JPH097947A

JPH097947A - 分子線セル

Info

Publication number: JPH097947A
Application number: JP15483095A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kamibayashi; 厚上林
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ルツボ内で原料が消費されても分子線の蒸発
量を一定に保持出来る分子線セルを提供する。【構成】分子線セル２２は、ルツボ１０の外周壁面の
うち加熱源が設けられていない側の外周壁面部分を熱的
良導体１６で被覆してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、分子線セルに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】分子線エピタキシー法は、超高真空内に
設置させている基板上に、分子線セルから発生する蒸気
を分子線の形でルツボの開口部から取り出して、エピタ
キシャル層を形成する方法である。このため、分子線セ
ルのルツボ中には、原料（結晶構成元素）が収納されて
おり、ルツボの外周に設けられた加熱源を加熱すること
により、原料が加熱される。加熱された原料は、分子線
の蒸気の形で分子線セルから直進させることができる。
このため、基板上にエピタキシャル層を形成するとき
は、成膜を構成する結晶構成元素を各分子線セルの供給
源とすることによって、膜の構成元素比（組成比）を任
意に選定することが出来る。したがって、物性の優れた
エピタキシャル層を形成するためには、分子線セルから
の分子線の蒸発量を精度良くコントロール（制御）する
必要がある。また、分子線セルからの分子線の蒸発量
は、原料の温度により左右されるため、優れた物性を有
する半導体結晶を得るためには原料の温度変化を極力小
さくする必要がある。このような目的で開発された分子
線セルとして図２の構造を有する分子線セルがある（Ｐ
ｒｏｇｒｅｓｓＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈＣｈ
ａｒａｃｔ，１９７８，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．１５〜３
２，ＰｅｒｇｍｏｎＰｒｅｓｓＬｔｄ．参照）。

【０００３】図２は、従来の分子線セルの構造を説明す
るための部分断面図である。

【０００４】この分子線セル３９は、円筒状のルツボ３
０とその外周壁面の全体を覆うように設けた加熱源（ヒ
ータ）３２とリフレクター３４とシャッター３６とによ
って主として構成されている。この分子線セル３９は、
ルツボ３０の外周壁面全体を加熱源３２で被覆している
ので、原料温度を均一にし、かつ分子線の蒸発量をコン
トロールすることができる。

【０００５】しかし、ルツボの外周壁面全体に加熱源を
設けた従来の分子線セルでは、基板上にエピタキシャル
層（エピ層ともいう。）を成膜するとき、エピ層の結晶
組成分布を改善しかつ成長速度を高めるために、原料３
８が蒸気となって噴出するルツボ３０の開口部を開放さ
せてある。このため、ルツボの開口部近傍の温度が、ル
ツボ３０の円筒内の中心部温度に比べ低くなる。このよ
うな状態のもとで、ルツボ３０中に原料３８を供給して
ルツボ３０を加熱した場合、原料３８から分子線が発生
してルツボ３０の開口部にも飛来する。この分子線は加
熱源３２から熱を得ているが、開口部の温度は、ルツボ
３０の中心部よりも低いので、分子線の熱は急速に奪わ
れ、その結果、原料が再凝縮するという問題がある。こ
の再凝縮した原料がルツボの開口部近傍の内壁面に付着
する。

【０００６】この現象は、特に、ガリウム（Ｇａ）のよ
うに、融点が低く、しかも蒸気圧も低い原料を蒸発させ
た場合には、より顕著に現れる。このとき再凝縮した原
料を液滴ともいう。ルツボ３０の開口部内壁に液滴（原
料）が付着すると、この液滴は、加熱源３２からの温度
が加わって液滴自体の熱量がより活性な状態になってい
るため、真空容器中に蒸発させた他の原料と化合物を形
成し易くなる。化合物となった原料は、本来の化合物に
なる前の原料よりも一般に蒸気圧が高くなるので、より
低い温度で再蒸発する。この再蒸発した化合物が基板の
表面に到達して、基板の表面に付着した場合、化合物の
影響を受けて成膜時の結晶が異常成長して膜に欠陥が発
生する。したがって、所望の物性を有する結晶が得られ
ない。

【０００７】上述した問題点を解決するために開発され
た分子線セルとして図３に示す構造の分子線セルがあ
る。

【０００８】図３は、加熱源を局所的に設けた従来の分
子線セルの部分断面図である。

【０００９】この種の分子線セルとして、例えば文献Ｉ
（アドバイスエレクトロニクスシリーズ、分子線エピタ
キシー、倍風館発行、１９９４年、ｐ１８、「Ｋセルの
構造」参照）に開示されたものがある。

【００１０】この分子線セル４０は、ルツボ３０と加熱
源（ヒータ）３２とリフレクター３４とシャッター３６
とによって構成されている。また、ルツボ３０中に成膜
用の各種原料３８が供給されている。この分子線セル４
０の特徴としては、ルツボ３０の開口部に原料３８が付
着するのを防止するため、ルツボ３０の開口部付近に局
所的に加熱源３２を設けている点である。リフレクター
３４は、ルツボ３０の外周壁面を取り囲むように設けて
あり、ルツボ３０および原料３８を保温し、また外部か
らの温度の影響を遮断する役割をしている。

