RHEED即Reflection High Energy Electron Diffraction，是表面物理膜层生长的重要表征手段之一，广泛的集成在MBE，PLD，LMBE，MOCVD等外延生长、半导体磊晶设备中。RHEED以一束能量为10～30KeV的高准直性、单色性的电子束作为探束，经电磁透镜偏转后以1-3°的掠射角掠射sample表面，反射形成电子衍射图像。衍射图像可以在一定程度上定性的反映膜层表面的形貌，也可用于监测膜层层状生长的完整性。

    由于入射电子能量高，对应的Ewald球半径非常大甚至与倒易杆相切，因此对于Substrate为较理想的平整晶体平面，单晶的衍射图像通常为沿圆弧排列的衍射点。外延生长时由于晶格失配或薄膜取向对称性与Substrate对称性存在差异，通常会出现multi-domain生长并长出孪晶，其衍射图像通常为一系列等距排列的平行衍射条纹。对于substrate存在凹凸不平的情况，衍射图像通常为按一定规律排布的斑点，即透射式衍射图像。而对于非晶结构，衍射图像通常呈现出明显的Debye Rings。如果高能电子入射非晶结构表面，由于不存在规则的衍射晶面，不会得到任何衍射图案。

    高能电子衍射同样满足Bragg定律，可将电子当作德布罗意物质波考虑，波长为λ，电子束与substrate的夹角为θ

则有2dsinθ=nλ

如只考虑一级衍射，n=1

2dsinθ=λ     

θ→0，则有sinθ≈θ

2dθ=λ     ①

tan2θ=R/L=2θ    ②

其中L为substrate至荧光屏的距离，R为一级衍射斑点到中心的距离

②代入①有d=λL/R

已知E=mv²/2，λ=h/mv

则有λ=h/√2mE

对于电子，E=eV，其中V为电子枪加速电压

则λ=√150/V

    RHEED的结构并不复杂，仅包含电子枪和荧光屏两部分。其中电子枪的结构与扫描电镜的电子枪没什么区别，钨丝热发射电子，再由前端的韦氏帽拉出，经过两组Anode的加速，一组聚焦环的聚焦，最后是两组经典的XY轴Deflection，这样电子束就可以射向荧光屏平面上的任一点并可以完成Scan工作。工作时，韦氏帽与灯丝组件被隔离并加以负高压，Anode镜筒接地实现对电子束的加速。

    由于热发射Filament的存在，RHEED需要在低于5E-6 Torr的压力下工作，否则灯丝将存在烧毁的风险。对于MBE、LMBE（5E-10 Torr）和PLD（5E-8 Torr）等设备，RHEED完全可以直接插入Growth Chamber且在线监测膜层质量。但对于PECVD、MOCVD、高氧分压PLD等设备则不满足RHEED的工作条件，此时就需要进行一级或多级的Differential Pumping。STAIB为兼容高气压下的应用，开发了搭载两级差分系统（后称DDP，即Double Differential Pumping）的TorrRHEED。差分系统由一狭长的细管与微孔组成，第一级具有1E+3的差分压力比，两级压力比高达1E+5，这意味着Growth Chamber将被允许工作在不超过500 micron的压力下。但这些冗长的差分管道使Source Aperture与最终的Exit Aperture相距数百毫米，这使得经过原Deflection的电子束碰壁且难以从差分管路中射出。因此TorrRHEED在差分管路后另加一组偏转级X2/Y2，使电子束经过两次偏转后从Exit Aperture射出。

    下图为substrate与电子束出口的位置示意

   安装RHEED时，应使电子枪与荧光屏位于同一水平线上，电子束出口应尽可能靠近Substrate，荧光屏应与基片中心距离20-25cm最为合适

    安装两级差分系统的两组分子泵，以及两组Deflection Feedthrough的Cable

    依次开启Growth Chamber的主泵以及DDP系统的两台分子泵，等待二者加速至100%Speed

    打开RHEED电源，以每5s 1KV和每5s 0.1A的频率交替升高加速电压和Filament电流，直到30KV 1.5A

    Deflection X1/Y1和X2/Y2调至factory值，如荧光屏上无光斑出现则在Switch上打开Beam Finder，使电子束沿X轴方向Scan，调整Y轴的zero point使扫描光斑出现。再关闭Beam Finder，调整X轴的zero point使光斑出现在荧光屏的正中心。

   控制Z轴线性驱动使装有单晶硅片的衬底支架缓慢下降至刚好遮挡住光斑，再缓慢上升至光斑刚刚露出

    调整Y1和Y2，使电子束向上掠射substrate表面，此时荧光屏上的电子束直射光斑几乎消失，衍射图像开始出现。遮挡摄像头附近的光源，打开substrate自转开始观察衍射图像

    可以清晰的看到硅单晶表面衍射出的沿圆弧排列的衍射斑点，这便是电子弹性散射的结果。同时，还可以观察到较为明显的Kikuchi花样，这是电子非弹性散射的结果，RHEED通常情况下仅分析前者产生的图像。

    STAIB的荧光屏设计的较为抽象，荧光屏本身在Growth Chamber内部，其外侧有多层玻璃，距离最外层玻璃有数十厘米的距离以至于完全对不上焦。。。

   加热硅片至1000°C，通入少量氧气对表面进行氧化，硅片表面出现淡蓝色的氧化层。此时衍射图像变为多个明显的Debye环，意味着此时硅片表面出现了多晶结构

    硅衬底在MBE中进行外延生长时，由于multi-domain（多畴）生长出现了孪晶，可以看到明显的一系列等距排列的平行衍射条纹图像