TWI230209B - Molecular beam source apparatus and molecular beam epitaxy apparatus - Google Patents

Description

1230209 A7 B7 五、發明説明（彳 ) 相關申請案之交叉參考 本申請案有關分別在1999年10月2 1日、1999年10月25曰 、2000年4月3日、2000年5月24日提出之日本專利申請Nos. HEI 1 1(1999)-299915 號、HEI 1 1(1999)-302456 號、2000-101104號及2000- 153663號，依據35USC§119申請其優先權 ，各案的整體揭露以提及方式併入本文中。 發明背景 1 .發明領域 本發明有關一種分子束源及分子束磊晶裝置，特別有關 一種用於容納有一分子束材料並以分子束系晶（簡稱為 MBE)技術將該材料熱蒸發或昇華產生分子束之分子束源及 分子束磊晶裝置。 2 .相關技藝的描述 MBE技術為一種以高度真空狀態將高純度材料蒸發或昇 華並在GaAs基材或類似物上長晶而產生分子束之技術，用 以形成譬如半導體雷射等複合半導體元件之半導體薄膜， 現在進行研究與發展以作出進一步改良。 半導體薄膜製造之一項重要事項係為減少留在真空室中 的雜質，因此已改良排氣裝置並實行真空室烘烤，以獲得 良好的半導體薄膜。 但從罩部移除液體氮時，從材料移除氣體及/或在長晶期 間黏到譬如罩部（低溫板）及類似物等基材以外部位之物質 係將剝落在分子束源（亦稱為“分子束源元件”或“元件”） 上。落下的物質在此長晶時將再度蒸發並導致真空室中之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1230209 A7 ____________ B7 五、發明] --— 殘留雜質增加，並可能使半導體薄膜品質變差。再蒸發白、 物質亦可能進入安裝在分子束源元件的坩堝中用於加^ 2 料之加熱器中、以及用於測量溫度的熱電耦之導線中y而 造成譬如絕緣失效等問題。 為了應付此問題，已經採取譬如使真空室傾斜以防止壁 如黏在基材周圍罩部之物質如果脫離時亦不會落入元 ^ 等措施。 凡 但在此構造中，若採用如圖18或19所示習知構造之坩堝 601及602(亦稱為容器），配合至真空室上埠的元件將更加傾 斜。因此，坩堝601及602對於分子束材料具有減小的容量 。所以需增加分子束材料的進給次數，因此增加了維修作 業的次數，而降低MBE裝置的可利用率，並增加製造成本 〇 若真空室進一步傾斜並且元件與埠的安裝角度使得元件 的一個進入開口朝向比水平線更低的方向，具有圖i 8或又9 所示習知構造的坩堝601或602則無法用於融化型分子束材 料，而僅可用於昇華型分子束材料。 專利申請HEI 1 1(1999)-504613號的PCT國際公告之公告日 本譯文中係揭露一種單體坩堝603，如圖2 〇所示具有一個負 通風孔口 604。此構造中，即使元件呈水平置放，仍可使用 融化型分子束材料。 如上述，若真空室傾斜而防止黏在罩部或類似物之物質 落下時’將使得安裝在上埠的元件中，坩堝内可放入的分 子束材料里（亦即掛禍容量）變小。對於進給材料的維修作 -5- 1230209 A7 ____ _B7______ 五、發明説明（3 ) 業數將增多，並減少機器作業時間且增加製造成本。 並且，若利用圖2 0所示習知結構的坩堝令真空室概呈水 平，則當消耗分子束材料且材料液體水位降低時，分子束 材料的蒸發面積將改變且分子束的強度（亦即通量強度）亦 改變。通常以規則間隔來測量分子束強度，並藉由調整加 熱器溫度加以補償。當蒸發面積如上述構造加以改變時， 必須更頻繁地進行分子束強度的補償與測量，故降低裝置 的可利用率並增加製造成本。 並且，如圖2 1所示，將某些習知的分子束源元件附接至 一個傾斜的真空室641，所以自基材固持部642周圍的一個 罩部643脫離之物質並不會落入元件中。如圖22所示，分子 束源元件644A、644B、644C具有坩堝或容槽645A、645B、 645C以接收分子束材料646。 在分子束源元件644A、644B、644C之中，因為分子束源 元件644A、644B、644C本身即呈傾斜狀，所以分子束材料 646的容器645B具有小於容器645C的容量，且容器645A具有 比容器645B更小的容量。亦即，此構造造成分子束材料646 的容器645A、645B、645C容量在上元件中減少之問題。並 且，黏在分子束源元件644A、644B、644C上方罩部643之物 質將落入這些分子束源元件644A、644B、644C中並以雜質 形式與分子束材料646相混合。在下次長晶時再蒸發之雜質 將污染真空室641的内部並破壞所長晶體薄膜之品質，使薄 膜的良率下降。 一種設有分子束源元件644A、644B、644C之分子束磊晶 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1230209 A7 B7 五、發明説明（4 ) 裝置65 1 (下文稱為MBE裝置或分子束長晶裝置）因為分子束 源元件644A、644B、644C具有小容量所以需要時常補充分 子束材料646。由於時常補充分子束材料646，所以需增加 維修作業數，進行維修作業時，因為MBE裝置651需停止、 並使真空室641中的壓力恢復環境壓力、將分子束材料646 進給入容器645A、645B、645C中、再度啟動MBE裝置、並 使真空室641成為超高真空狀態，所以維修作業需費很長的 時間。因此，若增加極費時的維修作業次數，則顯著降低 MBE裝置651的可利用率，且增加半導體薄膜的製造成本。 發明概論 這些情形下，本發明之一目的係提供一種分子束源，其 可接收增加的分子束材料量亦可防止分子束材料的污染。 另一目的係提供一種分子束磊晶裝置，其中具有此分子束 源且可降低維修作業次數以降低製造成本及改良良率。 為了達成上述目的，本發明的分子束源包括一個可由進 入開口所見之。 根據具有上述構造的分子束源，坩堝（容槽）充填有分子束 材料，坩堝呈彎曲狀而從朝向一物質的進入開口（亦為發出 分子束的開口）無法看見分子束材料。由於甜禍具有此種彎 曲構造，所以從進入開口進入的雜質難以黏到坩堝底部容 納的分子東材料。因此可防止雜質污染分子束材料。 坩堝呈彎曲狀而從進入開口無法看見分子束材料，並且 即使進入開口傾斜時，容納分子束材料之底部亦不會傾斜 。因此可增加掛瑪的容量。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂

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五、發明説明（5 )

口無法看見掛瑪所容納的分子束源，該 ®狀’所以從進入開 該用於容納分子束材 料的部份具有概呈均勾的水平剖面積。 斫即，本發明的分子束源之坩堝整體形狀之結構性特徵 ，可使彳于坩堝呈彎曲狀而從坩堝進入開口無法看見柑堝底 部容納的分子束材料，且用於容納分子束材料之坩堝的材 料容納部具有概呈均句的形狀（概呈均勻的水平剖面積）， 而使分子束材料的，蒸發表面積不變。因此，可確使坩堝即 使在傾斜時仍有足夠容量，或當分子束材料減少時仍可獲 得穩定的分子束強度。 由下文詳述更明顯得知本申請案之述及其他目的，但應 瞭解·因為熟悉本技藝者由此詳述更可瞭解本發明精神與 範圍内之各種變化及修改，詳述及特定範例雖然顯示本發 明的較佳實施例，卻僅為示範性質。 圖式簡單說明 圖1為根據本發明第一實施例的MBE裝置的主要部份之示 意剖視圖； 圖2為根據第一實施例的分子束源元件之示意剖視圖； 圖3為根據本發明第二實施例的MBE裝置的主要部份之示 意剖視圖； 本紙張尺度迎斜® ®家鮮(CNS) A4規格(21GX 297公董) 1230209 A7 --------Β7___ 五、發明説明（6 ) 圖4為根據第二實施例的分子束源元件之示意剖視圖； 圖5顯示根據本發明第三實施例的分子束源元件之構造； 圖6為根據本發明第三實施例的分子束磊晶裝置的構造之 示意剖視圖； 圖7顯示對應圖6根據本發明的分子束磊晶裝置之第四實 施例； 圖8顯示對應圖5根據本發明第五實施例的分子束源元件 9 圖9顯示對應圖6根據本發明第五實施例的分子束磊晶裝 置； 圖1 0為根據本發明第六實施例之分子束磊晶裝置的分子 束源元件的示意縱剖視圖； 圖11為具有圖1 〇的分子束源元件之分子束磊晶裝置之示 意縱剖視圖； 圖12(a)至12(d)為顯示圖1〇的分子束源元件之組裝與附 接之示意圖； 圖1 3為顯示根據本發明的分子束磊晶裝置中進給入坩堝 中之分子束材料量及坩堝彎曲角的測量結果之圖表； 圖1 4為圖1 3的測量值之分子束源元件之示意圖； 圖1 5 (a )至1 5 (c)為顯示根據本發明設定一直圓柱與一彎 圓柱的尺寸與形狀的程序之示意圖； 圖1 6為根據本發明第七實施例的分子束磊晶裝置之分子 束源元件的示意縱剖視圖； 圖1 7為具有圖1 6的分子束源元件之分子束磊晶裝置的縱 本紙張尺度itffi中國國冢標準(CNS) A4規格6_1_0X 297公董) 1230209

