JPH06220619A

JPH06220619A - 温度勾配を達成するために加熱器を利用したｍｂｅソース

Info

Publication number: JPH06220619A
Application number: JP5199923A
Authority: JP
Inventors: Iii Walter S Knodle; ウォルター・エス・ノドル・ザ・サード; Paul E Luscher; ポール・アーネスト・ラシャー; Barry K Caffee; バリー・ケイ・カフィー
Original assignee: Intevac Inc
Current assignee: Intevac Inc
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1994-08-09
Also published as: US5253266A; EP0581496A2; EP0581496A3

Abstract

(57)【要約】【目的】分子線エピタキシ装置を主要な応用分野とする
噴散ソース、およびビームが基板に照射されたときに従
来の既知の層に比較して改良された品質の成長層（一般
にエピタキシャル薄膜）が生成されるように、化学元素
または化合物から原子ビームおよび／または分子ビーム
を発生する方法を提供する。【構成】ソースにおいて水平方向に実質的に平行な平面
上で均等な温度を生成し、ソース内に置かれた材料で水
平方向に実質的に平行な平面上で温度を均等にするため
に、ソースの周囲に加熱構造を有するＭＢＥシステムの
真空室内に水平方向に対し傾斜して配置するように構成
され、ＭＢＥに使用するように意図された、分子線発生
のための噴散ソース。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主として、分子線エピタ
キシ装置を主要な応用分野とする噴散ソース、およびビ
ームが基板に照射されたときに従来の既知の層に比較し
て改良された品質の成長層（一般にエピタキシャル薄
膜）が生成されるように、化学元素または化合物から原
子ビームおよび／または分子ビームを発生する方法に関
する。本発明は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）に重点を
置いて説明するが、本発明のソースおよびその特徴は、
超高真空（ＵＨＶ）および／またはＭＢＥ応用分野での
使用に限定されない。ソースは一端が開放されたるつぼ
を含んでおり、ビームを生成するために固体または液体
の材料を使用する場合には、るつぼの他端は密封され、
あるいはまた気体または液体材料を使用する場合、また
は材料として遠隔ソースを使用する場合には、通常閉じ
た方の端部に入力供給システムを設ける。るつぼはその
周囲を、熱電対、るつぼ加熱器、およびるつぼおよびそ
の中で使用する材料に特定の熱的環境を提供するために
設計されたその他の内部構造を有するソース本体によっ
て取り囲まれている。定義この説明で使用する略語ＭＢＥとは、分子線エピタキシ
ならびにその関連プロセス、技術、およびＭＯＭＢＥ
（金属有機分子線エピタキシ）、ＧＳＭＢＥ（ガスソー
スＭＢＥ）およびＣＢＥ（化学線エピタキシ）などの変
形例も指す。

【０００２】ソース、分子線ソース、噴散セル、クヌー
センセル、および炉などの用語は、分子線を発生または
生成するために使用する装置を指す。

【０００３】分子線という用語は、上記のソースのいず
れかから噴散される全ての原子または分子、または原子
と分子種の組合せを表わすのに用いられる。

【０００４】成長膜という用語は、分子線ソースの経路
に保持された基板上に堆積するかまたは基板と化学的に
反応する層を指す。

【０００５】熱遮蔽、熱隔壁、熱そらせ板、および熱シ
ンクなどの用語は、熱の流れを妨害したり促進すること
によって、前記ソースの本体内の温度分布を特定の方法
で変化させるために機能する物理的要素を記述するのに
用いられる。

【０００６】逆転温度勾配という用語は、開放端の温度
が最高であり、その後部またはベース端に向かって温度
が低下するソースの熱変化を記述するのに用いられる。ソースソースの特徴および改良点は、１）るつぼ加熱器の設計
およびるつぼ内における加熱機構の位置、２）熱シンク
およびソース内のその位置、ならびにるつぼに対するそ
の位置関係、および３）るつぼの設計にある。本発明の
るつぼ加熱器の実施例は、１）従来技術の設計に比べて
高くなった熱エネルギ密度、２）ソース材料の非対称性
（ソースの軸に対する）を受け入れる特定の温度変化、
および３）液体ソース材料の場合、ソース材料の密度の
差を受け入れてビーム純度を向上することのできる機構
を提供する。温度領域を増強したり、変化させるため
に、熱シンクを使用する。セル内の逆転した（従来技術
に比べて）温度勾配が本発明の実施で達成され、これは
成長膜の品質にかなり貢献し、また一般的に本発明のプ
ロセスの改良に貢献する。新規なるつぼの実施例は、ソ
ース融液内の材料の密度または相違によって、不純物を
分離するように意図されている。

