(57)【要約】【課題】成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持することのできるＭＢＥ装置等を提供する。【解決手段】本発明のＭＢＥ装置１００は、分子線発生部１０ａ・１０ｂと、真空計１４ａ・１４ｂと、光源ユニット６と受光ユニット７とを有する原子吸光式成膜モニタ８と、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御する温度制御演算器１３とを備えている。温度制御演算器１３は、原子吸光式成膜モニタ８の測定結果が、真空計１４ａ・１４ｂの測定結果から算出した分子線源の残量より算出した原子吸光式成膜モニタ８の制御目標値となるように、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に照射される分子線を発生する分子線発生部と、
基板近傍の真空度を測定する真空度検出部と、
光源部と受光部とを有し、光源部から照射される光のうち、基板に照射される分子線によって吸収される光の吸収量を、受光部により吸光度として測定する原子吸光測定部と、
真空度検出部と原子吸光測定部との測定結果に基づき、分子線発生部の温度を制御する温度制御部とを備え、
上記温度制御部は、真空度検出部の測定結果から算出した分子線源の残量における原子吸光の制御目標値を算出するとともに、原子吸光測定部の測定結果が、その制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御することを特徴とする分子線エピタキシャル装置。
【請求項２】
上記温度制御部は、温度制御部に格納された、上記分子線源の残量とその残量における真空度検出部の測定結果との関係式から、分子線源の残量を算出する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】
上記温度制御部は、温度制御部に格納された、上記分子線源の残量とその残量における設定された成膜レート時の原子吸光測定部の測定結果との関係式から、上記原子吸光の制御目標値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。
【請求項４】
分子線発生部から発生させた分子線を基板に照射するエピタキシャル方法であって、
基板近傍の真空度を測定する真空度検出工程と、
光源部と受光部とを有する原子吸光測定部によって、光源部から照射される光のうち、基板に照射される分子線によって吸収される光の吸収量を、受光部により吸光度として測定する原子吸光測定工程と、
真空度検出工程と原子吸光測定工程との測定結果に基づき、分子線発生部の温度を制御する温度制御工程とを含み、
上記温度制御工程は、真空度検出工程の測定結果から算出した分子線源の残量における原子吸光の制御目標値を算出するとともに、原子吸光測定工程による測定結果が、その制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御することを特徴とする分子線エピタキシャル方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶薄膜の形成に好適に利用できる、分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）および分子線エピタキシャル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、基板上に分子線源の材料を用いて所望の半導体薄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がある。この方法は、まず、分子線源の材料が収容され、真空状態の坩堝を加熱し、その坩堝から分子線を発生させる。そして、その分子線を、真空状態の成膜室内に設けられ、適当な温度に保持された基板上に照射することによって、基板を成膜する。
【０００３】
分子線エピタキシャル法において、分子線強度、および、分子線強度比（複数種類の分子線強度の比）は、エピタキシャル層の成長速度および組成比に影響を及ぼす非常に重要なパラメータである。
【０００４】
このため、ＭＢＥ装置は、成膜中、一定の分子線強度が得られるように制御されている。分子線強度の制御方法には、例えば、真空計を用いる方法（特許文献１）と、原子吸光式成膜モニタを用いる方法（特許文献３〜５）とがある。
【０００５】
真空計を用いる方法は、成膜室の真空度から、成膜材料の分子線強度を検出する方法である。図９は、真空計を用いて分子線強度を制御する構成を示す概略図である。この方法では、対象とする坩堝１１５内の分子線源１１０から発生する分子線１０８のみを検出する真空計１１４を、成膜室に配置する。そして、その真空計１１４の測定値が、設定した分子線強度となるように、坩堝１１５の加熱温度を制御する。加熱温度の制御は、真空計１１４の測定値が入力される、温度制御演算器１１３によって行う。温度制御演算器１１３は、坩堝１１５の加熱温度の制御信号を、加熱源（ヒータ電源）１１２に出力する。加熱源１１２は、その制御信号に基づき、坩堝１１５を加熱するヒータ１１１の温度を調節する。
【０００６】
分子線制御は、図１０に示すように、分子線源の材料を入れた坩堝１１５、この坩堝１１５を加熱するためのヒータ１１１、坩堝温度を測定するための熱電対１１８及び熱の逃げを防ぐためのラジエーションシールド１１６とヒータ１１１を加熱するための加熱源（ヒータ電源）１１２、及び熱電対で得た温度信号を受けて加熱源１１２の出力を制御する温度調節機器１１９から構成される部品により行われる。
【０００７】
そして、分子線強度の調整は、坩堝１１５の温度、すなわち加熱源１１２からヒータ１１１に投入される電力を調整することにより行われる。
【０００８】
原子吸光式成膜モニタを用いる方法は、原子吸光法を応用して、成膜材料の分子線の数量を検出する方法である。原子吸光式成膜モニタは、対象とする分子線（被測定材料）固有の波長を持つ光源（一般的にはホローカソードランプ）と、光源からの照射光を検出する光検出器を備えている。そして、成膜室に配置された原子吸光式成膜モニタによって、対象とする坩堝１１５内の分子線源１１０から発生する分子線１０８のみを検出する。
【０００９】
この方法では、まず、上記光源からの光を、対象とする分子線に照射する。次に、照射光のうち、その分子線を透過した光を光検出器に導き、吸光度を測定する。この吸光度は、蒸気中（成膜室）に存在する、対象とする分子線の数量（目的元素の数量）の関数としてあらわれる。つまり、原子吸光式成膜モニタによって計測された吸光度は、分子線の数量を示す情報である。
【００１０】
原子吸光式成膜モニタを用いた方法は、原子吸光式成膜モニタによって計測された吸光度によって、分子線強度を制御する。
【００１１】
なお、原子吸光式成膜モニタによって計測された吸光度は、分子線源１１０が固体材料の場合、坩堝１１５の加熱源１１２（ヒータ電源）にフィードバックされ、分子線源１１０がガス状原料の場合、マスフローコントローラにフィードバックされる。
【００１２】
上記２つの方法を組み合わせて分子線強度を制御するＭＢＥ装置も存在する（特許文献６）。
【００１３】
このように、上記各方法では、基板に照射される分子線強度または分子線の数量を制御することによって、成膜速度を、所望の値に制御（維持）することができる。
【特許文献１】特開昭５９−２２３２９３号公報（１９８４年１２月１５日公開）
【特許文献２】特開昭６０−２１５９６号公報（１９８５年１０月２３日公開）
【特許文献３】特開昭６０−６３９１８号公報（１９８５年８月３日公開）
【特許文献４】特開平１０−１３２７３６号公報（１９９８年５月２２日公開）
【特許文献５】特開平７−２１６５４５号公報（１９９５年８月１５日公開）
【特許文献６】特開昭６０−２６６６０号公報（１９８５年２月９日公開）
【非特許文献１】Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ８１（１９８７）ｐｐ３１４〜３１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、本発明者等が検討した結果、真空計の分子線強度の出力値が一定となるように分子線の発生量を制御した場合、成膜時間とともに、成膜レートが大きくなることが判明した。これは、分子線材料の減少とともに、分子線分布が小さくなる結果、基板に照射される分子線量が多くなるためである。
