CN116698891A - 高能电子衍射测量方法及分子束外延*** - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高能电子衍射测量方法及分子束外延***，高能电子衍射测量方法包括：使用电子束在衬底上进行扫描；对衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；对多个RHEED图像进行分析，以获得衬底上的膜的信息。分子束外延***包括：真空腔，用于容纳衬底；电子束发射装置，用于向衬底发射电子束；采集装置，用于对衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；以及控制装置，用于对多个RHEED图像进行分析，以获得衬底上的膜的信息。

Description

高能电子衍射测量方法及分子束外延***

技术领域

本公开涉及真空处理技术领域，特别涉及一种高能电子衍射测量方法及分子束外延***。

背景技术

生产型分子束外延(MBE)***通过层状外延生长高质量的化合物半导体材料和器件，例如，功率器件，射频(RF)器件，光电器件等。但是，MBE***的生长过程难于监测，难以原位、实时表征生长后衬底表面薄膜形态，更难以根据监测来实时调整控制衬底生长过程。现有的真空***中，可以采用X射线衍射(XRD)技术对材料或薄膜的生长质量进行检测，但是XRD效率较低，也无法提供高效的原位检测和反馈。

发明内容

本公开提供了一种高能电子衍射(RHEED)测量方法，其特征在于，包括：使用电子束在衬底上进行扫描；对衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；对多个RHEED图像进行分析，以获得衬底上的膜的信息。

本公开提供了一种分子束外延***，其特征在于，包括：真空腔，用于容纳衬底；电子束发射装置，用于向衬底发射电子束；采集装置，用于对衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；以及控制装置，用于对多个RHEED图像进行分析，以获得衬底上的膜的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本公开一些实施例的分子束外延***的结构示意图；

图2示出根据本公开一些实施例的分子束外延***的电子束扫描示意图；

图3示出根据本公开一些实施例的位置调节装置的结构示意图；

图4示出根据本公开一些实施例的位置调节装置的截面示意图；

图5示出根据本公开一些实施例的驱动磁组件和第一驱动装置的结构示意图；

图6示出根据本公开一些实施例的驱动磁组件和第一驱动装置的侧视图；

图7示出根据本公开一些实施例的第二驱动装置的结构示意图；

图8示出根据本公开一些实施例的第三驱动装置的结构示意图；

图9示出根据本公开一些实施例的高能电子衍射(RHEED)测量方法的流程图；

图10示出根据传统生产型MBE中衬底上外延生长速率相对于生长位置的曲线图；

图11示出根据传统生产型MBE中衬底上RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图；

图12示出根据本公开一些实施例的衬底上外延生长速率相对于生长位置的曲线图；

图13示出根据本公开一些实施例的衬底上RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图。

在上述附图中，各附图标记分别表示：

300分子束外延***

310真空腔

320电子束发射装置

330采集装置

331荧光屏

340控制装置

350衬底

100位置调节装置

10 驱动真空腔

11 第一波纹管

12 第一真空腔段

13 第二驱动装置

131 第二电机

132 第二主动齿轮

134a、134b、134c、134d第二丝杆

14 第二波纹管

15 第二真空腔段

16 第三驱动装置

161 第三电机

162 第三主动齿轮

164a、164b、164c、164d第三丝杆

20 样品架

30 第一驱动轴

40 传动磁组件

50 驱动磁组件

60 第一驱动装置

61 第一电机

62 第一从动齿轮

63a、63b驱动轴承

70 加热装置

80 第二驱动轴

具体实施方式

下面将结合附图对本公开一些实施例进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“升”、“降”、“高”、“低”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接；可以是两个元件内部的连通。在本公开的描述中，远端或远侧是指深入真空环境(例如，真空腔)的一端或一侧，近端或近侧是与远端或远侧相对的一端或一侧(例如，远离真空腔的一端或一侧，或者真空腔内靠近真空腔壁的一端或一侧等等)。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

图1示出根据本公开一些实施例的分子束外延***300的结构示意图。图2示出根据本公开一些实施例的分子束外延***的电子束扫描示意图。如图1所示，分子束外延***300可以包括真空腔310、电子束发射装置320、采集装置330和控制装置340。真空腔310能够用于容纳衬底350。衬底350可以包括各种材料的衬底，例如半导体晶片等。如图1和图2所示，电子束发射装置320能够用于向衬底350发射电子束。电子束发射装置320可以包括电子枪。电子枪能量可以为25kev，电子枪发射的电子束的束斑直径可以为0.1mm。采集装置330能够用于采集RHEED图像。采集装置330包括荧光屏331和CCD相机(图中未示出)。例如，如图1和图2所示，可以通过CCD相机采集电子束扫描衬底350而发生的衍射，并通过荧光屏331示出采集到的RHEED图像。控制装置340能够用于执行高能电子衍射(RHEED)测量方法900(如图9所示)中的部分步骤或全部步骤。例如，控制装置340可以用于控制电子束发射装置320和采集装置330，以便对衬底350上的多个扫描点进行扫描，并采集相应的RHEED图像，对图像数据进行处理。此外，控制装置340还可以用于基于RHEED图像数据的分析，控制膜生长过程，例如控制衬底350的位置(例如，高度)，控制镀膜源的镀膜参数(例如，镀膜材料束流大小、束流方向、不同镀膜源的镀膜材料比例等等)，控制衬底加热装置的加热功率、位置(例如，高度)，控制电子束发射装置320的位置(例如，高度)或电子束发射角，等等。

