KR100434890B1 - 분자빔 소스 및 분자빔 에피택시 장치 - Google Patents

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Abstract

분자빔 소스는 입구 구멍을 가진 도가니, 및 분자빔을 생성하도록 상기 입구 구멍으로부터 분자빔 재료를 증발 또는 승화시키기 위해 도가니에 수용된 분자빔 재료를 가열하도록 도가니상에 장착된 히터를 포함한다. 상기 도가니는 분자빔 재료를 수용하는 부분 및 입구 구멍 사이가 구부려져 있음으로써 도가니에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않게 되며, 분자빔 재료를 수용하는 상기 부분이 균일한 수평 단면적을 가진다.

Description

분자빔 소스 및 분자빔 에피택시 장치{MOLECULAR BEAM SOURCE AND MOLECULAR BEAM EPITAXY APPARATUS}
본 발명은 분자빔 소스 및 분자빔 에피택시 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로 분자빔 재료를 내부에 수용하여 분자빔 에피택시(MBE) 기술로 분자빔을 생성하도록 상기 재료를 열적으로 증발 또는 승화시키도록 사용되는 분자빔 에피택시 장치 및 분자빔 소스에 관한 것이다.
상기 MBE 기술은 고순도 재료를 증발 또는 승화시켜 고진공에서 GaAs 기판등에 결정을 성장시키는 기술이다. 이는 반도체 레이저등의 합성 반도체 장치의 반도체 박막을 형성하도록 이용되며 더욱 개량하도록 현재 연구 및 개발중에 있다.
반도체 박막 제조시의 하나의 중요한 사실은 진공 체임버에 잔류하는 불순물을 감소시키는 것이다. 이 목적으로, 배기 장치를 개량하고 양호한 반도체 박막을 얻도록 체임버 베이킹(baking)을 실행하였다.
그러나, 재료에서의 가스 제거중 및/또는 결정 성장중에 측판(shroud)(저온 패널)등의 기판 이외의 장소에 점착된 물질들이 상기 측판에서 액체 질소가 제거될 때 분자빔 소스("분자빔 소스 셀" 또는 간단하게 "셀"이라고도 함)상으로 벗겨져 떨어진다. 떨어진 물질들은 다음 결정 성장시에 재증발되어 진공 체임버에 잉여 불순물이 증가하게 되므로 반도체 박막의 품질 저하 가능성이 있다. 또한, 재증발된 물질들은 재료를 가열하기 위해 분자빔 소스 셀의 도가니에 장착된 히터 및 온도 측정을 위한 서모커플의 리드선으로 들어가 절연 실패등의 문제를 야기하게 된다.
이에 대처하기 위해, 예컨대 기판 둘레의 측판에 점착되어 있는 물질들이 벗겨지더라도 셀로 떨어짐을 방지하도록 진공 체임버를 기울이는 등의 시도가 이루어지고 있다.
그러나, 이 구성에서는, 도 18 및 19에 도시된 바와 같이 종래의 구조의 도가니(601,602)(간단하게 용기라고도 함)가 사용되는 경우, 진공 체임버의 상부에 접합된 셀들이 더 경사지게 된다. 따라서, 분자빔 재료에 대한 도가니(601,602)의 용량이 감소된다. 그 결과, 분자빔 재료가 더 여러 번 공급되도록 요구되어, 정비 작동의 횟수가 증가되고, MBE 장치의 이용성이 저하되며 제조 비용이 상승된다.
체임버가 더 경사지고 셀의 입구 구멍이 수평선보다 더 하부 방향으로 배향되는 각도로 셀을 포트에 장착하는 경우, 도 18 또는 19에 도시된 종래 구조의 도가니(601,602)는 용해형(melt-type) 분자빔 재료용으로 사용될 수 없고 승화형(sublime-type) 분자빔 재료용만으로 사용될 수 있다.
일본국 PCT 국제 특허 출원 공개 공보 제 99-504613호에서는 도 20에 도시된 바와 같이 네가티브 드라프트 오리피스(604)를 가진 일체형 도가니(603)를 개시한다. 이 구성에서는, 셀이 수평으로 배치되더라도, 용해형 분자빔 재료가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 측판등에 점착되는 물질의 떨어짐을 방지하도록 체임버가 경사지면, 도가니에 놓일 수 있는 분자빔 재료량(즉, 도가니의 용량)이 상부 포트에 장착된 셀에서 줄어들게 된다. 재료를 공급하는 정비 작동의 횟수가 증가하고, 기계 작동 시간이 감소하며 제조 비용이 상승된다.
또한, 도 20에 도시된 종래 구조의 도가니를 이용하여 체임버가 수평으로 배치되는 경우, 분자빔 재료의 증발 면적이 변화하고 분자빔 재료가 소비되어 재료의 액체 레벨이 강하됨에 따라 분자빔의 강도(즉, 플럭스 강도)가 변화한다. 통상, 분자빔 강도는 정규 간격으로 측정되고 히터의 온도 조정에 의해 보상된다. 상기한 구성과 같이 증발 면적이 변화하기 쉬운 경우, 분자빔 강도의 측정 및 보상이 더욱 자주 실행되어야 하고, 따라서 장치의 이용성이 감소되고 제조 비용이 상승된다.
또한, 도 21에 도시된 바와 같이, 종래의 분자빔 소스 셀중에, 일부는 경사진 진공 체임버(641)에 부착되어 기판 홀더(642) 둘레의 측판(643)에서 벗겨진 물질들이 셀내로 떨어지지 않는다. 도 22에 도시된 바와 같이, 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C)은 분자빔 재료(646)를 수용하는 도가니 또는 용기(645A,645B,645C)를 가진다.
분자빔 소스 셀(644A,644B,644C)중에, 분자빔 재료(646)용 용기(645B)의 용량은 용기(645C)의 용량보다 작고 용기(645A)의 용량은 용기(645B)의 용량보다 더 작은데, 그 이유는 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C) 자체가 경사져 있기 때문이다. 즉, 이 구조는 분자빔 재료(646)용 용기(645A,645B,645C)의 용량이 상부 셀에서 감소되는 문제를 가진다. 또한, 상기 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C) 위쪽의 측판(643)에 점착되어 있는 물질들이 상기 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C)내로 떨어져서 분자빔 재료(646)에 불순물로서 혼합된다. 이 불순물은 다음 결정 성장시에 재증발되어, 진공 체임버(641) 내측을 오염시키며 성장된 결정의 박막의 질을 저하시킨다. 그 결과, 박막의 수율이 저하된다.
상기 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C)이 제공된 분자빔 에피택시 장치(651)(이하, 간단하게 MBE 장치 또는 분자빔 결정 성장 장치라 함)는 상기 분자빔 소스 셀(644A,644B,644C)이 소용량을 갖기 때문에 분자빔 재료(646)의 빈번한 보충을 요한다. 소용량에서는 빈번한 분자빔 재료(646)의 보충이 필요하다. 분자빔 재료(646)의 빈번한 보충은 정비 작동의 횟수를 증가시키게 된다. 정비 작동시에는, MBE 장치(651)가 정지되고, 진공 체임버(641)의 압력이 대기압으로 복귀되어, 분자빔 재료(646)가 용기(645A,645B,645C)로 공급되며, MBE 장치가 재가동되고 진공 체임버(641)가 매우 높은 진공 상태로 전환되어야 하므로, 상당히 긴 시간이 요구된다. 따라서, 상당히 긴 시간을 필요로 하는 정비 작동의 횟수가 증가되면, MBE 장치(651)의 이용성이 상당히 감소하고 반도체 박막의 제조 비용이 증가한다.
이러한 상황을 감안한 본 발명의 목적은 분자빔 재료량을 더 많이 수용할 수 있고 분자빔 재료의 오염을 방지할 수 있는 분자빔 소스를 제공하는 것이다. 다른 목적은 그러한 분자빔 소스가 제공되고 정비 작동의 횟수를 감소시켜 제조 비용을 절감하고 수율을 향상시킬 수 있는 분자빔 에피택시 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명의 분자빔 소스는 입구 구멍을 가지며, 내부에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않도록 구부려져 있는 도가니를 포함한다.
상기한 구성의 분자빔 소스에 따르면, 도가니(용기)는 분자빔 재료로 채워진다. 상기 도가니는 입구 구멍(또한, 분자빔을 방출하는 구멍)으로부터 분자빔 재료가 보이지 않도록 기판을 향해 구부려져 있다. 도가니가 구부려져 있음으로써 불순물이 도가니의 하부에 수용된 분자빔 재료에 점착되도록 상기 입구 구멍으로부터 들어오기 어렵게 된다. 따라서, 상기 불순물이 분자빔 재료를 오염시키지 않게 된다.
상기 도가니는 입구 구멍에서 분자빔 재료가 보이지 않도록 구부려져 있고 상기 입구 구멍이 경사져 있더라도 분자빔 재료가 수용되어 있는 하부는 경사지지 않는다. 따라서, 도가니의 용량이 증가될 수 있다.
본 발명은 입구 구멍을 가진 도가니 및 분자빔을 생성하도록 상기 입구 구멍으로부터 분자빔 재료를 증발 또는 승화시키기 위해 도가니에 수용된 분자빔 재료를 가열하도록 도가니상에 장착된 히터를 포함하며, 상기 도가니는 분자빔 재료를 수용하는 부분 및 입구 구멍 사이가 구부려져 있음으로써 도가니에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않게 되며, 분자빔 재료를 수용하는 상기 부분이 균일한 수평 단면적을 가지는 분자빔 소스를 포함한다.
즉, 본 발명의 분자빔 소스는 도가니의 하부에 수용된 분자빔 재료가 도가니의 입구 구멍에서 보이지 않도록 구부려져 있고 분자빔 재료의 증발 면적이 변화하지 않도록 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 재료 수용부가 거의 균일한 형상(거의 균일한 수평 단면적)을 갖는 도가니의 전체 형상의 구조적 특징을 가진다. 이로써, 도가니가 경사져 있더라도 충분한 도가니 용량을 확보할 수 있고 분자빔 재료가 감소하더라도 분자빔의 안정적인 강도를 얻을 수 있다.
