JPH0680496A - Knudsen cell for low temperature - Google Patents

Knudsen cell for low temperature

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JPH0680496A
JPH0680496A JP25211192A JP25211192A JPH0680496A JP H0680496 A JPH0680496 A JP H0680496A JP 25211192 A JP25211192 A JP 25211192A JP 25211192 A JP25211192 A JP 25211192A JP H0680496 A JPH0680496 A JP H0680496A
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vacuum
heater
vacuum chamber
needle valve
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隆文 八百
Takatoshi Yamamoto
高稔 山本
Shigeji Ohashi
茂治 大橋
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Abstract

PURPOSE:To provide the subject Knudsen cell designed to prevent developing conditions hampering the vacuum maintenance in material filling, and also enabling the continuous operation of a molecular beam epitaxial device. CONSTITUTION:A reservoir 8 which can hold materials in is provided outside a vacuum chamber 3 and connected to the inside of the chamber 3 through an introducing pipe 5. A needle valve 7 and an original heater 16 are arranged at the intermediate sites of the pipe 5, respectively. This heater 16 serves as preventing materials from being stuck to the inner wall of the pipe 5. The reservoir 8 is equipped with each original vacuum exhauster and heater 9. The reservoir 8 can be filled with materials at the atmospheric pressure while maintaining the inside of the vacuum chamber at an ultra-high vacuum. The quantity of molecular beams is controlled by the needle valve 7.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は分子線エピタキシ−装
置において用いられるクヌ−ドセンセルの改良に関す
る。これは分子線セルあるいは単にKセルということも
ある。発明者の名前をとってクヌ−ドセンセルあるいは
クヌ−センセルということもある。いずれにしても材料
をるつぼに入れて、ヒ−タによって加熱し材料を蒸発ま
たは昇華させ分子線とするものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improved knudosen cell used in a molecular beam epitaxy apparatus. This may be a molecular beam cell or simply K cell. The name of the inventor is sometimes called Knudsen cell or Knud cell. In any case, the material is put in a crucible and heated by a heater to evaporate or sublime the material to form a molecular beam.

【0002】分子線エピタキシ−装置は超高真空中で材
料を加熱するので蒸発または昇華したものは分子線とな
る。分子線エピタキシ−の材料は金属、非金属など様々
である。ここで低温用というのは、有機材料やイオウ
S、セレンSe、塩素Clなどの低温でも蒸気圧の高い
物質を対象とするという意味である。
A molecular beam epitaxy apparatus heats a material in an ultrahigh vacuum, so that what is evaporated or sublimated becomes a molecular beam. Materials for molecular beam epitaxy are various such as metal and nonmetal. The term "for low temperature" as used herein means that it applies to substances having a high vapor pressure even at low temperatures, such as organic materials, sulfur S, selenium Se, and chlorine Cl.

【0003】[0003]

【従来の技術】図2に従来例に係るクヌ−ドセンセルの
断面図を示す。これは低温用のものではなく金属などの
比較的蒸気圧の低い材料に対するものである。現在のと
ころ低温で蒸気圧の低い材料に対する適当なクヌ−ドセ
ンセルは存在しない。ここに示すセルは分子線エピタキ
シ−装置の一部分に設けられる。
2. Description of the Related Art FIG. 2 is a sectional view of a conventional Knudsen cell. This is not for low temperatures, but for materials with relatively low vapor pressure, such as metals. There is currently no suitable Knudsen cell for low temperature, low vapor pressure materials. The cell shown is provided as part of a molecular beam epitaxy system.

【0004】このクヌ−ドセンセルは材料を収容したる
つぼ1と、材料を加熱するヒ−タ2とを含むが、これら
が液体窒素シュラウド4の穴部に設けられる。これらの
全体は真空チャンバ3の内部にある。材料ごとにクヌ−
ドセンセルが必要であるからこのようなクヌ−ドセンセ
ルが複数個真空チャンバの内部に設けられる。このため
真空チャンバ3には幾つもの円筒状のクヌ−ドセンセル
取付ポ−ト24がある。
The Knudsen cell includes a crucible 1 containing the material and a heater 2 for heating the material, which are provided in the hole of the liquid nitrogen shroud 4. All of these are inside the vacuum chamber 3. Knu for each material
Because of the need for dozens of cells, a plurality of such knud dozen cells are provided inside the vacuum chamber. For this reason, the vacuum chamber 3 has a number of cylindrical Knudsen cell attachment ports 24.

