JPH0827565A - 成膜装置および成膜用蒸発源装置 - Google Patents

成膜装置および成膜用蒸発源装置

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JPH0827565A
JPH0827565A JP16123994A JP16123994A JPH0827565A JP H0827565 A JPH0827565 A JP H0827565A JP 16123994 A JP16123994 A JP 16123994A JP 16123994 A JP16123994 A JP 16123994A JP H0827565 A JPH0827565 A JP H0827565A
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明広 石田
Hiroshi Fujiyasu
洋 藤安
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正和 桑原
Hirobumi Suga
博文 菅
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 化学的に不安定な物質を含む結晶膜を良好に
成長させる装置を提供する。 【構成】 容器(るつぼ)を上下の半体11,12と
し、隔壁13で2段構成とする。そして、下側半体12
に化学的に不安定な原料塊(Sr)、上側半体11に安
定な原料塊(PbS)を入れる。化学的に安定な原料と
不安定な原料は別の蒸発源手段で蒸発させるが、後者に
ついては、原料塊を加熱する第1のヒータ21と、原料
塊からの蒸気により原料膜が堆積される部材(半体1
2)と、この原料膜を加熱する第2のヒータ22とを備
えている。そして、上記の原料塊(Sr)の加熱は、表
面に大気成分との反応生成物を有する状態で蒸発するの
に十分な温度(700℃)とされるため、原料塊の状態
で化学的な不安定性ゆえに表面に大気との反応生成物が
現れていたとしても、反応生成物はほとんど含まない原
料膜を生成できる。したがって、この原料膜を蒸発源と
して好適に原料の蒸発をなし得るので、安定かつ良好な
結晶膜を成長できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は成膜装置および成膜用蒸
発源装置に係り、特に詳細には、化学的に安定な原料と
不安定な原料とを用いて、基板上にこれら化合物結晶の
膜を成長させる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】真空下での物理的成膜法(PVD法)と
して、真空蒸着法が知られている。真空中で材料物質を
加熱して蒸発或いは昇華させ、その蒸気を比較的低温の
他の基体の上に輸送して凝縮・析出させることにより、
薄膜を形成する手法が真空蒸着である。真空であること
は、原料物質の蒸発を促進する。また、蒸気の輸送過程
の効率を上げて膜の生成を促進すると共に、高温の蒸発
器中で原料物質が熱分解或いは空気(酸素)に触れて酸
化するなどの反応により、変質したり劣化するのを防ぐ
のに有効に機能している。
【0003】PVDプロセスにおける基本的ステップ
は、第1に、原料物質の気相空間への放出、第2に、空
間中での蒸気の輸送、第3に、基板表面への蒸気の入射
および析出、の3ステップからなる。ここで、気相空間
への放出プロセスでは、原料の塊、粉末あるいは粒子を
供給する手段として、いわゆる「るつぼ」が用いられ、
従来から蒸発用るつぼとして、クヌーセン型るつぼ、末
広ノズル型るつぼ等が知られている。
【0004】成膜に際しては、大気中でるつぼに原料が
入れられ、真空中で底部が加熱させることで原料が蒸発
される。そして、蒸気は頂部の開口を通って気相空間
(真空空間)に放出され、基板の方向へ輸送される。成
膜が完了すると真空状態がリークされ、大気中で成膜済
みの基板が取り出される。このとき、るつぼ内の原料
は、大気にさらされる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】成膜原料には化学的に