剖視圖； 圖1 8為習知分子束源的錐形坩堝之示意剖視圖； 圖1 9為習知分子束源的圓柱形坩堝之示意剖視圖； 圖2 0為習知分子束源的另一坩堝之示意剖視圖； 圖2 1為習知MBE裝置的主要部份之示意剖視圖； 圖2 2為圖2 1的習知MBE裝置的分子束源元件之示意剖視 ® 〇 一 較佳實施例的描述 現參照圖示實施例來詳述根據本發明的分子束源及具有 分子束源之分子束磊晶裝置。但本發明不限於這些實施例 作為本發明的一項實施例的分子束源之分子束源元件的 特徵為：分子束源元件本身的進入開口的一個開放面係朝 向水平方向或朝向比水平方向更低之方向。 為分子束源元件的開 低之方向，所以由上 。結果，雜質不會黏 防止坩堝與分子束材 根據此實施例的分子束源元件，因 放面係朝向水平方向或比水平方向更 方落下的雜質並未進入分子束源元件 到容器中的分子束材料，而更可確實 料受到污染。 根據-項實施例的-種分子束源元件之特徵為具備至少 兩個加熱器：用於蒸發上述分子束材料之第一加熱器 用於控制分子束材料產生的分子束量之第二加熱器。11 及 此實施例㈣子束源元件不論分子束材料的形式如 可藉由第一加熱器來蒸發分子束材料、並由第二加熱器控 -10-

1230209 A7 B7 五 發明説明（8 制分子束量，而以良好的可複製性來控制分子束量。 並且，因A不論分子束材料的形式如何均可以良好的可 複製性來控制分子束量，所以可自由選擇料容納分子束 材料之客器形狀，亦即改善了選擇容器形狀的自由度。 根據本發明實施例的-種分子束羞晶裝置或分子又束長晶 裝置之特徵為具備上述分子束源元件。 此實施例的分子束長晶裝置中，可利用上述分子束源元

裝 件來增加進給入容器中的分+ & # 2 ^ 廿* τ叼刀亍末材科里，故減少補充分子 束材料 < 次數並降低補充作業之相關維修作業次數。由於 減少費時的維修作業次數，故改良了裝置的可利用率及生 產力。因此，此分子束長晶裝置可降低薄膜的製造成本。 並且，因為可防止分子束材料受到污染，可令分子束材 料所產生的分子束保持清潔。因A，決不會冷染分子束所 長晶體並形成良好品質的薄膜，所以可改善良率。 訂

並且，因為以1好可複製性來控制分子束材料所產生 的分子束量，所以亦改善長晶之可複製性，並可進一步改 善良率。 並且，在具有傾斜的室之分子束慕晶裝置中，即使本發 =子束源係安裝至一個上蜂，亦可以大量進給融化型 刀 材料，且可延長分子束材料的進給週期，因此可改 利用率。此外，當消耗分子束材料且其液體水 ’蒸發面積不·變，而不再需要時常補償分子束強 度或通量，所以可改善裝置的可利用率。 本發明的分子束源之特定型式中，光源的構造可使得坩 -11 - 1230209 五、發明説明（9 塥f管狀（較佳呈圓柱形）；㈣的材料容納部及掛碼用於 決疋分子束方向的部份（亦即坩堝中從進入開口到材料容納 部〈邵份）具有位於相同平面之中軸線（以上為兩種掛碼圓 枉^),且中軸線構成不小於3〇。且不大於15〇。角。因為可 實質執行此構造而增加掛螞容量，所以此構造可 的範例。 勺〒乂狂 本發明的分子束源中，加熱器可至少設置於坩堝的材料 容納部中及位於材料容納部幾乎正上方之一個頂限部上。 因為分子束材料融質易嘴黏在此頂限部上，所以可有效防 止^子束材料的黏著，當然，因為加熱器可使整個坩堝保 持高溫並防止分子束材料再蒸發、且不會黏著或沉積，所 以加熱器更佳係覆,蓋住幾乎整個掛螞。 本發明的分子束源較佳可設有一系列的加熱器，其位置 可使得材料容納部以外部份具有比材料容納部更高的溫度 。並且，分子束源較佳可分別在材料容納部及其他部份中 設有^少兩系列之加熱器，使得其他部份具有比材料容納 部更高之溫度。此種配置中，#禍的形狀雖然使得從掛堝 進入開口無法看見分子束材料，分子束材料幾乎不會黏在 坩堝的内壁，因此可更容易地控制通量強度。 本發明的分子束源較佳可在加熱器外部設有一個水冷卻 機構，更佳設有一個水冷卻套。此構造不會使分子束源的 真空谷器及裝置埠周圍的溫度升高，並且不會破壞真空程 度，但是，譬如加熱器等大多數高溫部份並未披覆罩部。 另一型態中，本發明提供一種分子束磊晶裝置，包括·· 12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1230209 A7

(a )個分子束源，包括一個j#螞，具有一個進入開口及 安裝在坩堝上的一個加熱器，用於加熱坩堝中所容納的分 子束材料，以將來自進入開口的分子束材料蒸發或昇華產 生一分子束，其中該坩堝在用於容納分子束材料的一部份 與進入開口之間呈彎曲狀，所以從進入開口無法看見坩堝 所容納之分子束材料，並且用於容納分子束材料的部份具 有概呈均勻的水平剖面積， (b) —個真空室，用於支撐分子束源， (c) 一個罩部，位於真空室的一個内壁上，及 (d) —個基材固持部，位於與分子束源的坩堝進入開口相 對之罩部上。 並且，分子束磊晶裝置可具有兩或更多個分子束源，此 構造甚至對於傾斜狀真空室之分子束磊晶裝置亦可增加分 子束材料的進給量。並且，黏在罩部的物質如果脫離，亦 可防止此物質落入分子束源元件中造成困擾。因此可改良 此裝置的可利用率，並可防止半導體膜的成型期間使物質 落入掛堝中，並可避免膜的品質變差，所以改善產物之良 率〇 另一型態中，本發明提供一種分子束磊晶裝置，包含： 一個分子束源，包括一個坩堝，具有一個進入開口，以 及一個加熱器，安裝在坩堝上以加熱坩堝所容納之分子束 材料，將來自進入開口的分子束材料蒸發或昇華產生一分 子束，其中該坩堝係在容納分子束材料的一部份與進入開 口之間呈彎曲狀，所以從進入開口無法看見坩堝中容納的 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 11 1230209 五、發明説明（

