四、 結果與討論
4.2 介面微結構分析
下圖 14 到圖 27 為氮氣和氫氣退火溫度 600、700 和 800℃的試片 TEM 影像，不論在哪一個溫度底下，介面都有一層非晶質的區域，而且由於退 火氣氛對於不同溫度，試片介面幾何變化趨勢的影響不大，所以在本節中 將合併討論。600℃時，非晶質區域較厚，而且有出現鍺的原子影像，顯示 出非晶和鍺介面的不平整；700℃相較於 600℃，非晶質的厚度有顯著下降，
可以觀察到島狀物從非晶質層向鍺側突出，但是其中卻有鍺的原子影像；
當熱處理溫度達到 800℃，島狀突出物完全消失，留下一個又薄又平整的 非晶質層。
本實驗室是在 class 10000 的無塵室進行，不是超高真空(UHV)的環境，
無法保證試片從清洗、預接合到高溫退火，晶圓之間仍維持一個乾淨的介 面，所以可預期在試片介面有一層非晶質區域。這層區域的產生原因有 2 種可能：第一，雖然矽與鍺晶圓經過氫氟酸清洗後，在表面會有一氫矽/
氫鍺鈍化層，但只能延緩下層原子形成原生氧化層的速率，並無法完全阻 止生成。因此，在完全接合前，水氣或是氧氣只要接觸到試片表面，就會 有原生氧化層產生。第二，接合前，晶圓表面的缺陷會捕捉介面的殘留水 氣、氧氣或是其他像碳與氫原子等表面汙染物[28]。
圖 14 氮氣 600℃退火試片介面
圖 15 高解析度氮氣 600℃退火試片介面
圖 16 氮氣 700℃退火試片介面一
圖 17 氮氣 700℃退火試片介面二
圖 18 高解析度氮氣 700℃退火試片介面
圖 19 氮氣 800℃退火試片介面
圖 20 高解析度氮氣 800℃退火試片介面
圖 21 氫氣 600℃退火試片介面
圖 22 高解析度氫氣 600℃退火試片介面
圖 23 氫氣 700℃退火試片介面一
圖 24 氫氣 700℃退火試片介面二
圖 25 高解析度氫氣 700℃退火試片介面
圖 26 氫氣 800℃退火試片介面
圖 27 高解析度氫氣 800℃退火試片介面
Element Weight% Atomic%
O K 11.39 29.00
Si K 23.91 34.69
Ge K 64.70 36.32
Totals 100.00
圖 28 氮氣 600℃退火試片介面非晶質區域 EDX
Element Weight% Atomic%
O K 14.52 33.94
Si K 27.01 35.95
Ge K 58.47 30.11
Totals 100.00
圖 29 氫氣 600℃退火試片介面非晶質區域 EDX
Element Weight% Atomic%
O K 1.10 4.51
Si K 4.09 9.58
Ge K 94.81 85.91
Totals 100.00
圖 30 氮氣 700℃退火試片介面島狀鍺區域 EDX
Element Weight% Atomic%
O K 1.27 5.29
Si K 2.87 6.80
Ge K 95.86 87.91
Totals 100.00
圖 31 氫氣 700℃退火試片介面島狀鍺區域 EDX
為了確定這層非晶物質的組成，實驗選用 TEM 外掛的 EDX(能量色散 mechanism)，鍺在矽中則是利用間隙輔助[33](interstitial assisted)和空缺機制，
雖然兩者都是鑽石結構，擴散方式也大同小異，但是由於矽的熔點(1410
℃)比鍺(938℃)高，以及較大的原子間距-原子半徑比[34]，所以鍺在矽中擴 散會相對地容易一些。除此之外，雜質原子如：碳、氫和氧在矽鍺中主要 是藉由間隙(interstitial) 移動，在鍺中同樣比矽快。雖然互擴散的程度受到 溫度、試片厚度和應力等因素的影響，不容易做精確地理論計算，但還是 能夠大略由結果推測原子移動的行為。如下表 2，簡單計算矽鍺互擴散以 及氧在兩者中的擴散長度，可以得到與文獻相同的結果：矽和氧在鍺的擴 散較快，而鍺和氧在矽中則相對較慢。
表 2 不同溫度下矽鍺互擴散以及氧在矽鍺中的擴散長度
in Ge in Si
Si O Ge O
xd at 600℃ (nm) 10-3 1 10-10 6×10-3 xd at 700℃ (nm) 0.1 20 10-7 0.2 xd at 800℃ (nm) 2 185 5×10-5 3
由上述分析可以得出以下概要：預接合時介面有兩片晶圓上的氧化層
否準確地對準(alignment)影響。當介面非晶質層消失，晶圓完美接合，介 面能量會下降，但是當兩片晶圓沒有完全對準，發生晶向偏離
(misorientation)，如下圖 32(c)，螺旋差排(screw dislocation)的出現 會提高介面能量。如果兩片晶圓旋轉小於臨界角度(critical angle)接合，
由於螺旋差排提高的能量會大於完美接合下降的能量，介面非晶質層趨向 保持連續薄膜狀，反之，則形成不連續薄膜。
為了確定本實驗的旋轉角度，穿透式電子顯微鏡的繞射圖是最有效的 工具。挑選在氮氣下 700℃退火的試片，在矽和鍺兩側及包含兩側的位置 做選區繞射。首先由矽和鍺個別的繞射圖判斷，如圖 34，矽是晶帶軸(zone axis)是[011]¸，鍺的是[100]，再看包含兩區的繞射圖，如圖 35，矽的[200]
和鍺的[040]繞射點有重疊。由於矽同鍺都是鑽石結構，可以藉著以上的繞 射點得知：矽鍺都是﹛100﹜的晶圓，但是矽的大平邊切[110]，鍺是[100]。
實驗中選用的晶圓平邊方向不同，具有 45º的晶向偏離，但這不一定 是造成高溫退火時非晶質介面仍然存在的確定原因。在某些大於臨界旋轉 角度時，有共位晶界(coincidence site lattice)形成，這個時候界面也能避免 高能量的差排，介面完美接合而維持連續薄膜。
圖 32 介面非晶質擴散模型：(a) 塊材擴散, (b) 局部擴散 以及影響因素(c) 晶向偏離
圖 33 N 型砷化鎵在不同退火溫度下對接的介面示意圖[36]
(a) (b) (c)
圖 34 氮氣 700℃ (a) 鍺晶圓 (b) 矽晶圓 繞射圖
圖 35 氮氣 700℃包含矽與鍺的繞射圖