(57)【要約】  ターゲット基材上に堆積される物質を加熱するための坩堝は、原料物質を含むように構成されている胴部、胴部の第１の端部に形成された基部、および胴部の第２の端部に形成された放出オリフィスを含む。坩堝は、加熱された原料物質が放出オリフィスを通って通過する前に、中間オリフィスを通過し、そして少なくとも１回坩堝胴部の内側表面に衝突するように、少なくとも配置されかつ構成されている１つの中間オリフィスをさらに含む。
2009526907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に堆積される物質を加熱するための坩堝、該坩堝は、
基部を含む胴部と、
該胴部は、原料物質を含むように、配置されかつ構成されている、
該胴部の端部に形成された放出オリフィスと、
該放出オリフィスは、加熱された原料物質が該坩堝から出ることを可能にするように
、形成されかつ方向合わせされている、
該胴部によって形成された少なくとも１つの中間オリフィスと、
該中間オリフィスは、該加熱された原料物質の大部分が、該放出オリフィスを通過す
る前に、該中間オリフィスを通過させて、そして該胴部の内側表面上に少なくとも１
回衝突するように、配置されかつ構成されている、
を含んで成る。
【請求項２】
全ての加熱された原料物質が、該放出オリフィスを通過する前に、該胴部の内側表面上に少なくとも１回衝突させるように、該中間オリフィスが、配置されかつ構成されている、請求項１の坩堝。
【請求項３】
該坩堝が、一体的に形成されている、請求項１の坩堝。
【請求項４】
該胴部が、少なくとも第１の中間オリフィスおよび第２の中間オリフィスを形成する、請求項１の坩堝。
【請求項５】
該中間オリフィスの１つが、首オリフィスであり、そして該胴部が、該首オリフィスから広がる負の抜き勾配を有し、そして該放出オリフィスで終わる、請求項４の坩堝。
【請求項６】
該第１の中間オリフィスが、第１の周囲寸法を有し、そして該第２の中間オリフィスが、第２の周囲寸法を有し、該第２の周囲寸法が該第１の周囲の寸法より長い、請求項４の坩堝。
【請求項７】
該加熱された原料物質の一部分が、該放出オリフィスを通過する前に、該坩堝胴部の該内側表面上に複数回衝突させるように、該中間オリフィスが、配置されかつ構成されている、請求項４の坩堝。
【請求項８】
該坩堝が、熱分解窒化ホウ素、石英、タングステン、タンタル、窒化アルミニウム、および炭化ケイ素からなる群の１種から生成される、請求項１の坩堝。
【請求項９】
該坩堝が、負の抜き勾配の成形によって形成される、請求項１の坩堝。
【請求項１０】
基材上に堆積される物質を加熱するための方法、該方法は、
原料物質を含むように配置されかつ構成されている胴部を含む坩堝、該胴部の第１の端部で基部を形成する該胴部、該胴部の第２の端部における放出オリフィスを用意すること、そして少なくとも１つの中間オリフィスが、該基部と該放出オリフィスとの間に介在すること、
該坩堝内に原料物質を置くこと、および
該坩堝を加熱すること、
該坩堝を加熱することが、該原料物質を加熱し、そして該加熱された原料物質の一部
分が、該放出オリフィスを通って該坩堝を出る前に、該胴部の内側表面上に少なくと
も１回衝突するように、該中間オリフィスを形成する該胴部が、配置されかつ構成さ
れている、
を含んで成る。
【請求項１１】
第２の坩堝を用意すること、
該第２の坩堝内に原料物質を置くこと、そして、
該第２の坩堝を加熱すること、
をさらに含んでなる、請求項１０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２００６年２月１３日出願の米国特許出願第１１/３５３,７０８号明細書の利益を主張し、その開示を参照することにより、本明細書中に取り込む。
【０００２】
本発明は、基材上に堆積される物質を保持するための坩堝を対象にする、そして特に、原料物質とターゲットとの間の透視線を除去するための、改善された坩堝の構成を対象にする。
【背景技術】
【０００３】
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）は、原料物質の分子または原子ビームを基材上に向けることによる、真空中の基材の上への１種または２種以上の原料物質の薄膜の堆積を含む成長工程である。いくつかのＭＢＥ工程では、堆積された原料物質の原子および分子は、基材上に止まって結晶構造を形成する。ＭＢＥは、化合物半導体の研究および半導体デバイス製造産業において、元素半導体層、金属層および絶縁層の薄膜堆積のために、広く使用される。
【０００４】