본 출원의 상기 및 다른 목적들은 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다. 그러나, 본 명세서로부터 당업자들에 의해 본 발명의 정신과 범위내에서 여러 가지 변화 및 개조가 이루어질 수 있음은 자명한 것이므로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 이하의 상세한 설명 및 특정 예들은 단지 설명의 목적으로 주어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 MBE 장치의 주요부의 단면도,
도 2는 실시예 1에 따른 분자빔 소스 셀의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 MBE 장치의 주요부의 단면도,
도 4는 실시예 2에 따른 분자빔 소스 셀의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 MBE 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 분자빔 에피택시 장치의 구성을 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 분자빔 에피택시 장치의 실시예 4를 나타낸, 도 6에 대응하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 5에 따른 분자빔 소스 셀을 나타낸, 도 5에 대응하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따른 분자빔 에피택시 장치의 도 6에 대응하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 분자빔 에피택시 장치의 분자빔 소스 셀의 길이방향 단면도,
도 11은 도 10의 분자빔 소스 셀이 제공된 분자빔 에피택시 장치의 길이방향 단면도,
도 12(a) 내지 12(d)는 도 10의 분자빔 소스 셀의 조립 및 부착을 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 분자빔 에피택시 장치의 도가니에 공급되는 분자빔의 재료량 및 도가니의 굽힘각의 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 14는 도 13의 측정에 이용되는 분자빔 소스 셀의 도면,
도 15(a) 내지 15(c)는 본 발명에 따른 직선 실린더 및 구부려진 실린더의 크기 및 형상을 설정하기 위한 절차를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명의 실시예 7에 따른 분자빔 에피택시 장치의 분자빔 소스 셀의 길이방향 단면도,
도 17은 도 16의 분자빔 소스 셀에 제공된 분자빔 에피택시 장치의 단면도,
도 18은 종래의 분자빔 소스의 원추형 도가니의 단면도,
도 19는 종래의 분자빔 소스의 원통형 도가니의 단면도,
도 20은 종래의 분자빔 소스의 다른 도가니의 단면도,
도 21은 종래의 MBE 장치의 주요부의 단면도, 및
도 22는 도 21의 종래의 MBE 장치의 분자빔 소스 셀의 단면도이다.
본 발명에 따른 분자빔 소스 및 분자빔 소스가 제공된 분자빔 에피택시 장치가 첨부 도면들에 도시된 실시예들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예의 분자빔 소스로서의 분자빔 소스 셀은 상기 분자빔 소스 셀 자체의 입구 구멍의 구멍 평면이 수평 방향 또는 수평 방향보다 하부의 방향으로 배향하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀에 따르면, 분자빔 소스 셀의 구멍 평면이 수평 방향 또는 수평 방향 하부의 방향으로 배향하므로 위쪽에서 떨어지는 불순물이 분자빔 소스 셀로 들어가지 않는다. 따라서, 상기 불순물이 도가니로서의 용기내의 분자빔 재료에 점착되지 않으며 분자빔 재료의 오염이 더 확실하게 방지될 수 있다.
일 실시예에 따른 분자빔 소스 셀은 상기 분자빔 재료를 증발시키는 제 1 히터 및 분자빔 재료에서 생성되는 분자빔량을 제어하는 제 2 히터의, 적어도 2개의 히터가 제공됨을 특징으로 한다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀은 제 1 히터에 의해 분자빔 재료를 증발시키고 제 2 히터에 의해 분자빔량을 제어함으로써 분자빔 재료의 형태에 관계없이 재현성 양호하게 분자빔량을 제어할 수 있다.
또한, 분자빔량이 분자빔 재료의 형태에 관계없이 재현성 양호하게 제어되므로, 분자빔 재료를 수용하는 용기의 형상이 자유로이 선택될 수 있다. 즉, 용기의 형상의 선택의 자유도가 개선된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자빔 에피택시 장치 또는 분자빔 결정 성장 장치는 상기 분자빔 소스를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예의 분자빔 결정 성장 장치에서, 용기에 공급되는 분자빔 재료량은 상기 분자빔 소스 셀의 이용에 의해 증가될 수 있다. 이로써 분자빔 재료의 보충 횟수가 감소되며 보충 작동에 연관되는 정비 작동의 횟수도 감소한다. 상당한 시간을 필요로 하는 정비 작동의 횟수가 감소됨으로써, 장치의 이용성이 향상되고 생산성이 개선된다. 따라서, 상기 분자빔 결정 성장 장치는 박막의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 분자빔 재료의 오염을 방지할 수 있으므로, 분자빔 재료에서 생성된 분자빔이 청정하게 유지될 수 있다. 따라서, 비오염된 분자 빔에서 결정이 성장하고 양호한 품질의 박막이 형성된다. 그 결과, 수율이 개선될 수 있다.
또한, 분자빔 재료에서 생성되는 분자빔량이 재현성 양호하게 제어될 수 있으므로, 결정 성장의 생산성이 개선될 수 있고 수율이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 경사진 체임버를 가진 분자빔 에피택시 장치에서, 본 발명의 분자빔 소스가 상부 포트에 장착되더라도, 용해형 분자빔 재료가 다량으로 공급될 수 있고 분자빔 재료의 공급 사이클이 길어질 수 있다. 따라서, 장치의 이용성이 개선된다. 그 외에, 분자빔 재료가 소비되어 액체 레벨이 강하할 때, 증발 면적이 변화하지 않게 되며, 빈번한 분자빔 강도 보상 또는 플럭스 보상의 필요성이 없게 된다. 따라서, 장치의 이용성이 개선될 수 있다.
본 발명의 분자빔 소스의 특정 형태에서, 상기 소스는 도가니가 파이프(바람직하게는 원통형) 형상을 가지며; 도가니의 원통형 부분의 2개의 유형들인, 분자빔의 방향을 결정하는 도가니 부분(즉, 입구 구멍에서 재료 수용부까지의 도가니의 일부) 및 도가니의 재료 수용부가 동일 평면에 그들의 중앙 축을 가지며; 상기 중앙 축이 30-150°범위의 각을 형성하도록 구성된다. 이 구성은 실제로 실현가능하고 도가니의 용량을 증가시키므로, 상기 구성을 바람직한 실시예로서 언급할 수 있다.
본 발명의 분자빔 소스에서, 적어도 도가니의 재료 수용부 및 상기 재료 수용부 바로 위의 천장 부분에 히터가 제공될 수 있다. 용해된 분자빔 재료가 비산되어 상기 천장 부분에 점착되기 쉽기 때문에, 분자빔 재료의 점착이 효과적으로 방지될 수 있다. 물론, 히터가 도가니의 거의 전부를 커버하도록 배열되면, 상기 히터가 도가니 전체를 고온으로 유지할 수 있어서 분자빔 재료의 재증발을 방지하여 점착 또는 퇴적되지 않게 할 수 있으므로 더욱 바람직하다.
본 발명의 분자빔 소스에는 재료 수용부 이외의 온도가 재료 수용부보다 높게 되도록 배열된 일련의 히터가 제공된다. 또한, 분자빔 소스에는 재료 수용부 및 다른 부분에, 각각, 상기 다른 부분의 온도가 재료 수용부보다 높게 되도록 배열되어 있는 적어도 2 세트의 히터가 제공된다. 이 구성에 의해, 도가니는 분자빔 재료가 도가니의 입구 구멍에서 보이지 않는 형상으로 되지만, 분자빔 재료는 도가니의 내벽에 거의 점착되지 않는다. 따라서, 플럭스 강도가 더 용이하게 제어될 수 있다.
본 발명의 분자빔 소스에는 히터의 외측에 수냉 메카니즘, 더 구체적으로 수냉 쟈켓이 제공된다. 이 구성에 의하면, 히터등의 대부분의 고온 부분들이 측판으로 커버되어 있지 않더라도, 상기 장치의 포트 주위 및 분자빔 소스의 진공 용기 주위의 온도가 상승되지 않게 됨으로써 진공도가 저하되지 않는다.
다른 양태에서, 본 발명은 :
(a) 입구 구멍을 가진 도가니 및 분자빔을 생성하도록 상기 입구 구멍으로부터 분자빔 재료를 증발 또는 승화시키기 위해 도가니에 수용된 분자빔 재료를 가열하도록 도가니상에 장착된 히터를 포함하며, 상기 도가니는 분자빔 재료를 수용하는 부분 및 입구 구멍 사이가 구부려져 있음으로써 도가니에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않게 되며, 분자빔 재료를 수용하는 상기 부분이 균일한 수평 단면적을 가지는 분자빔 소스,
(b) 분자빔 소스를 지지하는 진공 체임버,
(c) 진공 체임버의 내벽을 따라 제공된 측판, 및
(d) 분자빔 소스의 도가니의 입구 구멍에 대향하게 측판에 제공된 기판 홀더를 포함하는 분자빔 에피택시 장치를 제공한다.
또한, 상기 분자빔 에피택시 장치에는 2개 이상의 분자빔 소스가 제공된다. 이 구성에 의하면, 분자빔 재료의 공급량은 분자빔 에피택시 장치가 경사진 체임버를 갖는 경우에도 증가될 수 있다. 또한, 측판에 점착되어 있는 물질들이 벗겨지면, 상기 물질들이 분자빔 소스 셀로 떨어져서 문제를 일으킴을 방지할 수 있다.따라서, 장치의 이용성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 물질들은 반도체 박막의 형성중에 도가니로 떨어짐이 방지되며, 박막질의 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 수율이 개선될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 :
입구 구멍을 가진 도가니 및 분자빔을 생성하도록 상기 입구 구멍으로부터 분자빔 재료를 증발 또는 승화시키기 위해 도가니에 수용된 분자빔 재료를 가열하도록 도가니상에 장착된 히터를 포함하며, 상기 도가니는 분자빔 재료를 수용하는 부분 및 입구 구멍 사이가 구부려져 있음으로써 도가니에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않게 되며, 분자빔 재료를 수용하는 상기 부분이 균일한 수평 단면적을 가지는 분자빔 소스 및
상기 분자빔 소스를 지지하는 진공 체임버를 포함하며,
상기 분자빔 소스는 다수의 원통형 부재를 포함하는 진공 용기 및 도가니 및 히터를 진공 체임버에 밀봉상태로 고정시키도록 서로 분리되어 연결되는 밀봉 고정 부재를 더 포함하고,
상기 원통형 부재는 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 일부분을 커버하고 직선 축을 가진 직선 실린더 및 도가니의 구부려진 부분을 커버하며 구부려진 축을 가진 구부려진 실린더를 포함하며,
상기 밀봉 고정 부재는 상기 도가니 및 히터를 원통형 부재들 각각에 밀봉상태로 고정하도록 상기 직선 실린더의 일 단부의 구멍에 연결되며,
상기 직선 실린더 및 구부려진 실린더는 도가니의 구멍으로부터 도가니의 구부려진 부분위로 통과하여 도가니상에 장착되며,
상기 밀봉 고정 부재는 상기 구부려진 부분위로 통과하는 직선 실린더의 일 단부의 구멍을 밀봉하는 분자빔 에피택시 장치를 제공한다.
