(57)【要約】 【課題】  不純物を低減して、リン分子を分子線として照射することができる分子線源および分子線源使用方法を提供する【解決手段】  充填空間１１に赤リン材料を充填し、充填空間１１と精製空間１２とを連通させた状態で、充填部２１を第１気化温度ｔ１ｇに加熱して充填空間１１に存在する赤リンを昇華して、精製空間１２に白リンを凝縮する。次に精製空間１２と貯留空間１３とを連通させた状態で、精製部２２を第１気化温度ｔ１ｇよりも低い第２気化温度ｔ２ｇに加熱して精製空間１２に存在する白リンを気化して、貯留空間１３に白リンを凝縮する。このようにして貯留空間１３に生成した白リンを分子線の照射材料として用いて、リン分子線を照射する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充填空間を形成し、リンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、
精製空間を形成し、前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、
貯留空間を形成し、前記精製空間で気化状態のリンが前記貯留空間に移動可能に形成されるとともに、前記貯留空間で気化状態のリンを外方に導くための貯留空間開口が形成される貯留部と、
前記充填部を加熱する充填部加熱手段と、
前記充填部の温度を検出する充填部温度検出手段と、
前記精製部を加熱する精製部加熱手段と、
前記精製部の温度を検出する精製部温度検出手段と、
前記貯留部を加熱する貯留部加熱手段と、
前記貯留部の温度を検出する貯留部温度検出手段とを備えることを特徴とする分子線源。
【請求項２】
少なくとも前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の分子線源。
【請求項３】
前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路と、
前記貯留部連通路を開閉可能な貯留部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の分子線源。
【請求項４】
前記貯留部開閉手段のうちで、前記貯留部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の分子線源。
【請求項５】
前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路をさらに含み、
前記貯留部連通路は、前記精製空間と前記貯留空間との間に形成される縮径部分の断面積が、残余の部分の断面積に比べて小さく形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項６】
前記貯留部連通路を加熱する貯留部連通路加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の分子線源。
【請求項７】
前記充填部、前記精製部および前記貯留部は、気化または液化したリンの侵入が防がれるリン遮蔽空間がそれぞれ形成され、それぞれ前記リン遮蔽空間には、対応する対象物の温度を調整するための前記温度検出手段および前記加熱手段がそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項８】
前記リン遮蔽空間に存在する気体を排気するリン遮蔽空間気体排気手段をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の分子線源。
【請求項９】
前記充填部、前記精製部および前記貯留部の温度をそれぞれ検出するための前記各温度検出手段は、複数の温度計をそれぞれ有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１０】
前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段をさらに備え、
前記精製空間気体排気手段は、前記精製空間に存在する気体を前記充填空間に移動させるとともに、前記充填空間に存在する気体を排気することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１１】
前記充填空間と前記精製空間気体排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１０記載の分子線源。
【請求項１２】
前記充填空間と前記精製空間とを連通する精製部連通路と、
前記精製部連通路を開閉可能な精製部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１記載の分子線源。
【請求項１３】
前記開閉手段のうちで、前記連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１または１２記載の分子線源。
【請求項１４】
前記貯留空間の前記開口に連通する解離空間を形成し、前記貯留空間で気化状態のリンが解離空間に移動可能に形成されるとともに、解離空間で気化状態のリンを外方に導くための解離空間開口が形成される解離部と、
前記解離空間で気化状態のリンを、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に加熱解離するための解離部加熱手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１５】
前記貯留空間と前記解離空間とを連通する解離部連通路と、
前記解離部連通路を開閉可能な解離部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の分子線源。
【請求項１６】
前記解離開閉手段のうちで、前記解離部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１５記載の分子線源。
【請求項１７】
前記精製空間および前記貯留部空間の２つの空間のうち少なくとも１つの空間に存在する気体を排出する排気手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１８】
前記精製空間および貯留部空間の２つの空間のうち少なくとも１つの空間と前記排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１７記載の分子線源。
【請求項１９】
前記排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１８記載の分子線源。
【請求項２０】
前記精製空間と貯留部空間とを連通する貯留部連通路と、
貯留部連通路を開閉可能な貯留部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項２１】
前記貯留部連通路開閉手段のうちで、貯留部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項２０記載の分子線源。
【請求項２２】
前記充填空間に存在する気体を排出する排気手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項２３】
前記充填空間と前記排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２２記載の分子線源。
【請求項２４】
前記排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項２３記載の分子線源。
【請求項２５】
前記充填部、前記精製部および前記貯留部を、それぞれ冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項２６】
前記冷却手段は、前記充填部、前記精製部および前記貯留部の外方にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項２５記載の分子線源。
【請求項２７】
充填空間を形成してリンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、精製空間を形成して前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、貯留空間を形成して前記精製空間で気化状態のリンが前記貯留空間に移動可能に形成されるとともに前記貯留空間で気化状態のリンを外方に導くための貯留空間開口が形成される貯留部とを有する分子線源を用いて、リン分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記充填空間に赤リンを含有するリン材料を充填する充填工程と、
前記充填空間と前記精製空間とを連通させた状態で、前記充填部を第１気化温度に加熱して前記充填空間に存在する赤リンを気化して、前記精製空間に液化した白リンを生成する第１気化工程と、
前記精製空間と前記貯留空間とを連通させた状態で、前記精製部を第１気化温度よりも低い第２気化温度に加熱して前記精製空間に存在する白リンを気化して、前記貯留空間に液化した白リンを生成する第２気化工程と、
前記貯留空間に存在する気化状態の材料を、分子線として照射するための照射材料として用いて、貯留空間開口から外方に導いて、リン分子線を照射する照射工程とを含むことを特徴とする分子線源使用方法。
【請求項２８】
照射工程では、貯留空間開口を通過した白リンを、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に加熱解離した後で、分子線として照射することを特徴とする分子線源使用方法。
【請求項２９】
前記第２気化工程と前記照射工程との間に、前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路を閉鎖する貯留部連通路閉鎖工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７または２８記載の分子線源使用方法。
【請求項３０】
前記第１気化工程と前記第２気化工程との間に、前記充填空間と前記精製空間とを連通する精製部連通路を閉鎖する精製部連通路閉鎖工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７〜２９のいずれか１つに記載の分子線源使用方法。
【請求項３１】
前記第１気化工程と前記第２気化工程との間に、リン酸が蒸発を開始する温度以上に精製部の温度を調整するとともに、前記精製空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７〜３０のいずれか１つに記載の分子線源使用方法。
【請求項３２】
前記第２気化工程の後に、リン酸が蒸発を開始する温度以上に貯留部の温度を調整するとともに、前記貯留空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７〜３１のいずれか１つに記載の分子線源使用方法。
【請求項３３】
充填空間を形成し、リンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、精製空間を形成し、前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、前記充填部を加熱する充填部加熱手段と、前記充填部の温度を検出する充填部温度検出手段と、前記精製部を加熱する精製部加熱手段と、前記精製部の温度を検出する精製部温度検出手段と、少なくとも前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段とを備える分子線源を用いて、リン分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記充填空間に赤リンを含有するリン材料を充填する充填工程と、
前記充填空間と前記精製空間を連通させた状態で、前記充填部を第１気化温度に加熱して前記充填空間に存在する赤リンを気化して、前記貯留空間に液化した白リンを生成する気化工程と、
前記気化工程の後で、リン酸が蒸発を開始する温度以上に前記精製部の温度を調整するとともに、前記精製空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程と、
前記精製空間に存在する気化状態の材料を、分子線として照射するための照射材料として用いて、貯留空間開口から外方に導いて、リン分子線を照射する照射工程とを含むことを含むことを特徴とする分子線源使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子線を発生させる分子線源および分子線源使用方法に関し、たとえば半導体を分子線エピタキシャル成長させる分子線エピタキシャル装置に用いられる分子線源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザや高速電子デバイス作成のために分子線結晶成長（Molecular Beam
Epitaxy ：略称ＭＢＥ）法や有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor
Deposition）法などの薄膜成長法が用いられ、盛んに研究、開発、実用化されている。薄膜成長法のうち、ＭＢＥ法を実現するためには、分子がビーム状に進む分子線を発生させる分子線源が用いられる。たとえば特許文献１には、分子線源である分子線セルを保管する保管容器が開示されている。またＶ族分子線を発生させる分子線源の１つであるリン分子線源が、実用化されており、たとえば非特許文献１に開示されている。
【０００３】
図２７は、従来技術のリン分子線源１を簡略化して示す断面図である。リン分子線源１は、赤リン材料が収容される赤リン室２を形成する赤リン収容部３と、白リンが収容される白リン室４を形成する白リン収容部５と、基板が収容されるチャンバー部１０へリンを導くクラッカー部６と、バルブ７と、ヒータ８とを有する。ここで赤リン材料とは、赤リンを主成分とする材料を意味し、赤リンのほか、五酸化リンおよびリン酸など状態で酸素原子が含まれる。
【０００４】
赤リン室２と白リン室４とは、連通して形成される。したがって赤リン室２で気化した気体は、白リン室４に移動可能となる。また白リン室４とクラッカー部６の内部空間９とは、バルブ７を介して接続され、バルブ７が開状態となることによって、白リン室４とクラッカー部６の内部空間９とが連通する。またバルブ７が閉状態となることによって、白リン室４とクラッカー部６の内部空間９との連通が阻止される。またヒータ８は、赤リン室２および白リン室４を加熱するために設けられる。
【０００５】
リン分子線を発生する場合、まず、チャンバー部１０とリン分子線源１との接続が完了した状態で、赤リン材料を赤リン室２に充填する。次に、赤リン室２を加熱して赤リン材料に含まれる赤リンを昇華させる。次に、気化したリンを、白リン室４に移動させて白リン室４で冷却することで、白リン室４にリンを生成する。白リン室４を適切な温度に保つことで、白リン室４のリンを液体化した状態で貯蔵する。
【０００６】
チャンバー部１０に収容される基板に、リン分子線を照射する場合、バルブ７を開状態として、白リン室４から気化状態のリンをクラッカー部６の内部空間に導き、クラッカー部６の内部空間９に導いたリンに熱エネルギーを与えて、Ｐ４分子状態（Ｐ−Ｐ距離、２２５ｐｍ）のリン分子を、Ｐ２分子状態（Ｐ−Ｐ距離、１８９５ｐｍ）のリン分子に解離する。そしてＰ２分子をチャンバー部１０に収容される基板に向かって移動させて、リン分子を基板表面に照射する。このようにＶ族分子線であるリン分子線に対して、適当な条件でＩＩＩ族分子線を基板に供給することによって、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を結晶成長させることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２９４７８８号公報
【非特許文献１】著者の氏名：ＲＩＢＥＲ社、表題：「ＭＢＥ SOURCES、Valved Cracking Effusion Cells、KPC Series、Handling of solid phosphorus」、PDFファイル、関連箇所：１頁、図、「on line」、掲載年月日：不明、掲載者：ＲＩＢＥＲ社、掲載場所：ＲＩＢＥＲ社 ホームページ、検索日：2005年9月20日、情報源およびアドレス：http://www.riber.com/pdf/produit/flyer_KPC.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２７に示す従来技術のリン分子線源１を用いた分子線源使用方法では、赤リン材料を加熱して赤リンを昇華させるときに、リン酸および五酸化リンなどの不純物も気化してしまい、白リン室４に移動してしまう。この場合、分子線発生時に、それら不純物が、リンとともに基板に照射されやすい。たとえばリン酸化物が基板に照射されると、基板上に成長させる結晶薄膜の酸素濃度が高くなり、結晶薄膜の品質が低下してしまうという問題がある。たとえば分子線エピタキシャル成長法を用いて半導体結晶薄膜を形成する場合、その半導体結晶薄膜の酸素濃度が高くなることに起因して、その半導体結晶薄膜を有する半導体レーザ素子や電子デバイスの特性が悪化するという問題がある。
【０００９】
したがって本発明は、不純物を低減して、リン分子を分子線として照射することができる分子線源および分子線源使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、充填空間を形成し、リンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、
精製空間を形成し、前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、
貯留空間を形成し、前記精製空間で気化状態のリンが前記貯留空間に移動可能に形成されるとともに、前記貯留空間で気化状態のリンを外方に導くための貯留空間開口が形成される貯留部と、
前記充填部を加熱する充填部加熱手段と、
