(57)【要約】【課題】同一の分子線材料を有する分子線セルを複数有する分子線エピタキシャル装置の稼動率を向上させ、かつ、成膜において高い再現性を実現する、分子線エピタキシャル装置の制御装置を提供する。【解決手段】分子線エピタキシャル装置１００の制御装置１１８は、同一の分子線材料１０５を有する複数の分子線セル１０７について、各分子線セル１０７内の分子線材料１０５の残量を求める残量算出部４０５と、次回の成膜における各層での同一の分子線材料１０５の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セル１０７における設定を変更したものについて、次回の成膜後の当該各分子線セル１０７に残存する分子線材料１０５の予測消費時間を算出する予測消費時間算出部４０６と、上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セル１０７における設定を決定するセル設定決定部４０７とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の分子線材料を有する複数の分子線セルを備え、複数の層からなる結晶膜を成膜する分子線エピタキシャル装置の制御装置において、
同一の分子線材料を有する複数の分子線セルについて、各分子線セル内の分子線材料の残量を求める残量算出手段と、
次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出する予測消費時間算出手段と、
上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定するセル設定決定手段と、
を備えたことを特徴とする分子線エピタキシャル装置の制御装置。
【請求項２】
上記分子線セルの設定には、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、及び分子線の照射と待機との切り替え、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシャル装置。
【請求項３】
上記予測消費時間算出手段は、上記同一の分子線材料を有する複数の分子線セルの成膜における用途を変更した組み合わせ毎に次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の分子線エピタキシャル装置の制御装置。
【請求項４】
上記残量算出手段は、上記各分子線セルの使用履歴を用いて当該各分子線セルの材料の消費量の推定、及び前記各分子線セルの測定、の少なくともどちらか一方を行い上記各分子線セル内の分子線材料の残量を算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分子線エピタキシャル装置の制御装置。
【請求項５】
上記残量算出手段は、上記各分子線セルの、分子線材料の初期充填量、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、分子線の照射と待機との切り替え、および分子線セル固有の単位時間当たりの分子線照射量、を基に上記分子線材料の残量を算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分子線エピタキシャル装置の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の分子線エピタキシャル装置の制御装置を備えることを特徴とする分子線エピタキシャル装置。
【請求項７】
同一の分子線材料を有する複数の分子線セルを備え、複数の層からなる結晶膜を成膜する分子線エピタキシャル装置の制御方法において、
同一の分子線材料を有する複数の分子線セルについて、各分子線セル内の分子線材料の残量を求める残量算出ステップと、
次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更したものについて、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出する予測消費時間算出ステップと、
上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定するセル設定決定ステップと、
を含むことを特徴とする分子線エピタキシャル装置の制御方法。
【請求項８】
請求項１〜５の何れか１項に記載の分子線エピタキシャル装置の制御装置を動作させるための制御プログラムであって、コンピュータを上記分子線エピタキシャル装置の制御装置における上記各手段として機能させるための分子線エピタキシャル装置制御プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の分子線エピタキシャル装置制御プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶膜を形成させる分子線エピタキシャル装置の成膜制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造方法において、基板上に分子線材料を用いて所望の半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる方法の１つに、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）がある。この方法は、真空中に置かれ、分子線材料が入れられた坩堝を加熱し、この坩堝から発生した分子線を、同じく真空中に置かれ、適正な温度に保持された基板上に照射させ、結晶成長させるものである。
【０００３】
このようなＭＢＥ法を用いて半導体結晶膜を成長させる従来の分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）について説明する。図８は、従来のＭＢＥ装置５００の一例を示す図である。ＭＢＥ装置５００は、成膜室５０１の中央に基板加熱ヒータ５０４と基板５０２を保持するマニピュレータ５０３とを備えている。また、ＭＢＥ装置５００には、基板５０２の下方に、分子線材料５０５を坩堝５０６内に充填した分子線セル５０７が、坩堝５０６の開口部を基板５０２の表面に向けて設置されている。ＭＢＥ装置５００を用いて結晶成長を行う場合、基板５０２を所定の温度まで加熱し、かつ、坩堝５０６も所定の温度まで加熱して、坩堝５０６内に充填した分子線材料５０５の分子を分子の流れ（分子線）として基板５０２の表面まで移動させる。分子線セル５０７と基板５０２の表面との間にはセルシャッター５０８が配置されている。セルシャッター５０８の開閉によって分子線を変化させ、基板５０２の表面に形成される結晶膜の厚さを制御する。
【０００４】
図９は、上記従来の分子線セル５０７の構成を詳細に示す図である。図９に示すように、分子線セル５０７は、その内部に分子線材料５０５を充填する坩堝５０６を備えている。また、坩堝５０６の周囲には坩堝５０６を加熱するセルヒータ５０９が配置されている。また、坩堝５０６の温度を計測する熱電対５１０が少なくとも１個、坩堝５０６に近接もしくは接触して配置されている。セルヒータ５０９の周囲には、輻射シールド５１１がセルヒータ５０９を取り囲むように配置され、セルヒータ５０９から放射される輻射熱が分子線セル（分子線源セル）５０７の外部に放射することを防いでいる。上記構成要素はすべて、分子線セル５０７のベースとなるフランジ５１２に固定されている。フランジ５１２には、電力導入端子５１３が取り付けられている。電力導入端子５１３は、セルヒータ５０９と接続され、セルヒータ５０９へ電力供給を行っている。また、フランジ５１２には、熱電対導入端子５１４が取り付けられている。熱電対導入端子５１４は、熱電対５１０と接続され、坩堝５０６の温度を外部へ出力している。
【０００５】
熱電対導入端子５１４は、温度制御手段である温度調節装置５１５に接続され、温度調節装置５１５は、熱電対５１０の出力信号が設定された値となるように変温手段である電源装置５１６を制御する。電源装置５１６は、温度調節装置５１５の指示に従って、セルヒータ５０９に電力を供給する。したがって、温度調節装置５１５が設定した温度となるように、坩堝５０６の温度が制御され、適切な分子線が発生するように設定される。坩堝５０６内の分子線材料５０５はセルシャッター５０８が閉じている間も、セルシャッター５０８を開いて照射するときの立ち上がりの遅れを無くすために、ある一定温度に保たれる。そのため、待機中も分子線材料５０５は坩堝５０６内で蒸発して、分子線材料５０５の量は減少していく。