【0005】クヌ−ドセンセルはるつぼ1、ヒ−タ2の
他にヒ−タの熱を遮蔽するためのリフレクタ11と、リ
フレクタ11、るつぼ1、ヒ−タ2を支持する支柱12
を有する。支柱12は真空チャンバ3のクヌ−ドセンセ
ル取付ポ−ト24の開口部に固定される超高真空フラン
ジ13に取り付けられる。ヒ−タの電力を供給するヒ−
タ電力線14、熱電対の端子等は超高真空フランジを貫
いて外部に取り出される。るつぼ1は例えばPBNが用
いられる。ヒ−タはW、Taのコイル状のものあるいは
リボン状のものが用いられる。ヒ−タの温度は熱電対に
よってモニタされる。リフレクタはTaの薄板を何枚も
重ね合わせたものである。輻射熱を外部に逃がさずるつ
ぼの近傍に閉じ込める。この他るつぼの開口部を開閉す
るためにシャッタ(図示しない)が設けられる。
In addition to the crucible 1 and the heater 2, the Knudsen cell has a reflector 11 for shielding the heat of the heater, and a column 12 for supporting the reflector 11, the crucible 1 and the heater 2.
Have. The column 12 is attached to an ultra-high vacuum flange 13 fixed to an opening of a Knudsen cell attachment port 24 of the vacuum chamber 3. Heater that supplies the electric power of the heater
The power line 14, the terminals of the thermocouple, etc. are taken out through the ultrahigh vacuum flange. As the crucible 1, for example, PBN is used. The heater may be a W or Ta coil or ribbon. The temperature of the heater is monitored by a thermocouple. The reflector is made by stacking several thin Ta plates. The radiant heat is confined in the vicinity of the crucible, which escapes to the outside. In addition, a shutter (not shown) is provided to open and close the opening of the crucible.

【0006】真空チャンバ3の内部にはこの他にマニピ
ュレ−タ(図示しない)がありこれがホルダに固定され
た基板を支持している。マニピュレ−タは基板加熱用ヒ
−タを持ち多くの場合回転機構を持っている。エピタキ
シャル成長は基板を加熱しないと起こらないものが多い
からである。しかし材料によっては加熱しなくても良い
場合もある。また冷却を必要とするものもある。基板を
回転させるのはエピタキシャル成長を基板上で均一に起
こさせるためである。さらに搬送機構(図示しない)が
あって前段にある試料準備室や分析室などとの間で試料
ホルダを自動的に搬送できるようになっている。
Inside the vacuum chamber 3, there is a manipulator (not shown) in addition to this, which supports the substrate fixed to the holder. The manipulator has a heater for heating the substrate and often has a rotating mechanism. This is because most epitaxial growth does not occur unless the substrate is heated. However, depending on the material, it may not be necessary to heat. Some also require cooling. The rotation of the substrate is for uniform epitaxial growth on the substrate. Further, a transport mechanism (not shown) is provided so that the sample holder can be automatically transported to and from the sample preparation chamber, analysis chamber, etc. at the preceding stage.

【0007】このような分子線エピタキシ−装置はすで
に良く知られている。クヌ−ドセンセルに材料を充填し
てから真空チャンバを密閉し真空に引く。ベ−キングす
ることによりチャンバの内壁や、内部構造物に付いてい
るガスを除去しさらに真空に引くことにより、10-10
〜10-11 Torrの超高真空にする。ベ−キングとい
うのは、例えば真空チャンバの全体にヒ−タを巻いて金
属板で覆いチャンバの全体を加熱することである。基板
の搬送は別異の真空室を経由してなされるので基板の交
換時も超高真空は維持される。エピタキシャル成長を繰
り返すとるつぼの中へ充填しておいた材料が枯渇する。
この時は真空チャンバ3の真空を破り、るつぼ1に材料
を補填する。一旦大気圧にすると壁面にガスや不純物が
付着するので、全体をベ−キングして真空に引くという
操作を再び繰り返す必要がある。元の超高真空にするの
に多大の時間がかかる。装置や条件によるが3日〜1週
間かかる。
Such molecular beam epitaxy apparatus is already well known. After filling the Knudsen cell with material, the vacuum chamber is sealed and a vacuum is applied. By baking, the gas adhering to the inner wall of the chamber and internal structures is removed, and then a vacuum is applied to obtain 10 -10.
Ultra high vacuum of -10 -11 Torr is applied. The baking is, for example, to wind a heater around the entire vacuum chamber and cover it with a metal plate to heat the entire chamber. Since the substrate is transferred through another vacuum chamber, the ultra-high vacuum is maintained even when the substrate is replaced. The material filled in the crucible where the epitaxial growth is repeated is exhausted.
At this time, the vacuum in the vacuum chamber 3 is broken, and the crucible 1 is filled with the material. Since gas and impurities adhere to the wall surface once the atmospheric pressure is reached, it is necessary to repeat the operation of baking the whole and drawing a vacuum. It takes a lot of time to return to the original ultra-high vacuum. It takes 3 days to 1 week depending on the equipment and conditions.

【0008】材料補填のためのチャンバの開閉はエピタ
キシャル成長の種類によりさまざまであるが、半年に1
回、月に1回、あるいは1週間に1回ということもあ
る。真空の立ち上げに時間がかかり生産性を下げる原因
になるからチャンバの開閉はできるだけしない方が良
い。
The opening and closing of the chamber for filling the material varies depending on the type of epitaxial growth.
Sometimes, once a month, or once a week. It is better not to open and close the chamber as much as possible because it takes time to start up the vacuum and causes a drop in productivity.