分子束材料，且用於容納分子束材料的部份具有概 的水平剖面積，及 J 一個真空室，用於支撐分子束源， 其中孩分子束源進一步包含一個真空容器，包括分別 相連接之多數圓柱形構件及-個密封固定構件，用 堝及加熱器密封式固定至真空室， ，圓柱形構件包括-個直圓柱並具有—個直㈣及一 圓枉，孩直圓柱係覆蓋用於容納—分子束材料之一部 =堝，該彎圓柱係覆蓋坩堝的一彎曲部份並具有一個‘軸 密封式固定構件係在直圓柱-端處連接至_個開口，以 將坩堝及加熱器密封式固定至各個圓柱形構件， 直圓枉及彎圓柱從坩堝開口跨越坩堝的彎曲部而安 坩堝上，及 位 密封式固定構件在已跨越彎曲部之直圓柱的一 住開口。 亦即、’ t直管貞彎管構成的真空容器附接至分子束源元 件（下又％為TG件單疋）之一個主體時係包含··具有彎曲部 繞掛禍的加熱器之坩堝；首先組裝元件單元；以真空 合备的达封式固定構件來固定元件單元；將加熱器進行接 、、泉，7直^與、考官依序自元件單元開放側跨越彎曲部；並 P遺後將搶封式固定構件、直管及彎管彼此相連，而將一端 由名封式固疋構件所密封之真空容器相附接之分子束源元 件進饤組裝。此情形中，可將加熱器之一個電線及連接至 10X297公釐） 本紙張尺度適用中國國家標準 14- 1230209 A7 B7 五 、發明説明（ 12 元件單元之其他電線通過密封式固定構件之一個進給貫 部或類似物，使之導往外部。 男 根據本發明，可在含有加熱器與接線之元件單元受到系 裝之後，將真空容器的各管從元件單元開口附接在2件^ 兀上，因而將真空容器密封式固定至真空室。如此可利: 進行包含組裝與拆解之維修程序，並改良裝置的可利用率 。並且，可使用可大量進給分子束材料融質之大容量坩堝 ’且比起掛堝容量係減小了真空容器的尺寸。 ^ 本發明中，為了盡量減少真空室埠所佔空間以避免不必 要地增大真空室尺寸，故需要盡量減小真空容器的尺 特別是與埠接合處的外部尺寸。因此，將直管與彎管的 技與長度較佳降為，可讓元件單元的彎曲部通過彎管與直总 之最小值0 & 本發明的分子束磊晶裝置包含一個分子束源元件及_個 真空室。分子束源元件包括一個元件單元及一個真空容器 。元件單元具有—個設有—彎曲部之㈣、—個加^器: 及譬如熱電耦等附接部。 2發明中’掛瑪具有多數之寶曲部，此等彎曲部的軸線 位於相同平面卜真空容器可譬如設有與坩 相符之彎管。 1 y狀 ^空容器具有多數直管’因為掛螞的彎曲部可通過短 丢成個“，所以材料容納部 直與弯管的各個接合部可構成配合接頭、螺旋接頭、凸 I紙張尺度適财a g家標準(CNS) μ規格(2iG><297公董厂 裝 訂 -15- 1230209 發明説明（13 緣接頭或類似物。密封式固定構件的接頭可形成配合或螺 旋蓋、栓塞、閉合凸緣（凸緣接頭）或類似物。因為凸緣接 頭容易拆裝且不旋轉，所以特佳採用凸緣接頭。 本發明中，譬如，密封式固定構件可設有：個進給貫穿 邵，以使電線導出並使真空容器内部保持氣密性，進給貫 穿邵為常用以將料從真空側導過真空容器前往環境侧之 -種真线持接線構件。譬如，進給貫㈣可包含一個在 兩场说有連接场子之連接器體邵、及一個幫助連接器體部 維持氣密性之凸緣，使得兩端之連接端子分別位於真空側 及環境側上。 若真空室設有多數的崞，而將含有㈣之真空容器及其 中所包圍的加熱器,連接至直办舍 則可將分子束從多數分 子㈣疋件導向位於真空室中之一個目標（譬如基材），因 此縮短構成膜所需的時間。 本發明的另一型賤φ，如# _ . 栗沾' ^ 土4中，棱供一種身為上述分子束磊晶裝 置的一邵份之真空容器。 :::的分子束蟲晶裝置中，因為分子束源元件的開口 :朝向基材固持部的中心(亦即目標)且材料容納部可呈垂 所。J '因此可利用熱壁效應來改良真空室中形成之室品 貝二：：效應為：因為自分子束材料融質的液體水位蒸發 (刀子束材料在‘彎曲部或類似物再度蒸 所以可獨立地控制分子束量及所發出分子束的能量。 現在描述部份的實施例。 第一實施你丨 -16 -

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圖1為本發明第一實施例之MBE裝置的示意剖視圖。如圖 1所tf，MBE裝置13具有：一個真空室1()，對於水平方向 呈傾斜排列；一個基材固持部1 1，位於真空室丨〇中；及分 子束源元件1 A、1 B、1 C，附接至與基材固持部丨丨相對之 真空室1 0。一個罩部1 2係附接至真空室^ 〇之一個内壁。 如圖2所示，分子束源元件1 b具有：一個坩堝2，坩堝2 身為容器的彎曲部，所以從作為將分子束發出到基材6的開 口之一個端邵5a無法看見一底部2a所容納的分子束材料7 •，一個彎曲的圓柱形體部5，具有一個底部以容納坩堝2 ; 及一個第一及一個第二加熱器3及4，位於體部5與坩堝2之 間。第一加熱器3位於坩堝2的底部2a周圍，第二加熱器4 位於坩堝2的一端部2b周圍。熱電耦8及9附接至坩堝的底 邵2 a及端邵2 b以偵測溫度。 一 分子束源元件1B的一個開口 16係形成於體部5的一個基 材側上之端部5a。端部5a的一個上部17係往基材6延伸了 遠比坩堝2的端部2b更加長的距離，而端部5 a的一個下部 18則往基材6延伸比坩堝2的端部21)略微較長的距離。包^ 上部17的梢部19與20以及端部。下部18之一個平面（亦^ 一個開口平面15)係朝向水平方向，但開口平面15可朝向比 水平方向更低的方向。此處僅參照圖2詳述分子束源元件 1B ,但圖1所示的分子束源元件i八及1(：具有與分子束源元 件1B相同的構造，其中差異為：相較於分子束源元件W疋 對於體部及坩堝具有不同的彎曲角度、及對於其開口平面 足向不同的方向。分子束源元件丨Α、i Β、丨c的開口平面 -17-

15 1230209 五、發明説明（ 6 5、1 5、7 5係朝向水平方向或較低方向。 上述構造的分子束源元件1A、1B、1(：中，在長晶時， 分^束材料7蒸發且由第一加熱器3產生分子束。由第二加 ”4來控制分子束量，分子束從端部“往基材"文流以在 基材6上長晶，此時，從罩部12移除液體氮時，除了基材6 足外黏在罩部1 2或其他部份的雜質物質均脫離落下。但因 為坩堝2亦呈彎曲狀而從端部5a無法看見分子束材料7，所 以2端部5a的開口 16進入之物質不容易黏到坩堝2底部以 所容納之分子束材料7。因此可防止分子束材料7受到污染 坩堝2呈彎曲狀所以從端部5a無法看見分子束材料7，且 端部5a如果傾斜時，用於容納分子束材料7的底部“並未 傾斜。因此，相較於習知坩堝，可增加進給入坩堝2的分子 束材料7量。特別是，圖6所示的習知容器45Α、45Β、45ε 可容納約10公撮的分子束材料46，而圖2所示的坩堝2可容 納60公撮或更多的分子束材料7。 因為分子束源元件ΙΑ、IB、1C的開口平面65、15、75 朝向水平方向或比水平更低的方向，黏在罩部12及其他部 份之物質（亦即雜質）即使脫落亦不會進入分子束源元件i A 、IB、1C，因此不會進入分子束源元件ία、IB、1C中的 掛螞2。因此，物質並不會黏到坩堝2中之分子束材料7。所 以可更確實防止分子束材料7受到污染，並且，因為黏在罩 部1 2的物質並未進入分子束源元件1 a、1 B、1 C，所以可 防止原本因為物質進入第一及第二加熱器3及4及熱電偶8及 18- 本紙張尺反適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1230209 A7

