JP2825974B2 - Molecular beam source container - Google Patents

Molecular beam source container

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武 柄沢
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、各種の電子デバイス、光デバイスなど、高
度に制御された薄膜を用いた積層構造の形成などに好適
に用いられる薄膜成膜方法の一つである分子線エピタキ
シー法において用いられる分子線エピタキシー装置(MB
E装置)の固体原料を入れるための分子線源容器に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a thin film forming method suitably used for forming a laminated structure using a highly controlled thin film, such as various electronic devices and optical devices. Molecular beam epitaxy equipment (MB used in molecular beam epitaxy method)
E device) for the molecular beam source container for containing the solid raw material.

[従来の技術] 分子線エピタキシー法は、超高真空を利用した非平衡
状態における成膜方法であることから、きわめて清浄な
環境での低温プロセスであり、また、分子線の機械的シ
ャッターによる断続により急峻な界面を形成できるた
め、薄膜結晶成長の科学的研究から応用開発にいたるま
で幅広く利用されている技術である。
[Prior art] The molecular beam epitaxy is a non-equilibrium film forming method using an ultra-high vacuum, and therefore is a low-temperature process in an extremely clean environment. Because it can form a steeper interface, this technology is widely used from scientific research on thin film crystal growth to application development.

すなわち、分子線エピタキシー法では、通常Kセル
(クヌードセンセル)と呼ばれている分子線源容器に原
料を入れ、そのセルの周囲に設けられたタングステンな
どのヒーターで例えば100〜1200℃にセルを加熱し、10
-9〜10-11Torr程度の高真空にして原料を蒸発させ、基
板上へ原料分子あるいは原子を、分子線源から分子線の
形で供給し、薄膜を形成する手法である。かかる分子線
エピタキシー法は、極めて薄い膜を制御よく形成するこ
とができるので、薄膜の形成手法として、近年、頻繁に
用いられてきている。
That is, in the molecular beam epitaxy method, a raw material is put into a molecular beam source container usually called a K cell (Knudsen cell), and heated to, for example, 100 to 1200 ° C. by a heater such as tungsten provided around the cell. Heat the cell, 10
In this method, the raw material is evaporated by applying a high vacuum of about -9 to 10 -11 Torr, and the raw material molecules or atoms are supplied to the substrate in the form of a molecular beam from a molecular beam source. Since such a molecular beam epitaxy method can form an extremely thin film with good control, it has been frequently used in recent years as a method of forming a thin film.

原料として固体原料を用いる場合は、Kセルと呼ばれ
る耐熱、耐蝕性に優れた物質を用いて作られた坩堝(通
常はグラファイト、窒化硼素(PBN)または石英ガラス
から作られている。)、すなわち、分子線源容器に原料
を入れ、それを上述のように高真空、加熱下で分子線を
発生させて薄膜を形成している。また気体原料の場合に
は、クラッキングなどにより必要な分子線として取り出
している。
When a solid raw material is used as a raw material, a crucible (usually made of graphite, boron nitride (PBN) or quartz glass) made of a material having excellent heat and corrosion resistance called a K cell, that is, A raw material is put in a molecular beam source container, and a molecular beam is generated under high vacuum and heating as described above to form a thin film. In the case of a gaseous raw material, it is extracted as a necessary molecular beam by cracking or the like.

固体原料には、例えば、Zn、Cd、Asなどのように元素
のもの、CdS、ZnSなどのように化合物のものとがあり、
また、それらは加工によって、ロッド、チャンク、粉末
などの異なった形態をとっている。金属などは加工、成
形が比較的容易であることから、かなり高純度のものが
目的に応じた形状で得られる。しかし、すべてにおいて
このようなことが可能なわけではなく、特に、化合物な
どでは粉末状のものでなければ所望の純度の原料が得ら
れない場合も少なくない。
Solid raw materials include, for example, elements such as Zn, Cd, and As, and compounds such as CdS and ZnS, and the like.
They also take different forms, such as rods, chunks, powders, etc., depending on the processing. Since metal and the like are relatively easy to process and form, a highly pure metal can be obtained in a shape suitable for the purpose. However, this is not always possible in all cases, and in particular, there are many cases where a raw material having a desired purity cannot be obtained unless a compound or the like is in a powder form.

第2図に固体粉末原料が入れられた従来の分子線源容
器の断面図を示す。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional molecular beam source container containing a solid powder material.