【0009】このような難点を解決するためにガスソ−
スセルが提案されている。これはチャンバ外部に置かれ
たガスボンベから材料となるガスをチャンバ内へ導入す
るものである。外部から材料が供給されるので材料が枯
渇するということはなく、超高真空を破る必要性が少な
くなる。また、分子線セルをチャンバの中心部から遠ざ
けて、真空チャンバを開かず材料の補充を行うようにし
たものもある。(特開昭63−310792号、特開昭
64−79095号)
In order to solve such a difficulty, a gas source
Scell is proposed. This introduces a material gas into a chamber from a gas cylinder placed outside the chamber. Since the material is supplied from the outside, the material is not depleted and the necessity of breaking the ultra-high vacuum is reduced. There is also a method in which the molecular beam cell is moved away from the center of the chamber to replenish the material without opening the vacuum chamber. (JP-A-63-310792, JP-A-64-79095)

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】従来の分子線エピタキ
シ−装置のようにチャンバの内部にあるクヌ−ドセンセ
ルに材料を充填するものは材料の補填のため真空を破る
必要がある。再び真空にするのに時間がかかり望ましく
ない。特に低温でも蒸気圧の高い物質を材料とするとき
はさらに問題がある。真空引きする際、チャンバの全体
をベ−キングするがこのとき蒸気圧の高い物質は加熱さ
れて蒸発昇華し減量してしまう。これを避けるためには
低温でベ−キングしなければならないということにな
る。できないことはないが真空度の高まりが遅くなる。
In a conventional molecular beam epitaxy apparatus which fills a knudsen cell inside a chamber with a material, it is necessary to break the vacuum in order to fill the material. Evacuating again is time consuming and undesirable. There is a further problem especially when a substance having a high vapor pressure even at a low temperature is used as a material. At the time of evacuation, the entire chamber is baked, but at this time, the substance having a high vapor pressure is heated and evaporates and sublimes to lose the amount. To avoid this, baking must be performed at a low temperature. There's nothing you can't do, but the increase in vacuum slows down.

【0011】外部から材料をガスとして供給するガスソ
−スセルはこのような欠点はない。しかし常温でガスで
ある材料は限られている。分子線エピタキシ−は単体を
材料にするので純度に優れた薄膜を成長させることがで
きるのである。単体でガスである材料はさらに少ない。
水素化物、塩化物、ハロゲン化物、有機金属としたもの
は常温近くでガス状であるものが多いのでこれら化合物
の材料を用いることもなされる。しかし必ずしもガス状
の化合物を作らない物質もある。
A gas source cell which supplies a material as a gas from the outside does not have such a defect. However, materials that are gases at room temperature are limited. Since molecular beam epitaxy uses a simple substance as a material, it is possible to grow a thin film having excellent purity. There are even fewer materials that are gases alone.
Since many of hydrides, chlorides, halides, and organometallics are gaseous at room temperature, materials of these compounds may be used. However, some substances do not necessarily form gaseous compounds.

【0012】また化合物の分子線であるから単体の分子
線とは異なる。化合物の分子線を基板に当てると薄膜の
内部に不純物が含まれ易く組成の制御が難しいという難
点がある。また分子線セルをチャンバの中心から遠ざけ
たものは、分子線として飛行する距離が長くなるのでエ
ネルギ−、方向などを良好に制御できない。本発明は低
温でも蒸気圧の高い材料を扱うクヌ−ドセンセルであっ
て、ベ−キングの妨げにならず、材料の補填の度に真空
チャンバを開閉する必要がなく、クラッカ−セルの作用
も合わせ持ちしかも分子線量の制御が的確であるクヌ−
ドセンセルを提供することを目的とする。クラッカ−セ
ルとしては例えば、実開平4−29664号があるがこ
れは装置が大がかりで製造使用ともに容易でない。
Further, since it is a molecular beam of a compound, it is different from a molecular beam of a simple substance. When the molecular beam of the compound is applied to the substrate, impurities are likely to be contained inside the thin film and it is difficult to control the composition. Further, in the case where the molecular beam cell is separated from the center of the chamber, the flight distance as a molecular beam becomes long, so that the energy and direction cannot be controlled well. The present invention is a knudsen cell that handles a material having a high vapor pressure even at a low temperature, does not hinder baking, does not need to open and close the vacuum chamber each time the material is replenished, and combines the functions of a cracker cell. Knu that has a precise control of molecular dose
The purpose is to provide dosencell. As a cracker cell, there is, for example, Japanese Utility Model Laid-Open No. 4-29664, but this is not easy to manufacture and use because of the large scale of the device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明のクヌ−ドセンセ
ルは、真空チャンバを超高真空に引き、材料を加熱し気
化させ分子線として超高真空中にある基板に照射し基板
上にエピタキシャル成長を行う分子線エピタキシ−装置
のクヌ−ドセンセルであって、真空チャンバの外部に設
けられ開閉できる蓋を有し材料を収容できるリザ−バ−
と、リザ−バ−の材料を加熱するためのリザ−バ−用ヒ
−タと、リザ−バ−と真空チャンバとを連結し真空チャ
ンバの内部に分子線を導入する導入パイプと、導入パイ
プの真空チャンバ内での出口の近傍に設けられた開口部
ヒ−タと、リザ−バ−と導入パイプの間の導入パイプに
途中に設けられた流量調整可能なニ−ドルバルブと、導
入パイプの中間部を加熱するために設けられた連結部ヒ
−タと、リザ−バ−を真空に引くための真空排気装置と
を有し、リザ−バ−の温度制御とニ−ドルバルブの開度
制御を行うことにより分子線量を調整できるようにした
ことを特徴とする。
In the Knudsen cell of the present invention, a vacuum chamber is evacuated to an ultrahigh vacuum, a material is heated and vaporized, and a substrate in the ultrahigh vacuum is irradiated as a molecular beam for epitaxial growth on the substrate. A knudsen cell for a molecular beam epitaxy device, which is a reservoir provided outside a vacuum chamber and having a lid that can be opened and closed to accommodate a material.
And a heater for heating the material of the reservoir, an introduction pipe for connecting the reservoir and the vacuum chamber and introducing a molecular beam into the vacuum chamber, and an introduction pipe. , An opening heater provided in the vicinity of the outlet in the vacuum chamber, a needle valve with adjustable flow rate provided in the introduction pipe between the reservoir and the introduction pipe, and the introduction pipe. It has a connecting portion heater provided for heating the intermediate portion and a vacuum exhaust device for drawing the reservoir to a vacuum, and controls the temperature of the reservoir and the opening degree of the needle valve. It is characterized in that the molecular dose can be adjusted by carrying out.

