材料供給装置

【課題】材料元素の供給温度を上げることができ、材料元素の安定供給を行うことができる材料供給装置を提供する。
【解決手段】
材料供給装置の容器１０は、坩堝１とオリフィス３とで構成されている。坩堝１は、円筒型や角柱型等の形状で、かつ中空の形状に構成されている。坩堝１の周囲にヒータ等の熱源２が配置されており、坩堝１の材料元素供給方向には、開口部３ａを有するオリフィス３が設けられている。オリフィス３は材料元素供給側に向かって伸びている管部３ｃを備えており、管部３ｃの先端には開口部３ａが形成されている。また、管部３ｃの開口面積は、材料元素供給側、すなわち開口部３ａの方向に向かって、次第に小さくなって行くように形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材に所定の薄膜等を形成する薄膜形成装置等に用いられる材料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスといえばシリコンを筆頭とする半導体材料が活躍する分野であるが、近年、要求される機能に対して、シリコン材料自身の物性限界から、その機能を満足するようなデバイス構成ができなくなってきている。例えば、１５０℃以上の高温動作、シリコン自身の強い強度の発火等である。
【０００３】
その一方でその物質種の多さと機能の多様性から、高温超伝導体のＹＢＣＯ、紫外発光材料ＺｎＯ、有機ＥＬ等に代表される酸化物や有機物質が次世代を担う材料として注目を集めている。これらがシリコンという材料に制約され、発現できなかった機能を実現する可能性がある。
【０００４】
例えば、ＺｎＯはその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されているが、高純度化の観点から、Ｚｎは金属Ｚｎを昇華させ、酸素はプラズマクラッキングして酸素ラジカルとして共給するというプラズマアシストＭＢＥ法で行われていることが多い。しかし、酸素を化学活性の高い状態にして積極的に供給しているため、Ｚｎ材料が酸化しやすく、Ｚｎ材料供給を安定化させるのが難しい。
【０００５】
Ｚｎ元素をＭＢＥ装置内の成長室に供給する場合は、ＭＯＣＶＤのようなバブリング方式ではなく、例えば、クヌーセンセル、Ｋセルと呼ばれる分子線セル等に代表される原材料の昇華によって材料元素を供給するタイプの材料供給装置が用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平２００５−２７６９５２号公報
【特許文献２】特開平７−１４７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、Ｚｎのように、蒸気圧が高く、常時使用温度が４００℃以下であるような物質の元素を供給する場合、セルの温度を低温で安定して維持する必要がある。しかし、低温度というのは少しの環境変化で温度変動し、制御が難しいため、目的とする物質の安定した供給が難く、歩留まり悪化等を招く。そこで、材料元素を昇華によって供給する場合には、温度をできるだけ高くしたいという要求がある。
【０００７】
一方、ＺｎＯ等の酸化物を作製する場合には、材料供給装置から供給される元素だけではなく、非常に化学活性の高い酸素も同時に使用されるので、材料供給装置を構成する坩堝内に酸素が侵入して、坩堝内の原材料が酸化してしまい、材料供給が不安定になるもしくは供給できなくなるという問題があった。
【０００８】
上記のいずれの問題も、材料供給装置における材料元素が放出される開口部の面積を狭くして内圧を上げれば防ぐことができる。この開口部の面積を狭くする手段として、最適化の改造がしやすいことや、入れる材料の形が制約されにくい等の理由により、坩堝の形状を変えずに、開口面積を絞るオリフィスをつけることが考えられている。
【０００９】
例えば、ＺｎＯのプラズマアシストＭＢＥ法による成長を例にとって説明する。図９のように、材料供給装置は、円柱形状の坩堝１１内に原材料（Ｚｎ）１４を入れて、熱源１２により坩堝１１内を温める。ＺｎＯ結晶薄膜を形成するには蒸気圧にして１０^−６Ｔｏｒｒ台のＺｎ供給が必要だが、円柱型の普通の坩堝１１では大きく開いた開口から酸素ラジカルが侵入し、内部の原材料１４が酸化しやすい。図８（ａ）は坩堝１１内の原材料１４であるＺｎのうち、酸化したＺｎと酸化していないＺｎを示す。このように、原材料１４の上部が酸化してしまうと、この酸化膜に阻まれてＺｎ蒸気が生成されなくなり、Ｚｎ蒸気が不安定になる。また、通常、Ｚｎが入れられた坩堝１１は、２６０℃〜２８０℃の範囲で加熱されるが、低温領域なので温度制御が難しい。
【００１０】