【０００７】従来技術に対し、本発明のソースおよびそ
の実施態様によって形成されるプロセス上の改良点とし
て、ビームフラックス（線束）汚染物の減少、より高い
成長率でより優れた膜特性、および本発明により形成さ
れる膜における成長欠陥の減少などが上げられる。

【０００８】

【従来の技術】従来技術の噴散ソースは３大要素、つま
り取付フランジ、ソース本体、およびるつぼから構成さ
れる。取付フランジはソースを真空室内に配置し、真空
密閉を達成するものであり、電力および熱電対のフィー
ドスルーを有する。ソース本体は、るつぼ加熱器、熱電
対、適切な支持構造、および外部断熱層から成る。るつ
ぼはソース本体内に置かれ、ビームを生成するために材
料を保持する。適切な材料をソース内に配置し、加熱す
ると、るつぼの口から分子線として噴散する。

【０００９】従来技術の加熱要素は、ワイヤ、フォイ
ル、または固体（例えば黒鉛）のいずれかに関わらず、
誘導性か非誘導性かに関わらず、また単独区画または複
数区画のいずれで構成されるかに関わらず、ソース本体
の軸に対して対称形であった。電源入力接続部および加
熱区画間の接続部の収容部を除き、ほぼ均等な加熱要素
が、ソース本体の長さに沿って伸長している。従来技術
では、一般的にソース内に等温温度ゾーンが形成される
ように意図されてきた。本発明の主な目的は、ソース内
に温度の逆転を形成することである。

【００１０】分子線の形成中、るつぼは一般に傾斜位置
に維持される。一般的に、製造者は、材料を均等に加熱
させるために、るつぼ内に等温状態を達成しようと努力
する。しかし、実際には、そのような場合の温度はソー
スの軸に沿って変化する。水平方向より傾斜したるつぼ
に対するこの影響により、溶融材料の表面に温度差が生
じる。これは、表面が軸に対して傾斜した領域に伸長し
ているためである（通常、表面は地面に対して平行な水
平面に一致する）。したがって、溶融した材料は、軸自
体およびその表面に沿った温度勾配によって影響され
る。

【００１１】米国特許第５，０３４，６０４号に、るつ
ぼ全体に等温温度を達成する装置が記載されている。し
かし、当該特許の図７に示されているように、るつぼの
開放端から閉鎖端までに約１００℃の温度差がある。し
たがって、ＭＢＥ装置で一般的に行われるように、るつ
ぼを適正に充填し、水平に対し傾斜して配置した場合に
は、るつぼ内の溶融材料の表面にはかなりの温度差が存
在するであろう。当該特許のグラフは、温度逆転が生じ
ないことを示している。ソースを（水平方向に対し）垂
直に配向した独自の場合を除き、ソース材料の噴散表面
は常に、ソース本体およびるつぼの軸に対し傾斜角を形
成するような位置にある。この角度は一般に、プロセス
チャンバ内のソースの配向によって、約１０ないし４５
度の範囲内で変化する。その結果、噴散材料の表面にか
なりの温度差が生じる可能性がある。結果的に形成され
る温度勾配は、液体ソース材料の融液の表面に自由対流
を生じるのに充分な大きさとなりうる。これは、液体噴
散材料を含むるつぼ内で観察されてきた。自由対流は、
ビームの純度に有害なプロセスを助長することによっ
て、不純分子線の生成の原因となり、これが今度は成長
膜の組成および構造に悪影響を及ぼし、その品質を劣化
するものと、現在考えられている。

