第四章 實驗結果與討論
4.4 矽鍺薄膜經高溫氧化處理其材料和機械特性之綜合分析
綜合以上實驗之分析，首先可得知在 XRD 分析中，出現低角度之新波 峰為高鍺濃度的波峰。此高鍺濃度的波峰是由於 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 之鍺在高溫氧化下，被氧化層排斥而堆積在氧化介面上形成鍺原子堆積 (pile-up)現象，此現象也可從二次離子分析儀(SIMS)之縱深分析可得知。由 於鍺原子堆積(pile-up)現象，在奈米壓痕的機械特性量測實驗中，我們發現 Si0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構在壓痕深度於 50 nm 以內，矽鍺薄膜在 800 ℃至1000 ℃氧化處理時硬度及楊氏模數較未高溫氧化處理之試片低，此現象可 以由原子力顯微鏡觀察之3D 表面形貌得知，當氧化溫度於 800 ℃至 1000 ℃ 時 ， 由 於 高 溫 氧 化 處 理 後 矽 鍺 薄 膜 產 生 應 變 鬆 弛 且 因 錯 位 差 排(misfit dislocation)所引發的方格圖形(cross-hatch patterns)及表面有產生島狀物。此 外，Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 800 ℃至 1000 ℃氧化處理後，矽鍺薄膜皆 有粗糙度增加、產生島狀物以及差排的現象，此造成矽鍺薄膜表面(奈米壓 痕深度為0 至 50 nm 之間)的硬度及楊氏模數較未高溫氧化處理之試片低。因此鍺原子堆積之現象造成矽鍺薄膜的表面機械性質較弱，抵抗塑性變形 的能力較低。但在壓痕深度為100 到 200 nm 之間，Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結 構在800 ℃至 1000 ℃氧化處理時，薄膜之硬度及楊氏模數較未高溫氧化處 理之試片高，且以原子力顯微鏡進行橫切面觀察壓痕隆起(pile-up)現象的狀 況來看(如表4-3所示)，經高溫氧化處理後的矽鍺薄膜之鍺元素堆積的高度 降低，皆可顯示高溫氧化後機械性質有所提升。表 4-1 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 (a)未高溫氧化處理前及(b)800 ℃、(c)900 ℃和(d)1000 ℃氧化處理後之粗糙度比較
表 4-2 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 (a)未高溫氧化處理前及(b)800 ℃、(c)900 ℃和(d)1000 ℃氧化處理後，於奈米壓痕機之連續勁度模式於 200 nm 的深度之硬度及楊氏係數比較
Sample Hardness(Gpa) Modulus(Gpa) (a)As-grown 13.8±0.6 198.5±4.3
(b)800 ℃ 14.5±0.6 202.5±6.2 (c)900 ℃ 16.1±0.4 215.9±5.8 (d)1000 ℃ 16.2±0.5 216.6±4.3
Sample Root mean square roughness, R
ms
(nm)As-grown 0.467
800 ℃ 0.919 900 ℃ 1.498 1000 ℃ 1.685
表 4-3 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 (a)未高溫氧化處理前及(b)800 ℃、(c)900 ℃和(d)1000 ℃氧化處理後，經奈米壓痕實驗後 AFM 之堆積隆起之 比較
Sample Pile-up (nm) (a)As-grown 12.5
(b)800 ℃ 10.2 (c)900 ℃ 7.2 (d)1000 ℃ 7.1
98 100 102 104 106 108 110 112
(d)
(c)
(b)
(a)
In ten s ity (a. u .)
Binding Energy (eV)
圖 4-1 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 (a)未高溫氧化處理前及(b)800 ℃、(c)900 ℃和(d)1000 ℃氧化處理之 ESCA-Si 化學鍵結分析圖
40 35 30 25
Binding Energy (eV)
圖 4-2 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構 (a)未高溫氧化處理前及(b)800 ℃、0 100 200 300 400 500
0 100 200 300 400 500
圖 4-8 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 (a)未高溫氧化處理前以及(b)800℃、(c)900 ℃和(d)1000 ℃氧化處理之 AFM 之 3D 形貌圖
0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-9 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構未經高溫氧化處理前在 10 mN 的負載Displacement Into Surface(nm)
0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-10 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 800 ℃高溫氧化處理於 10 mN 的負 載下之卸負載曲線0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-11 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 900 ℃高溫氧化處理於 10 mN 的負Displacement Into Surface(nm)
0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-12 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 1000 ℃高溫氧化處理於 10 mN 的 負載下之卸負載曲線0 50 100 150 200 0
2 4 6 8 10
Loa ding(mN)
Displacement Into Surface(nm) 800 ℃
900 ℃ 1000 ℃ As‐grown
圖 4-13 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構未經高溫氧化處理前與高溫氧化處理 於經800 ℃、900 ℃、1000 ℃之 10 mN 的負載下之卸負載曲線圖 4-14 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構未經高溫氧化處理前在 10 mN 的力道 下之AFM 橫切面圖 4-15 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經高溫氧化處理 800 ℃於奈米壓痕之 10 mN 力道下之 AFM 橫切面圖 4-16 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經高溫氧化處理 900 ℃於奈米壓痕之 10 mN 力道下之 AFM 橫切面圖 4-17 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經高溫氧化處理 1000 ℃於奈米壓痕 之10 mN 力道下之 AFM 橫切面0 40 80 120 160 200
0 4 8 12 16 20
Ha rdn e ss (G P a )
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-18 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構未經高溫氧化處理前在連續勁度模式 200 nm 的深度下之硬度變化0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-19 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 800 ℃高溫氧化處理在連續勁度模Displacement Into Surface(nm)
圖 4-20 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 900 ℃高溫氧化處理在連續勁度模 式200 nm 的深度下之硬度變化0 40 80 120 160 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-21 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 1000 ℃高溫氧化處理在連續勁度Displacement Into Surface(nm)
800 ℃
0 40 80 120 160 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-23 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構未經高溫氧化處理前在連續勁度模式Displacement Into Surface(nm)
圖 4-24 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 800 ℃高溫氧化處理在連續勁度模 式200 nm 的深度下楊氏模數之變化0 50 100 150 200
Displacement Into Surface(nm)
圖 4-25 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 900 ℃高溫氧化處理在連續勁度模Displacement Into Surface(nm)
圖 4-26 Si
0.8
Ge0.2
/Si 異質接面結構經 1000 ℃高溫氧化處理在連續勁度 模式200 nm 的深度下楊氏模數之變化0 40 80 120 160 200 0
50 100 150 200 250 300
M odu lus( G P a)
Displacement Into Surface(nm) 800 ℃ 900 ℃ 1000 ℃ As‐grown
圖 4-27 Si