安定な物質も多いが、化学的に不安定な物質もある。こ
のような不安定な物質は、成膜プロセスの後に大気にさ
らされると、大気中の成分、例えば酸素や水蒸気と反応
し、原料の塊の表面に反応生成物が現れる。
【0006】ちなみに、鉛、ストロンチウムおよび硫黄
からなるPbSrS結晶膜を成長させるときには、Pb
S(硫化鉛)とSr(ストロンチウム)の塊が原料とし
て用いられるが、Srは化学的に不安定であるため、S
r塊の表面に水酸化ストロンチウムが生成されやすい。
このため、例えば第1回目の成膜をした後に大気中で基
板を取り換え、次の成膜プロセスを実行すると、表面に
大気成分との反応生成物が付着したSr塊からのSrの
蒸発が、第1回目に比べて好適になされず、良好な成膜
ができない。
【0007】本発明は、このような従来技術の欠点を克
服するため完成されたもので、化学的に不安定な物質を
原料の一部もしくは全部とする結晶膜を安定かつ良好に
成長できる成膜装置と、これに用いられる成膜用蒸発源
装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る成膜装置
は、第1の原料(例えばPbS)と、この第1の原料よ
り大気中の成分と反応性の高い第2の原料(例えばS
r)とを真空中に蒸発させ、基板上に第1および第2の
原料を含む結晶膜(例えばPbSrS)を成長させる装
置において、第1の原料を加熱(例えば560℃)して
蒸発させる第1の蒸発源手段と、第2の原料を加熱して
蒸発させる第2の蒸発源手段とを備え、この第2の蒸発
源手段は、第2の原料の塊が配置される原料塊配置部材
と、原料塊配置部材を、表面に大気中の成分との反応生
成物(例えば水酸化ストロンチウム)を有する第2の原
料の塊を蒸発させるのに十分な温度(例えば700℃)
に加熱する原料塊加熱手段と、第2の原料の塊から蒸発
させた当該第2の原料の膜が表面に堆積される原料膜堆
積部材と、原料膜堆積部材を加熱(例えば470℃)し
て第2の原料膜を蒸発させる原料膜加熱手段とを有する
ことを特徴とする。
【0009】ここで、第2の原料(例えばSr)が第1
の原料の構成元素(例えばS)との反応性が高いとき
は、原料塊加熱手段は第1の原料の構成元素との反応生
成物(例えばSrS)を表面に有する第2の原料の塊を
蒸発させるのに十分な温度に原料塊配置部材を加熱す
る。
【0010】本発明に係る成膜用蒸発源装置は、基板上
に結晶膜を成長させるための原料を、加熱して真空中に
蒸発させる装置において、頂部に絞られて突出する開口
を有し底部に原料の塊が配置される容器と、表面に大気
中の成分との反応生成物を有する原料の塊を蒸発させて
原料の膜を容器の内面に堆積させるのに十分な温度に容
器の底部を加熱する原料塊加熱手段と、容器の側壁を加
熱して原料の膜を蒸発させる原料膜加熱手段とを備える
ことを特徴とする。
【0011】また、本発明に係る成膜用蒸発源装置は、
基板上に結晶膜を成長させるための第1および第2の原
料をそれぞれ加熱して真空中に蒸発させる装置におい
て、頂部に開口を有すると共にほぼ中間部に隔壁を有
し、当該隔壁のほぼ中央部には上方に絞られて突出する
開口が形成され、第2の原料の塊はその底部に、第1の
原料は隔壁上に配置される容器と、表面に大気中の成分
との反応生成物を有する第2の原料の塊を蒸発させて第
2の原料の膜を容器内面に堆積させるのに十分な温度に
容器の底部を加熱する原料塊加熱手段と、容器の隔壁下
方の側壁を加熱して第2の原料の膜を蒸発させる原料加
熱手段と、容器の隔壁上部の側壁を加熱して第1の原料
を蒸発させる加熱手段とを備えることを特徴とする。
【0012】ここで、第2の原料(例えばSr)が第1
の原料の構成元素(例えばS)との反応性が高いとき
は、原料塊加熱手段は第1の原料の構成元素との反応生
成物(例えばSrS)を表面に有する第2の原料の塊を
蒸発させて第2の原料の膜を容器内面に堆積させるのに
十分な温度に容器の底部を加熱する。
【0013】
【作用】本発明に係る成膜装置によれば、化学的に安定