즉, 일 단부가 밀봉 고정 부재로 밀봉된 진공 용기가 부착된 분자빔 소스 셀은 직선 파이프 및 구부려진 파이프로 구성된 진공 용기가 상기 구부려진 부분 및 그를 둘러싸고 있는 히터를 가진 도가니를 포함하는 분자빔 소스 셀(이하, "셀 유닛"이라 함)의 몸체부에 부착될 때, 먼저 셀 유닛을 조립하고, 셀 유닛을 진공 용기의 밀봉 고정 부재에 고정시키고, 히터를 배선하고, 상기 직선 파이프 및 구부려진 파이프를 셀 유닛의 개방측으로부터 이 순서로 구부려진 부분위로 통과시키며, 이어서 밀봉 고정 부재, 직선 파이프 및 구부려진 파이프를 서로 연결함에 의해 조립된다. 이 경우에, 히터의 와이어 및 셀 유닛에 접속된 다른 와이어는 밀봉 고정 부재의 피드스루(feedthrough)를 통해 그들을 통과하여 외부로 인도될 수 있다.
본 발명에 따르면, 히터 및 배선을 포함하여 셀 유닛이 조립된 후에 셀 유닛의 구멍으로부터 셀 유닛상에 진공 용기의 각 파이프를 부착할 수 있음으로써, 진공 용기를 밀봉상태로 진공 체임버에 고정시킬 수 있다. 이로써 분해 및 조립을 포함하는 정비가 편리하고, 장치의 생산성과 이용성이 개선된다. 또한, 용해된 분자빔 재료가 다량으로 공급될 수 있고 도가니의 용량에 비해 진공 용기의 크기를 줄일 수 있는 대용량 도가니를 이용할 수 있다.
본 발명에서는, 진공 체임버의 크기를 증가시킬 필요없이 진공 체임버의 포트에 의해 차지되는 공간을 최소화하도록, 진공 용기의 치수, 특히 포트와의 접합부의 외부 치수를 최소화할 필요가 있다. 이 목적으로, 직선 파이프 및 구부려진 파이프의 내경 및 길이를 셀 유닛의 구부려진 부분이 상기 파이프들을 통과할 수 있는 최소치로 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 분자빔 에피택시 장치는 분자빔 소스 셀 및 진공 체임버로 구성된다. 상기 분자빔 소스 셀은 셀 유닛 및 진공 용기를 포함하며, 상기 셀 유닛은 구부려진 부분, 히터 및 서모커플등의 부착물을 가진 도가니를 포함한다.
본 발명에서, 상기 도가니는 축들이 동일 평면에 존재하는 다수의 구부려진 부분들을 가진다. 진공 용기는, 예컨대 그들의 형상들이 도가니의 구부려진 부분들에 대응하는 구부려진 파이프를 가지도록 형성될 수 있다.
진공 용기가 다수의 직선 파이프를 가지면, 도가니의 구부려진 부분들이 짧은 직선 파이프를 통과한 다음, 하나의 직선 파이프를 형성하도록 서로 연결되기 때문에, 대용량의 재료 수용부를 설정할 수 있다.
직선 및 구부려진 파이프의 각 접합부는 끼워맞춤 접합부, 나사 접합부, 플랜지 접합부등으로 구성될 수 있다. 밀봉 고정 부재의 접합부는 끼워맞춤 또는 나사 캡, 플러그, 폐쇄 플랜지(플랜지 접합부)등으로 형성될 수 있다. 특히, 플랜지 접합부는 그의 용이한 탈부착 및 그의 비회전성 때문에 바람직하다.
본 발명에서는, 예컨대 밀봉 고정 부재에 와이어를 도출하여 진공 용기 내측에 기밀 상태로 유지하는 피드스루가 제공된다. 상기 피드스루는 진공측으로부터 대기측으로 진공 용기를 통해 배선하도록 사용되는 진공 유지 배선 부재이다. 예컨대, 상기 피드스루는 양단부에 접속 단자를 가진 접속기 몸체 및 양단부상의 상기접속 단자가 각각 진공측 및 대기측에 배치되도록 접속기 몸체를 기밀 상태로 지지하는 플랜지로 구성된다.
내부에 둘러싸인 도가니 및 히터를 가진 진공 용기를 진공 체임버에 접속하도록 다수의 포트들이 진공 체임버에 제공되는 경우, 분자빔을 다수의 분자빔 소스 셀로부터 진공 체임버에 배치된 목표물(예컨대, 기판)로 배향시킬 수 있게 됨으로써, 필름 형성에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기한 분자빔 에피택시 장치의 일부인 진공 용기가 제공된다.
본 발명의 분자빔 에피택시 장치에서, 분자빔 소스 셀의 구멍이 기판 홀더(즉, 목표물)의 중심을 향해 배향되므로, 재료 수용부가 수직 방향으로 배열될 수 있다. 따라서, 진공 체임버에 형성된 필름의 질은 핫 월(hot wall) 효과를 이용하여 개선될 수 있다. 핫 월 효과는 용해된 분자빔 재료의 액체 레벨로부터 증발된 분자빔 재료가 구부려진 부분등에서 다시 증발되어 분자빔으로 방출되기 때문에 분자빔량 및 방출된 분자빔의 에너지를 독립적으로 제어할 수 있음을 의미한다.
이하, 실시예들을 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 MBE 장치의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, MBE 장치(13)에는 수평 방향에 대해 경사지게 배치된 진공 체임버(10), 상기 진공 체임버(10)에 배치된 기판 홀더(11), 및 상기 기판 홀더(11)에 대향하게 진공 체임버(10)에 부착된 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)이 제공된다. 진공 체임버(10)의 내벽에는 측판(12)이 부착된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 분자빔 소스 셀(1B)에는 분자빔이 기판(6)에 방출되는 구멍으로 된 단부(5a)로부터, 하부(2a)에 수용된 분자빔 재료(7)가 보이지 않도록 구부려진 용기인 도가니(2), 상기 도가니(2)를 하부측에 수용하는 구부려진 원통형 몸체부(5), 및 상기 몸체부(5)와 도가니(2) 사이에 제공된 제 1 및 제 2 히터(3,4)를 포함한다. 상기 제 1 히터(3)는 도가니(2)의 하부에 제공되고, 제 2 히터(4)는 도가니(2)의 단부(2b) 둘레에 제공된다. 서모커플(8,9)은 온도 검출을 위해 도가니의 하부(2a) 및 단부(2b)에 부착된다.
분자빔 소스 셀(1B)의 구멍(16)은 몸체부(5)의 기판측상의 단부(5a)에 형성된다. 단부(5a)중 상부(17)는 도가니(2)의 단부(2a)보다 기판(6)을 향해 더 길게 연장하며 단부(5a)중 하부(18)는 도가니(2)의 단부(2b)보다 기판(6)을 향해 약간 더 길게 연장한다. 단부(5a)의 상부(17) 및 하부(18)의 선단부들(19,20)을 포함하는 평면, 즉 구멍 평면(15)은 수평 방향으로 배향한다. 그러나, 구멍 평면(15)은 수평 방향보다 하부 방향으로 배향될 수 있다. 도 2를 참조하여 상기 분자빔 소스 셀(1B)만을 상세하게 설명하였지만, 도 1에 도시된 분자빔 소스 셀(1A,1C)도 그들의 몸체부들과 도가니들에 대한 굽힘 각이 분자빔 소스 셀(1B)들의 것들과 다르고 그들의 구멍 평면의 배향 방향이 분자빔 소스 셀(1B)들의 것들과 다른 점을 제외하면 분자빔 소스 셀(1B)과 동일 구성을 가진다. 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)의 구멍 평면(65,15,75)은 수평 방향 또는 그 하부 방향으로 배향된다.
상기 구성의 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)에서는, 결정 성장시에, 제 1 히터(3)에 의해 분자빔 재료(7)가 증발되어 분자빔이 생성된다. 분자빔 량은 제 2 히터(4)에 의해 제어된다. 분자빔은 단부(5a)에서 기판(6)을 향해 방출되어 기판(6)상에서 결정 성장된다. 이때, 측판(12)에서 액체 질소가 제거되면, 측판(12) 또는 기판(6)을 제외한 다른 곳에 점착된 불순물이 벗겨져 떨어진다. 그러나, 단부(5a)에서 분자빔 재료(7)가 보이지 않도록 도가니(2)가 구부려져 있기 때문에, 단부(5a)의 구멍(16)으로 진입한 물질들은 도가니(2) 하부(2a)에 수용된 분자빔 재료(7)에 용이하게 점착되지 않는다. 따라서, 분자빔 재료(7)의 오염을 방지할 수 있다.
도가니(2)는 분자빔 재료(7)를 단부(5a)에서 볼 수 없도록 구부려져 있으며 만일 단부(5a)가 경사져 있다면 분자빔 재료(7)를 수용하는 하부(2a)는 경사지지 않게 된다. 따라서, 도가니(2)에 공급되는 분자빔 재료(7)량은 종래의 도가니에 비해 증가될 수 있다. 더 구체적으로, 도 6에 도시된 종래의 용기들(45A,45B,45C)은 약 10cc의 분자빔 재료(46)를 보유할 수 있는 반면에, 도 2에 도시된 도가니(2)는 60cc 이상의 분자빔 재료를 포함할 수 있다.
