王 跃 春日正伸*
(昆明物理研究所，昆明,650223)(*日本山梨大学工学部电子情报科)
【摘要】在讨论RHEED 原理的基础上，介绍了组建的RH EED 装置和其附属的真空系统，并用此装置得到了Si 薄膜的RHEED 衍射花样。本文还对实验条件和实验结果进行了简单分析和介绍。【关键词】反射高能电子衍射 衍射花样 Si 薄膜 收稿日期:1996-05-17
1 前言
反射高能电子衍射(RHEED -Reflection High Energy Electro n Diffractio n )已被广泛用
。其特点是：一束直径较细的高能电子束照射到被分析样品表面，通过表面反射而形成电子衍射图象，可以进行X 射线不能完成的样品极表面的晶体结构及薄膜方向等的观察和测定。特别是利用RHEED 设备对薄膜材料的外延生长实施实时观察，可以了解薄膜生长情况。 另外,RH EED 所用的加速电压为104～106V，所对应的波长对分析薄膜的结晶性非常有利，衍射电子数较多，可以从被分析样品获得较多的信息，所以电子束的效率较高。
最后，由于高能束以几乎平行于被分析样品表面的一极小的角入射(见图1)，入射电子与表面垂直的动量很小，所以电子束的入射深度很小，通过衍射象可以显示表面原子排列的特征。
本文在讨论RHEED 原理的基础上，介绍了组建的RH EED 装置，本装置由RHEED 部分和真空系统组成，并用此装置得到了Si 薄膜的RH EED 的衍射图象。2 实验
2.1 电子衍射原理
图1 电子衍射原理图F ig.1Diffr actio n o f electr on beam
如果将电子当作德布罗意物质波来考虑，则可将在X 射线衍射中运用很成功的衍射原理用于反射高能电子衍射中。所以，对于波长为K 的电子波，满足布拉格条件[3]
:
2d sin H =n K (1)
式中:d ——原子面间距;
K ——波长;
H
——高能束与样品表面之夹角。如图1所示，如只考虑一级衍射n =1，由(1)式有:2d sin H =K ，当H 很小时，有: sin H ≈H ,
∴ 2d H =K (2) tan 2H ≈2H =R /L
式中:L ——样品到胶片或荧光屏的距离;
R ——一级衍射斑点到中心的距离。
将2H=R/L代入(2)式得:dR/L=K
∴ d=L K/R(3)
在RHEED的系统设计中,(3)式非常重要。根据需要确定所要观察的衍射级数n，在已知波长K的条件下确定胶片或荧光屏的半径R，以选择适当的钟罩半径L。
2.2 德布罗意波的波长
大家知道，德布罗意波为物质波，电子束能产生衍射，正是揭示了其波的特性。当质量为m 的粒子以速度v运动时，粒子具有的能量为:
E=1
2
mv2(4)
德布罗意波的波长为:
K=
h
mv
(5)
式中h为普朗克常数。由(4)、(5)两式中消v，得:
K=h
2mE
薄页纸(6)
(6)式表示质量为m，具有能量E的粒子作为物质波时的波长。此时所考虑的粒子为电子，具有能量E=eV,e为电子的电荷,V为电子的加速电压。所以由(6)式可得:
K=
h
2meV
=
150
V
(~)(7)
在反射高能电子衍射中，所用加速电压通常为105V，电子能量为105eV，很显然，有必要对(7)式作相对论修正。得:
K=150
V
・(1-5×10-7V) (~)
(8)
2.3 用RHEED测定晶格常数
RHEED是利用高能电子进行表面结构分析的重要方法，可用于决定表面原子的二维周期性排列。通常情况下，可将薄膜作为二维周期性结构来考虑。
2.3.1 布拉格法则
已知布拉格法则为:
2d sin H=n K(1)
,:
a=d h2+k2+l2(9)式中:d——晶面间距;
a——晶格常数;
h,k,l——米勒指数。
在单晶体为三维周期性结构的条件下，布拉格法则为:
2sin H
a
h2+k2+l2
=n K(10)在用RHEED分析的情况下,H角很小，通常为3～5°，入射高能电子与样品表面垂直的动量很小，电子束在样品中的穿透深度很小，因此可用RHEED来进行非常薄的薄膜的分析与观察。在此条件下，可将薄膜(被RHEED所分析的厚度)的原子排列作为二维周期性排列，因此由(9)式得:
d=
a
h2+k2
(11)
布拉格法则为:
2sin H
a
h2+k2
=n K(12) 2.3.2 测定晶格常数
设(00)晶轴包含在纸面内，方向朝上，经样品反射后的电子衍射线，沿与纸面垂直的平面内的某一倒格子轴投射到纸面，并在纸面上形成衍射图样(即衍射斑点)，此时纸面称为接受衍射面或截面投影面。值得注意的是：经被分析样品反射后的入射电子，只在截面投影面的上部形成衍射图象，如图2所示。
此时，在截面投影面上所形成RHEED象，为轴距t的衍射斑点。如果设截面投影面与立方晶膜样品的距离为L(通常称为照相机距离)，截面投影面上各轴线的距离为t，则由图2有:
t=L tan2H(13)
对于晶格常数为a的正立方晶体，只考虑一级衍射n=1，由(12)式可得:
K=2sin H
a
h2+k2
(14)
我们知道，对于RHEED,a》K，并且H很
图3 RHEED 装置 Fig.3Str uctur al diag r am of the R HEED equipment