ＭＢＥ堆積で利用される主な装置は、坩堝および熱源を含むエフュージョンセル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｅｌｌ）である。坩堝は、分子ビームを生成する原子および分子の供給元である原料物質を含む。図１を参照して、従来技術の典型的な坩堝システム１００の１つの例を、具体的に説明する。従前の坩堝システム１００は、坩堝１１０および加熱エレメント１６０を含む。坩堝１１０は、基部１１５、および基部１１５から伸びそして放出オリフィス１２０で終わる胴部１２５を含む。放出オリフィス１２０は、幅または直径Ｄ１を有する。坩堝１１０は、基部１１５の近辺に原料物質１８０を、保有できるように保持する。坩堝１１０を加熱エレメント１６０で加熱することによって、原料物質１８０を加熱し、そして気化させ、それによって気化した原料物質１８０を、坩堝１１０から放出させる。
【０００５】
しかし、従前の坩堝は、重大な限界を有する。いくつかの従前の坩堝の設計は、ＭＢＥ工程間に形成される薄膜中の欠陥となる場合がある。これらの欠陥は、非均一堆積の結果、または汚染物質もしくは分子のより大きいクラスターの意図しない堆積の結果である場合がある。
【０００６】
均一性は、主として、坩堝のオリフィスから放出された物質によって、ターゲット基材上に堆積された層の密度および厚さの均一性に関連する。例えば、複数の物質が、異なる個々の均一性を有したまま共に堆積される場合、均一性はまた組成的であることができる。
【０００７】
欠陥に関連した坩堝のいくつかの例は、濃縮された物質の飛沫が、坩堝の放出オリフィスに隣接した坩堝の壁上に形成され、そして次に溶融物に戻る場合に生じる坩堝内で溶融した物質からのスピッティング（ｓｐｉｔｔｉｎｇ）によって引き起こされると考えられる。これらの濃縮された飛沫は、溶融物によって加熱された場合、大きい分子として基材に向かって放出オリフィスから放出されることができる。物質は、放出オリフィス領域における低い温度によって放出オリフィスで凝結する。これはＣｄＴｅ等の化合物の原料物質では特に問題であるが、しかし同様に元素の供給源にも影響する場合がある。
【０００８】
物質の凝結を防ぐために、坩堝の放出オリフィスに隣接する坩堝の壁（すなわち、またはへり）を加熱することによって、いくつかの坩堝の設計において、欠陥の生成は減少した。そうした設計を、普通"ホトリップソース（ｈｏｔ  ｌｉｐ  ｓｏｕｒｃｅｓ）"という。いくつかのホットリップ坩堝の設計の問題は、流体力学的に不安定な流れを生じる傾向、望ましくないレベルの不純物を生成する傾向、および枯渇効果を頻繁に示すことを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
いくつかの従来の坩堝の設計では、大きい分子（すなわち、多原子分子）をより簡素な分子または原子に"クラックする（ｃｒａｃｋ）"ために、バッフルが放出オリフィス内に挿入される。クラッキングは、大きい分子が表面に接触する場合、加熱された表面から原料物質の大きい分子への熱的エネルギーの移動をいう。この設計は他の従来の坩堝に対しては進歩を示すが、欠点を有するようである。バッフルは、一般的にヒーターから直接の代わりに、坩堝からの伝導または放射を介して加熱される。したがって典型的には、バッフルは坩堝より低い温度にある。大きい分子がバッフル表面に衝突する場合、バッフルの熱的エネルギーが大きい分子に移動する。しかし、衝突した表面の温度が低ければ低いほど、多原子分子がより簡素な分子にクラックするであろう可能性は低くなる。
新規な坩堝の設計への要求がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、堆積された物質の薄層を形成するために、基材上に堆積される原料物質を含むための坩堝に関する。坩堝は、基部と放出オリフィスとの間に伸びる胴部を含む。熱源は、原料物質を気化させるために、坩堝を加熱する。坩堝の放出オリフィスは、原料物質が堆積される基材の方向を狙っている。
【００１１】
本発明のいくつかの態様によれば、加熱された場合に、原料物質が、放出オリフィスを通過する前に中間オリフィスを通過するように、坩堝は、坩堝内に配置されかつ構成されている少なくとも１つの中間オリフィスを含む。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、加熱された場合に、原料物質の原子および分子が、放出オリフィスを通過する前に坩堝の胴部上に少なくとも１回衝突するように、坩堝は、少なくとも１つの中間オリフィスを含む。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、坩堝は、首オリフィスとして構成されている中間オリフィスを含む。
またさらに本発明の他の態様によれば、坩堝は、複数の中間オリフィスを含む。
【００１４】
本発明の１つの態様によれば、基材上に堆積される物質を加熱するための坩堝は、原料物質を含むように、配置されかつ構成されている胴部、胴部の第１の端部に形成された基部、および胴部の第２端部に形成された放出オリフィスを含む。坩堝は、加熱された原料物質が、放出オリフィスを通過する前に中間オリフィスを通過し、そして少なくとも１回胴部に衝突するように、配置されかつ構成されている少なくとも１つの中間オリフィスをさらに含む。
