JP3616993B2 - 温度勾配付き電子冷却・加熱器及びそれを用いた成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はペルチェ効果を用いた熱電素子を用いて構成される、例えば薄膜生成や物性サンプルの温度依存を調べる際に用いて好適な温度勾配付き電子冷却・加熱器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェ効果を利用した熱電素子（ペルチェ素子）は例えば電子冷却器として、半導体レーザや赤外線センサなどの冷却に広く用いられている。
図７はペルチェ素子を模式的に示したものであり、Ｐ型半導体１１とＮ型半導体１２とよりなる熱電半導体の対（熱電対）に電流を流すと、ペルチェ効果により一方の端面１３から他方の端面１４へと熱が運ばれ、その結果端面１３が冷却される。図中、１５は接合用金属を示し、１６，１７はそれぞれ冷却部、放熱（加熱）部を示す。
【０００３】
端面１３から運び出される熱量はＳＴＩに比例する。ここで、Ｓはゼーベック係数、Ｔは温度、Ｉは電流である。効率よく冷却するためには、Ｓの大きい半導体材料が必要となる。また、ジュール熱の発生による冷却効果の損失を抑えるために電気抵抗率ρが小さいこと、および冷却部と放熱（加熱）部の温度差を大きく保つために熱伝導率κが小さいことも要求される。
熱電半導体材料の性能は、次式で表される性能指数Ｚで評価される。
Ｚ＝Ｓ^２ ／κρ
室温領域でＺの大きい材料として現在使われているのはビスマステルル系化合物である。
【０００４】
従来はペルチェ素子にビスマステルル系化合物製の熱電対を用いて、一定の冷却温度を達成する仕様とされ、即ちペルチェ素子は基本的に冷却機能のみを利用するものとなっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、３元あるいは４元以上の組成の複雑な物質が機能性材料として開発されるようになってきている。例えば、高温超伝導体（ＹＢａ_２ Ｃｕ_３ Ｏ_７−Ｘ など）や強誘電体（ＰｂＺｒ_ｘ Ｔｉ_１−ｘ Ｏ_３ など）、半導体超格子（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰなど）といった材料で、いずれも機能を最適化するための組成や生成条件を少ない時間と労力で調べる手法が望まれている。これらの材料は薄膜の形で生成されることも多い。
【０００６】
薄膜生成において、成膜温度は最も重要なパラメータのひとつであり、最適条件を知るためには各温度においてそのたびに成膜を行う必要がある。これは基板加熱機構が一般に場所依存がないように、広い領域で一定温度を実現することを目指しているためである。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、例えば薄膜生成用基板や物性サンプルに連続的な温度勾配（温度変化）をつけることを可能とする温度勾配付き電子冷却・加熱器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、温度勾配付き電子冷却・加熱器は、ペルチェ素子と、そのペルチェ素子の冷却部と加熱部とを繋いで設置された低熱伝導板とを具備し、ペルチェ素子の駆動によって低熱伝導板上に温度勾配が生成される構造とされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、ペルチェ素子のＰ型半導体とＮ型半導体とよりなる熱電対の配列を保護する保護板がその配列面の両面に設けられる。
【０００８】
請求項３の発明では請求項１乃至２のいずれかの発明において、電子冷却・加熱器全体を加熱する手段もしくは冷却する手段を具備するものとされる。
請求項４の発明によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載された温度勾配付き電子冷却・加熱器の低熱伝導板上に薄膜生成用基板を搭載し、低熱伝導板上に温度勾配を生成した状態で、薄膜生成用基板上にマスクを介して複数の薄膜サンプルを成膜することにより、成膜温度の異なる薄膜サンプルを同時に成膜するものとされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による温度勾配付き電子冷却・加熱器の一実施例を示したものであり、この例では温度勾配付き電子冷却・加熱器２１はペルチェ素子２２と低熱伝導板２３とによって構成されている。
ペルチェ素子２２は図２に示したように、Ｐ型半導体２４とＮ型半導体２５とよりなる熱電対が平行並列に複数配列され、電気的にはそれらが直列接続されたものとなっており、電流を流すことにより、一方の端面は冷却され、他方の端面は加熱されるものとなる。図中、２６は接合用の金属を示し、２７はリード線を示す。
