InSb薄膜制備工藝發展綜述

摘要:綜述了InSb薄膜的制備方法，氧化和熱處理工藝，以及InSb薄膜的發展現狀，介紹了InSb薄膜的分析方法和在各類磁阻元件和傳感器中的應用。

關鍵詞:InSb薄膜;真空蒸鍍;熱處理;靈敏度

中圖分類號:TB383.1 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0208-01

一、引言

InSb薄膜的制備及其性質和應用的研究，在近幾年引起了人們的廣泛注意和興趣。化合物半導體薄膜在理論上是一個重要研究課題。在我國，臺灣國立中山大學、沈陽儀器儀表工藝研究所、天津大學、浙江大學等單位對InSb薄膜的制備技術進行了比較系統和深入的研究，解決了薄膜制造過程中的關鍵技術，并成功的用該薄膜制造了薄膜型InSb磁阻型元件。

二、InSb薄膜制備工藝

(一)基底和基底絕緣層制備

不管選用磁性基底還是非磁性基底材料，都要經過切、磨、拋使其厚度和表面的平整光亮程度符合工藝要求，因為基底表面的平整光亮程度直接影響InSb薄膜的性能特性，所以對基底的磨拋要求很高，其表面一定要平整光亮如鏡。磨拋好的基片表面還需要形成一層高絕緣，高致密的介質薄膜，以防止蒸鍍InSb時基底中的元素向InSb中擴散而影響薄膜的性能，另外基底與InSb薄膜之間絕緣與否將直接影響以后制作出的InSb霍爾元件的性能好壞。目前使用最廣泛的制備絕緣膜層的方法是采用低壓化學氣相沉積方法在硅片或鐵氧體基片上生長SiO2膜，用此方法制得的介質薄膜即平整有光亮，厚度只需1um就可以滿足DC100V時絕緣電阻大于1M歐姆的技術要求。同時該介質膜絕緣性、致密性好，與基片及InSb薄膜的熱性能匹配良好。

(二)InSb薄膜層的制備

目前，InSb薄膜的制備方法有真空蒸鍍法(包括閃蒸法)、分子束外延法(MBE)、有機金屬外延法(MOCVD)、磁控濺射法、電子束蒸鍍法、離子束薄膜淀積技術等。

其中真空蒸鍍法是國內外運用最廣泛也最具代表性的方法。利用真空鍍膜技術，可以實現玻璃基片上制得電子遷移率為40000cm2/V.S的InSb薄膜;在氮氣、氦氣等保護性氣氛下，通過對InSb薄膜的兩個階段的熱處理過程可以獲得電子遷移率為40000cm2/V.S的InSb薄膜，利用真空下氬氣保護液相重結晶的方法對InSb薄膜進行熱處理，可以使電子遷移率提高到4.47×104cm2/V.s。

目前的InSb薄膜工藝技術研究解決了用In、Sb單質蒸鍍工藝，在磁性和非磁性基底上替代InSb單晶蒸鍍制作多晶膜的工藝技術，降低了成本，提高了成品率。工藝采用三溫區法，控制兩個蒸發源和基底的溫度，使成膜后Sb的分子濃度較低，即處于富In狀態。在熱處理過程的后半部分，由于共晶點的退化，會析出In固相，因此得到Insb-In共晶體。工藝還控制結晶條件和過程，使得析出的In成為針狀的排列而起到短路電極的作用，提高了靈敏度。同時采用選擇性濕法刻蝕工藝，特別是InSb-Au歐姆接觸膜層的選擇性刻蝕工藝制作電極，工藝成品率達到70%以上。用該InSb薄膜開發的InSb霍爾元件已經大規模進行批量生產。

(三)InSb薄膜的氧化和熱處理

用熱蒸鍍或是濺射法制備的InSb薄膜，還存在大量的In、Sb兩項單質，膜的晶粒尺寸很小，且為InSb、In、Sb各相的混合物。為了提高InSb薄膜的電子遷移率，要對所制得的薄膜進行熱處理。熱處理的溫度非常關鍵，過去對InSb的熱處理怕重熔后InSb的再次揮發，一般選擇熔點下的某一溫度。目前的處理工藝是先將真空中蒸鍍好的InSb薄膜表面氧化，使之表面形成一層In2O3鈍化膜，用來保護InSb膜在熱處理過程中不被氧化，并防止熱處理過程中Sb的揮發;然后將氧化過的InSb薄膜置于管式加熱爐內，在高于InSb熔點的某一溫度范圍內，在Ar等惰性氣體保護性氣氛下或是真空條件下對InSb薄膜進行熔融熱處理，以便徹底改變蒸發過程中使InSb薄膜縱向分布不均勻而造成的富Sb、InSb、In多層結構，使之形成理想的InSb化合物多晶薄膜。而且通過恰當的處理時間還可以使InSb的晶粒進一步長大，提高結晶性能，提高InSb薄膜的純度，減小晶粒效應，從而提高其電子遷移率。

三、InSb薄膜的分析及在磁阻元件中的應用

(一)InSb薄膜的分析

對InSb薄膜的表面形貌分析主要由能將微細物相放大成像的顯微鏡來完成。目前一些顯微鏡，如掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)場離子顯微鏡(FIM)等都已達到原子分辨能力，可直接觀察到InSb表面原子的排列。In Sb薄膜成分分析包括測定其元素組成，化學態及元素的分布。主要方法有俄歇電子能譜(AES)、X射線光電子能譜(XPS)、電子探針分析(EMA)、二次離子質譜等。分析insb薄膜的結構大多科研機構主要采用X射線衍射的方法，對薄膜的原子排列、晶胞大小、晶體取向、結晶對稱性等進行分析。

(二)InSb薄膜在磁阻元件中的應用前景

InSb薄膜是一種III-VI族化合物半導體薄膜，是目前電子遷移率最高的一種薄膜半導體材料，用該薄膜制做的InSb霍爾元件是磁敏傳感元件中靈敏度最高的，也是磁敏傳感元件中用量最大的一種。主要用于電腦、錄像機、VCD、DVD、汽車、散熱風扇等產品中的無刷直流電機上。同時，半導體磁阻型傳感器廣泛應用于自動控制、測量等領域，如轉速傳感器，電流傳感器，位置傳感器和圖像識別傳感器等，而高靈敏度半導體磁阻元件是這種磁阻傳感器的核心部件。因此，具有較高電子遷移率和良好的磁阻特性的InSb薄膜已成為制作半導體磁阻型傳感器的關鍵，具有廣闊的市場前景和發展潛力。

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