不同負載下之Si 0.8 Ge 0.2 /Si異質接面結構

的趨勢，從相關文獻蒐集中提到此不連續的斷點稱為 pop-ins[68]，此 pop-in 現象產生的原因為材料體積突然增加，意味著材料結構中有缺陷(空洞區)

明顯的差異，意味著此壓痕力道下經退火溫度的改變不會對 Si^0.8Ge^0.2/Si 異

an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-負載 30mN 綜合分析圖。對照圖中 在 30mN 壓痕負載下其壓痕深度約為 370nm，綜合比較圖趨勢和圖 4-22、 生劇烈的相變化(phase transformation)。

在本實驗結果中發現，實驗設定的三個負載作用力(5、10 和 30mN)下，

四個結構參數皆有遲滯現象產生，此實驗結果表示 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結

64

構因為本身的結構特性，因為晶格不匹配所產生的差排缺陷以及經熱退火 及黑色(未經退火)，結果顯示在 nanoindenter FM 深度-四次負載 10mN 參 數設定下，隨著退火溫度越高，其結構機械強度越好。

圖 4-27 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600

65

之 nanoindenter FM 深度-四次負載 30mN 綜合分析圖。在 30mN 負載作用實 驗結果又與前兩個參數有所不同，其結果顯示相同負載下壓痕深度由淺到 深分別為藍色(退火 600 度)、紅色(退火 400 度)、黑色(未經退火)和綠色(退 火 500 度)，其中特別在藍色曲線部分與其他三個參數又特別不同，在卸負 載曲線上約 300nm 左右，也就是約為介面層深度的地方，曲線產生一小段 斜率突然改變，在相關文獻中稱為 elbow[70]，其原因為材料體積突然發生 膨脹且產生相變化，發生原因與 pop-ins 類似。實驗初步推測在退火 600 度時由於結構介面層發生較嚴重的層間擴散作用，使得介面層中材料體積 突然增加所導致的。

66

4.5 不同負載參數之Si

^0.8

Ge

^0.2

/Si異質接面結構之

an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-2D(5μm 和 3μm)綜 合分析圖。首先，從四張圖中可以明顯的觀察到矽鍺結構的表面特徵，

crosshatch 差排，也就是格子狀的差排結構，隨著退火溫度的上升差排結構 密度有增加的趨勢。另外，在退火 500 度的部分，奈米壓痕開始出現折層 結構(folder)[71]。

圖 4-29和圖 4-32 分別為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、

an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-3D(5μm 和 3μm)綜 合分析圖。

圖 4-30和圖 4-33 分別為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、

67

an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-剖面圖 (5μm 和 3 μm)綜合分析圖。從 AFM 剖面分析我們可以觀察到結構表面任兩點的高低 差，本實驗觀察重點為奈米壓痕對結構所造成壓痕深度以及壓痕造成的表 面 堆 積 現 象 (pile-up) 。 從 5 μ m 壓 痕 深 度 數 據 來 看 分 別 為 ： as-grown(62.113nm) 、 an400 (59.447nm) 、 an500(53.763nm) 、 an600(49.533nm)，整體呈現趨勢為隨著退火溫度上升奈米壓痕所造成結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-2D(5μm 和 3μm)綜合分析圖。從圖中可以觀察壓痕斜面部分的結構折 層現象會隨著退火溫度上升而增加的趨勢，此現象意味著因為退火處理結 構中產生了差排現象，然而這些差排現象使得結構產生折層可以由此實驗 觀察得知。圖 4-35和圖 4-39 分別為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、

an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-3D(5μm 和

68

3μm)綜合分析圖。從 3D 圖中可以觀察結構上壓痕邊緣明顯的起伏情形，

以及壓痕斜面上的折層現象。

圖 4-36和圖 4-40 分別為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、

an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-剖面圖 (5μm 和 3 μm)綜合分析圖。從 3μm 壓痕深度數據來看分別為：as-grown(122.08nm)、

an400 (102.08nm)、an500(97.069nm)、an600(103.46nm)，從數據上分析來觀

能。而本實驗所設置的多重負載模式即是模擬結構受外部應力作用時其結 構表面變化觀察。實驗結果如下：

圖 4-41和圖 4-42為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。圖 中我們主要觀察負載所造成的壓痕周圍凸起部分(pile-up)，以及壓痕內部的 摺線部分，圖中明顯可以觀察出隨著退火溫度上升壓痕周圍的 pile-up 明顯 增加，從圖 4-44 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-cro(3μm)綜合分析圖，去觀察 pile-up 所造成的高度，我們可以得到數據上(綠色數字部分)的變化分別 為：as-grown(9.442 nm)、an400(7.485nm)、an500(13.190 nm)、an600(12.949 nm)，從數據上觀察經退火處理後結構所造成的 pile-up 較退火前來的高，

除了 an400 以外，此現象實驗初步估計與退火時產生的氧化層(SiO₂)有關，

氧化層為附生產物硬度與附著力較矽鍺磊晶層來的差，因此在壓痕負載時 較易被推擠造成堆積。

圖 4-43為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖。從 3D 立體圖 可以更容易觀察結構表面 pile-up 的起伏情形。

