JP5480621B2 - 表面の特性を決定するデバイスと方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面の特性を決定するデバイスと方法に関する。本発明は、具体的には、結晶表面の結晶構造を決定し、かつ分子ビームエピタキシによる結晶成長のリアルタイム監視を実行する働きをする。

表面の結晶構造を決定するために最も一般的に使用される技術は、低エネルギー電子回折（ＬＥＥＤ）としても知られる低速電子回折および反射型高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）としても知られる反射型高速電子による回折である。具体的には、ＲＨＥＥＤ技術は、分子ビームエピタキシによる結晶成長に適合するという主たる優位点を示し、原則として、分子ビームエピタキシ装置は組込み式のＲＨＥＥＤデバイスを含む。このデバイスは、基本的に、約５キロ電子ボルト（ｋｅＶ）から５０ｋｅＶまでのエネルギーを有しかつ表面の平面に対して約１゜から４゜までの入射角で調査対象である表面に向けて配向される実質的に単一動態である電子ビームを生成するように配置される電子銃と、前記表面により前方向へ回折される電子を見るための燐スクリーンと、前記燐スクリーンの画像を捕捉するためのカメラとによって構成される。

ＲＨＥＥＤ技術は、表面の結晶構造の特性を完全に示すことを可能にし、対応する画像捕捉は前記表面の少なくとも２つの区別的な方向性で実行される。しかしながら、特性決定は、基準回折パターンと比較される表面状態の質的な特性決定に限定される場合がかなり多い。ＲＨＥＥＤ技術の別の重要なアプリケーションは、分子ビームエピタキシによる層毎の結晶成長のリアルタイム監視である。１つの層が完成されると、回折ピークは明確に可視状態となって高コントラストを呈する。原子が追加されて前記層上へ蒸着するようになるとコントラストは悪化し、これらの原子が新しい層を形成するほど十分に多くなると再び高まり始める。したがって、回折信号には発振が観察され、これにより、結晶原子の様々な層の形成をリアルタイムで追跡することが可能になる。

ＲＨＥＥＤ技術は、その有利な特性によって工業基準となっているが、なお所定の欠点も呈する。

第１に、電子は、すれすれの入射であっても数オングストローム（Å）の浸透力を示し、これは、電子が厳密に言えば表面を構成する第１の原子層だけでなく、最初の基底層にも感応することを意味する。さらに、表面下への電子の浸透は、複雑であって解釈が困難な回折パターンを生じさせる場合が多い。

さらに、電子回折技術（ＲＨＥＥＤだけでなくＬＥＥＤも）は、一次ビーム自体に影響し、よって回折パターンに干渉する表面電荷を誘導することから、絶縁材料の特性決定に対する適合性が低い。さらに悪いことに、電子と表面との間の非弾力的相互作用は概して表面を損傷し、絶縁膜の成長を徹底的に妨害する可能性がある。これらの技術が絶縁層の成長のオンライン監視を可能にせず、むしろ製造プロトコルを考案する際の破壊検査技術として使用される理由はこの点にある。

超小型電子技術における絶縁層の重要性、および具体的には酸化物の重要性を考慮すると、この点は本技術の重要な限定事項である。

表面の特性を結晶学的に決定する場合は、約数十または数百ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）のエネルギーを示しかつ調査対象表面に対して垂直または斜めに、概して表面の平面に対して４０゜から６０゜の範囲内の入射角で方向づけられる軽量原子、概してＨｅ原子を使用することも知られている。ヘリウム原子線散乱（ＨＡＳ）または熱エネルギー原子線散乱（ＴＥＡＳ）としても知られるこの技術は、調査対象サンプル上の第１の原子層にのみ感応し、低エネルギー原子線に浸透力はほとんどなく、よって絶縁表面は誘導および荷電されないという優位点を示す。それにも関わらず、下記の大きな欠点によって、これは極くまれにしか産業的に使用されない。

第１に、これは、分子線が通過できるように表面から上のかなりの空間を空の状態に保つことを必要とする分子ビームエピタキシによる成長には適合しない。残念ながら、ＨＡＳ／ＴＥＡＳ技術を実装するためには、具体的には熱原子線のソースを表面に対する法線から遠くないところに設ける必要があり、よってこの技術は概してｅｘ−ｓｉｔｕ解析しか許容しない。ＬＥＥＤ技術もこの欠点を共有し、取得される回折パターンの品質では卓越しているにも関わらずＬＥＥＤ技術がＲＨＥＥＤ技術ほど一般化していない理由はこの点にある。

第２に、低エネルギー原子線を生成するためには、重くて嵩張る装置（超音速ジェット、差動排気ステージ、他）を使用する必要がある。

第３に、低エネルギーの中性原子は検出が極めて困難である。検出は、概して、２次元的に移動される質量分析計を使用してポイント毎に実行される。したがって、回折パターンの構築には多大な時間を要し、インライン監視には適合しない。