これらの問題を解決するために、狭い開口部１３ａを有するオリフィス１３を図のように挿入し、坩堝１１の途中で開口面積を絞るようにすると、坩堝１１の内圧は上がるので、従来よりも高温で加熱することができ、原材料１４の酸化は抑制されるが、図８（ｂ）のようにオリフィス１３にＺｎが成長し、開口部１３ａが詰まってしまう。このように、開口面積を絞るオリフィスを装着した場合、坩堝の温度を上げることができ、原材料の酸化は防げるものの、新たな問題が発生し、材料元素を安定的に供給することができない。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、材料元素の供給温度を上げることができ、材料元素の安定供給を行うことができる材料供給装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、原材料を容器内で昇華させることによって材料元素を供給する材料供給装置であって、前記容器は、開口面積が所定の位置から材料元素を放出する開口部に向かって小さくなるように形成されている管部を有し、該管部は材料元素供給側に向かって伸びていることを特徴とする材料供給装置である。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、前記材料元素を供給して形成される物質は、酸化物であることを特徴とする請求項１記載の材料供給装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の材料供給装置によれば、原材料を配置する容器は、開口面積が所定の位置から材料元素を放出する開口部に向かって小さくなるように形成された管部を有し、かつ管部は、材料元素供給側に向かって伸びているので、原材料を容器内で昇華させた場合、容器の途中で開口部を絞るように構成した装置と比較して昇華した材料元素が開口部を覆って塞ぐことがなくなり、材料元素を安定して供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の材料供給装置の構造を示す。
【００１６】
材料供給装置の容器１０は、坩堝１とオリフィス３とで構成されている。図では、坩堝１とオリフィス３とは分離しているが、これらを一体に形成した容器１０を用いることもできる。坩堝１は、円筒型や角柱型等の形状で、かつ中空の形状に構成されている。また、坩堝１は、ＰＢＮ（窒化硼素）や石英等で形成される。坩堝１の周囲にヒータ等の熱源２が配置されており、坩堝１の材料元素供給方向には、開口部３ａを有するオリフィス３が設けられている。
【００１７】
図に示す材料元素供給方向とは、材料供給装置が用いられる薄膜形成装置（例えばＭＢＥ装置等）内の成長室側を指し示しており、より具体的には、成長室内に配置された半導体薄膜成長用の基板方向に向けられている。
【００１８】
図１のようにオリフィス３は材料元素供給側に向かって伸びている管部３ｃを備えており、管部３ｃの先端には開口部３ａが形成されている。また、管部３ｃの開口面積は、材料元素供給側、すなわち開口部３ａの方向に向かって、次第に小さくなって行くように形成されている。
【００１９】
オリフィス３のより具体的な構成を図２に示す。オリフィス３は、上部に設けられた縁部３ｂと縁部３ｂに接続された管部３ｃから構成されており、管部３ｃには開口部３ａが形成されている。管部３ｃは粒子が通過できるように、孔が開けられた形状となっている。そして、図２の形状のオリフィスを上下逆にして坩堝１に装着すると、図１のようになる。
【００２０】
坩堝１内には原材料４が挿入されており、熱源２の熱によって昇華される。昇華された材料元素は坩堝１の出口に向かって進み、開口部３ａから薄膜形成装置の成長室に配置された成長用基板に向かって放出される。
【００２１】
本発明の図１の構成は、図９と比較すると、実質的にオリフィスを外向きに装着したのと同じである。本発明の構成とした場合の効果を図９のようにオリフィスを内向きに装着した場合と比較して以下に説明する。
【００２２】
まず、図１のように外向きのオリフィスを装着した場合と、図９のように内向きにオリフィスを装着した場合とで、坩堝温度（セル温度）と坩堝内部から放出されるビームフラックスとの関係を調べた。一例としてＭｇＺｎＯ薄膜をプラズマアシストＭＢＥ法によって形成した。そのときの、Ｍｇ元素を供給する装置として、図１の材料供給装置と図９の材料供給装置を用いてＭｇセル（坩堝）温度とＭｇフラックスとの関係を比較した。フラックスの測定には水晶振動子を用いた。ＭｇもＺｎ同様、蒸気圧が高く、通常セル温度は３５０℃程度に設定される。Ｍｇは一旦酸化し、表面にＭｇＯが形成されると、全く材料供給ができなくなる。その点では、Ｚｎの方が材料供給ができなくなることがない分、まだましで、Ｍｇは最も材料供給の制御が難しい材料のうちの１つである。
【００２３】