本领域技术人员可以理解，分子束外延***300的各个部件，例如电子束发射装置320、采集装置330、镀膜源、加热装置等等，可以与控制装置340连接并受控制装置340的控制，但是也可以各自独立进行控制并发挥功能，本公开在这一方面并不受限。

本领域技术人员可以理解，虽然图1中示出了电子束发射装置320、采集装置330和控制装置340位于真空腔310内，但是这仅仅是示例性的，电子束发射装置320、采集装置330和控制装置340可以至少部分地位于真空腔310外，本公开在这一方面并不受限。

在本公开的一些实施例中，分子束外延***300还可以包括位置调节装置100，用于调节衬底350的位置。位置调节装置100能够用于调节衬底350的横向位置和高度，以使得电子束在衬底350上进行扫描。本领域技术人员可以理解，本公开的一些实施例中所述的位置调节装置100可以包括现有技术中任意能够在超高真空(例如，E-7mbar～E-11mbar)内使用的、能够升降且步长为例如0.1mm以下的衬底托盘架，通过位置调节装置100改变RHEED监测衬底(例如，衬底350)的位置，获取实时膜厚均匀性。

图3示出根据本公开一些实施例的位置调节装置100的结构示意图。图4示出根据本公开一些实施例的位置调节装置100的截面示意图。

如图3和图4所示，位置调节装置100可以包括驱动真空腔10、样品架20、第一驱动轴30、传动磁组件40、驱动磁组件50。样品架20位于驱动真空腔10外，能够用于承载样品，例如在架体远端的托盘上承载衬底。第一驱动轴30近端设置在驱动真空腔10内，远端与样品架20固定连接。传动磁组件40设置在第一驱动轴30近端，驱动磁组件50设置在驱动真空腔10外，且与传动磁组件40磁耦合，以驱动传动磁组件40运动，带动第一驱动轴30和样品架20运动。本领域技术人员可以理解，样品架20的运动可以包括升降和/或旋转。

如图3和图4所示，在本公开的一些实施例中，位置调节装置100还可以包括第一驱动装置60。第一驱动装置60能够用于驱动驱动磁组件50升降和/或旋转，以驱动传动磁组件40升降和/或旋转，带动第一驱动轴30和样品架20升降和/或旋转。

图5示出根据本公开一些实施例的驱动磁组件50和第一驱动装置60的结构示意图。图6示出根据本公开一些实施例的驱动磁组件50和第一驱动装置60的侧视图。

如图3-图6所示，在本公开的一些实施例中，第一驱动装置60可以包括第一电机61、第一主动齿轮(图中未示出)、第一从动齿轮62。第一主动齿轮固定设置在第一电机61的输出端上，能够随第一电机61的输出端的旋转而旋转。第一从动齿轮62固定套设在驱动磁组件50上，第一从动齿轮62与第一主动齿轮耦合(例如，啮合、通过传动齿轮组连接、同步带连接等等)，能够在第一主动齿轮的带动下旋转，驱动驱动磁组件50旋转。驱动磁组件50与传动磁组件40磁耦合，驱动磁组件50在第一驱动装置60的驱动下旋转，以带动传动磁组件40旋转，进而带动第一驱动轴30和样品架20旋转。驱动磁组件50与传动磁组件40通过磁耦合的驱动方式对第一驱动轴30进行驱动，减少设备磨损，延长设备使用寿命。

如图3-图6所示，在本公开的一些实施例中，第一驱动装置60还可以包括驱动轴承(例如，驱动轴承63a、驱动轴承63b)。驱动轴承63a和驱动轴承63b分别设置在第一驱动轴30的远端和近端，使得第一驱动轴30与驱动真空腔10转动连接，从而使第一驱动轴30能够相对于驱动真空腔10旋转，从而带动样品架20旋转，以电子束发射装置320发射的电子束的入射角度，使电子束能够对样品架20上的样品(例如，衬底350)进行多角度扫描

本领域技术人员可以理解，虽然本公开的一些实施例中仅示出第一驱动装置60驱动第一驱动轴30以及样品架20旋转。但是在本公开的另一些实施例中，第一驱动装置60也可以驱动第一驱动轴30和样品架20升降。本公开中以第一驱动装置60驱动驱动磁组件50旋转为例进行描述。