【００１５】
本発明の一つの特徴は、坩堝胴部から、坩堝胴部から脱着される原子および分子への熱的エネルギーの移動を含む。
本発明の別の特徴は、堆積の間に生成される物質の薄膜の均一性における改善を含む。
【００１６】
また本発明の別の特徴は、坩堝の構成が、堆積の間に坩堝から原料物質がスピットされる可能性を低下させることである。
またさらに本発明の別の特徴は、坩堝の分子クラッキング効率の向上である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、薄膜を形成するために、基材上に堆積される原料物質を加熱するための坩堝を対象にする。坩堝は、内部空間を取り囲む胴部を含む。胴部は、基部から放出オリフィスへ伸びる。原料物質は、典型的には基部に近い内部空間内に保持される。熱源は、そこに含まれる原料物質を加熱する坩堝を加熱する。坩堝の放出オリフィスは、原料物質が堆積される、基材を狙っている。
【００１８】
本発明の１つの態様によれば、加熱された場合に、原料物質が、放出オリフィスを通過する前に中間オリフィスを通過するように、坩堝は、配置されかつ構成されている少なくとも１つの中間オリフィスを含む。別の態様によれば、加熱された場合に、原料物質が、坩堝の胴部に少なくとも１回衝突するように、坩堝は、少なくとも１つの中間オリフィスを含む。また別の態様によれば、坩堝は、複数の中間オリフィスを含む。またさらに別の態様によれば、熱的エネルギーが、坩堝の内側表面から、内側表面上に衝突する原子および分子に移動する。
【００１９】
図２を参照すると、坩堝は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を行うために使用できる。図２は、基材２０１を狙っている２１０で図式的に具体的に説明された複数の坩堝を含む、例示ＭＢＥ堆積システム２００を具体的に示す。もちろん、ＭＢＥシステムの他の例は、ただ１つの坩堝を含んでもよい。坩堝２１０および基材２０１は、周知技術である真空のポンプＶによって適当な圧力まで排気される超高真空成長チャンバー２８５内で、方向合わせされている。
【００２０】
坩堝２１０は、基材２０１上への堆積のために、気化させて、原料物質２８０の原子または分子の"ビーム"２０６を、超高真空の成長チャンバー２８５に導く。原料物質２８０のビーム２０６で狙いをつけることは、それぞれの坩堝２１０のビームを放出するオリフィスが、基材２０１に”狙いをつける”ように、原料物質２８０を含む坩堝２１０を置いて、そして方向合わせすることを含む。従来の坩堝１１０の放出オリフィスは、図１中に１２０で具体的に説明される。図５の坩堝５１０等の、本発明の原理に従って構成される坩堝の放出オリフィスを、さらに詳細に以下で記載する。
【００２１】
ＭＢＥシステムのいくつかの態様において、基材２０１は、基材２０１の表面上で均一な結晶成長を促進するために、加熱ブロック２６５に連結され、そして軸Ａの周りを回転Ｒの方向に連続的に回転される。原料物質２８０のそれぞれは、２６０で一般的に具体的に説明された加熱エレメントを使用して加熱される。一般的に、原料物質２８０は、坩堝２１０を加熱することによって加熱される。加熱エレメント２６０の一例は、坩堝２１０に接触する加熱コイル２１２を含む。加熱エレメント２６０のもう一つの例は、坩堝２１０に熱を放射する抵抗フィラメント（示されていない）を含む。さらに加熱エレメント２６０のもう一つの例は、坩堝２１０を取り囲むエフュージョンセルオーブン（示されていない）を含む。もちろん、当業者に公知の任意の好適な加熱手段もまた使用できる。坩堝２１０を加熱することは、蒸発工程または昇華工程のいずれかを通して、原料物質２８０を気化させる。ある場合には、坩堝２１０を加熱することはまた、坩堝２１０内の原料物質蒸気の凝結を防ぐ。成長または堆積が完了した後で、生成されたウェハーまたは製品は、冷まされ、そしてチャンバー２８５から除去される。
【００２２】
一般的に、それぞれの原料物質が加熱される温度は、原料物質の個別の特性に加えて、原料物質の蒸気圧に基づく。例えば、ヒ素から薄膜製品を生成させる場合、大きいＡｓ４分子（すなわち、互いに共有結合で結合した４つのヒ素原子）を、より小さいＡｓ２分子（すなわち、互いに共有結合で結合した２つのヒ素原子）に分解することが好都合であることができる。ヒ素は、典型的にはＡｓ４分子として約４００℃で昇華するが、Ａｓ４分子の蒸気をさらに約９００℃まで加熱すると、それぞれのＡｓ４分子の結合を分解して、２つのＡｓ２分子を生成し始める。このタイプ供給源では、坩堝に沿って熱的勾配を設けて、坩堝の基部にあるヒ素を約４００℃まで、そして坩堝の先端を約９００℃まで加熱するために、複数のフィラメントが使用される。
【００２３】