【００１０】
電流のバイパスを防ぐため、冷却部２８及び加熱部２９と熱電対との間には薄い絶縁層３１を挟む。冷却部２８及び加熱部２９は共に例えば銅などの熱伝導率のよい金属で構成する。絶縁層３１は熱伝導率が高く、薄い絶縁体が望ましい。絶縁層３１には例えばセラミクスが用いられる。
上記のような構造を有するペルチェ素子２２に対し、この例ではＰ型半導体２４とＮ型半導体２５とよりなる熱電対の配列を保護する保護板３２が図１に示したように、その配列面の両面に設けられる。
【００１１】
この一対の保護板３２により、熱電対全体は保護されて外部と絶縁され、また機械的強度が補強されるものとなる。なお、熱の逆流を防いで冷却面と加熱面との温度差を保つため、保護板３２には断熱効果の高い材料を用いる。そのような材料としては例えば泡ガラスや多孔性セラミクスがあげられる。
低熱伝導板２３は図１に示したように、ペルチェ素子２２の冷却部２８と加熱部２９とを繋いで設置される。ペルチェ素子２２を駆動することにより、この低熱伝導板２３上に冷却部２８と加熱部２９との大きな温度差に対して連続的な（リニアな）温度勾配が生成される。
【００１２】
つまり、従来のペルチェ素子は一般に冷却面のみを利用するものであったのに対し、この例では従来利用されることのなかった冷却面と放熱面との温度勾配を積極的に利用して連続的な温度勾配（温度変化）が得られるものとなっている。次に、この温度勾配付き電子冷却・加熱器２１を利用して成膜を行う場合について説明する。
図３Ａは温度勾配付き電子冷却・加熱器２１に薄膜生成用基板３３を取り付けた状態を示したものであり、薄膜生成用基板３３は取り付け治具３４により、その両端が固定されて低熱伝導板２３上に搭載される。
【００１３】
図４は温度勾配付き電子冷却・加熱器２１に搭載された薄膜生成用基板３３が成膜装置４１に設置された状態を示したものであり、この例では温度勾配付き電子冷却・加熱器２１全体を液体窒素冷却することにより、理想的にはＴ_０ ＝７８Ｋを中心に温度勾配ΔＴを薄膜生成用基板３３につけられるものとなっている。図４中、４２はチャンバを示し、このチャンバ４２内に支持具４３で支持されているホルダ４４に温度勾配付き電子冷却・加熱器２１が挿入・装着されている。液体窒素は液体窒素シュラウド４５にパイプ４６を通じて導入・排気され、液体窒素シュラウド４５はベローズ４７によって、その高さが調整されて温度勾配付き電子冷却・加熱器２１の背面に接触される。
【００１４】
なお、図では簡略化しているが、温度勾配付き電子冷却・加熱器２１はホルダ４４に装着されることにより、外部の電流導入端子４８と接続されたリード線４９と接触して通電することができる構造となっている。
この図４に示した構成によれば、温度勾配付き電子冷却・加熱器２１全体を裏側から液体窒素シュラウド４５で冷却し、その状態でさらに温度勾配付き電子冷却・加熱器２１に電流を流すことにより、冷却温度をほぼ中心にして温度勾配が実現する。この状態でマスク（図示せず）を介して薄膜生成用基板３３に成膜を行うと、冷却温度付近で成膜温度の異なる複数の薄膜サンプルを同時に、つまり一回の成膜プロセスで得ることができるものとなる。
【００１５】
一方、図５は上記のような冷却手段ではなく、成膜装置４１に温度勾配付き電子冷却・加熱器２１全体を加熱する手段を設けた例を示したものであり、この例では加熱手段としてランプヒータ５１を用いたものとなっている。
ランプヒータ５１は図に示したように、ホルダ４４内に設置されており、これにより室温から６００℃程度の間の任意の温度Ｔ_０ を中心に温度勾配ΔＴをつけられるものとなっている。図中、５２はランプヒータ５１のランプを示し、５３はシェイドを示す。
【００１６】
この例では温度勾配付き電子冷却・加熱器２１を裏側からランプヒータ５１で加熱した状態で、温度勾配付き電子冷却・加熱器２１に電流を流し、成膜を行うことにより、加熱温度付近で成膜温度の異なる複数の薄膜サンプルを一回の成膜プロセスで得ることができる。
このように、温度勾配付き電子冷却・加熱器２１を用いて薄膜生成用基板３３に温度勾配を形成し、その状態で成膜を行うことにより、他の成膜条件が完全に同じ状況で、複数の温度条件での成膜結果を一度に得ることができる。
【００１７】
従って、例えば薄膜材料の開発において、その成膜温度依存性の調査（測定）に要する時間を大幅に短縮することができる。また、連続的な温度変化を観察することで、変化の傾向や構造相転移といったクリティカルな温度を見逃さずにとらえることができる。
薄膜生成用基板３３の両端につく温度差は、薄膜生成用基板３３の大きさなどの条件に依存するが、最大で１００Ｋ程度を想定している。なお、実際には両端に温度センサ用の熱電対を装着することにより温度差を実測することができる。
【００１８】