【００１２】従来技術の加熱要素の実施例は、ワイヤ、
フォイルまたは固体導体の形態を取ってきた。多くの場
合、これらの要素は、ＡＣ電源によって駆動された場
合、近零磁場（near null magnetic field）を生じるよ
うに構成されている。これは、ＭＢＥに結合された近傍
磁場感受性計装の適切な作動にとって重要である。ま
た、これとは別の例で、加熱要素をＤＣ駆動することが
できるが、これはより高価な選択肢であり、またＤＣは
イオン絶縁体の破壊を生じるおそれもある。少なくとも
１つの従来技術の装置は、ＤＣ電源を必要とするソレノ
イド要素（るつぼの軸を中心とする）の使用を含む。従
来技術で、均等場、隣接場を生成したり、消去するため
に構成されたソレノイド要素を持つ加熱器の例は知られ
ていない。また、従来技術で、制御された不均等な方法
で（つまり、変動温度で）るつぼの特定領域を加熱する
ように設計された、（ソースの軸に対し）非対称な構造
の加熱要素（いかなる形状のものも）の例も知られてい
ない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】現在使用されているる
つぼ加熱器の中には、軸を中心に対称な２つの要素から
成るものがある（例えば米国特許第５，０３４，６０４
号参照）。このるつぼの開放端に最も近い加熱要素は、
放射損失に対抗するのに充分な熱エネルギ密度を生成す
るように設計されている。単独の対称な加熱要素は一般
に、閉鎖端が最も高温で、開放端が最も低温の温度勾配
を形成する。１つの具体的な応用分野としてガリウム分
子線の生成の場合、従来技術の単独加熱要素のソースで
は、るつぼの開放端にガリウムの液滴が形成されること
が観察された（相対的に低温の表面における凝縮のた
め）。これらの液滴は成長膜の特性の劣化を伴うもので
あり（欠陥が多くなる）、望ましくない。ソースの開放
端付近の熱入力が高くなると、開放端における高い放射
損失が補償され、より等温に近いるつぼの温度が達成さ
れる。るつぼの開放端付近の温度をさらに上げると、最
終的に熱勾配が逆転する。ガリウムの液滴の形成を防止
するために、再蒸発が入射分子束を上回るように、正面
は充分に高温でなければならない。また、対流を抑制す
るために、最上部のソース材料は、そのすぐ下の材料よ
り高温でなければならない。これらの目標は、本発明の
ソースによっていっそうよく達成され、従来技術の場合
よりいっそう効果的に達成される。上記の目標を達成し
ようとして、従来技術の加熱要素は、開放端で任意のる
つぼ温度を達成するために、（本発明のソースに比較し
て）より高い温度で作動する。加熱要素の温度が高くな
るとガス放出が多くなり、これが今度は、成長する膜の
劣化や、加熱器および／またはその断熱支持体の早期故
障の原因となる。本発明の加熱要素は一般に、加熱要素
自体の独自構造のために、（任意の熱出力で）より低温
で作動する。さらに、本発明のソースは、全ての実施例
で反転温度勾配およびより低い巻線温度を生成すること
が可能であり、ガス放出が最小になり、加熱要素の寿命
が延び、成長膜の欠陥密度が低下する。

【００１４】従来技術には、温度勾配を逆転させるため
に設計された完全に非対称な加熱器の例は無い。こうし
た設計の目的は、液滴の除去の他、最上部の液面を優先
的に、かつ均等に加熱し、それによって噴散材料の自由
対流を最小にすることである。従来技術では、るつぼ空
洞部の等温性を達成し、ソースの熱効率を高め、プロセ
スチャンバ内で他の物体の望ましくない加熱を減少しよ
うとして、ソース本体外部の周囲に、熱遮蔽が用いられ
てきた。従来技術の熱遮蔽は、るつぼの熱入力および温
度変化に影響を及ぼすために、るつぼ自体に関連してソ
ース本体の内部で使用されることはなかった。さらに、
本発明のソースの融液で達成される逆転温度勾配は、噴
散液または融液内のより高密度の物質を分離するのに役
立つ。これらの材料（おそらく汚染物）は、るつぼのよ
り低温の底端部へと移動する。この特徴を利用する本発
明に係るるつぼは、具体的には、その閉鎖端部にリザー
バ（reservoir）を組み込むことによって構成される。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、改良された分
子線の生成に関するものであり、それを主目的とする。
このような分子線は、特定の機械的および電気的特性を
持つ層または膜を成長させる目的のために、基板の表面
に照射される。この種の成長は通常、超高真空システム
内で行われる。本発明のソースは主として分子線の生成
のために使用され、特にＭＢＥプロセスで生成される分
子線に使用される。１つの特定の例として、ガリウムひ
素および関連化合物の半導体材料の成長を目的とするガ
リウムビームの生成がある。

【００１６】一般に、本発明は、ＭＢＥに使用されるる
つぼに有利な新規のフィラメント構造を有しており、通
常の場合のように垂直方向から傾斜して取り付けたるつ
ぼに特に有利な噴散ソース用の加熱器の設計で構成され
る。本発明は、融液全体およびるつぼ内でより均等な
（等温）温度を達成する。逆転温度曲線が形成され、こ
れは一般に、成長材料の欠陥の少ない成長層を形成する
ので成長を改善すると考えられている。また、ソース
は、ソース内部の熱遮蔽、および熱源と溶融材料との間
に配置できる熱遮蔽とを有する構造設計を含む。

