離子束濺射Ge 薄膜的生長特性研究

宋 超

（韓山師范學院 廣東 潮州 521041）

0 引言

半導體低維結構的研究是當代凝聚態物理和材料科學領域內十分重要的前沿課題。 其中，硅是微電子工業的基礎，硅芯片的發展促進了信息技術的革命。 但是硅材料本身的弱點在制造高速器件和光電器件方面無法與Ⅲ－Ⅴ族半導體材料相競爭。 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模集成技術相兼容。 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，半導體鍺材料的研究，將會促進微電子工藝和技術的進一步發展。 近年來，許多先進的沉積和生長技術被用于鍺薄膜的制備，如分子束外延（MBE）、等離子增強化學氣相沉積（PECVD）、電子束蒸發、磁控濺射（MS）等方法。離子束濺射技術作為制備薄膜的物理方法之一，其設備結構簡單操作方便，易實現規模化生產，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，成膜的質量好。 目前，離子束濺射技術已在硅鍺薄膜生長[1－3]的研究中得到廣泛應用。

本文中采用超高真空離子束濺射技術， 通過改變生長束流，對Ge 的沉積速率和微觀結構進行了研究，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， 對樣品微結構的變化進行了分析。

1 實驗

實驗中采用超高真空離子束濺射設備制備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。 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構進行研究， 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的AMBios technology XP－2 型臺階儀對樣品的厚度進行測量，其最小分辨率為1nm。 采用英國雷尼紹公司生產的inVia 共焦型拉曼譜儀測量樣品的Raman 光譜，對樣品的微結構進行表征，測量時采用背向散射裝置，在室溫下采用Ar+激光器的514.5nm 譜線作激發源，為了避免激光對樣品微結構的影響，入射到樣品上的功率選為20mW，曝光時間60s，測量系統為CCD 電荷耦合器件，分辨率為1cm－1，測量范圍在100～500cm－1。

2 結果與討論

在樣品厚度的測量中， 我們采用美國加州生產的AMBios technology XP－2 型臺階儀上進行測量， 通過多次測量求平均值的方法， 消除測量中的誤差， 使測量結果更為準確。根據測量的樣品厚度值和生長時間，我們對不同束流電壓下Ge 薄膜生長速率進行了求解。 在圖1 中給出了生長速率和生長束流的關系， 并對其變化關系進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果更準確， 同時得到二項式擬合函數近似滿足：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，只有當生長束流為1.86mA 時，生長速率接近零。由此我們認為，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，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方向移動， 但與單晶鍺的中心峰位300.5cm－1相差較大，根據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 的關系式[4,5]：

D=2π（B／Δω）1／2

式中B 為常數，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，薄膜的整體結構屬于非晶成分。通過對樣品譜圖的比較得出， 隨著生長束流的改變，Ge 薄膜的結晶性并沒有發生明顯的改善，主要表現為非晶結構，即生長束流的變化對Ge 薄膜的結晶性影響較小。

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

3 結論

采用離子束濺射技術，在不同生長束流下，對Ge 薄膜的生長速率進行了測量，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系。 在不同生長束流下，Ge 薄膜的結構主要是非晶成分， 隨著生長束流的增加，Ge 薄膜的結晶性變化不明顯。

［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].人工晶體學報，2006,35（2）:280－284.

［3］C. Song and R. Huang. The study on microstructural and optical properties of nanocrystalline germanium films [J]. Materials science forum. 2011,663－665:324－327.

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

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