さらに図２を参照すると、５つの坩堝２１０ａ〜２１０ｅが、具体的に説明された例示システム２００に示される。それぞれの坩堝２１０ａ〜２１０ｅは、分子ビーム２０６ａ〜２０６ｅが生成される異なる原料物質２８０ａ〜２８０ｅを含む。１つの例示態様では、第１の坩堝２１０ａはガリウムを含み、第２の坩堝２１０ｂは第１のドーパントを含み、第３の坩堝２１０ｃはヒ素を含み、第４の坩堝２１０ｄは第２のドーパントを含み、そして第５の坩堝２１０ｅはアルミニウムを含む。
【００２４】
いくつかの態様において、原料物質の気化速度を調整することは、分子ビーム中の原子または分子の量を制御する。気化速度は、ヒーターの温度および原料物質の組成による。さらに、いくつかの例示坩堝は、坩堝からの供給元の伝導率を調整する調節弁を有する。また他の態様では、それぞれの坩堝の前にあるシャッターは、どの原子または分子が、基材に到達することができるかを制御する。１つの例示態様では、シャッターによって遮断された原子または分子は、次に基材から離れる方向へ”向け直”される。
【００２５】
例えば、図２に示されたシステム２００は、２７０で図式的に具体的に説明されたシャッターシステムを含む。シャッターシステムは、１つまたは２つ以上のシャッター２７５を含む。シャッターシステム２７０のそれぞれのシャッター２７５は、第１の閉じた位置と第２の開いた位置との間を移動できる。閉じた位置にある場合、シャッター２７５は、坩堝から放出される分子ビーム２０６が基材２０１に到達することを遮断する。開いた位置にある場合、シャッター２７５は、分子ビーム２０６が、基材２０１上に原料物質２８０を堆積することを可能にする。
【００２６】
例えば、具体的に説明されたシステム２００に示されたシャッターシステム２７０は、それぞれの坩堝２１０ａ〜２１０ｅに、それぞれ対応するシャッター２７５ａ〜２７５ｅを含む。第１のドーパントを含む坩堝２１０ｂに対応するシャッターは、２７５ｂ'で第１の閉じた位置に、そして点線の２７５ｂで第２の開いた位置に示される。シャッターシステム２７０の残りのシャッター２７５ａ,２７５ｃ,２７５ｄ,２７５ｅは、開いた位置に示される。閉じたシャッター２７５ｂ'は、分子ビーム２０６ｂが基材２０１に到達することを妨げるが、一方、開いたシャッター２７５ａ,２７５ｃ,２７５ｄ,２７５ｅは、分子ビーム２０６ａ,２０６,２０６ｄ,２０６ｅが基材２０１に衝突し、そしてドープされるアルミニウムガリウムヒ素を生成することを可能にする。
【００２７】
種々の例示システムにおいて、図２の原料物質２８０等の原料物質は、固体、液体、および／またはガス相中に種々の元素を含んでもよい。例示液体原料物質は、ガリウム、インジウム、および水銀を含む。例示固体原料物質は、ヒ素、テルル、およびケイ素を含む。例示ガス状原料物質は、窒素およびアンモニアを含む。
【００２８】
図３を参照すると、図３は、基材３０１上に生成されたエピタキシャル層３０２を含む堆積システム３００の図を具体的に示す。図２の原料物質２８０等の原料物質を加熱することで生成された分子または原子３０５は、１種または２種以上の分子ビーム３０６によってエピタキシャル層３０２に加えられる。これらの原子および分子３０５は、あらかじめ生成されたエピタキシャル層３０２の上に、成長するエピタキシャル層３０４を形成する。典型的には、堆積された原子および分子３０３は、基材３０１上のエネルギー的に好ましい格子位置に移動し、理論的に高い結晶品質、および厚み均一性を有するフィルム成長を与える。
【００２９】
原子および分子３０５のエネルギーが大きいほど、原子および分子３０５が基材３０１上で生成する結晶構造内の最適な格子位置を見いだす確率は、高くなる。一般的に、基材３０１に到達した後で、より高いエネルギーレベルを有する原子および分子３０５は、基材３０１の表面に沿ってさらに動くことができ、適切な静止場所を見いだす。堆積された原子および分子３０５のエネルギーを増加させることは、したがって、結晶構造内で原子のずれを生じる欠陥の可能性を低下させる。
【００３０】
次に図４を参照すると、より大きいまたは意図しない分子が基材上に衝突する場合、結晶構造中の欠陥はまた、エピタキシャル層で起こる場合がある。図４は、基材３０１'上に形成されるエピタキシャル層３０２'の図３００'を具体的に示す。分子ビーム３０６'は、大きい分子４０７、ならびに原子およびより小さい分子３０５'を含む点を除き、図３００'は、図３と図４中で追加のプライム（'）の記号と同一の数値記号を有する図４との類似部分において、図３の図３００に類似する。
【００３１】
一般的に、基材を狙った放出オリフィスを技術的に有する公知の構造の坩堝から、吐き出（すなわち排出）される大きい分子４０７等の粒子は、一般的に基材に当たる。これらの粒子のいくつかは、基材に付着し、またはエピタキシャル層を生成でき、結晶構造中の欠陥となる。例えば、図４の大きい分子４０７は、エピタキシャル層３０２'上に衝突し、そして成長する層３０４'の形成を妨げることが示される。ある場合には、大きい分子４０７は、原子３０３'が、成長する層３０４’内の好ましい格子位置に移動し、そして占有することを妨げる場合がある。