【００１５】
一方、原子吸光モニタによる検出値（分子線の量）が一定となるように分子線の発生量を制御した場合も、成膜時間とともに、成膜レートが大きくなることが判明した。
【００１６】
このため、上記従来の方法では、一定の成膜レートを維持できず、膜厚および膜成分（複数の分子線の組成比）を制御することが困難であるという問題が生じる。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持することのできるＭＢＥ装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の分子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ装置）は、上記の課題を解決するために、基板に照射される分子線を発生する分子線発生部と、基板近傍の真空度を測定する真空度検出部と、光源部と受光部とを有し、光源部から照射される光のうち、基板に照射される分子線によって吸収される光の吸収量を、受光部により吸光度として測定する原子吸光測定部と、真空度検出部と原子吸光測定部との測定結果に基づき、分子線発生部の温度を制御する温度制御部とを備え、上記温度制御部は、真空度検出部の測定結果から算出した分子線源の残量における原子吸光の制御目標値を算出するとともに、原子吸光測定部の測定結果が、その制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御することを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、真空度検出部は、ＭＢＥ装置内の基板近傍の真空度（圧力）を測定する。測定した真空度は、分子線発生部の分子線源の残量算出に用いる。
【００２０】
また、上記の構成によれば、原子吸光測定部は、光源部から照射された光を、受光部により吸光度として検出する。光源部と受光部との間に分子線が存在すると、光源から照射された光は、その分子線によって吸収される。その結果、受光部にて検出される吸光度は、光源からの出射光の吸光度よりも低くなる。従って、受光部の吸光度を測定することにより、ＭＢＥ装置内の分子線量を検出することが可能となる。
【００２１】
上記の構成によれば、温度制御部は、（ａ）真空度検出部の測定結果に基づく分子線源の残量の算出，（ｂ）その残量の分子線源が設定された成膜レートで基板に照射された場合に、原子吸光測定部にて計測されるべき原子吸光の値（制御目標値）の算出を行う。そして、原子吸光測定部の測定結果が、上記のように算出した原子吸光の制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御する。これにより、分子線発生部から発生する分子線発生量（分子線照射量）を、分子線源の残量変化に応じて、調節することができる。
【００２２】
ここで、分子線源の残量は、成膜処理とともに減少する。また、分子線源の残量の減少にともない、分子線分布は狭くなる。すなわち、分子線源の残量が減少するにつれ、基板以外に照射される分子線量が減少する。このため、原子吸光測定部の測定値が一定となるように分子線発生部の温度制御を行うと、分子線源の残量が減少するにつれ、基板に照射される分子線量が増加する。従って、設定された成膜レート（成膜速度）で形成する膜の膜厚を管理すると、その膜厚は、目的よりも厚くなってしまう。
【００２３】
そこで、上記の構成では、温度制御部が、真空度検出部の測定結果から分子線発生部にある分子線源の残量を算出する。そして、算出した残量の分子線源が、設定された成膜レートで照射された場合の原子吸光測定部の測定結果を、制御目標値として算出する。この制御目標値は、例えば、分子線源の残量と、その残量の分子線源が設定された成膜レートで照射された時の原子吸光測定部の測定結果との関係から、算出できる。温度制御部は、原子吸光の測定結果が、この算出された原子吸光の制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御する。これにより、分子線源の残量変化による分子線分布の変化に応じて、分子線発生量を補正することが可能となる。
【００２４】
このように、温度制御部は、分子線源の残量変化に応じて変化する分子線分布を考慮して、設定された成膜レートを維持するように、分子線発生部の温度を制御している。これにより、基板には、成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持する分子線が照射される。従って、形成するエピタキシャル成長膜の膜厚および膜成分（組成比）を、高精度に制御できる。
【００２５】
上記分子線エピタキシャル装置において、上記温度制御部は、温度制御部に格納された、上記分子線源の残量とその残量における真空度検出部の測定結果との関係から、分子線源の残量を算出するものであってもよい。
【００２６】
上記の構成によれば、温度制御部には、分子線源の残量とその残量に対応する真空度検出部の計測値との関係式が、格納されている。温度制御部は、この関係式を用いて、実際の真空度検出部の測定結果から、その測定結果に対する分子線源の残量を算出する。これにより、分子線源の残量の算出が容易となり、温度制御部の処理速度を速めることができる。
【００２７】
上記分子線エピタキシャル装置において、上記温度制御部は、温度制御部に格納された、上記分子線源の残量とその残量における設定された成膜レート時の原子吸光測定部の測定結果との関係から、上記原子吸光の制御目標値を算出するものであってもよい。
【００２８】
上記の構成によれば、温度制御部には、分子線源の残量と、その残量に対応する設定成膜レート時の原子吸光測定部の計測値との関係式が、格納されている。温度制御部は、この関係式を用いて、算出された分子線源の残量と設定成膜レートから、制御目標値を算出する。これにより、制御目標値の算出が容易となり、温度制御部の処理速度を速めることができる。
【００２９】
本発明の分子線エピタキシャル法は、上記の課題を解決するために、分子線発生部から発生させた分子線を基板に照射するエピタキシャル方法であって、基板近傍の真空度を測定する真空度検出工程と、光源部と受光部とを有する原子吸光測定部によって、光源部から照射される光のうち、基板に照射される分子線によって吸収される光の吸収量を、受光部により吸光度として測定する原子吸光測定工程と、真空度検出工程と原子吸光測定工程との測定結果に基づき、分子線発生部の温度を制御する温度制御工程とを含み、上記温度制御工程は、真空度検出工程の測定結果から算出した分子線源の残量における原子吸光の制御目標値を算出するとともに、原子吸光測定工程による測定結果が、その制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御することを特徴としている。
【００３０】
上記の構成によれば、本発明の分子線エピタキシャル装置と同様に、基板には、成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持する分子線が照射される。従って、形成するエピタキシャル成長膜の膜厚および膜成分（組成比）を、高精度に制御できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のＭＢＥ装置は、以上のように、上記温度制御部が、真空度検出部の測定結果から算出した分子線源の残量における原子吸光の制御目標値を算出するとともに、原子吸光測定部の測定結果が、その制御目標値となるように、分子線発生部の温度を制御することを特徴としている。これにより、基板には、成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持する分子線が照射される。それゆえ、形成するエピタキシャル成長膜の膜厚および膜成分（組成比）を、高精度に制御できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の一形態を、図面を参照して説明する。なお、本発明は、これに限定されるものではない。以下の実施形態では、エピタキシャル成長によって多層膜を形成する分子線エピタキシャル成長装置（Molecular Beam Epitaxy；以下「ＭＢＥ装置」）について説明する。