前記充填部の温度を検出する充填部温度検出手段と、
前記精製部を加熱する精製部加熱手段と、
前記精製部の温度を検出する精製部温度検出手段と、
前記貯留部を加熱する貯留部加熱手段と、
前記貯留部の温度を検出する貯留部温度検出手段とを備えることを特徴とする分子線源である。
【００１１】
また本発明は、少なくとも前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路と、
前記貯留部連通路を開閉可能な貯留部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記貯留部開閉手段のうちで、前記貯留部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路をさらに含み、
前記貯留部連通路は、前記精製空間と前記貯留空間との間に形成される縮径部分の断面積が、残余の部分の断面積に比べて小さく形成されることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記貯留部連通路を加熱する貯留部連通路加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記充填部、前記精製部および前記貯留部は、気化または液化したリンの侵入が防がれるリン遮蔽空間がそれぞれ形成され、それぞれ前記リン遮蔽空間には、対応する対象物の温度を調整するための前記温度検出手段および前記加熱手段がそれぞれ配置されることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記リン遮蔽空間に存在する気体を排気するリン遮蔽空間気体排気手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記充填部、前記精製部および前記貯留部の温度をそれぞれ検出するための前記各温度検出手段は、複数の温度計をそれぞれ有することを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段をさらに備え、
前記精製空間気体排気手段は、前記精製空間に存在する気体を前記充填空間に移動させるとともに、前記充填空間に存在する気体を排気することを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、前記充填空間と前記精製空間気体排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記充填空間と前記精製空間とを連通する精製部連通路と、
前記精製部連通路を開閉可能な精製部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、前記開閉手段のうちで、前記連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記貯留空間の前記開口に連通する解離空間を形成し、前記貯留空間で気化状態のリンが解離空間に移動可能に形成されるとともに、解離空間で気化状態のリンを外方に導くための解離空間開口が形成される解離部と、
前記解離空間で気化状態のリンを、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に加熱解離するための解離部加熱手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、前記貯留空間と前記解離空間とを連通する解離部連通路と、
前記解離部連通路を開閉可能な解離部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、前記解離開閉手段のうちで、前記解離部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、前記精製空間および前記貯留部空間の２つの空間のうち少なくとも１つの空間に存在する気体を排出する排気手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、前記精製空間および貯留部空間の２つの空間のうち少なくとも１つの空間と前記排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、前記排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２９】
また本発明は、前記精製空間と貯留部空間とを連通する貯留部連通路と、
貯留部連通路を開閉可能な貯留部連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、前記貯留部連通路開閉手段のうちで、貯留部連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、前記充填空間に存在する気体を排出する排気手段をさらに備えることを特徴とする。
【００３２】
また本発明は、前記充填空間と前記排気手段とを連通する排気連通路と、
前記排気連通路を開閉可能な排気連通路開閉手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
また本発明は、前記排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
【００３４】
また本発明は、前記充填部、前記精製部および前記貯留部を、それぞれ冷却する冷却手段を備えることを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、前記冷却手段は、前記充填部、前記精製部および前記貯留部の外方にそれぞれ配置されることを特徴とする。
【００３６】
また本発明は、充填空間を形成してリンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、精製空間を形成して前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、貯留空間を形成して前記精製空間で気化状態のリンが前記貯留空間に移動可能に形成されるとともに前記貯留空間で気化状態のリンを外方に導くための貯留空間開口が形成される貯留部とを有する分子線源を用いて、リン分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記充填空間に赤リンを含有するリン材料を充填する充填工程と、
前記充填空間と前記精製空間とを連通させた状態で、前記充填部を第１気化温度に加熱して前記充填空間に存在する赤リンを気化して、前記精製空間に液化した白リンを生成する第１気化工程と、
前記精製空間と前記貯留空間とを連通させた状態で、前記精製部を第１気化温度よりも低い第２気化温度に加熱して前記精製空間に存在する白リンを気化して、前記貯留空間に液化した白リンを生成する第２気化工程と、
前記貯留空間に存在する気化状態の材料を、分子線として照射するための照射材料として用いて、貯留空間開口から外方に導いて、リン分子線を照射する照射工程とを含むことを特徴とする分子線源使用方法である。
【００３７】
また本発明は、照射工程では、貯留空間開口を通過した白リンを、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に加熱解離した後で、分子線として照射することを特徴とする分子線源使用方法である。
【００３８】
また本発明は、前記第２気化工程と前記照射工程との間に、前記精製空間と前記貯留空間とを連通する貯留部連通路を閉鎖する貯留部連通路閉鎖工程をさらに含むことを特徴とする。
【００３９】
また本発明は、前記第１気化工程と前記第２気化工程との間に、前記充填空間と前記精製空間とを連通する精製部連通路を閉鎖する精製部連通路閉鎖工程をさらに含むことを特徴とする。
【００４０】
また本発明は、前記第１気化工程と前記第２気化工程との間に、リン酸が蒸発を開始する温度以上に精製部の温度を調整するとともに、前記精製空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程をさらに含むことを特徴とする。
【００４１】
また本発明は、前記第２気化工程の後に、リン酸が蒸発を開始する温度以上に貯留部の温度を調整するとともに、前記貯留空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程をさらに含むことを特徴とする。
【００４２】
また本発明は、充填空間を形成し、リンを含有するリン材料を前記充填空間に充填可能な充填部と、精製空間を形成し、前記充填空間で気化状態のリンが前記精製空間に移動可能に形成される精製部と、前記充填部を加熱する充填部加熱手段と、前記充填部の温度を検出する充填部温度検出手段と、前記精製部を加熱する精製部加熱手段と、前記精製部の温度を検出する精製部温度検出手段と、少なくとも前記精製空間に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段とを備える分子線源を用いて、リン分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記充填空間に赤リンを含有するリン材料を充填する充填工程と、
前記充填空間と前記精製空間を連通させた状態で、前記充填部を第１気化温度に加熱して前記充填空間に存在する赤リンを気化して、前記貯留空間に液化した白リンを生成する気化工程と、
前記気化工程の後で、リン酸が蒸発を開始する温度以上に前記精製部の温度を調整するとともに、前記精製空間に存在する気体を排気するリン酸排気工程と、
前記精製空間に存在する気化状態の材料を、分子線として照射するための照射材料として用いて、貯留空間開口から外方に導いて、リン分子線を照射する照射工程とを含むことを含むことを特徴とする分子線源使用方法である。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に従えば、充填部温度検出手段の検出結果に応じて、充填部加熱手段を制御することで、充填部を予め定める温度に調整することができる。同様にして、精製部および貯留部をそれぞれ予め定める温度に調整することができる。各温度検出手段および各加熱手段が、充填部、精製部および貯留部にそれぞれ設けられるので、充填部、精製部および貯留部をそれぞれ個別に温度調整することができる。
【００４４】
リン材料が充填空間に充填される充填部を、充填部加熱手段によって加熱することで、リン材料に含まれる赤リンなどのリン同素体が気化する。気化したリンは、充填部の充填空間から精製部の精製空間に移動する。精製部の温度を充填部の温度よりも低く保つことで、気化したリンが精製空間で白リンとして液化する。
【００４５】
次に精製部を精製部加熱手段によって加熱することで、精製部の精製空間に生成される白リンが気化して、貯留部の貯留空間に移動する。貯留部の温度を精製部の温度よりも低く保つことで、気化した白リンが貯留空間で液化する。白リンは、赤リンなどの他のリン同素体に比べて、低い温度で蒸発を開始する。したがって、精製部から貯留部に白リンを移動させる場合には、充填部から精製部にリンを移動させる場合に比べて、リンを気化させるためのリン気化温度を低くすることができる。精製部から貯留部に白リンを移動させるにあたって、リン気化温度を低く設定して精製部を加熱することによって、白リンとともに蒸発する不純物の蒸発量を抑えることができる。これによって五酸化リンなどの不純物が精製部から貯留部に移動することが抑えられ、不純物の極めて少ないリン材料を貯留空間に生成することができる。次に、貯留空間に生成したリンを気化して、貯留空間開口から外方に導くことによって、リン分子を分子線として照射することができる。
【００４６】
このように本発明によれば、充填部に充填されるリン材料に含まれるリン同素体を第１温度で気化して、精製部に液状化した白リンを生成する。次に、第１温度よりも低い第２温度で、精製部で液状化した白リンをさらに気化して、貯留部に白リンを液状化する。これによって、最終的に貯留空間に貯留されるリン材料に含まれる不純物を低減することができるので、リン分子を分子線として照射するときに、リン分子とともに照射される不純物を低減することができる。
【００４７】
上述した本発明の分子線源を有する分子線エピタキシャル装置は、生成すべき結晶に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上することができる。たとえば本発明の分子線源を用いれば、エピタキシャル成長によって成長される半導体の不純物レベルで酸素濃度を１０−１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。ここで酸素濃度とは、１ｃｍ３の体積の成長結晶に含まれる酸素原子の個数によって表わされる。
【００４８】
また本発明に従えば、充填部に充填されるリン材料を加熱して、精製部に白リンを生成するにあたって、白リンとともに不純物であるリン酸が、精製部に生成される場合がある。白リンを生成した状態の精製部を、精製部加熱手段によって加熱することによって、精製空間に生成された白リンとリン酸とが徐々に蒸発する。リン酸は、白リンに比べて蒸気圧が高い。したがって精製空間に貯留される液体から気化する気体は、白リンよりもリン酸の割合が大きくなる。この状態で、精製空間気体排気手段によって、精製空間に存在する気体を排気することによって、精製空間に存在する気化状態のリン酸を多く排気することができる。精製空間に存在する気体が排気されて圧力が下がると、精製空間に貯留される液体の一部が気化する。この気化した気体もまた、白リンよりもリン酸の割合が大きくなり、排気手段によって排気される。
【００４９】
このように本発明によれば、精製空間に存在する気体を排気手段によって排気することによって、リン酸を多く排気することができ、精製空間に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加することができる。このようにして、精製空間に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加した後で、精製空間で白リンを気化し、気化した白リンを貯留空間で液化することによって、貯留空間に貯留されるリン酸を低減することができ、分子線として照射される不純物を低減することができる。たとえば本発明の分子線源を用いれば、エピタキシャル成長によって成長される半導体の不純物レベルで酸素濃度を１０−１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【００５０】
また本発明に従えば、貯留部連通路開閉手段によって貯留部連通路を閉鎖した状態で、充填空間に充填される赤リンなどのリン同素体を気化して、貯留空間に移動させて、貯留空間で白リンとして液化する。このとき、開閉手段によって貯留部連通路を閉鎖することで、充填空間で気化した不純物が貯留空間に直接侵入することを阻止することができ、貯留空間の不純物汚染を低減することができる。
【００５１】
また貯留部連通路開閉手段によって貯留部連通路を閉鎖した状態で、貯留空間に貯留される白リンを、貯留空間開口を介して外方に導く。このとき、開閉手段によって貯留部連通路を閉鎖することで、充填空間および精製空間で気化した不純物が貯留空間に侵入することを阻止することができ、ひいては貯留空間開口から外方に不純物が移動することを防ぐことができる。
【００５２】
このように本発明によれば、貯留部連通路開閉手段が設けられることで、貯留空間に不純物が侵入したり、不純物が貯留空間開口から外方に導かれたりすることを防ぐことができる。これによって分子線源から放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。
【００５３】
また本発明に従えば、露出部分加熱手段によって、貯留部開閉手段の露出部分を加熱することができる。露出部分が加熱されることで、露出部分に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に露出部分に白リン等が堆積したとしても、露出部分が加熱されることで堆積した白リン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。
【００５４】
このように本発明によれば、露出部分加熱手段によって露出部分における白リン等の堆積を防ぐことができるので、白リン等の堆積に起因する開閉手段の故障を低減するとともに、気化した白リンの流れを円滑に保つことができる。
【００５５】
また本発明に従えば、精製空間で白リンとともに不純物が気化した場合、白リンと不純物とは、貯留部連通路を通過するうちに、残余の部分に比べて断面積が小さくなる縮径部分に達する。これによって精製空間から貯留空間への白リンおよび不純物の急激な侵入が抑制される。
【００５６】
このように本発明によれば、不純物、たとえば五酸化リンが貯留空間へ侵入することを抑制することができる。これによって貯留空間に不純物が侵入したり、不純物が貯留空間開口から外方に導かれたりすることを防ぐことができる。これによって分子線源から放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。また開閉手段のような駆動部分を必要とすることなく、簡単な構成で、貯留空間への不純物の侵入を防ぐことができるので、開閉手段特有の問題、たとえばバルブ詰まりなどの故障がなくなり、メンテナンス性を向上することができる。
【００５７】
また本発明に従えば、貯留部連通路加熱手段によって、貯留部連通路を加熱することができる。貯留部連通路が加熱されることで、貯留部連通路、特に縮径部分に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に貯留部連通路に白リン等が堆積したとしても、貯留部連通路が加熱されることで堆積したリン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。このように本発明によれば、貯留部連通路加熱手段によって貯留部連通路における白リン等の堆積を防ぐことができるので、気化した白リンの流れを円滑に保つことができる。
【００５８】