如图3和图4所示，在本公开的一些实施例中，驱动真空腔10可以包括第一波纹管11、第一真空腔段12、第二驱动装置13。第一真空腔段12的远端与第一波纹管11真空密封连接。传动磁组件40设置在第一真空腔段12内，并且驱动磁组件50设置在第一真空腔段12外。第一真空腔段12与第一驱动轴30转动连接，例如通过驱动轴承63a、驱动轴承63b转动连接。第二驱动装置13与第一真空腔段12连接，能够用于通过第一波纹管11驱动第一真空腔段12升降，以带动第一驱动轴30和样品架20升降。如图4所示，第一真空腔段12的远端可以伸入第一波纹管11中，以获得更好的稳定性和真空密封性。

图7示出根据本公开一些实施例的第二驱动装置13的结构示意图。

如图3-图7所示，在本公开的一些实施例中，第二驱动装置13可以包括第二电机131、第二主动齿轮132、第二从动主齿轮(图中未示出)、第二从动副齿轮(图中未示出)、第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)。第二主动齿轮132与第二电机131的输出端固定连接，能够随第二电机131的输出端旋转。第二从动主齿轮套设在第一波纹管11的远端外，与第二主动齿轮132耦合(例如，啮合、通过传动齿轮组连接、同步带连接等等)，能够在第二主动齿轮132的带动下旋转。多个第二从动副齿轮与第二从动主齿轮啮合，且围绕第二从动主齿轮周向分布，能够在第二从动主齿轮的带动下旋转。多个第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)与多个第二从动副齿轮固定连接，且多个第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)的近端与第一真空腔段12的远端(例如，第一真空腔段12的远端法兰、或者第一波纹管11的近端法兰)螺纹连接。多个第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)的远端与第一波纹管11的远端(例如，第一波纹管11的远端法兰)转动连接。在多个第二从动副齿轮的旋转带动下，多个第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)旋转，通过螺纹，驱动第一真空腔段12的远端(例如，第一真空腔段12的远端法兰、或者第一波纹管11的近端法兰)升降，带动第一真空腔段12升降。在第一真空腔段12升降过程中，第一波纹管11拉长或收缩，以提供升降距离，并且保持驱动真空腔10内的真空环境。

在本公开的一些实施例中，第一真空腔段12与第一驱动轴30转动连接，可以由第一驱动装置60驱动旋转。此外，第二驱动装置13在驱动第一真空段12升降时，带动第一驱动轴30升降，从而使得样品架20升降。在本公开的一些实施例中，样品架20能够在第一驱动装置60的驱动下在镀膜过程中旋转，有效提高镀膜的均匀性。此外，样品架20能够在第二驱动装置13的驱动下升降，灵活调整样品20位置，提高镀膜质量。而且可以通过位置的调整，使得电子束发射装置320的电子束对样品(例如，衬底50)进行扫描，并通过采集装置330进行信号采集，实现实时的镀膜检测(例如，厚度检测、镀膜均匀性检测)。

如图3和图4所示，在本公开的一些实施例中，位置调节装置100还可以包括第二驱动轴80，用于调节加热装置70的位置。加热装置70能够用于对样品架20上的样品进行加热，第二驱动轴80与加热装置70固定连接，能够用于驱动加热装置70升降。

如图3和图4所示，在本公开的一些实施例中，驱动真空腔10还可以包括第二波纹管14、第二真空腔段15、第三驱动装置16。第二波纹管14的远端与第一真空腔段12真空密封连接，例如通过法兰连接。第二真空腔段15的远端与第二波纹管14真空密封连接。第二真空腔段15与第二驱动轴80固定连接。第三驱动装置16与第二真空腔段15连接，能够用于驱动第二真空腔段15升降，以带动第二驱动轴80和加热装置70升降。

图8示出根据本公开一些实施例的第三驱动装置16的结构示意图。

如图3-图8所示，在本公开的一些实施例中，第三驱动装置16可以包括第三电机161、第三主动齿轮162、第三从动主齿轮(图中未示出)、第三从动副齿轮(图中未示出)、第三丝杆(例如，第三丝杆164a、第三丝杆164b、第三丝杆164c、第三丝杆164d)。第三主动齿轮162与第三电机161的输出端固定连接，能够随第三电机161的输出端旋转。第三从动主齿轮套设在第二波纹管14的远端外，与第三主动齿轮162耦合(例如，啮合、通过传动齿轮组连接、同步带连接等等)，能够在第三主动齿轮162的带动下旋转。多个第三从动副齿轮与第三从动主齿轮啮合，且围绕第三从动主齿轮周向分布，能够在第三从动主齿轮的带动下旋转。多个第三丝杆(例如，第三丝杆164a、第三丝杆164b、第三丝杆164c、第三丝杆164d)与多个第三从动副齿轮固定连接，且近端与第二真空腔段15的远端(例如，第二真空腔段15的远端法兰、或者第二波纹管14的近端法兰)螺纹连接，多个第三丝杆(例如，第三丝杆164a、第三丝杆164b、第三丝杆164c、第三丝杆164d)的远端与第二波纹管14的远端(例如，第二波纹管14的远端法兰)转动连接。在多个第三从动副齿轮的旋转带动下，多个第三丝杆(例如，第三丝杆164a、第三丝杆164b、第三丝杆164c、第三丝杆164d)旋转，通过螺纹，驱动第二真空腔段15的远端(例如，第二真空腔段15的远端法兰、或者第二波纹管14的近端法兰)升降，从而带动第二真空腔段15升降，以带动第二驱动轴80和加热装置70升降。在第二真空腔段15升降过程中，第二波纹管14拉长或收缩，以提供升降距离，并且保持驱动真空腔10内的真空环境。