【0014】[0014]

【作用】リザ−バ−は真空チャンバの外部にあるから、
リザ−バ−に材料を充填する時、真空チャンバを開く必
要がない。ニ−ドルバルブを閉じておきリザ−バ−の蓋
を開き、材料をリザ−バ−に補填する。この後リザ−バ
−を閉じて真空に排気し、十分な真空度に達したらニ−
ドルバルブを開いて、リザ−バ−と真空チャンバを接続
させる。リザ−バ−から発生した材料の蒸気は真空チャ
ンバに入り分子線となる。リザ−バ−ヒ−タと、導入パ
イプの中間連結部のヒ−タと先端開口部のヒ−タを制御
してこれらの部分の温度T1 、T2 、T3 を独立に制御
することができる。リザ−バ−ヒ−タはリザ−バ−の温
度を調整して蒸気の発生を加減し分子線量を制御でき
る。またニ−ドルバルブの開度を調整して分子線量を直
接に制御できる。ニ−ドルバルブは分子線量を直接に制
御するものであるが、これは全閉することもできる。こ
の点で仕切りバルブの機能を兼ねているということがで
きる。しかしニ−ドルバルブに全閉の機能がない場合
は、ニ−ドルバルブと直列に導入パイプの一部に仕切り
バルブを設けると良い。
Since the reservoir is outside the vacuum chamber,
It is not necessary to open the vacuum chamber when filling the reservoir with material. Keep the needle valve closed and open the lid of the reservoir to fill the reservoir with material. After this, the reservoir was closed and the vacuum was evacuated.
Open the dollar valve to connect the reservoir to the vacuum chamber. Material vapor generated from the reservoir enters the vacuum chamber and becomes a molecular beam. Reservoir - Ba - heat - data and the ratio of the intermediate connection part of the introduction pipe - heat of motor and the tip opening - it controls the motor to independently control the temperature T 1, T 2, T 3 of these portions You can The reservoir heater can adjust the temperature of the reservoir to control vapor generation and control the molecular dose. Further, the molecular dose can be directly controlled by adjusting the opening degree of the needle valve. The needle valve controls the molecular dose directly, but it can also be fully closed. In this respect, it can be said that it also has the function of a partition valve. However, if the needle valve does not have the function of fully closing, it is advisable to provide a partition valve in a part of the introduction pipe in series with the needle valve.

【0015】連結部ヒ−タは材料蒸気が導入パイプの内
部で冷却固化して内壁に付着するのを防ぐことができ
る。リザ−バ−を外部に設けたので途中で材料蒸気が固
化する可能性が生じた。従来の図2に示すようなもので
は不必要なものである。開口部ヒ−タは材料の蒸気が多
数分子の塊であって分子状でないとき、これを強熱して
小さい分子状にするクラッキング作用がある。
The connecting portion heater can prevent the material vapor from cooling and solidifying inside the introducing pipe and adhering to the inner wall. Since the reservoir was provided outside, there was a possibility that the material vapor would solidify on the way. The conventional one as shown in FIG. 2 is unnecessary. The opening heater has a cracking action when the vapor of the material is a mass of a large number of molecules and is not in a molecular state, by igniting the vapor to make a small molecular state.

【0016】また材料は真空チャンバの外部にあるの
で、真空チャンバをベ−キングしたときベ−キングのた
めの熱が材料に伝わらず材料が蒸発昇華して減量しな
い。特に低温で蒸気圧の高い材料の場合は好適である。
Further, since the material is outside the vacuum chamber, when the vacuum chamber is baked, the heat for baking is not transferred to the material so that the material is evaporated and sublimated and the amount is not reduced. Especially, it is suitable for a material having a high vapor pressure at a low temperature.