な第1の原料は第1の蒸発源手段で、不安定な第2の原
料は第2の蒸発源手段で蒸発させるが、後者について
は、原料塊を加熱する手段と、原料塊からの蒸気により
原料膜が堆積される部材と、この原料膜を加熱する手段
とを備えている。そして、上記の原料塊の加熱は、表面
に大気成分、または他の原料の構成元素との反応生成物
を有する原料塊が蒸発するのに十分な温度とされるた
め、原料塊の状態で化学的な不安定性ゆえに表面に反応
生成物が現れていたとしても、反応生成物をほとんど含
まない原料膜を生成できる。したがって、この原料膜を
蒸発源として好適に第2の原料の蒸発をなし得るので、
安定かつ良好な結晶膜を成長できる。
【0014】本発明の成膜用蒸発源装置では、底部に原
料塊の置かれる容器が、頂部に絞られて突出する開口を
有しているため、底部のみを原料塊が蒸発する温度(表
面に反応生成物のある原料塊が蒸発するのに十分な温
度)に加熱することで、容器の底部以外の内面には大気
成分との反応生成物をほとんど含まない原料膜を形成で
きる。そして、この原料膜は容器の壁面を介して加熱さ
れるので、これを原料の蒸発源として成膜用原料を気相
空間に供給できる。
【0015】また、本発明の別の成膜用蒸発源装置によ
れば、容器は上方に突出した開口を有する隔壁により、
上、下の2室に区分され、下側区分に化学的に不安定な
第2の原料の蒸発源、上側区分に安定な第1の原料の蒸
発源が設定される。そして、下側区分については、底部
の原料塊を加熱して内面に原料膜を成長させ、この原料
膜を蒸発させて蒸気を開口から上方に供給している。よ
って上方の2つの開口(二重構造の開口)からは、安定
な第1の原料と不安定な第2の原料を、それぞれ気相空
間に放出させることができる。
【0016】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複説
明は省略する。
【0017】図1は、実施例に係る成膜装置の要部を示
し、左半分は側面図、右半分は断面図である。原料を収
容する容器(るつぼ)は上側半体11と下側半体12か
らなり、共に断面円筒形状であって、上側半体11の内
径は下側半体12の外形よりも僅かに大きく、嵌め込み
接合されて一体になっている。上側半体11は下端近傍
に隔壁13を有し、その略中央部分は上方に絞られて突
出した筒体14を形成している。下側半体12は上方の
み開口し、その開口端は上側半体11の隔壁13に当接
し、底部は略半球形状に成型されている。
【0018】容器の外側には、下から第1,第2および
第3のヒータ21,22,23が設けられ、各ヒータ2
1,22,23に対応して、各部の温度を測定する熱電
対31,32,33が設けられている。ここで、第1の
ヒータ21は主として容器の下側半体12底部を加熱
し、第2のヒータ22は下側半体12の側壁部を加熱
し、第3のヒータ23は上側半体11の隔壁13の上部
近傍を加熱する。
【0019】容器の上側半体11の開口上方には開閉自
在のシャッタ4が設けられ、その上方に基板ホルダ5が
取り付けられ、ここに成膜すべき基板6が載置される。
そして、基板ホルダ5の上方には基板6を加熱するため
の第4のヒータ24が配設され、これに対応して熱電対
34が設けられている。
【0020】図1の装置を用いて基板6に成膜する手順
を説明する。
【0021】まず、大気中で結晶膜用の二種の原料塊を
容器に入れるが、下側半体12の底部に配置する原料塊
は化学的に不安定なもの、上側半体11の隔壁13上に
配置する原料塊は化学的に安定なものとする。そして、
真空装置のチャンバ(図示せず)を閉じ、真空ポンプ
(図示せず)を駆動して真空下で第1のヒータ21に端
子TM1 を介して通電する。このとき、シャッタ4は閉
じられており、また下側半体12の底部の温度は原料塊
の蒸発温度よりも高温、すなわち原料塊の表面に大気中
の酸素、水素等との反応生成物があっても、原料物質が
充分に蒸発する高温とする。
【0022】次に、第1のヒータ21による加熱を止
め、第2のヒータ22と第3のヒータ23による加熱を
同時に開始する。すなわち、端子TM2 と端子TM3