【０００６】
ＭＢＥ装置５００は、装置内部に配置された分子線セル５０７の坩堝５０６に充填された分子線材料５０５を用いて、基板５０２の表面に半導体薄膜として結晶を成長させる装置である。したがって、結晶成長を行う毎に坩堝５０６内の分子線材料５０５は減少してゆく。坩堝５０６内の分子線材料５０５が枯渇した時点で、ＭＢＥ装置５００は結晶成長を行うことができなくなる。そのため、通常、真空状態にある成膜室５０１内を大気圧に戻し、坩堝５０６に分子線材料５０５を再充填する必要がある。再充填後に成膜室５０１内を真空状態に戻すには、大幅な時間の消費を伴うことから、ＭＢＥ装置５００で電子デバイスの生産を行う場合、上記の分子線材料５０５の再充填作業が必要となる時期を正確に予測して、電子デバイスの生産計画を立てることが望ましい。ところが、坩堝５０６内の分子線材料５０５の残量を正確に知ることは困難であり、従来は経験と勘に頼って残量を予測し、生産計画を立てていた。したがって、分子線材料５０５の残量の予測を誤ると、電子デバイスの生産計画に大きな齟齬を生じ、莫大な損害が発生することになった。
【０００７】
このため、坩堝内の分子線材料の残量を、真空状態を破らずに知る方法が複数提案されている。例えば、坩堝の内壁の深さ方向に２ヶ所の電極を設け、分子線材料が電極位置より下になった状態を導通の有無で判断する方法がある（特許文献１参照）。また、超音波発信器と、分子線材料の液面からの反射波を受信する超音波受信器とを坩堝の底部に設け、超音波発信器から発せられたパルス超音波が分子線材料の液面で反射されて、超音波受信器に到達するまでの時間から、分子線材料の液面の位置を検出する方法がある（特許文献２参照）。しかし、坩堝内の分子線材料の残量を検出する手段として、上述の特許文献１に示すような電極を複数設ける方法は、分子線材料の残量が特定の分子線材料の量よりも多いか少ないか、という不連続的な情報しか得られないという欠点がある。また、特許文献２に示すような分子線セルに超音波受信器・発信器という新たな機構を付加する方法は、分子線材料の充填量の連続的な変化を計測できるという利点がある。しかし、計測手段が比較的大掛かりであり、コストと故障確率の上昇という欠点を有する。
【０００８】
これらに対し、坩堝の温度情報に基づき、坩堝の熱質量を推定する熱質量推定手段を設けることにより、坩堝内の分子線材料の残量を推定する方法がある（特許文献３参照）。特許文献３に示すような、検出温度の情報に基づき坩堝の熱質量を推定する方法では、分子線セルに新たな付加機構を設けることなく、分子線セルの坩堝内の、分子線材料の充填量を推定できる点で有効である。
【０００９】
しかしながら、分子線材料の残量の把握についての問題以外にも、ＭＢＥ装置での結晶成長プロセスにおいて、次のような問題がある。この問題について、ＭＢＥ法によるＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザによる従来の半導体素子の製造法について、図１０（ａ）および（ｂ）を参照に説明する。
【００１０】
図１０（ａ）に示す様に、ｎ−ＧａＡｓ基板６００上に、ＭＢＥ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓバッファ層６０１、ｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5層６０２、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層６０３、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層６０４、ｐ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層６０５、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層６０６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層６０８を順次成長させる。
【００１１】
ここで、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７とｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層６０８とにおいて、ドーピング濃度は重要であり、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７では５×１０１８ｃｍ−３、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層６０８では１×１０１９ｃｍ−３と設定する。これは、一方で、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７のドーピング濃度が低すぎる場合、ｐ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層６０５およびｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層６０６の間で、価電子帯のヘテロ障壁の影響が大きくなり、素子の駆動電圧が上昇するためである。他方で、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７のドーピング濃度が高すぎると、ドーパントの拡散により活性層やクラッド層の不純物濃度が不安定となり、素子の駆動電流の上昇や素子の信頼性の悪化が起こるからである。また、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層６０８のドーピング濃度は、電極コンタクト抵抗を低減させるために高くしている。
【００１２】
次に、図１０（ｂ）に上記のｐ−ＧａＡｓキャップ層６０７、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層６０８を成長させるときの各分子線セルの分子線量と成長時間との関係を示す。半導体結晶膜を成長させるために、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅの分子線材料の入った分子線セル（セル）をそれぞれ１個づつ使用して、連続的に異なるドーピング濃度の層を成長させる。なお、ｐ型ドーパント材料のＢｅの分子線量は、実際は、半導体構成元素となる材料用のＧａやＡｓの分子線量に比べてはるかに少ないが、図１０（ｂ）では、拡大して図示している。
【００１３】
従来は、図１０（ｂ）に示すようにＧａ、Ａｓの分子線を一定にし、Ｂｅのセル温度を上昇させることにより、分子線量を増加させていた。したがって、ドーピング濃度は、勾配をもって変化したものとなっている。しかしこの場合、周囲の温度の違いやドーパント材料の量や充填方法によって、勾配は一定とならず、結晶の成長ごとに再現性がとれない。このような原因により、半導体素子の特性が不安定となってしまう。
【００１４】
上記問題を解決するために、ＭＢＥ装置での結晶成長のプロセスにおいて、所望の層の同一分子線材料に対する原料の供給を複数の分子線セルを用いて行う、改良された従来の半導体素子の製造方法が提案されている（特許文献４参照）。この改良された従来の方法を用いると、複数の層を積層して半導体素子を製造する際に、ドーピング濃度を急峻かつ再現性よく制御できる。この改良された従来の半導体素子の製造方法について図１１（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。
【００１５】
