分子線エピタキシー法

分子線エピタキシー法（ぶんしせんエピタキシーほう、 MBE; Molecular Beam Epitaxy）は現在、半導体の結晶成長に使われている手法の一つである。真空蒸着法に分類され、物理吸着を利用する。
高真空のために、原料供給機構より放たれた分子が他の気体分子にぶつかることなく直進し、ビーム状の分子線となるのが名称の由来である。
原理と特徴.
原理自体は単純で、高真空中において、原料を蒸発させるなどして基板表面に照射して堆積させ、薄膜の形で成長させる。
特徴としては、
などが挙げられる。
また短所としては、超高真空状態の維持が難しいなどの理由で、量産向きの蒸着法ではないことが挙げられる。
歴史.
MBEという名称は、1970年にベル研究所のと卓以和（アルフレッド・チョー）がGaAsの結晶成長法として命名したのが始まりとされる。当時広く普及していたLPE（液相成長法）とは異なる特長を有する新たな結晶成長手法として発展し、超格子構造の作製や結晶の成長過程そのものの研究、ドーピングなどに応用されるようになった。製膜速度が遅いぶん量産には向かず、主に研究開発用途に用いられているが、AlGaAs系半導体レーザやHEMT素子などの量産に用いられた実例も知られている。
装置の構成.
概要.
MBE装置は下記のような要素から構成される。用途や原料によって詳細は異なる。
原料供給機構.
要件.
MBE法が他の真空蒸着法と異なるのは、求められる種類の分子だけを、正確に、しかも長時間（数分～数週間）に亘って安定して供給できることである。このためMBE法に於ける原料の供給機構は、下記のような要件を満たすことが求められる。
MBE法をMBE法たらしめるのは、このような原料供給機構を備えているかどうかで決まるとも言える。
形式.
上記の要件を満たすために、様々な原料供給機構が用いられている。
分子線量のモニタリング法.
分子線の量は供給源の制御だけでなく、実際の分子線量をモニタリングし、フィードバック制御をかける場合もある。このようなモニタリングには、下記のような手法が用いられる。
超高真空の維持機構.
MBE装置の製膜チャンバー内は、所定の清浄度を得るために場合によっては1×10Torr以下にまで減圧する場合も珍しくない。このような超高真空を実現するために、下記のような手法が用いられる。
真空ポンプ.
チャンバー内部の気体を外部に排出するための超高真空ポンプとしては、下記のようなものが用いられる。
ゲッタリングポンプを除き、これら超高真空ポンプは通常、さらに油回転ポンプやドライポンプなどの低真空ポンプと組み合わせて用いられる。
液体窒素シュラウド.
真空容器内で原料を蒸発させると、当然ながら真空度が悪化するため、通常真空容器の側壁面にシュラウドを設けてそこに液体窒素を満たす。これにより容器内部にある気体分子は側壁と衝突した際に壁面に吸着され、高い真空度を維持することができる。なお、蒸着終了後に液体窒素をシュラウドから抜くと容器内の真空度が一時的ではあるが急激に悪化するため注意が必要である。
ベーキング機構.
メンテナンスなどで真空を破った場合、チャンバー内壁に大気中の気体や水分などが吸着する。このため、ポンプである程度の真空にした後、さらにチャンバー全体を加熱することでこれらの吸着分子を追い出す作業が行われる。これをベーキングと呼び、このためにヒーター線を外部に巻き付けたり、内部に加熱用のランプヒーターを配したりする場合が多い。