上部に容器の開口1を有し、底部2と側壁3とからな
る管状の容器である。分子線源となる固体粉末原料4が
容器内部に入れられており、この分子線容器の周囲には
ヒーター(図示せず)が設けられており、原料4は、前
述したごとく、高真空で加熱され分子線として、容器の
開口1から取り出される。
It is a tubular container having an opening 1 of the container at the top and comprising a bottom 2 and side walls 3. A solid powder raw material 4 serving as a molecular beam source is placed inside the container, and a heater (not shown) is provided around the molecular beam container, and the raw material 4 is heated under high vacuum as described above. Then, it is taken out from the opening 1 of the container as a molecular beam.

[発明が解決しようとする課題] 分子線エピタキシー法において、分子線強度の制御は
温度によりなされ、原料がロッドあるいはチャンクの場
合にはその安定度は比較的良好であり、一回あたりの成
膜の間、例えば数時間程度であれば、ひとたび原料の温
度が一定となった後はほぼ一定強度の分子線が得られ
る。しかし粉末状の原料を用いる場合には、容器内の原
料の残存量による影響が大きく、特に、分子線を得るた
めに必要な加熱温度が高く、原料の消費量が多い場合に
は、数時間程度の成膜であっても均一な分子線強度の保
持が困難となる。
[Problems to be Solved by the Invention] In the molecular beam epitaxy method, the molecular beam intensity is controlled by the temperature, and when the raw material is a rod or a chunk, the stability is relatively good. During this period, for example, for several hours, a molecular beam having almost constant intensity is obtained once the temperature of the raw material becomes constant. However, when a powdery raw material is used, the effect of the residual amount of the raw material in the container is large. Particularly, when the heating temperature required for obtaining the molecular beam is high and the raw material consumption is large, several hours are required. It is difficult to maintain a uniform molecular beam intensity even if the film is formed to a certain degree.

分子線エピタキシー法による成膜において、薄膜結晶
構造、特に超格子構造の制御には、安定した分子線が必
要である。
In film formation by the molecular beam epitaxy method, a stable molecular beam is required for controlling a thin film crystal structure, particularly, a superlattice structure.

本発明は、分子線エピタキシー法による成膜におい
て、安定した分子線の供給が可能な分子線源容器を提供
することを目的とするものである。
An object of the present invention is to provide a molecular beam source container capable of supplying a stable molecular beam in film formation by a molecular beam epitaxy method.

[課題を解決するための手段] 本発明は上記課題を解決するため、上部に開口を有す
る管状の容器であって、内部に固体原料を入れ加熱する
ことにより原料の分子線を発生させるために用いる容器
内部に、前記固体原料の収納用補助棚が設けられてお
り、前記補助棚はそのほぼ中央部に開口部を有し、か
つ、前記補助棚の開口部の周辺部に容器の前記開口方向
に向かって突出した壁を有することを特徴とする分子線
源容器を提供するものである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention is directed to a tubular container having an opening at the top, in which a solid raw material is placed inside and heated to generate a molecular beam of the raw material. An auxiliary shelf for storing the solid raw material is provided inside the container to be used, the auxiliary shelf has an opening at a substantially central portion thereof, and the opening of the container is provided around the opening of the auxiliary shelf. An object of the present invention is to provide a molecular beam source container having a wall protruding in a direction.

[作用] 本発明の分子線源容器は、ほぼ中央部に開口部を有
し、かつ、前記開口部周辺部が容器の開口方向に向かっ
て突出した壁を有する固体原料の収納用補助棚を有して
おり、原料は容器底部だけでなく、この補助棚にも入れ
られるので、このような内部構造を有する容器を用いる
ことにより、得られる分子線は容器内の上部及び下部か
らの平均となるために、原料の残存量、すなわち原料最
上部の位置が次第に容器底部に向かって下降することに
よる影響を受けることが少なく、安定した強度の分子線
が得られるのである。
[Operation] The molecular beam source container according to the present invention has an auxiliary shelf for storing a solid raw material having an opening at a substantially central portion and having a wall whose peripheral portion protrudes toward the opening direction of the container. Since the raw material can be put not only in the bottom of the container but also in this auxiliary shelf, by using a container having such an internal structure, the molecular beam obtained can be averaged from the upper and lower parts in the container. Therefore, the residual amount of the raw material, that is, the position of the uppermost part of the raw material is less affected by gradually lowering toward the bottom of the container, and a molecular beam having a stable intensity can be obtained.

