JP3774373B2

JP3774373B2 - 分子線源セル

Info

Publication number: JP3774373B2
Application number: JP2001076303A
Authority: JP
Inventors: 健太郎谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: JP2002275621A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分子線結晶成長装置などに用いられる分子線源セルに関する。より詳しくは、本発明はメンテナンスが簡便であり、信頼性の高い分子線源セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分子線結晶成長装置はＨＥＭＴや半導体レーザなどの化合物半導体デバイスを作製するためには欠かせない装置であり、超高真空にしたチャンバー中で分子線源材料を蒸発または昇華させて生じた分子線を加熱した基板上に照射することによって基板上に薄膜結晶を形成する。この装置には、分子線源材料を加熱して分子線を発生させるための分子線源セルが複数個取り付けられている。
近年、分子線成長装置の能力の向上、機能の拡充など精力的に研究、開発が進められており、特に、分子線源セルの改良に重点が置かれている。
【０００３】
従来の分子線源セルの構成を図３および図４に示す。従来の分子線源セル１００は、分子線源材料を収納するためのルツボ１０１と、ルツボを加熱するための１または複数のヒーター１０２と、ヒーター１０２の外周に設置され、ヒーター１０２からの熱を反射させるためのリフレクター１０３と、リフレクター１０３の外側に設置された水冷ジャケット１０４と、ルツボ１０１の温度を測定するための熱電対１０５とを含む。
水冷ジャケット１０４は、リフレクター１０３から外部への熱拡散を防止し、セル１００からの脱ガスを抑制する。さらに、この水冷ジャケット１０４はセルの外枠として機能する。従来の分子線源セルにおいて、水冷ジャケットの筐体は、一般に、直径の異なる２つの円筒からなる２重構造となっており、その中空部に、例えば、円筒になるようにらせん状に曲げた細長いパイプを挿入し、そのパイプに冷却水を流してセルを冷却する。ここでは、水冷ジャケットの筐体のみ図示している。
ルツボ１０１はその開口部外周にフランジ１０１ａを有し、水冷ジャケット１０４の筐体の上部内壁に棚状に突設された凸部１０４ａに上記フランジ１０１ａを接触させて、ルツボ１０１をセルに保持できるようになっている。ルツボは放出ガスの少ないＴａやＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）などの材料からなる。
ルツボを加熱するためのヒーター１０２は、コイル状でもリボン状でもよいが、ここではリボン状のヒーターを図示している。また、ヒーターはＴａやＭｏなどの材料からなる。
熱電対１０５は、ルツボをセル本体に装着したときにルツボ底部の温度を測定できるように配置されている。
【０００４】
ルツボ１０１のセル本体への装着について説明する。図４に示すように、セル本体中央部にルツボ１０１を挿入し、セル本体外枠となる水冷ジャケット１０４の上部内壁に突設された凸部１０４ａにルツボ１０１のフランジ１０１ａを接触させる。次に、該水冷ジャケットの凸部１０４ａの上方に開けられた複数の貫通孔１０４ｂにピン１０６を通し、複数のピン１０６によってルツボのフランジ１０１ａを凸部１０４ａに押さえ付けることによってルツボ１０１を固定する。
【０００５】
最後に、ルツボ１０１の中に分子線源材料１０８を充填し、図示しないチャンバー中、超高真空下でヒーター１０２に電力を加えて加熱してルツボ１０１内の材料を蒸発または昇華させて分子線を発生させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセルのルツボの固定方法は簡便でスペースを取らず、また、チャンバー上方からの落下物があってもルツボのフランジで蓋をしているのでセル内部には落ちないという利点がある。
