[发明专利]一种利用RHEED原位实时定量探测薄膜粗糙度的方法

说明书

本发明公开了一种通过反射式高能电子衍射仪(以下简称RHEED)原位实时探测薄膜粗糙度的方法。RHEED是在外延生长薄膜时广泛采用的仪器，通过与荧光屏和电荷耦合器件(以下简称CCD)的结合，可以原位实时观测到外延薄膜的衍射图案。本发明通过采集外延薄膜衍射图案的特征参数，将衍射图案特征参数和薄膜表面平整度建立起明确的函数关系，从而使得在生长过程中便能依据外延薄膜的衍射图案得到其精确的表面粗糙度，这大大拓展了RHEED在薄膜生长中的应用。

技术领域

本发明涉及凝聚态物质结构探测领域，尤其涉及一种原位实时探测薄膜表面粗糙度的方法。

背景技术

薄膜表面粗糙度一直是凝聚态物理中研究表面和界面物理中非常基础同时也十分重要的一个信息。表面例如在单晶SrTiO₃(001)衬底表面生长缓冲层，缓冲层是否平整直接关系到后续薄膜的质量；界面例如LaAlO₃/SrTiO₃界面的二维电子气，对于生长时两种材料的界面平整度要求很高，因此薄膜表面的粗糙度是直接关系到外延薄膜的质量的。而且，对于绝大多数依赖于界面的电子器件来说，界面的平整度对器件的性能有着至关重要的影响，比如磁性隧道结、铁电隧道结以及量子级联激光器等。

在表面和界面物理的研究中，样品的制备一般都在真空中完成。而在样品制备过程中，反射式高能电子衍射仪(以下简称RHEED)是被广泛应用的原位表征手段。但当前大都只是用来定性地观察生长情况，比如生长模式、生长层数等。而目前对于薄膜表面粗糙度的探测手段，比如原子力显微镜、椭偏仪等仪器都需要将样品从真空设备中取出再进行测试，而测量界面的主要手段如透射电子显微镜也需要将样品从真空设备中取出，甚至需要对样品进行进一步的处理。但许多薄膜在空气中并不稳定，从真空设备中取出到空气中后往往性质会改变甚至样品直接被破坏，如铝、铅等活泼金属，硅烯，大多数硒化物和碲化物等，导致无法探测薄膜本征信息。所以发展原位实时探测表面和界面粗糙度的技术手段是极为重要的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于RHEED的原位且实时地探测表面和界面粗糙度的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用RHEED原位实时定量探测薄膜粗糙度的方法，其特征在于，用于原位实时且定量化地得到外延薄膜的表面粗糙度，包括以下步骤：

a)在真空镀膜装置系统中，在单晶衬底上外延生长薄膜；

b)利用RHEED电子束照射外延薄膜，投射在荧光屏上，通过CCD图像传感器对其摄像得到衍射图案；

c)获得衍射图案的亮度分布；

d)通过衍射图案的亮度分布获得衍射图案的形状参数A；

e)通过衍射图案的形状参数A和表面粗糙度的函数关系得到薄膜的表面粗糙度。

优选地，所述步骤b)中，在单晶衬底上外延生长薄膜的过程中或者在单晶衬底上外延生长薄膜后，利用RHEED电子束照射外延薄膜。

优选地，所述步骤b)中，利用RHEED电子束照射外延薄膜时，RHEED采用较小角度入射，在0.1度到10度之间适宜，这样可以使得RHEED对薄膜表面进行较好的探测且得到较为明显的衍射图案。

优选地，所述步骤b)中，利用RHEED电子束照射外延薄膜时，RHEED的电压设置为5到50kV之间，这样可以使得RHEED获得较好的衍射图案。

优选地，所述步骤b)中，控制RHEED灯丝电流大小将衍射图案控制为大于CCD图像传感器的分辨率(最小像素点)，便于之后的特征参数的提取。

优选地，所述步骤b)中，所述衍射图案应包括衍射斑点、线或菊池线等所有的衍射特征，这使得之后的特征参数的提取更加精确。