【００３２】
吐き出しは、分子ビーム中で大きい分子４０７等の大きい分子の１つの供給源である。ある場合には、吐き出し物は、純粋でない原料物質から生じる。例えば、坩堝が、化合物形態（すなわち、ＣｄＴｅ）中にカドミウムおよびテルルを含む原料物質を含む場合、純粋なテルルおよびカドミウムのポケット（ｐｏｃｋｅｔ）または塊が、化合物内に存在できる。一般的に、ＣｄＴｅは、テルル（１０−４トール、２８０℃）またはカドミウム（１０−４トール、１７７℃）のいずれかより著しく低い蒸気圧（１０−４トール、４５０℃）を有する。したがって、カドミウムまたはテルルのポケットが、ポケットの辺りのＣｄＴｅ化合物の気化によって露出される場合、ポケットは、素早く且つ爆発的に気化できる。そうした爆発は、原料物質の大きい塊の物理的な吐き出しを生じることができる。
【００３３】
次に、図５を参照すると、本発明は、一般的に坩堝内の原料物質と基材との間の透視線を除去し、図４の大きい粒子４０７等の原料物質中で生成された粒子が基材に到達する可能性を低下させる。図５は、坩堝５１０の１つの例示態様５００の部分的な斜視図を具体的に示す。坩堝５１０は、放出オリフィス５２０を規定する胴部５２５を含む。胴部５２５は、そこで図２の原料物質２８０等の堆積される原料物質を保持するための内部空洞を規定する。
【００３４】
一般的に、坩堝胴部５２５は、原料物質と放出オリフィス５２０との間に少なくとも１つの中間オリフィスを形成する。図５に示された例で、坩堝胴部は、少なくとも第１の中間オリフィス、第２の中間オリフィス、および第３の中間オリフィス５３２,５３４,５３６を形成する。典型的には、中間オリフィス５３２,５３４,５３６を形成する坩堝胴部５２５の領域は、内側に（すなわち、縦軸Ｃに向かって）放射状に変形している。好ましい態様では、坩堝胴部５２５の中間オリフィス領域は、図５に５３２,５３４で示されるように内側に湾曲する。もちろん、この領域はまた、坩堝胴部５２５の他の部分からの角度で内側に直線的に伸びることができる。
【００３５】
一態様では、中間オリフィス領域の全周囲は、５３６に示すように中心の縦軸Ｃに向かって、内側に（放射状に）テーパーになっている。別の態様では、中間オリフィス領域の周囲の一部分のみが、５３４に示すように内側に向かってテーパーになっている（それによって、偏心した中間オリフィスを提供する）。例として、第３の中間オリフィス５３６と比較すると、第１の中間オリフィスおよび第２の中間オリフィス５３２,５３４を有して内側に伸びる全周囲は、その周囲の一部分のみが内側に曲がっている。また（示されていない）別の態様では、周囲の１つの部分は、別の部分より低い度合いで縦軸Ｃに向かって内側に伸びることができ、それによって偏心した中間オリフィスを提供する。
【００３６】
図６および図７を参照すると、本発明の原理のいくつかを、本発明の原理によって構成されている坩堝の例示態様の断面図を使用して、最も良く示すことができる。図６は、本発明の原理によって構成されている坩堝６１０の１つの例示態様の図式断面図６００を具体的に示す。坩堝６１０は、基部６１５から伸び、そして放出オリフィス６２０で終わる胴部６２５を含む。この例示態様では、坩堝６１０の胴部６２５は、基部６１５と放出オリフィス６２０との間に単一の中間オリフィス６３０を形成する。
【００３７】
坩堝６１０は、基部６１５近辺に原料物質６８０を格納する。運転中、坩堝６１０は、一般的に縦軸Ｃに沿って傾いている。図６は、原料物質６８０の表面６８３が水平の平面Ｈ内にあるように、坩堝６１０内に配置される原料物質６８０を具体的に示す。加熱された場合に、原料物質６８０は気化し、そして図３および４の分子３０５,３０５'等の気化された原子および／または分子は、中間オリフィス６３０を通って、そして放出オリフィス６２０に向かって移動する。
【００３８】
坩堝胴部６２５は、内側表面６１１および外側表面６１２を有する。一般的に、原料物質６８０の気化した原子および／または分子が、放出オリフィス６２０を通って通過する前に、操作されて坩堝胴部６２５の内側表面６１１に少なくとも１回衝突するように、中間オリフィス６３０は大きさが決められ、そして方向合わせされている。この衝突は、放出オリフィス６２０を通して見える原料物質６８０の表面６８３からターゲット基材へのすべての透視線の移動経路を除去ことによって、効率的に達成される。
【００３９】
坩堝胴部６２５は、一般的に軸Ｃの周り且つ基部６１５近辺で、円筒型の基部部分６２１、および放出オリフィス６２０近辺で、第１の負の抜き勾配（ｄｒａｆｔ）のテーパー部分６２９を含む。いくつかの態様において、中間オリフィス６３０は、胴部６２５の第１の正の抜き勾配部分６２３と連続的に接続された、胴部６２５の第２の負の抜き勾配部分６２２によって、形成されている。第２の負の抜き勾配部分６２２は、基部部分６２１から、中心の縦軸Ｃに向かって内側に伸びる。第１の正の抜き勾配部分６２３は、負の抜き勾配部分６２２の１つの端部から外側へ伸びる。いくつかの態様において、負の抜き勾配部分と、部分６２８等の正の抜き勾配部分との間に形成される坩堝胴部の部分は、一般的に中心軸Ｃ周りの円筒形である。