小，可作近似 tan 2H ≈2sin H (15)
由(13)、(14)和(15)式
可得:
a =K L
t h 2+k
2(16)显然，对已知晶面的样品,h ,k 已知,K 为波长，可由
加速电压确定,L 为样品与荧光屏的距离，从衍射图象准确测量出t ，即可通过(16)式计算出晶格常数a 。从(16)式可知，晶格常数a 的计算精度决定于t 的测量精度。而t 的测量精度与L 有关。L 越大、t 越大，测量的相对误差就小。因此，在通常的高精度RHEED 实验中，均使用相机距离较长的结构，以
提高测量晶格常数的精确度。
2.4 RHEED 装置
本RHEED 装置如图3所示，由RHEED 部分和真空系统组成。
2.4.1 RHEED 部分
主要由荧光屏、电子、高压电缆和线圈电源组成。2.4.2 真空系统
主要由样品操作系统，钟罩、分子泵排气系统、电离真空计控制系统、样品基座加热控制系统和样品基座加热电源组成。2.5 实验条件2.5.1 RHEED 条件
真空度：高于5×10-5
To rr 高电压：灯丝电流1.7A 加速电压20kV 2.5.2 拍摄衍射图样的条件
镜 头:50mm
曝光时间:20～60s
衍射图样投影面积:4×6cm 光圈f :8
3 实验结果与讨论
图4为在Si (111)薄膜样品上获得的RHEED 衍射图样。
在图4的底部中心为高能入射电子经样品表面反射后形成的光斑。从照片可明显地观察到二级衍射。在各级衍射斑点，均有弧形的衍射光晕，这是由于晶膜的晶体完整性较差引起的。
图4 Si(111)薄膜的RHEED 衍射图样F ig .4RHEED pat tern o f Si (111)thin film
特别是二级衍射的光斑不均匀，说明晶膜有亚结构存在。4 小结
以上只是利用RHEED 进行半导体薄膜性能分析很初步的结果。总之，用RHEED 可做样品表面动态观
测，进行晶体生长(如分子束外延)动力学过程研究，还可进行表面原子结构的分析、晶格常数测定，并可通过衍射图样分析晶体缺陷，以对晶膜进行评价。5 致谢
感谢在完成此项工作中曾关心、帮助作者的山梨大学的老师、日本学生及中国留学生。
参考文献
1 薛增泉，吴全德，李洁。薄膜物理。北京：电子工业出版社,
1991-09
2 熊欣，宋常立，仲玉林。表面物理.沈阳：辽宁科学技术出版
社,1985
3 方俊鑫，陆栋。固体物理学。上海：上海科学技术出版社,1980
Analysis of Semiconductor Film with RHEED
Wang Yue ,M asanobu Kasug a (K unming I nstitute of Phy sics ,K unming ,650223)
Abstract The principle of Reflection Hig h Energ y Electr on Diffr actio n (RHEED )is dis-cussed .T he RHEED equipment and vacuums set are also introduced .T he patter n of Si thin film has been made w ith RHEED.Experimental conditions and results ar e repor ted.Key words RHEED Diffr actio n patter n Thin film (上接第20页)
The Design of IR Seeker Automatic Scanner for Tactical Missile System
Li Baoping ,Wang Jianx in (Shaanx i Qinghua Electr o -M echanical Research I nstitute ,Chang 'an ,710111)Abstract The principle and structure of the coaxial IR seeker fo r tactical m issile system are in-tr oduced.An approach to the implementatio n o f automatic scanning system based on a sing le chip microco mputer is proposed and analyzed.The effect o f the system per for mance on targ et acquisi-tio n and the implem entation o f the automatic targ et acquisition are discussed .Key words Auto matic scanning system IR seeker Single chip micr oco mputer
Auto matic targ et acquisitio n
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