9的導線所造成之絕緣失效。 因為裝置設有用於蒸發分子束 认铋连丨八工太u ,, 术材枓7 <罘一加熱器3及用 產生分子束量之第二加熱器4，可與 3 關而獨立地以良好的可複製性來控制分 ^束I。此中，不需特別限制分子束材料7的形狀，因 此可自由設計用於容納分子束材料7的利2形狀，亦即改 良了掛瑪2形狀的自由度。 在裝有分子束源元件1A、1B、1〇之議裝置13中分 子束材料7的進給次數減至圖21與22所示習知技藝裝置所 需次數的六分之這降低了進給分子束材料之相關維修 作業次數，故改善麵裝置13的刊用率，並減少費時的 維修作業次數，所.有可能降低使用此MBE裝置的半導體薄 膜 < 製造成本。具體而言，相較於習知技藝的裝置，可將 製造成本降至四分之一。 習知的MBE裝置13中，因為可防止分子束源元件1A、1B 、1C中的分子束材料7受到；亏染，自未受污染的分子束材 料長成晶體，因此可產生良好品質的薄膜而增加良率。 並且，上述MBE裝置13中，利用提供蒸發分子束材料7的 第一加熱器3及控制分子束材料7所產生分子束量之第二加 熱器4，可避免因分子束材料7減少而造成不穩定的分子束 量，因此以良好的可複製性來控制分子束量。故改善了長 曰g的可複製性而改善良率。特別是相較於習知技藝的裝置 ’良率改善約3 0 %。 上述MBE裝置13中，因為分子束源元件ία、IB、1C可 19- 紙張尺度適用φ圃圃宕拐故^ 〇 1230209 17 、發明説明（ 配口土真空室丨〇的一個側面，故改善分子束源元件i A、 、ic的排列自由度。並因為不需在MBE裝置丨3下方的小 二間中儿成作業，所以將分子束材料7進給至分子束源元件 時具有良好的可工作性。 雖然上述實施例中，分子束源元件丨B的開口平面1 5覆蓋 住體部5端部5&之梢部19及2〇，開口平面。亦可覆蓋住坩 塥2端部2b的梢部。亦即，分子束源元件的開口可形成於體 邵或掛瑪中、而非在分子束源元件^、1B、^中，開口 平面係覆蓋住掛塥端部的梢部。 上述實施例中，分子束源元件以、1B、lc的開口平面 6 5 1 5、7 5係朝向水平方向、或比水平方向更低的方向， 但開口平面較佳朝向比水平方向更低的方向。 上述實施例中係分別形成體部及坩堝，但亦可由一體方 式構成體部及坩堝。 1二實施例 圖3為本發明第二實施例之MBE裝置的示意剖視圖。如圖 3所不，MBE裝置3 3具有：一個真空室3〇 ’與水平方向平 行排列；分子束源元件21A、21B、21C，位於圖中直*室 30之-右侧上卜個基材固持部31，位於與分子束源：件 21A、21B、21C相對的真空室3〇中。一個罩部…系附接至 真空室30的一個内壁。 如圖4所示，分子束源元件21A具有··—個坩堝22，其身 為容器彎曲部，所以從作為將分子束發送到一基材26的開 口之一個端部25a無法看見底部22a所容納之分子束材料2 7 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 20 1230209 A7 B7 18 五、發明説明（ ;一個彎曲的圓柱形體部25，具有一個用於容納坩堝22之 底部；及一個第一及一個第二加熱器23及24，位於體部25 與坩堝22之間。第一加熱器23位於坩堝22的底部22a周圍 ’且弟一加熱器24位於堝22之一個端部22b周圍。熱電 偶2 8及2 9係附接至j#堝2 2之底部2 2 a及端部2 2 b以偵測溫 度。 为子束源元件21A的一個開口 3 6係形成於體部2 5的一個 基材側上之端部25a。端部25a之一上部3 7及一下部2 8係往 基材26延伸比掛瑪22端邵22b略長的距離。包含上部37梢 部39與40及端部25a下部38之一個平面（亦即一個開口平面 3 5 )係朝向比水平更低方向，但開口平面3 5亦可朝向水平方 向。此處僅參照圖4來詳述分子束源元件21A，但圖3所示的 分子束源元件21B及21C具有與分子束源元件21A相同的構造 ，差異在於：相較於分子束源元件21A，對於體部及坩堝具 有不同的彎曲角及對於其開口平面定向不同之方向。分子 束源元件21A、21B、21C的開口平面35、85、95係朝向水 平方向或較低方向。 具有這些元件之分子束源元件21A、21B、21C及MBE裝置 3 3具有與第一實施例的分子束源元件及μ B E裝置相同之效 應。 並且，因為掛堝2 2概呈直角彎曲，所以從發出分子束的 端部25a無法看見底部22a中所容納之分子束材料27，譬如 黏在罩部32等的雜質如果從端部35a開口 3 6進入坩堝22， 則雜質幾乎不會黏至底部22a中之分子束材料27。因此可以 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1230209 A7

很確實地防止㈣22中之分子束材料27受到冷染。 分子束源元件21A的開口平面35雖包括上述實 體部25的端部25a梢部39及4〇，開口平面35可包括心 端邵22b之-個梢部。亦即，分子束源元件的開口可 人 體部或㈣中，分予束源元件2lB及2ic的開口平面亦= 括坩堝端部的梢部。 匕 上述實施例中，分子束源元件21A、21B、21C及開口平面 2 5、8 5、9 5位於水平方向或比水平更低之方向中、更佳位 於比水平更低之方向中。 、 上述實施例係分別構成體部2 5及坩堝2 2，但亦可一體成 如上述可知，本發明的分子束源具有坩堝，坩堝具有一 個進入開口且呈彎曲狀，所以從進入開口無法看見進給入 坩堝内部的分子束材料。從進入開口跑入的雜質不易黏到 進給入掛塥之分子束材料，因此可防止雜質污染分子束材 料。 此實施例的分子束源元件中，坩堝呈彎曲狀所以從進入 開口無法看見分子束材料，且即使進入開口呈傾斜狀時， 用於容納分子束材料的底部亦未傾斜，因而可增加坩堝的 容量。 此貫施例的分子束源元件中，分子束源元件的進入開口 的開口平面係朝向水平方向、或比水平方向更低的方向， 上方落下的雜質並未進入分子束源元件。因此可更確實地 防止分子束材料受到污染。 用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 22- 1230209 A7 B7

五、發明説明（20 根據此實施例的分子束源元件，因為第一加熱器3係用於 蒸發分子束材料且第二加熱器4用於控制分子束材料所發出 之分子束量，可與分子束材料形狀無關地獨立以良好的可 複製性來控制分子束量。此情形中並不需要特別限制分子 束材料的形狀，因此自由度可改良用於容納分子束材料之 容器形狀。 根據此實施例的分子束長晶裝置，因為可藉由提供上述 分子束源元件來增加分子束材料的進給量，可減少材料進 給之相關維修作業次數。因此可改良裝置的可利用率及生 產力’故可降低使用分子束長晶裝置製成之半導體薄膜的 製造成本。 根據此實施例的分子束長晶裝置，因為可藉由提供上述 的分子束源元件以防止分子束材料受到污染，並不會由受 污染的分子束材料繼續進行長晶，且可構成良好品質的薄 膜，故可改善良率。 根據此實施例的分子束長晶裝置，可藉由提供上述的分 子束源元件而以良好的可複製性來控制分子束量，故可改 良長晶的可複製性，而可進一步改良良率。 現在進一步顯示部份之特定實施例。 篇三實施例 圖5顯示根據本發明之分子束源元件的第三實施例的構造 〇 圖5中，第三實施例的分子束源元件101具有··一個掛碼 1〇2，用於容納一種分子束材料i〇6(譬如鎵）；一個加熱器 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1230209

