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锗晶片表面清洗研究进展

更新时间:2016-07-05

锗是半导体器件中最早使用的材料之一[1],然而,由于锗的氧化物在水中极易溶解,锗表面状态极难被控制,使其在电子器件中的应用受到了极大的限制[2]。然而,近年来,锗因具有空迁穴移率高、禁带宽度窄等优点而得到越来越多的关注,使其成为了制造高性能器件衬底材料的不二之选[3]。因此,寻找更有效的锗表面清洗及钝化方法的研究成了半导体行业中极重要的一部分。

8月2日,《北京市餐饮业客用卫生间清洁卫生示范导则》正式发布,这是全国首个餐饮业相关导则,标志着北京市餐饮业“厕所革命”正式启动。《导则》分为七个部分共40余款,除了“建立环境卫生制度”和“卫生间不得设置在食品处理区内”等基本要求外,还对客用卫生间外部及内部环境、设施、清洁操作和消毒操作等作出了详尽的规定。

与研究较为成熟的硅晶片相比。清洗后的锗仍然难以获得完全平整、无污染的表面。本文介绍了锗表面的氧化机理及各国学者研究对锗表面清洗的不同方法,以期帮助读者对锗的清洗获得更为全面的认识。

1 锗表面的氧化机理

Kibyung Park[4]等人对大气环境下Ge表面的氧化情况进行了研究。首先将双面抛光的锗片在甲醇和丙酮的溶液中清洗5 min,随后用0.5%的稀氢氟酸浸泡2 min,去除原生氧化层。在臭氧层环境下形成预期的氧化层后将锗晶片放置于室温空气中。

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[2] J.Sau,M.Cohen.Possibility of increased mobility in Ge-Sn alloy system[M].Rev.B 75.Phys,2007.1-7.

图1 不同暴露时间下的Ge表面XPS曲线

2 锗表面的湿法清洗

B.Onsia等人曾经报道过HBr是去除GeO2和GeOX最有效的方法,然而HBr在工业生产中因具有易爆等特点难以广泛应用。Yoshihiko Moriyama等人研究了不同清洗剂对Ge表面氧化物的清洗效果,图2为经HF,HCl,HBr及HF+HCl清洗后Ge表面的XPS曲线。

2015年6月6日,国际数学教育委员会(ICMI)正式宣布,在中国上海、美国檀香山和澳大利亚悉尼3个竞标城市中,上海市赢得2020年第14届国际数学教育大会(ICME-14)的主办权[2].通过数代中国数学教育工作者的不懈努力,实现了从参加、参与、申办到主办国际数学教育大会(ICME)这一质的跨越,这不仅标志着国际数学教育对中国数学教育发展和水平的认可与肯定,同时也为中国数学教育的崛起提供了一个良好的契机.

然而,HBr清洗后的 Ge在空气中放置约10 min后会产生如图5(a)的颗粒状第二相。随着时间的增长,这些第二相逐渐增多且体积逐渐增大,如图5(b)所示,这是由于其表面的不稳定性造成的。然而,经过HF+HCl溶液清洗后的Ge片即使暴露在大气30 min后仍不会由此种颗粒状第二相生成。GM.Houssa[7]认为,这种表面稳定性的差异主要是由于Ge表面的Cl离子造成的。由于Ge-H键在环境中很不稳定,Ge表面的稳定性更多的取决于Ge-Cl键及Ge-Br键 [8]。由于Ge-Cl键相对于GE-Br键而言更加稳定,进而使Ge表面不容易被氧化。综上所述,HF+HCl对Ge表面的清洗具有更好的效果,拥有较为广阔的应用前景。

图 2 HF,HCl,HBr及HF+HCl清洗后Ge表面的 XPS曲线

图3为经 HF,HCl,HBr及 HF+HCl清洗后Ge表面的XPS细化曲线,其中0价Ge和4价Ge(GeO2)峰值位置分别为1 217.5 eV and 1 220 eV,1价、2价、3价Ge的峰值位置均匀分布在二者之间。图4为不同清洗方法清洗后锗表面各化合价Ge对应峰值的相对强度。由图可知,无论使用何种清洗方法都无法有效清除1价锗。使用HF酸清洗Ge表面,Ge的各种氧化物都无法有效去除。HCl对2价Ge及4价Ge的清洗效果好于HF酸,然而其对3价Ge仍难做到有效清洗。HBr和HF+HCl对各价锗的清洗效果都很好,用HF和HCl混合的方式清洗Ge远优于单独一种酸清洗。实验表明HBr及HF+HCl作为清洗剂的清洗方式最能有效去除Ge表面的氧化物。

图6为不同退火温度及时间对Ge表面C元素及O元素含量的影响,A为空气中保存,未经处理的Ge表面C元素及O元素含量。C为过氧化氢处理后在300℃退火20 s后的Ge表面C元素及O元素含量。F为过氧化氢处理后在700℃退火80 s后的Ge表面C元素及O元素含量。实验可知H2O2(g)成功地去除了锗表面上的污染物,700℃退火后形成了平坦有序的Ge表面。

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图3 清洗后Ge表面的XPS曲线

图4 不同清洗剂清洗后表面各化合价Ge的峰值相对强度

图5 空气中放置一段时间后的Ge表面形貌

3 锗表面的干法清洗

虽然利用HCl或HBr溶液对Ge的湿法处理目前得到了十分广泛的研究,表面平整和无污染的Ge目前仍然难以稳定获得。高温真空退火作为干法清洗工艺的一种,目前正广泛的应用于Ge的表面处理中。科学家们首先使用高纯度过氧化氢气体对暴露在空气中的锗表面进行了处理。随后用300℃的氢气对其进行了脱氧处理去除其表面的氧化物。最后对Ge片进行高温退火进而形成了平坦的、有序的、无污染的Ge表面。