【0017】[0017]

【実施例】図1は本発明の実施例にかかるクヌ−ドセン
セルの概略の構造を示す。このクヌ−ドセンセルは、真
空チャンバ3の内部にはるつぼのような材料を充填する
容器を持たない。真空チャンバ3には材料の蒸気を導入
するための導入パイプ5が挿通されているだけである。
導入パイプ5は真空チャンバ3の外部にまで連通し、外
部の端でリザ−バ−8につながっている。外部のリザ−
バ−8は開閉できる容器であり、材料を収容することが
できる。真空チャンバ3の内部には液体窒素シュラウド
4が設けられるが、この穴の部分に前記の導入パイプ5
の先端が挿入される。
1 shows a schematic structure of a Knudsen cell according to an embodiment of the present invention. This Knudsen cell does not have a container filled with a material such as a crucible inside the vacuum chamber 3. Only the introduction pipe 5 for introducing the vapor of the material is inserted into the vacuum chamber 3.
The introduction pipe 5 communicates with the outside of the vacuum chamber 3 and is connected to the reservoir 8 at the outer end. External reserve
The bar 8 is a container that can be opened and closed and can store materials. A liquid nitrogen shroud 4 is provided inside the vacuum chamber 3, and the introduction pipe 5 is provided in the hole portion.
Is inserted.

【0018】導入パイプ5の周囲には開口部ヒ−タ6が
ある。これは図2のるつぼ1の周囲のヒ−タ2に対応し
た位置にあるが機能は少し異なる。また開口部ヒ−タ6
を囲んでリフレクタ11が設置されている。超高真空フ
ランジ13に立てられた支柱(図示せず)が開口部ヒ−
タ6、リフレクタ11、ヒ−タの電力線21、熱電対2
0等を支持している。導入パイプ5は超高真空フランジ
13を貫き外部に延長している。途中にニ−ドルバルブ
7がありこれを介してリザ−バ−8につながる。ニ−ド
ルバルブは中間開度において流量と開度の関係が線形に
近く正確な流量調整を行うことができるものとする。
There is an opening heater 6 around the introduction pipe 5. This is at a position corresponding to the heater 2 around the crucible 1 in FIG. 2, but the function is slightly different. Opening heater 6
A reflector 11 is installed to surround the. A pillar (not shown) set up on the ultra-high vacuum flange 13 has an opening
6, a reflector 11, a heater power line 21, a thermocouple 2
We support 0 mag. The introduction pipe 5 extends through the ultra-high vacuum flange 13 to the outside. A needle valve 7 is provided on the way, and the needle valve 7 is connected to the reservoir 8 through the needle valve 7. It is assumed that the needle valve has a linear relationship between the flow rate and the opening degree at an intermediate opening degree and can perform accurate flow rate adjustment.

【0019】リザ−バ−8は開閉する蓋(図示しない)
を独自に持っている。この蓋を開いて自由に材料を補填
することができる。またリザ−バ−8は外壁の周りに独
自のリザ−バ−ヒ−タ9を持っている。これはリザ−バ
−8内部の材料を加熱し蒸発昇華させるものである。熱
電対17によりリザ−バ−温度T1 を監視できる。
A lid (not shown) for opening and closing the reservoir 8
Have their own. The lid can be opened to fill the material freely. The reservoir 8 also has its own reservoir heater 9 around the outer wall. This is to heat and evaporate and sublimate the material inside the reservoir 8. The thermocouple 17 can monitor the reservoir temperature T 1 .

【0020】また導入パイプ5の中間の連結部には連結
部ヒ−タ16が設けられる。この発明が対象にするのは
低融点の材料であるが、それでも常温で固体であるもの
もあり、導入パイプ5の中間部で冷却固化する可能性の
あるものもある。連結部ヒ−タ16は、材料がここで冷
却されて導入パイプ5の内壁に付着するのを防ぐための
ものである。熱電対18はこれの温度を監視する。リザ
−バ−ヒ−タ9、開口部ヒ−タ6、連結部ヒ−タ16は
それぞれ独立に作動することができる。従ってリザ−バ
−温度T1 、導入パイプ中間部温度T2 、導入パイプT
3 の開口部温度は独立して制御できる。これらの温度パ
ラメ−タは材料の相違によって適当に決定することがで
きる。またリザ−バ−8は排気パイプ15を介して真空
排気装置(図示せず)に接続されており、この真空排気
装置によって、真空チャンバ3とは独立に真空に排気す
ることができる。排気パイプ15の途中には真空引きバ
ルブ10が設けられる。
A connecting portion heater 16 is provided at an intermediate connecting portion of the introducing pipe 5. Although the present invention is directed to a material having a low melting point, some materials are still solid at room temperature, and some of them may be cooled and solidified in the middle portion of the introduction pipe 5. The connecting portion heater 16 is for preventing the material from being cooled here and adhering to the inner wall of the introduction pipe 5. Thermocouple 18 monitors its temperature. The reservoir heater 9, the opening heater 6, and the connecting portion heater 16 can operate independently of each other. Therefore, the reservoir temperature T 1 , the intermediate temperature T 2 of the introduction pipe, and the introduction pipe T
The opening temperature of 3 can be controlled independently. These temperature parameters can be appropriately determined by the difference in materials. Further, the reservoir 8 is connected to a vacuum exhaust device (not shown) via an exhaust pipe 15, and by this vacuum exhaust device, it is possible to exhaust to a vacuum independently of the vacuum chamber 3. A vacuuming valve 10 is provided in the middle of the exhaust pipe 15.