〇3 ,個熱笔偶l〇4 ; —個反射板i〇5 ; 一個容器11〇(下文 稱為真空容器），用於在坩堝1〇2周圍保持真空；一個水冷 卻套107，位於真空容器11〇的一個外壁上。坩堝1〇2譬如由 PBN(裂解氮化硼）製成，料的整體形狀為L型，所以-個 往上k伸的圓柱係沿長度方向呈水平狀彎開（90。），掛堝一 端（下端）受到密封。 用於谷納分子束材料106之一個材料容納段108係形成於圓 柱的一個往上延伸部中，且用於界定分子束形狀之一個分 子束形狀界定段109係形成於圓柱的另一個水平部中（介於 進入開口 111與材料容納段1〇8之間）。 加熱器103呈螺旋狀排列而實質完全覆蓋住材料容納段1〇8 及分子束形狀界定段1〇9。加熱器1〇3的排列方式係在分子 束形狀界足段109中具有比材料容納段1〇8中較近的間隔。 加熱器103可為在各段中呈並聯之一組加熱器，所以在電流 通過時，使分子束形狀界定段1〇9的溫度上升成高於材料容 納段108的溫度。 圖6為顯示利用本發明第三實施例的分子束源元件ι〇1之 MBE裝置201構造之示意圖。 圖6中，MBE裝置201具有一個分子束源元件202 ; —個基 材固持部203，具有一個用於旋轉/加熱基材之機構；及一 個罩部204。分子束源元件202之一坩堝的一個進入開口 2〇5 係朝向基材固持部203中心，譬如使分子束對於基材固持部 203法線呈2 5。角入射在基材上。第三實施例中，MBE裝置 201之分子束源元件202呈傾斜狀排列，而使基材固持部2〇3 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) ： --—-— 1230209 A7 B7 五、發明説明（22 的一轉軸呈水平狀排列。 此構造中，即使分子束源元件202坩堝的進入開口 2〇5朝下 時，配合至最上位置中的一個元件埠之分子束源元件2〇2仍 可接收100公撮或更多的分子束材料融質。 相反地，利用圖2 0所示之習知結構的坩堝，容量約為i公 撮。因此’第三實施例的分子束源元件2〇2約有大上1〇〇倍 的容量，且材料進給週期可延長50倍或以上，可將製造成 本減至一半以下。 並且’採用圖2 0所示習知構造時，由於材料消耗且液體 水位下降而使蒸發面積減小。若加熱器溫度固定，則通量 強度減小。為了獲得固定的通量強度，必須不斷補償加熱 器的度。通常需，在進行數次長晶之後進行此通量補償。 若使用第三實施例的分子束源元件2〇2，則當材料消耗且液 體水位下降時，蒸發面積不變。若加熱器的溫度為固定， 則通量強度幾乎固定。因此可延長通量補償的間隔，且可 改良裝置之可利用率。 因為分子束源元件202的進入開口 205係朝向比水平方向更 低之方向，黏在罩部201的物質若落下亦不會掉入分子束源 元件202中。可防止因為加熱器1〇3與熱電偶1〇4的絕緣失效 而降低元件的可靠度。並且，可防止因為膜成型期間進入 坩堝的物質而使膜的品質變差。 第三實施例中，加熱器103幾乎覆蓋住整個坩堝1〇2。若加 熱器103並未在某一部份覆蓋住坩堝丨〇2，則其中溫度將下 降且分子束材料無法再蒸發且黏著/沉積在該部份上。為避 -25- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(21〇x 297公董) 則將影響真2程度。如同第三實施例等理想情形中，提供 水冷卻套107以防止裝置的埠部及分子束源的真空容器的溫 度出現上升。此實施例中，水冷卻套位於真空容器外部， 1230209 A7 -------- B7 五、發明説明（23 ) 免此狀況’加熱器1〇3較佳幾乎完全覆蓋坩堝1〇2。 本發明的分子束源中，譬如加熱器1〇3等大多數高溫元件 不文到裝置罩部204所覆蓋，因此，裝置的一個埠部及分子 束源的真空容器受到高度加熱。若真空容器加熱至高溫， 但可將一個水冷卻機構設置於真空容器内的加熱器外部， 來達成相同的效果。 第三實施例中，分子束形狀界定段1〇9及材料容納段1〇8譬 如構成90。角，但亦可將角度設為3〇。至15〇。角而達成相同 效果。 篇四實施例 圖7為顯示利用與第三實施例的分子束源元件1〇1具有相同 構造的分子束源元件之另一 MBE裝置構造之示意圖。 圖7中，MBE裝置301具有一個分子束源元件3〇2 ; 一個基 材固持部303，具有一個旋轉/加熱基材之機構；及一個罩 部304。分子束源το件302之一坩堝的一個開口係朝向基材 固持部303中心，譬如將分子束對於基材固持部3〇3法線呈 2 5角入射在基材上。Μ B E裝置3 01呈傾斜狀排列，使得基 材固持部303的一轉軸與垂直方式呈65。角配置。 分子束源元件302係配合至ΜΒΕ裝置3〇1之一個水平埠，此 構造中，可進給250公撮或更多的分子束材料融質。 當採用圖20所示的習知型掛堝時，容量為2〇公撮。第四 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐)

裝 訂

1230209 A7 B7 發明説明 實施例的分子束源元件302具有比習知類型更大十倍的容量 ，因此，材料進給週期可延長五倍或更久，且製造成本可 降至三分之二或更小。 並且，使用圖20的習知類型掛瑪時，由於材料消耗且液 體水位降低而使蒸發面積減少。若加熱器溫度為固定，則 通量強度減小。為了獲得固定的通量強度，需要不斷補償 加熱器的溫度。通常需在進行數次長晶之後實行此通量補 償。若使用第四實施例的分子束源元件3〇2，即使材料消耗 且液體水位下降時，蒸發面積仍不變。若加熱器溫度為固 定，則通量強度幾乎固t。因此可延長通量補償的間隔， 且可改良裝置之可利用率。 並且，當採用圖,20的習知類型坩堝時，依照材料的進給 量而改變分子束的形狀、结果’在基材固持部如位置處使 膜厚度變成不均勻。第四實施例中，分子束形狀界定段1〇9 與材料容納段1〇8譬如構成90。角，但角度可設為3〇至15〇。 範圍之内，而獲得相同效果。 第五實施例 圖8顯示第五實施例之分子束源元件4〇丨構造。 圖8中，第五實施例的分子束源元件4〇1具有：一個坩堝 402，用於容納分子束材料；一個加熱器4〇3(與本發明的第 一加熱器相.對應）；一個加熱器404(與本發 相對應-個熱電請及406;以及一個反射 堝402譬如由PBN製成，坩堝的整體形狀譬如可使一個圓柱 沿長度方向呈135。角彎帛，㈣的_端密封形成一個材料 -27-

1230209 A7 ____ B7_ 五、發明説明（25~" 一 容納段410以容納一分子束材料408，坩堝另一端開啟形成 一分子束形狀界定段411以界定分子束的形狀。 兩組的加熱器403及404分別覆蓋坩堝402之分子束形狀界 定段411及材料容納段41〇，這兩組加熱器係幾乎覆蓋坩堝 402全部。兩組熱電偶405及406分別可測量分子束形狀界定 段411及材料容納段41〇之溫度，因此可分開控制分子束形 狀界定段411及材料容納段41〇之溫度。 圖9為顯示利用第五實施例的分子束源元件之mbe裝置構 造之示意圖。 圖9中，MBE裝置501具有：一個分子束源元件502 ; —個 基材固持邵503，具有一個旋轉/加熱基材之機構。分子束 源元件502之坩堝的進入開口係朝向基材固持部503中心， 譬如將分子束對於基材固持部503法線呈2 5。角入射在基材 上。MBE裝置501呈傾斜狀排列，使得基材固持部5〇3的一 轉轴呈水平狀排列。 此構造中，第五實施例的分子束源元件可接收3〇〇公撮或 更多的分子束材料融質。 加以比較時，圖1 8顯示習知的錐形坩堝，可容納2 〇公撮 的材料融質。分子束源元件的容量約較大丨5倍，且材料進 給週期可延長五倍或更多，所以製造成本可降至三分之二 或更小。當使用圖18所示坩堝時，由於材料消耗且液體水 位降低而使蒸發面積減少。若加熱器溫度為固定，則通量 強度減小。為了獲得固定的通量強度，需要不斷補償加熱 器的溫度。 -28- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1230209 A7 _____ B7 五、發明説明（26 ) 通常需在進行數次長晶之後實行此通量補償。若使用此 貫施例的分子束源元件，則即使材料消耗且液體水位下降 時’蒸發面積仍不變。若加熱器溫度為固定，則通量強度 幾乎不變。因此可延長通量補償的間隔，且可改良裝置之 可利用率。 加以比較時’圖1 9顯示習知的圓柱形坩堝，可容納約5 〇 公撮的材料融質。此實施例的分子束源元件的容量約較大4 倍，且材料進給週期可延長兩倍或更多，所以製造成本可 降至四分之三或更小。當使用圖1 9所示坩堝時，即使材料 消耗且液體水位降低，蒸發面積仍不變。若加熱器溫度為 固定，則通量強度幾乎不變。但當使用圖1 9所示坩堝時， 當材料消耗且液體水位降低則分子束形狀會變得尖銳，使 得基材固持部503所支撐的基材上形成的膜具有不均勻的厚 度。 此實施例中，加熱器403及404幾乎覆蓋住整個坩堝4〇2。 若加熱器403及404並未在某一部份覆蓋住坩堝4〇2，則該部 份的溫度將下降，且分子束材料無法再度蒸發而會黏著/沉 積在該部份上。因此，加熱器403及404較佳幾乎完全覆蓋 坩堝102。 1 本發明的分子束源中，譬如加熱器4〇3及4〇4等大多數高溫 元件並未受到裝置罩部504所覆蓋，因此，裝置的埠部及分 子束源的真空容器受到鬲度加熱。若真空容器加熱至高溫 ，則影響真空程度。在如同此實施例等理想情形中，提供 一個水冷卻套407以防止裝置的埠部及分子束源的真空容器 -29-