例如，第三驱动装置16(例如，第三电机161)可以驱动(例如，在控制装置340的控制下)第二真空腔段15的远端(例如，第二真空腔段15的远端法兰、或者第二波纹管14的近端法兰)升降，带动第二真空腔段15升降，以带动第二驱动轴80和加热装置70升降，调整加热装置70的高度，改变加热装置70与衬底350之间的距离，从而调整加热装置70对衬底350的加热效果。

如图3-8所示，在本公开的一些实施例中，第一真空腔段12与第二真空腔段15通过第二波纹管14连接。第二驱动装置13带动第一真空腔段12升降时，第二波纹管14和第二真空腔段15也随之升降，使得第二驱动装置13能够带动样品架20和加热装置70一同升降，避免样品架20与加热装置70发生碰撞，造成设备损坏。

如图3和图4所示，在本公开的一些实施例中，第二真空腔段15位于驱动真空腔10的末端，第一驱动轴30与第二驱动轴80同轴设置，且套设在第二驱动轴80外。

在本公开的一些实施例中，位置调节装置100还可以包括热电偶(图中未示出)。热电偶与加热装置70连接，能够用于测量样品的加热温度。

在本公开的一些实施例中，分子束外延***300还可以包括电子束调节装置(未示出)，用于调节电子束在衬底上的入射角或者电子束的发射位置。例如，电子束调节装置可以包括承载电子束发射装置320的位置调节机构，用于调节电子束发射装置320的位置。电子束调节装置也可以包括偏转电子束发射装置320发射的电子束的偏转机构，用于调节电子束的发射角。

根据本公开一些实施例的分子束外延***300能够带来有益的技术效果。例如，本公开一些实施例的分子束外延***300能够解决常规技术中以下问题中的一项或多项：在镀膜生长过程中，仅能对衬底的局部固定位置进行监测、无法提供外延薄膜的均匀性分布数据、也无法提供高效的原位检测和反馈，能够实现***结构简单、且采用升降装置改变RHEED监测衬底的位置，获取实时膜厚均匀性，并基于反馈数据调整衬底位置以获得更好的膜厚均匀性，从而提高产品质量以及成品率的技术效果。

图9示出根据本公开一些实施例的高能电子衍射(RHEED)测量方法900的流程图。本领域技术人员可以理解，高能电子衍射(RHEED)测量方法900中的部分或全部步骤可以由软件、固件和/或硬件来实现。在一些实施例中，方法900可以由根据本公开一些实施例的控制装置40或分子束外延***300来执行。在一些实施例中，方法900可以实现为计算机可读的指令。这些指令可以由通用处理器或专用处理器(例如，控制装置40所包含的处理器)读取并执行。在一些实施例中，这些指令可以存储在计算机可读介质上。

在步骤902，RHEED测量方法900可以包括使用电子束在衬底上进行扫描。例如，通过电子束发射装置320向衬底350发射电子束，使用电子束沿衬底350的径向进行扫描。在本公开的一些实施例中，电子束沿衬底350的径向进行扫描的步长可以为3mm。本领域技术人员可以理解，在本公开中的步骤902中使用电子束在衬底350上进行扫描可以包括调节电子束在衬底350上的入射角和/或调节衬底350的位置。例如，电子束在衬底350上的入射角可以为2°。本领域技术人员可以理解，调节衬底350的位置可以包括调节衬底350的高度，以使得电子束沿衬底350的径向进行扫描。例如，通过步长为0.1mm的位置调节装置100调节衬底350的高度，以使得电子束在衬底350上进行扫描。例如，4*4inch的生产型MBE***中沿衬底350径向扫描范围为100mm，电子束入射角度为1°-2°，需要扫描的衬底350的高度为tan(1°-2°)*100mm＝1.7mm-3.5mm。同样地，4*6inch的生产型MBE***中沿衬底350径向扫描范围为150mm，电子束入射角度为1°-2°，需要扫描的衬底350的高度为tan(1°-2°)*150mm＝2.6mm-5.2mm。