ら通電を同時に開始するが、このときの下側半体12の
側壁の温度(熱電対32で測定される温度)は、表面に
上記の反応生成物がない化学的に不安定な原料塊から蒸
発がなされ得る温度とする。また、上側半体11の下部
の温度(熱電対33で測定される温度)は、化学的に安
定な原料塊から蒸発がなされ得る温度とする。
【0023】このようにして原料の蒸発が始まったら、
シャッタ4を開放にする。これにより、蒸発物質は真空
中を基板6に向かって輸送され、基板6の裏面に化学的
に安定な原料と不安定な原料の化合物からなる結晶膜が
成膜される。なお、この状態では基板6は第4のヒータ
24によって成膜に好適な温度に加熱されているものと
する。
【0024】一定時間の成膜が完了したら、シャッタ4
を閉じて第1〜第4のヒータ21〜24への通電を全て
停止し、真空下で冷却する。そして、室温近くまで冷却
した後、バルブ(図示せず)を開放してチャンバ内を大
気圧とし、チャンバを開く。次に、成膜済みの基板6を
取り出して新しい基板6を基板ホルダ5にセットし、チ
ャンバを密閉する。そして、真空ポンプを作動させて再
び真空状態とし、上記したプロセスを繰り返す。
【0025】本実施例では、上記のように、化学的に不
安定な原料を蒸発させるに際しては、二段階の加熱プロ
セスを採用している。このため、不安定な原料について
も安定な原料と同様に好適な蒸発を行なうことができ
る。
【0026】本実施例の特徴および効果を、図2により
説明する。ここで、成膜されるのはPbSrSであると
し、化学的に安定な原料はPbS、不安定な原料はSr
である。
【0027】まず、図2(a)のように、容器の上側半
体11にはPbS塊、下側半体12にはSr塊をセット
する。そして、真空状態としてSr塊を温度T1 に加熱
する。ここで、化学的に不安定なSr塊は表面に水酸化
ストロンチウムを有しており、通常のSrの蒸発温度T
2 では良好に蒸発しない。そこで、通常の温度(約47
0℃)よりも高い温度T1 (約700℃)とし、Srを
蒸発させる。
【0028】すると、図2(b)に示すように、Sr塊
からのSr蒸気が下側半体12の内面に衝突し、Sr膜
が形成される。このSr膜についても、化学的に不安定
であることは言うまでもないが、内部は真空に維持され
ているので、大気の成分との反応は生じない。
【0029】そこで、図2(c)に示すように、下側半
体12の側壁をSrの通常の蒸発温度T2 にすると同時
に、上側半体11の下部をPbSの蒸発温度(約560
℃)とする。これにより、双方の原料SrおよびPbS
からの蒸発が始まり、基板6にPbSrS膜が成長され
る。
【0030】基板6への成膜が終了すると、全体が冷却
されて真空が破られ、大気が導入される。これにより、
容器の下側半体12底部のSr塊の表面と、下側半体1
2内面の残留Sr膜は水酸化ストロンチウムに変質す
る。しかし、成膜後の基板6を新しい基板6に換えた後
の次の成膜プロセスでは、再びSr塊は通常温度T
2(470℃)より高い温度T1 (700℃)にされる
ので、Sr塊からのSrの蒸発に故障はない。また、容
器の下側半体12内面には、新しいSr膜が残留してい
る水酸化ストロンチウムの上に形成されるので、通常温
度T2 での蒸発に支障はない。
【0031】本実施例によれば、不安定なSrは容器の
下側半体12内面という一定面積から蒸発されるので、
温度コントロールにより一定速度の蒸発コントロールを
なし得る。このため、表面に水酸化ストロチウムの膜や
粒子が付着したSr塊から蒸発させる場合と比べて、極
めて高精度の膜厚制御をなし得る。
【0032】本発明の成膜装置および蒸発源装置は、上
記の実施例に限らず、種々の変更が可能である。
【0033】まず、化学的に不安定な材料とは、大気成
分との反応性の高いものだけでなく、同時に用いられる
他の原料の構成元素との反応性の高いものも含まれる。
ちなみに、PbSrS結晶の成長において、原料を収容
した装置内において、昇温、成長、徐冷等を行なうとき
には、成長室内の残留ガスを真空引きしながら成長させ