1230209 A7 ------- B7 五、發明説明^ ) " -- 、、度出見上升。此貝施例中，水冷卻套409位於真空容器外 部，但可將一個水冷卻機構設置於真空容器内的加熱器外 部’而達成相同的效果。 此實施例中，分子束形狀界定段411及材料容納段41〇譬如 構成135。角，但角度亦可設為3〇。至150。角，而達成相同效 果。 由上又清楚瞭解，根據本發明的分子束源，坩堝的整體 ^彎曲狀而從坩堝的進入開口無法看見坩堝底部所容納: 刀子束材料。因此可防止從開口進入的雜質污染到坩堝底 部所容納之分子束材料。 一並且，本發明的結構性特徵為··材料容納段具有概呈均 勻的形狀，使得材料的蒸發面積與材料量無關而不變，因 此即使在坩堝呈傾斜時，仍可確實具有足夠容量。故可減 少補償加熱器溫度的次數，並獲得均勻的分子束強度。 篇六實施例 圖1 〇顯示根據本發明第六實施例的分子束源元件。 圖=中，分子束源元件1〇〇具有··一個反射板一個 真空容器150; —個坩堝，用於容納一分子束材料m(譬 如銥），加熱器丛2_及103，相附接而圍繞坩堝u立；以及熱 電偶。將坩堝m、加熱器及103、熱電偶及反射板^ 稱為元件單元130。 坩堝具有由PBN構成之一種配合結構且包含··一個材料容 、、’内ί又JJ丄，用以卷納分子束材料；一個彎曲段113 ,位於一 個開口 112與材料容納段m之間；及一個分子束形狀界定 -30 -

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段114，位於開口 112與彎曲段113之間。坩堝的構造從開口 112無法看見材料容納段υ丄中之分子束材料。 坩堝從材料容納段jj丄至開口丨12概呈圓柱形，材料容納段 II丄及分子束形狀界定段114在彎曲段113處形成135。的彎= 角。 加熱器為一個電阻加熱構件，覆蓋住幾乎整個分子束 形狀界定段114。加熱器1〇3為一個電阻加熱構件，分別覆 蓋住幾乎整個材料容納段m。位於分子束形狀界定段ιΐ4 中之加熱器的間隔（電阻加熱構件的排列密度）在開口 i 12 附近處比加熱器μ其他部份處更接近。 根據位於材料容納段U及分子束形狀界定段114附近之熱 電偶的測量結果來.控制加熱器^及丨们，反射板Μ覆蓋加 熱器Ml及103與熱電偶。 真空容器150為一個類似坩堝^立具有135。彎曲角之不銹鋼 圓柱形彎曲部並且包含：一個端凸緣152 ,具有一個固定構 件151以支撐掛碼_11 〇的一個底部139; —個直管153 ,其一 端連接至端凸緣152;及一個彎管154，其一端連接至直管 153的另一端。 此範例中採用一個直管153，但可依據材料容納段丄長度 而採用兩個或更多個直管。 彎管154另一端具有一個凸緣154b，其可以凸緣連接至下 述MBE裝置的一個真空室並上中所形成之一個埠^1。一個 具有135°彎曲角之彎曲段155係形成於凸緣15朴附近。 直管153的内徑與長度及彎管154呈彎曲狀，所以當直管 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1230209 A7 B7 五 、發明説明（29 153及彎管154如下述從元件單元13〇的開口 U2沿元件單元 UO安裝時，元件單元13〇的彎曲部113可通過管153及154。 倘若’因為元件單元13〇的彎曲角與坩堝彎曲角相同， 則為方便起見，坩堝13〇的彎曲段113係指元件單元13〇的彎 曲段。 圖1 1為顯示利用上述分子束源元件100之MBE裝置200的 構造。 MBE裝置200具有：一個基材固持部202，具有一個用於旋 轉/加熱機構；一個罩部並1; 一個真空室迎丄，具有多數埠 Wa、並£b···;及分子束源元件100，如上述連接至埠2〇4a 、2Mb · · ·。基材固持部202的轉軸與垂直方向呈54。角傾斜 。圖11中，多數槔.之中僅顯示雨個埠204a及204b。 連接至204a、2Mb···之分子束源元件1〇〇的開口 112係朝 向基材固持部並2_中心。自各分子束源元件100散流的分子 束對於基材固持部並之法線呈3 6。角入射在基材上。一個水 冷卻套（未圖示）係配置於分子束源元件100的真空容器150外 部。當啟動與真空室丄相連的一個外部真空泵時，真空容 器150内部保持真空。 圖12(a)至12(d)顯示分子束源元件100附接至真空室2〇1 的埠2Ma或Mib時之一種組裝分子束源元件1〇〇之方法。 首先，加熱器103與熱電偶（未圖示）及反射板104供 安裝在坩堝11立上而形成元件單元130。隨後，如圖12(a)的 正剖視圖所示，由固定構件151將元件單元130固定至端凸 緣 152。 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

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1230209 A7 __B7 五、發明説明（3()~Γ " " 然後，熱電偶及加熱器1Q2及103的電線L經由埋設在端凸 緣152中且連接至電極端子（未圖示）之一個進給貫穿部I”而 導向一個元件單元130側，此電極端子係在彎曲段ι13及元 件單元130底部139的附近外露（正視圖12(b))。 然後，直管153與彎管154依序從元件單元130開口 112配置 於元件單元130上。位於直管153—端上之一個凸緣153a係以 凸緣連接至端凸緣152 ’位於直管153另一端上之一個凸緣 153b係以凸緣連接至彎管154—端上之一凸緣15乜。因此完 成分子束源元件100的組裝（圖12(c))。 譬如經由彎管154的一個凸緣154b將已組裝的分子束源元 件100配合至真2室201的淳204a，而使水冷卻套（未圖示）位 於外部。 當在真空室四丄或分子束源元件1 〇〇上進行維修或進給分 子束材料m時，以上述相反程序來拆解與組裝分子束源元件 100。此時’可分開彎管154及直管153，所以可從真空室 拆離分子束源元件100，而彎管154仍保持固定至璋2〇4a ，這有助於良好的可工作性。 圖13為顯示本發明MBE裝置200的坩堝容量及掛螞彎曲角 之測量結果圖，圖1 4顯示測量用之分子束源元件。 圖14所示的分子束源元件中，元件單元13〇的外徑為ι〇〇 么厘，直管153與彎管154的内徑為147公厘，凸緣2〇3外徑 為203公厘，凸緣厚度為2 〇公厘。掛螞的彎曲角0係與彎管 154之彎曲段155的彎曲角相同。 掛堝的彎曲角0為約11〇至160。範圍内。在各元件單元13〇 •33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公董) 1230209