また本発明に従えば、充填部、精製部および貯留部は、充填空間、精製空間および貯留空間とは分離してリン遮蔽空間がそれぞれ形成される。各リン遮蔽空間には、対応する温度検出手段と加熱手段とが配置される。すなわち充填部には充填部リン遮蔽空間が形成され、充填部リン遮蔽空間には、充填部加熱手段と充填部温度検出手段とが配置される。また精製部には精製部リン遮蔽空間が形成され、精製部リン遮蔽空間には、精製部加熱手段と精製部温度検出手段とが配置される。また貯留部には貯留部リン遮蔽空間が形成され、貯留部リン遮蔽空間には、貯留部加熱手段と貯留部温度検出手段とが配置される。
【００５９】
本発明によれば、加熱手段および温度検出手段などの制御機器はリン遮蔽空間に配置されるので、それらの制御機器に気化または液化したリンが付着することが防がれる。これによってリンの付着による制御機器の故障を防ぐことができ、温度調整すべき対象物の温度を精度よく制御することができる。またリンが付着することに起因する制御機器の故障、不具合を解消することができる。
【００６０】
また本発明に従えば、リン遮蔽空間に存在する気体をリン遮蔽空間気体排気手段によって排気することによって、リン遮蔽空間に存在する気体、たとえば酸素を低減することができる。これによってリン遮蔽空間に存在する気体による制御機器の劣化を抑制することができ、制御機器の信頼性を向上することができる。
【００６１】
また本発明に従えば、充填部温度検出手段、精製部温度検出手段および貯留部温度検出手段は、それぞれ複数の温度計をそれぞれ有する。これによって少なくとも１つの温度計が正常であることで、残余の温度計が故障したとしても、対応する対象物の温度を検出することができ、各対象物の温度調整を行うことができる。ここで対象物は、充填部、精製部および貯留部を意味する。
【００６２】
このように本発明によれば、温度計が故障したとしても、故障していない温度計を用いて対象物の温度を測定できるので、メンテナンスを行うことなく、継続して分子線源を動作させることができる。またたとえば、複数の温度計によって、対象物の異なる位置の温度を測定することによって、対象物の温度分布を求めることができ、対象物の温度調整をさらに精度よく行うことができる。
【００６３】
また本発明に従えば、充填部に充填されるリン材料を加熱して、精製部に白リンを生成するにあたって、白リンとともに不純物であるリン酸が、精製部に生成される場合がある。白リンを生成した状態の精製部を、精製部加熱手段によって加熱することによって、精製空間に生成された白リンとリン酸とが徐々に蒸発する。リン酸は、白リンに比べて蒸気圧が高い。したがって精製空間に貯留される液体から気化する気体は、白リンよりもリン酸の割合が大きくなる。この状態で、精製空間気体排気手段によって、精製空間に存在する気体を排気することによって、精製空間に存在する気化状態のリン酸を多く排気することができる。精製空間に存在する気体が排気されて圧力が下がると、精製空間に貯留される液体の一部が気化する。この気化した気体もまた、白リンよりもリン酸の割合が大きくなり、排気手段によって排気される。また充填空間気体排気手段は、前記精製空間に存在する気体を前記充填空間に移動させて、前記充填空間に存在する気体を排気する。これによって精製空間と同様にして、充填空間に充填する気化状態のリン酸を排気することができる。
【００６４】
このように本発明によれば、精製空間に存在する気体を排気手段によって排気することによって、リン酸を多く排気することができ、精製空間に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加することができる。このようにして、精製空間に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加した後で、精製空間で白リンを気化し、気化した白リンを貯留空間で液化することによって、貯留空間に貯留されるリン酸を低減することができ、分子線として照射される不純物を低減することができる。また本発明では、充填空間でリンを気化して、精製空間に白リンを生成する場合においても、リン酸を排気することで、最終的に貯留空間に貯留されるリン酸をさらに低減することができる。
【００６５】
また本発明に従えば、排気連通路開閉手段によって排気連通路を閉鎖した状態で、充填空間に充填される赤リンなどのリン同素体を気化して、貯留空間に移動させて、貯留空間で白リンとして液化する。このとき、開閉手段によって排気連通路を閉鎖することで、充填空間で気化した白リンが排気手段によって排気されることを防いで、リン材料から生成される白リンを有効に利用することができる。
【００６６】
また本発明に従えば、精製部連通路開閉手段によって精製部連通路を閉鎖した状態で、精製空間に貯留される白リンを貯留空間に移動させる。このとき、開閉手段によって精製部連通路を閉鎖することで、精製空間で気化した白リンが充填空間に戻ることを防ぐことができる。これによって白リンが充填空間と精製空間とを往復することが防がれ、効率的に白リンを貯留空間に移動させることができる。
【００６７】
また本発明に従えば、露出部分加熱手段によって、開閉手段の露出部分を加熱することができる。露出部分が加熱されることで、露出部分に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に露出部分に白リン等が堆積したとしても、露出部分が加熱されることで堆積した白リン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。
【００６８】
このように本発明によれば、露出部分加熱手段によって露出部分における白リン等の堆積を防ぐことができるので、白リン等の堆積に起因する開閉手段の故障を低減するとともに、気化した白リンの流れを円滑に保つことができる。
【００６９】
また本発明に従えば、貯留空間開口から外方へ導かれた気化状態の白リンは、解離部の解離空間に移動する。解離部が解離部加熱手段によって加熱されることで、解離空間に存在する白リンは、４つのリン原子を有する分子状態（Ｐ４）から、２つのリン原子を有する分子状態（Ｐ２）に解離される。Ｐ２分子状態となったリン分子を分子線として放射することによって、リン分子線を結晶成長に寄与させることができる。
【００７０】
本発明によれば、貯留空間開口から外方に導かれる気体は、ほとんどが白リンであって、リン酸および五酸化リンなどの不純物が極めて少ない。したがって解離空間に存在する不純物が存在しないまたは極めて少量しか存在しないので、白リンを解離するために高温、たとえば９００℃〜１２００℃に解離部を加熱したとしても、解離空間に酸素が発生することを防ぐことができる。これによって本発明の分子線源を有するＭＢＥ装置は、酸素で汚染されることが防がれ、基板上に所望の結晶薄膜を生成および成長させることができる。
【００７１】
また本発明に従えば、解離部連通路開閉手段によって解離部連通路を閉鎖した状態で、精製空間に貯留される白リンを貯留空間に移動させる。このとき、開閉手段によって解離部連通路を閉鎖することで、精製空間で気化した白リンが解離空間に直接移動することが防がれる。これによって精製空間で気化した白リンが漏れることを防いで、貯留空間に貯留することができる。
【００７２】
また本発明に従えば、露出部分加熱手段によって、開閉手段の露出部分を加熱することができる。露出部分が加熱されることで、露出部分に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に露出部分に白リン等が堆積したとしても、露出部分が加熱されることで堆積した白リン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。
【００７３】
このように本発明によれば、露出部分加熱手段によって露出部分における白リン等の堆積を防ぐことができるので、白リン等の堆積に起因する開閉手段の故障を低減するとともに、気化した白リンの流れを円滑に保つことができる。
【００７４】
また本発明に従えば、精製空間および貯留空間の２つの空間のうち少なくとも１つの空間に排気手段を接続することによって、２つの空間のうちの少なくとも１つの空間に存在するリン酸などの不純物を排気することができる。
【００７５】
たとえば精製空間と貯留空間をそれぞれ排気する排気手段が設けられる場合、精製空間と貯留空間とで白リンを移動させる工程を繰り返す場合に、移動元の筐体内に存在する不純物を排気することで、分子線源に存在する不純物を低減することができる。具体的には、精製空間から貯留空間へ白リンを移動させた状態で、精製空間に存在する気体を排気することで、精製空間に残留する不純物を除去することができる。また貯留空間から精製空間へ白リンを移動させた状態で、貯留空間に存在する気体を排気することで、貯留空間に残留する不純物を除去することができる。この状態で精製空間から貯留空間へ白リンを移動させることで、貯留空間に存在する不純物を極めて少なくすることができる。
【００７６】
また本発明に従えば、前記２つの空間のうちの少なくとも１つの空間と排気手段との排気連通路を開閉する開閉手段を備える。この開閉手段によって排気連通路を閉鎖した状態で、精製空間から貯留空間に白リンを移動させる気化工程を効率良く行うことができる。
【００７７】
また本発明に従えば、排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱することによってリンの付着に起因する詰まりなどの開閉手段の開閉不良を抑制することができる。
【００７８】
また本発明に従えば、精製空間と貯留空間との間に設けられる開閉手段を用いて、精製空間と貯留空間との間で気体を移動させるときに貯留連通路を開き、それ以外のときに貯留連通路を閉鎖することで、排気手段によって精製空間または貯留空間のいずれか一方をアウトガスするときに、精製空間または貯留空間のいずれか他方の影響を防ぐことができる。
【００７９】
また本発明に従えば、前記充填空間に存在する気体を排出する排気手段を備えることによって充填空間で赤リン材料自体を分子線源の外方に排出するアウトガスを行うときにアウトガス時に発生する不純物を成長室や他の精製部、貯留部に排出せずにアウトガスを行うことができる。これによってアウトガス時に、充填空間、成長室、精製空間、貯留空間に残留する不純物を減らして、リンの汚染を防ぐことができ。これによって充填空間などを清潔にすることができ、次に分子線源が使用されたときに分子線源に貯留される白リンの純度を向上させることができる。
【００８０】
また本発明に従えば、排気手段と充填部間に開閉手段を設けることによって、充填空間から精製空間へ白リンなどを移動させる気化工程を効率良く行うことができる。
【００８１】
また本発明に従えば、排気連通路開閉手段のうちで、排気連通路の内部空間に露出する露出部分を加熱することによってリンの付着に起因するの詰まりなどの開閉手段の開閉不良を抑制することができる。
【００８２】
また本発明に従えば、充填部、精製部および貯留部がそれぞれ対応する冷却手段によって冷却されることで、他の熱的な干渉を防ぐことができる。たとえば充填部が充填部加熱手段によって加熱されたとしても、冷却手段によって精製部および貯留部の温度が不所望に上昇することを防ぐことができる。したがって充填部、精製部および貯留部の温度制御を精度よく行うことができる。これによって上述したように、充填部、精製部および貯留部をそれぞれ個別に精度よく温度調整することができ、貯留部に到達する不純物を極めて少なくすることができる。
【００８３】
また本発明に従えば、冷却手段が充填部、精製部および貯留部の外方にそれぞれ配置されることで、冷却手段の管理を容易に行うことができる。たとえば冷却手段が水冷機構によって充填部、精製部および貯留部を冷却する場合、冷却管が何らかの影響で破損して冷却水がもれた場合であっても、充填部、精製部および貯留部を大気開放することなく、メンテナンスを可能とすることができる。
【００８４】
また本発明に従えば、リン材料を充填空間に充填したあと、充填部を第１気化温度に加熱して、リン材料に含まれる赤リンを気化して、精製部に液化した白リンを生成する。次に、精製部を加熱して、第２気化温度に白リンを気化して、貯留部に液化した白リンを生成する。次に、貯留部に貯留された材料を照射材料として、リン分子線を照射する。
【００８５】
第１気化工程で赤リンを気化させるために充填部を加熱すると、赤リンとともに不純物が気化してしまう場合がある。この場合、精製空間で液化した材料に不純物が混入するおそれがある。白リンは、赤リンに比べて、低い温度で蒸発を開始する。本発明では、第２気化工程で、精製空間の白リンを気化して、貯留空間に液化した白リンを貯留させる。第２気化工程で白リンを気化する第２気化温度は、第１気化工程で赤リンを気化する温度に比べて低い。これによって仮に精製空間で液化した材料に不純物が混入していたとしても、第２気化工程で、不純物が気化することが防がれ、貯留空間に不純物が液化することを防ぐことができる。これによって五酸化リンなどの不純物が精製部から貯留部に移動することが防がれ、不純物の極めて少ないリン材料を貯留空間に生成することができる。
【００８６】
このように本発明によれば、最終的に貯留空間に貯留されるリン材料に含まれる不純物を低減することができるので、リン分子を分子線として照射するときに、リン分子とともに照射される不純物を低減することができる。上述した本発明の分子線源使用方法を行うことによって、分子線エピタキシャル装置は、生成すべき結晶に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上することができる。
【００８７】
また本発明に従えば、白リンの分子構造は、４つのリン原子を有する分子（以下、Ｐ４と称する）である。したがって照射工程では、Ｐ４を、２つのリン原子を有する分子（以下、Ｐ２と称する）に加熱解離した後で、分子線として照射する。Ｐ２は、Ｐ４に比べて結晶成長に寄与しやすい。本発明によれば、上述したように貯留空間に貯留される材料は、不純物濃度が極めて少ないので、Ｐ４をＰ２に解離する工程において、酸素分子などが発生することが抑えられ、酸素分子などのリン分子以外の分子が照射されることを防ぐことができる。これによって結晶を良好にエピタキシャル成長させることができ、良質な結晶を得ることができる。
【００８８】
このように本発明によれば、充填空間から精製空間に移動する五酸化リンを少なくすることができるので、最終的に貯留空間に貯留される材料に不純物である五酸化リンが含まれる量を少なくすることができる。これによって照射する分子線に酸素分子が含まれる量をさらに少なくすることができ、結晶を良好にエピタキシャル成長させることができる。
【００８９】
また本発明に従えば、第２気化工程で貯留空間に白リンを貯留し、次に貯留部連通路閉鎖工程で貯留部連通路を閉鎖する。次に照射工程で貯留空間に貯留した白リンを、貯留空間開口から外方に導く。このように照射工程の前に、貯留部連通路を閉鎖することで、充填空間および精製空間で気化した不純物が貯留空間に侵入することを阻止することができ、ひいては貯留空間開口から外方に不純物が移動することを防ぐことができる。
【００９０】
このように本発明によれば、貯留部連通路開閉工程を含むことで、不純物が貯留空間開口から外方に導かれたりすることを防ぐことができる。これによって分子線源から放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。
【００９１】
また本発明に従えば、第１気化工程で精製空間に白リンを生成し、次に精製部連通路閉鎖工程で精製部連通路を閉鎖する。次に第２気化工程で、精製空間に生成した白リンを気化して、貯留空間で白リンを液化する。このように第２気化工程の前に、精製部連通路を閉鎖することで、充填空間で気化した不純物が精製空間を介して貯留空間に侵入することを阻止することができ、ひいては貯留空間開口から外方に不純物が移動することを防ぐことができる。
【００９２】
このように本発明によれば、精製部連通路開閉工程を含むことで、不純物が貯留空間に侵入することを防ぐことができる。これによって分子線源から放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。
【００９３】
また本発明に従えば、第１気化工程を終えると、白リンよりも蒸気圧が高いリン酸が精製空間に生成される場合がある。本発明では、第２気化工程を行う前にリン酸排気工程を行うことによって、精製空間に生成されるリン酸を蒸発させて、蒸発したリン酸を排気することができる。これによって精製空間に生成される材料においてリン酸が占める割合を減らすことができる。リン酸を減らした状態で、第２気化工程を行うことによって、リン酸が貯留空間に移動することを防ぐことができ、貯留空間に貯留される材料のリン酸濃度を低減することができる。このように本発明によれば、貯留空間に貯留される材料のリン酸濃度を低減することができ、分子線源から放射される分子線に含まれる不純物をさらに減らすことができる。また、このリン酸排気工程を第２気化工程の後で貯留空間に生成されるリン酸を蒸発させて、蒸発したリン酸を排気することによって行うことで貯留空間に生成される材料においてリン酸が占める割合を減らすことができる。
【００９４】
また本発明に従えば、リン材料を充填空間に充填したあと、充填部を加熱して、リン材料に含まれる赤リンを気化して、精製部に液化した白リンを生成する。次にリン酸排気工程で、リン酸が蒸発を開始する温度以上に精製部を加熱して、精製空間に生成されるリン酸を蒸発させて、蒸発したリン酸を排気することができる。これによって精製空間に生成される材料においてリン酸が占める割合を減らすことができる。このように本発明によれば、貯留空間に貯留される材料のリン酸濃度を低減することができ、分子線源から放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。このような本発明の分子線源使用方法を行うことによって、分子線エピタキシャル装置は、生成すべき結晶に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９５】