在一些实施例中，电子束调节装置可以(例如，在控制装置340的控制下)调节(例如，周期性循环调节)电子束发射装置320发射的电子束的发射角，改变电子束在衬底350上的入射角，从而使得电子束在衬底350上进行扫描，如图1所示。或者，在一些实施例中，位置调节装置100可以(例如，在控制装置340的控制下)调节(例如，周期性循环调节)位置调节装置100上承载的衬底350的高度，从而使得电子束在衬底350上进行扫描。例如，第二驱动装置13的第二电机131可以(例如，在控制装置340的控制下)通过第二主动齿轮132、第二从动主齿轮、第二从动副齿轮、第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)，调整驱动第一真空腔段12的远端(例如，第一真空腔段12的远端法兰、或者第一波纹管11的近端法兰)升降，带动第一真空腔段12升降，带动第一驱动轴30升降，使得样品架20和其上承载的衬底350升降，从而使得电子束在衬底350上进行扫描。

本领域技术人员可以理解，使用电子束在衬底上进行扫描可以周期性地循环进行，以便对镀膜过程进行实时监测。如7*6inch的生产型MBE***，实时扫描6inch晶片沿径向的膜厚均匀性分布，衬底高度移动范围在2.6mm～5.2mm之间，即使在生长过程中实时升降衬底高度，5mm的高度波动对镀膜均匀性影响也非常小，因此，采用本专利提出的RHEED扫描技术可以实时原位反馈镀膜均匀性，并根据扫描结果反馈调整衬底至最优的工作高度，最终获得最优的镀膜均匀性。此外，在镀膜过程中，位置调节装置100可以(例如，在控制装置340的控制下)驱动位置调节装置100上承载的衬底350旋转，提高镀膜的均匀性。例如，第一驱动装置60(例如，第一电机61)可以(例如，在控制装置340的控制下)通过第一主动齿轮、第一从动齿轮62、驱动磁组件50、传动磁组件40，驱动第一驱动轴30旋转，带动样品架20和其上承载的衬底350旋转。

在步骤904，RHEED测量方法900可以包括采集多个RHEED图像。例如，电子束在衬底350上有多个扫描点，通过采集装置330在多个扫描点采集多个RHEED图像。电子束沿衬底350的径向进行扫描的步长可以为1-5mm，电子束每次步进均能够得到一个的扫描点，每个扫描点对应一个RHEED图像。

在步骤906，RHEED测量方法900可以包括对多个RHEED图像进行分析，以获得衬底上的膜的信息。本领域技术人员可以理解，本公开中RHEED测量方法900的步骤906可以包括：基于多个RHEED图像，获得RHEED强度或半高宽数据。本公开中RHEED测量方法900的步骤906还可以包括：基于RHEED强度或半高宽数据，获得震荡周期数或震荡间隔；计算衬底上的膜的厚度分布。通过对多个RHEED图像进行分析，从而获得RHEED强度和半高宽相对于衬底350的径向位置的分布。当薄膜呈现梯度分布时，就能获得周期性震荡曲线(例如，一个震荡周期可以代表膜厚变化一个晶胞)，从而获得薄膜的厚度均匀性结果，同时，通过震荡间隔可以获得衬底径向的膜厚均匀性分布情况。(例如，衬底中心处的震荡间隔大于衬底边缘处的震荡间隔，从而得到衬底中心处的膜厚均匀性大于衬底边缘处的膜厚均匀性的结果。)

图10示出根据传统生产型MBE中衬底上外延生长速率相对于生长位置的曲线图。图11示出根据传统生产型MBE中衬底上RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图。图11所示的RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图与图10所示的外延生长速率相对于生长位置的曲线图相对应。

如图10所示，传统生产型MBE衬底位置在镀膜源的中心上，在材料外延过程中旋转衬底，外延生长速率呈现中间厚边缘薄的分布，从而膜厚也呈现中间厚边缘薄的分布，不均匀性大于3％。如图11所示，镀膜材料在衬底表面上需要外延150层。在生长过程中或生长后，可以通过根据本公开一些实施例的方法或***沿径向对衬底进行扫描，得到多个扫描RHEED图像。在多个扫描RHEED图像中，特征衍射点强度随衬底的径向距离而震荡，震荡的周期数表明膜厚的变化，例如一个震荡周期可以代表膜厚变化一个晶胞。如图11所示，衍射强度曲线包括9个震荡周期，这表明膜厚从中心点到边缘相差9u.c.

(unit cell，单层晶胞)，例如从衬底中心点的150u.c.到衬底边缘的141u.c.。可见，在传统工艺中，生产型MBE的镀膜质量较差，从中心到外边缘的膜厚差难以降低。

仿真和实测表明，通过改变镀膜参数，例如使镀膜源偏离衬底中心位置，可以提升薄膜均匀性。但是，在传统的镀膜工艺和镀膜***中，由于缺少原位测量手段，很难优化镀膜参数，使得整体生产工效低、成本高、镀膜质量差。

在本公开的一些实施例中，RHEED测量方法900还可以任选地包括：基于衬底上的膜的信息，调节膜生长的参数。例如，基于衬底350上的膜的信息，调节膜生长的参数。膜生长的参数可以包括各种合适的生长控制参数，包括但不限于衬底的位置、镀膜材料束流大小、镀膜材料束流方向、不同镀膜材料的比例、衬底温度、电子束发射位置、电子束发射位置等等。调节膜生长的参数可以包括调节衬底的位置、镀膜材料束流大小、镀膜材料束流方向、不同镀膜材料的比例、衬底温度、电子束发射位置、电子束发射位置中的一个或多个。