しかし、材料充填時に、ルツボからの材料や装置内で浮遊している材料が水冷ジャケットの筐体とルツボのフランジが接触する部分に付着してルツボが外れないことや、外すために水冷ジャケットの筐体についた材料をこすらなければならないため、メンテナンスに時間がかかるのみならず筐体にダメージを与えたり、材料の入れすぎやセルの過熱により材料がルツボから溢れた時にセル内部に材料が流れ込み、ヒーターと反応してヒーターを断線させたり熱電対を短絡させたりしてセルの信頼性を低下させる問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の目的は信頼性およびメンテナンス性の高い分子線源セルを提供することにある。
すなわち、本発明は、上部内壁に棚状の凸部が設けられた外枠と、開口部外周にフランジを有するルツボとを含み、該ルツボのフランジを該外枠の凸部に密接させるようにして該ルツボを保持したとき該ルツボのフランジ面よりも該外枠の上端が突出している分子線源セルにおいて、さらに該ルツボのフランジ周辺部および該外枠の開口部を覆う保護手段を有することを特徴とする分子線源セルを提供する。
より詳しくは、本発明の分子線源セルによれば、ルツボのフランジ周辺部およびセル外枠の開口部の内壁が保護手段により覆われているために、ルツボ内部から溢れた分子線源材料等がセル内部に流れ込んでヒーターや熱電対を劣化させることなく、その結果、セルの信頼性を向上させることができる。
また、本発明の分子線源セルによれば、ルツボのフランジ周辺部、セル外枠の開口部の内壁および上端部が保護手段により覆われているために、ルツボやセルへ付着した分子線源材料を簡単に除去できるため、セルのメンテナンス性を向上させることができる。その結果、付着物との反応によるセル寿命の低下を抑えることができる。
【０００８】
さらに、本発明の分子線源セルにおいて、その外枠が水冷ジャケットにより構成され、該保護手段が水冷ジャケットの筐体と接していることにより温度がルツボに比べて低くなる。従って、該保護手段からの脱ガスも少なく、また、ルツボ内部から溢れ出た分子線源材料も該保護手段上で固化するので、セル内部に侵入することもない。
温度の低い保護手段により覆われるルツボのフランジ周辺領域は、該フランジの幅をＬとしたとき、該ルツボのフランジ外辺から距離０．９Ｌまでの領域である。すなわち、温度の低い保護手段は、ルツボの開口部から離れているので、ルツボに充填されている分子線源材料の温度に影響を与えることが少なくなり、安定した分子線源量を得ることができる。
【０００９】
さらに、該保護手段の材料として、セルやルツボの材料と熱膨張係数が等しいもの、特にＴａ、Ｗ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）、Ｍｏ、グラフィト、ベリリアを用いることを特徴としている。
すなわち、本発明によれば、該保護手段の材料の熱膨張係数をセルやルツボの熱膨張係数と合わせたため、該保護手段がセルやルツボに熱変化による応力を加えることがなく、その結果、セルの信頼性を損なうことがない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の分子線源セルを図面を参照して説明する。
図１Ａは本発明の分子線源セルの上部の斜視図であり、図１Ｂはその断面図である。本発明の分子線源セル１０は、開口部外周にフランジを有するルツボ１１と、分子線源材料を加熱するための１または複数のヒーター１２と、ヒーター１２からの熱を反射して、効率的に分子線源材料を加熱するためのリフレクター１３と、セル本体の外枠として機能する水冷ジャケット１４とを含む。上記の構成は図３および４で説明したものと同等なので説明を省く。本発明の分子線源セルには、さらに、ルツボのフランジ部１１ａと水冷ジャケット１４の開口部とを覆う保護手段が装着されている。
本発明の保護手段を用いれば、分子線源材料の固化により、ルツボがセル本体の外枠に付着して外れなくなることを防ぐことができる。この意味から、以下、本発明による保護手段を「防着板」という。
【００１１】
本発明の分子線源セルは、ルツボのフランジ部１１ａの周辺領域と水冷ジャケット１４上部の内壁に突設された凸部１４ａ上方の内壁とを覆うように防着板を装着することを特徴とする。
