反射式高能电子衍射(RHEED)的特点及原位实时监测薄膜生长的原理

反射式高能电子衍射(Reflection high energy electron diffraction,简称RHEED)

RHEED的特点及原位实时监测薄膜生长的原理:

反射式高能电子衍射(RHEED)是一种原位(In-situ)监测薄膜生长结构的有效.工具。在镀膜工艺中,它通常安装在MBE系统上,用于薄膜结构的原位监测,RHEED的应用较大地提高了MBE镀膜条件的研究效率。

RHEED可用于监测薄膜生长((即使是亚单原子层)。通过RHEED 图案特征,可以分析基底的表面再构、基底或薄膜表面的晶体结构。通过衍射强度的变化,可分析薄膜表面粗糙度,从而监测薄膜生长进度。

与低能电子衍射(Low energy electron diffraction,LEED)和透射电子衍射(Trhaismissionhigh energy electron diffraction,THEED)相区别,它具有很高的电子能量(10~100keV),电子与薄膜表面的反应具有反射特性。其原理如图所示,10~100keV的高能量电子以较小的角度(通常为1~3°)入射样品表面,即电子束以几乎平行于样品表面的方向入射,发生样品晶面的衍射后,在另一侧的屏幕上可检测到电子衍射信号,通过此信号可实时监测薄膜的生长结构与状况。由于在RHEED实验中,电子束以几乎平行于样品的方向入射,因此电子束仅仅透入薄膜表面儿个原子层厚度,这正好使得RHEED成为晶体表面结构分析的强有力.工具。

电子衍射同样可以用爱瓦尔德的倒易理论进行分析,衍射倒易理论认为,当爱瓦尔德衍射球与倒易晶格点相交时,衍射就会发生。一般来说,由衍射图案可直接判定生长的薄膜是否为单晶。如果高能电子衍射发生在具有绝对完美结构的单晶体(Single crystalline)表面,三维的倒易晶格点将表现为无限的平行棒束,实际上由于热振动和晶格的不完整性,通常表现为有限的平行棒束( Streaky feature),如图 (b)。若衍射发生在平滑的多晶体(Polycrystalline)表面,其衍射图案为环状。如果衍射发生在不够平滑的晶体表面,将会形成点状图案(Spotty feature),如图 (c)。而如果高能电子入射非晶结构表面,由于不存在规则的衍射晶面,不会得到任何衍射图案,只是背底而已。由于反射球半径很大,和球面相交的除(00)杆外还有(01),(01)杆,甚至(02),(02〉杆,这些杆形成相应的衍射条纹。

反射式高能电子衍射(RHEED)的特点及原位实时监测薄膜生长的原理

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