図１１（ａ）に示す様に、ｎ−ＧａＡｓ基板７００上に、ＭＢＥ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓバッファ層７０１、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層７０２、Ｇａ0.4Ｉｎ0.6Ｐ活性層７０３、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層７０４、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層７０５を順次成長させる。さらにその上に、ｐ−ＧａＡｓ層７０６（ｐ＝５×１０１８ｃｍ−３、厚さ４μｍ）、ｐ＋−ＧａＡｓ層７０７（ｐ＝１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）をＭＢＥ法で成長させる。
【００１６】
図１１（ｂ）に上記のｐ−ＧａＡｓ層７０６と、ｐ＋−ＧａＡｓ層７０７とを成長させるときの各分子線セルの分子線量と成長時間との関係を示す。半導体結晶膜を成長させるために、ＡｓおよびＢｅは、それぞれ１つずつの分子線セルを使用する。また、ｐ−ＧａＡｓ層７０６をＧａ１セル、ｐ＋−ＧａＡｓ層７０７をＧａ２セルを用いて、それぞれＧａの分子線を発射するように設定して、成長させる。したがって、２個のＧａセルを用いる。図１１（ｂ）に示す様に、ｐ＋−ＧａＡｓ層７０７は、ｐ−ＧａＡｓ層７０６に比べＧａの分子線量が２分の１となっているため、Ｂｅの分子線セル（Ｂｅセル）からの分子線量は一定であるが、ドーピング濃度を２倍とすることができる。しかも、Ｇａセルの切り替えは瞬時に行えるため、１個づつの分子線セルを使用した場合に比べて急峻なドーピング濃度変化が得られる。
【００１７】
しかし、図１１（ｂ）で説明した改良された従来の半導体素子の製造方法を用いた場合でも、ドーピング濃度が不均一になってしまうという問題が残る。これは、ｐ＋−ＧａＡｓ層７０７の成長開始した直後、Ｇａ２セルより発射される分子線強度に変動が現われることによって起こる。この変動が現われるのは、セルシャッターが閉じている時には、セル内部の熱輻射がセルシャッターで反射し分子線材料表面の温度を上昇させるのに対し、セルシャッターを開けた直後に熱輻射の反射がなくなるので、急激に分子線材料の表面の温度が低下するためである。特に、大型の分子線セルに多量の分子線材料を充填する必要のある量産用ＭＢＥ装置では、上記分子線量の変動値は大きな値となる。Ｇａ２セルでは、ｐ−ＧａＡｓ層７０６を成長中セルシャッターが閉じられているため、坩堝内部の温度が高い。したがって、セルシャッターを開いた直後の分子線量は相対的に大きいが、その後、坩堝が冷却されると分子線強度が低下する。この変動の程度（変動値）、つまり、分子線量の最大値と最小値の差は、通常の成長時のＧａの分子線量の１０〜３０％に達する。また変動値は、周囲の温度や分子線材料充填量などにより変化するため、ドーピング濃度の変動の再現性に問題が残ることになる。
【００１８】
ただし、このドーピング濃度の変動の再現性の問題を解決するための方法も提案されている。例えば、所望の層の同一分子線材料に対する原料の供給を、複数の分子線セルを用いて行い、隣接したドーピング濃度が異なる層を形成するときに、複数の分子線セルのうちの少なくとも１つを閉じて、連続した層の形成を行う方法である（特許文献５参照）。この方法では、分子線セルのうちの少なくとも１つを閉じることにより、ドーピング濃度を変えることができるため、坩堝開放時の分子線過渡現象がほとんど生じることはない。また、複数の分子線セルの分担する分子線量を低くすることで、分子線過度応答の絶対量を飛躍的に低減させる方法（特許文献６参照）も提案されている。
【００１９】
また、同一材料の複数のドーパント用分子線用発生源を用いることで、界面での濃度落ち込みを無くす方法が提示されている（特許文献７参照）。さらに、複数ある同一の分子線セルを数種の分子線材料に用いることで、隣接する混晶層の瞬時の切り替えを可能にする方法が提案されている（特許文献８参照）。
【００２０】
特許文献４〜８に示す方法のように、同一の分子線材料に複数の分子線セルを用いると、急峻なドーピング濃度変化が可能となり、また、分子線の過渡現象を抑え、ドーピング濃度の変動の再現性を向上させることができる。
【特許文献１】特開平３−２７５５９２号公報（１９９１年１２月６日公開）
【特許文献２】特開昭６３−８５０８９号公報（１９８８年４月１５日公開）
【特許文献３】特開２００４−１８９５３９号公報（２００４年７月８日公開）
【特許文献４】特開平１１−３５４４５０号公報（１９９９年１２月２４日公開）
【特許文献５】特開２００１−１５４３６号公報（２００１年１月１９日公開）
【特許文献６】特開２０００−３０７１９８号公報（２０００年１１月２日公開）
【特許文献７】特開平８−３４０１３７号公報（１９９６年１２月２４日公開）
【特許文献８】特開平１１−３３０６２３号公報（１９９８年１１月３０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかし、上記に説明したように、特許文献４〜８に記載されたような方法では、同一の分子線材量を不均一に消費してしまうことになる。これは、次のような理由からである。同一の分子線材料に複数の分子線セルを用いる方法では、セルシャッターが閉じている待機中の状態でも、分子線セル内の材料がセルシャッターを開いて分子線を照射するときの立ち上がりの遅れを無くすために、分子線セルがある一定温度に保たれている。このことから、待機中でも材料がセル内で蒸発し材料の量は減少している。このように、同一の分子線材料に複数の分子線セルを用いる方法では、各分子線セルの状態がセルシャッターの開閉状態により分子線の照射と待機とに使い分けられることから、照射時と待機時では分子線材料の消費量に差が生じる。さらに待機中の分子線材料の蒸発によって減少する量も、待機していた時間により差が生じる。これらのことから、各分子線セルが置かれていた照射および待機の状態の時間と、セルシャッターの開閉の頻度との組み合わせの違いにより、各分子線セルで分子線材料の消費に偏りが生じる。このような同一の分子線材料の不均一な消費によって、エピ毎の結晶膜の再現性が悪くなっているという問題がある。
【００２２】
また、複数の分子線セルのうちのいずれかの分子線材料が枯渇すれば、ＭＢＥ装置の稼動が停止され、真空状態にある成膜室内を大気圧に戻し、分子線セルに分子線材料を再充填する必要がある。そのため、複数の分子線セルのうち分子線材料の使用量の多い分子線セルにＭＢＥ装置の稼働時間が制約されてしまう。よって、早く分子線材料が尽きるセルと多量の残存があるセルとが存在すると、ＭＢＥ装置の稼働率が悪くなる。
【００２３】
本発明の目的は、同一の分子線材料を有する分子線セルを複数有する分子線エピタキシャル装置の稼動率を向上させ、かつ、成膜において高い再現性を実現する、分子線エピタキシャル装置の制御装置、分子線エピタキシャル装置、分子線エピタキシャル装置の制御方法、分子線エピタキシャル装置制御プログラム、およびコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置は、上記課題を解決するために、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルを備え、複数の層からなる結晶膜を成膜する分子線エピタキシャル装置の制御装置において、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルについて、各分子線セル内の分子線材料の残量を求める残量算出手段と、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出する予測消費時間算出手段と、上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定するセル設定決定手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御方法は、上記課題を解決するために、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルを備え、複数の層からなる結晶膜を成膜する分子線エピタキシャル装置の制御方法において、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルについて、各分子線セル内の分子線材料の残量を求める残量算出ステップと、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更したものについて、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出する予測消費時間算出ステップと、上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定するセル設定決定ステップと、を含むことを特徴としている。