【００３３】
〔実施の形態１〕
図１は、本実施形態のＭＢＥ装置１００の全体構成を示す図である。ＭＢＥ装置１００は、成膜室である真空容器１内に設けられた基板３に分子線を照射することによって、エピタキシャル成長膜を形成する装置である。図１のＭＢＥ装置１００は、多層膜として、２層以上のエピタキシャル成長膜を形成する構成となっている。
【００３４】
ＭＢＥ装置１００は、真空計１４ａ・１４ｂ，原子吸光式成膜モニタ８，シャッタ９ａ・９ｂ，分子線発生部１０ａ・１０ｂ，および温度制御演算器１３を備えており、基板３側から、この順で配置されている。なお、図１のＭＢＥ装置１００は、図示しない各種測定装置および排気装置等も備えているが、説明の便宜上、記載を省略している。
【００３５】
基板３は、成膜処理が施されるべき基板であり、マニピュレータ（基板保持部材）２に回転可能に保持されている。基板３は、成膜処理面が図１の下側となるように（真空容器１の底部と対向するように）、真空容器１の上部（頂部）の中央に保持されている。
【００３６】
真空計（真空度検出部）１４ａ・１４ｂは、真空容器１内の基板３の位置付近における真空度を測定するものである。真空計１４ａ・１４ｂの測定値は、分子線源の材料残量を求めるために用いる。真空計１４ａ・１４ｂは、互いに対向しており、基板３の成膜面を避けるようにして設けられている。ここでは、真空計１４ａ・１４ｂは、基板３およびマニピュレータ２に重ならないように、設けられている。
【００３７】
なお、真空計１４ａは後述する分子線発生部１０ａに、真空計１４ｂは分子線発生部１０ｂに、それぞれ対応しており、各分子線発生部１０ａ・１０ｂから発生する分子線強度のみを検出できるようになっている。図１では、分子線発生部１０ｂからの分子線Ｂを、真空計１４ｂにより検出しており、分子線Ｂは真空計１４ａによって検出されない。真空計１４ａ・１４ｂの測定値を用いた分子線強度および分子線源の残量検出については、後述する。
【００３８】
原子吸光式成膜モニタ（原子吸光測定部）８は、原子吸光分光法により、基板３に照射される分子線の分子数（または原子数；以下同様）を検出するものである。原子吸光式成膜モニタ８の詳細は、後述する。
【００３９】
なお、真空計１４ａ・１４ｂおよび原子吸光式成膜モニタ８は、基板３に近接して設けられているので、基板３に照射される分子線Ｍの強度および分子数を、正確に検出できる。
【００４０】
シャッタ９ａ・９ｂは、分子線発生部１０ａ・１０ｂから発生する分子線の照射を切換えるものである。すなわち、シャッタ９ａ・９ｂは、その開閉により、基板３に照射される分子線のオン／オフを行う。図１では、シャッタ９ａが閉状態、シャッタ９ｂが開状態となっており、開状態となっている分子線発生部１０ｂから分子線が基板３に照射される。
【００４１】
分子線発生部１０ａ・１０ｂは、基板３に照射する分子線を発生させるものである。図１では、分子線発生部１０ｂのみから、分子線Ｂが発生している。ＭＢＥ装置１００は、２種類の分子線を発生させるため、２つの分子線発生部１０ａ・１０ｂを有しているが、分子線発生部の数は、発生させる分子線の種類（数）に応じて設定すればよく、特に限定されるものではない。
【００４２】
分子線発生部１０ａは、ヒータ１１ａ，坩堝１５ａ，熱電対１８ａ，ヒータ電源１２ａ，および温度調節器１９ａを備えている。分子線発生部１０ｂも、分子発生部１０ａと同様の構成を備えており、以下では説明を省略する。
【００４３】
坩堝１５ａは、内部に分子線源（成膜材料）を収容する容器である。ヒータ１１ａは、坩堝１５ａの外側から、坩堝１５ａを加熱するものである。熱電対１８ａは、坩堝１５ａ内の温度を検出（管理）するものである。熱電対１８ａは、ヒータ１１ａの近傍（図１では坩堝１５ａの底部）に設けられている。ヒータ電源１２ａは、ヒータ１１ａの加熱を調節するものである。温度調節機器１９ａは、ヒータ電源１２ａの電源調節を行うものである。
【００４４】
分子線発生部１０ａでは、まず、熱電対１８ａによる温度検出結果が、温度調節機器１９ａに入力される。次に、その入力に応じて、ヒータ電源１２ａを調節する信号が、温度調節器１９ａからヒータ電源１２ａに入力される。そして、ヒータ電源１２ａは、ヒータ１１ａを調節することによって、坩堝１５ａ内の温度を調節する。
【００４５】
このように、分子線発生部１０ａは、熱電対１８ａによって、坩堝１５ａの温度管理がなされている。すなわち、熱電対１８ａによって坩堝１１ａの温度検出結果は、温度調節機器１９ａに入力される（温度信号経路２５ａ）。温度調節機器１９ａは、その入力に応じて、ヒータ電源１２ａを調節する信号（出力制御信号）を、ヒータ電源１２ａに入力する（出力制御信号経路２３ａ）。ヒータ電源１２ａは、その入力に応じて、ヒータ１１ａを調節する信号を、ヒータ１１ａに出力する（出力経路２４ａ）。このようにして、分子線発生部１０ａは、坩堝１５内の温度が所定の温度となるように、制御する。
【００４６】
温度制御演算器（温度制御部）１３は、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御（補正）するものである。前述のように、温度制御演算器１３には、真空計１４ａ・１４ｂおよび原子吸光式成膜モニタ８の出力値が入力される。温度制御演算器１３は、それらの入力データを用いて、成膜中の分子線の強度が目標値（所定の成膜レートを実現するための設定値）となるように、分子線発生部１０ａ・１０ｂ（詳細には坩堝１５ａ・１５ｂ）の温度の制御値を算出する処理を行う。
【００４７】
すなわち、例えば、真空容器１内の分子線Ｂ量が目標値よりも少ない場合、温度制御演算器１３は、温度調節機器１９ｂに、坩堝１５ｂの加熱を促進するような温度の制御値を算出する。これにより、坩堝１５ｂから発生する分子線Ｂの発生量は多くなり、真空容器１内の分子線Ｍの量が増加する。
【００４８】
一方、真空容器１内の分子線Ｂ量が目標値よりも多い場合、温度制御演算器１３は、温度調節機器１９ｂに、坩堝１５ｂの加熱を抑制するような温度の制御値（補正値）を算出する。これにより、坩堝１５ｂから発生する分子線Ｂの発生量は少なくなり、真空容器１内の分子線Ｍの量が減少する。
【００４９】
なお、温度制御演算器１３の出力値（制御値）の計算処理手順等については、後述する。
【００５０】
このように、ＭＢＥ装置１００は、真空容器１に設けられた基板３と、各種分子線源が入った坩堝１５ａ・１５ｂとを備えている。ＭＢＥ装置１００は、ヒータ電源１２ａ・１２ｂに接続されているヒータ１１ａ・１１ｂによって、坩堝１５ａ・１５ｂの中に入っている分子線源（成膜材料）を加熱し、その分子線源を、蒸発もしくは昇華させることによって、分子線を発生させる。分子線の強度は、坩堝１５ａ・１５ｂの温度を調整することにより制御される。また、坩堝１５ａ・１５ｂの温度は、ヒータ１１ａ・１１ｂの近傍に設置された熱電対１８ａ・１８ｂから温度調節機器１９ａ・１９ｂにフィードバックされて、温度調節機器１９ａ１９ｂにより制御される。また、各坩堝１５ａ・１５ｂの上部には、シャッタ９ａ・９ｂが設けられている。そして、このシャッタ９ａ・９ｂを開く（開状態とする）ことによって、真空計１４ａ・１４ｂ及び原子吸光式成膜モニタ８の測定対象である各種の分子（分子線）が、基板３に照射され、基板３の表面にエピタキシャル成長膜が形成される。なお、坩堝１５ａ・１５ｂ内の分子線源は、シャッタ９ａ・９ｂが閉じている間（閉状態の間）も、シャッタ９ａ・９ｂ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、閉状態の時（待機中）も、分子線源（成膜材料）は、坩堝１５ａ・１５ｂ内で蒸発し、分子線源の量は減少していく。
【００５１】
次に、ＭＢＥ装置１００の成膜処理について説明する。図３は、ＭＢＥ装置１００における成膜処理を示すフローチャートである。図３のフローチャートは、主として温度制御演算器１３による処理を示している。
【００５２】
まず、坩堝１５ａ・１５ｂへの分子線源（成膜材料）の充填直後のヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力値（初期ヒータ出力値）を設定する（ステップＳ３０）。この出力値は、予めＭＢＥ装置１００の条件設定の実験および調整などによって決定される。そして、坩堝１５ａ・１５ｂの温度が設定温度になるように、ヒータ電源を１２ａ・１２ｂを、この設定出力値により制御する（ステップＳ３１）。