実際には、この技術はほぼ実験室専用に使用される。

また、表面構造を、弱く荷電されかつすれすれの入射で比較的高いエネルギー（数キロ電子ボルト）を示す原子またはイオンを使用して調査することも知られている。このような状況下では、発射体は本質的に従来の粒子のように行動し、かつ第１の原子層からかなりの距離をおいて表面電位により反射される。散乱プロファイルは、発射体と表面の第１の層との相互作用ポテンシャルの形状に間接的に接近できる。表面の特性を決定する上記方法に関するさらなる詳細については、Ａ．Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒらの論文「Ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｆｏｒ ｋｅＶ ａｔｏｍｓ ａｔ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、６９、０５０９０１（Ｒ）、２００４年、を参照することができる。

この技術の欠点は、散乱プロファイルは解釈が困難であり、かつ常に、発射体の波動性を利用する回折技術により取得されるプロファイルほど情報が多くないことにある。

本発明の目的は、先行技術における欠点の少なくとも幾つかを矯正することにある。

より具体的には、本発明の目的は、第１の原子層に対してＲＨＥＥＤおよびＬＥＥＤ技術よりも増大された感度を示す、表面の特性を決定する技術を提供することにある。

本発明の別の目的は、先行技術において知られる技術よりも絶縁表面への適合性が高い特性決定技術を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、電子ビームエピタキシによる成長に適合しかつ前記成長をリアルタイムで監視できるようにする、表面の特性を決定するための技術を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、実験室においてだけでなく産業環境においても実装が簡単である、表面の特性を決定するための技術を提供することにある。

上述の目的の少なくとも１つは、表面の特性を決定するための下記のデバイスによって達成され、本デバイスは、
中性原子または分子のビームを発生するための手段であって、特性決定を実行される表面へ向けて前記ビームを方向づけるように配置される手段と、
前記特性決定を実行される表面により前方向へ散乱された前記ビームの中性原子または分子を検出するための、位置感応性である検出器手段とを備え、
本デバイスは、前記特性決定を実行される表面により前方向へ散乱される前記中性原子または分子の回折パターンが前記位置感応性の検出器手段によって検出可能であるように、
前記中性原子または分子のビームを発生するための手段が、ビームの開きが０．０５゜以下であって５０電子ボルト（ｅＶ）から５ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するビームを生成するように適合化されることと、
前記中性原子または分子のビームを発生するための手段が、前記特性決定を実行される表面へ向けて前記ビームを前記表面の平面に対して１０゜以下の入射角で方向づけるように適合化されることを特徴とする。

本発明によるデバイスの具体的な実施形態では、
前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内、好適には１００ｅＶから７００ｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するビームを生成するように適合化されてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、１００ｅＶから２ｋｅＶまでの範囲内、好適には１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するビームを生成するように適合化されてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、５％以下のエネルギー分散を有するビームを生成するように適合化されてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、前記特性決定を実行される表面へ向けて前記ビームを前記表面の平面に対して０．５゜から３゜までの範囲内の入射角で方向づけるように適合化されてもよい。

前記原子または分子のビームの入射角およびエネルギーは、前記表面に対する垂直方向動作に関連づけられるエネルギーが１ｅＶ以下になるようにして選択されてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、１原子単位（ａｕ）から２０ａｕまでの範囲内の原子質量を有する粒子により構成されるビーム、かつより具体的には、Ｈ、Ｈ_２および^３Ｈｅから選択される化学種またはこれらの同位体により構成されるビームを発生するように適合化される。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、原子または分子イオンのビームを発生するための手段と、前記原子または分子イオンのビームを中和するための手段と、前記原子または分子イオンのビームを中和することにより取得される前記中性原子または分子のビームをコリメートするための手段とを備えてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、前記原子または分子イオンを質量によってフィルタリングするための手段も備えてもよい。

前記中性原子または分子のビームを発生するための手段は、パルスビームを発生するためのチョッパ手段を備えてもよい。

前記位置感応性の検出器手段は、前記ビームの中性原子または分子のエネルギー損失を飛行時間の測定によって前記表面による散乱の結果として決定するように、５０ナノ秒（ｎｓ）以下の分解能および好適には１０ｎｓ以下の分解能を有する時間感応性も示してもよい。

また本デバイスは、中性またはイオン化原子または分子を検出するための二次検出器手段も備えてもよく、前記二次検出器手段は１マイクロ秒（μｓ）以下、好適には１００ｎｓ以下、さらに好適には１０ｎｓ以下の時間分解能を有し、かつ特性決定を実行される表面を去る中性またはイオン化原子または分子を、前記表面に対して前記中性原子または分子のビームの鏡面反射角より大きい角度を形成する軌跡上で検出するようにして配置される。

また本発明は、成長されている結晶の表面の特性を決定するように配置される、先に定義したような表面特性決定デバイスを含む分子ジェットエピタキシマシンも提供する。

また本発明は表面の特性を決定する方法も提供し、本方法は、
特性を決定されるべき表面上へ中性原子または分子のビームを方向づけるステップと、
前記特性決定を実行される表面により前方向へ散乱された前記ビームの中性原子または分子を位置感応式に検出するステップとを含み、
本方法は、前記前方向へ散乱される中性原子または分子の少なくとも幾分かが前記特性決定を実行される表面により回折されるように、
前記中性原子または分子のビームが５０ｅＶから５ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーおよび０．０５゜以下の発散を有することと、
前記ビームの前記特性決定を実行される表面上の入射角が前記表面の平面に対して１０゜以下であることを特徴とする。

