DE3780556T2

DE3780556T2 - Verfahren und vorrichtung zur echtzeitbestimmung der orientierung einer kristallographischen achse.

Info

Publication number: DE3780556T2
Application number: DE19873780556
Authority: DE
Inventors: Sidney Weiser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2007-09-25
Also published as: EP0263621A3; EP0263621A2; DE3780556D1; JPS63115032A; EP0263621B1; CA1304600C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von kristallographischen Achsen. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, mittels derer diese Bestimmung in einfacher Weise und in Echtzeit durchführbar ist. Es gibt verschiedene Verfahren zur Bestimmung der kristallographischen Orientierung von kristallinen Stoffen. Eines der ältesten ist wahrscheinlich das Laue-Verfahren, bei dem ein parallel gerichteter Röntgenstrahl durch einen Stoff geschickt wird und ein Beugungsbild auf einem photographischen Film erzeugt. Leider beträgt der Zeitaufwand für dieses Verfahren ca. 15 bis 20 Minuten. Ein anderes Verfahren beruht auf der schwachwinkligen Brechung (Reflexion) von Röntgenstrahlen nach dem Braggschen Gesetz; dieses Verfahren erfordert zur Bestimmung der optimalen Reflexionswinkel die manuelle Handhabung einer Kristallprobe und die Berechnung von Winkelabweichungskomponenten. Ein weiteres Verfahren ist ein optisches Verfahren, bei dem ein Lichtstrahl von einer angerauhten oder geätzten kristallinen Fläche reflektiert wird. Das von der Fläche reflektierte Licht erzeugt ein Bild auf einem Schirm; das Ausrichten des Bildzentrums auf einen Null-Bezugspunkt gibt Aufschluß über die kristallographische Orientierung. Die beiden letzten Verfahren sind in der ASTM-Druckschrift F26-84, "Standardverfahren zum Bestimmen der Orientierung eines Halbleiter-Einkristalls", beschrieben. Des weiteren ist in "Applied Optics", Band 20, Nr. 10 vom 15. Mai 1981, Seiten 1758 bis 1769, der Optical Society of America, New York, U.S.A., eine Vorrichtung beschrieben, die die Merkmale dem Oberbegriffes des Anspruches 1 aufweist. Die vorliegende Erfindung arbeitet in Echtzeit, erfordert keine manuellen Handhabungen oder Berechnungen und liefert genauere Ergebnisse als die bekannten Verfahren.

Zusammenfassung der Erfindung

Es handelt sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der kristallographischen Orientierung. Das Verfahren umfaßt die allgemeinen Verfahrensschritte: Erzeugen eines Laserstrahls und Reflektieren dieses Strahls durch eine im wesentlichen planare Kristalloberfläche in einem im wesentlichen spiralig abgetasteten Muster sowie Bestimmen des Anteils des Strahles, der beim Abtasten durch den Strahl in einer speziellen Richtung reflektiert wird. Anhand des so erzielten Reflexionsbildes kann die Orientierung bestimmt werden. Die Vorrichtung umfaßt einen Laser, Vorrichtungen zum Steuern des Laserstrahls in einem im wesentlichen spiraligen Muster, ein Reflexions- oder Refraktions-System zum Richten und Fokussieren des Strahls auf einen bestimmten kleinen Punkt auf der Kristallfläche, einen Fotodetektor zum Erfassen der Strahlung des reflektierten Strahls und eine Steuereinrichtung für die Steuervorrichtungen des Strahls sowie eine Einrichtung zum Bestimmen der Orientierung anhand des Ausgangssignals des Fotodetektors. Durch Bestimmen der Orientierung an einer Vielzahl von Punkten oder kleinen Stellen auf der Kristallfläche kann die kristallographische Orientierung der Fläche abgebildet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 zeigt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte typische Reflexionsbilder.