在一些实施例中，控制装置340可以基于衬底上的膜的信息，控制位置调节装置100，调节衬底350的位置(例如，高度)。控制装置340可以基于衬底上的膜的信息，控制镀膜源的镀膜参数，例如，镀膜材料束流大小、镀膜材料束流方向、不同镀膜源的镀膜材料比例等等。控制装置340可以基于衬底上的膜的信息，控制衬底加热装置70的加热功率，或者控制位置调节装置100，调节加热装置70的位置(例如，高度)。控制装置340可以基于衬底上的膜的信息，控制电子束发射装置320的位置(例如，高度)或电子束发射角。本领域技术人员可以理解，对生长参数的调节，可以由分子束外延***300的各个部件各自完成，而无需控制装置340的介入。

对膜生长的参数的调节可以在镀膜过程中进行，或者在镀膜后进行。这种调节都无需破坏真空环境，快捷、简单、有效。

在一些实施例中，可以在镀膜过程中对衬底上的薄膜进行实时监测，并且可以实时调节膜生长参数。例如，RHEED测量方法900还可以任选地包括：基于衬底上的膜的信息，改变衬底的高度；调节电子束的发射高度或角度，以与改变后的衬底的高度匹配；以及周期性循环调节衬底的高度，以使得电子束沿衬底的径向进行扫描。

在镀膜过程中，为了在衬底上进行电子束扫描，周期性循环地对衬底的高度进行调节，这种调节的幅度通常不足以显著影响镀膜过程，通常在5mm以内，这为原位实时RHEED监测提供了条件。为了优化镀膜过程，改变衬底的高度，这种改变的幅度可以比上述调节幅度一个量级、甚至几个量级，通常在百mm级别。例如，在根据本公开一些实施例的分子束外延***中，针对GaAs镀膜，对于Ga源，衬底位置下降40mm，镀膜均匀性可以从±0.79％提高到±0.19％；针对AlGaAs镀膜，对于Al源，衬底位置下降80mm，镀膜均匀性可以从±7.6％提高到±0.6％。因此，在改变衬底的高度之后，可以调节电子束的发射高度或角度，以与改变后的衬底的高度匹配。在改变后的高度处，可以对衬底的高度重新进行周期性循环调节，以使得电子束沿衬底的径向进行扫描，开始新的RHEED扫描监测。

在一些实施例中，位置调节装置100可以(例如，在控制装置340的控制下)改变位置调节装置100上承载的衬底350的高度，从而优化镀膜过程。例如，第二驱动装置13的第二电机131可以(例如，在控制装置340的控制下)通过第二主动齿轮132、第二从动主齿轮、第二从动副齿轮、第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)，调整驱动第一真空腔段12的远端升降，带动第一真空腔段12升降，带动第一驱动轴30升降，使得样品架20和其上承载的衬底350升降，从而改变衬底350与镀膜源之间的距离。

在一些实施例中，电子束调节装置可以(例如，在控制装置340的控制下)调节电子束的发射高度，以与改变后的衬底的高度匹配。或者，电子束调节装置可以(例如，在控制装置340的控制下)调节电子束发射装置320发射的电子束的发射角，以与改变后的衬底的高度匹配。

在一些实施例中，在改变后的衬底高度处，位置调节装置100可以(例如，在控制装置340的控制下)周期性循环调节位置调节装置100上承载的衬底350的高度，从而使得电子束在衬底350上进行扫描。例如，第二驱动装置13的第二电机131可以(例如，在控制装置340的控制下)通过第二主动齿轮132、第二从动主齿轮、第二从动副齿轮、第二丝杆(例如，第二丝杆134a、第二丝杆134b、第二丝杆134c、第二丝杆134d)，周期性循环调整驱动第一真空腔段12的远端升降，带动第一真空腔段12升降，带动第一驱动轴30升降，使得样品架20和其上承载的衬底350升降，从而使得电子束在衬底350上进行扫描。

在本公开的一些实施例中，RHEED测量方法900还可以任选地包括：在衬底上进行分子束外延生长。例如，在真空腔310内，在衬底350上进行分子束外延生长。

本领域技术人员可以理解，可以循环执行RHEED测量方法900的步骤902-906或其一部分步骤。类似地，本领域技术人员可以理解，RHEED测量方法900的步骤902-906的以上描述顺序并不必然代表执行的先后顺序。此外，RHEED测量方法900并不局限于分子束外延过程或分子束外延***，而是可以应用于各种合适的镀膜过程或镀膜***。