【００１７】本発明のソースの実際の物理的設計は、使
用される材料の物理的状態、ビーム発生中のこれらの材
料の補充法、およびソースをプロセス真空室に取り付け
る方法（つまり、水平方向に対する角度位置）を考慮に
入れる。しかし、ソースは原則的に、特定の噴散材料の
状態（固体、液体または気体）や、分子種、または特定
のプロセスチャンバなどに限定されない。

【００１８】本発明の１つのソース内で、１種以上の分
子を同時に生成することができることに注目すべきであ
る。影響される材料を１つの元素または１つの化合物と
する必要はなく、任意の元素や化合物である材料の混合
物とすることができる。さらに、全ての材料を本発明の
単独のソース内に含める必要はなく、プロセスチャンバ
の別の部分から、あるいはプロセスチャンバの外部か
ら、連続的または断続的に導入することができる。ま
た、ガス状材料などの材料を本発明のソースに単に通過
させて、その影響を受けさせることもできる。

【００１９】本発明の１つの利点は、生成される分子線
の特性が最適となるように、本発明の様々な特徴を組み
合わせることができることである。ソースの特定の実施
例では、その特徴を特に、関与する材料の性質の問題を
処理するように組み合わせる。ガリウム分子線の場合、
液体ガリウムをるつぼ内に包含し、るつぼの各区画を異
なる温度に維持する。結果的に得られるガリウム分子線
は、結果的に得られる成長膜の欠陥が減少し（欠陥の数
および大きさが大幅に減少する）、また膜が従来技術の
場合より高速で成長するという意味で、（従来技術に比
べて）改善される。典型的な改善は、こうした欠陥の数
が、厚さ１ミクロンの膜で１平方センチ当たり１０００
以上（従来技術）から１平方センチ当たり１０未満（本
発明）まで減少することである。さらに、ガリウム分子
線のこの特殊な状態調整により、成長膜の欠陥の数を増
加することなく、従来技術の最高５倍までの成長速度を
達成することが可能になる。従来技術は、成長速度が高
くなると欠陥の数が増加するので、１時間に約１ミクロ
ンの成長速度に制限される。本発明のソースおよびその
独自の特徴に関連する主要な１つの目的は、結果として
得られる分子線およびそれによって形成される成長層
が、成長膜の特性で測定したときに、より高い品質を達
成することである。このような膜の品質向上は、そうし
た結果を達成するために、より高いグレードのガリウム
などの材料を使用することを含まない。本発明のソース
を使用することが、膜の改善が達成される主な理由のよ
うである（その結果、プロセスも改善される）。これら
の改善は、ほぼ満杯状態のるつぼからほぼ空に近い状態
のるつぼまで維持される。特定の試験設計において、
「満杯」とは、６０ccの傾斜るつぼに１００グラムを越
すガリウムが入っている状態を意味し、「空」とは５グ
ラム未満の状態を意味する。バルク材料の９０パーセン
ト以上を利用することができ、前記ソースの前記改善は
それでもなお達成される。

【００２０】本発明の１つの実施例は、様々な非誘導形
に構成されたソレノイド要素を有するるつぼ加熱器を組
み込む。この加熱器は、ソースのるつぼの空洞部の様々
な領域に様々な量の熱を供給するように配列する。この
設計の加熱効率により、加熱要素は、より低温で作動す
ることができるので寿命が延び、また匹敵する熱出力を
持つ従来技術に比べてガス放出が減少する。ソレノイド
設計もまた、ワイヤ要素の信頼性やフォイル要素の加熱
効率を達成する。

【００２１】本発明の別の独自の実施例は、溶融ソース
材料に対する温度勾配の影響を考慮に入れる。噴散材料
の位置を収容するために、（ソース本体の軸に対して）
斜め方向の熱ゾーンが形成されるように、本発明の加熱
コイル、熱遮蔽、および熱シンクを設計する。これらの
熱ゾーンは、円筒状に対称なソースに対して非対称であ
る。代わりに、これらは、水平方向に平行な熱のゾーン
を形成するように構成される。従来技術では、液体（ま
たは固体）のソース材料を円筒状に対称なソースに対し
て非対称に配向することはない。一方、これは、本発明
の１つの重要な特徴である。

【００２２】本発明のプロセスは、成長膜で改善された
結果が達成されるように特定の方法で分子線を操作およ
び制御することである。

【００２３】本発明の上記およびその他の特徴および利
点は、本発明の解説のために示す以下の図面を参照し、
その説明を読むことによってさらに理解が深まるであろ
う。

【００２４】

【実施例】

第１実施例次に、本発明の好適な実施例を示す図１について説明す
る。図１において、ソースはフランジアセンブリ１と、
本体２と、るつぼ３と、熱電対アセンブリ４とから成
る。ソース本体２は、２つの非対称なるつぼ加熱要素
５，１５と、断熱加熱要素支持体６と、外部熱遮蔽８と
を有する。正面加熱要素５は、るつぼの開放端に隣接す
るソース空洞部７を加熱するように構成されている。後
部加熱要素１５は、るつぼのその他の部分を加熱するよ
うに構成されている。任意の熱遮蔽１８は、るつぼの閉
鎖端の加熱を制限する。