【００２６】
上記構成および上記方法によると、同一分子線を有する複数の分子線セルにおける分子線材料の残量を算出し、次回の成膜における各分子線セルの設定を、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セルにおける分子線材料の予測消費時間の差が小さくなるように決定する。
【００２７】
次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま行うことができるので、ドーピングの濃度が均一とすることができる。そして、予測消費時間の差を小さくすることができるので、分子線材料の枯渇までの時間を、どの分子線セルにおいても、常に略一定にすることができる。つまり、ある分子線セルの分子線材料だけが他の分子線セルより早く枯渇するというような、各分子線セルにおける分子線材料の不均一な消費を抑えることが可能である。
【００２８】
このように、ドーピングの濃度を均一とすることができ、同一の分子線材料の不均一な消費の解消を行うことができるので、常に高い再現性にて成膜をすることができる。
【００２９】
また、同一の分子線材料の不均一な消費の解消により、分子線材料の枯渇にともなって真空状態を破り分子線セルに分子線材料を再充填するという、大幅に時間を消費する工程の頻度を低下させることができる。よって、分子線エピタキシャル装置の稼働率を向上させることができる。
【００３０】
なお、予測消費時間の差が小さくなるように次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定する、とは、分子線セルが３つ以上あるときは、各分子線セルにおける設定を変えたものについて、各分子線セルの差分値の平均値を求め、その差分値の平均値を比較して小さいものを選ぶものとする。
【００３１】
また、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置は、上記構成に加え、上記分子線セルの設定には、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、及び分子線の照射と待機との切り替え、の少なくとも１つを含んでもよい。
【００３２】
上記構成によると、分子線セルの設定において、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、及び分子線の照射と待機との切り替え、の少なくとも１つを変更させて、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出し、変更したもののうち、予測消費時間の差が小さくなるものを選んで、次回の成膜での各分子線セルにおける設定を決定することができる。
【００３３】
また、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置では、上記構成に加え、上記予測消費時間算出手段は、上記同一の分子線材料を有する複数の分子線セルの成膜における用途を変更した組み合わせ毎に次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出してもよい。
【００３４】
上記構成によると、各分子線セルの成膜における用途を変更した組み合わせ毎に、予測消費時間を算出する。ここで、用途とは、結晶膜の成膜においてどの層に使用しどの層では使用しないかを決めるものである。用途を変更した組み合わせ毎に予測算出時間を算出して、その中の予測算出時間の差が小さい組み合わせを基に、次回の成膜での各分子線セルにおける設定を決定することができる。
【００３５】
また、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置では、上記構成に加え、上記残量算出手段は、上記各分子線セルの使用履歴を用いて当該各分子線セルの材料の消費量の推定、及び前記各分子線セルの測定、の少なくともどちらか一方を行い上記各分子線セル内の分子線材料の残量を算出してもよい。
【００３６】
上記構成によると、使用履歴を用いて消費量の推定を行うことで分子線材料の残量を算出する、あるいは、実際に分子線セルを測定して分子線材料の残量を算出する。ここで、使用履歴とは、例えば、分子線の照射に使用された時間、制御温度等が挙げられるが、これらに限定はされない。ここで、同一材料を有する複数の分子線セルにおいて、仮に、測定ができなくなった分子線セルが出たとしても、その分子線セルについては推測を行い、他の測定できる分子線セルについては実測を行う、というように、推測と測定とを併用して分子線材料の残量の算出を行うことができる。つまり、どのような状態であれ、残量を算出することができる。
【００３７】
また、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置では、上記構成に加え、上記残量算出手段は、上記各分子線セルの分子線材料の、初期充填量、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、分子線の照射と待機との切り替え、および分子線セル固有の単位時間当たりの分子線照射量、を基に上記分子線材料の残量を算出してもよい。
【００３８】
上記構成によると、各分子線セルの分子線材料の、初期充填量、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、分子線の照射と待機との切り替え、および分子線セル固有の単位時間当たりの分子線照射量は、成膜において測定されるものであるので、これらを測定するだけで、分子線セルに新たな付加機構を設けることなく、分子線セル内の分子線材料の充填量を正確に推定することができる。
【００３９】
本発明に係る分子線エピタキシャル装置は、上記課題を解決するために、上記の何れかの分子線エピタキシャル装置の制御装置を備えることを特徴としている。
【００４０】
上記構造によれば、稼動率を向上させ、かつ、高い再現性を実現して半導体結晶を成膜することができる。
【００４１】
また、上記分子線エピタキシャル装置の制御装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記分子線エピタキシャル装置の制御装置における上記各手段として動作させることにより上記分子線エピタキシャル装置の制御装置をコンピュータにて実現させる分子線エピタキシャル装置制御プログラム、及びその分子線エピタキシャル装置制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
【００４２】
これらの構成によれば、分子線エピタキシャル装置制御プログラムを、コンピュータに読み取り実行させることによって、上記分子線エピタキシャル装置の制御装置と同一の作用効果を実現することができる。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように、本発明に係るエピタキシャル装置の制御装置は、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルについて、各分子線セル内の分子線材料の残量を求める残量算出手段と、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セルに残存する分子線材料の予測消費時間を算出する予測消費時間算出手段と、上記予測消費時間の差が小さくなるように、次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定するセル設定決定手段と、を備えている。
