig. 6 einen Fall der Bildung von AlO&sub3; als Laserwirtkristall zeigt, Fig. 7 einen Fall der Bildung von Y&sub3;Al&sub5;O&sub2; als Laserwirtkristall zeigt, und Fig. 8 einen Fall der Bildung von LiYF&sub4; als Laserwirtkristall zeigt.
Zusätzlich veranschaulicht die Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten der Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die zu denen der Fig. 1 entsprechenden Bauelementteile durch die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 dargestellt sind, und eine Erläuterung des Aufbaus im einzelnen und von dessen Funktion wird hier weggelassen. In dem Fall, daß ein Einzelmetall oder ein Metallverbund, die das metallische Material zum Bilden des Laserwirtkristalls sind, wie auch ein Material einer aktiven ionischen Spezies bei Normaltemperatur im festen Zustand sind, kann die wie in der Fig. 9 gezeigte Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser verwendet werden, um eine Verdampfung durch Erhitzen oder Zerstäuben mittels eines Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahls zu bewirken.
In der Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser, die in der Fig. 9 gezeigt ist, ist der Behälter 10 mit einem Fensterabschnitt 30 versehen zum Einführen des Laserstrahls, wodurch es möglich ist, den Laserstrahl in den Behälter 10 von außen einzustrahlen. Weiter ist die Vorrichtung derart aufgebaut, daß ein Halter 23 zum Halten eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds, die das metallische Material sind, das bei Normaltemperatur ein Lasermaterial im festen Zustand bildet, wie auch eines Materials einer aktiven ionischen Spezies bei einer Position angeordnet ist, zu der der Laserstrahl in den Behälter 10 eingestrahlt wird, wobei dieser Halter 32 durch einen Motor über eine Magnetkupplung 34 in Drehung versetzbar ist.
Bei dem obigen Aufbau ist die Vorrichtung auf ähnliche Weise wie nach der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform angeordnet, so daß TMA als ein metallisches Material zur Bildung des Laserwirtkristalls durch ein Verbindungsrohr 12 durch Öffnen und Schließen eines Magnetventilmittels 18 und NO als ein oxidierendes Material zur Bildung des Laserwirtkristalls durch das Verbindungsrohr 14 durch Öffnen und Schließen des Magnetventilmittels 20 in den Behälter 10 geliefert wird. Daneben ist Titan an dem Halter 32 angebracht, und der von dem Fensterabschnitt 30 zur Eingabe des Laserstrahls eingeführte Laserstrahl wird auf das Titan gestrahlt, um dieses aufzuheizen, während der Halter 32 mittels des Motors 36 über die Magnetkupplung 34 in Drehung versetzt wird. Somit wird das an dem Halter 32 angebrachte Titan zerstäubt, so daß Titan-Saphir- (Laserwirtkristall: AlO&sub3;, aktive ionische Spezies: Ti) Dünnfilme auf dem Substrat 100 gebildet werden können.
In dem Fall, daß ein festes Material zum Bilden des Laserwirtkristalls verwendet wird, kann dieses auf solche Weise angeordnet werden, daß eine ähnliche Vorrichtung wie in dem zuvor für das Titan beschriebenen Fall zusätzlich vorgesehen wird, und die Laserbestrahlung wird zum Ablösen des festen Materials durchgeführt.
Obwohl dies nicht besonders dargestellt ist, kann ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl anstelle des Laserstrahls in der in der Fig. 9 gezeigten Ausführungsform eingestrahlt werden, und in diesem Fall kann eine Quelle für den Elektronenstrahl oder den Ionenstrahl direkt im Inneren des Behälters 10 angeordnet sein.
Wenn das metallische Material zum Bilden des Laserwirtkristalls und der oxidierende Wirkstoff oder der halogenierende Wirkstoff abwechselnd in den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen bereitgestellt wurden, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es kann das metallische Material zur Bildung des Laserwirtkristalls gleichzeitig mit dem oxidierenden Wirkstoff oder dem halogenierten Wirkstoff bereitgestellt werden, ohne sie abwechselnd bereitzustellen.
Weiter ist die Erhitzung des Substrats 100 nicht auf eine Erhitzung mittels Infrarotstrahlen beschränkt, sondern es kann eine Widerstandsheizung verwendet werden, und in diesem Fall kann eine Heizspirale auf dem Substrat 100 gebildet werden, um dies elektrisch zu heizen.
Weiter kann die Anordnung derart sein, daß ein Laser auf das Substrat 100 von einer schrägen oberen Richtung in den Behälter 10 eingestrahlt wird, um das Substrat 100 aufzuheizen.
Da die vorliegende Erfindung wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden die folgenden Vorteile erhalten.
Das Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Schritte des Aufheizens eines Substrats in einem Behälter unter Hochvakuumbedingungen, das Bereitstellen von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats in der Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds zum Wachsen eines Kristalls auf der Oberfläche des Substrats, und getrenntes Bereitstellen eines Materials einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats gleichzeitig mit der Bereitstellung der Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls, wodurch die Valenzzahl des Materials der aktiven ionischen Spezies so gesteuert wird, daß sie identisch mit der Valenzzahl des Metallions ist, das den Kristall des Laserwirtkristalls in dem Laserkristall aufbaut. Weiter ist die Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter vorgesehen ist, dessen Inneres hoch evakuiert wurde und der geeignet ist zur Aufnahme eines Substrats, dessen Oberfläche einem Kristallwachstum von dünnen kristallinen Schichten für Festkörperlaser unterworfen wird, daß eine Heizvorrichtung zum Heizen des Substrats vorgesehen ist, daß eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Laserwirtkristalls zur Bereitstellung von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats, das innerhalb des Behälters enthalten ist, in der Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds vorgesehen ist, und daß eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer aktiven ionischen Spezies zum getrennten Bereitstellen eines Materials einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats, das in dem Behälter enthalten ist, simultan zur Bereitstellung des Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls vorgesehen ist. Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist es möglich, daß ein Substrat in einem Behälter unter Hochvakuumbedingungen erhitzt wird und Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats in der Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds bereitgestellt werden zur Bewirkung eines Kristallwachstums auf der Oberfläche des Substrats. Somit wird es möglich, einen Festkörperlaserkristall auf einem Halbleitersubstrat, das aus Silizium oder ähnlichem hergestellt ist und sich von dem Keimkristall unterscheidet, wie im Fall bei der Vorgehensweise nach Art eines Halbleiterherstellungsverfahrens gewachsen wird.
Da weiter ein Material einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats gleichzeitig mit der Bereitstellung von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitgestellt wird, kann die Valenzzahl des Materials der aktiven ionischen Spezies so gesteuert werden, daß sie mit der Valenzzahl des Metallions, das den Kristall des Laserwirtkristalls aufbaut, identisch ist, wodurch ein Festkörperlaserkristall hergestellt werden kann, in dem wenige Defekte auftreten und in dem keine Absorption oder eine kontrollierte kleine Menge an Absorption vorhanden ist.
Weiter ist es einfach, eine Filmdicke in atomarer Größenordnung zu steuern, und ein Material einer aktiven ionischen Spezies kann zudem gleichförmig im Hinblick auf die Resonatoreigenschaften injiziert werden.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser mit den folgenden Schritten:

Aufheizen eines Substrats in einem Behälter unter einer Hochvakuumbedingung,

Bereitstellen von Materialien zur Bildung eines Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats in Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbundstoffs durch Kristallwachstum auf der Oberfläche des Substrats, und

Bereitstellen eines Materials einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats gleichzeitig mit der Bereitstellung der Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der aktiven ionischen Spezies getrennt und unabhängig in bezug auf die Bereitstellung des Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitgestellt wird, wodurch ermöglicht wird, die Valenzzahl des Materials der aktiven ionischen Spezies so zu steuern, daß sie mit der Valenzzahl eines Metallions, das in dem Laserwirtkristall enthalten ist, identisch ist.

2. Ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls aus einem metallischen Material und einem oxidierenden Wirkstoff oder einem halogenierenden Wirkstoff zusammengesetzt sind, und wobei das metallische Material und der oxidierende oder halogenierende Wirkstoff abwechselnd oder simultan auf der Oberfläche des Substrats bereitgestellt werden.

3. Ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei das Material der aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats simultan mit der Bereitstellung des metallischen Materials bereitgestellt wird.

4. Ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei eine Gitterkonstante des Laserwirtmaterials mit der des Substrats zusammenpaßt.

5. Ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4 beansprucht, wobei in dem Fall, daß ein Einzelmetall oder ein Metallverbund, die das metallische Material zur Bildung des Laserwirtkristalls sind, wie auch das Material der aktiven ionischen Spezies bei normaler Temperatur im Festzustand sind, wobei diese Materialien auf der Oberfläche des Substrats nach Verdampfung dieser Materialien durch Aufheizen oder Zerstäubung oder Ablation dieser Materialien durch einen Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahl bereitgestellt werden.

6. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser mit

einem Behälter (10), dessen Inneres hochevakuiert wurde und der geeignet ist zur Aufnahme eines Substrats (100), dessen Oberfläche einem Kristallwachstum dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser unterworfen wird,

einer Heizvorrichtung (26) zum Aufheizen des Substrats,

einer Laserwirtkristallbereitstellungsvorrichtung (14, 12) zum Bereitstellen von Materialien zur Bildung des Laserwirtkristalls auf der Oberfläche des Substrats (100), das im Inneren des Behälters (10) enthalten ist, in der Form eines Gases, von Ionen, eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Materials einer aktiven ionischen Spezies (16; 32) separat innerhalb des Behälters vorgesehen ist, um ein Material einer aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des innerhalb des Behälters enthaltenen Substrats separat, unabhängig und gleichzeitig mit der Bereitstellung des Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitzustellen.

7. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei die Laserwirtkristallbereitstellungsvorrichtung (12, 14) mit einer Bereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung eines metallischen Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls und einer Bereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung eines oxidierenden Wirkstoffs oder eines halogenierenden Wirkstoffs versehen ist.

8. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Filme für Festkörperlaser wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei die Vorrichtung zur Bereitstellung von Material einer aktiven ionischen Spezies das Material der aktiven ionischen Spezies auf der Oberfläche des Substrats simultan mit der Bereitstellung des metallischen Materials auf der Oberfläche des Substrats mittels der Bereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung eines metallischen Materials zur Bildung des Laserwirtkristalls bereitstellt.

9. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 6, 7 oder 8 beansprucht, weiter mit einer Aufheizvorrichtung zur Verdampfung eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds, die das metallische Material zur Bildung des Laserwirtkristalls sind, und des Materials der aktiven Ionenspezies, wobei beide Materialien bei Normaltemperatur im Festzustand sind.

10. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 6, 7 oder 8 beansprucht, weiter mit einer Zerstäubungsvorrichtung zum Zerstäuben eines Einzelmetalls oder eines Metallverbunds, die das metallische Material zur Bildung des Laserwirtkristalls sind, und des Materials der aktiven ionischen Spezies, wobei beide Materialien bei Normaltemperatur im Festzustand sind.

11. Eine Vorrichtung zur Herstellung dünner kristalliner Schichten für Festkörperlaser wie in Anspruch 10 beansprucht, wobei die Zerstäubungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Bewirken einer Zerstäubung oder einer Ablation durch einen Laser--, Elektronen- oder Ionenstrahl ist.