るが、一部は成長室内に残る。すると、温度条件によっ
てはSrの塊の表面にSrSが生成することがあり、こ
れが水酸化ストロンチウムと同様の害を与える。そこ
で、上記実施例と同様に第1段階として原料塊から原料
膜を形成し、次に第2段階として原料膜を蒸発させれ
ば、上記の不具合は克服できる。
【0034】蒸発源装置については、図1および図2の
実施例では容器(るつぼ)を上下の半体で構成し、いわ
ゆる二段構成としているが、化学的に不安定な原料塊の
加熱と、これにより生じた原料膜の加熱とを、分離して
行ない得る構成であれば十分であり、安定な原料塊の蒸
発機構と一体化されている必要はない。つまり、図3に
示す如く、つぼ状るつぼ10Aを用意し、この底部を温
度T1 に、側壁部を温度T2 に加熱できるヒータ(図示
せず)を付設すればよい。
【0035】この場合には、例えば試験管型るつぼ10
Bが別に用意され、ここに化学的に安定な原料塊が入れ
られる。そして、シャッタ4および基板ホルダ5と共に
チャンバ7内に収容されることにより、本発明の成膜装
置が構成される。したがって、例えば従来のクヌーセン
型るつぼを用い、底部を温度T1 に、側部を温度T2
加熱するヒータを設けた場合にも、本発明の成膜用蒸発
源装置が構成される。
【0036】本発明において成膜される結晶膜は、例え
ばアルカリ土類金属や希土類金属を含む混晶化合物半導
体膜であり、例えば、PbSe(セレン化鉛)、ZnS
(硫化亜鉛)、ZnSe(セレン化亜鉛)などの安定な
材料にSr(ストロンチウム)、Eu(ユーロピウム)
などの不安定な物質を含んだ膜である。そして、例えば
PbSrSはPbSを活性層とする半導体レーザのクラ
ッド層として用いることができ、波長3μm帯の長波長
半導体レーザが得られる。
【0037】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り本発明によれ
ば、化学的に不安定な原料塊を通常の蒸発温度よりも高
温に加熱し、中間体としての原料膜を真空中で形成でき
るので、通常の温度で原料膜を加熱するだけで、原料の
蒸発を安定して好適になし得る。このため、化学的に不
安定な原料を含む化合物結晶膜を、高精度の組成制御と
膜厚制御の下で成長できる効果がある。なお、特開平2
−217464号には2段階で加熱する蒸発源が開示さ
れているが、これは、るつぼ壁の未使用原料を蒸発させ
て原料の成分比が変動しないようにしたものであり、本
発明の効果は全く得られない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る成膜用蒸発源装置と、こ
れを用いた成膜装置を示す図である。
【図2】図1の実施例による化合物膜の成長工程を示す
図である。
【図3】変形例に係る成膜用蒸発源装置と、これを用い
た成膜装置を示す図である。
【符号の説明】
11…容器(るつぼ)の上側半体、12…容器(るつ
ぼ)の下側半体、13…上下の隔壁、21…化学的に不
安定な原料塊を加熱する第1のヒータ、22…化学的に
不安定な原料膜を加熱する第2のヒータ、23…化学的
に安定な原料を加熱する第3のヒータ、24…基板を加
熱する第4のヒータ、4…シャッタ、5…基板ホルダ、
6…基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤安 洋 静岡県浜松市遠州浜1丁目33番8号 (72)発明者 桑原 正和 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 菅 博文 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の原料と、この第1の原料より大気
    中の成分と反応性の高い第2の原料とを真空中に蒸発さ
    せ、基板上に前記第1および第2の原料を含む結晶膜を
    成長させる成膜装置において、 前記第1の原料を加熱して蒸発させる第1の蒸発源手段
    と、 前記第2の原料を加熱して蒸発させる第2の蒸発源手段
