JPH04356915A - ガスソースセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は分子線結晶成長法（Ｍ
ＢＥ）に於いて用いることのできるガスソ−スセルの改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】分子線結晶成長法は、超高真空中におい
て加熱された基板の上へ原料物質の分子線を当てて基板
の上へ所望の組成の物質の単結晶をエピタキシャル成長
させるものである。分子線結晶成長装置は超高真空に引
くことのできる超高真空チャンバと、これの内部中央に
設けられ基板を下向きに保持し加熱するマニピュレ−タ
と、基板の斜め下方に適数個設けられる分子線セルと、
真空排気装置と、超高真空チャンバの内部に設けられた
液体窒素シュラウドとを備えている。

【０００３】分子線セルはＫセル、クヌ−センセルとも
呼ばれる。るつぼ、ヒ−タ、反射板、熱電対、ベ−スよ
りなる。るつぼの中に固体原料を入れておいてから超高
真空チャンバを閉じて超高真空に内部を引く。ヒ−タに
よって分子線セルの原料を加熱し溶融する。これが蒸発
または昇華する。超高真空中であるから平均自由行程が
長く、分子となった原料は直進して基板に衝突すること
ができる。分子線セルのるつぼは有底の筒体であって、
単体の固体原料を入れる。例えばＧａＡｓを成長させる
場合は、固体のＧａの分子線セルと、固体のＡｓの分子
線セルとを用いる必要がある。不純物をド−ピングする
場合は、不純物の分子線セルも必要である。

【０００４】分子線セルを用いて分子線エピタキシ−を
行う方法は既に多くの分野で利用されている。その価値
は高く実績も豊富である。しかしながら分子線セルを用
いる場合、るつぼに入る原料の量によって連続して成長
できるエピタキシャル膜の数が制限されてしまう。通常
数十回〜百回程エピタキシャル成長を行うと原料が無く
なってしまう。すると超高真空チャンバの真空を破って
これを開き、大気中でるつぼに原料を充填しなければな
らない。

【０００５】超高真空チャンバはいったん大気にさらす
と、再び超高真空に引くには長い時間が掛かる。ベ−キ
ングして壁面や器具に吸着されたガスを放出しなければ
ならない。こういう難点があるので、従来の分子線セル
の一部又は全部をガスソ−スセルによって置き換えるこ
とが検討されている。これは外部に連通したセルであり
、外部から原料ガスを内部へ連続的に送給することがで
きる。外部のガスボンベとガスソ−スセルとがつながっ
ているので、原料が枯渇したため超高真空チャンバを開
かなくてはならないということがない。連続運転が極め
て容易になる。

【０００６】反面Ｋセルの場合とは異なった問題がある
。原料が固体ではなく気体でなければならない。ＩＩＩ
　族元素の場合（例えばＡｌ、Ｇａ，Ｉｎ）、常温で固
体であるのでこのままでは原料とすることはできない。 代わりにトリメチルガリウム、トリメチルインジウムな
どのような有機金属化合物を用いる。これらは常温で液
体であるが水素ガスでバブリングすることにより気体と
することができる。Ｖ族元素の場合はＡｓＨ３　、ＰＨ
３　などの水素化物ガスとする。シリコンの場合はＳｉ
Ｈ４　等を用いる．このように原料単体ではなく目的の
原料を含む化合物ガスを原料としなければならない。

【０００７】原料という点から見れば有機金属熱分解法
（ＭＯＣＶＤ）に似ている。しかし圧力も違い原理も異
なる。有機金属熱分解法は基板の近傍でかなり高い圧力
で有機金属ガスや水素化物ガスを存在させ気相反応を基
板上または極近傍で行わせる。であるから化学的気相堆
積法というのである。しかしガスソ−スセルを用いる分
子線結晶成長法では超高真空で分子線を発生させる。こ
れは従来のるつぼのある分子線セルを用いる方法と同じ
である。気相反応を基板で行うのではなく、ガスソ−ス
セルで熱分解してしまう。熱分解して原料の単体の気体
を生成しこれを分子線とするのである。熱分解して原料
の単体にすることをクラッキングという。これをガスソ
−スセルで行うのである。熱分解が不十分であると化合
物のままで基板へ到達してしまうからこれは成長に寄与
しない。無駄になる。ガスソ−スセルで十分に熱分解す
るということが重要である。

【０００８】図５によって従来例に係るガスソ−スセル
を説明する。ガスソ−スセルはバッフル１、クラッキン
グ筒２、ヒ−タ３、反射板４、熱電対５などを含んでい
る。バッフル１は円板状であるが、幾つかの通し穴７、
８が穿たれている。或るバッフル１は図５の右上に示す
ように中央に通し穴７があり或るバッフル１は周縁に通
し穴８がある。バッフル１はクラッキング筒２の中に平
行に何枚も設けられる。ガスの流れを蛇行させ熱分解の
時間を十分に与えるために、上下に近接するバッフル１
の通し穴が不一致になるようにしている。