本発明による方法の具体的な実施形態では、
前記中性原子または分子のビームは、１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内、好適には１００ｅＶから７００ｅＶまでの範囲内のエネルギーを与えてもよい。

前記中性原子または分子のビームは、１００ｅＶから２ｋｅＶまでの範囲内、好適には１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを与えてもよい。

前記中性原子または分子のビームは、５％以下のエネルギー分散を与えてもよい。

前記ビームの前記特性決定を実行される表面上の入射角は、前記表面の平面に対して０．５゜から３゜までの範囲内であってもよい。

前記原子または分子のビームの入射角およびエネルギーは、前記表面に対する垂直方向動作に関連づけられるエネルギーが１ｅＶ以下になるようにして選択されてもよい。

前記ビームは、１ａｕから２０ａｕまでの範囲内の原子質量を示す粒子、かつより具体的には、Ｈ、Ｈ_２および^３Ｈｅから選択される化学種およびこれらの同位体により構成されてもよい。

また本方法は、前記特性決定を実行される表面により前方向へ散乱される前記中性原子または分子の検出される回折パターンから、前記特性決定を実行される表面の少なくとも１つの結晶パラメータを決定するためのステップも含んでもよい。

本方法は、分子ビームエピタキシによる結晶製造中に実装されてもよく、本方法はさらに、前記回折パターンの振動行動を経時的に観察するステップと、前記回折パターンの振動行動の経時的観察を基礎として、前記結晶を形成する連続する原子層のエピタキシャル成長に関する情報を抽出するステップとを含む。

本発明の他の特徴、詳細および優位点は、例示として示される添付の図面を参照して行う以下の説明を読むことにより明らかとなる。

本発明によるデバイスおよび方法を示す全体図である。 結晶によって回折されるべき波動のブラッグ条件を示す。 本発明の方法により取得される、すれすれの入射角における原子の回折図の一例を示す。 各々本発明の第１の実施形態および第２の実施形態における原子ビームを発生するための手段を示す図である。 各々本発明の第１の実施形態および第２の実施形態における原子ビームを発生するための手段を示す図である。 本発明のデバイスに嵌められた分子ビームエピタキシのためのマシンを示す。 表面による散乱時の中性粒子のエネルギー損失に関するスペクトルを示す。

図１Ａに示すように、本発明のデバイスは、本質的に、中性原子または分子のビーム２を発生するための手段１と、前記中性原子または分子のビームを検出するための位置感応性検出器手段３とを備える。

ビーム２は、特性決定を実行される表面３へ向けて、任意選択として可変でありかつ約１０゜以下である入射角（θ_ｉｎｃ）（すれすれの入射）で方向づけられる。この場合、かつこれ以後、角度は標的表面３の平面に対して測定される。ＲＨＥＥＤ技術の場合のように、表面３の直上の空間は妨げるものがない状態に保たれ、これにより、具体的には電子ビームのエピタキシャル成長を測定と同時に実行することが可能になる。

ビーム２の中性原子または分子は、表面３により反射角

で反射され、同時に方位角方向の、即ち表面３に平行する回折を受ける。図１では、入射する原子または分子ビームが参照符号２−ｉで示され、反射ビームは参照符号２−０（「ゼロ」次の回折を構成することによる）で示され、第１の非反射ビームは符号２−１（一次回折）を付されている。ＲＨＥＥＤの場合のように、一次回折ビーム２−１およびゼロ次回折ビーム２−０を表面３の平面に平行な面上へ投射することによって形成される角度φは、入射する原子または分子の動作を横断して延びる方向の結晶表面３の格子定数ａに関連づけられる。この関連性は、図１Ｂに図形で表されているブラッグの式：
αｓｉｎφ＝ｎλ
によって与えられる。但し、ｎは整数であり、この式から、第１次回折に関して、

を演繹することができる。但し、λは入射粒子のド・ブロイの波長である。

すれすれの入射状態の下では、粒子の表面３に対して直角方向への動作は前記表面３に平行するその長手方向動作からデカップルされ、かつ観察されるものは、前記動作を横断する表面電位により回折される物質の波動の垂直成分の結果であると考えることができる。したがって、粒子の合計エネルギーＥ_０がｋｅＶ次である場合でも、その
垂直エネルギー、
Ｅ_ｎ＝Ｅ_０ｓｉｎ^２θ_ｉｎｃ
は１ｅＶ未満であってもよく、これは、垂直波長、

（但し、ｈはプランク定数であり、ｍは前記粒子の質量である）に相当し、測定されるべき格子定数ａと同次数である。例えば、５００ｅＶのエネルギーおよび１．４゜の入射角を有する水素原子Ｈであれば、Ｅ_ｎ＝０．３ｅＶであることが発見されるが、これは、垂直波長λ＝０．５３オングストローム（Å）に相当する。これは、ＮａＣｌ等の表面の格子定数と比較されるべきであり、ここでａ＝５．６４Åである。