【００２５】従来技術のソースとは異なり、加熱要素５
および１５は、るつぼ内の融液の表面の平面に一致する
平面内の融液を均等に加熱するような形状に構成されて
いる。したがって、本発明のるつぼ加熱器は、従来技術
のるつぼの温度勾配を逆転する能力を有する。正味磁場
および自己誘導を最小にするために、加熱要素区画５お
よび１５は対を成し、反対のピッチ方向を取り、均等な
長さを有する。要素の対は、非対称な構成を達成するた
めに、異なる長さとすることもできる。断熱材６は螺旋
区画の位置を維持する。これらの断熱材は矩形、円形、
または管状の断面を持つことができ、またプロセスの汚
染を最小限に止めるのに貢献するものならばどのような
断熱材料でも使用することができる。

【００２６】るつぼの空洞部に対し最大限の放射伝達が
できるように配向された矩形の断熱材を、図２および図
３に示す。断熱材６はその端部を、熱分解窒化ほう素
（ＰＢＮ）またはその他の適切な材料の断熱リング１６
でしっかりと接続する。また、耐熱性金属ワイヤ１７を
用いて、断熱材６をリング１６にしっかりと固定し、矩
形の断熱材６の場合には、断熱材の断面の長辺をソース
本体の軸に対し放射方向に配向する。加熱要素の非対称
は、それぞれの独自のソースの配向に対して最適化する
ことができる。加熱要素５は螺旋ワイヤとして、また要
素１５は直線ワイヤ区画として図示されているが、どち
らの要素も一般に別の形状を取ることができ、その数は
いくつでもよく、同一結果および本発明の目的を達成す
ることができる。

【００２７】内部熱遮蔽１８は任意である。これらは、
るつぼの閉鎖端に向かって熱流を徐々に妨げることによ
って逆転温度勾配が強化される、傾斜した層状の遮蔽と
することができる。逆転温度勾配は、内部遮蔽が無くて
も可能であるが、システム内でこれを使用した場合の方
が程度が大きくなる。遮蔽１８は、るつぼ３の開放端の
近接位置まで伸長することもできる。このようにソース
と同一の広がりを持つ場合には、るつぼ３によってより
多くの噴散材料を取り扱うことができ、逆転温度勾配が
効果的に達成され、成長層の欠陥が減少する。

【００２８】螺旋状の要素の設計は、従来技術に比較し
て、より高密度の熱放射を達成することができる。放射
密度の量は、ワイヤ径、螺旋の直径および／または間
隔、および区画対間の空間を変化させることによって、
加熱要素全体にわたり変化させることができる。本発明
で利用できる加熱器のワイヤ材料は、高温耐熱性金属の
どれからでも構成することができる。例えば、タンタル
やモリブデン、タングステンなどがある。タンタルはそ
の機械的性質のために、室温で容易に成形することがで
きるので、通常望ましい材料である。

【００２９】非対称の加熱要素を構成し、るつぼの開放
端に熱を集中させる主な動機は、ガリウムひ素やその他
の堆積膜の成長欠陥を減少させることである。実験によ
り、るつぼの空洞部内に逆転温度勾配が存在する場合に
は、測定される表面欠陥が減少することが証明されてい
る。図７Ａおよび図７Ｂは、ガリウムひ素膜の成長に用
いられたガリウム分子線の場合の上記結果をサポートす
る実験データを示す。図７Ａは、従来技術のガリウムソ
ースを用いて成長した厚さ１ミクロンのガリウムひ素の
総欠陥密度の典型的結果である。対照的に、図７Ｂは５
３枚のウェハのヒストグラムであり、各ウェハで測定さ
れた１ミクロンの膜成長当たりの平均総欠陥密度を示し
ている。ウェハ１枚あたりの平均総欠陥密度は、ほぼ２
分の１に減少している。欠陥減少の結果に関与する正確
なメカニズムはまだ決定されていない。幾つかのメカニ
ズムが提案されているが、ガリウムの場合、対流および
酸化ガリウムが関与する化学反応によるものであると考
える。さらに、本発明によって得られる逆転温度変化が
これらのメカニズムを抑制するのだと考える。従来技術
では、ソースの温度が高くなる（噴散フラックス率が高
くなる）と、欠陥密度が高くなるので、高速度の膜成長
が阻害されることが観察された。本発明の技術は、欠陥
密度を抑制するので、高速度の膜成長が可能であり、そ
の結果、ＭＢＥシステムのスループットの向上が約束さ
れる。