분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)의 구멍 평면(65,15,75)이 수평 방향 또는 그보다 하부 방향으로 배향하고 있기 때문에, 측판(12) 또는 다른 곳에 점착된 불순물들이 벗겨져 떨어지더라도, 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)내로 들어오지 않으며 따라서 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)내의 도가니(2)로 들어오지 않는다. 따라서, 도가니(2)의 분자빔 재료(7)에 상기 불순물이 점착되지 않는다. 따라서, 분자빔 재료(7)의 오염이 더 확실하게 방지될 수 있다. 또한, 측판(12)에 점착된 물질들이 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)로 들어오지 않게 되므로, 제 1 및 제 2 히터(3,4) 및 서모커플(8,9)의 도선으로 상기 물질들이 들어오게 됨으로써 발생되는 절연 실패를 방지할 수 있다.
상기 장치에는 분자빔 재료(7)를 증발시키는 제 1 히터(3) 및 분자빔 재료(7)에서 생성되는 분자빔량을 제어하는 제 2 히터(4)가 제공되므로, 분자빔량은 분자빔 재료(7)의 형상에 관계 없이 재현성 양호하게 제어될 수 있다. 이 경우에는, 분자빔 재료(7)의 형상이 특히 제한될 필요가 없고, 따라서 분자빔 재료(7)를 수용하는 도가니(2)의 형상을 자유로이 설계할 수 있다. 즉, 도가니(2)의 형상의 자유도가 향상된다.
3개의 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)이 장착되는 MBE 장치(13)에서, 분자빔 재료(7)를 공급하는 횟수는 도 22에 도시된 바와 같은 종래 기술의 장치에서 요구되는 바의 1/6으로 감소되며, 분자빔 재료의 공급과 관련된 정비 작동 횟수를 감소시킨다. 따라서, 상기 MBE 장치(13)의 이용성이 향상되고 상당한 시간을 필요로 하는 정비 작동 횟수를 감소시켜 생산성이 향상된다. 따라서, MBE 장치를 이용하는 반도체 박막의 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 더 구체적으로, 종래 기술의 장치와 비교하여 제조 비용을 1/4로 감소시킬 수 있다.
상기한 MBE 장치(13)에서, 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)내의 분자빔 재료(7)는 오염이 방지될 수 있고, 비오염된 분자빔 재료로 결정이 성장된다. 따라서, 양호한 품질의 박막이 생산될 수 있어서, 수율이 향상된다.
또한, 상기한 MBE 장치(13)에서는, 분자빔 재료(7)를 증발시키는 제 1 히터(3) 및 분자빔 재료(7)에서 생성되는 분자빔량을 제어하는 제 2 히터(4)를 제공함으로써, 분자빔 재료(7)의 감소에 따른 분자빔량의 불안정성을 피할 수 있고 따라서 재현성 양호하게 분자빔량을 제어할 수 있다. 따라서, 결정 성장의 재생 가능성이 향상되어, 수율을 더욱 향상시킨다. 더 구체적으로, 수율은 종래 기술의 장치에 비해 약 30% 만큼 개선되었다.
상기한 MBE 장치(13)에서는, 분자빔 소스 셀(1A,1B1C)이 진공 체임버(10)의 측면에 장착될 수 있으므로, 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)의 배열의 자유도가 개선된다. 또한, 상기 MBE 장치(13)에서는 좁은 공간에서 작동될 필요가 없기 때문에, 분자빔 소스 셀로의 분자빔 재료(7)의 공급시의 작업성이 양호하다.
분자빔 소스 셀(1B)의 구멍 평면(15)이 상기 실시예에서 몸체부(5)의 단부(5a)의 선단부(19,20)를 덮도록 형성되었지만, 상기 구멍 평면(15)은 도가니(2)의 단부(2b)의 선단을 덮도록 형성될 수 있다. 즉, 분자빔 소스 셀의 구멍이 몸체부 또는 도가니에 형성될 수 있다. 또한, 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)에서는, 그의 구멍 평면이 도가니의 단부의 선단부를 덮도록 형성될 수 있다.
상기한 실시예에서, 분자빔 소스 셀(1A,1B,1C)의 구멍 평면(65,15,75)이 수평 방향 또는 그 보다 하부 방향으로 배향되어 있지만, 상기 구멍 평면들은 수평 방향보다 하부 방향으로 배향됨이 더 바람직하다.
상기 실시예에서, 몸체부 및 도가니는 별도로 형성되어 있지만, 몸체부와 도가니는 일체형 단일 피스로 형성될 수 있다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 실시예 2의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, MBE 장치(33)에는 수평 방향에 대해 평행하게 배치된 진공 체임버(30), 도면에서 진공 체임버(30)의 우측에 배치된 분자빔 소스 셀(21A,21B,21C), 및 분자빔 소스 셀(21A,21B,21C)에 대향하게 진공 체임버(30)에 배치된 기판 홀더(31)가 제공된다. 진공 체임버(30)의 내벽에는 측판(32)이 부착된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 분자빔 소스 셀(21A)에는 분자빔이 기판(26)에 방출되는 구멍으로 된 단부(25a)로부터, 하부(22a)에 수용된 분자빔 재료(27)가 보이지 않도록 구부려진 용기인 도가니(22), 상기 도가니(22)를 하부측에 수용하는 구부려진 원통형 몸체부(25), 및 상기 몸체부(25)와 도가니(22) 사이에 제공된 제 1 및 제 2 히터(23,24)를 포함한다. 상기 제 1 히터(23)는 도가니(22)의 하부에 제공되고, 제 2 히터(24)는 도가니(22)의 단부(22b) 둘레에 제공된다. 도가니(22)의 하부(22a) 및 단부(22b)에 서모커플(28,29)이 부착되어 온도를 검출한다.
분자빔 소스 셀(21A)의 구멍(36)은 몸체부(25)의 기판측상의 단부(25a)에 형성된다. 단부(25a)중 상부(37)는 도가니(22)의 단부(22a)보다 기판(6)을 향해 약간 더 길게 연장하며 단부(25a)중 하부(38)도 도가니(22)의 단부(22b)보다 기판(6)을 향해 약간 더 길게 연장한다. 단부(25a)의 상부(37) 및 하부(38)의 선단부들(39,40)을 포함하는 평면, 즉 구멍 평면(35)은 수평 방향보다 하부 방향으로 배향한다. 그러나, 구멍 평면(35)은 수평 방향으로 배향될 수 있다. 도 4를 참조하여 상기 분자빔 소스 셀(21A)만을 상세하게 설명하였지만, 도 3에 도시된 분자빔 소스 셀(21B,21C)도 그들의 몸체부들과 도가니들에 대한 굽힘 각이 분자빔 소스 셀(21A)의 것과 다르고 그들의 구멍 평면의 배향 방향이 분자빔 소스 셀(21A)의 것과 다른 점을 제외하면 분자빔 소스 셀(21A)과 동일 구성을 가진다. 분자빔 소스 셀(21A,21B,21C)의 구멍 평면(35,85,95)은 수평 방향 또는 그 하부 방향으로 배향된다.
분자빔 소스 셀(21A,21B,21C) 및 상기 분자빔 소스 셀들이 제공된 MBE 장치(33)는 실시예 1의 분자빔 소스 셀 및 MBE 장치와 동일 효과를 가진다.
또한, 상기 도가니(22)가 직각으로 구부려져 있어서 분자빔이 방출되는 단부(25a)로부터 하부(22a)에 수용된 분자빔 재료(27)가 보이지 않게 되므로, 단부(25a)의 구멍(36)으로부터 도가니(22)로 불순물이 도입되는 경우에, 하부(22a)의 분자빔 재료(27)에 상기 불순물이 거의 부착되지 않는다. 따라서, 도가니(22)내의 분자빔 재료(27)의 오염이 더욱 확실하게 방지된다.
분자빔 소스 셀(21A)의 구멍 평면(35)이 상기 실시예에서 몸체부(25)의 단부(25a)의 선단부(39,40)를 덮도록 형성되었지만, 상기 구멍 평면(35)은 도가니(22)의 단부(22b)의 선단을 덮도록 형성될 수 있다. 즉, 분자빔 소스 셀의 구멍이 몸체부 또는 도가니에 형성될 수 있다. 또한, 분자빔 소스 셀(21B,21C)의 구멍 평면은 도가니의 단부의 선단부를 포함하도록 형성될 수 있다.
상기한 실시예에서, 분자빔 소스 셀(21A,21B,21C)의 구멍 평면(25,85,95)이 수평 방향 또는 그 보다 하부 방향으로 배향되어 있지만, 상기 구멍 평면들은 수평 방향보다 하부 방향으로 배향됨이 더 바람직하다.
상기 실시예에서, 몸체부(25) 및 도가니(22)는 별도로 형성되어 있지만, 몸체부와 도가니는 일체형 단일 피스로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 분자빔 소스에는 입구 구멍을 가지며 내부에 공급된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍에서 보이지 않도록 구부려져 있는 도가니가 제공된다. 입구 구멍을 통해 들어온 불순물은 도가니내에 공급된 분자빔 재료에 용이하게 점착되지 않는다. 따라서, 불순물이 분자빔 재료를 오염시키지 않게 된다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀에서는, 입구 구멍에서 분자빔 재료가 보이지 않도록 도가니가 구부려져 있으며 입구 구멍이 경사져 있는 경우에 분자빔 재료를 수용하는 하부는 경사져 있지 않다. 따라서, 도가니의 용량이 증가될 수 있다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀에서, 분자빔 소스 셀의 입구 구멍의 구멍 평면은 수평 방향 또는 그 보다 하부 방향으로 배향되며, 위로부터 떨어진 불순물이 분자빔 소스 셀로 들어오지 않는다. 따라서, 분자빔 소스 셀의 오염이 더 확실하게 방지된다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀에 따르면, 제 1 히터(3)가 분자빔 재료를 증발시키고 제 2 히터(4)가 분자빔 재료에서 생성되는 분자빔량을 제어하므로, 분자빔량을 분자빔 재료의 형상에 관계없이 재현성 양호하게 제어할 수 있다. 이 경우, 분자빔 재료의 형상을 특히 제한할 필요가 없다. 따라서, 분자빔 재료를 수용하는 용기의 형상에 관련한 자유도를 개선할 수 있다.
이 실시예의 분자빔 결정 성장 장치에 따르면, 분자빔 재료의 공급량이 상기 분자빔 소스 셀을 제공함에 의해 증가될 수 있으므로, 재료 공급과 연관된 정비 횟수를 감소시킬 수 있다. 따라서, 장치의 이용성 및 생산성이 향상될 수 있다. 따라서, 분자빔 결정 성장 장치를 이용하여 제조되는 반도체 박막의 제조 비용을 절감할 수 있다.