回折ビーム２−０から２−１は、位置感応性手段４によって表面３からある距離を隔てて検出される。これにより、回折パターンの画像が形成され、よって角θを測定できるようになり、かつ結果的に格子定数ａを決定できるようになる。ＨＡＳ／ＴＥＡＳ技術において熱原子に発生することとは異なり、本発明の方法に使用される高エネルギー粒子は、例えば燐スクリーンへ結合されるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）によって簡単に検出されることが可能であり、次にこれはＣＣＤカメラによって画像化される。

当然ながら、図１Ａは単純化されたものであるが、これは、概して幾つかの回折順序が表面構造（段、吸着原子、他）における欠陥に起因して、かつ熱振動にも起因して非コヒーレントな背景と共に同時に観察されるためである。

図２は、４００ｅＶのエネルギーを有するＨ_２分子をＺｎＳｅ（００１）表面上へ１．１゜の入射角で［１−１０］の結晶方向へ方向づけることによって取得された回折パターンの実際例を示す。幾つかの回折次数を見出すことができるが、参照符号Ｄ０、Ｄ−１およびＤ１は、ゼロ次に対応する、かつその両側に対称的に位置づけられた２つの一次に対応する中央スポットを示している。回折スポット間の間隔は、全ての回折技術においてそうであるように表面の結晶格子（格子定数ａ）の周期性に関する情報を提供し、一方でスポットの強度は、発射体と表面との間の相互作用ポテンシャルの形式に関する情報を提供する。前者の周期性に関しては、例えば、Ｄ．Ｐ．Ｗｏｏｄｒｕｆｆ、Ｔ．Ａ．Ｄｅｌｃｈａｒ共著の論文「Ｍｏｄｅｒｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃｉｅｎｃｅ」Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９８６年、を参照されたい。回折スポットは、前記相互作用ポテンシャルの形式、発射体の垂直エネルギーＥ_ｎおよび温度に依存する形状の曲線ＣＤに沿って配置されることが分かる。非反応性発射体の場合、曲線ＣＤは表面の突出平面上に存在する中心の円弧である。

回折ピークの相対強度の変動および入射角θ_ｉｎｃを有する曲線ＣＤの形状（「ロッキングカーブ」）を観察すれば、表面電位の構造を精細に調べることが可能である。これらの観察から表面電位を再構成できるようにするインバージョン技術は、本質的に、熱中性原子の回折調査に際して使用されるものと同じである。例えば、Ｒ．Ｉ．Ｍａｓｅｌらの論文「Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｈａｒｄ ｗａｌｌ：ａｔｏｍｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１２、５５４５、１９７５年、を参照されたい。

図２の底部には、表面３上に相互作用なしに流れ込んだビーム２の粒子により生成されたスポットＳを見ることができる。スポットＳの観察は、前記表面の特性に直に関連づけられる情報を提供するものではないが、入射および回折の角度を決定するためと、パルスビームを使用する場合の飛行時間測定においてエネルギー損失を較正するために使用されることが可能である。

概して、結晶学的目的で使用可能な回折パターンは、動作条件が適切に選択されている場合に限って、かつ具体的には、ビーム２を構成する粒子の性質およびエネルギー、前記ビームの表面３上の入射角θ_ｉｎｃおよび前記ビームの開きと幅が適切に選択されている場合に限って観察が可能である。好適には、これらの動作条件は、ブラッグピークが明確に分解されるようにして選択される。しかしながら、発射体の垂直エネルギーが、ブラッグピークがもはや解像されないポイントを少し超えて増大される場合でも、干渉パターンは散乱プロファイルの低周波数空間変調の形に留まり、解像が不完全なこの回折パターンは依然として表面電位の形に特徴的な情報を提供する。

発射体の性質に関しては、質量が１原子単位（Ｈ）から２０原子単位（^２０Ｎｅ）までの範囲内である原子または小粒子を使用することが可能である。発射体は、所定のエネルギーに対してより長い波長を有するという理由で、概して軽量のものが好適である。具体的には、Ｈ、Ｈ_２および^３Ｈｅおよびこれらの同位体が特に効果的な選択肢であることが分かっている。Ｈは最低質量の発射体であり、これを使用すると、水素による表面の相互作用ポテンシャルを調べることができるようになる。この点は、多くのアプリケーションにおいて多大な関心事である。^３Ｈｅは、化学的に不活性である発射体を有することが望ましい場合に好適であり、質量および反応性がＨのそれと^３Ｈｅのそれとの間であるＨ_２は、折衷的ソリューションを構成することができる。概して、Ｈｅ（^３Ｈｅまたは^４Ｈｅ）は好適な発射体となる。

ビームのエネルギーＥ_０は、約５０ｅＶから約５ｋｅＶまでの範囲内であってもよく、好適には１００ｅＶから２ｋｅＶまでの範囲内、さらに好適には１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内であってもよい。ビームのエネルギー分散は５％以下であることが好適であり、好適には２％以下である。

表面の平面に対する入射角θ_ｉｎｃは１０゜以下であるべきであり、かつ好適には０．５゜から３゜までの範囲内にあるべきである。

エネルギーおよび角度は、厳密には独立的でないパラメータであり、垂直エネルギー、
Ｅ_ｎ＝Ｅ_０ｓｉｎ^２θ_ｉｎｃ
は１ｅＶ以下であることが好適である。

ビームの開きは、回折ピークを曖昧にする傾向があることから最低限に抑えられるべきであり、典型的には、高品質の画像を取得するためには、０．０５゜以下であるビームの開きを達成する必要がある。