【００３０】第２実施例図４Ａは、本発明のソースの第２実施例を示しており、
加熱要素１５は間隔が様々に変化する単独螺旋巻線であ
る。巻線の間隔を変化することによって、るつぼの空洞
部の放射熱密度（および温度勾配）に影響を及ぼすこと
ができる。非対称な加熱器構成および逆転温度勾配が可
能である。加熱要素の設計は、任意の温度勾配を達成す
るために、従来技術の区画設計および螺旋設計を組み込
むことができる。図４Ｂは、平坦な（開放）パターンで
３つのゾーンを有する非対称な加熱器を示す。

【００３１】図５Ａないし図５Ｆは、従来技術を本発明
の螺旋要素設計と結合したときに、様々な熱エネルギゾ
ーンを生成するために利用できる様々な加熱器の構成を
示す。

【００３２】第３実施例図６は、熱シンク３０９を有する本発明のソースの１つ
の実施例を示す。熱シンクは、所望の温度勾配によっ
て、ソース本体内のどこにでも配置することができる。
本発明に適用したシンクは任意の受動構造であり、熱イ
ンピーダンスが低下し（したがって、熱流が増加し）、
特定のソース領域と周囲の熱環境との温度差が低下す
る。シンク領域は、低温の領域３１０に開けた穴とする
ことができる。この低温領域は、伝導冷却３１１によっ
て低温に維持することができる。ソースの外部に冷却媒
体を設けることもできる。流体冷却媒体の２つの一般的
な例としてガスまたは水がある。熱シンクはるつぼの閉
鎖端を冷却し、るつぼの加熱器３１２と共に、るつぼの
空洞部３１３内で逆転温度勾配を形成する。

【００３３】図１０は、るつぼの閉鎖端に熱シンクを設
けた本発明の実施例を用いて、るつぼの中心線に沿って
測定した逆転熱勾配を示す。これらの測定は、るつぼ内
に何も入れずに、るつぼの中心線に沿って熱電対を配置
することによって実施した。異なる温度Ｔ3−Ｔ1は、炉
のサーモスタットを利用して設定した。ソースからの材
料の噴散中に同様の測定は行っていないが、装置の実際
の作動中にも、これらの図の測定値に近似する逆転温度
勾配が存在するものと考える。

【００３４】第４実施例図８は、本発明のソースの別の実施例を示しており、熱
シンク４０９および非対称なるつぼ加熱器４１２によっ
て可能になった逆転温度勾配を利用するように設計され
たるつぼが組み込まれている。この「逆転」温度勾配
は、液体噴散材料内の自由対流を抑制する。シンクは、
図６に示すように冷却するか、あるいは図４Ａのように
放射損失が増加するように単に穴を開けることができ
る。ソース材料より高密度の汚染物質４３１は分離さ
れ、るつぼの閉鎖端の冷却器に蓄積される傾向にある。
したがって、るつぼ４０３は、ソースの基部４２０から
熱シンク４０９へ伸長する特殊突起４２３を有する。こ
の突起により、他の実施例のるつぼの閉鎖端より多くの
冷却が可能になる。これは、対流運動を制限するだけで
はなく、（突起部において）ソース材料の残りが消耗の
ために少なくなったときに、噴散ビームへの関与を制限
することをも意図している。分離だけでも、汚染物とソ
ース材料４３０の混合が減少し、より高純度の成長膜が
得られる。より高純度の膜は、電気的特性の再現性およ
び構造欠陥の減少にとって重要である。