【００４４】
上記構成によると、同一分子線を有する複数の分子線セルにおける分子線材料の残量を算出し、次回の成膜における各分子線セルの設定を、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セルにおける分子線材料の予測消費時間の差が小さくなるように決定する。
【００４５】
次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま行うことができるので、ドーピングの濃度が均一とすることができる。そして、予測消費時間の差を小さくすることができるので、分子線材料の枯渇までの時間を、どの分子線セルにおいても、常に略一定にすることができる。つまり、ある分子線セルの分子線材料だけが他の分子線セルより早く枯渇するというような、各分子線セルにおける分子線材料の不均一な消費を抑えることが可能である。
【００４６】
このように、ドーピングの濃度を均一とすることができ、同一の分子線材料の不均一な消費の解消を行うことができるので、常に高い再現性にて成膜をすることができる。
【００４７】
また、同一の分子線材料の不均一な消費の解消により、分子線材料の枯渇にともなって真空状態を破り分子線セルに分子線材料を再充填するという、大幅に時間を消費する工程の頻度を低下させることができる。よって、分子線エピタキシャル装置の稼働率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本発明に係る分子線エピタキシャル装置の制御装置１１８を備えた分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）１００の概略図である。ＭＢＥ装置１００は、同一の分子線材料を有する複数の分子線セル１０７を備えており、複数の層からなる結晶膜を成膜するものである。
【００４９】
図１に示すように、ＭＢＥ装置１００は、成膜室１０１、マニピュレータ１０３、基板加熱ヒータ１０４、坩堝１０６を備えた分子線セル（分子線原セル、セル）１０７、セルシャッター１０８、シャッター制御装置１１５、電源装置１１６、温度調節装置１１７、制御装置１１８、記憶装置４０を備えている。坩堝１０６の中には分子線材料（セル材料）１０５が充填されている。
【００５０】
図１では、基板１０２に半導体結晶膜をエピタキシャル成長させるように、基板１０２がマニピュレータ１０３により保持されている。
【００５１】
ここで、ＭＢＥ装置１００は、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルを備えおり、分子線セル（セル）１０７は複数ある。そのため、分子線セルまたは分子線セルに関する各構成をそれぞれ区別する際には、分子線セル１０７ａ，分子線セル１０７ｂ…、また、坩堝１０６ａ，坩堝１０６ｂ…のように、部材番号の後ろに英字を添えるものとする。区別する必要がない場合には、つまり、全ての分子線セルあるいは、全ての分子線セルに関する各構成に当てはまる説明の場合には、部材番号の後ろに英字を添えない。
【００５２】
成膜室１０１は、内部に基板１０２を配置させ、同じく内部に配置させた分子線セル１０７からの分子線材料１０５により、基板１０２上半導体結晶膜をエピタキシャル成長させるための空間をなすものである。成膜室１０１は、コンプレッサー等により真空引きされ真空状態となっている。
【００５３】
マニピュレータ１０３は、基板１０２を保持するために成膜室１０１内に設けられている。
【００５４】
基板加熱ヒータ１０４は、結晶成長を行う場合、基板１０２を所定の温度まで加熱できるように設けられている。
【００５５】
分子線セル１０７は、成膜室１０１内で基板１０２と対面した位置に、坩堝１０６の開口部を基板１０２の表面に向けて設置される。また、分子線セル１０７は、複数配置される。なお、図１では、分子線セルは２個のみ記載している。分子線セル１０７では、結晶成長を行う場合、坩堝１０６を所定の温度まで加熱して、坩堝１０６内に充填した分子線材料（セル材料）１０５の分子を分子の流れ（分子線）として基板１０２の表面まで移動させる。なお、分子線セル１０７の温度制御については、後段に詳しく説明する。
【００５６】
セルシャッター１０８は、分子線セル１０７と基板１０２の表面との間に配置される。セルシャッター１０８の開閉は、セルシャッター制御装置１１５ａにて制御され、セルシャッター１０８の開閉により、分子線セル１０７からの分子線の量が変化されて、基板１０２の表面に形成される結晶膜の厚さが制御される。
【００５７】
電源装置１１６は、分子線セル１０７の後述するセルヒータ１０９へ電力供給を行う。電力供給については、後段の分子線セル１０７の温度制御の説明にて、詳しく説明する。
【００５８】
温度調節装置１１７は、坩堝１０６の温度を調整する。この温度の調整については、後段の分子線セル１０７の温度制御の説明にて、詳しく説明する。
【００５９】
制御装置１１８は、制御装置１１８とシャッター制御装置１１５、電源装置１１６及び温度調節装置１１７等のＭＢＥ装置１００における各種構成の動作を統括的に制御する。また、制御装置１１８は、残量算出部４０５、予測消費時間算出部４０６、セル設定決定部４０７、レシピ決定部４０８として機能する。
【００６０】
残量算出部４０５は、各分子線セル１０７の分子線材料１０５の残量（材料残量）を算出する。本実施形態では、残量算出部４０５は、熱容量推定部４０３と消費量推定部４０４とを備えているものとするが、どちらか一方のみを備えていてもよい。
【００６１】
熱容量推定部４０３は、坩堝の熱容量を推定することで分子線材料の消費量を推定する。
【００６２】
消費量推定部４０４は、各々の分子線セルについての単位時間当たりの消費量のデータベースである単位時間当たりの消費量データベース４０１および、各々の分子線セルについて実行したレシピの履歴のデータベースであるレシピ履歴データベース４０２の２つのデータベースを基に、各分子線セル１０７の分子線材料の消費量を推定する。
【００６３】
残量算出部４０５は、熱容量推定部４０３あるいは消費量推定部４０４により推定された分子線材料の消費量と、初期充填量との関係から、分子線材料１０５の残量を算出する。なお、分子線材料の消費量を、熱容量推定部４０３あるいは消費量推定部４０４により推定するかについては、予め決めておいて、以下で説明するレシピ毎、分子線セル１０７毎で変えることはない。例えば、経験的に算出精度の良い方に固定することになる。
【００６４】
予測消費時間算出部４０６は、残量算出部４０５が算出した材料残量と単位時間当たりの消費量データベース４０１を基に、各分子線セル１０７の分子線材料１０５の予測消費時間を算出する。予測消費時間算出部４０６は、成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セル１０７における設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セル１０７に残存する分子線材料の予測消費時間を算出する。本実施形態では、予測消費時間算出部４０６が予測消費時間を算出するとき、各分子線セル１０７における設定を変更したものがレシピパターンとして作成されるようになっている。そのため、予測消費時間が異なる複数のレシピパターンが作成される。
【００６５】
セル設定決定部４０７は、同一の分子線材料を有する複数の分子線セル１０７において、予測消費時間算出部４０６が算出した予測消費時間の差が小さくなるように、各分子線セル１０７における設定を決定する。分子線セル１０７の設定には、成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配、及び分子線の照射と待機との切り替えが含まれるものとする。本実施形態では、セル設定決定部４０７は、予測消費時間の差が小さくなるレシピパターンを選ぶことで、セルの設定を決定する。なお、設定の決定の仕方については、後述する。
【００６６】