また、ビームのサイズは、１ミリメートル（ｍｍ）以下であること、好適には約１０マイクロメートル（μｍ）から３００μｍまでの範囲内であることが有利である。表面に対して平行方向のビームのサイズは検出器３上の回折スポットに直接影響し、ビームが広すぎれば、スポットは重畳する傾向があって、回折パターンを曖昧にする。表面に対して垂直方向のビームの幅はさほど重要ではないが、すれすれの入射に起因して、このビームの大きさの表面上への投射は係数１／ｓｉｎθ_ｉｎｃで延伸され、よってこれが容易にサンプルのサイズを超える可能性があることは理解されるべきである。したがって、この幅もやはり１ｍｍ以下に制限することが好適である。原則として、少なくともほぼ円形である断面を有するビームを使用することが好適である。

線束は、必ずしも大きいものである必要はなく、毎秒数百以下の原子束であれば、数分間の照射で即時使用可能な画像を取得することができる。

表面原子の熱擾乱は回折の有効性に悪影響を与えることから、サンプルの温度は考慮される必要のある別のパラメータである。したがって、測定の間は、サンプルを周囲温度（約３００Ｋ）に保つことが有利である。概して、サンプルを極低温まで冷却することは、結果的に得られる回折パターンの品質を向上させる場合があるとしても不要である。温度が、例えばエピタキシャル成長プロセスによってインポーズされれば、より小さい入射角を選択することによって熱擾乱の効果を制限することが可能である。即ち、入射がすれすれであるほど、表面から一定の距離を隔てた場所ではより大きい散乱が発生し、よって、熱擾乱によって誘導される周期性を発射体が検出する感応性は下がる。

図３Ａは、本発明の実装に適するイオンまたは分子のビームを発生するための手段を示す。本デバイスは、本質的に、原子または分子イオン１１のビームを発生するためのビーム発生器２’と、中和装置１４と、コリメータ１５とによって構成される。

本発明の実装に適するイオンソース１１は幾つかのタイプが市販されていて、これらは、数ｅＶから数ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するイオンビームを送る。例としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）ソースおよび放電源を挙げることができる。イオンソース１１は、静電界を印加することによりイオンを所望されるエネルギーまで加速させるための電極セットを、電界集束システムと共に備える。

ソース１１により発生されるイオンビームは、化学的および同位体的観点から十分に純粋でなければ、または異なる電荷状態を有するイオンを含んでいれば、質量フィルタ１２へ向かって方向づけられてもよい。質量フィルタ１２は、磁石１２１およびスリット１２２により発生される磁場を使用して、決定された質量対電荷比を有する粒子を選択する。図３Ａでは見えないが、このタイプの磁気質量フィルタは直線内に存在せず、必ずイオンビーム２’を偏向させる。

ある変形例では、ウィーンフィルタまたは他の任意の適切な質量フィルタを使用することが可能である。

パルスビームを取得することが望まれる場合、質量フィルタがあればその上流または下流の何れかにストッパ１３を設けることが可能である。本発明の一実施形態では、本デバイスは、ビームを成形するための入口スリット１３１と、互いに向き合う２つの平板電極１３２および１３２’と、出口オリフィス１３３とを有する。電極１３２および１３２’へ変化する電界を印加することにより、イオンビームは出口オリフィス上を掃引させられ、両電極へ印加される電界が周期的であれば、出口パルスビームが取得される。

イオンの電荷は、イオンが中性粒子より遙かに容易に加速され、選択されかつパルス化されることを有効化する。次にイオンビーム２’は、ガスを充填されたセル１４内の電荷を交換することによって中和されることが可能である。理想的には、セル１４内で使用されるガスは、共鳴捕捉による電荷交換を最適化するためにビーム２と同じ化学種によって構成され、セル内部の圧力Ｐ_１４はその長さＬ_１４に依存し、かつ概して下記、
Ｐ_１４×Ｌ_１４≦１０^−３ミリバール・センチメートル（ｍｂａｒ．ｃｍ）
がインポーズされる。セル１４からの出口において、電極１４１および１４１’により印加される電界は、中性原子または分子のビーム２のみがセル１４を出るように残りのイオンを偏向させる働きをする。

中和装置１４を出る原子または分子のビームは、標的表面３による回折を観察するには大きすぎるビームの開きを示し、よってビームはコリメートされる必要がある。コリメータ１５は、単に第１および第２のダイアフラムＤ１およびＤ２によって構成されてもよく、前記ダイアフラムＤ１およびＤ２は、好適には同程度の大きさの円形であって直径Φ_Ｄ１およびΦ_Ｄ２を有し、ビームの軸上に位置合わせされて距離Ｌで離隔される。単純な幾何学的考察は、頂点の半角に等しいものとして定義される出口ビームの開きが、
Ｄｉｖ＝（Φ_Ｄ１＋Φ_Ｄ２）／２Ｌ
によって与えられることを示す。例示として、Φ_Ｄ１およびΦ_Ｄ２は約１００μｍから２００μｍであるとすることができ、Ｌは２０センチメートル（ｃｍ）から３０ｃｍまでの範囲内であってもよい。