이 실시예의 분자빔 결정 성장 장치에 따르면, 상기 분자빔 소스 셀을 제공함에 의해 분자빔 재료의 오염이 방지될 수 있으므로, 오염된 분자빔 재료에 의한 결정 성장이 진행되지 않게 되어, 양호한 품질의 박막이 형성될 수 있다. 따라서, 수율이 증가될 수 있다.
이 실시예의 분자빔 결정 성장 장치에 의하면, 상기 분자빔 소스 셀을 제공함에 의해 분자빔량이 재현성 양호하게 제어될 수 있다. 그 결과, 수율이 더욱 개선될 수 있다.
일부 특정 실시예들을 이하에 더 설명한다.
실시예 3
도 5는 본 발명에 따른 분자빔 소스 셀의 실시예 3의 구성을 나타낸다.
도 5에서, 실시예 3의 분자빔 소스 셀(101)에는 분자빔 재료(106)(예컨대, 갈륨), 히터(103), 서모커플(104), 반사판(105), 도가니(102) 주위에 진공을 유지하는 용기(110)(이하 진공 용기라 함), 및 진공 용기(110)의 외벽에 제공된 수냉 쟈켓(107)을 포함한다. 도가니(102)는, 예컨대 PBN(열분해 질화 붕소)으로 제조된다. 도가니의 전체 형상은 L자 형으로 되어 상방으로 연장하는 실린더가 그의 길이를 따라 수평(90°)으로 구부려진다. 도가니의 일단부(하단부)는 밀봉된다.
분자빔 재료(106)를 포함하는 재료 수용부(108)가 실린더의 상향 연장부에 형성되고, 분자빔의 형상을 한정하는 분자빔 형상 한정부(109)가 실린더의 다른 수평부(입구 구멍(111)과 재료 수용부(108) 사이)에 형성된다.
상기 재료 수용부(108)와 분자빔 형상 한정부(109) 거의 전체를 커버하도록 히터(103)가 나선형으로 배열된다. 상기 히터(103)는 재료 수용부(108)보다 분자빔 형상 한정부(109)에서 더 조밀한 간격으로 배열된다. 상기 히터(103)는 전류가 흐를 때 분자빔 형상 한정부(109)의 온도가 재료 수용부(108)의 온도보다 더 높게 상승되도록 상기 부분 각각에 직렬로 접속된 한 세트의 히터로 구성된다.
도 6은 본 발명의 실시예 3의 분자빔 소스 셀(101)을 이용한 MBE 장치(201)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에서, MBE 장치(201)에는 분자빔 소스 셀(202), 기판을 회전 및 가열하는 메카니즘을 가진 기판 홀더(203) 및 측판(204)이 제공된다. 분자빔 소스 셀(202)의 도가니의 입구 구멍(205)은 기판 홀더(203)의 중심을 향해 배향된다. 분자빔은, 예컨대 기판 홀더(203)의 법선에 대해 25°의 각도로 기판상으로 입사하도록 설정된다. 실시예 3에서, 상기 MBE 장치(201)의 분자빔 소스 셀(202)은 기판 홀더(203)의 회전축이 수평으로 배치되도록 경사지게 배치된다.
이 구조에서, 최상부의 셀포트에 끼워진 분자빔 소스 셀(202)은 하방으로 향해 있는 분자빔 소스 셀(202)의 도가니의 입구 구멍(205)을 통해 100cc 이상의 용해된 분자빔 재료를 수용할 수 있다.
이와 대조적으로, 도 20에 도시된 종래 구조의 도가니가 사용되는 경우, 용량은 약 1cc이다. 따라서, 실시예 3의 분자빔 소스 셀(202)은 약 100배 이상 큰 용량을 가지며, 재료 공급 사이클은 50배 이상이 된다. 제조 비용은 절반 이하로 절감될 수 있다.
또한, 도 20의 종래 구조가 사용되면, 재료가 소모됨에 따라 증발 면적이 감소되고 액체 레벨이 강하된다. 이때, 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도가 감소된다. 일정한 플럭스 강도를 얻기 위해서는, 히터의 온도를 일정하게 보상해줄 필요가 있다. 통상, 결정 성장이 여러 번 실행된 후에 상기한 플럭스 보상이 실행될 필요가 있다. 실시예 3의 분자빔 소스 셀(202)이 사용되는 경우에, 재료가 소비되어 액체 레벨이 강하되는 경우에도 증발 면적은 변화하지 않는다. 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도는 거의 일정하다. 따라서, 플럭스 보상의 간격을 길게 할 수 있어서 장치의 이용성이 개선될 수 있다.
분자빔 소스 셀(202)의 입구 구멍이 수평 방향보다 하부 방향으로 배향되므로, 측판(201)에 점착된 물질은, 떨어지더라도, 분자빔 소스 셀(202)내로 떨어지지 않는다. 이로써 히터(103)와 서모커플(104)의 절연 실패로 인한 셀의 안정성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 필름 형성중에 도가니로 들어오는 물질로 인한 필름 질의 저하를 방지할 수 있다.
실시예 3에서, 히터(103)는 도가니(102) 거의 전부를 커버하도록 배열된다. 도가니(102)가 부분적으로 히터(103)에 의해 커버되지 않으면, 그곳의 온도가 강하되어 분자빔 재료가 다시 증발될 수 없고 그 부분에 점착/퇴적된다. 이를 방지하도록, 도가니(102)의 거의 전체를 커버하도록 배열됨이 바람직하다.
본 발명의 분자빔 소스에서, 히터(103)등의 대부분의 고온 부품들은 장치의 측판(204)으로 덮혀 있지 않다. 따라서, 장치의 포트 부분 및 분자빔 소스의 진공 용기는 높은 온도로 가열되기 쉽다. 진공 용기가 고온으로 가열되면, 진공도에 영향을 미친다. 바람직하게는, 실시예 3에서는, 장치의 포트 부분 및 분자빔 소스의 진공 용기의 온도가 상승됨을 방지하도록 수냉 쟈켓(107)이 제공된다. 이 실시예에서, 수냉 쟈켓은 진공 용기 외측에 제공되지만, 진공 용기내의 히터 외측에 수냉 메카니즘을 제공하여도 동일 효과를 얻을 수 있다.
실시예 3에서, 분자빔 형상 한정부(109) 및 재료 수용부(108)에 의해 형성된 각은 90°이며, 예컨대 30-150°범위내로 설정하여도 동일 효과를 얻게 된다.
실시예 4
도 7은 실시예 3의 분자빔 소스 셀(103)과 같은 구성의 분자빔 소스 셀을 이용하는 다른 MBE 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7에서, MBE 장치(301)에는 분자빔 소스 셀(302), 기판을 회전/가열하는 메카니즘을 가진 기판 홀더(303) 및 측판(304)이 제공된다. 분자빔 소스 셀(302)의 도가니의 구멍은 기판 홀더(303)의 중심을 향해 배열된다. 분자빔은 기판 홀더(303)의 법선에 대해 약 25°의 각도로 기판상으로 입사하도록 설정된다. 상기 MBE 장치(301)는 기판 홀더(303)의 회전축이 수직 내지 65°의 각도를 형성하도록 기울어져 있다.
상기 분자빔 소스 셀(302)은 상기 MBE 장치(301)의 수평 포트에 끼워진다. 이 구성에서는, 250cc 이상의 용해된 분자빔 재료가 공급될 수 있디;
도 20에 도시된 종래의 도가니가 사용되는 경우, 용량은 20cc이다. 실시예 4의 분자빔 소스 셀(302)은 종래 타입보다 큰 용량을 가진다. 따라서, 재료 공급 사이클이 5배 이상 더 길어질 수 있고 제조 비용은 2/3 이하로 감소될 수 있다.
또한, 도 20의 종래의 도가니가 사용되는 경우, 재료가 소비되어 액체 레벨리 강하되면 증발 면적이 감소된다. 이때, 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도가 감소된다. 일정한 플럭스 강도를 얻기 위해, 히터의 온도를 일정하게 보상해줄 필요가 있다. 통상, 이 플럭스 보상은 몇 번의 결정 성장이 실행된 후에 실행될 필요가 있다. 실시예 4의 분자빔 소스 셀(302)이 사용되는 경우, 재료가 소비되어 액체 레벨이 강하되는 경우에도 증발 면적이 변화하지 않는다. 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도는 거의 일정하다. 따라서, 플럭스 보상 간격이 길어지게 되고 장치의 이용성이 개선될 수 있다.
또한, 도 20의 종래 타입의 도가니가 사용되는 경우, 분자빔의 형상은 재료의 공급량에 따라 변화한다. 그 결과, 기판 홀더(303)의 위치에서 막두께는균일한 두께로 된다. 실시예 4에서, 분자빔 형상 한정부(109) 및 재료 수용부(108) 에 의해 형성된 각은 90°이지만, 예컨대 30-150°범위내로 상기 각이 설정되어도 동일 효과를 얻을 수 있다.
실시예 5
도 8은 실시예 5의 분자빔 소스 셀(401)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8에서, 실시예 5의 분자빔 소스 셀(401)에는 분자빔 재료를 수용하는 도가니(402), 히터(403)(본 발명의 제 1 히터에 대응함), 히터(404)(본 발명의 제 2 히터에 대응함), 서모커플(405,406) 및 반사판(407)이 제공된다. 상기 도가니(402)는, 예컨대 PBN으로 제조된다. 도가니의 전체 형상은, 예컨대 그의 길이를 따라 135°의 각으로 구부려진 실린더의 형태이다. 도가니의 일단부는 분자빔 재료(408)를 수용하는 재료 수용부(410)를 형성하도록 밀봉된다. 도가니의 타단부는 분자빔의 형상을 한정하는 분자빔 형상 한정부(411)를 형성하도록 개방된다.
도가니(402)의 분자빔 형상 한정부(411) 및 재료 수용부(410)를 커버하도록 2 세트의 히터(403.404)가 배열된다. 상기 2 세트의 히터들은 도가니(402)의 거의 전부를 커버한다. 분자빔 형상 한정부(411) 및 재료 수용부(410)의 온도를 측정하도록 2 세트의 서모커플(405,406)이 배열된다. 따라서, 분자빔 형상 한정부(411) 및 재료 수용부(410)의 온도를 별도로 제어할 수 있다.