図１は、本発明の第１実施形態である分子線源２０を簡略化して示す断面図である。分子線源２０は、分子がビーム状に進む分子線を発生させる装置であって、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxial ：略称ＭＢＥ）法を行う分子線エピタキシャル装置（以下、ＭＢＥ装置１８と略する）に用いられる。本発明の分子線源２０は、リン分子を分子線として照射する。たとえばＭＢＥ装置において、基板上に供給されるＶ族分子であるリン分子線に対して、適当な条件でＩＩＩ族分子を基板に供給することによって、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を結晶成長させることができる。
【００９６】
ＩＩＩ族分子は、ガリウムＧａ、インジウムＩｎ、アルミニウムＡｌなどである。またＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜として、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）などがある。たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜は、半導体レーザ素子および電子デバイス素子の一部を構成する。
【００９７】
図１に示すように、本発明の第１実施形態の分子線源２０は、エピタキシャル装置の一部を構成し、エピタキシャル装置のチャンバー部１９に隣接して配置される。分子線源２０は、充填部２１と、精製部２２と、貯留部２３とを備える。充填部２１、精製部２２および貯留部２３は、筐体形状に形成され、外方空間に対して密閉可能な内部空間がそれぞれ形成される。また本明細書において、充填部２１、精製部２２、貯留部２３を総称して筐体部として記載する場合がある。充填部２１は、内部空間として充填空間１１が形成される。また精製部２２は、内部空間として精製空間１２が形成される。また貯留部２３は、内部空間として貯留空間１３が形成される。
【００９８】
充填部２１は、リンを含有するリン材料を充填空間１１に充填可能な開閉扉が形成される。充填部２１と精製部２２とは、精製部連通路２４を介して連結される。精製部連通路２４は、内部に連通空間が形成され、連通空間は、充填空間１１と精製空間１２とを連通する。これによって充填空間１１で気化状態の材料は、精製部連通路２４を介して精製空間１２に移動可能となる。
【００９９】
精製部２２と貯留部２３とは、貯留部連通路２５を介して連結される。貯留部連通路２５は、内部に連通空間が形成され、連通空間は、精製空間１２と貯留空間１３とを連通する。これによって精製空間１２で気化状態の材料は、貯留部連通路２５を介して貯留空間１３に移動可能となる。
【０１００】
貯留部２３とチャンバー部１９とは、チャンバー部連通路２６を介して連結される。チャンバー部連通路２６は、内部に連通空間が形成され、連通空間は、貯留空間１３とチャンバー部１９によって形成される成長空間とを連通する。これによって貯留空間１３で気化状態の材料は、チャンバー部連通路２６を介してチャンバー部１９の成長空間に移動可能となる。
【０１０１】
充填部２１に充填されたリン材料に含まれるリンは、充填部２１、精製部連通路２４、精製部２２、貯留部連通路２５、貯留部１３およびチャンバー部連通路２６のそれぞれの内部空間を順に移動することによって、分子線源２０の外方の外気に触れることなく、チャンバー部１９の成長空間に移動する。
【０１０２】
また分子線源２０は、充填部ヒータ２７と、精製部ヒータ２８と、貯留部ヒータ２９とを備える。充填部ヒータ２７は、充填部２１を加熱する充填部加熱手段となる。精製部ヒータ２８は、精製部２２を加熱する精製部加熱手段となる。貯留部ヒータ２９は、貯留部２３を加熱する貯留部加熱手段となる。このようにヒータ２７〜２９が各筐体部２１〜２３に個別に設けられることで、筐体部２１〜２３毎に個別に加熱可能となる。
【０１０３】
また分子線源２０は、充填部熱電対３０と、精製部熱電対３１と、貯留部熱電対３２とを備える。充填部熱電対２８は、充填部２１の温度を検出する充填部温度検出手段となる。精製部熱電対３１は、精製部２２の温度を検出する精製部温度検出手段となる。貯留部熱電対３２は、貯留部２３の温度を検出する貯留部温度検出手段となる。このように熱電対３０〜３２が各筐体部２１〜２３に個別に設けられることで、それぞれの熱電対３０〜３２の検出結果に基づいて、各ヒータ２７〜２９を制御することで、筐体部２１〜２３毎に個別に温度制御可能となる。
【０１０４】
本実施の形態では、分子線源２０は、充填部温度制御装置３３と、精製部温度制御装置３４と、貯留部温度制御装置３５とを備える。充填部温度制御装置３３は、充填部熱電対３０から充填部２１の温度情報が与えられ、与えられた温度情報に基づいて、充填部ヒータ２７を制御する。このようにして充填部温度制御装置３３は、充填部２１の温度を調整する。同様にして精製部温度制御装置３４は、精製部熱電対３１から与えられる温度情報に基づいて、精製部ヒータ２８を制御し、精製部２２の温度を調整する。また貯留部温度制御装置３５は、貯留部熱電対３２から与えられる温度情報に基づいて、貯留部ヒータ２９を制御し、貯留部２３の温度を調整する。各制御装置３３〜３５は、コンピュータによって実現される。
【０１０５】
図２は、分子線エピタキシャル装置１８を簡略化して示す断面図である。ＭＢＥ装置（分子線エピタキシャル装置）１８は、チャンバー部１９の成長空間４２に収容される基板４０上に結晶薄膜４１を形成する。
【０１０６】
ＭＢＥ装置１８は、成長空間４２を形成するチャンバー部１９と、成長空間４２に存在する気体を排気する成長用真空ポンプ４３と、基板４０を着脱可能に保持するマニピュレータ４４と、分子線源２０，４５と、シュラウド４６と、計測手段４７と、ＭＢＥ制御手段４８とを含んで実現される。たとえばＶ族分子としてリン分子を用いてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を形成する場合、ＭＢＥ装置１８は、リン分子を分子線として基板４０に照射するリン分子線源２０と、ＩＩＩ族分子を分子線として基板４０に照射するＩＩＩ族分子線源４５とを含む。
【０１０７】
真空ポンプ４２は、超真空状態に到達可能であって、成長空間４２に存在する気体の圧力を１０−８Ｐａ程度の到達残留圧力を実現する。マニピュレータ４４は、成長空間４２に設けられ、成長空間４２で結晶薄膜を形成すべき基板４２を保持する。またマニピュレータ４４は、保持した基板４０を所定の温度に加熱するとともに、保持した基板４０に対して偏りなく分子線が照射されるように、基板厚み方向に延びる回転軸線まわりに回転可能に構成される。
【０１０８】
シュラウド４６は、成長空間４２に配置され、液体窒素が充填される金属容器である。シュラウド４６は、分子線源２０，４５の分子線放射口を囲み、分子線源２０，４５の近傍に配置される。シュラウド４６に液体窒素を充填することで、シュラウド４６の表面を液体窒素の沸点近くまで冷却することができる。液体窒素の沸点よりも高い沸点を有する気体がシュラウド表面に接触してシュラウド４６の表面上で凝結することで、成長空間４２の真空度の低下を抑えることができる。
【０１０９】
計測手段４７は、成長空間４２に設けられ、基板に結晶される薄膜の成長状態、成長空間４２の真空度、成長空間４２に存在するガスの成分などを計測する。ＭＢＥ制御手段４８は、コンピュータによって実現され、前記計測手段４７から与えられる計測結果と、予め定められる動作プログラムに基づいて、マニピュレータ４４および分子線源２０の分子線照射タイミングを制御する。
【０１１０】
分子線エピタキシャル成長方法を用いて、結晶薄膜を形成する場合には、成長用真空ポンプ４３によって成長空間４２の雰囲気を超真空状態とするとともにシュラウド４６の内部空間に液体窒素を充填する。この状態で、ＭＢＥ制御手段４８を用いて、各分子線源２０，４５から各分子線をそれぞれ最適なタイミングで、基板４０に照射する。この分子が基板４０の表面に付着して堆積成長することで、基板表面上に結晶薄膜を形成することができる。
【０１１１】
本実施の形態では、充填空間１１に充填されるリン材料は、赤リンを主成分とする赤リン材料である。赤リンとは、任意のｎ個のリン原子Ｐからなるリン分子（Ｐｎ）であって、紫リン（α金属リン）と白リンとの固溶体を意味する。また白リンとは、４つのリン原子Ｐからなるリン分子（Ｐ４）を意味する。またリン材料は、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）やリン酸（Ｈ３ＰＯ４）などのリン酸化物を含む場合がある。リン酸は、五酸化リンなどのリン酸化物が水和してできる酸の総称である。
【０１１２】
図３は、白リンとリン酸と五酸化リンとについて、飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。丸印のプロット点は、リン酸における飽和蒸気圧と温度との関係を示す。また米印のプロット点は、白リンにおける飽和蒸気圧と温度との関係を示す。また三角印のプロット点は、五酸化リンにおける飽和蒸気圧と温度との関係を示す。
【０１１３】
同一温度では、白リンの飽和蒸気圧は、リン酸の飽和蒸気圧よりも低い。たとえば０℃〜１００℃では、白リンの飽和蒸気圧は、リン酸の飽和蒸気圧の約１／１０となる。また同一温度では、五酸化リンの飽和蒸気圧は、白リンの飽和蒸気圧に比べて極めて低い。たとえば約１００℃における白リンの飽和蒸気圧は約１ｍｍＨｇ（１３３Ｐａ）であり、五酸化リンの飽和蒸気圧は約４×１０−７ｍｍＨｇ（５．３２×１０−５Ｐａ）である。このように１００℃における白リンと五酸化リンとの蒸気圧差は、約１０−７ｍｍＨｇとなる。したがってリン酸は、白リンに比べて蒸発しやすく、五酸化リンは、白リンに比べて蒸発しにくい。
【０１１４】
図４は、照射材料となる白リンを抽出する白リン抽出過程を説明するためのフローチャートである。チャンバー部１９とリン分子線源２０との接続が完了すると、ステップａ１に進み、赤リン材料から、照射すべき分子線の照射材料となる白リンを抽出する抽出過程を開始する。
【０１１５】
ステップａ１では、充填空間１１を開放して、赤リン材料を充填部２１に充填し、充填後に充填空間１１を閉鎖する。このようにして赤リン材料を充填する充填工程を終えると、ステップａ２に進む。ステップａ２では、充填空間１１に存在する気体を排気して、充填空間１１を高真空状態に減圧する。本実施の形態では、充填空間１１と、チャンバー部１９の成長空間４２とを連通した状態で、成長用真空ポンプ４３を用いて、チャンバー部１９の成長空間４２に存在する気体を排気する。これによって充填空間１１に存在する気体は、精製部連通路２４、精製部２２、貯留部連通路２５、貯留部２３、チャンバー部連通路２６、チャンバー部１９を移動して、成長用真空ポンプ４３から外方に排気され、各筐体部２１〜２３の内部空間１１〜１３は、高真空状態となる。このように充填空間１１を減圧する減圧工程を終えると、ステップａ３に進む。
【０１１６】
ステップａ３では、充填空間１１と精製空間１２とを連通させた状態で、充填部２１を第１気化温度ｔ１ｇに加熱して充填空間１１に存在する赤リンなどのリン同素体を昇華して、第１気化温度ｔ１ｇよりも低い第１液化温度ｔ１ｌに保った精製空間１２に白リンを凝縮させる。このようにして充填空間１１に存在する赤リン等のリン同素体を気化する第１気化工程を終えると、ステップａ４に進む。
【０１１７】
ステップａ４では、リン酸が蒸発を開始する温度以上に精製部２２を加熱するとともに、精製空間１２に存在する気体を排気する。精製空間１２に存在するリン酸が蒸発し、蒸発したリン酸が排気されることで、精製空間１２に存在する材料のうちで、リン酸の占める割合を減らすことができる。このようにして精製空間１２のリン酸を排気するリン酸排気工程を終えると、ステップａ５に進む。
【０１１８】
ステップａ５では、精製空間１２と貯留空間１３とを連通させた状態で、精製部２２を第１気化温度ｔ１ｇよりも低い第２気化温度ｔ２ｇに加熱して、精製空間１２に存在する白リンを気化して、第２気化温度ｔ２ｇよりも低い第２液化温度ｔ２ｌに保った貯留空間１３に白リンを凝縮させる。このようにして精製空間１２に存在する白リンを気化する第２気化工程を終えると、ステップａ６に進む。
【０１１９】
ステップａ６では、ステップａ５において貯留空間１３に存在する白リンを液化状態の状態で貯留し、ステップａ７に進む。ステップａ７では、白リン抽出過程を終了する。ステップａ６で貯留空間１３に貯留された液化状態の白リンは、分子線として照射される照射材料となる。
【０１２０】
分子線源２０は、貯留空間１３に液状化した白リンを貯留した状態で待機する。分子線源２０は、リン分子線を照射すべきタイミングであることをエピタキシャル装置のＭＢＥ制御手段４８から与えられると、分子線照射過程を開始する。分子線照射過程では、貯留空間１３に形成される開口を開放して、基板４０に向けてリン分子線を照射する。
【０１２１】
貯留空間１３に貯留される白リンが消耗した場合、メンテナンスが行われた後など、再び貯留空間１３に白リンを貯留する必要が生じると、赤リンが全て消費されているときはステップａ１に戻り、またそうでないときはステップａ３に戻り、再び白リン抽出過程を開始する。上述したステップａ１〜ａ６の白リン抽出過程は、エピタキシャル装置を管理する作業者が行ってもよく、またＭＢＥ制御手段４などのコンピュータが、予め定められる動作プログラムに従って実行してもよい。
【０１２２】
図５は、各筐体部２１〜２３における温度と圧力との変化状態を模式的に示すタイミングチャートである。図５（１）は、充填部２１の温度を示し、図５（２）は、精製部２２の温度を示し、図５（３）は、貯留部２３の温度を示し、図５（４）は、各筐体部２１〜２３の内部空間の圧力を示す。
【０１２３】
ステップａ１の充填工程では、各筐体部２１〜２３は、温度制御がされていない状態であり、常温となる。各筐体部２１〜２３の内部空間１１〜１３は、圧力制御がされていない状態であり、大気圧となる。このような状態で、充填部２１の充填空間１１に赤リン材料が充填される。
【０１２４】
ステップａ２の減圧工程では、各筐体部２１〜２３の内部空間１１〜１３に存在する気体を排気し、各内部空間１１〜１３をそれぞれ高真空状態とする。本実施の形態では、約１×１０−4Ｐａ以下とする。予め定める減圧終了条件が満足すると、成長用真空ポンプ４３の動作を停止し、減圧工程を終了する。たとえば減圧開始から予め定める期間が経過すると、減圧終了条件を満足する。
【０１２５】
ステップａ３の第１気化工程では、赤リン材料が充填空間１１に充填される充填部２１を、充填部ヒータ２７によって加熱することで、赤リン材料に含まれる赤リンなどのリン同素体が気化する。気化したリンは、充填部２１の充填空間１１から、精製部連通路２４を介して、精製部２２の精製空間１２に移動する。精製部２２の温度を充填部２１の温度よりも低く保つことで、気化したリンが精製空間１２で白リンとして液化する。
【０１２６】
第１気化工程では、第１気化温度ｔ１ｇに充填部２１を温度調整し、第１液化温度ｔ１ｌに精製部２２を温度調整する。第１気化温度ｔ１ｇは、赤リンが蒸発を開始する赤リン蒸発開始温度以上である。この場合、第１気化温度Ｔ１ｇは、２６０℃以上であってかつ４００℃以下に設定される。第１気化温度Ｔ１ｇが４００℃を超えると、五酸化リンは４００℃で約１ｍｍＨｇ（１３３Ｐａ）の蒸気圧を持つので、五酸化リンなどの不純物の蒸発が多くなることと、リンが大量に昇華して気化するため装置内の圧力が上がって装置の排気系などにダメージを与えてしまう。これに対して第１気化温度Ｔ１ｇを４００℃以下とすることで、五酸化リンなど白リンよりも蒸発し難い不純物の蒸発を抑えるとともに、装置内の圧力増加による装置排気系のダメージを防ぐことができる。
【０１２７】
また第１液化温度ｔ１ｌは、貯蔵可能な白リンの飽和蒸気圧に達成可能な温度に設定される。効果的に白リンを貯蔵するためには、蒸気圧が０．５ｍｍＨｇ（６６.５Ｐａ）以下であることが望ましい。したがって白リンの飽和蒸気圧が約０．５ｍｍＨｇ（６６.５Ｐａ）となる温度、すなわち６０℃以下となることで、精製空間１２で白リンをより確実に凝集することができる。本実施の形態では、第１液化温度ｔ１ｌは、５０℃以下に設定される。
【０１２８】
図５に示すように、本実施形態では、第１気化工程においては、充填部制御装置３３が、３００℃以上４００℃以下である第１気化温度ｔ１ｇとなるように、充填部ヒータ２７を制御して、充填部２１を温度調整する。また精製部制御装置３４が、５０℃以下である第１液化温度ｔ１ｌとなるように、精製部ヒータ２８を制御して、精製部２２の温度を調整する。そして予め定める第１気化工程終了条件が満足すると、第１気化工程を終了する。たとえば本実施の形態では、第１気化工程を介してから約１日〜２日の期間が経過すると、第１気化工程を終了する。
【０１２９】
ステップａ４のリン酸排気工程では、成長用真空ポンプ４３によって精製空間１２に存在する気体を排気するとともに、精製部２２を予め定める排気温度ｔｅに設定する。
【０１３０】
第１気化工程で、充填部２１に充填される赤リン材料を蒸発させて、精製空間１２に白リンを凝縮する場合、白リンとともに不純物であるリン酸が、精製空間１２に生成される場合がある。リン酸排気工程で、白リンを生成した状態の精製部２２を加熱することによって、精製空間１２に生成された白リンとリン酸とが徐々に蒸発する。リン酸は、白リンに比べて蒸気圧が高いので、精製空間１２に貯留される液体から気化する気体は、白リンよりもリン酸の割合が大きくなる。
【０１３１】
この状態で、成長用真空ポンプ４３で、精製空間１２に存在する気体を排気することによって、精製空間１２に存在する気化状態のリン酸を多く排気することができる。精製空間１２に存在する気体が排気されて圧力が下がると、精製空間１２に貯留される液体の一部が気化する。この気化した気体もまた、白リンよりもリン酸の割合が大きくなり、成長用真空ポンプ４３によって排気される。
【０１３２】
このようにして、精製空間１２で気化する気体を成長用真空ポンプ４３によって順次排気することによって、リン酸を多く排気することができ、精製空間１２に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加することができる。