单因素分析是危险因素,而在多因素分析中没有被认为是危险因素——年龄、肝功能与合并基础疾病等,可能都是由于改变了体内蛋白水平而影响异烟肼的血药浓度的。年龄大的患者伴有低蛋白血症的概率大;肝功能异常必定会导致肝脏合成蛋白的功能受损;合并基础疾病时的用药种类增加,对于蛋白结合的竞争会增加。白蛋白数量下降直接导致结合性药物的数量下降,游离型的增多。药物清除仅针对游离型,因此,药物清除率增加了。虽然异烟肼的蛋白结合率不高,由它导致药物相互作用的临床意义不大,但对于血药浓度影响还是不可忽视的。亚组分析也显示,不同蛋白水平组患者的异烟肼浓度,是有显著性差异的。

两组治疗前神经功能评分比较,差异无统计学意义(P>0.05);观察组治疗后神经功能缺损评分低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。

Younghwan Lee[9]研究了在Ge表面形成S-Ge键对Ge表面稳定性的影响。他用(NH42S溶液对锗表面进行了处理形成Ge-S键代替了Ge-H键。实验表明,(NH42S处理后的Ge比未经处理的Ge片可以多保存约120倍的时间。然而,随着处理时间的增加,Ge表面的氧化情况戏剧化的急剧增强,非理想化的Ge-S键结构反而可能会导致Ge表面氧化的发生变得更加简单。

图6 不同退火时间及温度下Ge表面C元素及O元素含量

然而,因高温处理对Ge基器件的应用造成了一定的影响,因此,低温干法清洗工艺的研究对于提高锗基器件的性能变得十分必要。

Katsuhiro Kutsuki[11]用氮气等离子体对锗表面进行了清洗。实验表明,氮气等离子体能有效去除Ge表面的碳、氧污染,在较低温度(500℃)下获得了良好有序的Ge表面。

综艺节目、金庸作品大全、靓绝五台山或是电子竞技,我都不甚了解,只能默默看着朋友圈一波接一波的缅怀和庆祝。人们也许没有一期不落地看完《非常6+1》,没有精读过金庸的那副“对联”,但旧人旧物确是自己青春里实实在在的标点,一提到他们,仿佛就闪回到阳光灿烂的日子。

[3] X.Li,X.Wang,L.Zhang,et al.Chemically derived,ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors[J].Science,2008(319):1229-1232.

4 结论与展望

锗因具有高的电子和空穴迁移率,在先进高性能器件的研究中拥有着极好的发展前景。本文对锗的氧化机理和几种清洁方法进行了综述。列举了其优缺点。然而,在实际的生产中,我们仍然需要找到一种更简单、更经济的锗表面清洗方法,进而使其在工业上得到更广泛的应用。

参考文献:

[1] O.Hashemi,W.Chern,H.-S.Lee,etal.Ultrathin strained-Ge channel P-MOSFETs with high-k/metal gate and sub-1-nm equivalent oxide thickness[D].IEEE Electron Device Lett 33,2012.943-945.

图1为不同暴露时间下Ge表面XPS曲线。由图1可知,随着在空气中暴露时间的增加,锗氧化物的构成发生了改变。当暴露时间少于0.5 h时,位于770 cm-1的GeOX结构占主要地位,随着在空气中暴露时间的增加,位于830 cm-1和920 cm-1的GeO2峰占据了主导位置,随着暴露时间的增加,Ge表面的化学状态发生了改变。试验可知与Si氧化不同,空气中锗的氧化过程可分为两个阶段,第一阶段主要以表面反应为主,Ge表面的Ge-H键和Ge-Ge键因氧化被打破,表面主要以GeOX结构为主。在Ge氧化的第二阶段,Ge氧化物的峰值逐渐增高,氧化层层进行,表面主要以GeO2为主。

图7为不同氮气等离子体处理时间下Ge表面C、O含量示意图。将Ge基板置于高压环境中并加热到500℃。随后将其暴露于氮气等离子体中10~30 s。随后在此环境中继续保存15 min。由图可知,短时间的等离子体处理不利于碳的去除。在500℃的高压环境下使用氮气等离子体处理20 s后,Ge表面的O及C基本得到清除。实验表明了较低温度下使用氮气等离子体清洗Ge表面的潜力。

[5] S.Groves,W.Paul,Band structure of gray tin[M].Rev.Lett.11.Phys.1963.194-196.

[6] B.Onsia.Diffus[M].Defect Data B 31.2005.103-104.

[7] M.Houssa,G.Pourtois,B.Kaczer,et al.Study of the surface cleaning of GOI and SGOI substrates for Ge epitaxial growth[J].Applied Surface Science,2009(256):823-829.

[8] K.Park,Y.Lee,S.Lim,et al.Surf[J].Sci.,2007,(254):1842.

[9] Younghwan Lee,Kibyung Park,Yong Soo Cho,et al.Effect of Ge surface termination on oxidation behavior[J].Applied Surface Science,2008,(254):7544-7548.

[10]Tobin Kaufman-Osborn,Kiarash Kiantaj,Chorng-Ping Chang,et al.Kummel In-situ non-disruptive cleaning of Ge(100)using H2O2(g)and atomic hydrogen[J].Surface Science,2014,(630):254-259.

[11]Katsuhiro Kutsuki,Gaku Okamoto,Takuji Hosoi,et al.Nitrogen plasma cleaning of Ge(100)surfaces[J].Applied Surface Science,2009,(255):6335-6337.

曹玲
《电子工业专用设备》2018年第02期文献

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