在半導(dǎo)體行業(yè)中，硅基光電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)、突破集成電路電互聯(lián)瓶頸的關(guān)鍵，而在硅si襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量GaAs 薄膜是硅基光源單片集成的核心。臺(tái)階儀作為重要的表征工具，在GaAs/Si 異質(zhì)外延研究中，通過(guò)對(duì)樣品表面粗糙度的測(cè)試，為優(yōu)化生長(zhǎng)工藝、提升薄膜質(zhì)量提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，對(duì)探究外延片生長(zhǎng)規(guī)律具有重要意義。

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實(shí)驗(yàn)方法

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本研究中使用臺(tái)階儀通過(guò)接觸式測(cè)量，探針沿樣品表面滑行，將表面起伏轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)處理得到平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Rq）。

樣品制備：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長(zhǎng)GaAs/Si外延片，通過(guò)兩步生長(zhǎng)法、三步生長(zhǎng)法結(jié)合循環(huán)熱退火等工藝調(diào)控生長(zhǎng)參數(shù)。測(cè)試前，Si 襯底經(jīng) HF 溶液浸泡、去離子水清洗等預(yù)處理。

外延片實(shí)物

測(cè)試流程：將樣品放置在臺(tái)階儀上，完成水平和垂直方向定位，使探針對(duì)準(zhǔn)待測(cè)區(qū)域，隨后進(jìn)行掃描測(cè)試。誤差控制上，與 AFM 等其他儀器測(cè)試結(jié)果對(duì)比，誤差控制通過(guò) 3 次重復(fù)掃描，粗糙度誤差 < ±0.3 nm。

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高溫外延片溫度優(yōu)化

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不同高溫層生長(zhǎng)溫度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

由臺(tái)階儀測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在 600-650℃范圍內(nèi)，隨著高溫層生長(zhǎng)溫度降低，樣品表面粗糙度逐漸減小。600℃時(shí)粗糙度為 11.0 nm，雖為該范圍內(nèi)最低，但樣品表面仍呈霧狀。這是因?yàn)闇囟冉档碗m減少表面起伏，但可能增加雜質(zhì)含量，需平衡溫度與晶體質(zhì)量。

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低溫成核層溫度優(yōu)化

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不同低溫層生長(zhǎng)溫度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

高溫層生長(zhǎng)溫度為 600 ℃，兩步生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)除低溫成核層生長(zhǎng)溫度外的其他生長(zhǎng)參數(shù)與之前保持一致。利用臺(tái)階儀對(duì)生長(zhǎng)溫度為390-430 ℃的低溫成核層進(jìn)行表面粗糙度的表征。結(jié)果顯示：隨著低溫成核層生長(zhǎng)溫度的降低，臺(tái)階儀測(cè)得的表面粗糙度由 11.0 nm 降低到 7.6 nm，表面逐漸變得光亮表明生長(zhǎng)質(zhì)量得到改善。

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低溫成核層厚度優(yōu)化

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樣品的表面均方根粗糙度(Rq)與算數(shù)平均粗糙度(Ra)與 GaAs低溫成核層生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系

低溫成核層的厚度在調(diào)控 GaAs 薄膜的晶體完美度方面起著重要作用。通過(guò)臺(tái)階儀追蹤不同生長(zhǎng)時(shí)間（0–122 min）的粗糙度變化：隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，樣品的表面粗糙度先減小后增大。62 min 時(shí)表面粗糙度較優(yōu)，此時(shí) GaAs 島嶼合并更均勻，表面更平整。這表明合適的低溫成核層生長(zhǎng)條件可通過(guò)減少表面起伏提升外延片質(zhì)量。

臺(tái)階儀在 GaAs/Si 異質(zhì)外延研究中，通過(guò)對(duì)不同生長(zhǎng)條件下樣品表面粗糙度的測(cè)試，為優(yōu)化高溫層和低溫成核層生長(zhǎng)參數(shù)提供了定量依據(jù)，其測(cè)試結(jié)果表明，600℃高溫層生長(zhǎng)溫度、390℃低溫成核層生長(zhǎng)溫度及62 min生長(zhǎng)時(shí)間等條件，有助于降低表面粗糙度。臺(tái)階儀的表征數(shù)據(jù)支撐了生長(zhǎng)工藝優(yōu)化的有效性，對(duì)獲得高質(zhì)量 GaAs/Si外延片具有重要意義。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

Flexfilm探針式臺(tái)階儀的

亞埃級(jí)分辨率和1nm重復(fù)性可以準(zhǔn)確追蹤測(cè)量 GaAs/Si 異質(zhì)外延全過(guò)程表面粗糙度變化，為半導(dǎo)體行業(yè)硅基光電子技術(shù)研究提供了快速質(zhì)檢依據(jù)。

原文參考：《InGaAs/GaAsP 超晶格在 GaAs/Si 異質(zhì)外延中作用研究》

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