宋 超

（韓山師范學(xué)院 廣東 潮州 521041）

0 引言

半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的研究是當(dāng)代凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)十分重要的前沿課題。 其中，硅是微電子工業(yè)的基礎(chǔ)，硅芯片的發(fā)展促進(jìn)了信息技術(shù)的革命。 但是硅材料本身的弱點(diǎn)在制造高速器件和光電器件方面無法與Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體材料相競爭。 因此人們一直希望能找到種新的硅基材料，它既有良好的光電特性與高的遷移率，又能與成熟的硅超大規(guī)模集成技術(shù)相兼容。 在各種新的硅基材料中，鍺硅材料的研究最為突出，有人稱它為“第二代硅材料”。 因此，半導(dǎo)體鍺材料的研究，將會促進(jìn)微電子工藝和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 近年來，許多先進(jìn)的沉積和生長技術(shù)被用于鍺薄膜的制備，如分子束外延（MBE）、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）、電子束蒸發(fā)、磁控濺射（MS）等方法。離子束濺射技術(shù)作為制備薄膜的物理方法之一，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單操作方便，易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，其工作真空度高，沉積速率較慢，從靶材濺射出來的原子能量高，成膜的質(zhì)量好。 目前，離子束濺射技術(shù)已在硅鍺薄膜生長[1－3]的研究中得到廣泛應(yīng)用。

本文中采用超高真空離子束濺射技術(shù)， 通過改變生長束流，對Ge 的沉積速率和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過對沉積速率變化過程的擬合分析， 探討了Ge 薄膜的沉積過程。通過Raman 光譜的測量， 對樣品微結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了分析。

1 實驗

實驗中采用超高真空離子束濺射設(shè)備制備Ge 薄膜材料，濺射靶材選用純度為99.99%的多晶Ge 靶材，濺射室的本底真空度小于4.0×10－4Pa。 選用晶向為（100）的P 型單晶Si片作為襯底。 濺射前，襯底先后經(jīng)過丙酮、酒精超聲清洗10分鐘左右除去油和蠟， 然后在1:20 的HF:H2O 溶液中漂洗20～30s 去除自然氧化層，獲得平整的表面。 待襯底晾干后放入超高真空離子束濺射生長室內(nèi)。 生長過程中，通過控制氬氣流量，使濺射室的真空度控制在2.0×10－2Pa。 電子槍的束流電壓控制在1.0kV，生長溫度為300℃。 通過選擇不同生長束流對Ge 薄膜的生長速率和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究， 生長束流分別為4mA、6mA、8mA 和10mA，沉積時間為1.5hr。

我們采用美國加州生產(chǎn)的AMBios technology XP－2 型臺階儀對樣品的厚度進(jìn)行測量，其最小分辨率為1nm。 采用英國雷尼紹公司生產(chǎn)的inVia 共焦型拉曼譜儀測量樣品的Raman 光譜，對樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，測量時采用背向散射裝置，在室溫下采用Ar+激光器的514.5nm 譜線作激發(fā)源，為了避免激光對樣品微結(jié)構(gòu)的影響，入射到樣品上的功率選為20mW，曝光時間60s，測量系統(tǒng)為CCD 電荷耦合器件，分辨率為1cm－1，測量范圍在100～500cm－1。

2 結(jié)果與討論

在樣品厚度的測量中， 我們采用美國加州生產(chǎn)的AMBios technology XP－2 型臺階儀上進(jìn)行測量， 通過多次測量求平均值的方法， 消除測量中的誤差， 使測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。根據(jù)測量的樣品厚度值和生長時間，我們對不同束流電壓下Ge 薄膜生長速率進(jìn)行了求解。 在圖1 中給出了生長速率和生長束流的關(guān)系， 并對其變化關(guān)系進(jìn)行了不同方式的擬合。

圖1 生長速率隨生長束流變化的二項式擬合，插圖中給出生長速率隨生長束流變化的直線擬合Fig 1 The binomial fitting between deposition rare and ion beam current.The inset presents the straight line fitting between deposition rare and ion beam current

由圖1 可看出，Ge 薄膜在生長過程中，生長速率隨生長束流的增大而增加，當(dāng)生長束流有4mA 增加到10mA 時，薄膜的生長速率由0.11?/s 增加到0.3?/s。 通過比較直線擬合和二項式擬合的結(jié)果，可以看出，由二項式擬合得到的變化趨勢比直線擬合的結(jié)果更準(zhǔn)確， 同時得到二項式擬合函數(shù)近似滿足：y=－0.00352x2+0.0828x－0.1666， 其中y 代表生長速率，x 為生長束流。 從該表達(dá)式可以得到，在生長束流x=0mA 時，生長速率不為零，其生長速率y=－0.1666?/s，只有當(dāng)生長束流為1.86mA 時，生長速率接近零。由此我們認(rèn)為，從靶材濺射出的Ge 粒子在沉積過程中， 存在一定的散射，在束流很小的情況下， 大部分Ge 粒子散射到真空腔內(nèi)，并沒有沉積到襯底上。

Ge 單層膜樣品的Raman 譜圖如圖2 所示， 在圖中可看出，全部樣品的Raman 圖譜主要由中心峰位在270cm－1附近的峰包組成， 隨著生長束流的增加，Raman 圖譜的中心峰位向高波數(shù)方向移動， 但與單晶鍺的中心峰位300.5cm－1相差較大，根據(jù)晶粒尺寸和拉曼散射光譜峰位相對于單晶材料的的偏移量Δω 的關(guān)系式[4,5]：

D=2π（B／Δω）1／2

式中B 為常數(shù)，BGe=2.95，Δω 為納米晶粒的拉曼峰位相對于單晶材料的偏移量， 得到薄膜中Ge 晶粒的大小為1.95 nm，晶粒尺寸很小，薄膜的整體結(jié)構(gòu)屬于非晶成分。通過對樣品譜圖的比較得出， 隨著生長束流的改變，Ge 薄膜的結(jié)晶性并沒有發(fā)生明顯的改善，主要表現(xiàn)為非晶結(jié)構(gòu)，即生長束流的變化對Ge 薄膜的結(jié)晶性影響較小。

圖2 Ge 薄膜的Raman 圖譜Fig 2 Raman spectra of Ge films

3 結(jié)論

采用離子束濺射技術(shù)，在不同生長束流下，對Ge 薄膜的生長速率進(jìn)行了測量，Ge 薄膜的生長速率隨著生長束流的增加而增大，在變化趨勢上較好的滿足二項式曲線關(guān)系。 在不同生長束流下，Ge 薄膜的結(jié)構(gòu)主要是非晶成分， 隨著生長束流的增加，Ge 薄膜的結(jié)晶性變化不明顯。

［1］Y. Xuan and Y. Yang. Study on the low temperature crystallization and optical properties of amorphous Ge films [J]. J. Synth. Cryst.2006,35:880－883.

［2］劉煥林, 郝瑞亭,楊宇.離子束濺射制備Si/Ge 多層膜及紅外吸收性能研究[J].人工晶體學(xué)報，2006,35（2）:280－284.

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［4］鄧勃,寧永成,劉密新.儀器分析[M].北京: 清華大學(xué)出版社，1993.

［5］M. Cardona, G. Guntherodt. Light Scattering in Solid [M]. Springer－Verlag, Berlin, Heidelberg, N.Y., 1980: 2.