【0021】ニ−ドルバルブ7を閉じて、真空排気装置
を作動し、真空引きバルブ10を開くと、リザ−バ−8
のみを真空にひくことができる。ニ−ドルバルブ7を閉
じ、真空引きバルブ10も閉じてリザ−バ−8に大気圧
を導入し蓋を開くことによって材料をリザ−バ−8の中
へ補填することができる。ニ−ドルバルブ7は全開また
は全閉状態が可能である。中間開度では開度に応じて流
量を再現性よく制御できる。なお、リ−クポ−トは図示
していないが、真空引きバルブ10で兼用しても良いの
は勿論である。
When the needle valve 7 is closed, the evacuation device is operated, and the evacuation valve 10 is opened, the reservoir 8 is opened.
Only the vacuum can be pulled. The material can be filled into the reservoir 8 by closing the needle valve 7, closing the vacuuming valve 10 and introducing atmospheric pressure into the reservoir 8 to open the lid. The needle valve 7 can be fully opened or fully closed. At the intermediate opening, the flow rate can be controlled with good reproducibility according to the opening. Although the leak port is not shown in the figure, it goes without saying that the vacuum valve 10 may also be used.

【0022】以上の構成においてその作用を説明する。
このクヌ−ドセンセルに材料を充填するには真空チャン
バ3を開く必要がない。ニ−ドルバルブ7を閉じて、真
空引きバルブ10も閉じ、大気圧を導きリザ−バ−8の
真空状態を破る。リザ−バ−8の蓋を開く。材料を所要
量だけリザ−バ−8に充填する。この間真空チャンバ3
の超高真空は依然として維持されている。蓋を閉じて真
空引きバルブ10を開き真空排気装置を作動させる。リ
ザ−バ−8の内部が高真空に引かれる。リザ−バ−用ヒ
−タ9に通電しこれを加熱する。リザ−バ−8の材料が
加熱されて蒸発または昇華を開始する。ニ−ドルバルブ
7を開く。蒸気が導入パイプ5を通って真空チャンバ3
の導入パイプ5の先端から真空チャンバ3の内部へ分子
線として飛び出す。
The operation of the above structure will be described.
It is not necessary to open the vacuum chamber 3 to fill this Knudsen cell with material. The needle valve 7 is closed and the vacuuming valve 10 is also closed to introduce atmospheric pressure and break the vacuum state of the reservoir 8. Open the lid of the reservoir 8. Fill the reservoir 8 with the required amount of material. During this time, vacuum chamber 3
Ultra-high vacuum is still maintained. The lid is closed and the evacuation valve 10 is opened to operate the evacuation device. The inside of the reservoir 8 is pulled to a high vacuum. The heater 9 for the reservoir is energized to heat it. The material of reservoir 8 is heated to initiate evaporation or sublimation. Open the needle valve 7. The vapor passes through the introduction pipe 5 and the vacuum chamber 3
From the tip of the introduction pipe 5 into the inside of the vacuum chamber 3 as a molecular beam.

【0023】連結部ヒ−タ16は、材料の融点が常温よ
り高いものである場合に、導入パイプ5の内部で冷却さ
れて固化し内壁に付着するのを防ぐ作用がある。常温で
気体であるものであれば不必要である。
When the melting point of the material is higher than room temperature, the connecting portion heater 16 has an effect of preventing the material from being cooled and solidified inside the introducing pipe 5 and adhering to the inner wall. It is unnecessary if it is a gas at room temperature.

【0024】チャンバ内ヒ−タ6は導入パイプ5の先端
部で材料が固化するのを防ぐ作用がある。さらに材料に
よってはリザ−バ−ヒ−タ9のみによっては十分に活性
化されず多数の分子の塊にしかならないこともある。こ
れを真空チャンバ3に導入する直前に開口部ヒ−タ6に
よって加熱し細分化して分子とすることができる。つま
りクラッキング作用を開口部ヒ−タ6によって行わせる
ことができる。クラッキングに限らず開口部ヒ−タ6は
分子線のエネルギ−を制御するためにも利用できる。こ
れの近傍には液体窒素シュラウド4があるのでこれと相
待って導入パイプ5の先端開口部を任意の温度に制御で
きる。
The in-chamber heater 6 has the function of preventing the material from solidifying at the tip of the introduction pipe 5. Further, some materials may not be sufficiently activated by only the reservoir heater 9 and may only form a mass of many molecules. Immediately before introducing this into the vacuum chamber 3, it can be heated by the opening heater 6 and subdivided into molecules. That is, the cracking action can be performed by the opening heater 6. The opening heater 6 can be used not only for cracking but also for controlling the energy of the molecular beam. Since the liquid nitrogen shroud 4 is located in the vicinity of this, the tip opening of the introduction pipe 5 can be controlled to an arbitrary temperature by waiting for this.

