介面微觀結構分析

在以往的研究中，如果在超高真空(UHV)中操作，從試片清洗、預接合

到高溫退火都在真空系統中進行，則可避免外來物，包括了氧與汙染物在 介面的殘留。而本實驗不是在超高真空中進行操作，在室溫預接合和進行 爐管退火的操作過程中，無可避免的會有氧原子殘留在介面中，導致在介 面處必然有一層非晶質層的存在。根據以往砷化鎵晶圓接合的研究，退火 溫度越高，介面原子獲得的驅動力越大，越能夠跨越能障進行介面結構的 重組，對氧原子來說，包括了橫向的擴散以及往晶圓內部的擴散，均是為 了降低介面能以及表面能，使總自由能降低。由前面對接合的機制論述我 們可以知道，隨著退火溫度的增加，我們預期會看到氧化層的聚集現象以 及完美接合區域的增加，從電性量測所觀察到介面電阻值的變化，也能夠 解釋介面隨溫度變化的現象。下圖 4.1-圖 4.4 分別是劉柏均學長使用無網 格狀結構的試片 400℃~850℃接合 N-GaAs 介面形態。

圖 4.1 400℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態^[38]

圖 4.2 500℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態^[38]

圖 4.3 600℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態^[38]

圖 4.4 850℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態^[34]

觀察劉柏均學長接合 400-850℃ 兩小時 N-GaAs 介面形態，我們發現 介面處在 400℃呈現連續非晶質層，而在 500℃開始有一些非晶質層聚集的 現象，600℃的影響可觀察到已經聚集成球狀的氧化物，而在 850℃ 兩小時 N-GaAs 介面形態可發現，介面處的非晶質層已經完全擴散進入試片內部，

砷化鎵晶圓試片呈現完美接合狀態。

下圖 4.5 為個人使用具有網格狀結構的試片在 600℃~900℃接合 N-GaAs 介面形態。

圖 4.5 600-900℃ 2hr 使用具有網格狀結構接合 N-GaAs 介面形態 由上圖 4.5 中可看出，介面處非晶質層由低溫到高溫同樣呈現類似的 情況，連續非晶質層先是變薄，接著出現球化聚集現象，而在 900℃非晶質 層厚度觀察不到 5nm，試片幾乎呈現完美接合狀態，整體趨勢與劉柏均學長 使用無網格狀結構的試片接合結果大致相同。

此種變化可由下圖表示：

圖 4.6 溫度升高時接合介面的變化^[35]

以自由能的觀點分析，當有一異質物質存在本體的三維空間中，將形 成球體來降低表面能與總自由能，若是存在在三維空間的邊界上，將形成 帽狀(cap)來降低能量，我們可將砷化鎵與砷化鎵的表面視為三維空間的邊 界，非晶質視為異質物質，非晶質將頃向形成雙帽狀(double cap)來降低 總能量。因此，隨著時間的變化，介面非晶質將因自由能的趨勢聚集成球 狀，非晶質擴散留下的空位將由砷化鎵內部的原子擴散來填補，進而形成 完美接合的區域，這種現象解釋了在高溫退火下的試片會觀察到完整接合 面與球狀聚集非晶質區域交替排列的介面形貌。

此外，我們在實驗中發現，砷化鎵晶圓接合中沒有接合好的地方往往 出現白色脆化薄膜，為了進一步觀察使用網格狀結構對砷化鎵晶圓接合的 影響。我們觀察具網格狀結構的矽晶圓與砷化鎵晶圓接合之電子顯微鏡影 像，如下圖 4.7。

圖 4.7 具網格狀結構的矽晶圓與砷化鎵晶圓接合之電子顯微鏡影像 由成份分析我們證實此白色脆化薄膜為氧化鎵薄膜，從電子顯微鏡影

像我們可以觀察到氧化鎵薄膜為連續薄膜，環繞在網格狀結構矽晶圓上，

並且，氧化鎵薄膜從溝槽一直連續到網格狀結構矽晶圓上面。

此氧化鎵薄膜的出現導致低溫接合的難度變高，不利於同質晶圓接 合，我們推論網格狀結構晶圓接合將較適合於異質接合結構。