【００３５】第５実施例図９は、本発明のソースの別の実施例を示しており、噴
散材料５４０をソース本体の外部に配置することができ
る。ソース材料の遠隔配置は、ガスソースＭＢＥ（ＧＳ
ＭＢＥ）および化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）で一般
的に見られる。ひ素やホスフィン、水素などのガスソー
スや、トリエチルグループやトリメチルグループIII化
合物などの加熱液体ソースなどは、これらのプロセスに
一般的に使用される。これらの材料は、安全性（汚染）
およびプロセス制御の理由から、遠隔位置に配置され
る。こうした材料は、ＭＢＥシステムの内部に配置され
た本発明の典型的なソースに移送される。この移送は、
圧縮ガスを利用して、あるいは蒸気と「キャリア」ガス
を混合することによって行われる。キャリアガスとして
は、一般に水素が使用される。ソースは、ソース内の凝
縮を防止し、かつ噴散分子を分離するために、ソース本
体内に位置する加熱要素によって加熱される。場合によ
っては、触媒反応が関与することもある。別の例とし
て、分離した２つの加熱部から成る「クラッカ」ソース
がある。噴散材料（固体または液体）は、ＭＢＥシステ
ムに直接隣接する外部るつぼ内（通常、サブリメータ
（sublimator）と呼ばれる）に含まれる。材料は、接続
通路を介して、ＭＢＥシステム内部のソース本体（通常
「クラッカ」と呼ばれる）へ蒸発または昇華される。こ
の通路は、大きな温度差があるかもしれない２つの加熱
部の間を熱的に分離する。「クラッカ」部は、噴散分子
を分離し、先に示したガスソースなどによる材料の凝縮
を防止する機能を果たす。図９で、（「サブリメータ」
またはガスソースからの）材料は、取付フランジ５０１
を介してソース本体５０２に入り、この中を通って出口
オリフィス５１７へ抜ける。ソース本体内の加熱器５１
２およびシンク５０９は、クラッカ部５０３内で特定の
温度勾配を生成するために、上述の加熱器の実施例と同
じように構成する。

【００３６】以上、本発明を特定の装置および特定の結
果に関連して説明したが、本発明の範囲をこうした特定
の開示内容に限定する意図は無いことは理解されるはず
である。同等の変化例は特許請求の範囲に含まれ、保護
されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る好適なソースの実施例の断面図で
ある。

【図２】図１に示す実施例の正面および後部加熱器をさ
らに詳しく示す。

【図３】正面加熱器の断面図であり、螺旋状要素および
支持断熱材、ならびにるつぼの開放端に対するこれらの
関係を詳細に示す。

【図４】図４Ａは、液体噴散表面の重力による配向を受
け入れるように設計された非対称な加熱要素を特徴とす
るるつぼの加熱器の設計の１つの実施例の略断面図であ
り、図４Ｂは、開放部の平坦な位置における対称的パタ
ーンの加熱器を示す。

【図５】図５Ａは、平坦な（開放された）概略的な形態
の非対称なワイヤるつぼ加熱器の設計の１つの実施例を
示す略図であり、図５Ｂは、平坦な（開放された）概略
的な形態の非対称なワイヤるつぼ加熱器の設計の別の実
施例を示す略図であり、図５Ｃは、平坦な（開放され
た）概略的な形態の非対称なワイヤるつぼ加熱器の設計
の別の実施例を示す略図であり、図５Ｄは、平坦な（開
放された）概略的な形態の非対称なワイヤるつぼ加熱器
の設計の別の実施例を示す略図であり、図５Ｅは、平坦
な（開放された）概略的な形態の非対称なワイヤるつぼ
加熱器の設計の別の実施例を示す略図であり、図５Ｆ
は、平坦な概略的な形態のフォイル加熱器の実施例を示
す略図である。

【図６】るつぼの閉鎖端を冷却するために構成された熱
シンクを有する、本発明に係るソースの部分断面略図で
ある。

【図７】図７Ａは従来技術による成長層の欠陥数を示す
グラフであり、図７Ｂは本発明による基板の成長におけ
る欠陥数を示すグラフである。

【図８】特殊るつぼの設計および熱シンクを含む本発明
のソースの他の特徴との関係を示す部分断面図である。

【図９】ガス入力により作動するソースの実施例の略断
面図である。

【図１０】本発明によって達成される逆転温度勾配を構
成するグラフである。

【符号の説明】１フランジアセンブリ２ソース本体３るつぼ４熱電対アセンブリ５正面加熱要素７ソース空洞部８熱遮蔽１５後部加熱要素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バリー・ケイ・カフィーアメリカ合衆国ミシガン州マウント・プレザントン、ワイルドウッド・ドライブ5176