도 9는 실시예 5의 분자빔 소스 셀을 이용한 MBE 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 9에서, MBE 장치(501)에는 분자빔 소스 셀(502), 및 기판을 회전/가열하는 메카니즘이 제공된 기판 홀더(503)가 제공된다. 분자빔 소스 셀(502)의 도가니의 입구 구멍은 기판 홀더(503)의 중심을 향해 배향된다. 분자빔은 기판 홀더(503)의 법선에 대해, 예컨대 25°의 각도로 기판상으로 입사하도록 설정된다. MBE 장치(501)는 기판 홀더(503)의 회전축이 수평으로 위치하도록 경사지게 배치된다.
이 구성에 의해, 실시예 5의 분자빔 소스 셀은 300cc 이상의 용해된 분자빔 재료를 수용할 수 있다.
비교를 위해, 도 18은 20cc의 용해된 재료를 수용할 수 있는 종래의 원추형 도가니를 나타내고 있다. 분자빔 소스 셀의 용량은 약 15배 커지고, 재료 공급 사이클은 5배 이상 길어지게 될 수 있다. 따라서, 제조 비용이 2/3 이하로 절감될 수 있다. 도 18에 도시된 도가니가 사용될 때, 재료가 소비되어 액체 레벨이 강하되면증발 면적이 감소된다. 이때, 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도가 감소된다. 일정한 플럭스 강도를 얻기 위해서는, 히터의 온도를 일정하게 보상해줄 필요가 있다.
통상, 이 플럭스 보상은 여러번의 결정 성장후에 실행될 필요가 있다. 이 실시예의 분자빔 소스 셀이 사용되는 경우, 재료가 소비되어 액체 레벨이 강하되더라도 증발 면적은 변화하지 않는다. 이 경우, 히터의 온도가 일정하면, 플럭스 강도가 거의 변화하지 않는다. 그러나, 도 19에 도시된 도가니가 사용되는 경우, 분자빔의 형상은 재료가 소비되어 액체 레벨이 하강되면 날카롭게 됨으로써, 기판 홀더(503)에 의해 지지되는 기판상에 형성된 필름의 두께가 불균일하게 된다.
이 실시예에서, 히터(403,404)는 도가니(402)의 거의 전부를 커버하도록 배열된다. 도가니(402)의 일부가 히터(403,404)로써 커버되지 않으면, 그 부분에서 온도가 강하되고, 분자빔 재료가 재증발될 수 없고 그 부분에 점착/퇴적된다. 이 이유로, 히터(403,404)는 도가니(102) 거의 전체를 커버하도록 배열된다.
본 발명의 분자빔 소스에서, 히터(403,404)등의 가장 고온부는 장치의 측판(504)으로 덮혀 있지 않다. 따라서, 상기 장치의 포트 부분 및 분자빔 소스의 진공 용기는 고온으로 가열되기 쉽다. 진공 용기가 고온으로 가열되면, 진공도에 영향을 미치게 된다. 이 실시예에서는, 상기 장치의 포트 부분 및 분자빔 소스의 진공 용기의 온도가 상승됨을 방지하도록 수냉 쟈켓(409)이 제공된다. 이 실시예에서, 상기 수냉 쟈켓(409)은 진공 용기 외부에 제공되지만, 진공 용기내의 히터 외측에 수냉 메카니즘을 제공하더라도 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
이 실시예에서, 분자빔 형상 한정부(411) 및 재료 수용부(410)에 의해 형성된 각은 135°로 설정되지만, 예컨대 30-150°범위내에서도 동일 효과가 얻어질 수 있다.
상기한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 분자빔 소스에 따르면, 도가니의 전체 형상은 도가니의 하부에 수용된 분자빔 재료가 도가니의 입구 구멍으로부터 보이지 않도록 구부려져 있다. 따라서, 구멍을 통해 들어오는 불순물이 도가니의 하부에 수용된 분자빔 재료를 오염시키지 않게 된다.
또한, 본 발명은 재료의 증발 면적이 재료량에 관계없이 변하지 않도록 재료 수용부가 거의 균일한 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 이로써, 도가니가 경사지더라도, 충분한 용량이 확보될 수 있다. 따라서, 히터 온도의 보상 횟수를 감소시킬 수 있고 균일한 분자빔 강도를 얻을 수 있다.
실시예 6
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 분자빔 소스 셀을 나타낸다.
도 10에서, 분자빔 소스 셀(100)에는 반사판(104), 진공 용기(150), 분자빔 재료(m)(예컨대, 갈륨)를 수용하는 도가니(110), 도가니(110)를 둘러싸도록 부착된 히터(102,103) 및 서모커플이 제공된다. 도가니(110), 히터(102,103), 서모커플 및 반사판(104)을 셀 유닛(130)이라 한다.
상기 도가니는 PBN으로 형성된 접합 구조를 가지며 분자빔 재료를 수용하는 재료 수용부(111) 및 구멍(112)과 재료 수용부(111) 사이의 굽힘부(113), 및 구멍(112)과 굽힘부(113) 사이의 분자빔 형상 한정부(114)로 구성된다. 재료 수용부(111)내의 분자빔 재료가 구멍(112)에서 보이지 않도록 도가니가 구성된다.
상기 도가니는 재료 수용부(111)에서 구멍(112)까지 원통형으로 되어 있다. 굽힘부(113)에서의 재료 수용부(111)와 재료 빔 형상 한정부(114)에 의해 형성된 굽힘각은 135°이다.
히터(102)는 분자빔 형상 한정부(114) 거의 모두를 커버하도록 배치된 저항 가열 소자이고 히터(103)는 재료 수용부(111) 거의 모두를 커버하도록 배치된 저항 가열 소자이다. 분자빔 형상 한정부(114)에 배치된 히터(102)의 간격(저항 가열 소자의 배치 밀도)은 히터(102)의 다른 부분보다 구멍(112) 근방에서 더 조밀하다.
상기 히터(102,103)는 분자빔 형상 한정부(114) 및 재료 수용부(111) 근방에 배치된 서모커플에 의한 측정 결과에 따라 제어된다. 히터(102,103) 및 서모커플을 커버하도록 반사판(104)이 배열된다.
진공 체임버(150)는 도가니(110)와 같이 135°의 굽힘각으로 구부려진 스테인리스 실린더이고 도가니(110)의 하부(139)를 지지하는 고정 요소(151)가 제공된 단부 플랜지(152), 일단부가 단부 플랜지(152)에 연결된 직선 파이프(153), 및 일단부가 직선 파이프(153)의 타단부에 연결된 구부려진 파이프(154)로 구성된다.
이 실시예에서, 직선 파이프(153)의 수는 하나이지만, 재료 수용부(111)의 길이에 따라 2개 이상으로 될 수 있다.
구부려진 파이프(154)의 타단부는 후술하는 MBE 장치의 진공 체임버(201)에 형성된 포트(204)에 플랜지 접속가능한 플랜지(154b)를 가진다. 135°의 굽힘각을 갖는 구부려진 부분(155)이 플랜지(154b) 근방에 형성된다.
직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경 및 길이는, 상기 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)가 후술하는 바와 같이 셀 유닛(130)의 구멍(112)으로부터 셀유닛(130)을 따라 장착될 때, 셀 유닛(130)의 구부려진 부분(113)이 파이프(153,154)를 통과할 수 있도록 설정된다. 상기 셀 유닛(130)의 굽힘 각도가 도가니(110)의 굽힘 각도와 같기 때문에, 편의상 도가니(130)의 굽힘 부분(113)을 셀 유닛(130)의 굽힘 부분으로 언급한다.
도 11은 상기한 분자빔 소스 셀(100)을 이용하는 MBE 장치(200)의 구성을 나타내고 있다.
상기 MBE 장치(200)는 회전/가열 메카니즘이 제공된 기판 홀더(202), 측판(203), 다수의 포트들(204a,...,204b,...)이 제공된 진공 체임버(20) 및 상기 포트들(204a,204b,...)에 연결되는 상기한 분자빔 소스 셀(100)을 포함한다. 기판 홀더(202)의 회전축은 수직방향에 대해 54°의 각도로 기울어져 있다. 도 11에서는, 상기 다수의 포트들중 2개의 포트(204a,204b)만이 도시되어 있다.
포트(204a,204b,...)에 연결된 분자빔 소스 셀(100)의 구멍들(112)은 기판 홀더(202)의 중심을 향해 배향된다. 분자빔 소스 셀(100)에서 방출된 분자빔은 기판 홀더(202)의 수직선에 대해 36°의 각도로 기판상으로 입사하도록 설정된다. 분자빔 소스 셀(100)의 진공 용기(150) 외측에 수냉 쟈켓(도시 안됨)이 배치된다. 진공 체임버(201)에 연결된 외부 진공 펌프가 작용될 때, 진공 용기(150)의 내부는 진공으로 유지된다.
도 12(a) 내지 12(d)는 분자빔 소스 셀(100)이 진공 체임버(201)의포트(204a,204b)에 부착될 때의 분자빔 소스 셀(100)의 조립 과정을 나타낸다.
먼저, 도가니(110)에 히터(102,103), 서모커플(도시 안됨) 및 반사판(104)이 장착되어 셀 유닛(130)을 형성한다. 이어서, 상기 셀 유닛(130)이 고정 요소(151)에 의해 단부 플랜지(152)에 부착된다(도 12(a)의 단면도 참조).
다음, 히터(102,103) 및 서모커플의 와이어(L)가 단부 플랜지(152)에 매립된 피드스루(155)를 통해 셀 유닛(130)측으로 도입되어 셀 유닛(130)의 굽힘부(113) 및 하부(139) 근방에 노출된 전극 단자(도시 안됨)에 접속된다(도 12(b)의 정면도 참조).
다음, 셀 유닛(130)의 구멍(112)으로부터 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)가 이 순서로 셀 유닛(130)상에 배치된다. 직선 파이프(153)의 일 단부의 플랜지(153a)가 단부 플랜지(152)에 플랜지 연결된다. 직선 파이프(153)의 타단부의 플랜지(153b)가 구부려진 파이프(154)의 일 단부에서 플랜지(154a)에 플랜지 연결된다. 이로써 분자빔 소스 셀(100)의 조립이 완료된다(도 12(c) 참조).
