クヌーセンセルとは
クヌーセンセルとは、高真空中で固体の蒸気を生成するための加熱装置です。
高真空中で物質を蒸発させて、これを基板に貼り付ける方法を分子線エピタキシー(英：Molecular Beam Epitaxy 略：MBE)と呼びます。主に半導体などを製造するときに使用される方法で、非常に高い結晶品質と薄膜の均一性が得られる点が特徴です。分子線エピタキシーを実行するために、対象物を加熱する装置をクヌーセンセルと呼びます。
クヌーセンセルにはヒーターが内蔵されており、金属を蒸発するまで加熱することが可能です。また、高真空中で動作させることもできます。したがって、分子線エピタキシーにおいてなくてはならない存在です。
クヌーセンセルの使用用途
クヌーセンセルは主に分子線エピタキシーによる半導体薄膜成長において使用されます。高真空の厳格に管理された環境下で単結晶薄膜を成長させることが可能です。対象物の蒸気が高真空中で拡散し、基板表面上で凝縮することによって半導体を製造します。
このような物質の薄膜を成長させる技術は、光電子デバイスやレーザーデバイスなどの半導体製造において重要な役割を果たします。成長した薄膜はこれらのデバイスの基礎となる材料として利用され、その性能や特性に直接影響を与えます。そのため、クヌーセンセルは材料科学やデバイス工学において欠かせない技術の一つです。
クヌーセンセルの原理
クヌーセンセルは高真空中での操作を基本とし、対象物の蒸気を発生させるために使用されます。試料が加熱されることで蒸発し、高真空中で拡散して基盤に到達することで薄膜化する仕組みです。一般的にるつぼやヒーター、シール部品、シャッターなどで構成されます。
1. るつぼ
試料を内部に入れて加熱する容器です。通常は高温に耐える耐熱材料として、セラミックスや陶磁器で作られています。これにより、試料を安定して加熱し、蒸発させることが可能です。
2. ヒーター
試料を加熱するための熱源として、ヒーターなどを使用されることが多いです。ヒーターには電気抵抗ヒーターやレーザーなどが使用されます。試料を一定の温度に保つことができるように設計されており、温度調節計などを使用してヒーターの温度を調節します。これにより試料の蒸発速度や蒸気成分を制御することが可能です。
3. シール部
シール部は装置を高真空に保持し、外部からの気体や不純物の侵入を防ぐ部品です。高真空容器の開口部を密封する役割を果たします。一般的にはフランジなどを使用されることが多いです。
高真空を保つために、接合部には銅や銀などのガスケットを使用することが多いです。これにより、フランジ結合部をしっかりと密着させることができます。シール性能を測る際はヘリウムガスなどを使用して測定します。
4. シャッター
シャッターは試料の蒸着可否を制御するために使用される部品です。開閉可能な機構を有し、手動または自動の操作によって開閉します。円形または矩形の形状をしており、試料が基板へ蒸着するのを止める役割を果たします。
耐熱性や耐腐食性がある材料で作られることが一般的です。ステンレス鋼やタングステンなどがその一例です。また、
クヌーセンセルの選び方
クヌーセンセルを選ぶ際は以下の要素を考慮することが重要です。
1. 昇温可能温度
クヌーセンセルの昇温可能温度は、試料を加熱して蒸発させるための重要なパラメータです。試料の蒸発特性や実験の目的に合わせて選定する必要があります。一般的に高い昇温可能温度を持つクヌーセンセルほど、より多くの種類の試料を扱うことができます。
2. 使用可能真空度
使用可能な真空度は、クヌーセンセルが高真空下で安定して動作する能力を示す指標です。真空度が高いほど外部の不純物の影響を最小限に抑えることができます。また、より高精度で信頼性の高い薄膜生成が可能です。
3. るつぼ容量
るつぼ容量は一度に処理できる試料の量を決定する指標です。試料の量や形状、規模に応じてるつぼ容量を選択する必要があります。
4. シャッター制御
シャッターの開閉方式には手動および自動の選択肢があります。手動のシャッターは、操作レバーやスイッチを使用して開閉します。一方、自動のシャッターはコンピューターコントロールやプログラムによって制御することが可能です。