図３Ｂは、原子または分子のビームを生成するための手段１の単純化された遙かに小型である変形例を示す。単純化されたこのデバイスには質量フィルタ１２がなく、チョッパ１３もない。図３Ｂに示すような原子または分子のビームを生成するための手段１において、中和セル１４は、２つのダイアフラムＤ０およびＤ１間に延設される管状エレメント１６の一部によって構成される。ダイアフラムＤ０の直径は、ダイアフラムＤ１の直径より遙かに大きい。セル１４はガス入口１４５を有し、かつ真空ポンプシステム（図示せず）へ接続されるエンクロージャ１４６によって包囲され、再結合されないイオンを偏向させるための電極１４１および１４１’は前記管状エレメント１６の内部でダイアフラムＤ１の下流に位置づけられる。中和装置１４を画定することに加えて、ダイアフラムＤ１は、管状エレメント１６からの出口に位置づけられるダイアフラムＤ２と同様にコリメータ１５の一部を形成する。図３Ｂのデバイスは、中和セル１４の上流に位置づけられるチョッパ１３を含まないことから、中性原子または分子のパルスビーム２を生成することができない。しかしながら、本デバイスはイオンのパルスビーム２’を生成することができ、その実行に際して本デバイスは、中和セル１４を空にし、電極１４１および１４１’へパルス電圧を印加してこれらをチョッパとして使用すれば足りる。

図４は、表面の特性を決定するための本発明によるデバイスが取り付けられた分子ビームエピタキシマシン１０００を示す。マシン１０００は、本質的に、超真空を生成するポンプシステム（図示せず）へ接続されるエンクロージャ１１００によって構成される。散乱セル１２００はエンクロージャ１１００内へと開放され、分子ビームを生成する働きをする。これらのセル１２００に対面する位置には基板３’のためのサポート１３００が置かれていて、表面３はこの基板３’上へエピタキシャル堆積される。

エンクロージャ１１００の入口１４００には、図３Ａに示すタイプの原子または分子の高エネルギービーム２を生成するための手段１が接続されているが、この場合、チョッパ１３は、その入口でやはりＲＨＥＥＤ電子銃２０へ結合される静電偏向器に置換されている。この方法では、ユーザは、エンクロージャ１１００へ追加の入口を設ける必要なしに、表面の特性決定を本発明による原子または分子のビーム２によって行うか、または従来のＲＨＥＥＤ技術を使用して行うかを決定することができる。より正確に言えば、ＲＨＥＥＤによる特性決定を実行することが望まれる場合は電子銃２０のみが起動され、一方でイオンソース１１および偏向器３０は不活性のままであり、かつ中和セル１４は空にされる。逆に、中性原子または分子の回折による特性決定を実行することが望まれる場合は電子銃２０が不活性に留まり、一方でイオンソース１１および偏向器３０は活性状態であって中和セルはガスで充填される。偏向器３０を周期的に起動しかつ停止することによって、原子または分子のパルスビームを取得することが可能であり、このような状況下では、偏向器３０をチョッパとして使用することができる。

エンクロージャ１１００の壁上には、表面３に対して発生器手段１とは反対側の位置に、蛍光スクリーンへ結合されるマイクロチャネルプレートによって構成される位置感応性の検出器手段４も配置される。手段４も電子の検出に適合化され、よってＲＨＥＥＤ技術に適合性がある。

ある変形例では、本発明の特性決定デバイスは完全にＲＨＥＥＤデバイスに取って代わることができる。

表面３上のビーム２の入射角θ_ｉｎｃは、前記表面の特性をより完全に決定できるように、例えば０．５゜から１０゜までの範囲で変更可能であることが最も有利である（「ロッキングカーブ」技術）。例示として、これは、発生器手段１をモータ駆動のピボット機構上へ取り付けることによって達成されることが可能である。ある変形例では、表面３の品質の定性的検査が要求される全てであれば、角θ_ｉｎｃは一定であってもよい。

先に説明したように、本発明のデバイスは導電性の誘電表面の成長をリアルタイムで監視できるようにするが、ＲＨＥＥＤ技術は誘電表面への適合性が低い。さらに、原子または分子は調査対象表面より下へ浸透する能力が低いことから、すれすれの入射における高速原子の回折は、ＲＨＥＥＤパターンより解釈が容易な回折パターンの取得を可能にする。