ペルチェ素子２２の熱電対（Ｐ型半導体２４，Ｎ型半導体２５）に用いる熱電材料については、使用する温度領域で最も熱電変換効率のよい材料が異なる。現在までに知られている熱電材料で例をあげると、室温を中心に温度勾配をつける場合はビスマステルル（Ｂｉ_２ Ｔｅ_３ ）系化合物が適当である。
また、ランプヒータ５１などにより加熱し、高温を中心に温度勾配をつけて使用する場合、３００℃以上で効率がよい材料としては、Ｓｉ−Ｇｅ混晶材料、ＰｂＴｅ系化合物あるいはスクッテルダイト系材料があげられる。低温ではＢｉ−Ｓｂ系材料を用いる。
【００１９】
図６は成膜温度と共に例えば組成も異なる薄膜サンプルを同時に成膜できるようにした構成の一例を模式的に示したものである。
成膜される薄膜は構成元素ＡとＢとよりなる２元組成とされ、蒸着によって成膜される。図中、６１は元素Ａの蒸着源を示し、６２は元素Ｂの蒸着源を示す。薄膜生成用基板３３は温度勾配付き電子冷却・加熱器２１に前述した図３Ａと同様に取り付けられており、この薄膜生成用基板３３にマスク６３を介して複数の薄膜サンプルが成膜される。
【００２０】
成膜において、この例では元素Ｂの蒸着量は一定とし、元素Ａの蒸着量が変化するように構成されており、即ち蒸着源６１の前方に透過量調整板６４が配置されている。透過量調整板６４は図に示したように、例えばのこ歯状の溝を有するもので透過量がＸ方向に変化するものとなっている。なお、必要に応じ、透過量調整板６４をＹ方向に振動させることにより平均化する。
この構成によれば、薄膜生成用基板３３に成膜される薄膜サンプルは元素Ａの蒸着量と成膜温度との両者が変化したものとなる。図３Ｂは薄膜生成用基板３３上に成膜された薄膜サンプル６５を模式的に示したものであり、組成変化と温度変化の情報が１回の成膜プロセスで得られるものとなる。
【００２１】
以上、温度勾配付き電子冷却・加熱器２１を成膜に用いる場合について説明したが、これに限らず、例えば物性サンプルの温度依存性の調査、化学反応サンプルの多様な温度条件下での反応実験、電子顕微鏡による観察試料の加熱・冷却等、各種用途に用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による温度勾配付き電子冷却・加熱器によれば、大きな温度差とその温度差に対する均一な温度勾配（リニアな温度勾配）が得られるため、薄膜生成用基板や物性サンプルに温度勾配をつけることができ、よって薄膜サンプルの成膜温度依存性や物性サンプルの温度依存性等の測定・調査において、複数の温度条件での結果を一度に得られるものとなり、その点で測定・調査の時間を大幅に短縮することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは側面図、Ｃは断面図。
【図２】Ａは図１におけるペルチェ素子の平面図、Ｂはその側面図。
【図３】Ａは図１に示した温度勾配付き電子冷却・加熱器に薄膜生成用基板が取り付けられた状態を示す平面図、Ｂは薄膜生成用基板に複数の薄膜サンプルが成膜された状態を模式的に示した図。
【図４】冷却手段と共に温度勾配付き電子冷却・加熱器が成膜装置に設置された状態を示す概略図。
【図５】加熱手段と共に温度勾配付き電子冷却・加熱器が成膜装置に設置された状態を示す概略図。
【図６】成膜温度と組成の両者が異なる複数の薄膜サンプルを一回の成膜プロセスで成膜する方法を説明するための図。
【図７】ペルチェ素子の模式図。

Claims (4)

1. ペルチェ素子と、
   そのペルチェ素子の冷却部と加熱部とを繋いで設置された低熱伝導板とを具備し、
   上記ペルチェ素子の駆動によって上記低熱伝導板上に温度勾配が生成される構造とされていることを特徴とする温度勾配付き電子冷却・加熱器。
2. 請求項１記載の温度勾配付き電子冷却・加熱器において、
   上記ペルチェ素子のＰ型半導体とＮ型半導体とよりなる熱電対の配列を保護する保護板がその配列面の両面に設けられていることを特徴とする温度勾配付き電子冷却・加熱器。
3. 請求項１乃至２記載のいずれかの温度勾配付き電子冷却・加熱器において、
   電子冷却・加熱器全体を加熱する手段もしくは冷却する手段を具備することを特徴とする温度勾配付き電子冷却・加熱器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された温度勾配付き電子冷却・加熱器の低熱伝導板上に薄膜生成用基板を搭載し、
   上記低熱伝導板上に温度勾配を生成した状態で、上記薄膜生成用基板上にマスクを介して複数の薄膜サンプルを成膜することにより、成膜温度の異なる薄膜サンプルを同時に成膜することを特徴とする温度勾配付き電子冷却・加熱器を用いた成膜方法。

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