根据本公开实施例的RHEED测量方法、RHEED测量装置或镀膜***可以实现原位测量，可以用来监测衬底镀膜(例如，分子束外延生长)前表面形态，监控衬底镀膜过程和表征镀膜后衬底表面薄膜形态。但是，常规的RHEED只能监测衬底一个局部固定位置，通过RHEED图像随着生长时间的演化来反映薄膜生长情况，很难适应精细化、规模化、集约化的要求。对于可以同时生长多片大尺寸外延片的生产型MBE***，例如，能够同时生长7片6英寸外延片的MBE***，常规的RHEED测量技术无法提供外延薄膜的均匀性分布数据，而对于这种大尺寸的生产型MBE，均匀性指标非常重要。

根据本公开一些实施例的RHEED测量方法900能够带来有益的技术效果。例如，本公开一些实施例的RHEED测量方法900能够解决常规技术中以下问题中的一项或多项：传统RHEED仅能监测衬底的局部固定位置、无法提供外延薄膜的均匀性分布数据、其他非原位的检测技术比如XRD，也无法提供高效的原位检测和反馈，能够实现原位检测衬底表面薄膜生长质量，通过反馈数据及时调整工艺参数；测试过程简化，且监测方法对衬底表面和镀膜层没有任何损伤的技术效果。

图12示出根据本公开一些实施例的衬底上外延生长速率相对于生长位置的曲线图。如图12所示，在本公开的一些实施例中，生长高性能化合物半导体外延材料，生长厚度分布不均匀性可以实现小于1％，大大提高了镀膜质量。在本公开的一些实施例中，RHEED测量方法、测量装置和分子束外延***能够实现对衬底表面材料外延生长的原位监测，甚至是实时的原位检测，通过位置调节装置100改变样品架20的高度来改变电子束扫描位置、优化外延生长过程，以使得RHEED图像能够反应出当前成膜的质量和不同监测位置膜厚度的均匀性、指导镀膜过程的调节，和/或，通过位置调节装置100旋转样品架20来改进镀膜均匀性。根据本公开的RHEED技术可以快速反馈、识别、优化、确认生长过程，例如衬底高度。此外，生产型MBE的连续生长周期在8-12个月，随着材料的消耗，束流分布改变，外延薄膜的均匀性受到影响，利用本公开的RHEED技术可以便捷、低成本地适应性调整分子束外延***的薄膜生长参数，例如通过可调高度的衬底架改变衬底高度，可以间隔地优化生长参数来保持最佳均匀性。

图13示出根据本公开一些实施例的衬底上RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图。图13所示的RHEED衍射强度相对于生长位置的曲线图与图12所示的外延生长速率相对于生长位置的曲线图相对应。

RHEED测量方法能够反应材料在衬底表面外延生长的情况，生长参数可根据监测结果进行优化。在优化了生产参数之后，通过扫描外延衬底的RHEED强度或者半高宽震荡周期数或震荡间隔，计算外延薄膜的厚度分布。如图12-图13所示，经过生长参数优化，外延薄膜均匀性得到大幅提高，震荡周期减少到两个，即整片外延片上的膜厚差异仅2个晶胞层，若总层数为150层，则膜厚均匀性为±1/150。

本公开的RHEED测量方法、测量装置和分子束外延***，基于RHEED技术监测的图像中衍射点的特征，例如，强度和半高宽随着外延膜的层状生长呈现周期性震荡的特性，利用外延薄膜在大尺寸衬底上的梯度分布特性，通过调节位置或角度(例如，衬底高度)，实现电子束在衬底径向的扫描。RHEED的图像特征，例如衍射点的强度和半高宽，会呈现因为表面覆盖率连续变化产生的周期性震荡，通过对震荡周期数量和间隔距离的分析可以得到精确的外延膜厚度分布。在一些实施例中，精度可以远高于1u.c.。

需要指出的是，以上仅为本公开的示例性实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种高能电子衍射(RHEED)测量方法，其特征在于，包括：

使用电子束在衬底上进行扫描；

对所述衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；

对所述多个RHEED图像进行分析，以获得所述衬底上的膜的信息。

2.根据权利要求1所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，使用电子束在衬底上进行扫描包括：

使用电子束沿所述衬底的径向进行扫描。

3.根据权利要求1所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，使用电子束在衬底上进行扫描包括：

调节电子束在所述衬底上的入射角，和/或

调节所述衬底的位置。

4.根据权利要求3所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，调节所述衬底的位置包括：

调节所述衬底的高度，以使得电子束沿所述衬底的径向进行扫描。

5.根据权利要求1所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，对所述多个RHEED图像进行分析包括：

基于多个RHEED图像，获得RHEED强度或半高宽数据；

基于RHEED强度或半高宽数据，获得震荡周期数或震荡间隔；以及

计算所述衬底上的膜的厚度分布。

6.根据权利要求1所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底上进行分子束外延生长；和/或

基于所述衬底上的膜的信息，调节膜生长的参数。

7.根据权利要求6所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，调节膜生长的参数包括：

调节衬底的位置、镀膜材料束流大小、镀膜材料束流方向、不同镀膜材料的比例、衬底温度中的一个或多个。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的高能电子衍射测量方法，其特征在于，还包括：