レシピ決定部４０８は、セル設定決定部４０７が選択したレシピパターンを実行レシピとしてレシピ履歴データベース４０２に保存する。そして、選択されたレシピパターンにて成膜が行われる。レシピは、例えば、いくつかのステージで構成され、各ステージ中には各分子線セル１０７のセルシャッター１０８の開閉、セルヒータの制御温度、温度勾配等の情報が設定されている。セルシャッター１０８開閉の情報はシャッター制御装置１１５へ、セルヒータの制御温度、温度勾配の情報は温度調節装置１１７へ、各ステージ毎に制御装置１１８から送られ、送られた情報にて成膜を実行する。レシピ作成の詳細については、後述する。
【００６７】
なお、本実施形態では、予測消費時間の差が小さくなるレシピパターンを選ぶことで、セルの設定を決定し、その選択したレシピパターン（実行レシピ）を基に成膜が行われる。しかし、予測消費時間算出部４０６がレシピパターンを作成しなくてもよい。つまり、予測消費時間算出部４０６が成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セル１０７における設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セル１０７に残存する分子線材料の予測消費時間を算出だけして、その予測消費時間の差が小さくなるように、セル設定決定部４０７が各分子線セル１０７における設定を決定してもよい。そして、その決定した設定の情報をそのままシャッター制御装置１１５、温度調節装置１１７等に送って、成膜が行われてもよい。この場合、レシピ決定部４０８は、セル設定決定部４０７が決定した各分子線セル１０７の設定を、レシピとして作成して、レシピ履歴データベース４０２に記憶させるようになる。
【００６８】
記憶装置４０は、ハードディスクなどの不揮発性の記憶装置によって構成される。記憶装置４０には、各分子線セル１０７毎に、単位時間当たりの消費量データベース４０１、また、各分子線セル１０７毎に、レシピ履歴データベース４０２が記憶されている。
【００６９】
単位時間当たりの消費量データベース４０１は、各分子線セル１０７の設定温度・セル残量に対する単位時間当たりの消費量を実験的または経験的に求めて、データベースとしたものである。
【００７０】
また、レシピ履歴データベース４０２は、成膜を実行する（エピを実行する）ごとに各分子線セルの設定、詳細には、セルシャッター１０８の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）、制御温度、温度勾配及び成長時間の情報をデータベースとして構築したものである。
【００７１】
ここで、分子線セル１０７の温度制御について、図２を用いて詳しく説明する。坩堝１０６の周囲には坩堝１０６を加熱するセルヒータ１０９が配置されている。また、坩堝１０６ａの温度を計測する熱電対１１０が少なくとも１個、坩堝１０６に近接もしくは接触して配置されている。セルヒータ１０９の周囲には、輻射シールド１１１がセルヒータ１０９を取り囲むように配置され、セルヒータ１０９から放射される輻射熱が分子線セル１０７の外部に放射することを防いでいる。上記各構成部材はすべて、分子線源セル１０７のベースとなるフランジ１１２に固定されている。フランジ１１２には、電力導入端子１１３が取り付けられており、電力導入端子１１３は、電源装置１１６とセルヒータ１０９とを接続している。電源装置１１６は電力導入端子１１３を介して、セルヒータ１０９へ電力供給を行っている。また、フランジ１１２には、熱電対導入端子１１４が取り付けられており、熱電対導入端子１１４は、熱電対１１０とを接続しており、熱電対１１０により測定した坩堝１０６の温度を、外部へ、つまり、温度調節装置１１７へ、出力する。
【００７２】
熱電対１１０からの出力信号は、温度調節装置１１７が受信し、温度調節装置１１７は、熱電対１１０の出力信号が、セル設定決定部４０７により設定された値となるように（あるいは、レシピ作成部が作成したレシピにより設定された値になるといってもよい）電源装置１１６を制御する。そして、電源装置１１６は、温度調節装置１１７の制御に基づき、セルヒータ１０９に電力を供給する。したがって、セル設定決定部４０７により設定された温度となるように、坩堝１０６の温度が制御され、適切な分子線が発生するようになる。
【００７３】
次に、残量算出部４０５、予測消費時間算出部４０６、セル設定決定部４０７、レシピ決定部４０８の動作について、図３〜図５のレシピを用いて、レシピの説明とともに詳細に説明する。なお、レシピ中の数値は単なる例示である。
【００７４】
初めに、残量算出部４０５の、分子線材料１０５の消費量の推定について、図３のレシピ（これをレシピ１とする）を用いて説明する。セル名称とは分子線セルの名称であり、Ａ１、Ａ２は同一の分子線材料（Ａ）を充填した分子線セルの名称である。また、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、Ａ１、Ａ２とは別の同一の分子線材料（Ｂ）を充填している分子線セルの名称である。
【００７５】
図３〜５において、セルシャッター１０８が閉じているときを、グレーで表示している。図３の分子線セルＡ１を例にとると、分子線セルＡ１では、バッファ層、活性層、キャップ層を成長させるときにはセルシャッター１０８を閉じ、Ｎクラッド層１、Ｎクラッド層２、Ｐクラッド層１、Ｐクラッド層２を成長させるときは、セルシャッター１０８を開いた状態になっているということを示している。
【００７６】
それぞれの分子線セルは、同一の分子線材料を充填していても用途によって使い分けている。同じ分子線材料である「Ａ」を充填していても、分子線セルＡ１とＡ２とでは用途が違うということである。また、「Ｂ」を充填していても、分子線セルＢ１とＢ２とＢ３とでは用途が違うということである。ここで、用途とは、複数の層からなる結晶膜を成膜する際に、主にどの層の成膜に使用するかを決めるためにある。図３を用いて説明すると、分子線セルＡ１またはＡ２では、本実施形態では、用途ＶまたはＷがあり、
用途Ｖは、「バッファ層、活性層、キャップ層では、未使用、Ｎクラッド層１、Ｎクラッド層２、Ｐクラッド層１、Ｐクラッド層２では、使用」
用途Ｗは、「バッファ層、キャップ層では、未使用、Ｎクラッド層１、Ｎクラッド層２、活性層、Ｐクラッド層１、Ｐクラッド層２では、使用」
となる。つまり、図３に示すレシピ１では、Ａ１は用途Ｖに使用されるので、「バッファ層、活性層、キャップ層では、セルシャッターを開き、Ｎクラッド層１、Ｎクラッド層２、Ｐクラッド層１、Ｐクラッド層２では、セルシャッターを閉じる」ように設定される。また、Ａ２は、図３に示すレシピ１では、用途Ｗに使用されるので、「バッファ層、キャップ層では、セルシャッターを開き、Ｎクラッド層１、Ｎクラッド層２、活性層、Ｐクラッド層１、Ｐクラッド層２では、セルシャッターを閉じる」ように設定される。なお、上記の記載は単なる例示であり、分子線セルの数や用途は、上記したものに限定されない。
【００７７】
各分子線セル１０７の単位時間当たりの消費量は、分子線セル１０７の形状や成膜室１０１内での配置により異なるが、図６に示すように、分子線セルの制御温度（設定温度）Ｔと分子線材料の残量Ｒとの関数ｆ（Ｔ，Ｒ）により表される。
【００７８】
図３の例では説明を容易にするため、単位時間当たりの消費量をｆ（Ｔ，Ｒ）＝「消費量係数」×Ｔとしている。従って、分子線材料の消費量は「消費量係数」×Ｔ（制御温度）×「エピ時間」で算出できる。エピ時間とは各層における成膜（成長）に要する時間である。ここで、セルシャッター１０８が開いている成長時とセルシャッター１０８が閉じている待機時とでは、分子線材料１０５の単位時間当たりの消費量が異なるため、消費量係数を別々に設定している。セルシャッター１０８が開いているとき（成長時）とセルシャッター１０８が閉じているとき（待機時）とのそれぞれで、制御温度とエピ時間とを乗算し、その乗算値の各成長層（バッファ層、Ｎクラッド１層等）の総和を求める。
【００７９】
なお、制御温度に変更がある場合は設定した温度勾配にて昇温また降温させる。その場合は、単純な制御温度と成長時間の乗算でなく、制御温度を時間で積分した値を算出して各成長層の総和を求める。この総和に前記の消費量係数を乗算することで分子線材料の消費量が算出される。
【００８０】