    とを備え、 前記第2の蒸発源手段は、 前記第2の原料の塊が配置される原料塊配置部材と、 前記原料塊配置部材を、表面に大気中の成分との反応生
    成物を有する前記第2の原料の塊を蒸発させるのに十分
    な温度に加熱する原料塊加熱手段と、 前記第2の原料の塊から蒸発させた当該第2の原料の膜
    が表面に堆積される原料膜堆積部材と、 前記原料膜堆積部材を加熱して前記第2の原料の膜を蒸
    発させる原料膜加熱手段とを有することを特徴とする成
    膜装置。
  2. 【請求項2】 基板上に結晶膜を成長させるための原料
    を、加熱して真空中に蒸発させる成膜用蒸発源装置にお
    いて、 頂部に絞られて突出する開口を有し、底部に前記原料の
    塊が配置される容器と、 表面に大気中の成分との反応生成物を有する前記原料の
    塊を蒸発させて前記原料の膜を前記容器の内面に堆積さ
    せるのに十分な温度に前記容器の底部を加熱する原料塊
    加熱手段と、 前記容器の側壁を加熱して前記原料の膜を蒸発させる原
    料膜加熱手段とを備えることを特徴とする成膜用蒸発源
    装置。
  3. 【請求項3】 基板上に結晶膜を成長させるための第1
    および第2の原料をそれぞれ加熱して真空中に蒸発させ
    る成膜用蒸発源装置において、 頂部に開口を有すると共にほぼ中間部に隔壁を有し、当
    該隔壁のほぼ中央部には上方に絞られて突出する開口が
    形成され、前記第2の原料の塊はその底部に、前記第1
    の原料は前記隔壁上に配置される容器と、 表面に大気中の成分との反応生成物を有する前記第2の
    原料の塊を蒸発させて前記第2の原料の膜を前記容器内
    面に堆積させるのに十分な温度に前記容器の底部を加熱
    する原料塊加熱手段と、 前記容器の前記隔壁下方の側壁を加熱して前記第2の原
    料の膜を蒸発させる原料膜加熱手段と、 前記容器の前記隔壁上部の側壁を加熱して前記第1の原
    料を蒸発させる加熱手段とを備えることを特徴とする成
    膜用蒸発源装置。
  4. 【請求項4】 第1の原料と、この第1の原料の構成元
    素との反応性の高い第2の原料とを真空中に蒸発させ、
    基板上に前記第1および第2の原料を含む結晶膜を成長
    させる成膜装置において、 前記第1の原料を加熱して蒸発させる第1の蒸発源手段
    と、 前記第2の原料を加熱して蒸発させる第2の蒸発源手段
    とを備え、 前記第2の蒸発源手段は、 前記第2の原料の塊が配置される原料塊配置部材と、 前記原料塊配置部材を、表面に前記第1の原料の構成元
    素との反応生成物を有する前記第2の原料の塊を蒸発さ
    せるのに十分な温度に加熱する原料塊加熱手段と、 前記第2の原料の塊から蒸発させた当該第2の原料の膜
    が表面に堆積される原料膜堆積部材と、 前記原料膜堆積部材を加熱して前記第2の原料の膜を蒸
    発させる原料膜加熱手段とを有することを特徴とする成
    膜装置。
  5. 【請求項5】 基板上に結晶膜を成長させるための第1
    および第2の原料をそれぞれ加熱して真空中に蒸発させ
    る成膜用蒸発源装置において、 頂部に開口を有すると共にほぼ中間部に隔壁を有し、当
    該隔壁のほぼ中央部には上方に絞られて突出する開口が
    形成され、前記第1の原料の構成元素との反応性の高い
    前記第2の原料の塊はその底部に、前記第1の原料は前
    記隔壁上に配置される容器と、 表面に前記第1の原料の構成元素との反応生成物を有す
    る前記第2の原料の塊を蒸発させて前記第2の原料の膜
    を前記容器内面に堆積させるのに十分な温度に前記容器
    の底部を加熱する原料塊加熱手段と、 前記容器の前記隔壁下方の側壁を加熱して前記第2の原
    料の膜を蒸発させる原料膜加熱手段と、 前記容器の前記隔壁上部の側壁を加熱して前記第1の原
    料を蒸発させる加熱手段とを備えることを特徴とする成
    膜用蒸発源装置。
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