本発明の第１の実施形態の防着板１７は、底部と該底部の外周に立設された側壁部とからなり、該底部の中心部にはルツボ１１の開口部よりも大きな開口部が設けられている。この防着板は、セルにルツボが装着された状態でセル本体の開口部に嵌合できる形状であればよいが、一般に、分子線源セルの開口部の形状は円形であるので、防着板１７は円板状の底部と該底部の外周に立設された円筒状の側壁部とからなる。また、ルツボの開口部も通常円形であるので、防着板１７底部の中心領域に設けられた開口部も円形であり、好ましくは、該底部の外周と同心円状に設けられる。防着板１７底部に設けられた開口部の直径をＤａとし、フランジ外周の直径をＤｂおよびルツボ１１の開口部の直径をＤｂとしたとき、Ｄａ≧（Ｄｂ−Ｄｃ）／１０＋Ｄｃ＝０．１Ｄｂ＋０．９Ｄｃとなるようにする。すなわち、防着板が分子源材料の温度よりも低くても、ルツボの開口部から離れているために分子線源材料に悪影響を及ぼすことがない。
この防着板は、焼結または焼成により簡単に一体成型することができる。
【００１２】
次に、本発明の分子線源セルにおけるルツボの固定方法を説明する。図１Ｂに示すごとく、先ず、ルツボ１１をセル本体に挿入し、該ルツボのフランジ１１ａの周辺部を該水冷ジャケットの上部に突設された凸部１４ａに密着させる。次いで、防着板１７をその底部がフランジ１１ａに密着するように装着する。
このように、フランジ１１ａを凸部１４ａに密接させ、さらに防着板１７を装着したときに防着板１７の底部よりも上方となる水冷ジャケット筐体には、直径１ｍｍ程度の貫通孔１４ｂが設けられている。図１においては該貫通孔は等間隔に３箇所に設けられているが、該貫通孔は複数であれば３箇所に限定されない。また、同様に防着板１７にも水冷ジャケットに設けられた貫通孔１４ｂと適合する位置に直径１ｍｍ程度の貫通孔１７ａが設けられている。
ルツボ１１および防着板１７を装着した状態で、各貫通孔１４ｂおよびそれら各々に適合する貫通孔１７ａを同時に貫通するように止めピン１６を通して、ルツボ１１および防着板１７を固定する。
すなわち、ルツボ１１のフランジ１１ａの周辺部を該水冷ジャケットの凸部１４ａと防着板１７とではさみ、さらに、止めピン１６で防着板１７を押さえ込むことにより、ルツボ１１をセル本体に固定する。
【００１３】
本発明の第１の実施形態の分子線源セルによれば、ルツボのフランジ周辺領域および水冷ジャケット開口部の内壁を防着板で覆うことにより、水冷ジャケット開口部の防着板で覆われた部分には分子線源材料等が付着することがないので、メンテナンス時にルツボの交換が容易に行え、メンテナンス性を向上することができる。
【００１４】
防着板１７は温度の低い水冷ジャケット１４と接しているのでルツボ１１に比べて温度が低くなっている。そのために、もし、ルツボ内部から分子線源材料が溢れてきても、分子線源材料は温度の低い防着板１７を越えてセルの方向に進まないのでセル内部への分子線源材料の侵入を防ぎ、セルの信頼性を向上することができる。
【００１５】
また、防着板１７の開口部内周はルツボ１１の開口部からは離れている。そのために、ルツボの温度に影響をほとんど及ぼさず、安定した分子線量を得ることができる。さらに、防着板の温度が低いため、脱ガスも少なくデバイスに与える影響は見られない。
【００１６】
さらに、水冷ジャケット１４の上部のルツボのフランジと接する部分の材質の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有する材質で防着板を形成すれば、温度変化によって膨張板がセルに与える応力を減らすことができ、セルの信頼性を向上することができる。例えば、水冷ジャケットの材質がＴａ、ＷまたはＭｏであれば、防着板もＴａ、ＷまたはＭｏで形成すればよい。
また、ルツボの材質に合わせて、防着板の材質を決めることもできる。例えば、ルツボがＰＢＮで形成されていれば、防着板もＰＢＮで形成すればよいし、ルツボがＡｌ_２Ｏ_３、グラファイトまたはベリリアで形成されていれば、防着板もＡｌ_２Ｏ_３、グラファイトまたはベリリアで形成すればよい。
防着板の材質は、セルの材質の熱膨張係数またはルツボの材質の熱膨張係数のいずれかと同程度の熱膨張係数を有すればよいが、両者の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有するものがより好ましい。
【００１７】
また、本発明の第２の実施形態の分子線源セルにおいて、水冷ジャケットの開口部の上端も防着板で覆うことにより、さらに効果を向上させた。
