其他儀器方面，本實驗使用Nanometrics公司的Stratus傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測量樣品厚度。表面分析實驗則使用Dimension 3100原子力顯微鏡(AFM)。顯微鏡為接觸測量模式，裝備一個單晶矽針尖。為取得更大的掃描區域，掃描尺寸是90×90μm2，掃描速率是1.0Hz。
生長過程中的層錯(SF)是比較常見的層內缺陷，一般是在外延層生長初期開始成核(Nucleated)，可能導致雙極元件的正向壓降變大。基面位錯(BPD)是蕭特基二極體層錯的核心，在雙極元件工作過程中擴大，導致雙極元件的正向特征變差。
為了在化學機械拋光(CMP)后降低襯底表面粗糙度，氫氣表面蝕刻是生長過程中的一個關鍵程序，但是會放大襯底位錯現象。層錯密度是氫氣表面蝕刻時間的函數，我們使用PL方法分析該參數的趨勢，如圖1所示，當表面蝕刻時間是參考蝕刻時間的一半和三倍時，層錯密度從0.6%上升到0.9%。
圖1 層錯密度是蝕刻時間的函數，隨蝕刻時間增加而上升。
我們觀察到，表面缺陷密度與蝕刻時間具有相同的函數關系。如圖2所示，表面缺陷密度隨著氫氣蝕刻時間變長而升高。襯底表面蝕刻時間延長導致襯底位錯嚴重，結果在外延層出現更多的表面缺陷和層錯。
圖2 表面缺陷密度與蝕刻時間呈函數關系
氫氣蝕刻連帶引發外延層缺陷 階褶密度明顯上升
我們發現，氫氣蝕刻制程可以改進表面形貌，但同時也在外延層上引起不同類型的微階褶(SB)和整體階褶現象。AFM表面粗糙度分析表明，階褶會影響對樣品表面均勻性。兩個樣品都顯示一個約6nm高、1μm寬的階褶。圖3顯示了x0.5(左圖)和x3(右圖)樣品在階褶密度上存在明顯差異。
圖3 不同蝕刻時間會在晶圓表面留下不同程度的階褶。圖左的蝕刻時間為二分之一參考時間，圖右為三倍參考時間。
圖4a和圖4b分別描述了階褶數量和表面均勻度隨蝕刻時間增加而發生的變化。具體講，如圖4a所示，階褶是蝕刻時間的函數，隨蝕刻時間增加而提高。測量值是在不同測量區的不同測量值的平均數。從這些測量值看，我們在晶圓上發現SB晶圓均勻性(Sigma/Mean)存在差異。透過延長蝕刻時間評估均勻性惡化，我們發現在x3樣品內有高階褶密度區，而x0.5樣品的均勻性更好(在每個被分析部分，大約有2個階褶)。
圖4 圖A為階褶數量與蝕刻時間的關系。圖B表面均勻度與蝕刻時間的關系。
本文分析討論了生長前氫氣蝕刻時間和缺陷密度之間的關系。事實上，透過發光致光和光分析方法，我們發現層錯形式的外延層缺陷和表面缺陷的數量隨蝕刻時間增加而增多。增加氫氣蝕刻時間后，襯底位錯變大，外延層缺陷數量增多。AFM分析結果顯示，階褶密度和均勻性會隨著氫氣表面蝕刻時間增加而提高。