【０００９】ヒ−タ３はリボン状のヒ−タまたはワイヤ
をコイル状に巻いてつくったコイルヒ−タである。原料
ガスを加熱して熱分解させるものである。反射板４は側
面と底面に設けられる。これはＴａの薄板で作ったもの
である。側面の反射板は同心円筒状である。底面の反射
板は円板状のものを重ねてある。クラッキング筒２の底
部にはガスの導入管５がある。これから原料ガスがクラ
ッキング筒１の中に導入される。

【００１０】熱電対６はクラッキング筒２の一部に接触
しており温度を監視している。ベ−ス９は側面反射板や
底面反射板を保持しており間接的にヒ−タも支持してい
る。ベ−ス９は支柱により分子線結晶成長装置下方のフ
ランジ（図示せず）に固定される。原料ガスが導入管５
からクラッキング筒２に入るとバッフル１の通し穴７、
８を通って上方へ進み上方の開口から出てゆく。この間
に加熱され熱分解され単体の気体になる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】バッフル１には互い違
いに通し穴が穿たれているのでガスは水平方向に蛇行し
て進む。図６にクラッキング筒の中でのガスの進路を示
す。しかし水平方向に蛇行するだけではガスのクラッキ
ング筒２での滞留時間が短くて十分に熱分解できないこ
とがある。熱分解効率をさらに上げるためにはバッフル
板の枚数を増やすとかヒ−タ温度を上げるとかしなけれ
ばならない。前者は設計製作が難しくなる。後者は温度
を上げると不純物がより放出され易く、且つヒ−タの寿
命が短くなるし電力費も嵩むという欠点がある。もうひ
とつの難点がある。バッフル１の最上のものがクラッキ
ング筒２の開口部の近くにあるから、分子線の形状分布
が最終のバッフル１の通し穴の分布によって決まってし
まう。開口部の全体から分子線が出射されるのが望まし
い。熱分解効率が高く分子線の分布が開口部で一様にな
るようにしたガスソ−スセルを提供することが本発明の
目的である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のガスソ−スセル
は、円錐形状であって側方又は上頂部に通し穴を有する
複数のバッフル錐体と、筒状であって異なる位置に通し
穴を有するバッフル錐体が上下に隣接するように複数の
バッフル錐体を下半部に収容し上方が開口し下端にガス
の導入管を有するクラッキング筒と、クラッキング筒を
囲むように設けられガスを加熱して分解させるためのヒ
−タと、ヒ−タの外周に設けられた同心円筒状の高融点
金属薄板よりなる複数の側面反射板と、ヒ−タの下方に
設けられた円板状の高融点金属薄板よりなる複数の底面
反射板と、クラッキング筒の温度を監視するためクラッ
キング筒に接するように設けられた熱電対とを含み、原
料ガスが導入管からクラッキング筒に入ると、バッフル
錐体に導かれて上下方向にも流れの方向を変えながら上
方開口へ抜けるようにしたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】平板状のバッフル板ではなく、円錐形状のバッ
フル錐体を用いる。円錐形状であるバッフル錐体の中央
または周縁に通し穴がある。上下で通し穴が不一致にな
るようにバッフル錐体を設けるからガスの流れが左右に
だけではなく上下にも蛇行する。従ってクラッキング筒
でのガスの滞留時間が増加して熱分解の効率が高まる。 またクラッキング筒の下半部にのみバッフル錐体を設け
るのでバッフル錐体の通し穴を出た後クラッキング筒の
開口部に至るまでにガスが十分に拡がることができ分子
線の分布が最上段のバッフル錐体の通し穴の分布の影響
を余り受けないようになる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るガスソ−スセル
の断面図である。バッフル板をバッフル錐体に置き換え
た事以外は従来のものとほぼ同じである。クラッキング
筒２は上方の開口した筒状体である。下方にガス導入の
為の導入管５が設けられている。クラッキング筒２はＰ
ＢＮ、Ｔａ、カ−ボンなど耐熱性材料で作る。クラッキ
ング筒２の外周にはヒ−タ３が設けられる。これはＴａ
のリボン状ヒ−タであることもあるし、Ｔａ、Ｗのコイ
ル状のヒ−タであることもある。反射板４はＴａの薄板
で側面と底面に設けられる。これはヒ−タ３の輻射を反
射してクラッキング筒２の方へ戻すものである。側面の
ものは同心円筒状である。底面のものは円板状である。 熱電対６がクラッキング筒２の一部に接触している。ベ
−ス９が側面、底面反射板やヒ−タを支持している。