Beschreibung der bevorzugten

Ausführungsformen der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte: Erzeugen eines Laserstrahls, Steuern des Laserstrahls in einem im wesentlichen spiraligen Muster um eine Achse durch eine Kristallprobe, Richten und Fokussieren des Strahls auf eine kleine Stelle auf der Probe in einem weiteren im wesentlichen spiraligen Muster, Erfassen der reflektierten Strahlung des Strahls in einer bestimmten Richtung und Bestimmen der kristallographischen Orientierung der Probe aus dem Bild der reflektierten Strahlung.
Es mag nützlich sein, genau zu definieren, was unter dem Begriff "im wesentlichen spiralig" in dieser Beschreibung zu verstehen ist. Je nachdem, ob eine analoge oder eine digitale Steuerung des Strahls angewendet wird, ergeben sich leicht unterschiedliche Bilder. Bei einem analogen System wird der Laserstrahl zunächst auf die Stelle auf der Probe gerichtet und kontinuierlich um eine im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe verlaufende Achse gedreht. Während sich der Strahl dreht, wird sein Einfallswinkel kontinuierlich verändert, ausgehend von einem hohen Anfangswert bis zu einem niedrigeren Wert, oder umgekehrt. So wird eine echte Spirale erzielt. Bei einem bestimmten Einfallswinkel erreicht die reflektierte Strahlung ein Maximum.
Bei einem digitalen System wird der Einfallswinkel schrittweise in kleinen Stufen verringert oder erhöht, so daß die Abtastung aus einer Gruppe von ineinandergeschobenen Kegeln besteht. Das Ergebnis ist im wesentlichen das gleiche wie bei analoger Änderung, wenn die Schritte klein genug sind; man könnte dies als schrittweise Spirale bezeichnen, ich möchte jedoch den Begriff "im wesentlichen spiralig" benutzen, um diese Spirale einzuschließen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, umfaßt einen Laser 1, der einen Strahl 2 erzeugt, eine erste Fokussierlinse 3 (falls erforderlich), eine zweite Fokussierlinse 4, eine Eintrittspupille 5 und einen Spiegel 6. Die Pupille 5 der Linse 4 dient als ein Fokussierpunkt eines ellipsoidischen optischen Systems, das im folgenden näher beschrieben wird. Der Spiegel 6 ist kardanisch < oder in ähnlicher Weise) um zwei beliebige orthogonale Achsen (x und y) auf gehängt und ist mittels x- und y-Galvanometern 7 und 8 um diese Achsen getrennt schwenkbar. Die an die Galvanometer angelegten Spannungen bestimmen das Bild, das der Strahl um die Achse 9 erzeugt; bei um 90º phasenverschobenen Sinuskurven mit sich jeweils stetig ändernder Amplitude wird der Strahl in einer Spirale um die Achse 9 gesteuert. Zwei Positionen des gelenkten Strahls sind mit 2a und 2b bezeichnet. Der gesteuerte Strahl wird von einem ellipsoidischen Spiegel 10 reflektiert und auf eine Stelle auf der Kristallprobe 11 fokussiert. Diese Stelle ist im Vergleich zu der Fläche der Probe 11 klein. Der Spiegel 10 bildet den anderen Teil des oben erwähnten ellipsoidischen optischen Systems und hat einen Fokussierpunkt, der auf die Oberfläche der Kristallprobe 11 fällt. Die von der Probe 11 in einer Strahlungskeule reflektierte Strahlung wird von dem Fotodetektor 12 erfaßt, dessen Ausgangssignal einer Strahlsteuerungs- und Bilderkennungs- Schaltung 13 und (bei Bedarf) einem Display 14 zugeführt wird. Die Kristallprobe 11 kann aus einer aus einer Kugel herausgeschnittenen Scheibe oder aus einer Kugel selbst bestehen. In jedem Fall ist die Oberfläche jedoch angerauht oder geätzt, damit die charakteristischen Vertiefungen und Erhebungen der Oberfläche freigelegt werden.
Die Schaltung 13 enthält eine Uhr, die den (nicht dargestellten) Sinusgenerator oder Generator einer sonstigen Wellenform steuert, dessen Ausgang an die Galvanometer 7 und 8 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 wird in einem (von der Uhr gesteuerten,) in der Schaltung 13 angeordneten Analog-Digitalumsetzer digitalisiert und in ein ebenfalls in der Schaltung enthaltenes Schieberegister eingegeben, das als Ringzähler ausgeführt ist und von der Uhr getaktet wird. Diese Schritte sind mit der Drehung des Laserstrahls synchronisiert. Anhand der vom Ringzähler gelieferten Informationen kann ein (nicht dargestellter) Rechner in Echtzeit einen quantitativen Wert der Winkelposition der Keulenbilder genau errechnen. Die Bilderkennung kann durch ebenfalls in der Schaltung 13 vorgesehene UND-Gatter erfolgen, die mit geeigneten Anschlüssen am Schieberegister verbunden sind. Diese UND-Gatter können LED-Dioden aktivieren, um die Anzahl der Keulen (Lappen) im Reflexionsbild der Probe anzuzeigen. Das Display 14 kann ein Oszilloskop oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Es zeigt ein Bild entsprechend denen, die in Fig. 2 dargestellt sind.