【0025】分子線量を制御するのはふたつある。ひと
つはニ−ドルバルブ7でもうひとつはリザ−バ−ヒ−タ
9である。ニ−ドルバルブ7をより大きく開くと流量が
増え、締めると流量が減る。全閉状態も可能である。も
し全閉が可能でない場合は別に仕切りバルブを設ける。
ニ−ドルバルブによる制御は直接的で時間遅れが少な
い。リザ−バ−ヒ−タ9は、これの温度を高くすると分
子線量が増え、これの温度を下げると分子線量が減る。
これはリザ−バ−8内の圧力を変化させることによる制
御である。間接的で時間遅れがある。この他にもちろん
導入パイプの先端にはシャッタ(図示しない)があるか
らこれの開閉で分子線を通過遮断することができる。こ
のように分子線量の制御が正確であるということが本発
明の特徴の一つである。前述のように本発明では材料の
補填の際ニ−ドルバルブ7を閉じ、リザ−バ−8と真空
チャンバ3とを遮断して行うことができる。つまり本発
明の装置は真空チャンバ3を高真空に保持したまま材料
の補填を行うことができるという長所がある。これは分
子線エピタキシ−の生産性を向上する上に効果的であ
る。
There are two ways to control the molecular dose. One is a needle valve 7 and the other is a reservoir heater 9. The flow rate increases when the needle valve 7 is opened more, and decreases when the needle valve 7 is closed. A fully closed state is also possible. If it is not possible to fully close it, install a separate valve.
The control by the needle valve is direct and has little time delay. When the temperature of the reservoir heater 9 is raised, the molecular dose increases, and when the temperature thereof is lowered, the molecular dose decreases.
This is control by changing the pressure in the reservoir 8. Indirect and time delayed. In addition to this, of course, since there is a shutter (not shown) at the tip of the introducing pipe, the molecular beam can be blocked by opening and closing the shutter. Accurate control of the molecular dose is one of the features of the present invention. As described above, according to the present invention, when filling the material, the needle valve 7 is closed and the reservoir 8 and the vacuum chamber 3 are shut off. That is, the apparatus of the present invention has an advantage that the material can be filled while the vacuum chamber 3 is maintained at a high vacuum. This is effective in improving the productivity of molecular beam epitaxy.

【0026】もうひとつ利点がある。真空チャンバ3の
真空を立ち上げる時にベ−キングを行う必要があるが、
低温で蒸気圧が高い材料が内部のクヌ−ドセンセルの中
にあるとベ−キングによって材料が失われるので十分な
ベ−キングができない。しかし本発明の場合はニ−ドル
バルブ7を閉じて置いて、リザ−バ−8と真空チャンバ
3とを遮断しておいてから真空チャンバ3のベ−キング
を行うことができる。ベ−キングの熱がリザ−バ−8に
加わらない。ために自由にベ−キング温度を上げること
ができベ−キングの目的を良く達成できる。
There is another advantage. Although it is necessary to perform baking when starting up the vacuum of the vacuum chamber 3,
If a material having a high vapor pressure at a low temperature is present in the internal Knudsen cell, the material is lost by the baking, so that the baking cannot be sufficiently performed. However, in the case of the present invention, the vacuum valve 3 can be baked after the needle valve 7 is closed and the reservoir 8 and the vacuum chamber 3 are shut off. The heat of baking is not applied to the reservoir 8. Therefore, the baking temperature can be raised freely and the purpose of baking can be achieved well.

【0027】低温での蒸気圧の高い材料に対して極めて
好都合のクヌ−ドセンセルを与えることができる。例え
ば、VI属のS、Se、有機材料などに適用することが
できる。
A very convenient Knudsen cell can be provided for materials with high vapor pressure at low temperatures. For example, it can be applied to S, Se, organic materials, and the like of Group VI.

【0028】導入パイプの先端はこのように単なる開口
であっても良い。しかし真空チャンバの内部の真空度と
リザ−バ−8の真空度に差があり過ぎる場合は導入パイ
プ先端には流路抵抗を増やすための細頸部や多孔板を設
置して差圧を維持できるようにしても良い。
The tip of the introduction pipe may thus be a simple opening. However, when there is too much difference between the vacuum degree inside the vacuum chamber and the vacuum degree of the reservoir 8, a narrow neck part or a perforated plate is installed at the tip of the introducing pipe to maintain the differential pressure. You may allow it.

【0029】[0029]

【発明の効果】材料を収容しこれを蒸気とするためのリ
ザ−バ−を真空チャンバの外部に設け、両者を導入パイ
プで連結して、リザ−バ−で発生した蒸気を真空チャン
バ内に導くことができるようにしている。導入パイプの
中間にはニ−ドルバルブを設けて気体の流通を自由に制
御できるようにしている。リザ−バ−ヒ−タとニ−ドル
バルブによって分子線量を制御できる。また、導入パイ
プ5の中間部には連結部ヒ−タ16を設け、材料の蒸気
が内壁面に凝結しないようにしている。
A reservoir for accommodating a material and turning it into vapor is provided outside the vacuum chamber, and both are connected by an introducing pipe so that the vapor generated by the reservoir is introduced into the vacuum chamber. I am trying to guide you. A needle valve is provided in the middle of the introduction pipe so that the flow of gas can be freely controlled. The molecular dose can be controlled by a reservoir heater and a needle valve. Further, a connecting portion heater 16 is provided at an intermediate portion of the introduction pipe 5 so that vapor of the material does not condense on the inner wall surface.