[実施例] 以下、図面に基づいて実施例を詳細に説明する。Embodiment An embodiment will be described below in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明による一実施例の分子線源容器の概念
図であり、第1図(a)が分子線源容器の開口部側から
見た平面図であり、また、第1図(b)が第1図(a)
のA−A′における分子線源容器の断面図である。
FIG. 1 is a conceptual view of a molecular beam source container according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a plan view seen from the opening side of the molecular beam source container. FIG. 1 (a) shows b)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the molecular beam source container taken along line AA ′ of FIG.

本発明実施例の分子線源容器は、上部に容器の開口1
を有し、側壁3と底部2とが一体になって形成された管
状の容器である。容器の側壁3の内部には、固体原料の
収納用補助棚6が設けられており、前記補助棚6はその
ほぼ中央部に開口部7が設けられており、その棚の下方
に存在する原料の分子線が通過出来るようになってい
る。固体原料の収納用補助棚6の開口部7の周辺部は、
容器の開口1の方向に向かって突出した壁8を有し、容
器側壁3と、壁8を有する固体原料収納用補助棚6とで
囲まれた原料収納用空間部9にも分子線源となる固体原
料が収納できるようになっている。
The molecular beam source container according to the embodiment of the present invention has an opening 1
And a tubular container in which the side wall 3 and the bottom 2 are integrally formed. Inside the side wall 3 of the container, there is provided an auxiliary shelf 6 for accommodating the solid raw material, and the auxiliary shelf 6 has an opening 7 at a substantially central portion thereof, and the raw material existing below the shelf is provided. Molecular beam can pass through. The periphery of the opening 7 of the auxiliary shelf 6 for storing solid raw materials is
A raw material storage space 9 which has a wall 8 protruding toward the direction of the opening 1 of the container and is surrounded by a container side wall 3 and a solid raw material storage auxiliary shelf 6 having the wall 8 also has a molecular beam source. Can be stored.

本発明の分子線源容器を構成する材料は、充分な耐熱
性を有し、かつ各種の原料と反応することなく、また、
超高真空における使用に際して脱ガスのないものを必要
とするため、窒化硼素(PBN)や、グラファイトあるい
は石英ガラスなどが好ましく用いられる。
The material constituting the molecular beam source container of the present invention has sufficient heat resistance, and does not react with various raw materials,
Since a material that does not degas is required for use in an ultra-high vacuum, boron nitride (PBN), graphite, quartz glass, or the like is preferably used.

また、分子線源容器に設けられる固体原料の収納用補
助棚6の数は1つ以上であり、原料の種類や、どの程度
の薄膜を作成するか、薄膜形成時間その他によって異な
るので一概に規定しがたいが、通常1〜5段程度設ける
のが好ましい。
The number of the auxiliary shelves 6 for storing the solid raw material provided in the molecular beam source container is one or more, and it depends on the kind of the raw material, how much thin film is to be formed, the thin film forming time, and the like. However, it is usually preferable to provide about 1 to 5 steps.

開口部7の大きさも特に制限するものではないが、通
常容器の横断面の面積の5〜20%程度の大きさにするこ
とが好ましい。
Although the size of the opening 7 is not particularly limited, it is usually preferable to set the size to about 5 to 20% of the area of the cross section of the container.

分子線源容器の大きさについては、用いる装置の大き
さによって異なるので、一概に規定しがたいが、通常
は、容器の径が10〜50mm、長さが20〜200mm程度であ
る。
Since the size of the molecular beam source container differs depending on the size of the apparatus used, it is difficult to specify the size, but usually, the diameter of the container is about 10 to 50 mm and the length is about 20 to 200 mm.

次に、第2図、第3図に基づいて、従来の分子線源容
器(以下セルと略称する。)と本発明のセルとによる分
子線強度の比較を示す。なお、第3図は本発明の一実施
例のセルの断面図(ただし、固体粉末原料が入れられた
状態。)であり、固体粉末原料4が挿入されている以外
は実質的に第1図(b)と同一であるので、同一部分は
第1図(b)と同一の符号を付して各部分の説明は省略
した。
Next, based on FIGS. 2 and 3, a comparison of molecular beam intensity between a conventional molecular beam source container (hereinafter abbreviated as a cell) and the cell of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view of a cell according to an embodiment of the present invention (however, a state in which a solid powder raw material is inserted). FIG. 1B, the same parts are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1B, and the description of each part is omitted.