조립된 분자빔 소스 셀(100)은, 예컨대 구부려진 파이프(154)의 플랜지(154b)를 통해 진공 체임버(201)의 포트(204a)에 접합된다. 그 외측에 수냉 쟈켓(도시 안됨)이 배치된다.
분자빔 재료(m)가 공급되거나 또는 진공 체임버(201) 또는 분자빔 소스 셀(100)의 정비가 실행될 때, 분자빔 소스 셀(100)이 상기한 바와 반대 과정으로 분해되어 조립된다. 이때, 구부려진 파이프(154)와 직선 파이프(153)는 분자빔 소스 셀(100)이 진공 체임버(201)로부터 구부려진 파이프(154)가 포트(204a)에 고정되어 있는 채로 분리될 수 있도록 떨어져 있게 된다. 이로써 작업성이 양호해진다.
도 13은 본 발명의 MBE 장치(200)에서의 도가니의 굽힘각 및 도가니의 용량의 측정 결과를 나타낸 그래프이고 도 14는 측정을 위해 사용된 분자빔 소스 셀을 나타낸다.
도 14에 도시된 분자빔 소스 셀에서, 셀 유닛(130)의 외경은 100mm이고, 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경은 147mm이고 플랜지의 외경은 203mm이며, 플랜지의 두께는 20mm이다. 도가니의 굽힘각(θ)은 구부려진 파이프(154)의 굽힘부(155)의 굽힘각과 같다.
도가니의 굽힘각(θ)은 약 110 내지 160°범위내로 설정된다. 각 셀 유닛(130)의 구멍(112)의 방위(분자빔 형상 한정부(114)의 축의 방향)는 수직 방향에 대해 45°로 경사지거나 수직 방향에 대해 90°(수평) 방향인 경우에, 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 용량은 도가니의 굽힘각(θ)으로 측정된다. 그 결과를 도 13에 나타낸다.
실험에서, 상기 굽힘각(θ)이 90°부근일 때, 재료 수용부(111)의 축이 수직선에 근접함에 따라, 기판상으로 입사하는 분자빔에 의해 더욱 양호한 필름 품질이 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 굽힙각(θ)이 110°보다 작게 설정되면, 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경이 셀 유닛(130)의 구부려진 부분(113)을 통과시키도록 더 커야 하므로, 다수의 분자빔 소스 셀을 진공 체임버(201)의 포트들(204)에 부착하기가 불가능하다. 또한, 셀 유닛(130)의 외경이 감소되면, 도가니의 용량이 감소된다.
한편, 굽힙각이 150°이상으로 되면, 도 13에 도시된 바와 같이 4000ml을 초과하는 최대 용량이 확보될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 셀 유닛(130)의 구부려진 부분(113)에서 단부 플랜지(152)의 단부까지의 길이가 700mm에 달하게 되며, 진공 체임버(201)를 배치하는 등의 어떤 조건에 의해 다른 공간적 제한이 포함될 수 있다.
이 실시예의 분자빔 소스 셀이 사용되면, 도 10의 분자빔 소스 셀(100)이 도 14에 도시된 조건하에서 수직 방향에 대해 45°의 각도로 배치되는 경우, 상기 구멍(112)이 수직 방향에 대해 90°의 방향(즉, 수평 방향)으로 배향될때에도, 최대 1500cc의 용해된 분자빔 재료가 공급될 수 있다.
도 14에 도시된 분자빔 소스 셀의 굽힘각(θ)이 135°인 경우에, 기판 회전축이 수직 방향에 대해 54°로 경사지고 구멍의 중앙축이 기판 회전축에 대해 36°를 형성하도록 분자빔 소스 셀이 배열되어 있는 MBE 장치에서 최상부 포트(204a) 및 최하부 포트(204b)에서 재료 수용부(111)에 최대 500cc 및 1500cc의 용해된 분자빔 재료가 공급될 수 있다.
진공 용기를 이용하는 분자빔 소스 셀에서 유사한 용량을 얻기 위해서는, 직선 파이프의 단부가 경사져 있기 때문에 분자빔 소스 셀을 진공 체임버로 연결하는 플랜지의 직경이 상기한 분자빔 소스 셀(100)의 플랜지의 직경의 약 1.3배로 될 필요가 있다. 따라서, 진공 체임버에 제공될 수 있는 포트의 수는 감소 및/또는 진공 체임버 자체가 확대될 필요가 있다.
또한, 분자빔 소스 셀의 재료 수용부만을 확대하기 위해서는, 굽힘부 둘레에서 분리될 수 있는 도가니를 이용하여, 도가니의 재료 수용부, 히터, 반사판등을 조립하고 그들을 단부 플랜지에 고정시키며, 도가니의 분자빔 형상 한정부, 히터, 반사판등을 분리하여 조립할 필요가 있다. 이들 조립 작동은 소형 공간에서 행해져야 하고 상당히 어렵다. 이와 대조적으로, 이 실시예의 진공 용기가 사용되면, 도가니, 히터 및 반사판이 완전하게 조립되어 단부 플랜지(152)에 고정된후, 직선 파이프(153)가 연결될 수 있다. 따라서, 조립이 용이하고, 조립중의 실수가 감소되며 조립에 필요한 시간이 크게 감소된다.
이 실시예에서, 도가니 및 진공 용기의 굽힘 부분(113,155)의 굽힘각은 135°로 설정되지만, 굽힘 부분(113,155)의 굽힘각은 임의 각도로 설정될 수 있다. 특히, 상기 굽힘각은 110-150°범위내가 바람직하다.
본 발명의 MBE 장치에서, 진공 체임버(200)의 포트(204) 근방의 분자빔 소스 셀(100)에 의해 차지되는 면적을 최소화하고 분자빔 재료에 대한 충분한 용량을 확보하도록 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경을 최소로 하고 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 길이를 최대로 설정함이 바람직하다. 이 목적으로, 셀 유닛(130)의 굽힘부(113)의 굽힘각(θ) 및 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경에 대하여 구부려진 부분(113) 둘레의 셀 유닛(130)의 외경에 대응하도록 치수를 설정함으로써 셀 유닛(130)의 구부려진 부분(113)이 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)를 통과할 수 있게 한다.
도 15(a) 내지 15(c)는 상기 파이프들(153,154)의 내측면들이 셀 유닛(130)의 외측면과 접촉하는 상태로 상기 구부려진 부분(113)이 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)를 통과하는 상태를 나타낸다. 도 15(a) 및 15(b)에서, a1은 구부려진 파이프(154)의 짧은 길이를 나타내고, b1또는 b2는 구부려진 파이프(154)의 긴 길이를 나타내며, D는 직선 파이프(153) 및 구부려진 파이프(154)의 내경(최소 직경)을 나타내며, θ는 구부려진 파이프(154) 및 셀 유닛(130)의 굽힘각을 나타내며, d는 셀 유닛(130)의 외경(최대 직경)을 나타낸다.
도 15(c)에서, a는 구부려진 파이프(154)의 짧은 축의 길이를 나타내고, b는 구부려진 파이프(154)의 긴 축의 길이를 나타내며, c는 직선 파이프(153)의 축의 길이를 나타낸다.
먼저, 더 긴 길이(b1,b2)의 최대치는 굽힘각(θ)에 대해 계산된다. 이 경우, 구부려진 파이프(154)의 더 짧은 길이(a1)는 최소 길이로 설정된다.
도 15(a)에서, 구부려진 파이프(154)의 짧은측 파이프의 내측면 및 셀 유닛(130)의 외측 면이 구부려진 파이프 및 셀 유닛의 축들을 포함하는 평면에서 각(α)을 형성하고 구부려진 파이프(154)의 더 긴 파이프의 내측면 및 셀 유닛(130)의 외측 면이 상기 축들을 포함하는 평면에서 각(β)을 형성하는 경우, 다음 식이 성립된다 :
α=90°-[arcsin[d/(a2+D2)1/2]+arctan(a1/D)]
상기 긴 길이(b1)는 이 식에 의해 다음과 같이 계산된다 :
b1=a1sinα/sinβ (β=180°-θ-α)
도 15(b)에서, 긴 길이(b2)는 다음과 같이 계산된다 :
b2=2(D-d/sinθ/2)tanθ/2.
여기에서, b1>b2, b=b2+D/2tanθ/2, 및
b1≤b2, b=b1+D/2tanθ/2 이면,
직선 실린더(153)의 축방향 길이(c)는 상기 긴 길이(b2)와 동일하다. 또한, 구부려진 파이프(154)의 짧은 축의 길이는 다음과 같이 계산된다 :
a=a1+D/2tanθ/2.
a>b이면, 셀은 제조될 수 없다.
실시예 7
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자빔 소스 셀을 나타낸다.
도 16에서, 분자빔 소스 셀(300)에는 분자빔 재료(m)(예컨대, 갈륨)를 수용하는 도가니(310), 히터(302,303), 온도를 보상하는 서모커플(도시 안됨), 반사판(304) 및 진공 용기(350)가 제공된다. 도가니(310), 상기 도가니(310)에 부착된 히터(302,303), 서모커플 및 반사판(304)을 셀 유닛(330)이라 한다. 도가니(310)는 PBN으로 형성되고 분자빔 재료를 수용하는 재료 수용부(311), 구멍(312) 및 재료 수용부(317) 사이에 형성된 2개의 구부려진 부분들(316,317), 상기 구멍(312)과 구부려진 부분(317) 사이의 분자빔 형상 한정부(314), 및 2개의 구부려진 부분(316,317) 사이의 중앙부(318)를 포함한다. 상기 도가니는 재료 수용부(311)에 수용된 분자빔 재료가 구멍(312)으로부터 보이지 않도록 구성된다.
상기 도가니는 재료 수용부(311)로부터 구멍(312)까지 원통형으로 되어 있다. 재료 수용부(311)와 분자빔 형상 한정부(314)에 의해 형성되는 굽힘각은 95°이다. 상기 굽힘각은 구부려진 부분들(316,317)에서 135°이다.
히터(302)는 구멍(312)으로부터 구부려진 부분(316)까지 거의 전체를 커버하는 저항 가열 요소이고 히터(303)는 재료 수용부(311)를 분리하여 거의 모두 커버하고 있는 저항 가열 요소이다.