【０１３３】
リン酸排気工程における精製部２２の温度である排気温度ｔｅは、精製空間１２に存在する白リンが液化する温度以上であって白リンが液化する温度は約４４℃である。したがって排気温度ｔｅは、４４℃以上に設定される。また排気温度ｔｅは、精製空間１２に存在する白リンができるだけ蒸発しない温度、たとえば分子線照射時において貯留部２３に設定される成長温度以下に設定される。本実施の形態では排気温度ｔｅは、４４℃以上６０℃以下に設定される。
【０１３４】
図３に示すように０℃〜１００℃の範囲では、リン酸の飽和蒸気圧は、白リンの飽和蒸気圧に比べて、１０倍程度となるので、白リンの蒸発量に比べて１０倍のリン酸が蒸発する。リン酸排気工程では、成長用真空ポンプ４３を駆動することで、各内部空間１１〜１３に存在する気体が排気される。これによって精製空間１２に存在するリン酸を効率よく排気することができる。また精製空間１２に存在するであろうリン酸量が推定できる場合、推定した量のリン酸が蒸発するように、精製部２２を加熱する期間、排気量、排気温度などを設定することで、白リンの不所望な排気を防いでリン酸を十分に排気することができる。
【０１３５】
図５に示すように、本実施の形態では、充填空間１２の真空度が１×１０−６Ｐａ以下となるように成長用真空ポンプ４３を動作させて、１時間以上の期間、リン酸排気工程を行う。また本実施の形態では、リン酸排気工程において、充填部２１および貯留部２３を、排気温度ｔｅよりも１０℃〜２０℃高い状態に設定する。これによってリン酸排気時に、精製部２２から蒸発したリン酸および白リンが、充填部２１および貯留部２３に付着することが防がれる。リン酸排気工程の終了後には、成長用真空ポンプ４３の動作を停止する。
【０１３６】
ステップａ５の第２気化工程では、精製部２２を精製部ヒータ２８によって加熱することで、精製部２２の精製空間１２に生成される白リンが気化して、貯留部連通路２５を介して、貯留部２３の貯留空間１３に移動する。貯留部２３の温度を精製部２２の温度よりも低く保つことで、気化した白リンが貯留空間１３で凝縮する。白リンは、赤リンなどの他のリン同素体に比べて、低い温度で蒸発を開始する。したがって、精製部２２から貯留部２３に白リンを移動させる場合には、第１気化工程において赤リンを気化するために充填部２１を加熱する温度に比べて、第２気化工程において白リンを気化するために精製部２２を加熱する温度を低くすることができる。
【０１３７】
精製部２２から貯留部２３に白リンを移動させるにあたって、リン気化温度を低く設定して精製部２２を加熱することによって、白リンとともに蒸発する不純物の蒸発量を抑えることができる。これによって五酸化リンなどの不純物が精製部２２から貯留部２３に移動することが抑えられ、不純物の極めて少ないリン材料を貯留空間１３に生成することができる。
【０１３８】
第２気化工程では、第２気化温度ｔ２ｇに精製部２２を温度調整し、第２液化温度ｔ２ｌに貯留部２３を温度調整する。第２気化温度ｔ２ｇは、白リンが液化する温度以上であって、赤リンが蒸発を開始する赤リン蒸発開始温度以下に設定される。
【０１３９】
赤リンが蒸発を開始する温度は、約２５０℃である。したがって赤リンの蒸発を防止するために、第２気化温度ｔ２ｇは、余裕を見て２００℃以下が好ましい。また１００℃を超えると不純物が気化しやすくなるので、不純物の気化を防止するために、第２気化温度ｔ２ｇは、１００℃以下が好ましい。また白リンが液化を開始する温度は、約５０度となる。したがって精製空間１２で液化した白リンを貯留空間１３に移動させるために、第２気化温度ｔ２ｇは、５０℃を超えることが好ましい。
【０１４０】
図５に示すように、本実施の形態では、第２気化温度ｔ２ｇは、５０℃を超えて１００℃以下に設定され、好ましくは５０℃を超えて８０℃以下に設定される。また第２気化温度ｔ２ｇは、できるだけ５０℃に近い温度で行うことが好ましく、これによって五酸化リンの蒸発を抑えたうえで、白リンを貯留空間１３に移動させることができる。また第２液化温度ｔ２ｌは、第２気化温度ｔ２ｇ以下に設定される。本実施の形態では、５０℃以下に設定される。
【０１４１】
またステップａ６の貯留工程では、貯留部２３を約６０℃以下、好ましくは約５０℃に維持する。６０℃を超えると、貯蔵できなかったり、再蒸発したりするおそれがあるからである。貯留部２３を５０℃以下に保つことによって、白リンを確実に貯留することができる。
【０１４２】
また分子線放射過程では、貯留空間１３に存在する白リンを気化して、貯留空間開口からチャンバー部１９の成長空間４２に導く。この場合には、貯留部２３を５０℃以上１００℃以下、本実施の形態では５０℃以上８０℃以下に加熱する。５０℃以上に加熱することによって、白リンを確実に液化することができ、１００℃以下に加熱することによって貯留空間１３の不純物がチャンバー部１９の成長空間に移動することを防ぐことができる。また貯留空間開口へ白リンを導く場合には、充填部２１および精製部２２は、不所望な気体が貯留空間１３に漏れるのを防ぐために、可及的に低く設定される。たとえば充填部２１および精製部２２は、リン酸が蒸発を開始する温度である５０℃以下に保たれる。
【０１４３】
以上のように本発明の第１実施形態では、赤リン材料が充填される充填部２１、精製部２２および貯留部２３との３つの筐体部２１〜２３を備える。充填部２１を加熱することで、充填空間１１に存在する赤リン等を昇華させて、精製空間１２で凝結することで、液状化した白リンを精製空間１２に生成することができる。また精製部２２を加熱することで、精製空間１２に存在する白リンを蒸発させて、貯留空間１２で凝結することで、液状化した白リンを貯留空間１３に生成することができる。このように複数回気化工程を行うことで、貯留空間１３に生成される材料に含まれる白リン以外の不純物を少なくすることができ、照射される分子線に混入する不純物を極めて少なくすることができる。
【０１４４】
本実施の形態では、第２気化工程と、貯留空間１３から貯留部２３外方に白リンを移動させる分子線放射過程とについて、５０℃〜８０℃または４４℃〜８０℃で白リンを蒸発させて移動させている。このように第１気化温度ｔ１ｇに比べて低い温度での白リンの移動を複数回行うことによって、分子線として照射される分子に含まれる不純物をさらに減らすことができる。
【０１４５】
また第１気化工程において、充填部２１を加熱する第１気化温度ｔ１ｇが、赤リンの蒸発開始温度以上に設定されることで、赤リンについて蒸発させることができ、精製空間１２に生成される白リンの体積を増やすことができ、分子線材料として、赤リン材料を有効に用いることができる。
【０１４６】
また第２気化工程では、精製空間１２に生成される白リンを蒸発すればよく、赤リンを蒸発させる必要がない。白リンは、赤リンよりも蒸発しやすいので、第２気化工程において、精製部２２を加熱する第２気化温度ｔ２ｇは、第１気化温度ｔ１ｇに比べて低く設定される。具体的には、第１気化温度ｔ１ｇが３００℃〜４００℃であるのに対して、第２気化温度ｔ２ｇが５０℃〜１００℃に設定される。
【０１４７】
このように第２気化温度ｔ２ｇを低くすることによって、五酸化リンの蒸気圧が白リンよりも少ないために、精製空間１２から貯留空間１３に白リンを移動させるにあたって、白リンとともに蒸発する不純物の蒸発量をさらに抑えることができる。これによって五酸化リンなどの不純物が、精製空間１２から貯留空間１３に移動することが抑えられ、不純物の極めて少ないリン材料を貯留空間１３に生成することができる。
【０１４８】
また筐体部２１〜２３ごとに、ヒータ２７〜２９が個別にそれぞれ設けられる。これによって第１気化工程で充填部２１と精製部２２とを異なる温度に容易に設定するとともに、第２気化工程で精製部２２と貯留部２３とを異なる温度に容易に調整することができる。さらに本実施形態では、各筐体部２１〜２３毎に、熱電対３０〜３２が個別にそれぞれ設けられる。これによって各筐体部２１〜２３の温度調整を精度よく行うことができ、不純物が混入することを防いで、貯留空間１３に純度の高い白リンを生成することができる。また作業者に代えて、制御装置が各筐体部２１〜２３の時間変化に応じた温度調整制御を行うことによって、利便性を向上することができる。
【０１４９】
また本実施形態では、リン酸排気工程によって、精製空間１２に存在するリン酸を排気することができ、精製空間１２に貯留される材料のうちで白リンの占める割合を増加することができる。リン酸排気工程の後で、第２気化工程を行い、精製空間１２で白リンを気化し、気化した白リンを貯留空間で液化することによって、貯留空間１３に貯留されるリン酸を低減することができ、分子線として照射される不純物を低減することができる。
【０１５０】
このように第１気化工程、リン酸排気工程および第２気化工程を順に行うことで、赤リンを白リンに転化して、白リンよりも蒸発しやすいリン酸を除去し、白リンよりも蒸発しにくい五酸化リンの貯留空間１３への移動を防ぐことができる。したがって貯留部２３に貯留される材料の不純物濃度を極めて小さくすることができる。
【０１５１】
また本実施の形態では、大気圧に対して減圧、具体的には高真空に減圧した後で、第１気化工程以降の白リン抽出過程を行う。これによって白リン抽出過程時に、貯留空間１３に混入する不純物をさらに低減することができる。同様にリン酸排気工程を行って、高真空に減圧した後で、第２気化工程を行う。これによって白リン抽出時に、貯留空間１３に混入する不純物をさらに低減することができる。
【０１５２】
また本実施の形態では、リン酸排気工程において、精製部２２に設定される排気温度ｔｅよりも、リン酸が接触するであろう残余の部分である充填部２１および貯留部２３を高い温度に設定する。これによってリン酸排気工程を行っている間に、充填部２１および貯留部２３などにリンおよびリン酸が付着することを防ぐことができる。特に貯留部２３にリン酸が付着することを防ぐことで、貯留空間２３に混入するリン酸を減らすことができる。
【０１５３】
上述した本実施形態の分子線源２０は、リン分子以外の不純物が分子線に混入することが防がれる。これによって本実施形態の分子線源２０を有するＭＢＥ装置１８は、生成すべき結晶に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上することができる。本実施形態の分子線源２０を用いれば、エピタキシャル成長によって成長される半導体の不純物レベルで酸素濃度を１０−１0ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。ここで酸素濃度とは、１ｃｍ３の体積の成長結晶に含まれる酸素原子の個数によって表わされる。またリン酸排気工程を行わない場合であっても、半導体の不純物レベルで酸素濃度を１０−１4ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１５４】
図６は、本発明の第２実施形態である分子線源２０Ａを簡略化して示す断面図である。第２実施形態の分子線源２０Ａは、第１実施形態の分子線源２０と類似する構成を有する。第２実施形態の分子線源２０Ａは、貯留部連通路２５に設けられる貯留部バルブ５０と、貯留部バルブ５０を加熱するバルブヒータ５１とを有する。貯留部バルブ５０は、貯留部連通路２５を開閉可能な貯留部連通路開閉手段となる。またバルブヒータ５１は、貯留部バルブ５０のうち、貯留部連通路２５の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段となる。
【０１５５】
第２実施形態の分子線源２０Ａは、貯留部バルブ５０およびバルブヒータ５１以外の構成については、第１実施形態の分子線源２０と対応する構成を有する。したがって第１実施形態の分子線源２０に対応する構成については説明を省略するとともに、同様の参照符号を付する。
【０１５６】
第２実施形態の分子線源２０Ａは、第１実施形態と類似した白リン抽出過程が行われる。具体的には、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を開放した状態で、図４に示すステップａ１〜ステップａ２と同様の充填工程および減圧工程を順に行う。
【０１５７】
次に、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を閉鎖し、精製空間１２と貯留空間１３との間での気体の移動を阻止する。このように貯留部連通路２５を閉鎖する第１閉鎖工程の後で、ステップａ３と同様の第１気化工程を行う。第１気化工程を終えると、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を開放する。次に、ステップａ４〜ａ５と同様のリン酸排気工程、第２気化工程を順に行う。
【０１５８】
次に、バルブ５０によって貯留部連通路２５を閉鎖し、精製空間１２と貯留空間１３との間での気体の移動を阻止する。このように貯留部連通路２５を閉鎖する第２閉鎖工程の後で、ステップａ６と同様の貯留工程を順に行う。また貯留空間１３に白リンを貯留した後、貯留部連通路２５の閉鎖状態を維持して、分子線源２０によって基板４０に向けてリン分子線を照射させる。
【０１５９】
以上のように本発明の第２実施形態では、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を閉鎖した状態で、第１気化工程を行う。このときに、充填空間１１で気化した不純物が貯留空間１３に直接侵入することを阻止することができ、貯留空間１３の不純物汚染を低減することができる。また貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を閉鎖した状態で、貯留空間１３に貯留される白リンを、貯留空間開口を介して外方に導く。このときに、充填空間１１および精製空間１２で気化した不純物が貯留空間１３に侵入することを阻止することができ、ひいては貯留空間開口から外方に不純物が移動することを防ぐことができる。これによって分子線源２０Ａから放射される分子線に含まれる不純物を減らすことができる。また本実施の形態では、第１気化工程と第２気化工程との２つの気化工程で貯留部連通路２５を閉鎖したが、いずれか一方の気化工程だけで貯留部連通路２５を閉鎖してもよい。
【０１６０】
また本実施の形態では、貯留部バルブ５０は、少なくとも第２気化工程の間、断続的または連続的にバルブヒータ５１によって加熱される。バルブヒータ５１は、白リンの気化温度以上である６０℃以上に貯留部バルブ５０を加熱する。本実施の形態では、バルブヒータ５１は、貯留部バルブ５０の温度を１００〜２００℃の温度に連続的に維持する。
【０１６１】
このように貯留部バルブ５０を加熱することによって、バルブ５０のうちで分子線源２０Ａの内部空間に露出する露出部分に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に露出部分に白リン等が堆積したとしても、露出部分が加熱されることで堆積した白リン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。これによって白リン等の堆積に起因する貯留部バルブ５０の故障を低減するとともに、気化した白リンの流れを円滑に保つことができる。
【０１６２】
たとえばバルブヒータ５１を用いることで、貯留部バルブ５０の開閉トラブルを１／３以下に低減させることができる。またこのように貯留部バルブ５０を加熱することで、貯留部バルブ５０へのリンの付着を１／１０以下に抑制することができる。これによってメンテナンス時の白リンによる人体への影響を抑えるとともに、空気中の酸素と触れることで生じる白リンの発火を抑えることができ、安全性を向上することができる。また貯留部バルブ５０をバルブヒータ５１によって加熱する場合には、貯留部バルブ５０は、バルブヒータ５１による加熱範囲の温度範囲で使用可能な構成であることが望ましい。
【０１６３】
図７は、本発明の第３実施形態である分子線源２０Ｂを簡略化して示す断面図である。第３実施形態の分子線源２０Ｂは、第１実施形態の分子線源２０と類似する構成を有する。第３実施形態の分子線源２０Ｂは、貯留部連通路２５に設けられる縮径部分５２と、その縮径部分５２を加熱する縮径部分ヒータ５３とを有する。縮径部分５２は、精製空間１２と貯留空間１３との間に形成されて、断面積が残余の部分の断面積に比べて小さく形成される。また縮径部分ヒータ５３は、貯留部連通路２５のうち、少なくとも縮径部分５２を加熱する貯留部連通路加熱手段となる。
【０１６４】
縮径部分５２は、精製部２２に形成されて貯留部連通路２５に気体を導く開口の面積と、貯留部２３に形成されて貯留部連通路２５から気体が導かれる開口の面積よりも、小さく形成される。本実施の形態では、第２気化工程における白リンの単位時間あたりの蒸発量が、５．６×１０−６ｍ３／ｍｉｎであって、縮径部分５２の断面積は、２．５×１０−８ｍ２に設定される。
【０１６５】
第３実施形態の分子線源２０Ｂは、貯留部連通路２５の縮径部分５２と縮径部分ヒータ５３以外の構成については、第１実施形態の分子線源２０と対応する構成を有する。したがって第１実施形態の分子線減２０と対応する構成については説明を省略するとともに、同様の参照符号を付する。第３実施形態の分子線源２０Ｂは、第１実施形態の分子線源２０と同様の白リン抽出過程が行われる。
【０１６６】
以上のように本発明の第３実施形態では、貯留部連通路２５に縮径部分５２が形成されるので、精製空間１２で白リンとともに不純物が気化した場合、白リンと不純物とは、貯留部連通路２５を通過するうちに、縮径部分５２に達する。これによって精製空間１２から貯留空間１３への白リンおよび不純物の急激な侵入が抑制される。
【０１６７】
したがって不純物、たとえば五酸化リンが貯留空間１３へ侵入することを抑制することができる。これによって貯留空間１３に不純物が侵入したり、不純物が貯留空間開口から外方に導かれたりすることを防ぐことができる。また第２実施形態の分子線源２０Ａに示すような貯留部バルブ５０を必要とすることないので、簡単な構成で貯留空間１３への不純物の侵入を防ぐことができ、バルブ特有の問題、たとえばバルブ詰まりなどの故障がなくなり、メンテナンス性を向上することができる。