【００４０】
いくつかの態様において、坩堝胴部６２５の負のおよび正の抜き勾配部分６２２,６２３,６２９は、それぞれ抜き勾配α,β,γでテーパーになっている。一般的に、抜き勾配α,β,γは、縦軸Ｃに対して約１０°〜約９０°の範囲にある。いくつかの例示態様では、抜き勾配α,β,γは、３０°〜約４５°の範囲にある。１つの好ましい態様では、第１の負の抜き勾配部分６２９は、縦軸Ｃに対して約４５°の勾配γで内側に向かってテーパーになっており、第２の負の抜き勾配部分６２２は、約３０°の勾配αで内側に向かってテーパーになっており、そして第１の正の抜き勾配部分６２３は、約３０°の勾配βで外側に向かってテーパーになっている。もちろん、テーパーの抜き勾配部分６２２,６２３,６２９等のテーパーの抜き部分は、曲線でまたは直線であることができるので、上記に記載される抜き勾配は、単に近似であり、そして抜き部分の長さに沿って変化できる。
【００４１】
図６の例に示すように、坩堝６１０の放出オリフィス６２０は、直径Ｄ１を有し、中間オリフィス６３０は、直径Ｄ２を有し、そして、坩堝胴部６２５は、直径Ｄ３を有する。したがって、坩堝６１０の放出オリフィス６２０は、ほぼＡ１の断面積を有し、ここで：
【数１】
2009526907.tif 000003
である。
【００４２】
同様に、中間オリフィス６３０および坩堝胴部６２５は、円筒型断面積Ａ２,Ａ３をそれぞれ有し、ここで：
【数２】
2009526907.tif 000004
である。
【００４３】
種々の態様において、中間オリフィス６３０の断面積Ａ２は、放出オリフィス６２０の断面積Ａ１より大きいか、等しいか、またはより小さいことができる。いくつかの態様において、放出オリフィス６２０の断面積Ａ１および中間オリフィス６３０の断面積Ａ２は、坩堝胴部６２５の断面積Ａ３より著しく小さい。好ましい態様では、放出オリフィス６２０の断面積Ａ１は、約０.６インチ２（３.８ｃｍ２）であり、中間オリフィス６３０の断面積Ａ２は、約０.５インチ２（３.２ｃｍ２）であり、そして坩堝胴部６２５の断面積Ａ３は、約１.１インチ２（７.３ｃｍ２）である。
【００４４】
図７を参照すると、本発明の原理により構成されている坩堝のもう一つの例示態様７００が示されている。図７は、基部７１５から伸びる胴部７２５を含む坩堝７１０の図式断面図を具体的に示す。坩堝胴部７２５は、放出オリフィス７２０、第１の中間オリフィス７３２、第２の中間オリフィス７３４、および第３の中間オリフィス７３６を形成する。胴部７２５は、基部７１５近辺に原料物質７８０を格納する。
【００４５】
坩堝７１０は、第３の中間オリフィス７３６と放出オリフィス７２０との間に伸びる首部分７４０をさらに含む。首部分７４０の１つの端部によって規定された中間オリフィス７３６を、首オリフィスとよぶ。首部分７４０の反対側の端部は、放出オリフィス７２０を形成する環状のへり７４５を含む。いくつかの態様において、環状のへり７４５は、胴部７２５の末端の縁から外側へ、好ましくは直角で伸びることができる。
【００４６】
坩堝胴部７２５の首部分７４０のいくつかの態様は、首オリフィス７３６から縦軸Ｃ"に対して正の傾き勾配で離れて広がり、そして放出オリフィス７２０で終わる正の抜き勾配部分を含む。一態様では、首部分７４０は、坩堝胴部７２５の中心の縦軸Ｃ"から、約９.０°の好ましい勾配で外側に向かってテーパーになっている。
【００４７】
一般的に、原料物質７８０等の原料物質の任意の部分からターゲット基材への透視線を除くことによって、そして基材への直接透視線を有する、坩堝胴部の内側表面の最終部分の形および方向合わせを調整することによって、気化した原料物質の原子および分子が狙う経路の可能性が調整される。例えば、原料物質７８０から気化した原子および分子が、放出オリフィスから出る前に、坩堝胴部７２５の内側表面７１１に衝突するように、坩堝７１０の中間オリフィス７３２,７３４,７３６は、配置されかつ構成されている。特に、気化した原料物質は、放出オリフィス７２０に到達する前に、坩堝胴部７２５の７２２,７２３,７２６,７２７,７２９,７４０の少なくとも１つの部分で少なくとも１回跳ね返る。
【００４８】
原子および分子は、坩堝表面に、ゴムボールが跳ね返るであろう様には、跳ね返らないが、しかしむしろ、吸着され、そして表面から脱着される。例えば、原子７０５が坩堝７１０を離れる前に、坩堝胴部７２５の内側表面７１１に”跳ね返る"（すなわち、吸着しそして脱着する）原子７０５の経路Ｂが図７に示される。第１に、原子７０５は、胴部７２５の負の抜き勾配部分７２６の内側表面７１１から”跳ね返る”。第２に、原子７０５は、坩堝胴部７２５の円筒型の部分７２４の内側表面７１１から”跳ね返る”。もちろん、原子７０５が取った経路Ｂは、例示的であるだけであり、そして、原子または分子を原料物質７８０に戻す経路を含めて、多くの他の経路を取ることができるであろう。