的開口 112疋向（分子束形狀界定段114的軸線方向）與垂直 『向王45。傾斜及與垂直方向呈9〇。之各情形中，以坩堝的 彎曲角0來測量用於容納分子束材料的坩堝容量，結果顯 示於圖1 3中。 貝驗已顯示·彎曲角0為9 〇。左右時，當材料容納段 的軸線接近垂直線，可藉由入射在基材上之分子束而獲得 較好的膜品質。但是，若彎曲角設為小於110。，則直管153 與彎管154内徑應較大而使元件單元130彎曲部113通過，故 無法將許多分子束源元件附接至真空室2〇1的填2〇4 〇並且 ，若元件單元130的外徑降低，則坩堝容量減少。 另一方面，若彎曲角^為^…或更大，可如圖13所示確 保超過4000毫升的，最大容量。但在此情形中，因為從元件 單元130的’考曲部Π3到端凸緣152端部之長度達到7〇〇公厘 ，由於譬如真空室2^丄的放置地點等特定條件，而可包含其 他的空間限制。 若使用此實施例的分子束源元件，在圖1 〇的分子束源元 件100如圖14所示狀況與垂直方向呈45。角配置時，即使當 開口 112對於垂直呈9 0。方向（亦即水平方向）時，仍可進給 最高達1500公撮的分子束材料融質。 若將圖1 4所示的分子束源元件的彎曲角0設為丨3 5。， MBE裝置中分別在最上埠2Ma及最下埠204b蔣最多500公撮 及1500公撮的分子束材料融質進給入材料容納段丄中，其 中基材轉軸與垂直方向呈5 4。，且分子束源元件使得開口中 軸線與基材轉軸形成36。角。 -34 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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1230209 A7 — _B7 五、發明説明（32 ) 為了利用一真S容器以一個分子束源元件達成類似容量 ，因為一直管的一端部呈傾斜狀，將分子束源元件連接至 真空室之凸緣直徑係需為上述分子束源100凸緣直徑的約 1 · 3倍大。因此需減少能夠設置在真空室中的埠數、及/或 需要放大真空室本身。 並且，為了僅放大分子束源元件之一個材料容納段，需 使用可在一彎曲部周圍分離之一個坩堝，組裝坩堝之一個 材料容納段、一個加熱器、一個反射板及類似物並將其固 定至一個端凸緣，並分開組裝坩堝之一個分子束形狀界定 段、一個加熱器、一個反射板及類似物，必須在狹小空間 内很困難地完成這些組裝作業。反之，若使用此實施例的 真空容器’則完全組裝掛螞、加熱器及反射板並固定至端 凸緣152，然後可連接直管153。故容易組裝，並可減少發 生組裝錯誤的機會，且可大幅降低組裝所需時間。 此實施例中，將真空容器與掛瑪的·彎曲部113及15 5的彎曲 角設為135。，但可將彎曲部113及155的彎曲角設為任何角 度。彎曲角特別較佳為110。至150。範圍内。 本發明的MBE裝置中，較佳將直管153與彎管154内徑設為 最小值並將直管153與彎管154長度設為最大值，以盡量減 少在真空室200的埠204 P#近處分子束源元件1 〇〇所佔面積， 並確保對於分子束材料具有足夠容量。因此，對應於彎曲 邵113周圍之元件單元130外徑，係需要元件單元130之彎曲 部113的彎曲角0以及直管i53與彎管154内徑有關之下列尺 寸設定，使得元件單元130的彎曲部113可通過直管153與彎 -35- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

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管 154 〇 圖1 5(a)至圖1 5(c)顯示彎曲部113通過直管153與彎管154 <狀態，其中管153及154的内表面與元件單元13〇的一個外 表面相接觸。圖15(a)與圖15(b)中，〜代表彎管154的較短 段，bi或h為彎管154的較長段，d為直管153與彎管154内 徑（最小直徑），0為彎管154及元件單元130的彎曲角，4為 元件單元外徑（最大直徑）。 圖15( c)中，a代表彎管154的較短軸線長度，b為彎管i 54 的較長軸線長度，c為直管153的軸線長度。 首先，對於彎曲角0計算較長段bi&b2的最大值，此時 將彎管154的較短段心設為最小長度。 圖15(a)中，若彎管154的一較短管的一内表面及元件單元 130的一外表面在含有元件單元與彎管軸線之一個平面中形 成角α ,而彎管154的一個較長管的一内表面與元件單元 130的一個外表面在含有軸線之一個平面中形成角$，則下 式成立： a =90o.[arcsin[d/(a2+D2)1/2]+arctan(a1/D)] 較長段^依下列公式計算： bi^apina / sin 召 (β = 180°- θ - a) 圖15(b)中，如下計算較長段b2 : b2 = 2(D-d/sin0 /2)tan0 /2 此處，若 bph，b = b2 + D/2tan0/2，且 ^b2^b2 ^ b = b!+D/2tan0/2 則直圓柱15 3的軸向長度等於較長段b 2，並如下計算彎管 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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五、發明説明（34 ) 154的較短軸線長度a : a = a1 + D/2tan ι9 /2 凊注意若a > b，則無法產生元件。 第七實施例 圖1 6顯示根據本發明另一實施例的分子束源元件。 圖16中，分子束源元件3〇〇具有··一個坩堝31〇，用於容 納一個分子束材料m(譬如鎵）；加熱器302及303 ； 一個熱電 偶（未圖示），用於補償溫度；一個反射板3〇4 ;及一個真空 容器350。坩堝310、與坩堝310附接之加熱器302及3〇3 ;熱 電偶及反射板304係稱為一個元件單元330。 坩堝310由PBN構成且包括··一個材料容納段311，用以容 納分子束材料；兩個彎曲段316及317，形成於一個開口 312 與材料容納段3 11之間；一個分子束形狀界定段3丨4，位於 開口 312與彎曲段317之間；一個中央段318，位於兩彎曲段 3 16與3 17之間。坩堝的構造從開口 3 12無法看見材料容納段 3 11所容納之分子束材料。 從材料容納段311至開口 312，坩堝概呈圓柱型，材料容納 段311與分子束形狀界定段3 14係構成95。之彎曲角，在彎曲 段316與317上為135。彎曲角。 加熱器為一個電阻加熱構件，覆蓋住從開口 312到彎曲 段316的幾乎全部。而加熱器μ為一個電阻加熱構件，分 別覆蓋住幾乎全部的材料容納段3 1 1。 乃 真空容器350為類似坩堝310具有90。彎曲角之一個不鱗鋼 圓柱形彎曲部且包含··一個端凸緣352，具有一個固定構^ -37- 1230209 A7 B7 五、發明説明（35 ) 351’以支揮掛碼310的一個底部339; —個直管353，其一 端連接至端凸緣352 ;及彎管354及355，依序連接至直管 353 〇 此範例採用一個直管353，但可依據材料容納段311長度而 採用兩個或更多個直管。 如圖17所示，分子束源元件300連接至一個真空室4〇1且 形成一個MBE裝置400之一部份。 MBE裝置400包括：一個基材固持部_，具有一個旋轉及 加熱機構；一個罩部—個真空室£〇丄，具有多數埠4〇4a 、1Mb···;及分子束源元件300，如上述在彎管355一端處以 凸緣355b連接至埠。基材固持部^的轉軸與 垂直方向呈54。角傾斜。圖17中，多數埠之中僅顯示兩個 痒404a及404b 。 各別設定與埠、Mb…相連接之分子束源元件3〇〇的 開口 112，使得開口 3 12朝向基材固持部迎2_中心。且自各分 子束源元件300散流的分子束對於基材固持部_法線呈36。 角入射在基材上。將一個水冷卻套（未圖示）安裝在分子束 源元件300的真空容器350外部。當啟動與真空室4〇1相遠的 一個外部真空泵時，真空容器内部保持真空。 此結構的MBE裝置400的較佳處在於：考慮到各種狀況， 可藉由使用裝置400來避免其他的空間限制，孽如直办 的安裝地點。 3 ''二至 可使材料容納段311接近垂直方向以增加坩堝容量，並可 使材料容納段3 11及開口 3 12的軸線形成趨近9 〇。的角度，而 -38-

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改良所製成膜之品質。 可參照圖15所述技術，進行可供元件單元33〇之彎曲段 316及317通過之直管353與彎管354及355的尺寸設定，因此 省略說明。 圖10所示的分子束源元件1〇〇中，限制在11〇。或以上之彎 曲角聋巳圍，圖16所示的分子束源元件3〇〇中理論上可將彎曲 角設為40。或以上，其中具有彎曲段316與317之真空容器 350的軸線係位於與分子束源元件3〇〇共用的一個平面中。 上述第六與第七實施例中，MBE裝置200及400各具有兩個 埠，但並不限於兩個埠。本發明亦包括在各埠具有不同形 狀的分子束源元件之MBE裝置200及4〇〇。 根據本發明，如上述，可將真空容器的管依序放置於已 組裝且包括加熱器與來自元件單元開口的接線之元件單元 士，因此可將真空容器緊密固定至真空室。因此，真空容 器本身不會變成加熱器的接線、或元件單元進行固定時的 障礙。並且可從真空室拆離分子束源元件，而 固定至真空室。 ’、持 如此係有助於進行包括組裝與拆解之維修作業，並改盖 了生產力及裝置的可利用率。 ^根據本發明，可利用大量進給分子束材料之大容量坩堝 來延長材料的進給間隔。並因為可降低真空容器的尺寸: 所以可防止裝置增大尺寸。 、， 本發明提供一種高生產力之分子束磊晶裝置，其具有一 個可容易組裝與拆解之大容量的分子束源元件。 -39-

