真空液相重结晶法改善InSb薄膜的组织和性能

0:10.13374/j.1ssn1001053x.1997.06.014 第19卷第6期 北京科技大学学报 VoL.19 No.6 1997年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1997 真空液相重结晶法改善InSb 薄膜的组织和性能* 王元玮)田跃)汪亮明)和文国) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学应用科学学院 摘要利用真空下氩气保护液相重结晶的方法，对热蒸镀和磁控贱射制得的Sb薄膜进行热处 理.X射线衍射和组织分析的结果表明：热处理前薄膜为nSb,n,Sb各相的混合物；重结晶后，基 本为Insb单相，nSb晶粒呈规则状外形长大，热处理后室温下的电子迁移率大大提高，由原来的 1.31×10cm2(V·s)提高到4.47×10cm/V·s)(热蒸镀)和2.15×103cm2/(V.s)提高到2.04× 10cm2/V·s)(磁控溅射) 关键词真空重结晶，薄膜制备，lnSb薄膜 中图分类号TG111.7 Sb薄膜制备常用的方法有，真空蒸镀法（包括闪蒸法），磁控溅射法，电子束蒸镀 法B,分子束外延法(MBE)以及有机金属外延法(MOCVD)等.InSb薄膜与块状InSb材料 相比，主要是薄膜的电子迁移率()低，而半导体材料的物理磁阻效应主要由u决定. InSb晶体的晶体学取向对u值很有影响.一般蒸镀的nSb薄膜是InSb,ln,Sb的混合 物，经热处理后呈多晶组织结构，并且晶体学位向随机性大，择优取向不明显，迁移率也不 高.本文研究了用简单经济的薄膜制备方法（热蒸镀和磁控溅射）得到/Sb(原子比)基本为 l:1的InSb薄膜，然后采用真空加热，使InSb薄膜液化后重新结晶长大， 1实验过程 l.1InSb薄膜制备 InSb薄膜样品的制备分别采用热蒸镀法和磁控溅射法.用99.9999%的Sb和In在真空 中熔炼成高纯InSb块作为制备薄膜的源材料. (1)热蒸镀法. 考虑到ln与Sb的平衡蒸气压相差很大，Sb更容易挥发，易使膜的原子比远小于50%， 本实验采用在蒸发源中增加Sb的配比，使实际制备的膜成分接近In/Sb(原子比)为1：1.将 InSb块粉碎后，再分别加入不同比例的Sb,作为蒸发源的原材料.衬底片采用约10cm的 S(100)硅片，表面经氧化处理.蒸镀膜前先用洗涤剂清洗油脂，再用超声波清洗表面，实验设 备用电阻蒸发式真空镀膜机，真空度抽至6.6×10-6Pa.蒸发前先把村底片在455℃预热 1997-09-01收稿第一作者男41岁副教授 ◆国家自然科学基金资助项目

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 真空 液相 重结晶法改善 薄膜 的组织和 性能 王 元玮 ’ 田 跃 汪 亮明 ’ 和文 国 北京科技大学材料科学与工程学 院 ， 北京 北京科技大学应用科学学院 摘要 利 用 真空 下 氢气保护 液相 重 结 晶 的方法 ， 对热蒸镀和 磁 控贱射 制得 的 薄膜进行 热处 理 射线衍射和组织分析的结果表明 热处理前薄膜为 ， ， 各相 的混合物 重结晶后 ， 基 本为 单相 ， 晶粒呈 规则状外形 长大 热处理后 室 温下 的 电子 迁移率大大提高 ， 由原来的 ， · 提高到 ， · 热蒸镀 和 一 ， ， · 提高到 · 磁控溅射 关健词 真空重结晶 ， 薄膜制备 ， 薄膜 中图分类号 薄膜 制 备 常用 的方 法 有 ， 真 空 蒸镀法 包括 闪蒸 法户 ， 磁 控 溅 射法 ， 电子 束蒸 镀 法 ， 分子束外 延 法 以及有机金属外延法 等 薄膜 与块状 材料 相 比 ， 主要 是 薄膜 的 电子迁移率 恤 低 ， 而半 导体材料 的物理磁 阻效应 主要 由产决定 晶体的晶体学取 向咖值很 有影 响 【 一般蒸镀 的 薄膜是 ， ， 的混合 物 ， 经 热处理 后 呈 多 晶 组 织 结 构 ， 并 且 晶 体 学 位 向 随机 性 大 ， 择优 取 向不 明 显 ， 迁移 率也 不 高 本文研究 了用 简单经 济 的薄膜制 备方法 热蒸镀和 磁 控溅射 得 到 可 城 原 子 比 基 本为 的 薄膜 ， 然后 采用真空加 热 ， 使 薄膜液化后 重新 结晶长大 实验过程 助 薄膜制备 薄膜样 品 的制备分别采 用 热蒸镀法 和磁控溅射法 用 的 和 在真 空 中熔炼成高纯 块作为制备薄膜 的源材料 热蒸镀法 考虑 到 与 的平 衡蒸气 压相 差 很 大 ， 更 容易 挥 发 ， 易使 膜 的原 子 比远 小 于 ， 本实验采用在蒸发源 中增加 的配 比 ， 使实 际制备的膜成分接 近 可 城 原子 比 为 将 块 粉 碎 后 ， 再 分 别加 人 不 同 比例 的 ， 作 为蒸 发 源 的 原 材 料 衬 底 片 采 用 约 的 硅 片 ， 表 面 经 氧化处理 蒸镀 膜前 先 用洗 涤剂 清洗 油脂 ， 再 用 超 声 波 清洗 表 面 实验设 备用 电阻 蒸 发 式 真 空 镀 膜 机 ， 真 空 度 抽 至 一 蒸 发 前 先 把 衬底 片 在 ℃ 预 热 一 一 收稿 第一作者 男 岁 副教 授 国家 自然科学基金 资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．06．014