【００１１】また、シャッター３６は、ルツボ３０の開
口部側の上部に取付けられており、このシャッター３８
によりルツボ３０の開口部を開閉できる機構になってい
る。すなわち、目的とする結晶構成元素を分子線として
取り出すときは、シャッター３６を開にし、取り出さな
いときはシャッター３６を閉にする。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液滴を
防止した従来の分子線セルは、ルツボ３０の開口部近傍
に局所的に加熱源３２を設けているので、加熱源３２を
有するルツボ３０の開口部と加熱源から離れたルツボ部
分との間では熱放射によって温度勾配が生じてしまう。
すなわち、ルツボ３０の加熱源３２から離れたルツボ部
分の温度は、加熱源３２から離れれば離れるほど、熱放
射によりルツボ３０の開口部近傍の温度に比べて低くな
る。このため、ルツボ３０中に原料が供給された場合、
原料が消費されて少なくなればなるほど、原料温度が低
下するという問題がある。このため、基板に到達する分
子線の蒸発量が短期間に刻々変化するので、基板表面に
所望の組成を有する結晶構造のエピ層を形成することが
困難であった。

【００１３】そこで、ルツボ内で原料が消費されても分
子線の蒸発量を一定に保持出来る分子線セルが望まれて
いた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の分
子線セル４０によれば、ルツボと、このルツボの開口部
近傍の外周壁面の一部を覆うように設けた加熱源と、リ
フレクターを具えた分子セルにおいて、ルツボの外周壁
面のうち加熱源が設けられていない側の外周壁面部分を
熱的良導体で被覆してなることを特徴とする。なお、こ
の熱的良導体を高融点金属箔としても良いし、または高
融点金属を含む燒結膜としても良い。

【００１５】

【作用】この発明の分子線セルによれば、ルツボの開口
部側の外周壁面領域に加熱源を設けてあり、開口部とは
反対側のルツボの他端側の外周壁面領域に、この加熱源
に隣接させてまたは加熱源とは離間させて熱的良導体を
設けてある。従って、この分子線では、加熱源が設けら
れているルツボの外周壁面領域以外の外周壁面領域を熱
的良導体で被覆してある。このように熱的良導体を設け
ることにより、加熱源で加熱された熱は熱伝導の良い熱
的良導体を伝達して加熱源が設けられているルツボの外
周壁面領域以外のルツボの外周壁面領域を暖めるので、
外周壁面領域の加熱源側の温度とルツボの底面側の温度
との温度勾配は小さくなる。このため、分子線セルのル
ツボ内に原料を供給した場合、原料供給部分に対向する
ルツボの外周壁面領域も熱的良導体で被覆されているの
で、開口部近傍の温度は熱的良導体に被覆された外周壁
面領域の温度より高くなるが、熱的良導体に被覆された
外周壁面領域の温度は均一となる。このため、加熱源か
ら離れたところにあるルツボ内の原料の温度を均一に保
持することが出来る。その結果、ルツボ内に供給された
原料が消費されても原料の温度が低下することはなくな
るので、ルツボの開口部から発生する分子線の蒸発量を
常時均一にコントロールすることが出来る。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の分子線セ
ルの実施例につき説明する。なお、図１は、この発明が
理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関
係を概略的に示してあるにすぎない。

【００１７】図１は、この発明の分子線セルの実施例を
説明するための一部切欠斜視図である。

【００１８】この実施例の分子線セル２２は、ルツボ１
０、加熱源（ヒータ）１２、リフレクター１４、熱的良
導体１６およびシャッター１８によって構成されてい
る。ルツボ１０は、一端が開放端であって開口部１１が
形成されていて、他端側は閉端となって、全体的に円筒
状の形態を有している。このルツボ１０中の底部には原
料２０が収納されている。この実施例の分子線セル２２
は、熱的良導体１６を設けてある以外、従来の図３で説
明したセルとほぼ同様な構成になっている。この実施例
では、熱的良導体１６を、ルツボ１０の開口部１１の近
傍の外周壁面領域から離れた部分に設け、ルツボ１０の
外周壁面領域をこの熱的良導体１６で被覆してある。

【００１９】この熱的良導体１６は、少なくとも、原料
２０の周囲を取り巻くように、ルツボ１０の外周壁面領
域に連続する１つの帯状層（または膜）として、また
は、複数の互いに離間した帯状層（または膜）として設
けるのが良い。図１に示す実施例では、連続する１つの
帯状層として設けた例を示してある。尚、複数の帯状層
として設ける場合には、ルツボの中心軸すなわち管軸に
沿う方向に互いに離間させて設けても良いし、あるいは
管軸を中心とする円周方向に沿って互いに離間させて設
けても良い。あるいは、また、上述した場合とは異な
り、ルツボ１０の外周壁面上に熱的良導体１６を複数の
島状の領域として設けても良い。この実施例では、ルツ
ボ１０の材料を例えば超高真空中で良く脱ガス処理され
たＰＢＮ（ｐｙｌｏｌｙｔｉｃｂｏｒｎｎｉｔｒｉ
ｄｅ）とする。尚、ＰＢＮの代わりに、石英、モリブデ
ンまたはタンタルなどの材料を用いても良い。