図２に本発明の第２の実施形態の分子線源セル上部の斜視図（Ａ）およびその断面図（Ｂ）を示す。ここで第１の実施形態の分子線源セルと異なるのは防着板２７の形状である。それ以外は同じなので、特に記載しない。
本発明の第２の実施形態の分子線源セルにおける防着板２７は、第１の実施形態の分子線源セルにおける防着板１７の上端外周部にさらにフランジが形成されたことを特徴とする。すなわち、防着板２７は、中心領域に開口部が設けられた底部と、該底部に立設された側壁部と、該側壁部の該底部に接していない端部の外周にフランジが設けられている。フランジを有する以外は、防着板１７と同様である。
防着板２７はフランジを有するため、セル開口部に装着したとき、ルツボのフランジ周辺領域および水冷ジャケット開口部の内壁のみならず該水冷ジャケットの開口部の上端も覆うことができる。
【００１８】
本発明の第２の実施形態の分子線源セルによれば、ルツボのフランジ周辺領域および水冷ジャケット開口部の内壁のみならず、水冷ジャケット開口部の上端も防着板で覆うことにより、メンテナンス時に防着板を取りかえることにより、付着物を１００％除去することができる。
さらに、メンテナンス時に水冷ジャケットの上部に付着した付着物をこすり落とす必要がないため、付着物がセル内部に落下することもなく、セルのメンテナンス性およびセルの信頼性を同時に向上させることができる。
【００１９】
本発明の防着板は、外枠が水冷ジャケットにより構成されている分子線源セルに用いることが好ましいが、外枠が水冷ジャケットにより構成されていない分子線源セルに適用することもできる。
従って、以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
【００２０】
【実施例】
実施例１
この実施例において、図１に示す第１の実施形態の分子線源セルを用いた。ここでは、ルツボ１１はＰＢＮで形成し、水冷ジャケット１４上部のルツボ１１と接する部分はＴａで形成した。また、防着板１７を水冷ジャケット上部の材料と同じＴａで形成した。
【００２１】
この実施例においては、ルツボのフランジ１１ａの周辺領域および水冷ジャケット１４上部の内壁が防着板１７により覆われているので、ルツボと水冷ジャケットとが接触する部分に分子源材料等が直接付着することがないので、メンテナンス時にルツボの交換が容易に行え、メンテナンス時間が４０％削減でき、セルの信頼性も２０％向上した。ここで、セルの信頼性とは、ヒータの断線や熱電対の短絡などによりセルが故障するまでの寿命を意味する。
【００２２】
また、防着板１７は水冷ジャケット１４と接しているため、ルツボ１１の本体部分よりも温度が低くいため、ルツボ１１内部から溶融した分子線源材料１８が溢れてきても防着板１７に達すると固化し、それ以上水冷ジャケットの開口部の方向に進まないのでセル内部への分子線源材料８の侵入を防ぐことができた。その結果、ルツボ１１内から溢れた分子線源材料がセル内部に入ることなく、セル内部で材料とヒーターの反応によるヒーターの劣化やヒーターや熱電対の短絡などのセル信頼性を損ねる原因を除去することができ、セルの信頼性が３０％向上した。
【００２３】
また、防着板１７は、ルツボ１１の温度よりも低いが、防着板１７底部の中心領域に設けられた開口部の内周はルツボ１１の開口部から充分に離れているので、ルツボ１１内に充填された分子源材料の温度に影響をほとんど及ぼさず、安定した分子線量が得られた。
【００２４】
また、防着板の温度が低いため、防着板からの脱ガスも少なくデバイスに与える影響は見られない。
【００２５】
また、この実施例において、ルツボのフランジ部１１ａと接する水冷ジャケット１４の部分と防着板１７とは共にＴａで形成されているので、両者の熱膨張係数が等しく、これによって、温度変化により防着板が水冷ジャケット開口部に与える応力を減らすことができ、セルの信頼性を３０％向上した。
【００２６】
実施例２
この実施例においては、本発明による第２の実施形態の分子線源セルを用いた。実施例２では、防着板１７の代りに防着板２７を用いた以外は、実施例１と同じである。
すなわち、防着板２７は、実施例１で記載した防着板１７の側壁部の上端、すなわち底部が接している側と反対側の端の外周部にフランジが形成されていることを特徴とする。この形状により、防着板２７は、ルツボのフランジ２１ａの周辺領域および水冷ジャケット２４上部の内壁のみならず、水冷ジャケット２４開口部の上端も覆うことができる。