図３の分子線セルＡ１を例にとると、成長時の消費量の合計は、０．０１×（１０４０×１３０＋１０５０×（５＋４１＋３０））＝２１５０．０（単位はｃｃ）となる。さらに、待機時の消費量合計は０．００１×８００×（１４＋１＋３）＝１４．４となる。よって、図３に示すレシピを用いてエピを実行した場合は、分子線セルＡ１の消費量は、上記計算した両方を合計して、２１６４．４ｃｃとなる。全ての分子線セルにおける分子線材料の消費量は、上記と同様の計算により求まる。
【００８１】
残量算出部４０５は、分子線セル１０７の坩堝１０６内の分子線材料１０５の残量（材料残量）を次のように求める。すなわち、それまでに実行されたレシピから算出した推定の消費量を、予め坩堝１０６に充填していた量より引くことにより求めることが可能である。または、特許文献３に記載された坩堝の熱質量を推定することにより、坩堝内の材料残量を推定することによっても可能である。また、レシピからの算出および熱質量の推定の両方にて残量を推定算出することで、より精度よく分子線材料の残量を推定することが可能である。
【００８２】
次に、予測消費時間算出部４０６は、残量算出部４０５が求めた分子線セル１０７内の残量から、その残量の分子線材料１０５が無くなるまでの予測消費時間を次のように算出する。本実施形態では、予測消費時間算出部４０６は、簡易的に「残量」を、次回の成膜（レシピ１を実行した後であるなら、レシピ２での成膜）における結晶成長後の予測の残量および制御温度近辺の温度における「単位時間当たりの消費量」で割ることにより求める。ここで、上記制御温度近辺の温度とは、本実施形態では、分子線セルＡ１，Ａ２については、９８０〜１１４０℃の温度域で結晶成長させているため、その中央温度１０６０℃の固定温度とする。また、分子線セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３については、８２０〜１０６０℃の温度域で結晶成長させていため、その中央温度９４０℃の固定温度とする。なお、制御温度近辺の温度は、変動温度としてもよい。また、「単位時間当たりの消費量」は、成長時の消費量が多いので、成長時の係数を適用する。なお、成長時と待機時の係数を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００８３】
次に、同一材料を有する各分子線セルの材料残量の予測消費時間の差が小さくなるように、各分子線セルの設定をどのようにするか、つまり、レシピ２をどのように作成するか、を図４および５を用いて説明する。図４はレシピ２のある用途（Ｖ，ＷまたはＸ，Ｙ，Ｚ）で組み合わせたパターン（パターン１）であり、図５はレシピ２の図４とは別の用途で組み合わせたパターン（パターン２）である。
【００８４】
簡略化のため、図４、図５の分子線セルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の分子線材料は初期同一充填量とする。ここでは、レシピ履歴データベース４０２に基づいて、図３に示したレシピ１実行後の各分子線セルの分子線材料の消費量（図３の消費量合計）が算出される。次に実行しようとするレシピ２（図４または５）について、同様に分子線材料の消費量を計算する（図４または図５の消費量合計）。このとき、同一材料を有する分子線セルの用途（Ｖ，ＷまたはＸ，Ｙ，Ｚ）の組み合わせパターンの消費量について全て計算する。この消費量の計算の際に、次回（レシピ２）の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、上記各分子線セルにおける設定を変更する。本実施形態では、レシピ２のパターン１（図４）を基本とすると、各成長層における成長に使用される消費量が同じになるように、パターン２（図５）において制御温度を「温度選定用係数」を基に変更する。
【００８５】
同一の分子線材料を有する分子線セルが２つある場合は２パターン、同一の分子線材料を有する分子線セルが３つある場合は６パターンとなる（本実施形態では、図４，５の２パターンのみを記載している）。各パターンとも各分子線セルについて、レシピ１、２での分子線材料の予測の合計消費量から分子線材料の予測の残量を算出し、その残量が消費されるまでの予測消費時間を求める。同一材料の分子線セルの予測消費時間の差分値を求め、この差分値が小さいパターンにてレシピ２を実行する。
【００８６】
分子線セルＡ１、Ａ２については、図５にしめされるパターンにてレシピ２を実行する。セルＢ１、Ｂ２、Ｂ３の用途決定については、６パターンの差分値を比較する必要がある。また、この場合の差分値の算出方法としては、各分子線セルの差分値の平均値（Ｂ１とＢ２、Ｂ２とＢ３、Ｂ３とＢ１の差分値の平均値）を算出すればよい。このように、予測消費時間の差が小さくなるように次回の成膜での上記各分子線セルにおける設定を決定する、とは、分子線セルが３つ以上あるときは、各分子線セルにおける設定を変えたものについて、各分子線セルの差分値の平均値を求め、その差分値の平均値を比較して小さいものを選ぶものとする。
【００８７】
なお、レシピは、レシピ制御用のパソコン（図示せず）で作成され、制御装置１１８へ送られるようになっていてもよい。この場合、結晶膜の成膜を実行する際に、レシピ制御パソコンは、制御装置１１８から送られてくる成膜中の状態情報を受信し、その情報をディスプレイ（図示せず）上に表示するとともに、ロギングデータとして保存してもよい。
【００８８】
次に、制御装置１１８の成膜における処理の流れについて図７のフローチャートを用いて説明する。
【００８９】
はじめに、残量算出部４０５は、各分子線セル１０７の分子線材料１０５の残量（材料残量）を算出する（Ｓ１）。残量を算出する際には、消費量推定部４０４が、各々の分子線セルについての単位時間当たりの消費量データベース４０１および、各々の分子線セルについてのレシピ履歴データベース４０２の２つのデータベースを基に、各分子線セル１０７の分子線材料の消費量を推定する。そして、初期充填量との関係から、分子線材料の残量を算出する。このとき、熱容量推定部４０３が、坩堝の熱容量を推定することで分子線材料の消費量を推定し、分子線材料の残量を算出してもよい。なお、材料残量を、データベースを基に算出するか、あるいは、熱容量を基に算出するか、については、予め決めておいて、レシピ毎、セル毎で変えることはない。例えば、経験的に算出精度の良い方に固定することになる。
【００９０】
次に、予測消費時間算出部４０６は、各分子線セル１０７の予測消費時間を算出する（Ｓ２）。予測消費時間は、Ｓ１で算出された材料残量と単位時間当たりの消費量データベース４０１を基に行う。予測消費時間算出部４０６は、成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セル１０７における設定を変更して、次回の成膜後の当該各分子線セル１０７に残存する分子線材料の予測消費時間を算出する。ここでは、予測消費時間算出部４０６は、予測消費時間を算出するとき、各分子線セル１０７における設定を変更したものが、複数のレシピパターンとして作成される。
【００９１】
次に、セル設定決定部４０７は、同一の分子線材料を有する複数の分子線セル１０７における予測消費時間の差が小さくなるように、各分子線セル１０７における設定を決定する（Ｓ３）。ここで、セル設定決定部４０７は、予測消費時間の差が小さくなるレシピパターンを選ぶことで、セルの設定を決定する。また、レシピ決定部４０８は、選択されたレシピパターンを、実行レシピとしてレシピ履歴データベース４０２に記憶する。
【００９２】
そして、選択されたレシピパターンにより、予測消費時間の差が小さくなるように設定された分子線セル１０７にて、成膜を行う（エピを実行する）（Ｓ４）。
【００９３】
以上のように、制御装置１１８がＭＢＥ装置１００の各構成を制御して、分子線エピタキシャル成長による成膜が行われる。
【００９４】
以上のように、本実施形態のＭＢＥ装置１００の制御装置１１８では、同一分子線を有する複数の分子線セルにおける分子線材料の残量を算出し、次回の成膜における各分子線セルの設定を、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま、各分子線セルにおける分子線材料の予測消費時間の差が小さくなるように決定する。
【００９５】