。586 北京科技大学学报 1997年第5期 5min,然后加热蒸发器，使温度上升到920℃左右，保温再逐淅加温，最高温度可达1000℃， 保温直至蒸发完毕，然后真空冷却至室温.利用电子探针分析薄膜成分，在加入Sb量为15% 时，In和Sb原子比最为接近理想化学比的50.65%. (2)磁控溅射法. 磁控溅射法与热蒸镀法相比，成分容易控制.一般溅射制成的薄膜与靶的成分基本一致. 利用真空熔炼的高纯lnSb块，制成中65mm.厚4mm的片，表面地光后粘在靶的铜极上.衬底 片选用(100)取向抛光后约10cmr的Si片，表面氧化处理，形成一层SiO,起绝缘作用.在正 式镀膜前，用离子轰击清洗靶的表面和村底片的表面.抽真空至9.3×10)Pa,然后充氩气使 压力降至5.3×10-3Pa,开始黻射.镀膜时间20min,模厚约为2一3um.用电子探针作成分分 析，Sb与山的原子比为48.95%，非常接近1：1理想化学比（靶的成分为49.33%）. 1.2真空热处理 用热蒸镀和藏射制备的lnSb薄膜，还存在誉大量的n,Sb两相单质，膜的品粒尺寸很小， 且为lnSb,ln,Sb各相的混合物.为了提高lnSb薄膜的电子迁移率，对所制得的薄膜进行热处 理很有必要.热处理的温度选择是本实验的关键.过去，对InSb的热处理怕重熔后Sb的再次 挥发，一般选择熔点下某一温度，使lSb晶粒在固态下扩散长大，本实验选择的热处理温度 为525~527℃，正好比nSb的熔点略高，使nSb液化，重新形核生长，但温度不易过高，否则 会造成Sb的强烈蒸发，而使成分的严重偏离，为了防止在热处理时薄膜中Sb的再次蒸发，采 用制造钝化膜的方法加以保护：将试样在空气中加热至300℃.保温10mi,薄膜表面会有Sb 的少量蒸发，形成高In区，而1n与氧反应，生成一层致密的饨化膜n,O,,防止了再加热时Sb 的进一步蒸发：然后将制备完纯化膜的lSb膜放入真空炉内，抽真空至0.133Pa,然后充氢气 至正常压力，加热至所需温度，保温30min,炉冷，出炉后.试样用FeC,去掉In,O,钝化层. 2结果与分析 图1(a)和(b)是热处理前的热蒸镀和磁控藏射的lSb薄膜扫描电镜照片.从照片的组织 观察可见，所制得的膜基本完整，而殿射的膜比蒸镀的膜更为致密，Sb的晶粒从组织照片中 图12种镀骥方法得到【Sb的圆粒组织（热处理前） (a)热慕镀；(b)碰控溅射