【００２７】
このため、水冷ジャケット２４上方に分子線源材料やフレークなどが付着することを防ぎメンテナンス時に本発明の防着板を取り替えることによって１００％付着物を除去することができた。
それから、この防着板はルツボのフランジ周辺部、水冷ジャケット２４上部内壁およびその上端を覆うことで水冷ジャケットの筐体上部についた付着物の除去が容易に行え、筐体と付着物との反応によるセルの寿命の低下が押さえられ、セルの信頼性が５０％向上した。
【００２８】
さらにメンテナンス時に水冷ジャケット２４の上方をこすることやこすった材料などがセル内部に落下することを防ぐことができ、セルのメンテナンス時間の５０％削減とセルの信頼性が３０％向上した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ルツボのフランジおよびセルの開口部を覆う防着板を装着したことにより、分子線源材料がルツボやセル開口部のまわりに付着してもルツボの脱着が容易に行えるので、メンテナンス時間を削減することができる。
また、本発明によれば、防着板の装着により、分子線源材料がセル内部へ侵入してヒーターや熱電対を損傷させることを防止することができるので、セルの信頼性を向上することができる。
さらに、本発明において、防着板の材料としてセルまたはルツボと熱膨張係数が等しいものを用いれば、セルの昇温降温によりセルやルツボに係る応力が少なくすることができる、その結果として、セルの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の分子線源セル上部の斜視図（Ａ）およびその断面図（Ｂ）である。
【図２】本発明の第２実施形態の分子線源セル上部の斜視図（Ａ）およびその断面図（Ｂ）である。
【図３】従来の分子線源セルの断面図である。
【図４】従来の分子線源セル上部の断面図である。
【符号の説明】
１０分子線源セル
１１ルツボ
１２ヒーター
１３リフレクター
１４水冷ジャケット
１４ａ水冷ジャケット内壁に突設された凸部
１４ｂ貫通孔
１６止めピン
１７防着板
１７ａ貫通孔
１８分子線源材料
２０分子線源セル
２７防着板
１００分子線源セル
１０１ルツボ
１０２ヒーター
１０３リフレクター
１０４水冷ジャケット
１０４ａ水冷ジャケット内壁に突設された凸部
１０４ｂ貫通孔
１０５熱電対
１０６止めピン
１０８分子線源材料

Claims

上部内壁に棚状の凸部が設けられた外枠と、開口部外周にフランジを有し、分子線源材料を収容し、溶融するためのルツボとを含み、該ルツボのフランジを該外枠の凸部に密接させるようにして該ルツボを保持したとき、該ルツボのフランジ面よりも該外枠の上端が突出している分子線源セルにおいて、さらに該ルツボのフランジ周辺部および該外枠の開口部を覆う保護手段を有し、
ここに、該保護手段は、少なくとも、該ルツボのフランジ周辺部を覆う底部と、該底部の外周に立設され、該外枠の開口部を覆う側壁部とを含み、該ルツボのフランジ周辺部および該外枠の開口部を覆うように分子線源セルに装着したとき、該ルツボ内部から溢れた溶融分子線源材料の分子線源セル内部への流入を防止し、かつ、溶融分子線源材料の固化による該ルツボと該外枠との付着を防止することを特徴とする分子線源セル。
該外枠が水冷ジャケットとして機能することを特徴とする請求項１記載の分子線源セル。
該保護手段が該ルツボのフランジ周辺領域および該外枠の開口部内壁を覆う形状であることを特徴とする請求項１または２記載の分子線源セル。
該保護手段が該ルツボのフランジ周辺領域、該外枠の開口部内壁および該外枠の開口部上端を覆う形状であることを特徴とする請求項１または２記載の分子線源セル。
該保護手段により覆われる該ルツボのフランジ周辺領域は、該フランジの幅をＬとしたとき、該ルツボのフランジ外辺から距離０．９Ｌまでの領域であることを特徴とする請求項３または４記載の分子線源セル。
該保護手段が該ルツボの材料の熱膨張係数と等しい材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１記載の分子線源セル。
該保護手段の材料がＴａ、Ｗ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）、Ｍｏ、グラファイトおよびベリリアよりなる群から選択される請求項６記載の分子線源セル。