【００５３】
次に、成膜される基板３が真空容器１内に導入された後、成膜開始か否かを判断する。（ステップＳ３２）。このステップは、成膜が開始されるまで行う。
【００５４】
次に、成膜開始と判断されれば、分子線の制御対象となる坩堝１５ａ・１５ｂに対応するシャッタ９ａ・９ｂが、開状態となっているかを確認する（ステップＳ３３）。このステップは、対応するシャッタ９ａ・９ｂが開状態となるまで繰り返す。
【００５５】
次に、対応するシャッタ９ａ・９ｂが開状態となっていれば、真空計１４ａ・１４ｂにより、分子線の強度を検出する（ステップＳ３４）。成膜処理中は、真空計１４ａ・１４ｂにより、制御対象となる分子線をリアルタイムに計測する。
【００５６】
次に、真空計１４ａ・１４ｂによる計測値から、各分子線源の材料残量を算出する（ステップＳ３５）。真空計１４ａ・１４ｂの計測値からの材料残量の算出処理は、真空計１４ａ・１４ｂの計測値に基づき、温度制御演算器１６にて行う。この算出処理の詳細は、後述する。
【００５７】
次に、算出した各分子線源の材料残量の場合に、設定された成膜レートになる原子吸光式成膜モニタ８の出力値（制御目標値）を算出する（ステップ３６）。この出力値（制御目標値）は、予め求めた、設定成膜レート時の各分子線源の材料残量と原子吸光成膜モニタの出力値との関係式から算出する。このステップは、設定成膜レートを実現する原子吸光式成膜モニタ８の制御目標値を算出するステップである。この基準値の算出も、温度制御演算器１３によって行う。この制御目標値の算出処理の詳細は、後述する。
【００５８】
次に、原子吸光式成膜モニタ８によって、成膜中の分子線（元素）による光吸収量をリアルタイムで測定する（ステップＳ３７）。
【００５９】
次に、ステップＳ３６において算出した制御目標値とステップＳ３７で計測された原子吸光式成膜モニタ８の計測値との比較処理を行う（ステップＳ３８）。そして、比較の結果、制御目標値および計測値にズレがないかを確認する（ステップＳ３９）。これらの処理も、温度制御演算器１３によって行う。
【００６０】
ステップＳ３９の比較処理によるずれ量が、所定値内であれば、成膜終了でない限り現状の坩堝１５ａ・１５ｂの設定温度の状態で、ステップＳ３４〜Ｓ３９の処理を繰り返しながら、成膜処理を行う。一方、ずれ量が所定値を超えていれば、そのずれ量を補正するヒータ出力値（ヒータ出力補正値）を計算する（ステップＳ４０）。例えば、このヒータ出力補正値は、実験的に求められた係数に、ずれ量を乗算したヒータ出力値の補正量を、現在のヒータ出力値に加算または減算して算出することができる。
【００６１】
そして、ずれ量が補正されたヒータ出力補正値を、実際のヒータ出力値として再設定し、ヒータ出力補正値でヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力を制御する（ステップＳ４１）。このようなステップＳ３３〜Ｓ４１を、成膜処理中、成膜処理の終了の確認をするまで繰り返す（ステップＳ４２）。
【００６２】
成膜処理の終了を確認すれば、メンテナンス時期であるか否かを判断し（ステップＳ４３）、メンテナンス時期でなければ、現状のヒータ出力値の設定のまま、ヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力を制御し、ステップＳ３１〜Ｓ４３を行う。一方、メンテナンス時期であれば、成膜処理を終了する。
【００６３】
このように、ＭＢＥ装置１００は、温度制御演算器１３が、真空計１４ａ・１４ｂの測定結果から分子線発生部１０ａ・１０ｂにある分子線源の残量を算出する。そして、温度制御演算器１３は、算出した残量の分子線源が、設定された成膜レートで照射された場合の原子吸光式成膜モニタ８の測定結果を、制御目標値として算出する。温度制御演算器１３は、原子吸光式成膜モニタ８の測定結果が、この算出された原子吸光の制御目標値となるように、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御する。これにより、分子線源の残量変化による分子線分布の変化に応じて、分子線発生量を補正することが可能となる。従って、基板３には、常に一定量の分子線を照射することができる。それゆえ、成膜時間に関係なく、均一な成膜レートを維持し、膜厚および膜成分を高精度に制御したエピタキシャル成長膜を形成することができる。
【００６４】
言い換えれば、ＭＢＥ装置１００は、温度制御演算器１３によって、分子線源の残量に応じて設定したヒータ出力補正値を用いて、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御することにより、設定された成膜レートを維持している。
【００６５】
次に、図３のような成膜処理における温度制御演算器１３でのデータ処理について説明する。
【００６６】
成膜中の原子吸光式成膜モニタ８のデータ（検出結果）は、図１の出力経路２０を通って温度制御演算器１３に入力される。このデータは、成膜中、原子吸光式成膜モニタ８に予め定めてあるサンプリング間隔で、入力される。つまり、温度制御演算器１３には、リアルタイムに、原子吸光式成膜モニタ８のデータが入力される。また、真空計１４ａ・１４ｂのデータも、成膜中、出力経路２１ａ・２１ｂを通って温度制御演算器１３に入力される。
【００６７】
温度制御演算器１３は、原子吸光式成膜モニタ８および真空計１４ａ・１４ｂから入力されたデータをもとに、坩堝１５ａ・１５ｂの制御温度を算出する。算出された温度情報は、図１の出力経路２２ａ・２２ｂを通って、温度制御演算器１３から温度調節機器１９ａ・１９ｂへ送られ、制御温度（セットポイント）として設定される。
【００６８】
温度調節機器１９ａ・１９ｂは、坩堝１５ａ・１５ｂが、設定された制御温度となるように、熱電対１８ａ・１８ｂから温度信号経路２５ａ・２５ｂを通して得られる現在温度を入力し、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）演算してヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力２４ａ・２４ｂを制御する制御信号を経路２３ａ・２３ｂからヒータ電源１２ａ・１２ｂに出力する。
【００６９】
このようにして、温度制御演算器１３は、坩堝１５ａ・１５ｂの温度を制御することで、坩堝１５ａ・１５ｂからの分子線強度（分子線の発生量）を制御する。
【００７０】
ここで、本実施形態のＭＢＥ装置１００における、成膜時間に関係なく一定の成膜レートを維持するための特徴的構成について説明する。
【００７１】
坩堝１５ａ・１５ｂに収容される分子線源の残量は、分子線の発生にともない減少する。その結果、分子線源の残量によって、発生する分子線量（分子線強度）も変動する。この点について、表１および図７（ａ）〜図７（ｄ）に基づいて説明する。
【００７２】
表１は、種々の条件における、分子線源の残量，分子線発生部１０ａ・１０ｂの加熱温度，および原子吸光式成膜モニタ８の測定値との関係を調べた結果を示している。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、表１の各条件における分子線強度分布を示すグラフである。このグラフの縦軸は分子線強度，横軸は原子吸光式成膜モニタ８の測定範囲である。このグラフでは、分子線強度分布はグラフの直線性を示しており、直線性が高いほど、分子線照射が均一（分子線強度分布が良好）であることを示す。
【００７３】
【表１】
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表１の条件１、例えば分子線源の充填直後のように、分子線源の残量が多い場合（分子線源Ａ）、分子線発生部１０ａ・１０ｂを温度（Ｔ１）で加熱すると、原子吸光式成膜モニタ８の測定値はＸ１となった。図７（ａ）は、条件１における分子線強度の分布図である。図７（ａ）に示すように、条件１では、測定範囲の略全域に渡って、略一定直線に近い分布となり、特に、基板配置範囲の直線性は高い。従って、分子線強度分布は良好（○）であり、基板３に分子線が均一に照射される。