しかしながら、本発明のデバイスおよび方法は結晶学的性質に関する情報を提供することに限定されず、表面の遙かに完全な特性決定に使用されることが可能である。

図３Ａに示す静電チョッパ１３を使用して入射原子ビームをパルス化すれば、中性粒子と表面３との間の非弾性散乱プロセスを調べることも可能である。これを行うためには、検出器４が、飛行時間により散乱される粒子のエネルギーを測定できるようにするに足る時間分解能、例えば約５０ｎｓ以下の分解能、かつ好適には約１０ｎｓ以下の分解能を示す必要がある。例示として、図５は、５００ｅＶのエネルギーを有する水素原子とＮａＣｌ（０ ０ １）表面との相互作用の間に散乱される粒子のエネルギー損失スペクトルを示す。入射は、結晶学的方向［１ ０ ０］において角度θ_ｉｎｃ＝１．４゜である。図５の横軸は任意の単位表示の原子飛行時間に関連し、計器は、各飛行時間を、表面により散乱された後の原子エネルギーの値に関連づけるように較正されることが可能である。有利には、この測定を、非弾力的相互作用の間に表面により放射される電子の検出に関連づけることが可能である。

例示として、これは、発射体として使用される水素原子Ｈとの表面の親和力を調べることを可能にする。Ｈは表面に極めて容易に吸着され、かつ分子ビームエピタキシャル成長にとって障害物となることから、これは技術的観点から重要である。

同様の技術を使用すれば、表面３により吸収される軽量粒子の濃度を決定することができる。主として水素原子であるこれらの粒子は、ビーム２の発射体を使用する２体衝突の結果として表面３から押し出されることが可能である。押し出されるこれらの粒子の飛行時間の測定はその質量を決定する働きをし、よってこれらの粒子を識別する働きをする。表面上に存在する重い粒子は、ビーム２上の発射体が遙かに軽量であることから発射体により押し出され得ず、反対に、前記発射体のエネルギー損失を伴なう大きい角度での散乱を生じさせる。このような状況下では、偏向される発射体の飛行時間の測定が、吸収される粒子の質量を決定し、延いてはこれらを識別する働きをする。

図４において、参照符号１６００で示されている二次検出器は、ビーム２の発射体との衝突の結果として表面３から押し出される粒子の飛行時間を測定し、かつ大きい角度で散乱される前記ビームの発射体の飛行時間も測定する働きをする。検出器１６００は１μｓ以下の時間分解能、好適には１００ｎｓ以下、かつ好適には１０ｎｓ以下の時間分解能を有する必要がある。さらにこれは、特性決定を実行される表面を出る中性またはイオン化された原子または分子を、前記表面３に対して例えば約３０゜の角度である中性原子または分子のビームの鏡面反射角より大きい角度を形成する軌跡上で検出するように配置される。

吸着粒子は、イオンを発射体として使用することによっても識別されることが可能である。このアプリケーションにおいても、中性パルスビームを生成することができない図３Ｂのビーム発生器手段を使用することが可能である。

吸着粒子を識別するための上述の技術自体は既知であり、例えば下記の論文を参照されたい。

Ｗ．Ｈａｙａｍｉら、「Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＨｆＢ_２（０００１） ｓｕｒｆａｃｅ ｂｙ ｉｍｐａｃｔ−ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｉｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ４１５（１９９８年）、４３３〜４３７ページ。

Ｍ．Ｓｈｉら、「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｉｌｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．ＩＩＩ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｗ（２１１） ｓｕｒｆａｃｅ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、４０、１０１６３（１９８９年）。

Ｙ．Ｗａｎｇら、「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉ｛１００｝ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｌｅａｎ（２×１），（２×１）−Ｈ ｍｏｎｏｈｙｄｒｉｄｅ，（１×１）−Ｈ ｄｉｈｙｄｒｉｄｅ ａｎｄ ｃ（４×４）−Ｈ ｐｈａｓｅｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、４８、１６７８（１９９３年）。

しかしながら、これらの技術は、常設であるＲＨＥＥＤ解析デバイス上に追加の設備を必要とすることから、概して産業環境では使用されない。本発明によれば、原子または分子のビームを生成するための同じ手段１を、表面回折測定を実行するためと、吸着粒子を識別するために等しく十分に使用することができる。したがって、計器の複雑さを無視できる程度に増大すること（二次検出器１６００の追加）により、ＲＨＥＥＤ技術の単独使用で可能となるものより遙かに完全に表面３の特性を決定することが可能になる。

吸着粒子の識別は、有利には、エピタキシによる結晶成長のリアルタイム監視を実行する際の回折パターンの観察と組み合わされる。本発明による方法の具体的な一実施形態では、回折ピークの発振の調査は、ＲＨＥＥＤ技術を使用して一般に行われるように連続する原子層の蒸着の進行を辿ることを可能にし、一方で、ビーム２の原子または分子（またはビーム２’のイオン）との衝突の結果として表面３を出る粒子の検出、および重い吸着粒子との衝突の結果として大きい角度で散乱される発射体の検出は、前記表面の汚染の度合いを発見することを可能にする。ビーム２または２’をチョッピングすることはその束を大幅に縮小し、よって回折パターンを見ることが困難になることから、これら２つのタイプの測定は概して経時的に交互に実行される。

Claims (18)