上記の比較結果が、図４である。Ｘが図１の構成の場合のＭｇセル温度とビームフラックスとの関係を示し、Ｙが図９の構成の場合のＭｇセル温度とビームフラックスとの関係を示す。また、Ｘのグラフで白丸（○）はセル温度上昇を、黒丸（●）はセル温度降下を示す。一方、Ｙのグラフで白三角（△）はセル温度上昇を、黒三角（▲）はセル温度降下を示す。このグラフからわかるように、外向きオリフィス構造（図１の構成）の方が、温度に対してフラックスが安定しているのがわかる。また、所望のフラックスを得るための温度も低い。すなわち、材料元素を放出するオリフィスの開口部が塞がっていないためである。図１の構成とすると、図７に示すように、オリフィス３の周辺にＺｎは付着するが、開口部３ａはふさがらず、開いたままになる。
【００２４】
この理由については明確ではないが、以下のように考えられる。図５は図１の構成をより模式的に示した断面形状図であり、図１と同じ符号を使用する。一方、図６は図９の構成をより模式的に示した断面形状図であり、図９と同じ符号を使用する。なお、図１や図９では坩堝の形状で上部と下部の開口面積を同じように描いているが、実際には、図５、６に示すように、坩堝の下部よりも上部の方が拡がっており、分子線が放出されやすい形状となっている。
【００２５】
ここで、内向きにオリフィスを配置すると、図６（ｂ）のように、坩堝１１とオリフィス１３の間に狭くなるＡの空間ができる。この空間Ａはオリフィス１３に原材料１４の昇華により発生した材料元素が付着し始めると狭いため、直ぐにこの空間が埋まる。ここが埋まってしまうと、丈（長さ）の短い坩堝に小さい穴を開けたのと同じ状態になる。坩堝の実質的な丈が短くなってしまい、図６（ｂ）に示すように、原材料１４からＡの領域の付着物までの距離が近くなるため、さらにＡ領域の付着物が成長して内側方向（図６（ｂ）の矢印方向）に拡大し、破線で表されるＢ領域にまで大きくなり、最終的にはオリフィス１３の開口部１３ａを塞ぐことになると考えられる。
【００２６】
一方、図５のように外向きにオリフィスを配置すると、図６（ｂ）のＡで示されるような特異な狭い空間は現れない。したがって、原材料４の昇華により発生した材料元素が、オリフィス３の開口部３ａ付近に付着し始めて、図５（ｂ）に示す領域Ｃに付着しても、付着物の成長方向は図５（ｂ）の矢印方向のように内側に向かわないので、オリフィス３の開口は一定面積確保される。このために、図６で述べた現象が起こらず、実効的な坩堝の丈は、なかなか変わらないので、開口部３ａが付着物で塞がれにくいと考えられる。
【００２７】
以上のように、材料供給装置の原材料を設置する容器に、開口面積が所定の位置から材料元素を放出する開口部に向かって小さくなるように形成され、かつ、材料元素供給方向に向かって伸びている管部を設けることで、原材料を容器内で昇華させた場合、昇華した材料元素が開口部を塞ぐまで付着することがなくなり、材料元素を安定して供給することができる。
【００２８】
また、オリフィス３の構造の変形例を図３に示す。図３の構成では、図２の構造に加えて、突起部３ｄが３箇所形成されている。材料供給装置を使用した後は、非常に熱くなるので、オリフィスの交換やオリフィスの外向き、内向きへの変換は機械で行われるが、そのときに、ワイヤー等を引っ掛けて移動させやすくするものである。本発明の構成で使用する場合には、図３のオリフィスの上下を逆にして坩堝１に装着する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の材料供給装置の構造を示す図である。
【図２】オリフィスの構造を示す図である。
【図３】オリフィスの構造の変形例を示す図である。
【図４】オリフィスを外向き、内向きに各々装着した場合、セル温度とビームフラックスとの関係を比較した図である。
【図５】図１の構造をより模式的に描いた断面図である。
【図６】図９の構造をより模式的に描いた断面図である。
【図７】図１の構造で材料元素を供給したときのオリフィス開口部を示す図である。
【図８】図９の構造で材料元素を供給したときの坩堝内部とオリフィス開口部を示す図である。
【図９】オリフィスを内向きに装着した材料供給装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１坩堝
２熱源
３オリフィス
３ａ開口部
３ｂ縁部
３ｃ管部
３ｄ突起部
４原材料
１０容器

【特許請求の範囲】
【請求項１】
原材料を容器内で昇華させることによって材料元素を供給する材料供給装置であって、
前記容器は、開口面積が所定の位置から材料元素を放出する開口部に向かって小さくなるように形成されている管部を有し、該管部は材料元素供給側に向かって伸びていることを特徴とする材料供給装置。
【請求項２】
前記材料元素を供給して形成される物質は、酸化物であることを特徴とする請求項１記載の材料供給装置。

【図１】