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, entsteht bei einem bestimmten Material mit einer bestimmten Orientierung ein Keulenbild mit einer bestimmten Anzahl von Keulen. Die Ausrichtung der Keulen ist für die Orientierungsrichtung signifikant. Die Spalten (a), (b) und (c) in Fig. 2 zeigen jeweils (1,1,1)-, (1, 0,0)- und (1,1,0)-Bilder von Kadmium-Tellurid, Silizium und Germanium.
Die vorliegende Erfindung hat im Vergleich zu dem oben unter HINTERGRUND DER ERFINDUNG beschriebenen optischen Verfahren einen stark verbesserten signal-Stör-Abstand. Das dort beschriebene Verfahren verwendet einen im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Kristallprobe gerichteten Strahl und bedarf manueller Handhabung der Probe und visueller Beobachtung. Der Strahl wird in einem Keulenbild reflektiert. Der verbesserte Signal-Stör-Abstand der vorliegenden Erfindung wird dadurch erzielt, daß für den Abtaststrahl ein großer Einfallswinkel gewählt wird. Der Strahl wird von diffusen Teilen der kristallinen Oberfläche so reflektiert, als ob diese Teile spiegelnd wären. Diese Reflexionen, die bei der Erfassung durch den Fotodetektor 12 als Rauschen wirken würden, haben einen in Winkeln bemessenen Abstand vom Fotodetektor 12. Der Abtaststrahl hingegen, der auf geätzte Vertiefungen auftrifft, wird zum Fotodetektor 12 reflektiert. Dies führt zu einer Verbesserung des Signal-Stör-Abstandes von 40 db oder mehr.
Obwohl eine spezielle Ausführungsform der Erfindung in dieser Beschreibung dargestellt ist, ergeben sich für den Fachmann aus den hier gegebenen Lehren weitere Ausführungsformen. So können beispielsweise die Galvanometer 7 und 8 durch piezoelektrische Kristalle oder dergleichen ersetzt werden. Des weiteren kann der Spiegel 6 durch zwei einzeln durch separate Galvanometer angetriebene Spiegel oder dergleichen ersetzt werden. Es kann in bestimmten Fällen auch zweckmäßig sein, den Abtast-Laserstrahl in einer anderen Ablenkung als in einer Spirale zu führen. Beispielsweise kann eine konisch ringförmige oder eine elliptische Ablenkung wünschenswert sein. Weiterhin kann die Schaltung 13 einen Computer enthalten, der alle Elemente der Schaltung 13 steuert, um so jedes beliebige Abtastschema zu erzielen. Bei einem Prototyp der Erfindung wird eine oben beschriebene schrittweise Spirale und ein Strahlspot von ca. 1 mm Größe verwendet. Falls gewünscht, kann der Strahl, nachdem der maximale Reflexionswinkel bestimmt worden ist, kontinuierlich in diesem Winkel abtasten, um so die Maxima-Rotationspositionen genauer zu bestimmen.
Des weiteren kann die Kristallprobe von einem goniometrischen Träger getragen werden, der ebenfalls von dem Computer gesteuert ist. Dieser Träger kann eine Rotationsstufe 15 und eine Translationsstufe 16 aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt, oder äquivalente Einrichtungen. Soll die Ebene der Probe um eine oder mehrere orthogonal zur Achse 9 verlaufende Achsen gedreht werden, so können zusätzliche Rotationsstufen eingesetzt werden. In jedem Fall kann die Kristallprobe in bezug auf die Achse 9 derart bewegt werden, daß sich der Strahl zum Zwecke der Abbildung in einem schrittweisen Raster über die Oberfläche der Probe bewegt. Die Abbildung erfolgt durch Bestimmen der kristallographischen Orientierung einer Vielzahl von kleinen. Stellen auf der Oberfläche der Probe. Das Rastermuster kann aus einer ebenen Spirale oder einer Reihe von parallel angeordneten Linien usw. bestehen. Eine weitere Anwendung dieser Erfindung besteht in einer automatischen Kristallschneidevorrichtung, deren Steuerdaten von der Schaltung 13 abgeleitet werden, um Einkristall-Segmente mit der gewünschten Orientierung aus einem kristallinen Körper zu schneiden oder abzuspalten, nachdem der Körper durch den goniometrischen Träger passend ausgerichtet wurde.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der kristallographischen Orientierung einer im wesentlichen planaren Kristallprobe (11), mit:

einer Einrichtung (1) zur Schaffung eines Laserstrahls (2); einer Einrichtung (2-6, 10) zum Lenken des Strahls als Punkt auf eine bestimmte Stelle auf der Probe (11), wobei der Punkt relativ zu der Fläche der Probe klein ist;

einer Einrichtung (12) zum Detektieren des in einer speziellen Richtung von dein Material reflektierten Bereichs des Strahls, wobei der Strahl nach Maßgabe der kristallographischen Orientierung des Kristallmaterials bei unterschiedlichen Einfallsrichtungen in unterschiedlichen Ausmaßen reflektiert wird und sich dadurch ein spezielles Reflexionsmuster ergibt; und

einer Einrichtung (13) zum Bestimmen der Orientierung nach Maßgabe des Reflexionsmusters;

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (7, 8, 13) zum derartigen Bewegen des gelenkten Strahls vorgesehen ist, daß die Probe (11) durch den Strahl in einem im wesentlichen spiraligen Muster (2a, 2b) abgetastet wird und daß die Bestimmungseinrichtung (13) beim Abtasten der Probe zum Bestimmen der kristallographischen Orientierung in Echtzeit ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung eine Einrichtung zum Ablenken des Strahls (2) um orthogonale Achsen (x, y) beinhaltet und daß die Lenkeinrichtung eine Einrichtung (10) zum Reflektieren und Fokussieren des abgelenkten Strahls (2a, 2b) auf die spezielle Stelle aufweist.

3. Verfahren zum Bestimmen der kristallographischen Orientierung einer im wesentlichen planaren Kristallprobe (11), umfassend folgende Schritte: Erzeugen eines fokussierten Laserstrahles (2); Lenken des Laserstrahls (2) auf einen kleinen Punkt auf der Probe;

Detektieren der von dein Punkt in einer speziellen Richtung flektierten Laserstrahl-Strahlung; und

Bestimmen der kristallographischen Orientierung der Probe (1) aufgrund eines Musters der reflektierten Laserstrahl- Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl in einem im wesentlichen spiraligen Muster (2a, 2b) um eine zur Oberfläche der Probe (11) im wesentlichen senkrechte Achse (9) gesteuert wird; und daß die Bestimmung der kristallographischen Orientierung beim Steuern des Strahls in dein genannten Muster in Echtzeit erfolgt.

4. Verfahren zum Kartieren der planaren Oberfläche einer Kristallprobe (11) zur kristallographischen Orientierung durch Bestimmung der kristallographischen Orientierung einer Vielzahl kleiner Punkte auf der Oberfläche in einem vorbestimmten Muster, wobei die Bestimmung an jedem Punkt unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 3 durchgeführt wird.