【０１６８】
さらに本実施の形態では、縮径部分５２は、少なくとも第２気化工程の間、断続的または連続的に縮径部分ヒータ５３によって加熱される。縮径部分ヒータ５３は、少なくとも白リンの気化温度以上である６０℃以上に縮径部分５２を加熱する。本実施の形態では、縮径部分ヒータ５３は、縮径部分５２の温度を１００℃〜２００℃の温度に連続的に維持する。
【０１６９】
このように縮径部分５２を加熱することによって、貯留部連通路２５、特に縮径部分５２に白リン等が堆積することを防ぐことができる。また仮に貯留部連通路２５に白リン等が堆積したとしても、貯留部連通路２５が加熱されることで堆積したリン等を気化することができ、白リン等の堆積を解消することができる。これによって気化した白リンの流れを円滑に保つことができるとともに、アウトガス放出時において、貯留部連通路２５に対するリンの付着を防ぐことができる。
【０１７０】
本実施の形態では、縮径部分５２を加熱することで、縮径部分５２へのリンの付着を１／１０以下に抑制することができる。これによってメンテナンス時の白リンによる人体への影響を抑えるとともに、空気中の酸素と触れることで生じる白リンの発火を抑えることができ、安全性を向上することができる。たとえば、縮径部分５２は、精製部２２と貯留部２３とを連結するために精製部２２と貯留部２３とにそれぞれ形成されるフランジの開口よりも小さい金属管によって実現することができる。この場合、縮径部分５２は、ステンレス（ＳＵＳ）鋼などから成る細管によって実現される。
【０１７１】
図８は、本発明の第４実施形態である分子線源２０Ｃを簡略化して示す断面図であり、図９は、第４実施形態の精製部２２を拡大して示す断面図である。第４実施形態の分子線源２０Ｃは、第１実施形態の分子線源２０と対応する構成を有する。したがって第１実施形態の分子線源２０と対応する構成については説明を省略するとともに、同様の参照符号を付する。
【０１７２】
第４実施形態の分子線源２０Ｃの各筐体部２１〜２３は、気化または液化したリンの侵入が防がれるリン遮蔽空間６１〜６３がそれぞれ形成される。また各リン遮蔽空間６１〜６３に存在する気体を排気するリン遮蔽空間用真空ポンプ６４をさらに備える。第４実施形態の分子線源２０Ｃは、リン遮蔽空間６１〜６３およびリン遮蔽空間用真空ポンプ６４以外の構成については、第１実施形態の分子線源２０と同様の構成を有する。
【０１７３】
充填部２１、精製部２２および貯留部２３は、それぞれ対応する構成を有するので、精製部２２について説明する。図９に示すように、精製部２２は、仕切り板５８が設けられる。精製部２２の内部空間は、仕切り板５８によって精製空間１２と、リン遮蔽空間６２とが空間的に分離されている。精製空間１２が、気化または液化したリンが充満するのに対して、リン遮蔽空間６２は、リンが侵入することが阻止される。
【０１７４】
具体的には、精製部２２は、内部空間を形成する壁部７０が形成される。内部空間は、分子線源２０Ｃがチャンバー部１８に装着された状態で、鉛直方向に延びて形成される。仕切り板５８は、有底略筒状に形成され、内部空間を２つに仕切る。仕切り板５８は、下方にへこんだ凹部５８ａと、凹部５８ａの上端部から略水平に広がるつば部５８ｂとが形成される。つば部５８ｂが精製部２２の壁部７０に連なることで、仕切り板５８に対して、上方空間となる精製空間１２と、下方空間となるリン遮蔽空間６２とが仕切られる。また仕切り板５８の凹部５８ａに形成される凹所に、液化した白リンが貯留される。壁部７０の底面部分７０ａおよび周面部分７０ｂと、仕切り板５８との間に形成される隙間が、リン遮蔽空間６２となる。
【０１７５】
リン遮蔽空間６２には、精製部ヒータ２８と、精製部熱電対３１ａ，３１ｂとが配置される。具体的には、精製部ヒータ２８は、壁部７０のうち周面部分７０ｂと仕切り壁５８との間に配置される。また精製部熱電対３１ａ，３１ｂは、複数、本実施の形態では２つ配置される。第１精製部熱電対３１ａは、壁部７０の底面部分７０ａと仕切り板５８との間に配置され、仕切り板５８の底部に接触する。また第２精製部熱電対３１ｂは、壁部７０の周面部分７０ｂと仕切り板５８との間に配置され、仕切り板５８の上部に接触する。
【０１７６】
仕切り板５８は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製、タンタル製、ジルコニア製またはボロンナイトライド多結晶体（パイロリティックボロンナイトライド、Pyrolytic Boron
Nitraide 略称ＰＢＮ）製、チタン製の材料で形成される。これによって仕切り板５８は、白リンに対する耐食性を有し、白リンが触れたとしても腐食することが防がれる。また精製部ヒータ２８の温度が上昇することで、精製部ヒータ２８から仕切り板５８に温度が伝わり、仕切り板５８が加熱される。仕切り板５８の温度が上昇することで、仕切り板５８の凹所に貯留される白リンが加熱される。また精製部熱電対３１ａ，３１ｂが、精製部ヒータ２８の周囲の温度を測定することで、精製部２２の温度を検出することができる。また精製部ヒータ２８は、仕切り板５８の凹部５８ａを挟んで一対設けられる。
【０１７７】
制御機器である精製部ヒータ２８および精製部熱電対３１ａ，３１ｂがリン遮蔽空間６２に配置されることによって、それら制御機器２８，３１に気化または液化したリンが付着することが防がれる。これによってリンの付着による制御機器２８，３１の故障を防ぐことができ、温度調整すべき精製部２２の温度を精度よく制御することができる。またリンが付着することに起因する制御機器２８，３１の故障、不具合を解消することができる。さらに充填工程で筐体部２１〜２３の内部空間に大気が侵入したとしても、リン遮蔽空間６２に大気が侵入することがないので、ヒータ２８および熱電対３１の劣化を防ぐことができ、それら制御機器２８，３１の信頼性を向上することができる。
【０１７８】
たとえば電熱線ヒータ２８を用いる場合、ヒータ２８にリンが付着すると、ヒータ２８が劣化し、リンと付着した部分で断線が生じるおそれがある。またヒータ２８にリンが付着していると、メンテナンス時に、リン付着部分が発火するおそれがある。また熱電対３１の抵抗部分にリンが付着すると、精度よく温度を測定することができず、温度調整すべき対象物の温度を精度よく制御することができない場合がある。これに対して本実施の形態では、上述したように各制御機器２８，３１がリン遮蔽空間６２に配置されることで、各制御機器２８，３１のリンによる暴露を防いで、制御機器２８，３１の損傷を防ぐことができる。
【０１７９】
また２つの熱電対３１ａ，３１ｂのうち、第１熱電対３１ａを仕切り板５８の底部に、第２熱電対３１ｂを仕切り板５８の上部に配置することによって、精製部２２の温度の分布情報を得ることができ、温度制御性を向上することができる。温度制御性を向上することで、低い温度で、仕切り板５８の凹所に存在する白リン全体が液化しているか否かを確認することができ、不純物の気化をより確実に防ぐことができる。
【０１８０】
底部に配置される熱電対３１ａを用いることによって、仕切り板５８に貯留されて液化した白リンの温度を調整することができる。また上部に配置される熱電対３１ａを用いることによって、白リンの付着を防ぐ温度、たとえば１００℃程度に仕切り板５８の上部の温度を調整することができる。これによって、精製空間１２に露出する仕切り板５８の凹部５８ａのうちで、上端部に白リンが付着することを防ぐことができ、白リンの付着による詰りの原因を防ぐことができる。
【０１８１】
また制御装置３４は、ヒータ近傍に配置された熱電対３１の測定結果に基づいて、その熱電対３１の近傍のヒータ２８を制御することによって、さらに高い精度で精製部２２を温度制御することができる。また複数の熱電対３１ａ，３１ｂのうち、一方の熱電対３１が断線、短絡によって使用不可能となった場合でも、使用可能な残余の熱電対３１を用いることで、メンテナンスを行うことなく、暫定的に精製部２２の温度制御を継続することができる。
【０１８２】
また各リン遮蔽空間用真空ポンプ６４は、リン遮蔽空間６２に存在する気体を排気するリン遮蔽空間気体排気手段となる。本実施の形態では、リン遮蔽空間用真空ポンプ６４は、ターボポンプ６５とドライポンプ６６とを併用して用いられる。リン遮蔽空間用真空ポンプ６４は、チャンバー部１８に形成される成長用真空ポンプ４３とは別系統に構成され、真空用配管６７を介して精製部２２に接続される。リン遮蔽空間６２に存在する気体は、真空用配管６７を介してリン遮蔽空間用真空ポンプ６４によって排気される。
【０１８３】
リン遮蔽空間６２に存在する気体が排気されることによって、リン遮蔽空間６２に存在する酸素などの不純物を少なくすることができ、ヒータ２８の温度が上昇したとしても、ヒータ２８が劣化することを防ぐことができる。また熱電対３１もクリーンな状態に維持されるので、熱電対３１による計測信頼性を向上することができる。
【０１８４】
またリン遮蔽空間用真空ポンプ６４として用いられる、ターボポンプ６５とドライポンプ６６とは、オイルフリーな真空ポンプである。これによってリン遮蔽空間６２について、オイルによる汚染を防ぐことができる。また、万が一、精製空間１２からリン遮蔽空間６２へリンのリークが生じたとしても、リン遮蔽空間用真空ポンプ６４が設けられることで、リークしたリンをリン遮蔽空間用真空ポンプ６４で排気することができ、分子線源の外方にリンが漏れることを防ぐことができる。
【０１８５】
このような精製部２２の構成と同様に、充填部２１と貯留部２３とに、リン遮蔽空間６２がそれぞれ形成され、リン遮蔽空間６１，６３にヒータ２７，２９および熱電対３０，３２がそれぞれ配置される。したがって充填部２１と貯留部２３とも、上述した精製部２２と同様の効果を有する。
【０１８６】
第４実施形態の分子線源２０Ｃは、リン遮蔽空間６１〜６３に存在する気体を排気した状態で、図４に示すステップａ１〜ａ７の白リン抽出過程が行われる。充填部２１、精製部２２および貯留部２３の制御機器２７〜２９，３０〜３２がリン遮蔽空間６１〜６３に配置されることによって、分子線源２０Ｃの制御機器２７〜２９，３０〜３２の寿命を延ばすことができ、本実施の形態では、分子線源２０Ｃのメンテナンス回数を１／５にすることができた。また温度制御を精度よく行うことができることによって、不純物のリンフラックスへの混入を約３０パーセント低減することができた。
【０１８７】
また本実施の形態では、各筐体部２１〜２３に対して一対設けられるとしたが、２組以上にすることによって、さらに温度制御性を向上することができ、不純物のリンフラックスへの混入をさらに約２０パーセント低減することができる。たとえば仕切り板５８の凹部５８ａに対する側面部をヒータ２８によって加熱するとしたが、凹部５８ａの上方部分を加熱する上部ヒータをさらに設けてもよい。この場合、上部ヒータもまた、上述した仕切り板５８とは別の仕切り板によって、リンが充満する空間への暴露が防がれることが好ましい。また熱電対３１は、２つ以上あれば同様な効果またはそれ以上の効果が得られる。
【０１８８】
図１０は、本発明の第５実施形態である分子線源２０Ｄを簡略化して示す断面図である。第５実施形態の分子線源２０Ｄは、第４実施形態の分子線源２０Ｃに対して、リン遮蔽空間用真空ポンプ６４と各筐体部２１〜２３とを接続する真空用配管６７の内部空間を開閉するバルブ６８が設けられる。他の構成については第４実施形態の分子線源２０Ｃと同様であるので説明を省略し、同様の構成については同様の参照符号を付する。
【０１８９】
真空用配管６７は、リン遮蔽空間用真空ポンプ６４から延びて、３つに分岐して充填部２１、精製部２２および貯留部２３にそれぞれ延びる。バルブ６８は、真空用配管６７のうちで、分岐部分よりもリン遮蔽空間用真空ポンプ６４寄りに配置される。バルブ６８によって真空用配管６７の内部空間が閉鎖されると、各筐体部２１〜２３のそれぞれのリン遮蔽空間６１〜６３に存在する気体が、リン遮蔽空間用真空ポンプ６４に向けて移動することが阻止される。第５実施形態の分子線源３０Ｄは、リン遮蔽空間６１〜６３に存在するリンを排気した後、バルブ６８によって真空用配管６７の内部空間が閉鎖された状態で、図４に示すステップａ１〜ａ７の白リン抽出過程を行う。
【０１９０】
バルブ６８によって真空用配管６７が閉鎖されることで、万が一、リンが存在する空間１１〜１３からリン遮蔽空間６１〜６３へリークが生じたとしても、リンが真空用配管６７に留まり、リン遮蔽空間真空用ポンプ６４に侵入することを防ぐことができる。本実施の形態では、上述したようにバルブ６８が設けられることで、リン遮蔽空間真空用ポンプ６４の損傷を防ぐことができる。
【０１９１】
図１１は、本発明の第６実施形態である分子線源２０Ｅを簡略化して示す断面図である。第６実施形態の分子線源２０Ｅは、第１実施形態の分子線源２０と対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略するとともに、同様の参照符号を付する。
【０１９２】
第６実施形態の分子線源３０Ｅは、白リン抽出過程で生じるリン酸を排気するためにリン酸排気用ポンプ７１と、リン酸排気用ポンプ７１と各筐体部２１〜２３とを接続する排気連通路７２とを有する。リン酸排気用ポンプ７１に関連する構成以外の構成については、第１実施形態の分子線源３０Ｅと同様である。
【０１９３】
リン酸排気用ポンプ７１は、少なくとも精製空間１２に存在する気体を排気する精製空間気体排気手段となる。本実施の形態では、リン酸排気用ポンプ７１は、充填部２１に隣接して設けられ、排気連通路７２を介して、充填部２１に接続される。充填空間１１に存在する気体は、リン酸排気用ポンプ７１によって、排気連通路７２を介して外方に排気される。
【０１９４】
本実施の形態では、リン酸排気用ポンプ７１は、ターボポンプ７７とロータリーポンプ７８とを併用して用いられ、成長用真空ポンプ４３とは別系統に構成される。リン酸排気用ポンプ７１を動作させることによって、精製空間１２に存在する気体は、精製部連通路２４、充填空間１１、排気連通路７２を順に移動して、分子線源２０Ｅから排気される。
【０１９５】
第６実施形態の分子線源２０Ｅを用いる場合、図４に示す白リン抽出過程のうち、少なくともステップａ４のリン酸排気工程において、成長用真空ポンプ４３に代えて、リン酸排気用ポンプ７１を用いて分子線源２０Ｅ内のリン酸を排気する。本実施の形態では、ステップａ２の減圧工程もまた、リン酸排気用ポンプ７１を用いて分子線源２０Ｅの内部空間１１〜１３の圧力を調整する。
【０１９６】
これによって減圧工程およびリン酸排気工程において、リン酸を主とする不純物が、成長空間４２および貯留空間１３に移動することを阻止することができ、それら空間４２，１３がリン酸などによって汚染されることを防ぐことができる。またリン酸排気ポンプ７１が、充填部２１に隣接することによって、充填空間１１で気化したリン酸についても排気することができ、精製空間１２に存在するリン酸をさらに低減することができる。また本実施形態では、リン酸排気ポンプ７１にロータリーポンプを用いることで、ロータリーポンプに用いられる鉱物油にリンが溶け、リンによるポンプの損傷を抑えることができる。
【０１９７】
また図６に示す第２実施形態の分子線源２０Ａに対して、上述したリン酸排気用ポンプ７１を設ける場合、貯留部連通路２５に設けられる貯留部バルブ５０によって、貯留部連通路２５を閉鎖した状態で、ステップａ１〜ステップａ４に示す充填工程、減圧工程、第１気化工程、リン酸排気工程を順に行う。これによって気化したリン酸などの不純物が、貯留空間１３に移動することをより確実に防ぐことができる。また第１気化工程および第２気化工程を順番に複数回行う場合であっても、第１気化工程では貯留部連通路２５を閉鎖することで、不純物が貯留空間１３に移動することを防ぐことができる。
【０１９８】
また排気連通路７２を通過する気体を吸着する液体窒素トラップが設けられることが好ましい。これによって排気連通路７２を通過する気体は、液体窒素トラップの表面部に接触することで冷却され、トラップ上で液化または固体化する。これによってリンが存在する空間の真空度を１０−７Ｐａ以下にすることができ、リンフラックスの純度を５０パーセント以上に向上させることができる。
【０１９９】
図１２は、本発明の第７実施形態である分子線源２０Ｆを簡略化して示す断面図である。第７実施形態の分子線源２０Ｆは、第６実施形態の分子線源２０Ｅと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略するとともに、同様の参照符号を付する。
【０２００】
第７実施形態の分子線源２０Ｆは、第６実施形態の分子線源２０Ｅの構成にさらに、排気用バルブ７３が設けられるとともに、その排気用バルブ７３を加熱するバルブヒータ７４を有する。排気用バルブ７３は、排気連通路７２の内部空間を開閉可能な排気連通路開閉手段となり、バルブヒータ７４は、排気用バルブ７３のうちで、排気連通路７２の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段となる。また第４実施形態の分子線源２０Ｃと同様のリン遮蔽空間６１〜６３が各筐体部２１〜２３にそれぞれ形成され、制御機器がリン遮蔽空間６１〜６３に配置される。
【０２０１】
第７実施形態の分子線源２０Ｆを用いる場合、図４に示す白リン抽出過程のうち、第１気化工程を行う前に排気用バルブ７３によって排気用連通路７２を閉鎖する。これによって充填空間１１から精製空間１２に気化したリンを移動させる場合に、充填空間１１で気化した白リンが排気連通路７２を介して、排気用ポンプ７１に向かうことを防ぐことができる。
【０２０２】
また同様に第２気化工程を行う前に排気用バルブ７３によって排気用連通路７２を閉鎖する。これによって精製空間１２から貯留空間１３に白リンを移動させる場合に、精製空間１２で気化した白リンが排気用ポンプ７１に向かうことを防ぐことができる。
【０２０３】
これによって排気用ポンプ７１の損傷を防ぐとともに、排気用ポンプ７１に排気される白リン量を減らして、白リンを貯留空間１３に移動させることができ、リン材料から生成される白リンを有効に利用することができる。また図１２に示すように、排気用バルブ７３をヒータ７４によって加熱することによって、排気用バルブ７３の詰りなどによる故障を低減することができる。