【００７４】
条件１の状態で成膜処理を続けると、成膜時間ともに、分子線源の残量は減少する。ここで、条件１よりも分子線源の残量が少なく、条件１と同じ加熱温度Ｔ１で加熱した場合を条件２とする。
【００７５】
条件２の場合、条件１よりも残量の少ない分子線源（Ｂ）を、分子線発生部１０ａ・１０ｂを条件１と同じ温度（Ｔ１）で加熱すると、原子吸光式成膜モニタ８の測定値はＸ２（Ｘ１＞Ｘ２）となった。図７（ｂ）は、条件２における分子線強度の分布図である。図７（ｂ）に示すように、条件２では、測定範囲の全域に渡って、条件１よりも分子線強度がかなり低下している。しかも、基板配置範囲の直線性も低い。従って、分子線強度分布はかなり悪く（×）、基板３に、均一に分子線を照射することができない。
【００７６】
このように、条件１よりも分子線源の残量が少ない場合に、条件１と同じ温度で加熱したのでは、分子線強度は低下するとともに、分子線強度分布も悪い。なお、条件２において、条件１との分子線源の残量の差が大きいほど、原子吸光式成膜モニタ８の測定値（Ｘ２）は、小さくなる。
【００７７】
そこで、条件３では、分子線源（Ｂ）の加熱温度を条件２よりも高い温度Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）に設定した。条件３の温度Ｔ２は、原子吸光式成膜モニタ８の測定値が条件１と同じ（Ｘ１）となる温度に設定した。図７（ｃ）は、条件３における分子線強度の分布図である。条件３の原子吸光式成膜モニタ８の測定値は、条件１と同じであるため、図７（ｃ）および図７（ａ）のグラフにおける原子吸光式成膜モニタ８の測定範囲の面積（積分値）は等しい。図７（ｃ）に示すように、条件３では、条件２よりも加熱温度を高くしているため、分子線の発生量も多くなる。このため、測定範囲の全域に渡って、条件２よりも、分子線強度分布は改善されおり、基板配置範囲の直線性も高い。従って、分子線強度分布はやや良好（△）であり、基板３に分子線が均一に照射される。しかし、前述した条件１よりも基板３の配置範囲の分子線量は多くなってしまう。これは、成膜材料の残量を考慮せずに原子吸光式成膜モニタの測定値が一定となるように、分子線源の温度を制御する従来技術と同様の問題である。
【００７８】
また、条件４では条件３と同様に、加熱温度を条件２よりも高い温度Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）に設定した。ただし、条件４の温度Ｔ３は、条件３とは異なり、原子吸光式成膜モニタ８の測定値（Ｘ３）が条件１と異なる温度に設定した。図７（ｄ）は、条件４における原子吸光式成膜モニタ８の測定値のグラフである。図７（ｄ）に示すように、条件４では、条件３よりも加熱温度を高くしているため、分子線の発生量も多くなる。すなわち、条件４の原子吸光式成膜モニタ８の測定値は、条件３よりも高くなり、図７（ｄ）のグラフの面積は、図７（ｃ）の面積よりも大きくなる。このため、測定範囲の全域に渡って、条件３よりも、分子線強度分布は改善されおり、基板配置範囲の直線性も高い。従って、分子線強度分布は良好（○）であり、基板３に分子線が均一に照射される。
【００７９】
このように、条件３および４では、分子線発生部１０ａ・１０ｂの加熱温度を調節することによって、分子線源の残量が減少した場合でも、良好な分子線強度分布が得られる。しかしながら、条件１，条件３，および４では、基板配置範囲の分子線強度が異なる。このため、各条件の成膜速度（成膜レート）は異なる。言い換えれば、各条件とも同じ成膜時間で成膜処理を行った場合、形成された膜の膜厚は異なる。すなわち、同じ成膜時間における膜厚は、条件４＞条件３＞条件１となる。従って、上記の条件では、一定の成膜レートを維持することができない。一定の成膜レートが得られなければ、エピタキシャル成長膜の膜厚および膜成分（組成比，混晶比）にズレが生じる。その結果、レーザ特性に影響を及ぼす。例えば、閾値電流（Ｉｔｈ）が大きい；動作電圧（Ｖｏｐ）の不良；水平放射角（θ／／）の不良；垂直放射角（θ⊥）の不良などの問題が生じてしまう。
【００８０】
そこで、本実施形態のＭＢＥ装置１００では、特に、条件３および４のように、基板配置範囲の分子線強度分布を均一にした場合であっても、一定の成膜レートを維持することを課題とする。そして、本実施形態のＭＢＥ装置１００は、この課題を解決するために、一定の成膜レートを維持できるように、分子線残量に応じて、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御する温度制御演算器１３を備えることを特徴としている。
【００８１】
なお、このような課題は、本発明者等によって初めて見出されていたものである。従って、従来、原子吸光式成膜モニタ８による分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度制御と真空計１４ａ・１４ｂによる分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度制御とを組み合せ、しかも真空計１４ａ・１４ｂにより分子線源の残量を求め、その残量に基づき、原子線吸光式成膜モニタ８の測定結果を補正するという着想は存在しない。
【００８２】
ここで、図３のフローチャートにおいて、本実施形態のＭＢＥ装置１００に特徴的なステップについて説明する。
【００８３】
まず、前述のステップＳ３４およびＳ３５における、真空計１４ａ・１４ｂの測定結果を用いた分子線源の残量（材料残量）の算出について説明する。
【００８４】
ステップＳ３４では、真空計１４ａ・１４ｂによって、基板３近傍の圧力（真空度）を測定する。各真空計１４ａ・１４ｂは、各坩堝１５ａ・１５ｂからの分子線が検出可能であって、各坩堝１５ａ・１５ｂ以外からの分子線が照射されない位置に設置されている。ステップＳ３５では、温度制御演算器１３によって、この真空度から、各坩堝１５ａ・１５ｂ内の分子線源の材料残量を算出する。
【００８５】
次に、図６を用いて、分子線源の材料残量の算出方法を説明する。一般に、分子線投射密度（分子線強度）は、いわゆる余弦則で近似される。図６（ａ）は余弦則を説明する図であり、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、分子線源の材料残量の算出を説明する図である。
【００８６】
余弦則とは、図６（ａ）に示すように、坩堝１１５の中心Ａから、坩堝１５の軸線Ｆと角θをなす方向にてＲの距離にある点Ｐにおいて、単位時間単位面積上に得られる膜厚Ｔは、次の（２）式のようになるというものである。
【００８７】
膜厚  Ｔ＝（Ｋ／Ｒ）×ｃｏｓ（ｎθ）・・・・・・（２）
Ｋ：比例常数
ｎ：ｌ／ｒによって変化する値で、例えばｌ／ｒ＝０のときｎ≒１、ｌ／ｒ＝２のときｎ≒４、ｌ／ｒ＝４のときｎ≒７、ｌ／ｒ＝１０のときｎ≒１０
ｌ：坩堝１５の中心（入口）Ａから材料の液面中央までの距離
ｒ：坩堝１５の内径半径
すなわち、余弦則によれば、坩堝１５の中心線（軸線）上の位置Ｃと、坩堝１５の中心線からずれた位置Ｃとでは、分子線投射密度が異なる。坩堝１５と対向する位置の分子線投射密度は最も高く、その位置から離れるほど分子線投射密度は低くなる。このため、基板に形成されたエピタキシャル成長膜の膜厚にバラツキが生じる。
【００８８】
より具体的には、坩堝１５の中心線上の位置Ｃでは、分子線源の材料の量に関係なく分子線投射密度が一定である。これに対し、図６（ｂ）に示すように、坩堝１５の中心線上の位置Ｃからずれた位置Ｐでは、分子線源の材料が少なくなるにつれて、分子線投射密度は小さくなる。
【００８９】
また、ＭＢＥ装置１００は、基板３上又は坩堝１５ａ・１５ｂ内に、塵埃の形で不純物粒子が落下することを極端に嫌う。そのため、図１に示すように、例えば、坩堝１５ａ・１５ｂを地軸に対し４５゜傾ける等して、不純物の混入を防ぐ構成とすることが多い。このとき、坩堝１５ａ・１５ｂの軸線は、地軸に対し傾斜するので、分子線源の材料液面は、坩堝１５ａ・１５ｂの軸線に対し傾くことになる。つまり、分子線源の材料液面は傾斜し、坩堝１５ａ・１５ｂの直径よりも大きくなる。液面が傾く場合、とりわけ坩堝１５ａ・１５ｂが大口径で液面が入口に近接しているときは、分子線投射のパターンは軸線に対し非対象形となる。このような場合、分子線投射密度を、上記（２）式で近似できなくなり、分子線分布は液面の低下によって激変する。
