在半導體行業(yè)中，硅基光電子技術(shù)是實現(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襯底上外延生長高質(zhì)量GaAs 薄膜是硅基光源單片集成的核心。臺階儀作為重要的表征工具，在GaAs/Si 異質(zhì)外延研究中，通過對樣品表面粗糙度的測試，為優(yōu)化生長工藝、提升薄膜質(zhì)量提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，對探究外延片生長規(guī)律具有重要意義。

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實驗方法

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

樣品制備：采用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長GaAs/Si外延片，通過兩步生長法、三步生長法結(jié)合循環(huán)熱退火等工藝調(diào)控生長參數(shù)。測試前，Si 襯底經(jīng) HF 溶液浸泡、去離子水清洗等預處理。

外延片實物

測試流程：將樣品放置在臺階儀上，完成水平和垂直方向定位，使探針對準待測區(qū)域，隨后進行掃描測試。誤差控制上，與 AFM 等其他儀器測試結(jié)果對比，誤差控制通過 3 次重復掃描，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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不同高溫層生長溫度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

由臺階儀測試數(shù)據(jù)可知，在 600-650℃范圍內(nèi)，隨著高溫層生長溫度降低，樣品表面粗糙度逐漸減小。600℃時粗糙度為 11.0 nm，雖為該范圍內(nèi)最低，但樣品表面仍呈霧狀。這是因為溫度降低雖減少表面起伏，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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不同低溫層生長溫度下 GaAs/Si 外延片的表面粗糙度

高溫層生長溫度為 600 ℃，兩步生長結(jié)構(gòu)除低溫成核層生長溫度外的其他生長參數(shù)與之前保持一致。利用臺階儀對生長溫度為390-430 ℃的低溫成核層進行表面粗糙度的表征。結(jié)果顯示：隨著低溫成核層生長溫度的降低，臺階儀測得的表面粗糙度由 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低溫成核層生長時間的關(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。通過臺階儀追蹤不同生長時間（0–122 min）的粗糙度變化：隨著生長時間的增加，樣品的表面粗糙度先減小后增大。62 min 時表面粗糙度較優(yōu)，此時 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條件可通過減少表面起伏提升外延片質(zhì)量。

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

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

Flexfilm探針式臺階儀的

亞埃級分辨率和1nm重復性可以準確追蹤測量 GaAs/Si 異質(zhì)外延全過程表面粗糙度變化，為半導體行業(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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