【００４９】
次に、図８を参照すると、原子および分子が、表面（例えば、坩堝の内側表面または原料物質の表面）から脱着される角度は、ランダムではない。図８は、原子８０５が角度θで表面８３２から脱着するシステム８００の略図を具体的に示す。一般的に、コサイン関数ξ=ｃｏｓ（θ）/πが原子８０５等の原子または分子が所与の角度θで脱着するであろう近似確率ξに使用できる。理論的に、最も高い確率ξを有する角度θは、坩堝の内側表面に垂直の９０°の角度である。したがって、図１の坩堝１１０等の従来の坩堝システムでは、原子および分子は、坩堝の縦軸に平行な方向において、原料物質表面から最も気化しそうである。
【００５０】
さて図９Ａおよび９Ｂを参照すると、本発明を実施する坩堝のいくつかの態様において、ターゲット基材への直接透視線を有する最終の表面は、中間オリフィスの表面である。図９Ａおよび９Ｂは、第１のおよび第２の表面９３３,９３７のそれぞれからの脱着の最も高い可能性を描いた、システム９００ａ,９００ｂのそれぞれの断面図を具体的に示す。例えば、第１の表面９３３は、中間オリフィス９３２を形成する坩堝の正の抜き勾配部分の内側表面である。もう一つの例として、第２の表面９３７は、中間オリフィス９３４を形成する正の抜き勾配部分の内側表面である。
【００５１】
図９Ａを参照すると、いくつかの態様において、ターゲット基材への直接の透視線を有する最終の表面は、放出オリフィスに最も近い中間オリフィスの表面である。例えば、中間オリフィス９３２を形成する第１の表面９３３は、ターゲット基材９０１ａへの直接の透視線を有する。中間オリフィス９３２は、放出オリフィス９２０に最も近い中間オリフィスである。図９Ｂを参照すると、いくつかの態様において、第２の中間オリフィス９３６は、放出オリフィス９２０とターゲット基材９０１ｂへの直接の透視線を有する最終の表面９３７との間に位置する。
【００５２】
一般的に、気化した原料物質からターゲット基材への透視線を遮断する坩堝胴部の表面の数を増加させることは、気化した原料物質が、吸着されそして脱着されることが好ましい表面の数を増加させる。分子と坩堝胴部との間のそれぞれの接触は、坩堝表面から分子への熱的エネルギーの移動を可能にする。充分な熱的エネルギーが移動する場合、分子中の原子を共に保持する結合は、壊れることができる。これらの結合を壊すと、大きい多原子分子が、より小さい分子に（例えば、１つのＡｓ４が２つのＡｓ２分子に壊れる）"クラック"する可能性を高める。
【００５３】
図４の粒子４０７等の大きい粒子は、坩堝真空成長チャンバー内の互いに跳ね返る（すなわち、互いに吸着しそして脱着する）粒子の低い確率によって、坩堝を出た後で、”クラック”しそうもない。別の分子に出会う前に分子または原子が移動する必要がある平均距離を、多くの場合平均自由距離という。真空中の分子の平均自由距離を計算するための式を下記に示す：
【数３】
2009526907.tif 000005
【００５４】
式中、λは平均自由距離であり、ｋはボルツマン定数（すなわち、１.３８ｘ１０−２３Ｊ/Ｋ）であり、Ｔはチャンバーの温度であり、Ｐはチャンバー内の圧力であり、そしてσは分子の断面積である。典型的なＭＢＥ成長チャンバーは直径２ｍ未満である。成長チャンバー内の温度は、一般的にほぼ室温（すなわち、約２７３Ｋ）である。成長チャンバー内の圧力は、一般的に非常に低い。典型的には、成長チャンバー内の圧力は、１０−９トール（すなわち、１.３３ｘ１０−７Ｎ/ｍ２）未満である。
【００５５】
一般的に、原子の断面積は、比較的一定と考えることができる。典型的には、原子の断面積は、約３.０ｘ１０−２１ｍ２（例えば、ヘリウム原子）から約２.８ｘ１０−１９ｍ２（例えば、セシウム原子）の範囲である。典型的なＭＢＥシステム内で最も豊富な原子である窒素は、約９.８ｘ１０−２１ｍ２の断面積を有する。ヘリウムで”充満”した成長チャンバー（すなわち、圧力および温度がほぼ通常である成長チャンバー）中のヘリウム原子の平均自由距離は、したがって、約６,６７６,５７７ｍと近似できる。そうした大きい平均自由距離は、真空成長チャンバー内の原子および分子が、基材に到達する前に相互に出会う確率の低さに寄与する。
【００５６】
上記のように、いくつかの従来の坩堝システムでは、バッフルが、大きい分子のクラックの可能性を高めるために、坩堝内に挿入される。いくつかの従来のシステムでは、バッフルは、坩堝の外側表面から伝導または放射を介して加熱され、そしてそれ故に、典型的には、坩堝より低い温度を有する。より低い温度は、衝突で分子に移動される熱的エネルギーの量を減少させ、そして、それによって、多原子分子がより簡素な分子にクラックするであろう確率を低下させる。