【００２０】また、この実施例では、ルツボ１０の開口
部１１の近傍の外周壁面に設けた加熱源１２の材料とし
て、例えばタングステン（Ｗ）またはカーボン（グラフ
ァイト、ＳｉＣが表面にコーティングされたものを含
む。）を用いる。

【００２１】また、ルツボ１０の外周壁面領域に熱的良
導体１６を被覆する方法としては、以下のようにするの
が良い。

【００２２】第１の方法としては、熱的良導体１６とし
て高融点金属箔を用いる。この高融点金属箔を例えばス
テンレス、タンタル、モリブデンまたはカーボンなどと
する。これらの高融点金属箔を用いてルツボ１０の外周
壁面を被覆する。このとき、高融点金属箔とルツボの外
周壁面とは空隙部分ができないようにできるだけ密着さ
せてルツボ１０の外周壁面領域を被覆するのが良い。

【００２３】第２の方法としては、熱的良導体１６とし
て例えばカーボン粉末を用いてこのカーボン粉末を好適
な溶媒に溶かし、カーボンを含むペーストを用意する。
このペーストを加熱源１２以外のルツボ１０の外周壁面
に塗布する。その後、所定の加熱温度にしてペーストを
ルツボ１０の外周壁面に焼きつける（焼成する）。この
実施例では、焼付けられたカーボン膜を燒結膜と称す
る。

【００２４】この実施例では、熱的良導体１６でルツボ
１０の外周壁面を覆う領域は、少なくとも原料が供給さ
れる部分よりも広く覆うのが良い。

【００２５】また、ルツボ１０の外側にはリフレクター
１４が設けてある。尚、リフレクタ１４の材料として
は、例えばモリブデン箔またはモリブデン板、タンタル
箔およびステンレス板などを用いる。このリフレクター
１４は、既に説明したように、ルツボ１０および原料２
０を保温し、また、外部温度の影響を遮断する役割をし
ている。

【００２６】上述したことから理解できるように、従来
は加熱源をルツボの開口部近傍に局所的に設けているた
め、加熱源から離れた外周壁面領域で、加熱源側の温度
とルツボの底面側の温度との間に温度勾配を生じていた
が、この実施例では、熱的良導体１６により、加熱源１
２以外のルツボ１０の外周壁面を被覆してあるので、加
熱源以外のルツボ部分（該ルツボの加熱源から離れた部
分）にも熱伝導により熱が効率良く伝達され、加熱源か
ら離れた外周壁面領域の温度は、熱的良導体で被覆され
ている分、従来に比べて温度勾配を小さくできる。この
ため、ルツボ中に原料を供給した場合、原料から発生す
る分子線の蒸発量の変化も小さくなり、優れた結晶構造
を有するエピタキシャル層を形成することが出来る。ま
た、この実施例では、従来の分子線セルと同様に加熱源
をルツボの開口部近傍に局所的に設けているので、蒸気
圧の低い原料（例えばガリウム（Ｇａ））を蒸発させた
場合でも、原料がルツボの開口部内壁に液滴となって付
着することはなくなる。

【００２７】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の分子線セルによれば、ルツボの外周壁面のうち加
熱源が設けられていない側の外周壁面部分を熱的良導体
により被覆してある。このため、ルツボ中の原料が消費
されても分子線の蒸発量は従来に比べてその変化量が小
さくなるので、安定した分子線の蒸発量が得られる。し
たがって、成膜時の結晶組成の制御が容易になるため、
優れた成膜が可能になる。

【００２８】また、この発明の分子線セルには、従来と
同様にルツボの開口部近傍に局所的に加熱源を設けてあ
るので、ルツボの開口部の内壁に液滴が付着することは
ない。このため、液滴が他の物質と化合して化合物を作
り、この化合物が成膜中に混入して膜欠陥が発生するこ
とがなくなるので、優れた物性を有する半導体結晶膜
（エピ層）が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す分子線セルの構造を概略的に示す
一部切欠斜視図である。

【図２】従来の分子線セルの構造を概略的に示す一部切
欠斜視図である。

【図３】従来の分子線セルの構造（局所的に加熱源を設
けた）を概略的に示す一部切欠斜視図である。

【符号の説明】

１０：ルツボ１１：開口部１２：加熱源（ヒータ）１４：リフレクター１６：熱的良導体１８：シャッター２０：原料２２：分子線セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ルツボと、該ルツボの開口部近傍の外周
壁面の一部を覆うように設けた加熱源と、リフレクター
とを具えた分子線セルにおいて、前記ルツボの外周壁面のうち、前記加熱源が設けられて
いない側の外周壁面部分を熱的良導体で被覆してなるこ
とを特徴とする分子線セル。
【請求項２】請求項１に記載の分子線セルにおいて、前記熱的良導体を高融点金属箔としてなることを特徴と
する分子線セル。
【請求項３】請求項１に記載の分子線セルにおいて、前記熱的良導体を高融点金属を含む燒結膜としてなるこ
とを特徴とする分子線セル。