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】取付フランジと、ソースのための支持手
段と、るつぼ加熱器、熱遮蔽手段、熱シンク手段、熱電
対および分子線を生成するための材料を包含するるつぼ
から成るソース本体と、から成る分子線を発生するため
のソースであって、前記ソースのための支持手段が前記
ソース本体の軸を水平方向から傾斜して配置している、
ところのソースにおいて、前記支持手段上に配置された
ときに、前記るつぼ内に実質的に均等な温度平面を水平
方向と実質的に平行に形成するために、ソース本体の軸
を中心に非対称形に配置された要素を有するるつぼ加熱
器を有することを特徴とするソース。
【請求項２】加熱要素は、ソースの軸に沿って温度差
が形成され、かつ水平方向に平行なソースに沿って類似
温度の温度平面が形成されるように、ソース軸の周囲に
配置された螺旋ワイヤ区画から成る請求項１記載のソー
ス。
【請求項３】前記加熱要素は、対として配列され、前
記ワイヤからの磁場を平衡させて打ち消すために、逆方
向に巻かれ、かつ長さが実質的に一致している、請求項
２記載のソース。
【請求項４】請求項２記載のソースにおけるるつぼ加
熱器について、単位長当たりの巻き数が、巻きの様々な
区画で異なり、様々な量の熱をソースに供給する、とこ
ろのソース。
【請求項５】加熱器によって生成される正味電場が、
前記ソースの本体外では最小になる、請求項３記載のソ
ース。
【請求項６】螺旋巻線の間隔を少なくとも部分的に変
化させることによって、ソースの温度を変化させる、請
求項２記載のソース。
【請求項７】閉鎖端と開放端とを有し、閉鎖端にリザ
ーバを有するるつぼを含む、請求項１記載のソース。
【請求項８】前記るつぼの周囲を取り巻き、前記ソー
スの外壁内に配置された遮蔽を含む、請求項２記載のソ
ース。
【請求項９】請求項４記載のソースにおけるるつぼ加
熱器について、加熱要素がソース本体に対し不規則また
は非対称なパターンを取る、ところのソース。
【請求項１０】熱遮蔽および熱シンクの配置が動的で
あり、成長プロセスチャンバの外部から本来の位置に調
整することができる、請求項１記載のソース。
【請求項１１】（独自設計の）るつぼが熱シンクに結
合される、請求項１０記載のソース。
【請求項１２】重力のためにソースの軸に対して非対
称な液体ソース源を考慮して、るつぼ加熱器を設計し、
前記ソースの本体内に配置した、請求項１記載のソー
ス。
【請求項１３】螺旋区画が、制御された方法で加熱さ
れるように異なる間隔を有する区画を含む、請求項２記
載のソース。
【請求項１４】幅が螺旋の内径にほぼ等しい薄い矩形
の断熱材によって、螺旋ワイヤ区画をその熱放射への干
渉が最小となる位置に維持し、前記螺旋ワイヤ区画を断
熱リングによって保持し、かつ各断熱材の端部に通した
保持ワイヤによってソースの軸と放射状に整列した状態
に維持する、請求項２記載のソース。
【請求項１５】るつぼの開放端により集中的な熱を付
与するようにした加熱手段により、温度の逆転を形成す
る手段を有する、請求項１記載のソース。
【請求項１６】ＭＢＥ装置用の炉であって、ソース
と、前記ソースを前記ＭＢＥ装置内に水平方向に対し傾
斜しかつ垂直方向に対して傾斜するように配置および保
持する取付手段と、密閉端と開放端を有しており溶融し
て噴散分子線にする材料を保持する前記ソース内のるつ
ぼと、前記るつぼを取り巻く関係で非対称な形状を有
し、前記るつぼ内の材料を加熱して、噴散が発生する温
度まで上昇させる加熱手段であって、水平方向に平行な
平行パターンで前記るつぼに実質的に均等な量の熱を付
与するために、ソースの軸を中心として非対称なパター
ンを持つ加熱素子から成る加熱手段とから成る炉。
【請求項１７】下部温度領域が液体冷却表面と境界を
接する、請求項１６記載の炉。
【請求項１８】前記取付手段が、前記るつぼの軸が前
記ＭＢＥ装置内部で水平方向から約１０ないし４５度の
角度で傾斜するように、前記ソースを前記ＭＢＥ装置内
に配置および維持する、請求項１６記載の炉。
【請求項１９】ＭＢＥ装置内で水平方向に対し傾斜し
て配置したソースから分子線を発生する方法であって、
水平方向に平行な区画に実質的に均等な温度を形成する
ために、前記ソースをソース軸を中心として非対称に加
熱する段階と、前記ソースに逆転温度パターンを展開さ
せるために、前記ソースの開放端を前記加熱ゾーンの残
部に付与される残部加熱温度より高い温度にまで加熱す
る段階とから成る方法。
【請求項２０】さらに、前記ワイヤを流れる電流によ
って発生する外部磁場または電場を回避するように、電
気加熱要素ワイヤを配置する段階を含む、請求項１９記
載の方法。
【請求項２１】分子線の発生中にソースに関連して熱
遮蔽および熱シンクを調整する段階を含む、請求項１９
記載の方法。