【０２０４】
図１３は、本発明の第８実施形態である分子線源２０Ｇを簡略化して示す断面図である。第８実施形態の分子線源２０Ｇは、第７実施形態の分子線源２０Ｆと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。
【０２０５】
第８実施形態の分子線源２０Ｇは、第７実施形態の分子線源２０Ｆの構成にさらに、精製部バルブ７５が設けられるとともに、その精製部バルブ７５を加熱するバルブヒータ７６を有する。精製部バルブ７５は、精製部連通路２４の内部空間を開閉可能な精製部連通路開閉手段となる。バルブヒータ７６は、精製部バルブ７５のうちで、精製部連通路２４の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段となる。
【０２０６】
第８実施形態の分子線源２０Ｇを用いる場合、図４に示す白リン抽出過程のうち、第２気化工程を行う前に、精製部バルブ７５によって精製部連通路２４を閉鎖する。これによって精製空間１２から貯留空間１３に気化した白リンを移動させる場合に、精製空間１２で気化した白リンが充填空間１１に向かうことを防ぐことができる。さらに精製部バルブ７５を閉めた状態で排気用バルブ７３を開けて排気部７１を用いて充填空間１１の排気を行うことができる。これを図４の第１気化工程の前に実施する。これによって赤リン材料自体のアウトガスを行うことができるとともにアウトガスで発生した不純物がチャンバー部１９、精製部２２および貯留部２３などの壁面に付着することなく、つまり汚染することがないために、次回の白リン抽出過程で精製した白リンの純度の向上を図ることができる。本実施の形態では、成長空間４２中の不純物濃度や成長膜中の酸素濃度がそれぞれ２０％減少した。
【０２０７】
第２気化工程において、精製空間１２で気化した白リンが充填空間１１に移動してしまった場合には、白リンの生成量や使用量の見積もりに誤差が生じるので生産性が低下してしまう。本実施の形態では、上述したように第２気化工程において、白リンが精製空間１２から充填空間１１に戻ることが防がれるので、生産性が低下することを防ぐことができる。また図１３に示すように、精製部バルブ７５をバルブヒータ７６によって加熱することで、精製部バルブ７５の詰りなどによる故障を低減することができ、本実施の形態ではその故障が１０パーセントに減少した。
【０２０８】
図１４は、本発明の第９実施形態である分子線源２０Ｈを簡略化して示す断面図である。第９実施形態の分子線源２０Ｈは、第４実施形態の分子線源２０Ｃと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。
【０２０９】
第９実施形態の分子線源２０Ｈは、第４実施形態の分子線源２０Ｃの構成にさらに、解離空間１４を形成する解離部８０と、解離部ヒータ８１、解離部熱電対８６と、解離部温度制御装置８７とを有する。解離部８０は、チャンバー部１８の成長空間４２に設けられ、貯留空間開口に連通する解離空間１４と、解離空間１４で気化状態のリンを外方に導くための解離空間開口とが形成される。また解離部ヒータ８１は、解離空間１４で気化状態のリンを、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に加熱解離するための解離部加熱手段となる。解離部ヒータ８１は、４つのリン原子を有する分子Ｐ４いわゆる白リンが、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に解離する温度以上に解離部８０を加熱する。本実施の形態では、解離部ヒータ８１は、解離部熱電対８６の出力に応答する解離部温度制御装置８７によって制御され、解離部８０を８００℃〜１２００℃に加熱する。
【０２１０】
貯留空間１４の貯留部空間開口を脱出した白リンは、チャンバー部連通路２６を介して、解離部８０の解離空間１４に導かれる。解離空間１４に導かれた白リンは、解離部ヒータ８１によって加熱されて、２つのリン原子を有する分子Ｐ２に解離、いわゆるクラッキングされる。クラッキングされたリン分子は、解離空間開口から脱出して、分子線として成長空間４２に収容される基板４０に向けて移動する。これによってリン分子線を結晶成長により有効に寄与させることができる。
【０２１１】
本実施形態では、上述したように白リン抽出過程を行うことで、貯留空間１３に存在する材料は、酸素の少ない高純度の白リンである。したがって解離空間１４に供給する気体に含まれる不純物を少なくすることができ、不純物が基板４０に供給されることを抑制することができる。これによって本実施形態の分子線源２０Ｈを有するＭＢＥ装置１８は、酸素で汚染されることが防がれ、基板上に所望の結晶薄膜を生成および成長させることができる。
【０２１２】
また解離空間１４に存在する酸素などの不純物を減らすことで、不純物が解離部ヒータ８１と反応することが防がれ、解離部ヒータ８１の劣化を抑えることができる。本実施の形態では、解離部ヒータ８１の寿命を２倍にすることができ、メンテナンスに起因するコストを低減することができる。
【０２１３】
図１５は、本発明の第１０実施形態である分子線源２０Ｉを簡略化して示す断面図である。第１０実施形態の分子線源２０Ｉは、第９実施形態の分子線源２０Ｈと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。
【０２１４】
第１０実施形態の分子線源２０Ｉは、第９実施形態の分子線源２０Ｈの構成にさらに、チャンバー部バルブ８２と、そのバルブ８２を加熱するバルブヒータ８３とを有する。チャンバー部バルブ８２は、チャンバー部連通路２６を開閉可能なチャンバー部連通路開閉手段となる。またバルブヒータ８３は、チャンバー部バルブ８２のうち、チャンバー部連通路２６の内部空間に露出する露出部分を加熱する露出部分加熱手段となる。
【０２１５】
チャンバー部バルブ８２によって、チャンバー部連通路２６の開閉状態を調整することで、ＭＢＥ方法における結晶成長条件に合わせて、白リンを成長空間４２に供給することができる。またチャンバー部バルブ８２によって、チャンバー部連通路２６を適宜閉鎖することによって、図４に示す白リン抽出過程において、不所望に不純物が成長空間４２に侵入することを防ぐことができる。またチャンバー部バルブ８２がバルブヒータ８３によって白リンが気化する温度、すなわち約１００℃に加熱されることによってバルブ動作を円滑にかつ確実に行うことができる。
【０２１６】
メンテナンス時に、バルブヒータ８３によってチャンバー部バルブ８２を２００℃〜２５０℃にすることで、チャンバー部バルブ８３のクリーニングを行うことができ、チャンバー部バルブ８３を洗浄することなく使用が可能である。本実施の形態では、メンテナンスの工程を約５０パーセント低減することができ、コストの低減を図ることができる。このようにメンテナンス時にバルブを加熱する方法は、他のバルブヒータにも適用することができる。
【０２１７】
図１６は、本発明の第１１実施形態である分子線源２０Ｊを簡略化して示す断面図である。第１１実施形態の分子線源２０Ｊは、第４実施形態の分子線源２０Ｃと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。
【０２１８】
第１１実施形態の分子線源２０Ｊは、第４実施形態の分子線源２０Ｃの構成にさらに、充填部２１、精製部２２および貯留部２３を、それぞれ冷却する冷却手段を備える。本実施の形態では、冷却手段は、内部に冷却水が導かれる冷却管８５によって実現される。冷却管８５は、各筐体部２１〜２３の外方、すなわち大気側にそれぞれ配置される。冷却管８５の内部空間に導かれる冷却水は、常温、たとえば４０℃以下の水であり、冷却管８５を通過するとともに、各筐体部２１〜２３から熱を奪うことで、冷却水の温度が上昇する。
【０２１９】
白リンは、大気圧下における融点が４４℃であるので、０〜１００℃の温度範囲で、各筐体部２１〜２３の温度制御を行うことが重要である。各筐体部２１〜２３を空冷する場合には、低温での精密温度制御が難しい。これに対して、本実施の形態では、各筐体部２１〜２３を水冷することによって、低温での精密温度制御を実現することができる。また筐体部２１〜２３間の温度干渉の影響が少なく、隣接する筐体部の温度にかかわらず、対象とする筐体部２１〜２３の温度を予め定める温度に調整することができる。
【０２２０】
たとえば水冷することによって、第１気化工程において、充填部２１の温度を高温にしたとしても、精製部２２の温度を十分低い温度にすることができる。これによって精製空間２２に効率的に白リンを凝縮して生成することができる。また第２気化工程においても、精製部２２および貯留部２３を精密に温度制御することができるので、不純物が貯留空間１３に移動することを抑えることができる。このように各筐体部２１〜２３を水冷し、各筐体部２１〜２３を独立して精密に温度調整を行うことができるので、不純物を少なくするとともに効率よく白リンを貯留空間１３に生成することができる。
【０２２１】
また冷却管８５が各筐体部２１〜２３の外方にそれぞれ配置される。これによって、冷却管８５によって、各筐体部２１〜２３を冷却する場合、冷却管８５が何らかの影響で破損して、冷却水がもれた場合であっても、各筐体部２１〜２３を大気開放することなく、メンテナンスを可能とすることができる。
【０２２２】
図１７は、本発明の第１２実施形態である分子線源２０Ｋを簡略化して示す断面図である。第１２実施形態の分子線源２０Ｋは、第３実施形態以外の第１〜第１１実施形態の各構成を備える。すなわち、分子線源２０Ｋは、充填空間１１が形成される充填部２１と、精製空間１２が形成される精製部２２と、貯留空間１３が形成される貯留部２３とを備える。また分子線源２０Ｋは、充填部２１と精製部２２とを連結する精製部連通路２４と、精製部２２と貯留部２３とを連結する貯留部連通路２５と、貯留部２３とチャンバー部とを連結するチャンバー部連通路２６とが形成され、各連通路２４〜２６には、バルブ７５，５０，８２と、それらバルブ７５，５０，８２を加熱するヒータ７６，５１，８３とをそれぞれ備える。
【０２２３】
また各筐体部２１〜２３をそれぞれ加熱するヒータと、各筐体部２１〜２３の温度を検出する熱電対とは、リンの侵入が防がれるリン遮蔽空間６１〜６３に配置される。またリン遮蔽空間６１〜６３に存在する気体は、リン遮蔽空間用ポンプ６４によって排気可能に構成され、リン遮蔽空間６１〜６３からリン遮蔽用ポンプ６４に気体を導く真空用配管６７にはバルブ６８が設けられる。
【０２２４】
また充填部２１に隣接して、充填空間１１に充満する気体を排気するリン酸排気用ポンプ７１と、充填部２１とリン酸排気用ポンプ７１とを接続する排気連通路７２とを備える。排気連通路７２には、液体窒素トラップ８４と、バルブ７３と、そのバルブ７３を加熱するヒータ７４が設けられる。また各筐体部２１〜２３を水冷する冷却管８５がそれぞれ設けられる。
【０２２５】
また第１１実施形態の分子線源２０Ｋを用いる場合、充填工程は、精製部連通路２４を閉鎖した状態で行う。これによって赤リン材料を充填するにあたって、大気とともに不純物が精製空間１２および貯留空間１３に侵入することが阻止される。また減圧工程は、排気連通路７２および精製部連通路２４を開放した状態で、液体窒素トラップ８４およびリン酸排気用ポンプ７１を動作させて、充填空間１１に充満する気体を排気して、充填空間１１と精製空間１２とを減圧する。
【０２２６】
また第１気化工程は、排気連通路７２および貯留部連通路２５を閉鎖し、精製部連通路２４を開放した状態で、充填部２１および精製部２２を予め定める温度に調整して行う。またリン酸排気工程は、貯留部連通路２５を閉鎖し、精製部連通路２４および排気連通路７２を開放した状態で、液体窒素トラップ８４およびリン酸排気用ポンプ７１を動作させて、充填空間１１に充満する気体を排気するとともに、各筐体部２１〜２３を加熱して、精製空間１２に存在するリン酸を排気する。
【０２２７】
また第２気化工程は、精製部連通路２４およびチャンバー部連通路２６を閉鎖し、貯留部連通路２５を開放した状態で、充填部２１および精製部２２を予め定める温度に調整して行う。また貯留工程では、貯留部連通路２５およびチャンバー部連通路２６を閉鎖した状態で行う。また分子線照射過程では、貯留部連通路２５を閉鎖した状態で、チャンバー部連通路２６を開放することによって、白リンを解離空間１４に導いて、解離空間から基板に向けてリン分子Ｐ２を分子線として照射する。
【０２２８】
このように第１１実施形態の分子線源２０Ｋは、上述した各実施形態の構成を有することで、上述する各実施形態と同様の効果を得ることができる。また白リン抽出過程において、適宜バルブを動作させることによって、不純物が後段の筐体部に移動することを防ぐことができ、貯留空間１３に貯留される材料に含まれる不純物を極めて少なくすることができ、不純物が少ない状態の分子線を基板４０に照射することができる。また上述したように各筐体部２１〜２３がそれぞれ水冷されるとともに、複数の熱電対３０〜３２が設けられることによって、精密な温度調整を行うことができ、貯留空間１３に存在する不純物を少なくするとともに、効率よく白リンを抽出することができる。また白リン抽出過程を行う間、各バルブは、ヒータによって随時加熱されることが好ましい。
【０２２９】
図１８は、本発明の第１３実施形態である分子線源２０Ｌを簡略化して示す断面図である。第１３実施形態の分子線源２０Ｌは、第１２実施形態の分子線源２０Ｋと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。第１３実施形態の分子線源２０Ｌは、第１３実施形態の分子線源２０Ｌの構成に設けられていたリン酸排気用ポンプ７１、排気連通路７２、排気用バルブ７３、バルブヒータ７４の配置位置が異なり、それ以外の構成については同じである。
【０２３０】
リン酸排気用ポンプ７１は、貯留空間１３に存在する気体を排気するための排気手段であって、本実施の形態では、ターボポンプ７７と、ロータリーポンプ７８とを併用して用いられる。排気連通路７２は、チャンバー部連通路２６から分岐して、チャンバー部連通路２６とリン酸排気用ポンプ７１とを接続する。チャンバー部バルブ８２が設けられる場合、排気連通路７２は、チャンバー部連通路２６のうちで、チャンバー部バルブ８２よりも貯留部側に設けられる。これによってチャンバー部バルブ８２によってチャンバー部連通路２６を閉鎖した状態であっても、排気連通路７２の内部空間と貯留空間１３との連通状態を保つことができる。
【０２３１】
またリン酸排気用バルブ７３は、排気連通路７２に介在され、排気連通路７２を開閉可能な排気連通路連通路開閉手段となる。リン酸排気用バルブ７３によって排気連通路７２が閉鎖されることによって、貯留空間１３に存在する気体が、リン酸排気用ポンプ７３に向かって流れることを防ぐことができる。
【０２３２】
図１９は、第１３実施形態での白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。第１３実施形態の白リンの抽出過程では、図４に示す白リン抽出過程に比べて、リン酸排気工程の順序が異なる。具体的には、ステップｂ１〜ｂ３の工程で、図４に示すステップａ１〜ステップａ３と同様の工程を順に行う。次に、ステップｂ４で、ステップａ５と同様の第２気化工程を行い、ステップｂ５で、ステップａ４と同様のリン酸排気工程を行う。
【０２３３】
このように第１３実施形態の分子線源２０Ｌは、第２気化工程を終えて貯留空間１３に白リンを貯留した状態で、リン酸排気工程が行われる。具体的には、貯留部２３を排気温度ｔｅ、すなわちリン酸が蒸発を開始する温度以上に加熱し、リン酸排気用ポンプ７１によって貯留空間１３に存在する気体を排気する。これによって白リンとともに貯留空間１３に存在する白リンよりも蒸気圧が高い不純物（たとえばリン酸）を排気することができるため、高純度な白リンを得ることが可能であり、貯留空間１３に存在する不純物をさらに低減することができる。また排気連通路７２には、リン酸排気用ポンプ７１に達する前にリンを補足する液体窒素トラップが設けられることが好ましく、これによってポンプの損傷を防ぐことができる。
【０２３４】
ステップｂ５の貯留空間１３におけるリン酸排気工程においては、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５を閉鎖するとともに、チャンバー部バルブ８２によってチャンバー部連通路２６を閉鎖した状態で、貯留空間１３に存在する気体を排気することが好ましい。これによって、リン酸除去工程において、精製空間１２などに存在するリン酸が貯留空間１３に侵入することを防ぐことができる。
【０２３５】
またリン酸排気工程以外、たとえばチャンバー部１９へ白リンを移動させるときには、排気用バルブ７３によって排気連通路７２が閉鎖される。これによって、白リンの不所望な排気を防ぎ、貯留部２３からチャンバー部１９に白リンを効率よく送り出すことができる。また排気用バルブ７３にバルブヒータ７４を設けることによって排気用バルブ７３でのリンによる詰まりなどの操作不良を防ぐことができる。本実施の形態では、操作不良を２０％減らすことができた。このようにリン酸排気工程は、白リンを貯留部に貯留する貯留工程の前に行われればよく、第１気化工程、第２気化工程のいずれの後に行われてもよい。
【０２３６】
また排気連通路７２は、貯留部連通路２５から分岐してリン酸排気用ポンプ７１に向かって延びてもよい。貯留部連通路２５に貯留部バルブ５０が介在する場合、排気連通路７２は、貯留連通路８２のうちで、貯留部バルブ５０よりも貯留部側に設けられる。これによって貯留部バルブ５０によって貯留連通路２５を閉鎖した状態であっても、排気連通路７２の内部空間と貯留空間１３との連通状態を保つことができる。また本実施の形態では、第１３実施形態の分子線源２０Ｋの構成を基礎としたが、これに限定されない。たとえば第１実施形態の分子線源２０の構成または第４実施形態の分子線源２０Ｃの構成に、上述したリン酸排気用ポンプ７１と、排気連通路７２と、排気用バルブ７３と、バルブヒータ７４とをさらに備えてもよい。
【０２３７】