Vol.19 No.5 王元玮等：真空液相重结晶法改善ISb薄膜的组织和性能 ·587· 观赛约为1μm,从X射线衍射图（图2）可见，在热处理前，薄膜的成分虽然是接近Sb的原 子比I:l,但是膜并非以【nSb单相存在，并且1n和Sb单质的衍射峰强度还很高，说明有相当 量的ln和Sb的单质存在，这时膜应该是lnSb,ln,Sb三相的混合物.所测量的电子迁移率（温 度300K),热蒸镀1nSb膜为1.31×10cm(V·s).戴射的lnSb膜为2.15×103cm7(V·s). 图3（和(b)是液相重结晶后的热燕镀和磁控溅射的InSb薄膜的扫描电镜照片，从照片的 8 InSb(11) InSb(1)1) InSt220) 01 x/Sd 1nSb220) In(100) InSb(311) Sb102 OI x /Sd3 ln(100) 4 sx102) InSb(311) InSb(331) InSb(331) 1110) In(110) InSb(422) InSb(422) 5.0020.00 40.00 60.0080.00 5.0020.00 40.00 60.D0 80.00 29/() 281(°) 图22种镀膜方法得到如Sb的物相分析（热处理前） ()热蒸擅：（仙）磁控藏射 组织观察可得，lSb的晶粒尺寸明显增大，约为20μm,而且基本连续.图4的X射线衍射图 谱中也可发现，这时薄膜中的简单混合的状态已经改变，基本上只剩下ISb的单相衍射 峰.Sb的单质相完全消失，ln单质的行射壕强度也大大减弱，说明也只剩下极少量的n,可能 是由于Sb的热处理的重蒸发引起n在化学原子比中增加，最后游离出了一部分的1n.重结晶 后的1Sb薄膜的电子迁移率（温度300K)大大提高，热蒸镀膜为4.46×10cm2/V·s),磁控 藏射膜为2.04×10cm/V·s). 013 图32种镀碘方法得到的nS膜晶粒组织照片（热处理后 (a)熟燕镀：(b)磁控藏射

Vol.19 No.5 王元玮等：真空液相重结晶法改善InSb薄膜的组织和性能 ·589· 4 Thompson P E.Davis J D,Waterman J R,et al.Use of Atomic Layer Epitaxy Buffer for the Growth of InSb on GaAs by Molecular Beam Epitaxy.J Appl Phys.1991,69:7766 5 Chen J C,Bush P,Chen W K,et al.Low-temperature Heteroepitaxial Growth of InSb on CdTe by Metalorgnic Chemical Vapor Deposition.Appl Phys Letters,1988,53:773 6 Lan WW,Shin I.InSb Thin Films Prepared by A Multilayer Vacuum Deposition Method.Material Letters, 1993,16:8 7王元玮，萧宜雍.结晶速度对ISb-NiSb共晶复合材料磁敏电阻性能影响R/R的研究，功能材料，1995， 26(3):220 Improving Structure and Electrical Properties of InSb Films by Vacuum Recrystallization Wang Yuanwei Tian Yue?Wang Liangming He Wenguo 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Applied Science School,UST Beijing ABSTRACT A heat-treatment procedure has been applied to InSb films prepared by thermal evap- oration and magnetron sputtering,the films have been recrystallised from the melt in the vaccum with Ar protection.From the X-ray diffraction and SEM structure studies,it is found that the InSb films are mixtures of InSb,In,Sb before heat treatment and are mainly single phase of InSb after recrystallization.The InSb grains grow with faceted interface and regular morphology.The elec- tron mobility of InSb films (at room temperature)have been increased greatly after heat-treatment with 1.31x 10cm2/(V.s)to 4.47x 10cm2/(V.s)(thermal evaporation)and 2.15 x 10 cm2/(V.s)to 2.04 x 10*cm/(V.s)(magnetron sputtering)respectively. KEY WORDS vacuum recrystallization,film forming,InSb film

心 王 元玮等 真空 液相 重结晶法 改善 薄膜 的组织和性能 七 ， 场 ， ， 而 助 七 沁 以 勿 ， ， ， ， · 一 详 乒 而 ， ， ， 玩 尸 曰 块 · 玫 ’ ， 王元玮 ， 萧宜雍 结晶速度对 卜瓦 共晶复合材料磁敏 电阻性能影 响 刁凡的研究 · 功能材料 ， ， 肠 肠 肋 加 价 飞 ， ， ， ， 飞 擎 。 ， ， 而 ， ， 而 泊 七 批 比 ， · ‘ ， · ， 耐 · ， · 吧 详 ，