圖 4-45和圖 4-46為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。從

70

整體來觀察，可以明顯觀察到在 an500 參數部分結構發生嚴重損壞，由此 可知，實驗可以初步估計 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構退火處理後在四次負載 模式力道 30mN 作用下，結構無法抵擋此外加應力而造成結構破壞。圖 4-47 為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異 質 接 面 結 構 as-grown 、 an400 、 an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖，從 3D 立體圖中 可以更明顯觀察到經退火 500 度結構受破壞的表面情形。圖 4-48 為 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-cro(3μm)綜合分析圖。圖中經退火 500 度的 pile-up 數據有明顯的突出，表示結構已經受到損壞，使得結構表面不完整。

71

圖 4-1 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 SEM 剖面圖

圖 4-2 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、退火 400 度、500 度及 600 度 之 AFM 掃描 2D 圖(3µm)。

72

圖 4-3 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、退火 400 度、500 度及 600 度 之 AFM 掃描 3D 圖(3μm)。

圖 4-4 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、退火 400 度、500 度及 600 度 之 AFM 掃描 3D 圖(5μm)。

73

圖 4-5 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、退火 400 度、500 度及 600 度 之 AFM 掃描 roughness 圖(5μm)。

圖 4-6 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown XRD 圖。

74

圖 4-7 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 XRD 分析圖。

圖 4-8 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 XRD 整合分析圖。

75

圖 4-9 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-硬度 100nm 分析圖。

0 20 40 60 80 100

0 8 16 24 32 40

Hardness(GPa)

Displacement Into Surface (nm)

as-grown An400T An500T An600T

圖 4-10 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-硬度 100nm 綜合分析圖。

76

0 20 40 60 80 100

Displacement Into Surface (nm)

as-grown An400T An500T An600T

圖 4-11 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-楊氏模數 100nm 綜合分析圖。

110 108 106 104 102 100 98 96 94 92 90

Binding Energy (E)

as-grown

40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20

Binding Energy (E)

as-grown nanoindenter CSM 深度-硬度 200nm 分析圖。

78

圖 4-15 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-硬度 200nm 綜合分析圖。

圖 4-16 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-楊氏模數 200nm 綜合分析圖。

79

圖 4-17 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-硬度 300nm 綜合分析圖。

圖 4-18 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-楊氏模數 300nm 綜合分析圖。

80

圖 4-19 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-硬度 400nm 綜合分析圖。

圖 4-20 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 深度-楊氏模數 400nm 綜合分析圖。

81

圖 4-21 Si_0.8Ge_0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-負載 5mN 分析圖。

圖 4-22 Si_0.8G_e0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-負載 5mN 綜合分析圖。

82

圖 4-23 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-負載 10mN 綜合分析圖。

圖 4-24 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-負載 30mN 綜合分析圖。

83

圖 4-25 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-四次負載 5mN 綜合分析圖。

圖 4-26 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-四次負載 10mN 綜合分析圖。

84

圖 4-27 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 深度-四次負載 30mN 綜合分析圖。

圖 4-28 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-2D(5μm)綜合分析圖。

85

圖 4-29 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-3D(5μm)綜合分析圖。

圖 4-30 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-剖面圖 (5μm)綜合分析圖。

86

圖 4-31 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-32 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖。

87

圖 4-33 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 10mN AFM-剖面圖 (3μm)綜合分析圖。

圖 4-34 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-2D(5μm)綜合分析圖。

88

圖 4-35 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-3D(5μm)綜合分析圖。

圖 4-36 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-剖面圖 (5μm)綜合分析圖。

89

圖 4-37 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-38 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-2D-2(3μm)綜合分析圖。

90

圖 4-39 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-40 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 一次負載 30mN AFM-剖面圖 (3μm)綜合分析圖。

91

圖 4-41 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-42 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-2D-2(3μm)綜合分析圖。

92

圖 4-43 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-44 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 10mN AFM-cro(3μm)綜合分析圖。

93

圖 4-45 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-2D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-46 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-2D-2(3μm)綜合分析圖。

94

圖 4-47 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-3D(3μm)綜合分析圖。

圖 4-48 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter FM 四次負載 30mN AFM-cro(3μm)綜合分析圖。

95

Sample Depth (nm) Hardness (GPa) Modulus (GPa)

SiGe-as 100 14.8±0.7 203.8±10.7

SiGe-an400 100 15.0±0.8 204.3±10.3

SiGe-an500 100 14.7±0.5 203.7±9.5

SiGe-an600 100 14.5±0.4 201.8±11.6

表 4-1 Si0.8Ge0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 100nm 綜合數值分析表。

Sample Depth (nm) Hardness (GPa) Modulus (GPa)

SiGe-as 200 13.8±0.7 198.5±12.7

SiGe-an400 200 13.9±0.6 196.1±11.5

SiGe-an500 200 14.0±0.4 197.9±10.1

SiGe-an600 200 14.2±0.6 198.8±11.2

表 4-2 Si^0.8Ge^0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 200nm 綜合數值分析表。

96

97

Sample Depth (nm) Hardness (GPa) Modulus (GPa)

SiGe-as 300 13.9±0.7 192.7±10.7

SiGe-an400 300 14.0±0.5 196.2±5.3

SiGe-an500 300 13.6±0.6 192.9±11.7

SiGe-an600 300 13.7±0.3 191.9±10.6

表 4-3 Si0.8Ge0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 300nm 綜合數值分析表。

表 4-3 Si0.8Ge0.2/Si 異質接面結構 as-grown、an400、an500 和 an600 之 nanoindenter CSM 300nm 綜合數值分析表。

在文檔中 矽鍺異質接面結構退火效應與奈米機械特性之研究 (頁 76-0)