図２０は、第１３実施形態での他の白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。第１３実施形態の他の白リン抽出過程では、第２気化工程を複数回行う。具体的には、ステップｃ１〜ｃ５の工程で、図１９に示すステップｂ１〜ステップｂ５と同様の工程を順に行う。次に、ステップｃ６で、白リンを貯留空間１１から精製空間１２へ移動させるための第２気化工程を行い、ステップｃ７に進む。ステップｃ６では、貯留部１３を第２気化温度ｔｇ２に加熱して、第２気化温度ｔｇ２よりも低い第２液化温度ｔ２ｌに保った精製空間１２に白リンを凝集させる。本実施の形態では、貯留部２３は、５０℃を超えて１００℃以下に設定され、好ましくは５０℃を超えて８０℃以下に設定される。また精製部２２は、５０℃以下に設定される。
【０２３８】
ステップｃ７では、貯留部バルブ５０によって貯留部連通路２５が閉鎖された状態で、リン酸排気用ポンプ７１によって貯留部２３をアウトガス、すなわち貯留空間１３に存在する気体を排気し、ステップｃ８に進む。ステップｃ７では、ステップｃ６の第２気化工程で、気化せずに貯留空間１３に残留した不純物を除去することができる。
【０２３９】
ステップｃ８では、ステップｃ４と同様に第２気化工程を行い、精製空間１２に存在する白リンを、再び貯留空間１３に移動させる。次にステップｃ９では、ステップａ６と同様の貯留工程を行い、ステップｃ１０に進んで白リン抽出過程を終了する。ここで、ステップｃ３以降のステップｃ４〜ｃ９の工程では、精製部バルブ７５によって精製部連通路が閉鎖される。
【０２４０】
このように白リンを精製空間１２と貯留空間１３との間を交互に移動させることができる。この場合、ステップｃ６では、貯留空間１３には、白リンよりも蒸発し難い五酸化リンなどの不純物が残留することになる。次にステップｃ７で、貯留部バルブ５０とチャンバー部バルブ８２とによって、貯留部連通路２５とチャンバー部連通路２６とを閉鎖した状態で、リン酸排気用ポンプ７１によって貯留空間１３を排気しながらアウトガスを行うことによって、貯留空間１３に残留する不純物を除去することができる。このときの貯留部２３の温度は、３００℃〜６００℃が望ましく、五酸化リンが蒸発を開始する温度以上であることが好ましい。
【０２４１】
このようにステップｃ７で、貯留空間１３のアウトガスを行うことによって、精製部２２と貯留部２３との間を行き来する気体に含まれる不純物、特に白リンよりも蒸発し難い不純物を排気することができ、ステップｃ９で最終的に貯留部２３に貯留される材料の不純物を低減することができる。またこの実施形態では、ステップｃ４の第２気化工程の後で、リン酸排気工程を行うとした。これに対して、ステップｃ８の第２気化工程の後でリン酸排気工程を行ってもよく、ステップｃ４，ｃ８の２つの第２気化工程の後で、リン酸排気工程をそれぞれ行ってもよい。またステップｃ８を終えたあとで、ステップｃ５に戻り、ステップｃ５〜ｃ８を複数回繰返すようにしてもよい。これによってさらに不純物濃度を低減することができる。またそれぞれのバルブには、ヒータが備えられており、リンが付着することによるバルブの開閉不良を防ぐために加熱される。本実施例では、各バルブは、約８０〜１００℃で加熱される。
【０２４２】
図２１は、本発明の第１４実施形態である分子線源２０Ｍを簡略化して示す断面図である。第１４実施形態の分子線源２０Ｍは、第１４実施形態の分子線源２０Ｌと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。第１４実施形態の分子線源２０Ｍは、第１３実施形態の分子線源２０Ｌの構成に設けられていた第１のリン酸排気系構成であるリン酸排気用ポンプ７１ａ、排気連通路７２ａ、排気用バルブ７３ａ、バルブヒータ７４ａとともに、第２のリン酸排気系構成であるリン酸排気用ポンプ７１ｂ、排気連通路７２ｂ、排気用バルブ７３ｂ、バルブヒータ７４ｂをさらに備える。
【０２４３】
本実施の形態では、第２系統の排気連通路７２ｂは、貯留部連通路２５のうちで貯留部バルブ５０よりも貯留部側部分から分岐して、貯留部連通路２５とリン酸排気用ポンプ７１ｂとを接続する。また他の形態として、第２系統の排気連通路７２ｂは、精製部連通路２４のうちで精製部バルブ７５よりも貯留部側部分から分岐して、精製部連通路２４とリン酸排気用ポンプ７１ｂとを接続してもよい。
【０２４４】
第２のリン酸排気系構成７１ｂ〜７４ｂは、精製空間１２に存在するリン酸を排気するために用いられる。この構成によって精製空間１２の白リン以外の不純物（たとえばリン酸）を排気することができるので、高純度な白リンを得ることが可能である。第１実施形態と同様に第１気化工程を終えたあとで行うリン酸排気工程において、充填部２１の温度を精製部２２の温度よりも高くすることで、精製部２２に存在するリン酸などの不純物が、充填部２１に付着することを抑制できるので、より効果的に精製部２２から不純物を除去することができる。また第２気化工程を終えたあとで行うリン酸排気工程においては、第１３実施形態の分子線源２０Ｌと同様に第１排気系統７１ａ〜７４ａを用いて行う。このように第１４実施形態では、貯留空間１３に存在するリン酸を排気するための第１の排気系構成７１ａ〜７４ａと、精製空間１２に存在するリン酸を排気するための第２の排気系構成７１ｂ〜７４ｂとが個別に設けられる。
【０２４５】
図２２は、本発明の第１４実施形態である白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。第１４実施形態の白リン抽出過程では、貯留空間１３におけるリン酸排気工程およびアウトガスは、第１の排気系統７１ａ〜７４ａを用いる。精製空間１２におけるリン酸排気工程およびアウトガスは、第２の排気系統７１ｂ〜７４ｂを用いる。
【０２４６】
具体的には、ステップｄ１〜ｄ４の工程で、図４に示すステップａ１〜ａ４と同様の工程を順に行う。ステップａ４におけるリン酸排気工程では、第２の排気系統７１ｂ〜７４ｂを用いて行う。次に、ステップｄ５〜ｄ６で、図２０に示すステップｃ４〜ｃ５と同様の工程を行う。ステップｄ６におけるリン酸排気工程では、第１の排気系統７１ａ〜７４ａを用いて行う。次に、ステップｄ７で、第２の排気系統７１ａ〜７４ａを用いて精製空間１２をアウトガスする。次に、ステップｄ８〜ｄ１２で、図２０に示すステップｃ６〜ｃ１０と同様の工程を行う。ステップｄ９では、第１の排気系統７１ａ〜７４ａを用いて貯留空間１３をアウトガスする。
【０２４７】
このように、精製空間１２および貯留空間１３に残留した不純物を除去したうえで、再び第２気化工程を行うことで、精製空間１２および貯留空間１３に存在する不純物をさらに低減させることができる。
【０２４８】
図２３は、本発明の第１５実施形態である分子線源２０Ｎを簡略化して示す断面図である。第１５実施形態の分子線源２０Ｎは、第１４実施形態の分子線源２０Ｍと対応する構成を有し、対応する構成については説明を省略する。第１５実施形態の分子線源２０Ｎは、第１４実施形態の分子線源２０Ｍの構成のうち、リン酸を排気するための２つのポンプ７１ａ，７１ｂが一体となった構成である。具体的には、貯留部連通路２５に連なる排気連通路７２ａと、チャンバー部連通路２６に連なる排気連通路７２ｂとが、それぞれのバルブ７３ａ，７３ｂよりも排気方向下流側で合流して、１つの排気用ポンプ７１に連なる。このような構成であっても、第１４実施形態の分子線源２０Ｍと同様の効果を得ることができる。また第１４実施形態に比べてポンプの数を減らすことができるので、第１４実施形態に比べて小形化することができるとともに、コストを削減することができる。
【０２４９】
図２４は、本発明の第１６実施形態である分子線源２０Ｏを簡略化して示す断面図である。第１６実施形態の分子線源２０Ｏは、充填空間１１と、精製空間１２と、貯留空間１３とに排気系７１ａ〜７４ａ、７１ｂ〜７４ｂ、７１ｃ〜７４ｃがそれぞれ個別に設けられる。連通路にそれぞれバルブ７５，５０，８２が設けられることによって、充填空間１１、精製空間１２、貯留空間１３とに存在する気体をそれぞれ個別に排気することができる。また各排気系は、リン酸排気用ポンプ７１に達するまでの管路にバルブ７３が設けられることによって、気体が不所望にポンプに達することが防がれる。
【０２５０】
このように各空間１１，１２，１３を個別に排気することができるので、効率よく各空間の気体を排気することができる。たとえば精製部から貯留部に白リンを移動するための第２気化工程の後で、精製空間１１に存在する気体のみを排気しながらアウトガスを行うことができるので、精製部２２内の五酸化リンなどの不純物を効率よく除去することができる。
【０２５１】
また充填部２１と精製部２２の間にバルブ７５が設けられているので精製部２２でアウトガスを行うときに充填部２１へ不純物が付着することがない。さらに精製部２２と貯留部２３との間のバルブ５０を閉めることによって精製部２２内のアウトガスを行う際に貯留部２３へ不純物が付着することも抑制できる。また、赤リンを数回に分けて第１気化工程〜第２気化工程〜エピ成長を行う際に、貯留部２３内の白リンが無くなった後に精製部２２、貯留部２３をそれぞれ排気しながらアウトガスを行うことができるために、精製部２２、貯留部２３内の不純物を減らすことが出来る。また、これによって精製部２２、貯留部２３の容積を小さくできるので作製コストを１５％削減することができた。
【０２５２】
図２５は、本発明の第１７実施形態である分子線源２０Ｐを簡略化して示す断面図である。第１７実施形態の分子線源２０Ｐは、充填空間１１と、精製空間１２と、貯留空間１３とにそれぞれ排気系が設けられる。第１７実施形態の分子線源２０Ｐは、第１６実施形態の分子線源２０Ｏの構成のうち、リン酸を排気するための３つのポンプ７１ａ，７１Ｂ，７１ｃが一体となった構成である。具体的には、各排気連通路７２ａ〜７２ｃが、それぞれのバルブ７３ａ，７３ｂ、７３ｃよりも排気方向下流側で合流して、１つの排気用ポンプ７１に連なる。このような構成であっても、第１３〜第１６実施形態の分子線源２０と同様の効果を得ることができる。また第１６実施形態に比べてポンプの数を減らすことができるので、小形化することができるとともに、コストを削減することができる。
【０２５３】
図２６は、本発明の第１８実施形態である分子線源２０Ｑを簡略化して示す断面図である。第１８実施形態の分子線源２０Ｑは、第４実施形態に対応する構成を有し、対応する構成については、同様の符号を付して説明を省略する。
【０２５４】
第１８実施形態である分子線源２０Ｑは、充填部２１と、精製部２２と、充填部ヒータ２７と、精製部ヒータ２８と、充填部熱電対３０ａ，３０ｂと、精製部熱電対３１ａ，３１ｂとを有する。精製部２２は、気化状態の白リンを外方に導くための精製部空間開口が形成される。精製部空間開口を通過した白リンは、チャンバー内に導かれる。本実施の形態では、精製部空間開口を通過した白リンは、解離部８０に移動し、解離部８０で熱エネルギーを与えられた後、チャンバー部１９の成長空間４２に収容される基板４０に向かって移動する。すなわち第１８実施形態の分子線源２０Ｑは、貯留部が存在せず、精製空間とチャンバー部連通路２６とが接続される構成を有する。
【０２５５】
また分子線源２０Ｑは、精製空間１２に存在する気体を排気する精製空間気体排気用ポンプ７１と、リン酸排気用ポンプ７１とチャンバー部連通路２６とを接続する排気連通路７２と、排気連通路７２を開閉する排気用バルブ７３と、排気用バルブ７３を加熱するバルブヒータ７４と、チャンバー部連通路２６を開閉するチャンバー部バルブ５０とをさらに備える。
【０２５６】
この場合、図４に示す白リン抽出過程のうち、第２気化工程を除いた残余の各工程を行うことができる。この場合、第１気化工程を終えたあとに行うリン酸排気工程は、リン酸排気用ポンプ７１を用いて行う。このように第１気化工程とリン酸排気工程を行うことによっても、不純物が少ない白リンをチャンバー部１９に供給することができる。また貯留部２３を省いた構成とすることによって、チャンバー部１９の周囲に分子線源を配置可能な空間が小さい場合であっても、本構成の分子線源２０Ｑを装着することによって、不純物濃度を削減することができる。またリン酸排気工程では、チャンバー部バルブ５０によってチャンバー部連通路を閉鎖しておくことが好ましい。さらに貯留部連通路２４に貯留部バルブ７５が設けられる構成であるならば、リン酸排気工程において貯留部バルブ７５によって貯留部連通路２４を閉鎖しておくことが好ましい。また分子線源の使用方法として、リン酸排気用ポンプ７１に代えてチャンバー部１９に設けられる成長用真空ポンプ４３を用いてもよい。
【０２５７】
上述した各実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば第１〜第１２実施形態において、組合せ可能な構成を適宜構成した分子線源についても本発明に含まれる。また本発明の分子線源２０の使用方法である白リンの抽出過程は、作業者が行ってもよくコンピュータによって制御される駆動手段によって行ってもよい。また白リンの抽出過程における各工程の順序を変更可能な場合は、変更してもよい。
【０２５８】
また本実施の形態では、３つの筐体部２１〜２３および２つの筐体部２１，２２を用いたが、３つ以上の筐体部２１〜２３が形成されてもよい。すなわち精製部２１が複数設けられ、隣接する精製部２１の間でリン酸除去工程と第２気化工程とが順次行われてもよい。これによって白リンの純度をさらに向上することができる。またバルブおよびバルブヒータは、適宜省略することもできる。
【０２５９】
また、本実施例に用いられる筐体部の材質はステンレススチール、タンタル、チタン、などの耐腐食性を有する材質を用いることが望ましい。さらに材料からのアウトガスを少なくするために表面、特にリンと接するところは電解研磨や複合電解研磨などの処理を行うことが望ましい。
【０２６０】
またリン酸排気ポンプは、充填空間１１を介して精製空間１２に存在する気体を排気しなくてもよく、精製空間１２に存在する気体を直接排気してもよい。また上述した白リン抽出過程において、各筐体部２１〜２３に設定される設定温度は、実施の一例であって他の温度であってもよい。また赤リン材料に含まれるリン酸が少ない場合には、リン酸排気工程を行わなくてもよい。また本実施の形態では、各筐体部２１〜２３は、連通路２４〜２６を介して接続されるとしたが、各筐体部２１〜２３は、連通路２４〜２６を介さずに直接接続されてもよい。また本実施の形態に示したポンプは、一例である。たとえば短期間であれば排気用真空ポンプとして、ターボポンプとドライポンプとを併用して用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２６１】
【図１】本発明の第１実施形態である分子線源２０を簡略化して示す断面図である。
【図２】分子線エピタキシャル装置１８を簡略化して示す断面図である。
【図３】白リンとリン酸と五酸化リンとについて、飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。
【図４】照射材料となる白リンを抽出する白リン抽出過程を説明するためのフローチャートである。
【図５】各筐体部２１〜２３における温度と圧力との変化状態を模式的に示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態である分子線源２０Ａを簡略化して示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態である分子線源２０Ｂを簡略化して示す断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態である分子線源２０Ｃを簡略化して示す断面図である。
【図９】第４実施形態の精製部２２を拡大して示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態である分子線源２０Ｄを簡略化して示す断面図である。
【図１１】本発明の第６実施形態である分子線源２０Ｅを簡略化して示す断面図である。
【図１２】本発明の第７実施形態である分子線源２０Ｆを簡略化して示す断面図である。
【図１３】本発明の第８実施形態である分子線源２０Ｇを簡略化して示す断面図である。
【図１４】本発明の第９実施形態である分子線源２０Ｈを簡略化して示す断面図である。
【図１５】本発明の第１０実施形態である分子線源２０Ｉを簡略化して示す断面図である。
【図１６】本発明の第１１実施形態である分子線源２０Ｊを簡略化して示す断面図である。
【図１７】本発明の第１２実施形態である分子線源２０Ｋを簡略化して示す断面図である。
【図１８】本発明の第１３実施形態である分子線源２０Ｌを簡略化して示す断面図である。
【図１９】第１３実施形態での白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。
【図２０】第１３実施形態での他の白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。
【０２６２】
【図２１】本発明の第１４実施形態である分子線源２０Ｍを簡略化して示す断面図である。
【図２２】本発明の第１４実施形態である白リンの抽出過程を説明するためのフローチャートである。
【図２３】本発明の第１５実施形態である分子線源２０Ｎを簡略化して示す断面図である。
【図２４】本発明の第１６実施形態である分子線源２０Ｏを簡略化して示す断面図である。
【図２５】本発明の第１７実施形態である分子線源２０Ｐを簡略化して示す断面図である。
【図２６】本発明の第１８実施形態である分子線源２０Ｑを簡略化して示す断面図である。
【図２７】従来技術のリン分子線源１を簡略化して示す断面図である。
【符号の説明】
【０２６３】
１１  充填空間
１２  精製空間
１３  貯留空間
１８  分子線エピタキシャル装置
１９  チャンバー部
２０  分子線源
２１  充填部
２２  精製部
２３  貯留部
２７，２８，２９  ヒータ
３０，３１，３１  熱電対
４２  成長空間
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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