1230209 A7 B7 五、發明説明（37 ) 元件符號之說明 1A，1B，1C，21A，21B，21C，100，101，202,300 302,401，502,644A，644B，644C ’ 分子束源元件 2,22,102.110.310,402,601,602,603 坩堝 2a，22a，139,339 底部 2b，5a，22b，25a 端部 3,23,403 第一加熱器 4,24,404 第二加熱器 5,25 彎曲的圓柱形體部 6,26 基材 7,27,46，106,408,646 分子束材料 8,9,28,29，104,405,406 熱電偶 10.30,20L64L401 真空室 11·31·202·203·303·503·642·402 基材固持部 12,32,203,204,304,403,504,643 罩 13,33,200,201，301，400,501，651 裝置 t丁 15,65,75,85,95 開口平面 16,36,112,312 開口 Φ 17,37 上部 18,38 下部 19,20,39,40 梢部 45A，45B，45C，110，150,350 102.103,302,303 加熱器 104,105,407 反射板 107,409 水冷却套 -40-

1230209 A7 B7 五、發明説明（38 ) 108,111,311,314,410 材料容納段 109，114,411 分子束形狀界定段 111,205 進入開口 113，155,316,317 彎曲段 318 中央段 130,330 元件單元 151,351 固定構件 152 端凸緣 153,353 直管 154,354,355 彎管 153a，154b，352,355b 凸緣 204,204a,204b,404a,404b 埠 604 負通風孔口 645A，645B，645C 容槽 -41 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐)

Claims (1)

1230209 申請專利範園 加熱器以覆蓋幾乎整個該坩堝。 請專利範圍第4至6項中任—項之分子束源裝置，其 t孩加熱器將該料中除了該容納分子束材科的部份以 外（-邵份加熱至比該容納分子束材料的部份更高的溫度 9 如中請專利範圍第4項之分子束源裝置，其中該加熱器包 括能夠彼此獨立控制之至少兩個加熱器元件。 如申請專利範圍第4項之分子束源裝置，其中該加熱器 包括能夠彼此獨立控制之至少兩個加熱器元件，該等加 熱器元件中之一者係安裝在該坩堝容納分子束材料之部 份上，該等加熱器元件中之另一者係安裝在該坩堝之另 一部份。 1 〇 ·如申請專利範圍第4項之分子束源裝置，其中該加熱器 包括至少兩個加熱器元件，其中一者係為蒸發該分子束 材料之第一加熱器，而另一者為控制該分子束材料所產 生的分子束量之第二加熱器。 1 1 ·如申請專利範圍第4項之分子束源裝置，進一步包本一 個真空容器及一個水冷卻套，該真空容器覆蓋該坩堝的 一個外邊，而該水冷卻套安裝至該真空容器。 12 一種分子束磊晶裝置，包含： 一個分子束源，如申請專利範園第1至1 1项中任—項 所述； 一個真空室，用於支撐該分子束源； 一個罩部，位於該真空室的一個内壁上；及 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1230209 A8 B8 C8 申請專利範圍 一個基材固持部，位於該分子束源之坩堝的進入開口 相對之該罩部中。 1 3 ·如申凊專利範圍第丨2項之分子束磊晶裝置，其中該分子 束源包括以垂直對準狀支撐在該真空室中之兩個或更多 個分子束源兀件，而各個該等分子束源元件之坩堝的進 入開口係與該基材固持部呈相對狀。 1 4 ·如申睛專利範圍第12或丨3項之分子束磊晶裝置，其中該 真空室呈傾斜狀排列。 1 5 · —種分子束磊晶裝置，包含： 一個分予束源，如申請專利範圍第4項所述；及 一個真空室，用於支撐該分子束源； 其中該分子束源進一步包含一個真空容器，該真空容 器包括可分別互相固定之多數圓柱形構件、以及一個密 封式固定構件，以將該坩堝與該加熱器密封式固定至該 真空室， 該等圓柱形構件包括一個直圓柱及一個彎圓柱，該直 圓柱覆蓋該坩堝容納一分子束材料之一部份且具有一個 直軸線，該彎圓柱覆蓋該坩堝的一個彎曲部且具有一個 彎曲軸線， 遠後、封式固定構件係在該直圓柱的一端處連接至一個 開口，以將該坩堝與該加熱器密封式固定至各個該等圓 柱形構件， 該直圓柱及該彎圓柱從該坩堝開口跨越該坩瑪彎曲部 而安裝在該坩堝上，及 -3- A BCD 1230209 「、申請專利範圍 該密封式固定構件在已跨越該彎曲部之該直圓柱一端 處密封該開口。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之分子束磊晶裝置，其中該坩堝 具有多數之彎曲部，該等彎曲部的軸線係位於彼此共用 的一個平面中，且該真空容器具有與該坩堝彎曲部形狀 相符之彎圓柱。 1 7 ·如申請專利範圍第1 5或1 6項之分子束磊晶裝置，其中該 真空室具有多數埠以連接至該真空容器，該真空容器係 包圍該坩堝與該加熱器。 18.如申請專利範圍第15項之分子束磊晶裝置，其中該真空 容器具有多數之直圓柱。 1 9 .如申請專利範圍第1 5項之分子束磊晶裝置，其中該直圓 柱、該彎圓隹及該密封式固定構件各具有可以凸緣方式 連接之一個接頭。 20· —種真空容器，用於構成一分子束磊晶裝置，其包含多 數圓柱形構件、以及一個密封式固定構件，以將該坩堝 與該加熱器密封式固定至該真空室， 該等圓柱形構件包括一個直圓柱及一個彎圓柱，該直 圓柱覆蓋該坩堝容納一分子束材料之一部份且具有一個 直軸線，該彎圓柱覆蓋該坩堝的一個彎曲部且具有一個 弯曲軸線， 該密封式固定構件係在該直圓柱的一端處連接至一個 開口，以將該坩堝與該加熱器密封式固定至各個該等圓 柱形構件， -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1230209 as Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 該直圓柱及該彎圓柱從該坩堝開口跨越該坩堝彎曲部 而安裝在該坩堝上，及 該密封式固定構件在已跨越該彎曲部之該直圓柱一端 處密封該開口。 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項之分子束磊晶裝置，其中該坩堝 具有多數之彎曲部，該等彎曲部的軸線係位於彼此共用 的一個平面中，且該真空容器具有與該坩堝彎曲部形狀 相符之彎圓柱。 2 2 ·如申請專利範圍第2 0或2 1項之分子束磊晶裝置，其中該 、真空室具有多數埠以連接至該真空容器，該真空容器係 包圍該掛堝與該加熱器。 2 3 ·如申請專利範圍第2 0項之分子束磊晶裝置，其中該真空 容器具有多數之直圓柱。 24·如申請專利範圍第20項之分子束磊晶裝置，其中該直圓 柱、該彎圓柱及該密封式固定構件各具有可以凸緣方式 連接之一個接頭。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

申請曰期 J,丨〇)丨 案 说 089122183 類 別 (以上各欄由本局填註）

A4 C4 1230209 中文說明書替換本(93年12月） 中 發明 新型 名稱 英 旱I專利説明書 文分子束源裝置及分子束磊晶裝置 ~MOLECULAR BEASTsOURCE APPARATUS AND 文 MOLECULAR BEAM EPITAXY APPARATUS 姓 名 1.谷健太郎 3.川崎崇士 5.菅康夫 2.中林敬哉 4.牧野修之 6.谷善平

國 籍 均日本 發明A 創作a 住、居所 1·曰本國奈良縣奈良市六條西5丁目1〇·7·1 2. 日本國三重縣阿山郡伊賀町川西1357 3. 曰本國奈良縣香芝市畑3丁目743-7 4. 曰本國奈良縣北葛城郡新庄町薑192-1 5·曰本國奈良縣奈良市法蓮町622-3美藏法連Α205 6·日本國大阪府富田林市喜志町2-8-33 mf 日商夏普股份有限公司 國籍日本 三、申請人住、居所 (事務所 代表人 姓 名 裝

線 日本國大阪府大阪市阿倍野區長池町22番22號 町田勝彦 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ 297公釐)

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