このように本実施形態のＭＢＥ装置１００の制御装置１１８では、次回の成膜における各層での同一の分子線材料の合計の消費量を等しくしたまま行うことができるので、ドーピングの濃度が均一とすることができる。そして、予測消費時間の差を小さくすることができるので、分子線材料の枯渇までの時間を、どの分子線セルにおいても、常に略一定にすることができる。つまり、ある分子線セルの分子線材料だけが他の分子線セルより早く枯渇するというような、各分子線セルにおける分子線材料の不均一な消費を抑えることが可能である。
【００９６】
このように、ドーピングの濃度を均一とすることができ、同一の分子線材料の不均一な消費の解消を行うことができるので、常に高い再現性にて成膜をすることができる。
【００９７】
また、同一の分子線材料の不均一な消費の解消により、分子線材料の枯渇にともなって真空状態を破り分子線セルに分子線材料を再充填するという、大幅に時間を消費する工程の頻度を低下させることができる。よって、分子線エピタキシャル装置の稼働率を向上させることができる。
【００９８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９９】
なお、上記分子線エピタキシャル装置の制御装置１１８の各ブロックは、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１００】
すなわち、分子線エピタキシャル装置の制御装置１１８は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェア分子線エピタキシャル装置の制御装置１１８の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記分子線エピタキシャル装置の制御装置に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【０１０１】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１０２】
また、分子線エピタキシャル装置の制御装置１１８を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エクストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【０１０３】
また、本発明は、次のような成膜方法として表現してもよい。すなわち、同一材料を有する分子線セルを複数備えた分子線エピタキシャル装置を用いた成膜方法において、前記同一材料を有する分子線セルの使用履歴を用いて、同一材料を有する各分子線セルの材料の消費量を推定する工程、または／および、前記同一材料を有する分子線セルを測定することにより、前記同一材料を有する各分子線セルの材料残量を推測する工程を含み、前記同一材料を有する各分子線セルの材料残量の消費時間が略同等になるように、エピ毎の前記同一材料を有する各分子線セルの使用を制御する成膜方法である、と表現してもよい。
【０１０４】
また、前記成膜方法において、前記の分子線セルの材料の消費量を推定する工程は、分子線セルの材料残量とエピ実行時の成膜時間、制御温度、昇温・降温時の温度勾配及びセルシャッターＯＮ／ＯＦＦのレシピ情報と分子線セル固有の単位時間当たりの分子線照射量により分子線材料の消費量を算出してもよい。
【０１０５】
また、前記成膜方法では、前記の同一材料を有する各分子線セルの材料残量の消費時間が略同等になるように、エピ毎に各分子線セルの使用を制御する方法は、分子線セルの使用履歴から分子線材料の残量を推定する工程と、複数ある同一材料を有する分子線セルの使用用途による組み合わせにおける次エピ実行後の推定残量をそれぞれの組み合わせで算出する工程とその推定残量より複数ある同一材料を有する分子線セルの次エピの使用用途を決定する工程からなっていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明によると、同一の分子線材料を有する分子線セルを複数有する分子線エピタキシャル装置の稼動率を向上させ、かつ、成膜において高い再現性を実現することができる。本発明は、半導体の分野に、特に半導体結晶膜の分野において有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本実施形態に係る分子線エピタキシャル装置の構成を示す図である。
【図２】上記分子線エピタキシャル装置における分子線セルの拡大図である。
【図３】本実施形態おける分子線材料の消費量算出を説明するための図である。
【図４】次回の成膜におけるレシピを示す図である。
【図５】図４とは別の次回の成膜におけるレシピを示す図である。
【図６】各温度について、単位時間当たりの分子線材料の消費量と分子線材料残量の関係を示す図である。
【図７】本実施形態の分子線エピタキシャル装置の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】従来の分子線エピタキシャル装置の構成を示す概略図である。
【図９】従来の分子線エピタキシャル装置の分子線セルの構成を示す概略図である。
【図１０】（ａ）は、従来の分子線エピタキシャル装置を用いて成長させた、結晶膜の成長方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の特定の成長層における各分子線セルの分子線量と成長時間との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は、図１０とは別の従来の分子線エピタキシャル装置を用いて成長させた結晶膜の成長方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の特定の成長層における各分子線セルの分子線量と成長時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
４０      記憶部
１００    分子線エピタキシャル装置
１０１    成膜室
１０２    基板
１０３    マニピュレータ
１０４    基板加熱ヒータ
１０５，１０５ａ，１０５ｂ  分子線材料
１０６，１０６ａ，１０６ｂ  坩堝
１０７，１０７ａ，１０７ｂ  分子線セル
１０８，１０８ａ，１０８ｂ  セルシャッター
１０９    セルヒータ
１１０    熱電対
１１１    輻射シールド
１１２    フランジ
１１３    電力導入端子
１１４    熱電対導入端子
１１５ａ  シャッター制御装置
１１６ａ  電源装置
１１７ａ  温度調節装置
１１８    制御装置（分子線エピタキシャル装置の制御装置）
４０１    単位時間当たりの消費量データベース
４０２    レシピ履歴データベース
４０３    熱容量推定部
４０４    消費量推定部
４０５    残量算出処理部
４０６    予測消費時間算出部
４０７    セル設定決定部
４０８    レシピ決定部
６００    ｎ−ＧａＡｓ基板
６０１    ｎ−ＧａＡｓバッファ層
６０２    ｎ−ＧａＩｎＰ層
６０３    ｎ−ＡｌＩｎＰクラッド層
６０４    ＧａＩｎＰ活性層
６０５    ｐ−ＡｌＩｎＰクラッド層
６０６    ｐ−ＧａＩｎＰ層
６０７    ｐ−ＧａＡｓキャップ層
６０８    ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層
７００    ｎ−ＧａＡｓ基板
７０１    ｎ−ＧａＡｓバッファ層
７０２    ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７０３    ＧａＩｎＰ活性層
７０４    ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７０５    ｐ−ＧａＩｎＰ層
７０６    ｐ−ＧａＡｓキャップ層
７０７    ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層
【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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