【００９０】
そこで、本実施形態では、予め実験にて、制御対象となる坩堝１５内の材料量とその分子線源の分子線を検出する真空計の出力値との関係（図６（ｃ））を求めておく。これにより、成膜中の真空計１４ａ・１４ｂの出力値より、求めた関係式を使って、その時点における坩堝１５内の分子線源の材料残量を求めることができる。
【００９１】
次に、図４を用いて、ステップＳ３６における原子吸光式成膜モニタ８の制御目標値について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、このステップを説明するためのグラフである。ステップＳ３５における分子線源の材料残量の算出方法で説明したように、ステップＳ３５では、坩堝１５ａ・１５ｂ内の分子線源の残量と、その分子線源の分子線を検出する真空計１４ａ・１４ｂの出力値との関係（図４（ａ））より、真空計出力値ｄに対する坩堝内の材料残量ｅを求める。次に、予め実験にて求めた、各分子線源の残量と、その残量における目標成膜レートα（nm/sec）時の原子吸光成膜モニタ８の出力値との関係（図４（ｂ））より、現状の材料残量ｅにおける目標成膜レートα（nm/sec）の原子吸光成膜モニタ８の目標出力値ｆ（制御目標値）を求める。
【００９２】
次に、ステップＳ３７〜Ｓ３８における、分子線の測定結果を用いた分子線強度の検出について説明する。
【００９３】
ステップＳ３７では、原子吸光式成膜モニタ８によって、成膜中の分子線（元素）による光吸収量を測定する。
【００９４】
ここで、原子吸光式成膜モニタ８の詳細について、図１を用いて説明する。原子吸光式成膜モニタ８は、光源ユニット６および受光ユニット７から構成されている。光源ユニット６および受光ユニット７は、互いに対向するように、真空容器１の側部に設けられている。光源ユニット６は、各成膜材料に対応したスペクトル光で発光するホローカソードランプを備えている。すなわち、全ての分子線の各々に各々に対応するホローカソードランプを備えている。受光ユニット７は、各ホローカソードランプからの光を受光する光検出器を備えている。
【００９５】
原子吸光式成膜モニタ８は、成膜中に、分子線の数量（原子（元素）の数）を測定する。具体的には、光源ユニット６のホローカソードランプから照射された光は、光学窓４ａを介して真空容器１の中に導入される。真空容器１に導入された導入光は、測定対象の分子線（原子）により、スペクトル光５の一部が吸収される。スペクトル光５は、光学窓４ａと反対側の光学窓４ｂを通過し、受光ユニット７内の光検出器に導入される。光検出器に導入された光から光強度が検出され、この検出出力から光吸収量が計測される。光検出器に導入された光は、分子線８の原子に、一部吸収されるため、光吸収量を測定することによって、分子線源の残量検出が可能となる。
【００９６】
なお、原子吸光式成膜モニタ８は、ＭＢＥ装置１００で使用されるそれぞれの元素に対応したホローカソードランプを備えており、光検出器により複数の元素の成膜速度を同時に計測することが可能である。すなわち、光源ユニット６は、複数種類の成膜材料を用いる場合には、それぞれの成膜材料に対応したスペクトル光で発光するホローカソードランプを備えている。これにより、成膜材料のそれぞれを、別々に検出することができる。
【００９７】
このように、原子吸光式成膜モニタ８の測定原理は、以下のとおりである。すなわち、光源ユニット６から各分子線に対応した光源（ホローカソードランプ）から、真空容器１内に、特性光を導入する。この特性光は、分子線に吸収されるため、受光ユニット７の光検出器により真空容器１内を透過した透過光を吸光度として検出する。この吸光度により、分子線によって吸収された吸収量（光吸収量）を求めることができる。
【００９８】
なお、真空計１４ａ・１４ｂによって検出された真空度から、基板３に照射される分子線強度を算出することもできる。すなわち、予め、坩堝１５ａ・１５ｂにおける種々の温度Ｔの条件下において、基板３近傍に配置された真空計１４ａ・１４ｂによる真空度Ｐを測定する。そして、その真空度Ｐから、下記（１）式により、分子線強度Ｆを算出する。これにより得られた分子線強度Ｆと、坩堝１５ａ・１５ｂの温度Ｔとの関係を、校正曲線として予め作成する。
【００９９】
分子線強度  Ｆ＝Ｐ／η×√(Ｔ／Ｍ)・・・・・・（１）
Ｐ：基板位置における真空度
η：真空計における分子線種のイオン化率
Ｔ：坩堝の温度
Ｍ：分子線源の分子の量
温度制御演算器１３は、エピタキシャル成長中（成膜処理中）、所望の分子線強度Ｆを得るための坩堝１５ａ・１５ｂの温度Ｔをこの校正曲線から読み取り、坩堝１５ａ・１５ｂの温度を温度Ｔとなるように設定する。
【０１００】
分子線強度比の設定は、上記の分子線強度の設定を、全ての分子線について行い、ある基準の分子線強度との比率として求める。すなわち、分子線強度比を設定するには、上記の分子線強度を設定する際に用いた坩堝１５ａ・１５ｂの温度Ｔと分子線強度Ｆとに関する校正曲線を、複数の分子線種に関して予め作成する。
【０１０１】
次に、基準となる第１の分子線種において、坩堝の温度Ｔと分子線強度Ｆとの校正曲線から、所望の分子線強度Ｆを得るための第１の坩堝の温度Ｔを設定する。すなわち、例えば、基準となる分子線発生部１０ａから発生する分子線において、坩堝１５ａの温度Ｔと分子線強度Ｆとの校正曲線から、所望の分子線強度Ｆを得るための坩堝１５ａの温度Ｔａを設定する。
【０１０２】
次に、例えば、第２，第３，第４…の分子線種の分子線強度Ｆが、基準となる第１の分子線種の分子線強度Ｆに対して所望の分子線強度比となるような、第２，第３，第４…の坩堝の温度を、対応する分子線における坩堝の温度Ｔと分子線強度Ｆとの校正曲線から読み取る。すなわち、例えば、分子線発生部１０ｂから発生する分子線の分子線強度Ｆが、基準となる分子線強度Ｆに対する所望の分子線強度比（分子線発生部１０ｂの分子線強度／分子線発生部１０ａの分子線強度）となる坩堝１５ｂの温度を、坩堝１５ｂの温度Ｔと分子線強度Ｆとの校正曲線から読み取る。そして、読み取った温度Ｔに、第２，第３，第４…の坩堝の温度を設定する。
【０１０３】
これらの校正曲線は、坩堝１５ａ・１５ｂ内にある分子線源の材料の量にも依存する。この分子線源の材料の量は、エピタキシャル成長を行うに従って減少するため、上記分子線強度Ｆと坩堝１５ａ・１５ｂの温度との校正曲線を、エピタキシャル成長を行う度に、あるいは定期的に作成する必要がある。本実施形態では、後述のように、分子線源の材料残量により、坩堝１５ａ・１５ｂの温度を制御しているため、校正曲線を定期的に作成する必要がない。
【０１０４】
ところで、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、分子線源の残量によって、分子線分布は変化する。すなわち、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、分子線源の残量が多い場合の分子線分布は、少ない場合よりも広くなる。このため、分子線源の残量が多い場合の吸収光路長は、少ない場合よりも長くなる（光路長Ｗ１＞Ｗ２）。このように、分子線源の残量が多い場合と少ない場合とでは、分子線分布も、吸収光路長も異なる。このため、原子吸光式成膜モニタ８の測定値が一定となるように、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御したのでは、分子線源の残量の減少による分子線分布の変化は考慮されない。その結果、分子線分布の違いによって、膜厚を制御することが困難となり、膜厚にばらつきが生じてしまう。特に、基板配置範囲において目標とする（均一な）分子線強度が得られなければ、成膜時間とともに膜厚および膜成分（複数の分子線の比）にバラツキが生じる。同様に、真空計１４ａ・１４ｂの測定値が一定の値となるように、分子線発生部１０ａ・１０ｂを制御すると、膜厚にばらつきが生じてしまう。このように、原子吸光式成膜モニタ８または真空計１４ａ・１４ｂの測定値を一定にするだけでは、膜厚を均一に制御することはできない。
【０１０５】
そこで、本実施形態のＭＢＥ装置１００は、ステップＳ３８において、温度制御演算器１３にて、分子線源の残量から求めた制御目標値と、原子吸光式成膜モニタ８による測定値とを比較する。