【００５７】
さて、本発明を参照すると、一般的に、図５の坩堝胴部５２５等の坩堝胴部のテーパーの抜き勾配部分は、坩堝の加熱エレメントによって直接加熱される。テーパーの抜き勾配部分の直接加熱は、気化した原料物質の分子が吸着し、そして脱着するであろう内側表面のさらに効率的な加熱を可能にする。さらに効率的な加熱は、熱的エネルギーが分子に移動し、そしてそれ故に、分子がクラックするであろう確率を高める。
【００５８】
一般的に、坩堝は、真空のチャンバー内にマンドレルを形成することを利用する化学気相堆積（ＣＶＤ）工程によって形成される。いくつかの例示態様では、坩堝は、不活性、耐腐食材料で形成される。好ましい形成材料は、熱分解窒化ホウ素（すなわち、ＰＢＮ）である。坩堝のためのＰＢＮの厚さは、典型的には約０.０３５インチ（０.０８ｃｍ）である。種々の他の例示態様では、坩堝は、石英、ＡｌＮ,ＳｉＣ、タングステン、およびタンタルから形成できる。
【００５９】
一般的に、坩堝は、約１インチ〜約２５インチの長さの範囲にある。坩堝の直径は、胴部に沿って変化する。坩堝の基部の直径は、一般的に約０.５インチ（１．３ｃｍ）〜８.０インチの範囲にある。１つの例示態様では、図５の坩堝５１０等の坩堝は、長さ約１４.５インチ（３６.８ｃｍ）であり、そして坩堝の基部は、直径で約１.４インチ（３.５ｃｍ）である。もう一つの例示態様では、坩堝は、約８.１インチ（２０.５ｃｍ）の長さ、約２.９インチ（７.３ｃｍ）の基部での最も広い直径、および約０.９インチ（２.２ｃｍ）の中間オリフィスでの最も狭い直径を有する。
【００６０】
いくつかの態様において、それぞれのオリフィスは、図５中におけるオリフィス５２０の周囲寸法Ｐ等の周囲寸法を有する。１つの例示態様では、オリフィスの周囲寸法は、約０.７インチ（１.８ｃｍ）である。１つの例示態様では、図７の坩堝胴部７２５の首部分７４０等の坩堝胴部の首部分の長さは、約２.３インチ（５.８ｃｍ）である。この例示態様では、放出オリフィスは、約１.５インチ（３.８ｃｍ）の好ましい直径を有する。別の態様では、首部分の環状のへりは、約０.８インチ（２.０ｃｍ）の幅を有する。もちろん、本発明の基本的な教示と一致する任意の好適な坩堝寸法を使用できる。
【００６１】
本明細書中で図５〜７を参照して説明する坩堝は、図２のＭＢＥシステム２００等のＭＢＥシステム内で使用できる。いくつかの例示態様では、坩堝は、エフュージョン組立品（示されていない）と使用される。一般的に、エフュージョン組立品は、支持組立品に取り付けられた頭部組み立て品を含む。１つの例示態様では、支持組立品は、取り付けフランジから伸びる少なくとも１つの支持ポストを含む。頭部組立品は、坩堝および少なくとも１つのヒーターを含む。もう一つの例示態様では、エフュージョンセルは、少なくとも一部分が内側に伸び、そして首オリフィスの近くで終わる熱シールドをさらに含む。またさらにもう一つの例示態様では、エフュージョンセルは、一体水冷却システムをさらに含む。
【００６２】
上記の明細書、例およびデータは、本発明の組成物の製造および使用の完全な記載を提供する。本発明の多くの態様は、本発明の精神および範囲を離れることなく行うことができ、本発明は以下に付随する請求項に存在する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
さて、類似の参照数字が対応する部分を表す図を参照する：
【図１】図１は、従来の坩堝設計の１つの例を具体的に示す。
【図２】図２は、基材を狙う複数の原料物質を含有する坩堝を含む例示ＭＢＥ堆積システムを具体的に示す。
【図３】図３は、基材上に生成されたエピタキシャル層の図を具体的に示す。
【図４】図４は、基材上に生成された欠陥をを含むエピタキシャル層の図を具体的に示す。
【図５】図５は、本開示によって構成されている坩堝の１つの例示態様の部分的な斜視図を具体的に示す。
【図６】図６は、本開示によって構成されている坩堝のもう一つの例示態様の図式断面図を具体的に示す。
【図７】図７は、本発明によって構成されている坩堝のもう一つの例示態様の図式断面図を具体的に示す。
【図８】図８は、表面からある角度で脱着する原子の経路の略図を具体的に示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本開示の１つの態様による坩堝胴部の第１のおよび第２の内側表面、それぞれからの最も高い確率の脱着経路を示す図を具体的に示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本開示の１つの態様による坩堝胴部の第１のおよび第２の内側表面、それぞれからの最も高い確率の脱着経路を示す図を具体的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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