基于所述衬底上的膜的信息，改变所述衬底的高度；

调节所述电子束的发射高度或角度，以与改变后的所述衬底的高度匹配；以及

周期性循环调节所述衬底的高度，以使得电子束沿所述衬底的径向进行扫描。

9.一种分子束外延***，其特征在于，包括：

真空腔，用于容纳衬底；

电子束发射装置，用于向所述衬底发射电子束；

采集装置，用于对所述衬底上的多个扫描点，采集多个RHEED图像；以及

控制装置，用于对所述多个RHEED图像进行分析，以获得所述衬底上的膜的信息。

10.根据权利要求9所述的分子束外延***，其特征在于，还包括：

位置调节装置，用于调节所述衬底的位置；和/或

电子束调节装置，用于调节所述电子束在所述衬底上的入射角或者所述电子束的发射位置。

11.根据权利要求10所述的分子束外延***，其特征在于，所述位置调节装置用于调节所述衬底的高度，以使得所述电子束在衬底上进行扫描。

12.根据权利要求10所述的分子束外延***，其特征在于，所述位置调节装置包括：

驱动真空腔；

样品架，位于所述驱动真空腔外，用于承载样品；

第一驱动轴，近端设置在所述驱动真空腔内，远端与所述样品架固定连接；

传动磁组件，设置在第一驱动轴近端；

驱动磁组件，设置在驱动真空腔外，且与传动磁组件磁耦合，以驱动传动磁组件运动，带动第一驱动轴和样品架运动；以及

第一驱动装置，用于驱动所述驱动磁组件升降和/或旋转，以驱动所述传动磁组件升降和/或旋转，带动所述第一驱动轴和所述样品架升降和/或旋转。

13.根据权利要求12所述的分子束外延***，其特征在于，所述驱动真空腔包括：

第一波纹管，

第一真空腔段，所述第一真空腔段的远端与所述第一波纹管真空密封连接，所述第一真空腔段与所述第一驱动轴转动连接；以及

第二驱动装置，与所述第一真空腔段连接，用于通过所述第一波纹管驱动所述第一真空腔段升降，以带动所述第一驱动轴和所述样品架升降，

其中，所述传动磁组件设置在所述第一真空腔段内，并且所述驱动磁组件设置在所述第一真空腔段外。

14.根据权利要求13所述的分子束外延***，其特征在于，所述第二驱动装置包括：

第二电机；

第二主动齿轮，与所述第二电机的输出端固定连接，能够随所述第二电机的输出端旋转；

第二从动主齿轮，套设在所述第一波纹管的远端外，与所述第二主动齿轮耦合，能够在所述第二主动齿轮的带动下旋转；

多个第二从动副齿轮，与所述第二从动主齿轮啮合，且围绕所述第二从动主齿轮周向分布，能够在所述第二从动主齿轮的带动下旋转；以及

多个第二丝杆，与所述多个第二从动副齿轮固定连接，且近端与所述第一真空腔段的远端螺纹连接，远端与所述第一波纹管的远端转动连接，以在所述多个第二从动副齿轮的旋转带动下，带动所述第一真空腔段升降。

15.根据权利要求13所述的分子束外延***，其特征在于，还包括：

加热装置，用于对所述样品架上的样品进行加热；

第二驱动轴，与所述加热装置固定连接，用于驱动所述加热装置升降。

16.根据权利要求15所述的分子束外延***，其特征在于，所述驱动真空腔还包括：

第二波纹管，所述第二波纹管的远端与所述第一真空腔段真空密封连接；

第二真空腔段，所述第二真空腔段的远端与所述第二波纹管真空密封连接，所述第二真空腔段与所述第二驱动轴固定连接；以及

第三驱动装置，与所述第二真空腔段连接，用于驱动所述第二真空腔段升降，以带动所述第二驱动轴和所述加热装置升降。

17.根据权利要求10-16中任一项所述的分子束外延***，其特征在于，

所述位置调节装置用于基于所述衬底上的膜的信息，改变所述衬底的高度；

所述电子束调节装置用于调节所述电子束的发射高度或角度，以与改变后的所述衬底的高度匹配；以及

所述位置调节装置用于周期性循环调节所述衬底的高度，以使得电子束沿所述衬底的径向进行扫描。

18.根据权利要求9-16中任一项所述的分子束外延***，其特征在于，所述控制装置用于：

基于多个RHEED图像，获得RHEED强度或半高宽数据；

基于RHEED强度或半高宽数据，获得震荡周期数或震荡间隔；以及

计算所述衬底上的膜的厚度分布。

19.根据权利要求9-16中任一项所述的分子束外延***，其特征在于，所述控制装置用于：

基于所述衬底上的膜的信息，调节膜生长的参数，所述膜生长的参数包括：调节衬底的位置、镀膜材料束流大小、镀膜材料束流方向、不同镀膜材料的比例、衬底温度中的一个或多个。