粉末原料の一例としてCdSを用いた実験を行なった。
通常の分子線エピタキシー装置を用い、成長室内の真空
度は約5×10-10Torrにした。分子線強度はマニピュレ
ーターに取り付られた電離真空計により測定される。従
来のセル(第2図)および本発明のセル(第3図)にそ
れぞれ図のごとく固体粉末原料4としてCdS粉末を入
れ、分子線強度が2×10-6Torrとなるようにするための
セル加熱ヒーターの設定温度の時間変化を測定した。
An experiment using CdS as an example of a powder raw material was performed.
Using a conventional molecular beam epitaxy apparatus, the degree of vacuum in the growth chamber was set at about 5 × 10 −10 Torr. The molecular beam intensity is measured by an ionization vacuum gauge attached to the manipulator. A CdS powder was added as a solid powder raw material 4 to the conventional cell (FIG. 2) and the cell of the present invention (FIG. 3) as shown in the figure, so that the molecular beam intensity became 2 × 10 −6 Torr. The time change of the set temperature of the cell heater was measured.

その結果を第4図に示した。第4図の10が第3図に示
した本発明の実施例のセルを用いた場合で、11が第2図
に示した従来のセルを用いた場合を示している。11のよ
うに従来のセルでは分子線強度を一定に保つのに要する
設定温度が時間とともに変化してしまうのに比べ、本発
明のセルの場合には第4図10のように数時間は一定であ
るため、粉末状の原料を用いる場合であっても、通常の
一回あたりの成膜の間はきわめて安定した分子線が得ら
れることがわかる。
The results are shown in FIG. 4 shows the case where the cell of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is used, and 11 shows the case where the conventional cell shown in FIG. 2 is used. In the conventional cell as shown in FIG. 11, the set temperature required to keep the molecular beam intensity constant changes with time, whereas in the case of the cell of the present invention, several hours are constant as shown in FIG. Therefore, it can be seen that even when a powdery raw material is used, an extremely stable molecular beam can be obtained during the usual one-time film formation.

[発明の効果] 本発明によれば、分子線エピタキシー法で薄膜などを
製造する場合に長時間にわたり安定した強度の分子線が
得られ、しかもそのために複雑な温度制御のためのフィ
ードバック系を必要とせずに高精度の分子線強度を可能
に出来る分子線源容器を提供できる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, when a thin film or the like is manufactured by a molecular beam epitaxy method, a molecular beam having a stable intensity can be obtained for a long time, and a feedback system for controlling a complicated temperature is required. It is possible to provide a molecular beam source container capable of achieving a high-precision molecular beam intensity without using the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明による一実施例の分子線源容器の概念図
であり、第1図(a)が分子線源容器の開口部側から見
た平面図、第1図(b)が第1図(a)のA−A′にお
ける分子線源容器の断面図、第2図は従来の分子線源容
器に固体粉末原料を入れた状態の断面図、第3図は本発
明の一実施例の分子線源容器に固体粉末原料を入れた状
態の断面図、第4図は同一の分子線源強度を得るのに要
する分子線源容器加熱ヒーターの設定温度の時間変化を
示す図である。 1……容器の開口、2……底部、3……側壁、4……固
体粉末原料、6……固体原料の収納用補助棚、7……開
口部、8……突出した壁、9……原料収納用空間部、10
……本発明、11……従来例。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a molecular beam source container according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1 (a) is a plan view of the molecular beam source container viewed from the opening side, and FIG. 1A is a cross-sectional view of the molecular beam source container taken along line AA 'of FIG. 1A, FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional molecular beam source container in which a solid powder raw material is placed, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a solid powder raw material is placed in a molecular beam source container of the example. FIG. . DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Opening of container, 2 ... Bottom part, 3 ... Side wall, 4 ... Solid powder raw material, 6 ... Storage shelf of solid raw material, 7 ... Opening, 8 ... Projected wall, 9 ... ... space for storing raw materials, 10
... the present invention, 11 ... conventional examples.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三露 常男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−305895(JP,A) 特開 昭59−64594(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/203──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tsuneo Sanro 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-1-305895 (JP, A) JP-A Sho 59-64594 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/203

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】上部に開口を有する管状の容器であって、
内部に固体原料を入れ加熱することにより原料の分子線
を発生させるために用いる容器内部に、前記固体原料の
収納用補助棚が設けられており、前記補助棚はそのほぼ
中央部に開口部を有し、かつ、前記補助棚の開口部の周
辺部に容器の前記開口方向に向かって突出した壁を有す
ることを特徴とする分子線源容器。
1. A tubular container having an opening at an upper part thereof,
An auxiliary shelf for storing the solid raw material is provided inside a container used to generate a molecular beam of the raw material by putting the solid raw material therein and heating the auxiliary raw shelf, and the auxiliary shelf has an opening at a substantially central portion thereof. A molecular beam source container having a wall protruding toward the opening direction of the container around the opening of the auxiliary shelf.
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