【0030】リザ−バ−に材料を充填する時はニ−ドル
バルブ7を閉じておいてリザ−バ−の蓋を開けて材料を
補填することができる。真空チャンバの超高真空に何ら
影響を及ぼさない。真空チャンバを一旦大気圧にすると
次に立ち上げるには3日〜1週間の長い時間と手数がか
かるが本発明はこのような時間と手間を節減することが
できる。連続的にエピタキシャル成長でき分子線エピタ
キシ−の生産性を高揚できる。
When filling the reservoir with the material, the needle valve 7 can be closed and the lid of the reservoir can be opened to supplement the material. It has no effect on the ultra high vacuum of the vacuum chamber. Once the vacuum chamber is once brought to atmospheric pressure, it takes a long time and labor of 3 days to 1 week to start up again, but the present invention can save such time and labor. Epitaxial growth can be continuously performed, and the productivity of molecular beam epitaxy can be enhanced.

【0031】また真空チャンバを開いて材料の交換をす
ると有害な物質が大気中に飛散して作業環境を悪化させ
ることがあるが、本発明はこのような危険を回避できる
ので作業衛生の向上という点でも優れている。
Further, when the vacuum chamber is opened and the material is exchanged, harmful substances may be scattered into the atmosphere to deteriorate the working environment. However, the present invention avoids such a danger, and therefore, the improvement of working hygiene is called. It is also excellent in terms.

【0032】さらにまた真空チャンバのベ−キングの際
は、リザ−バ−が真空チャンバから切り放されているの
で、ベ−キングの熱がリザ−バ−内の材料に伝わらずこ
れを蒸発させないし減量させない。ベ−キングを自由に
行うことができるという利点があるし、低温で蒸気圧の
高い材料の損失を防ぐことができる。
Furthermore, during baking of the vacuum chamber, since the reservoir is separated from the vacuum chamber, the heat of baking is not transferred to the material in the reservoir and does not evaporate. Do not reduce the weight. There is an advantage that baking can be performed freely, and loss of a material having a high vapor pressure at a low temperature can be prevented.

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

【図1】本発明の実施例にかかるクヌ−ドセンセルの概
略断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a Knudsen cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来例にかかるクヌ−ドセンセルの概略断面
図。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a Knudsen cell according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 るつぼ 2 ヒ−タ 3 真空チャンバ 4 液体窒素シュラウド 5 導入パイプ 6 ヒ−タ 7 ニ−ドルバルブ 8 リザ−バ− 9 リザ−バ−用ヒ−タ 10 真空引きバルブ 11 リフレクタ 12 支柱 13 超高真空フランジ 14 ヒ−タ電力線 15 排気パイプ 16 連結部ヒ−タ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 crucible 2 heater 3 vacuum chamber 4 liquid nitrogen shroud 5 introduction pipe 6 heater 7 needle valve 8 reservoir 9 reservoir heater heater 10 vacuum drawing valve 11 reflector 12 column 13 ultra high vacuum Flange 14 Heater power line 15 Exhaust pipe 16 Connection part heater

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 高稔 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新 電機株式会社内 (72)発明者 大橋 茂治 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新 電機株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Takaminori Yamamoto, 47 Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto City, Kyoto Prefecture Nissin Electric Co., Ltd. Electric Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空チャンバを超高真空に引き、材料を
加熱し気化させ分子線として超高真空中にある基板に照
射し基板上にエピタキシャル成長を行う分子線エピタキ
シ−装置のクヌ−ドセンセルであって、真空チャンバの
外部に設けられ開閉できる蓋を有し材料を収容できるリ
ザ−バ−と、リザ−バ−の材料を加熱するためのリザ−
バ−用ヒ−タと、リザ−バ−と真空チャンバとを連結し
真空チャンバの内部に分子線を導入する導入パイプと、
導入パイプの真空チャンバ内での出口の近傍に設けられ
た開口部ヒ−タと、導入パイプの途中に設けられた流量
調整可能なニ−ドルバルブと、導入パイプの中間部を加
熱するために設けられた連結部ヒ−タと、リザ−バ−を
真空に引くための真空排気装置とを有し、リザ−バ−の
温度制御とニ−ドルバルブの開度制御によって分子線量
を調整するようにしたことを特徴とする低温用クヌ−ド
センセル。
1. A knudsen cell of a molecular beam epitaxy apparatus for drawing an ultrahigh vacuum in a vacuum chamber, heating and vaporizing a material to irradiate a substrate in the ultrahigh vacuum as a molecular beam to perform epitaxial growth on the substrate. , A reservoir provided outside the vacuum chamber, having a lid that can be opened and closed, and containing a material, and a reservoir for heating the material of the reservoir.
A heater for the bar, an inlet pipe for connecting the reservoir and the vacuum chamber to introduce the molecular beam into the vacuum chamber,
An opening heater provided near the outlet of the introduction pipe in the vacuum chamber, a needle valve with adjustable flow rate provided in the middle of the introduction pipe, and a heater for heating the middle portion of the introduction pipe. And a vacuum exhaust device for pulling the reservoir to a vacuum, and the molecular dose is adjusted by controlling the temperature of the reservoir and the opening of the needle valve. A low temperature Knudsen cell characterized by the above.
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