【０１０６】
そして、比較の結果、両者の差が許容範囲となるよう、分子線発生部１０ａ・１０ｂの温度を制御する（ステップＳ３９）。このように、分子線源の残量による分子線分布に応じた、分子線発生部１０ａの温度制御を行うことにより、基板配置範囲（基板エリア）において均一な分子線強度分布が得られる上、一定の成膜レートを維持することができる。従って、成膜時間に関係なく、一定の成膜レートを維持して、膜厚および膜成分（複数の分子線の比）を高精度に制御することができる。
【０１０７】
ここで、成膜したときの成膜レートの推移を、本実施形態のＭＢＥ装置１００と従来のＭＢＥ装置とを比較して説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、種々のＭＢＥ装置を用いて成膜処理を行った場合の成膜時間と成膜レートとの関係を示すグラフである。図５（ａ）は真空計と原子吸光式成膜モニタとにより分子線量を制御したＭＢＥ装置（本実施形態のＭＢＥ装置１００），図５（ｂ）は真空計の測定結果が一定になるように分子線量を制御したＭＢＥ装置，図５（ｃ）は原子吸光式成膜モニタの測定結果が一定になるように分子線量を制御したＭＢＥ装置の、成膜レートの推移を示すグラフである。
【０１０８】
図５（ｂ）のように、真空計の分子線強度の出力値が一定となるように分子線を制御する手法では、成膜時間とともに成膜レートが大きくなる。この原因について、図５（ｄ）で説明する。図５（ｄ）に示すように、坩堝内の材料残量が多い時は分子線強度分布がＭとなり、少ない時は分子線強度分布がＬとなる。このとき、真空計の計測位置で真空計の出力が一定となるように分子線を制御すれば、材料が少ないときの分子線強度分布はＬ１になり、基板エリアでの分子線強度が目標値より大きくなる。よって、成膜時間ともに成膜レートは大きくなる。
【０１０９】
また、図５（ｃ）のように、原子吸光成膜モニタの検出分子量が一定となるように分子線を制御する手法でも、成膜時間とともに成膜レートが大きくなる。この原因についても図５（ｄ）で説明する。原子吸光成膜モニタの検出分子量が一定となるように分子線を制御した場合、基板エリア内の分子量を一定にするのではなく、原子吸光成膜モニタの光パス内の分子量を一定にするため、材料が少ないときは、基板エリア外の周辺部の分子線量の減少を補正するため、分子線強度分布がＬ２となり、基板エリアでの分子線強度は目標値より大きくなる。よって、成膜時間ともに成膜レートは大きくなる。
【０１１０】
このように、本発明者等の検討の結果、従来の分子線発生部の温度制御では、一定の成膜レートが得られないため、膜厚および成膜成分を高精度に制御できないことが明らかとなった。つまり、従来のＭＢＥ装置は、高精度の成膜処理を実現できないことが明らかとなった。
【０１１１】
これら従来の構成に対し、本実施形態のＭＢＥ装置１００では、分子線発生部１０ａ・１０ｂによる坩堝１５ａ・１５ｂの温度制御に加えて、温度制御演算器１３による坩堝１５ａ・１５ｂの温度制御を行っている。しかも、温度制御演算器１３による温度制御は、真空計により、分子線源の材料残量を検出し、その検出結果を用いて、原子吸光式成膜モニタ８による制御目標値を補正して行う。
【０１１２】
これにより、図５（ａ）のように、成膜時間によって成膜レートが変動することなく、一定の成膜レートを維持することができる。従って、膜厚および膜成分（複数の分子線の組成比）を高精度に制御することができる。
【０１１３】
以上のように、本実施形態のＭＢＥ装置１００は、真空計１４ａ・１４ｂによる分子線源の残量に基づき、原子吸光式成膜モニタ８による制御目標値を設定した成膜レートとなるように補正し、分子線発生部１０ａ・１０ｂを制御している。これにより、分子線源の残量により分子線分布が変化しても、その変化した分子線分布に基づいて、基板３に照射される分子線量を補正することができる。従って、基板３には、常に一定量の分子線を照射することができる。それゆえ、成膜時間に関係なく、均一な成膜レートを維持し、膜厚および膜成分を高精度に制御したエピタキシャル成長膜を形成することができる。
【０１１４】
〔実施の形態２〕
本発明の別の実施形態について、図２に基づき説明する。図２は、本実施形態のＭＢＥ装置２００の全体構成を示す概略図である。ＭＢＥ装置２００は、実施の形態１と同様に、原子吸光式成膜モニタ８を備えている。なお、図２においても、実施の形態１と同様に、本発明にて使用する真空計１４ａ・１４ｂ、原子吸光式成膜モニタ８を除く各種測定装置および排気装置等は記載を省略している。
【０１１５】
図２のＭＢＥ装置２００は、実施の形態１のＭＢＥ装置真空容器１００と基本的な構成は同様であり、真空計１４ａ・１４ｂ、原子吸光式成膜モニタ８（光源ユニット６、受光ユニット７）、分子線発生部１０ｃ・１０ｄ、温度制御演算器１３から構成されている。ただし、ＭＢＥ装置２００では、分子線発生部１０ｃ・１０ｄは、分子線発生部１０ａ・１０ｂのような熱電子対１８ａ・１８ｂ、および、温度調節機器１９ａ・１９ｂ有しておらず、この点が、実施の形態１のＭＢＥ装置１００とは異なる。なお、坩堝１５ａ・１５ｂの温度制御は、ヒータ電源１２ａ・１２によって行われる。
【０１１６】
ＭＢＥ装置２００の構成および動作は、次のとおりである。真空容器１内には基板３と各種原子の分子線源が入った坩堝１５ａ・１５ｂが設けられている。分子線源は、ヒータ電源１２ａ・１２ｂに接続されているヒータ１１ａ・１１ｂによって、坩堝１５ａ・１５ｂの中に入っている成膜材料を加熱し、その成膜材料を蒸発もしくは昇華させることで、分子線Ｂを発生させる。分子線Ｂの強度は分子線源の温度を調整することにより制御される。また、分子線源の温度制御は、温度制御演算器１３で決定される制御信号に基づいてヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力を制御することでなされる。各坩堝１５ａ・１５ｂの上部にはシャッタ９ａ・９ｂが設けられており、このシャッタ９ａ・９ｂを開くことで、真空計１４ａ・１４ｂ及び原子吸光式成膜モニタ８の測定対象である各種の分子が基板３に照射され、基板３の表面で成膜される。
【０１１７】
原子吸光式成膜モニタ８と真空計１４ａ・１４ｂは、図１と同じであるためここでは説明を省略する。
【０１１８】
温度制御演算器１３は、真空計１４ａ・１４ｂ及び原子吸光式成膜モニタの出力値を入力し、その入力値が分子線源の材料残量から算出される制御目標値となるようにヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力値を決定する処理が行われる。
【０１１９】
次に、本実施形態における温度制御演算器１３のデータの処理について説明する。この温度制御演算器１３のデータ処理は、実施の形態１と略同様である。
【０１２０】
成膜中の原子吸光式成膜モニタ８からのデータ（検出結果）は、図２の出力経路２０を通って温度制御演算器１３に入力される。このデータは、成膜中、原子吸光式成膜モニタ８に予め定めてあるサンプリング間隔で、入力される。つまり、温度制御演算器１３には、リアルタイムに、原子吸光式成膜モニタ８のデータが入力される。また、真空計１４ａ・１４ｂのデータも、成膜中、出力経路２１ａ・２１ｂを通って温度制御演算器１３に入力される。
【０１２１】
温度制御演算器１３は、原子吸光式成膜モニタ８および真空計１４ａ・１４ｂから入力されたデータをもとに、ヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力制御値（すなわち坩堝１５ａ・１５ｂの制御温度）を算出する。算出された出力制御値（温度制御情報）は、図２の出力経路２６ａ・２６ｂを通って、温度制御演算器１３からヒータ電源１２ａ・１２ｂへ送られる。そして、その出力制御値によって、ヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力が制御される。ヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力データは、出力経路２４ａ・２４ｂを介して坩堝１５ａ・１５ｂに入力される。このように、ヒータ電源１２ａ・１２ｂの出力データを制御することで、坩堝１５ａ・１５ｂからの分子線の強度を制御することができる。