1. 表面の特性を決定するためのデバイスであって、
   中性原子または分子のビーム（２）を発生するための手段（１）であって、特性決定を実行される表面（３）へ向けて前記ビーム（２）を方向づけるように配置される手段（１）と、
   前記特性決定を実行される表面（３）により前方向へ散乱された前記ビーム（２）の中性原子または分子を検出するための、位置感応性である検出器手段（４）と
   を備え、
   前記特性決定を実行される表面（３）により前方向へ散乱される前記中性原子または分子の回折パターンが前記位置感応性の検出器手段（４）によって検出可能であるように、
   前記中性原子または分子のビーム（２）を発生するための手段（１）が、ビーム（２）の幅が１ミリメートル以下であり、ビームの開きが０．０５゜以下であって１００ｅＶから２ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するビーム（２）を生成するように適合化されることと、
   前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）が、前記特性決定を実行される表面（３）へ向けて前記ビーム（２）を前記表面（３）の平面に対して１０゜以下の入射角で方向づけるように適合化されることと、
   前記原子または分子のビーム（２）の前記入射角（θ_ｉｎｃ）および前記エネルギーは、前記表面（３）に対する垂直方向動作に関連づけられるエネルギーが１ｅＶ以下になるようにして選択されることを特徴とするデバイス。
2. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有するビーム（２）を生成するように適合化される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、５％以下のエネルギー分散を有するビーム（２）を生成するように適合化される、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記中性原子または分子のビーム（２）を発生するための手段（１）は、前記特性決定を実行される表面（３）へ向けて前記ビームを０．５゜から３゜までの範囲内の入射角（θ_ｉｎｃ）で方向づけるように適合化される、請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、１ａｕから２０ａｕまでの範囲内の原子質量を有する粒子により構成されるビーム（２）を生成するように適合化される、請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、Ｈ、Ｈ_２および^３Ｈｅから選択される化学種およびこれらの同位体により構成されるビーム（２）を発生するように適合化される、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、
   原子または分子イオンのビーム（２’）を発生するための手段（１１）と、
   前記原子または分子イオンのビームを中和するための手段（１４）と、
   前記原子または分子イオンのビーム（２’）を中和することにより取得される前記中性原子または分子のビーム（２）をコリメートするための手段（１５）とを備える、請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、前記原子または分子イオンを質量によってフィルタリングするための手段（１２）も備える、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記中性原子または分子のビームを発生するための手段（１）は、パルスビーム（２）を発生するためのチョッパ手段（１３）を備える、請求項７または８に記載のデバイス。
10. 前記位置感応性の検出器手段（４）は、前記ビーム（２）の中性原子または分子のエネルギー損失を飛行時間の測定によって前記表面（３）による散乱の結果として決定するように、５０ｎｓ以下の分解能を有する時間感応性も示す、請求項９に記載のデバイス。
11. 中性またはイオン化原子または分子を検出するための二次検出器手段（１６００）をさらに備え、前記二次検出器手段（１６００）は１μｓ以下の時間分解能を有し、かつ特性決定を実行される表面（３）を去る中性またはイオン化原子または分子を、前記表面（３）に対して前記中性原子または分子のビーム（２）の鏡面反射角より大きい角度を形成する軌跡上で検出するようにして配置される、請求項１から１０のいずれかに記載のデバイス。
12. 表面の特性を決定する方法であって、
    前記特性を決定されるべき表面（３）上へ中性原子または分子のビーム（２）を方向づけるステップと、
    前記特性決定を実行される表面（３）により前方向へ散乱された前記ビーム（２）の前記中性原子または分子を位置感応式に検出するステップとを含み、
    前記方法は、前記前方向へ散乱される中性原子または分子の少なくとも幾分かが前記特性決定を実行される表面（３）により回折されるように、
    前記中性原子または分子のビーム（２）は、幅が１ミリメートル以下であり、開きが０．０５゜以下であって１００ｅＶから２ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを有することと、 前記特性決定を実行される表面（３）へ向かう前記ビーム（２）は、前記表面（３）の平面に対して１０゜以下の入射角で方向づけられることと、
    前記表面（３）に対する垂直方向動作に関連づけられるエネルギーが１ｅＶ以下になるように、前記原子または分子のビーム（２）の前記入射角（θ_ｉｎｃ）および前記エネルギーが選択されることを特徴とする方法。
13. 前記中性原子または分子のビーム（２）は、１００ｅＶから１ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーを与える、請求項１２に記載の表面の特性を決定する方法。
14. 前記中性原子または分子のビーム（２）は５％以下のエネルギー分散を与える、請求項１２または１３に記載の表面の特性を決定する方法。
15. 前記ビーム（２）の前記特性決定を実行される表面上の入射角（θ_ｉｎｃ）は０．５゜から３゜までの範囲内である、請求項１２から１４のいずれかに記載の表面の特性を決定する方法。
16. 前記ビーム（２）は、１ａｕから２０ａｕまでの範囲内の原子質量を示す粒子によって構成される、請求項１２から１５のいずれかに記載の表面の特性を決定する方法。
17. 前記ビーム（２）は、Ｈ、Ｈ_２および^３Ｈｅから選択される化学種およびこれらの同位体によって構成される、請求項１６に記載の表面の特性を決定する方法。
18. 前記特性決定を実行される表面（３）により前方向へ散乱される前記中性原子または分子の検出される回折パターンから、前記特性決定を実行される表面（３）の少なくとも１つの結晶パラメータを決定するためのステップをさらに含む、請求項１２から１７のいずれかに記載の表面の特性を決定する方法。

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