진공 용기(350)는 90°의 굽힘각으로 구부려진 스테인리스 실린더이고 도가니(310)는 구부려져 있고 도가니(310)의 하부(339)를 지지하는 고정 요소(351)가 제공된 단부 플랜지(352), 일단부가 단부 플랜지(352)에 연결된 직선 파이프(353), 및 연속으로 상기 직선 파이프(353)에 연결된 구부려진 파이프(354,355)로 구성된다.
이 실시예에서, 직선 파이프(353)의 수는 하나이지만, 재료 수용부(311)의 길이에 따라 2개 이상으로 될 수 있다.
분자빔 소스 셀(300)은 도 17에 도시된 바와 같이 진공 체임버(401)에 연결되어 MBE 장치(400)의 일부를 형성한다.
상기 MBE 장치(400)는 회전 및 가열 메카니즘이 제공된 기판 홀더(402), 측판(403), 다수의 포트들(404a,404b,...)이 제공된 진공 체임버(401) 및 구부려진 파이프(355)의 일단부에서 플랜지(355b)에 의해 포트들(404a,404b,...)에 연결된 상기한 분자빔 소스 셀(300)을 포함한다. 기판 홀더(402)의 회전축은 수직 방향에대해 54°의 각도로 경사진다. 도 17에서, 다수의 포트들중 2개의 포트들(404a,404b)만이 도시되어 있다.
상기 포트(404a,404b)에 연결된 분자빔 소스 셀(300)은 상기 구멍(312)이 기판 홀더(402)의 중앙을 향해 배향되고 상기 분자빔 소스 셀(300)에서 방출된 분자빔이 기판 홀더(402)의 법선에 대해 36°의 각도로 기판으로 입사한다. 분자빔 소스 셀(300)의 진공 용기(350) 외측에 수냥 쟈켓(도시 안됨)이 장착된다. 진공 체임버(401)에 연결된 외부 진공 펌프가 작용될 때, 진공 용기의 내부는 진공으로 유지된다.
이 구조의 MBE 장치(400)는 진공 체임버(401)를 설치하기 위한 위치등의 여러 가지 조건을 고려하여 상기 장치(400)를 이용함에 의해 다른 공간적 제한을 없앨 수 있다는 점에서 바람직하다.
도가니의 용량은 재료 수용부(311)의 축을 수직 방향에 근접하게 함으로써 증가될 수 있다. 또한, 상기 구멍(312)과 재료 수용부(311)의 축들에 의해 형성된 각도를 90°에 가깝게 함으로써 제조되는 필름의 품질을 개선할 수 있다.
직선 파이프(353) 및 구부려진 파이프(354,355)가 셀 유닛(330)의 구부려진 부분들(316,317)을 통과하게 하는 치수의 설정은 도 15를 참조하여 설명한 기술에 의해 실행된다. 따라서, 여기서의 설명은 생략한다.
도 10에 도시된 분자빔 소스 셀(100)에서, 굽힘각은 110°이상의 범위로 한정되지만, 상기 굽힘각은 구부려진 부분(316,317)과 진공 용기(350)의 축이 분자빔 소스 셀(300)의 평면과 공동의 평면에 있는 도 16에 도시된 분자빔 소스 셀(300)에서 굽힘각은 이론적으로 40°이상으로 설정될 수 있다.
상기 실시예 6 및 실시예 7에서, MBE 장치(200,400)는 각각 2개의 포트들을 갖지만, 포트들의 수는 이들로 제한되지 않는다. 또한, 본 발명은 그 포트들 각각에서 다른 형상의 분자빔 소스 셀을 가진 MBE 장치(200,400)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이, 진공 용기의 파이프가 히터(들) 및 셀 유닛의 구멍으로부터의 와이어를 포함하여 조립된 셀 유닛상에 연속으로 놓여질 수 있고 따라서 진공 용기가 진공 체임버에 타이트하게 고정될 수 있다. 따라서, 진공 용기 자체는 셀 유닛의 고정 또는 히터의 배선에 방해되지 않는다. 또한, 상기 분자빔 소스 셀은 구부려진 파이프가 진공 체임버에 고정된 채로 진공 체임버로부터 분리될 수 있다.
따라서, 조립 및 분해를 포함한 정비 작동이 편리하고, 장치의 생산 및 이용성이 개선된다.
본 발명에 따르면, 용해된 분자빔 재료가 대량으로 공급될 수 있는 대용량 도가니를 사용함으로써 재료 공급 간격을 길게 할 수 있다. 또한, 진공 용기의 크기가 감소되므로 장치의 크기의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명은 용이하게 조립 및 분해될 수 있는 대용량 분자빔 소스 셀이 제공된 높은 생산성의 분자빔 에피택시 장치를 제공한다.

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 입구 구멍을 갖고, 내부에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않도록 구부려져 있는, 도가니를 포함하며,
    상기 입구 구멍의 구멍 평면이 수평 방향 또는 수평 방향보다 하부의 방향으로 배향하고,
    상기 도가니가 원통형이고, 상기 입구 구멍 및 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 일부분 사이의 상기 도가니의 일부분의 중앙축 및 상기 분자빔 재료를 수용하는 부분의 중앙축이 서로 공통 평면에 있으며 30-150°범위의 각을 형성하는 분자빔 소스.
  3. 삭제
  4. 입구 구멍을 가진 도가니; 및
    분자빔을 생성하도록 상기 입구 구멍으로부터 분자빔 재료를 증발 또는 승화시키기 위해 도가니에 수용된 분자빔 재료를 가열하도록 도가니상에 장착된 히터를 포함하며,
    상기 도가니는 분자빔 재료를 수용하는 부분 및 입구 구멍 사이가 구부려져 있음으로써 도가니에 수용된 분자빔 재료가 상기 입구 구멍으로부터 보이지 않게 되며, 분자빔 재료를 수용하는 상기 부분이 균일한 수평 단면적을 갖고,
    상기 히터는 서로 독립적으로 제어될 수 있는 적어도 2개의 히터로 구성되는 분자빔 소스.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 히터는 적어도 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 부분 및 상기 부분 바로 위의 천장에 장착되는 분자빔 소스.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 히터는 도가니 전체를 거의 커버하도록 장착되는 분자빔 소스.
  7. 제 4 항 내지 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 분자빔 재료를 수용하는 부분 이외의 도가니의 일부분을 분자빔 재료를 수용하는 부분보다 온도가 더 높게 가열하는 분자빔 소스.
  8. 삭제
  9. 제 4 항 내지 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 서로 독립적으로 제어될 수 있는 적어도 2개의 히터로 구성되며, 상기 히터중 하나는 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 부분상에 장착되며 다른 히터는 도가니의 다른 부분상에 장착되는 분자빔 소스.
  10. 제 4 항 내지 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 적어도 2개의 히터로 구성되며, 그중 하나는 분자빔 재료를 증발시키는 제 1 히터이고 다른 히터는 분자빔 재료로부터 생성되는 분자빔량을 제어하는 제 2 히터인 분자빔 소스.
  11. 제 4 항 내지 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 외주를 커버하는 진공 용기 및 상기 진공 용기에 장착된 수냉 쟈켓을 더 포함하는 분자빔 소스.
  12. 제 2 항 내지 11 항중 어느 한 항에 기재된 분자빔 소스;
    상기 분자빔 소스를 지지하는 진공 체임버;
    상기 진공 체임버의 내벽을 따라 제공된 측판; 및
    상기 분자빔 소스의 도가니의 입구 구멍에 대향하게 측판에 제공된 기판 홀더를 포함하는 분자빔 에피택시 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 분자빔 소스는 상기 진공 체임버내에 수직 배향으로 지지된 2개 이상의 분자빔 소스로 구성되고 상기 각 분자빔 소스의 입구 구멍은 기판 홀더에 대향하는 분자빔 에피택시 장치.
  14. 제 12 항 또는 13 항에 있어서, 상기 진공 체임버가 경사지게 배치되는 분자빔 에피택시 장치.
  15. 제 4 항에 기재된 분자빔 소스; 및
    상기 분자빔 소스를 지지하는 진공 체임버를 포함하며,
    상기 분자빔 소스는 다수의 원통형 부재를 포함하는 진공 용기 및 도가니 및 히터를 진공 체임버에 밀봉상태로 고정시키도록 서로 분리되어 연결되는 밀봉 고정 부재를 더 포함하고,
    상기 원통형 부재는 분자빔 재료를 수용하는 도가니의 일부분을 커버하고 직선 축을 가진 직선 실린더 및 도가니의 구부려진 부분을 커버하며 구부려진 축을 가진 구부려진 실린더를 포함하며,
    상기 밀봉 고정 부재는 상기 도가니 및 히터를 원통형 부재들 각각에 밀봉상태로 고정하도록 상기 직선 실린더의 일 단부의 구멍에 연결되며,
    상기 직선 실린더 및 구부려진 실린더는 도가니의 구멍으로부터 도가니의 구부려진 부분위로 통과하여 도가니상에 장착되며,
    상기 밀봉 고정 부재는 상기 구부려진 부분위로 통과하는 직선 실린더의 일 단부의 구멍을 밀봉하는 분자빔 에피택시 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 도가니는 축들이 서로 공통 평면에 있는 다수의 구부려진 부분들을 가지며 상기 진공 용기는 도가니의 구부려진 부분들의 형상에 대응하는 형상을 가진 구부려진 실린더들을 갖는 분자빔 에피택시 장치.
  17. 제 15 항 또는 16 항에 있어서, 상기 진공 체임버에는 상기 도가니 및 히터를 둘러싸는 진공 용기를 진공 체임버에 연결하는 다수의 포트들이 제공되는 분자빔 에피택시 장치.
  18. 제 15 항 또는 16 항에 있어서, 상기 진공 용기는 다수의 직선 실린더들을 가지는 분자빔 에피택시 장치.
  19. 제 15 항 또는 16 항에 있어서, 상기 직선 실린더, 구부려진 실린더 및 밀봉 고정 부재 각각은 플랜지 접속을 허용하는 접합부를 가지는 분자빔 에피택시 장치.
  20. 제 15 항 내지 19 항중 어느 한 항에 기재된 분자빔 에피택시 장치를 구성하는 진공 용기.
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