摘要:综述了InSb薄膜的制备方法,氧化和热处理工艺,以及InSb薄膜的发展现状,介绍了InSb薄膜的分析方法和在各类磁阻元件和传感器中的应用。 关键词:InSb薄膜;真空蒸镀;热处理;灵敏度
中图分类号:TB383.1 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0208-01
一、引言
InSb薄膜的制备及其性质和应用的研究,在近几年引起了人们的广泛注意和兴趣。化合物半导体薄膜在理论上是一个重要研究课题。在我国,台湾国立中山大学、沈阳仪器仪表工艺研究所、天津大学、浙江大学等单位对InSb薄膜的制备技术进行了比较系统和深入的研究,解决了薄膜制造过程中的关键技术,并成功的用该薄膜制造了薄膜型InSb磁阻型元件。
二、InSb薄膜制备工艺
(一)基底和基底绝缘层制备
不管选用磁性基底还是非磁性基底材料,都要经过切、磨、抛使其厚度和表面的平整光亮程度符合工艺要求,因为基底表面的平整光亮程度直接影响InSb薄膜的性能特性,所以对基底的磨抛要求很高,其表面一定要平整光亮如镜。磨抛好的基片表面还需要形成一层高绝缘,高致密的介质薄膜,以防止蒸镀InSb时基底中的元素向InSb中扩散而影响薄膜的性能,另外基底与InSb薄膜之间绝缘与否将直接影响以后制作出的InSb霍尔元件的性能好坏。目前使用最广泛的制备绝缘膜层的方法是采用低压化学气相沉积方法在硅片或铁氧体基片上生长SiO2膜,用此方法制得的介质薄膜即平整有光亮,厚度只需1um就可以满足DC100V时绝缘电阻大于1M欧姆的技术要求。同时该介质膜绝缘性、致密性好,与基片及InSb薄膜的热性能匹配良好。
(二)InSb薄膜层的制备
目前,InSb薄膜的制备方法有真空蒸镀法(包括闪蒸法)、分子束外延法(MBE)、有机金属外延法(MOCVD)、磁控溅射法、电子束蒸镀法、离子束薄膜淀积技术等。
其中真空蒸镀法是国内外运用最广泛也最具代表性的方法。利用真空镀膜技术,可以实现玻璃基片上制得电子迁移率为40000cm2/V.S的InSb薄膜;在氮气、氦气等保护性气氛下,通过对InSb薄膜的两个阶段的热处理过程可以获得电子迁移率为40000cm2/V.S的InSb薄膜,利用真空下氩气保护液相重结晶的方法对InSb薄膜进行热处理,可以使电子迁移率提高到4.47×104cm2/V.s。
目前的InSb薄膜工艺技术研究解决了用In、Sb单质蒸镀工艺,在磁性和非磁性基底上替代InSb单晶蒸镀制作多晶膜的工艺技术,降低了成本,提高了成品率。工艺采用三温区法,控制两个蒸发源和基底的温度,使成膜后Sb的分子浓度较低,即处于富In状态。在热处理过程的后半部分,由于共晶点的退化,会析出In固相,因此得到Insb-In共晶体。工艺还控制结晶条件和过程,使得析出的In成为针状的排列而起到短路电极的作用,提高了灵敏度。同时采用选择性湿法刻蚀工艺,特别是InSb-Au欧姆接触膜层的选择性刻蚀工艺制作电极,工艺成品率达到70%以上。用该InSb薄膜开发的InSb霍尔元件已经大规模进行批量生产。
(三)InSb薄膜的氧化和热处理
用热蒸镀或是溅射法制备的InSb薄膜,还存在大量的In、Sb两项单质,膜的晶粒尺寸很小,且为InSb、In、Sb各相的混合物。为了提高InSb薄膜的电子迁移率,要对所制得的薄膜进行热处理。热处理的温度非常关键,过去对InSb的热处理怕重熔后InSb的再次挥发,一般选择熔点下的某一温度。目前的处理工艺是先将真空中蒸镀好的InSb薄膜表面氧化,使之表面形成一层In2O3钝化膜,用来保护InSb膜在热处理过程中不被氧化,并防止热处理过程中Sb的挥发;然后将氧化过的InSb薄膜置于管式加热炉内,在高于InSb熔点的某一温度范围内,在Ar等惰性气体保护性气氛下或是真空条件下对InSb薄膜进行熔融热处理,以便彻底改变蒸发过程中使InSb薄膜纵向分布不均匀而造成的富Sb、InSb、In多层结构,使之形成理想的InSb化合物多晶薄膜。而且通过恰当的处理时间还可以使InSb的晶粒进一步长大,提高结晶性能,提高InSb薄膜的纯度,减小晶粒效应,从而提高其电子迁移率。
三、InSb薄膜的分析及在磁阻元件中的应用
(一)InSb薄膜的分析
对InSb薄膜的表面形貌分析主要由能将微细物相放大成像的显微镜来完成。目前一些显微镜,如扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)场离子显微镜(FIM)等都已达到原子分辨能力,可直接观察到InSb表面原子的排列。In Sb薄膜成分分析包括测定其元素组成,化学态及元素的分布。主要方法有俄歇电子能谱(AES)、X射线光电子能谱(XPS)、电子探针分析(EMA)、二次离子质谱等。分析insb薄膜的结构大多科研机构主要采用X射线衍射的方法,对薄膜的原子排列、晶胞大小、晶体取向、结晶对称性等进行分析。
(二)InSb薄膜在磁阻元件中的应用前景
InSb薄膜是一种III-VI族化合物半导体薄膜,是目前电子迁移率最高的一种薄膜半导体材料,用该薄膜制做的InSb霍尔元件是磁敏传感元件中灵敏度最高的,也是磁敏传感元件中用量最大的一种。主要用于电脑、录像机、VCD、DVD、汽车、散热风扇等产品中的无刷直流电机上。同时,半导体磁阻型传感器广泛应用于自动控制、测量等领域,如转速传感器,电流传感器,位置传感器和图像识别传感器等,而高灵敏度半导体磁阻元件是这种磁阻传感器的核心部件。因此,具有较高电子迁移率和良好的磁阻特性的InSb薄膜已成为制作半导体磁阻型传感器的关键,具有广阔的市场前景和发展潜力。
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