【０１２２】
以上のように、本実施形態のＭＢＥ装置２００によれば、実施の形態１のＭＢＥ装置１００よりも構成部材の簡素化を図れる。従って、ＭＢＥ装置１００を小型化することができる。
【０１２３】
なお、本発明を、以下のように表現することもできる。
【０１２４】
〔１〕本発明のＭＢＥ装置は、エピタキシャル膜を堆積すべき基板近傍に制御対象となる分子線のみが検出可能な真空計を設置し、また、その基板に照射される分子の数量を計測する原子吸光式成膜モニタとを具備し、上記真空計と原子吸光式成膜モニタの出力に応じて分子線源が入った坩堝の加熱手段を制御することを特徴とする。
【０１２５】
〔２〕本発明の分子線エピタキシャル法は、エピタキシャル成長膜を堆積すべき基板近傍の圧力を測定する第１の工程と、前記第１の工程にて測定した圧力より分子線源の材料の残量を算出する第２の工程と、前記第２の工程により算出された分子線源の材料の残量における設定成長レートに対する原子吸光式成膜モニタの制御目標値を算出する第３の工程と、原子吸光式成膜モニタにより、成膜中の分子線による光吸収量を計測する第４の工程と、前記第４の工程で計測された計測値と第３の工程にて求められた制御目標値とを比較する第５の工程と、この比較結果に基づいて分子線源の材料の温度を調節する第６の工程と、前記第４の工程で計測された計測値が制御目標値と略一致するまで繰り返す第７の工程とを具備することを特徴とする。
【０１２６】
〔３〕本発明の分子線エピタキシャル法における、測定した圧力より分子線源の材料の残量を算出する方法は、材料残量とそのときの真空計の圧力の関係を予め実験により求めた関係式により行うことを特徴とする。
【０１２７】
〔４〕分子線エピタキシャル法における原子吸光式成膜モニタの制御目標値を算出する方法は、設定された成膜レートでの材料残量とそのときの原子吸光式成膜モニタの出力値との関係を予め実験により求めた関係式により行うことを特徴とする。
【０１２８】
上記各構成によれば、分子線強度を制御するためのセル側（分子線発生部側）で、基板ホルダ領域外に、分子線量（分子線照射量）を検出するための真空計を設け、その真空計の出力により、分子線源の残量を求める。その残量により原子吸光式成膜モニタの制御目標値を算出し、原子吸光式成膜モニタの測定値が、その制御目標値となるように、分子線発生部の加熱温度を制御する。このようにして、分子線発生部による基板機器の分子線強度を一定に制御する。
【０１２９】
すなわち、上記の各構成によれば、基板上に分子線源の材料をエピタキシャル成長させるＭＢＥ装置において、原子吸光式成膜モニタを用いて分子線強度を制御する手法における、一定の成膜レートが維持できないという課題を解消し、成膜室内での成膜中の成膜速度の制御を精度良く行いかつ、素子の量産が可能となる高い成膜の再現性を実現するＭＢＥ装置および成膜制御方法を提供することができる。
【０１３０】
また、本発明は、成膜装置の成膜制御手法において、成膜中に真空計や原子吸光法による成膜制御のみを行う手法では、坩堝内の材料減少にともなう分子線強度分布の変化に対する補正手段が必要となるという課題を解決することもできる。本発明では、原子吸光法による分子線を制御する手法の課題を解消し、成膜室内での成膜中の成膜速度の制御を精度良く行いかつ、素子の量産が可能となる高い成膜の再現性を実現する成膜制御方法を提供することができる。
【０１３１】
本発明のＭＢＥ装置は、成膜中、真空計による分子線強度の計測値により坩堝内の材料残量を算出し、そのときの材料残量に対する原子吸光成膜モニタによる制御目標値を算出し、原子吸光成膜モニタの計測値をその制御目標値となるように坩堝の加熱手段を制御することを特徴とするものと表現することもできる。
【０１３２】
このように、本発明によれば、ＭＢＥ装置を用いた成膜方法における、原子吸光式成膜モニタを用いて分子線源を制御する手法において、成膜室内での成膜中の成膜速度の制御を精度良く行い、かつ素子の量産が可能となる高い再現性を実現する成膜方法を用いた成膜制御方法が実現できる。
【０１３３】
また、本願の課題は、「従来、基板上に分子線源の材料をエピタキシャル成長させるＭＢＥ装置において、原子吸光式成膜モニタを用いて分子線強度を制御する手法の課題を解消し、成膜室内での成膜中の成膜速度の制御を精度良く行いかつ、素子の量産が可能となる高い成膜の再現性を実現する成膜制御方法を提供すること」であるともいえる。
【０１３４】
また、特許文献６には、真空計および原子吸光式成膜モニタを用いる構成が開示されている。
【０１３５】
しかしながら、本願発明では、分子線を制御する原子吸光式成膜モニタ８とは別に材料残量を検出するための真空計１４ａ・１４ｂを配置し、検出した材料残量に基づき、原子吸光式成膜モニタ８の制御値を補正することにより、分子線強度（分子線量）を一定に制御している。
【０１３６】
これに対し、特許文献６では、同様に分子線を制御する原子吸光モニタとは別に材料残量を検出するためのもう一つの原子吸光モニタを配置しているが、検出した材料残量より材料の供給量を制御することで材料残量を一定にし、原子吸光モニタの制御値は固定のまま、基板に照射される分子線量（フラックス量）を一定にコントロールしている。
【０１３７】
このため、特許文献６の構成は、材料供給手段が装備可能な装置でないと適用できないのに対し、本願発明の構成は、分子線源の材料残量の影響を補正しているため、材料供給手段を装備する、しない拘わらず適用可能である。
【０１３８】
本発明は上述した各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り、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜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。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、エピタキシャル成長膜の膜厚および膜成分（組成比）を、高精度に制御を形成することができるため、半導体結晶薄膜の形成に好適に適用でき、種々の半導体装置の製造に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の実施の一形態にかかるＭＢＥ装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の他の実施の一形態にかかるＭＢＥ装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】図１のＭＢＥ装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、図３のステップＳ３６を説明するためのグラフである。
【図５】実施例１における本発明方法と従来の方法による成膜中の分子線強度の制御状態を示す図
【図６】図６（ａ）は、分子線投射密度の余弦則を説明する図であり、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、分子線源の材料残量の算出方法を説明する図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、種々の条件における分子線強度分布を示すグラフである。
【図８】分子線源の残量と分子線分布との関係を説明する図である。
【図９】従来のＭＢＥ装置における分子線強度の制御を説明する概略図である。
【図１０】図９のＭＢＥ装置における分子線セルの概略図である。
【符号の説明】
【０１４１】
３  基板
６  光源ユニット（光源部）
７  受光ユニット（受光部）
８  原子吸光式成膜モニタ（原子吸光測定部）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  分子線発生部
１３  温度制御演算器（温度制御部）
１４ａ，１４ｂ  真空計（真空度検出部）
１００，２００  ＭＢＥ装置（分子線エピタキシャル成長装置）
【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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