【００１５】これらは従来のものと変わらないが、本発
明では板状のバッフルではなく円錐状のバッフル錐体１
０を複数個クラッキング筒２の中に設けている。これが
異なる点である。図２と図３にバッフル錐体１０の斜視
図を示す。、図２のバッフル錐体は円錐の周部に複数の
通し穴１１が穿孔されている。図３のバッフル錐体は円
錐の上頂部に一つの通し穴１２が穿孔されている。この
ように通し穴の分布が異なる少なくとも２種類のバッフ
ル錐体が必要である。そして上下方向に通し穴が不一致
になるようにバッフル錐体を並べる。図２のバッフル錐
体をＸ、図３のバッフル錐体をＹとするとこの例ではＸ
ＹＸとなるように下から上へ並べてある。これは３枚の
例であるがより多くのバッフル錐体を設けてもよい。そ
のときもＸＹＸＹ・・というふうになるようにする。

【００１６】バッフル錐体１０の下端にはフランジ１３
がある。リング状のスペ−サ１４を間に介在させること
によってこれらのバッフル錐体１０を、クラッキング筒
２の中に於いて等間隔をなすように上下に並べることが
容易にできる。この例では最下段のバッフル錐体は周縁
に通し穴があり、２番面のバッフル錐体は上頂部に通し
穴がある。導入口から入ったガスは、左右に蛇行するだ
けでなく上下方向にも蛇行する。この運動で加熱された
バッフル錐体に接触し十分に加熱される。ガスはバッフ
ル錐体かクラッキング筒に接触して初めて加熱されるの
であるが上下方向に流れの方向が反転すると流れの乱れ
が著しくなり均一に十分加熱されるのである。図４にガ
スの流れを略示する。このようにガスは上昇して下降し
さらに上昇する。

【００１７】クラッキング筒２の上半部をＡ、下半部を
Ｂとする。本発明のクラッキング筒では下半部Ｂにのみ
バッフル錐体１０が存在する。この例では最上段のバッ
フル錐体は周縁に４つの通し穴を持つが、これを出た後
クラッキング筒の開口部までの距離（Ａ領域）が十分に
あるから、ガスの分布が均一になる。最上段のバッフル
錐体の通し穴の影響を受けず、開口部全体で均一なガス
流を形成することができる。

【００１８】

【発明の効果】本発明のガスソ−スセルは板状のバッフ
ルではなく円錐形状のバッフル錐体をクラッキング筒の
中に設けている。バッフル錐体には互いに異なる位置に
通し穴を穿孔してあるからガスは左右だけでなく上下に
も蛇行しバッフル錐体とクラッキング筒に接触する機会
が増大する。この為に熱分解の効率が増加する。分離し
た原料単体よりなる分子線を生成できる。さらにクラッ
キング筒の下半にのみバッフル錐体を設けているからク
ラッキング筒の開口部にわたって一様なガス分布が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るガスソ−スセルの縦断面
図。

【図２】周縁に通し穴を穿孔したバッフル錐体の一例を
示す斜視図。

【図３】上頂部に通し穴を穿孔したバッフル錐体の一例
を示す斜視図。

【図４】本発明のガスソ−スセルに於けるガスの流れの
概略を示す図。

【図５】従来例に係るガスソ−スセルの断面図。

【図６】従来例に係るガスソ−スセルの中でのガスの流
れ図。

【符号の説明】

１　　バッフル ２　　クラッキング筒 ３　　ヒ−タ ４　　反射板 ５　　導入管 ６　　熱電対 ７　　通し穴 ８　　通し穴 ９　　ベ−ス １０　　バッフル錐体 １１　　通し穴 １２　　通し穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　円錐形状であって側方又は上頂部に通
   し穴を有する複数のバッフル錐体と、筒状であって異な
   る位置に通し穴を有するバッフル錐体が上下に隣接する
   ように複数のバッフル錐体を下半部に収容し上方が開口
   し下端にガスの導入管を有するクラッキング筒と、クラ
   ッキング筒を囲むように設けられガスを加熱して分解さ
   せるためのヒ−タと、ヒ−タの外周に設けられた同心円
   筒状の高融点金属薄板よりなる複数の側面反射板と、ヒ
   −タの下方に設けられた円板状の高融点金属薄板よりな
   る複数の底面反射板と、クラッキング筒の温度を監視す
   るためクラッキング筒に接するように設けられた熱電対
   とを含み、原料ガスが導入管からクラッキング筒に入る
   と、バッフル錐体に導かれて上下方向にも流れの方向を
   変えながら上方開口へ抜けるようにしたことを特徴とす
   るガスソ−スセル。