臺灣博碩士論文加值系統

本論文乃是探討以電子束蒸鍍法在矽基材上所成長之銻化銦薄膜其電性與材料結構組成的關係性，同時也藉由此研究推衍出藉由控制退火環境的來改良薄膜電性的方法。
薄膜的成長乃是控制電子束的能量，調整銦與銻的蒸發通量以及配合基材的成長溫度，使得薄膜中的In與Sb的組成比能夠達到最佳化而得到高電子遷移率的薄膜電性。樣品分別以X光繞射技術分析薄膜晶體結構，掃瞄式電子顯微鏡觀察薄膜表面型態，電子探測分析儀檢測成份組成比，而霍爾效應量測則是檢測薄膜電子遷移率物理特性，以及穿透式電子顯微鏡觀察薄膜晶粒尺寸及結晶性。
實驗結果顯示，基於受到基材晶格不匹配的影響，InSb薄膜呈現多晶結構。在不同化合配比的參數下所成長的InSb薄膜中，以In含量偏高的薄膜呈現較佳的電性，其電子遷移率達12000cm2/Vs。然而在封閉系統中，藉由添加額外Sb，並以500℃-5hr的退火溫度和時間進行退火,可將薄膜的電性提升到26000 cm2/Vs 。過飽和的銻元素與薄膜內過多的銦持續化合成InSb，促使In與Sb的組成比更接近1：1，以及能在退火後仍保持好的結晶性，兩者為增加電子遷移率的主因。

The relation between the electrical property and the material microstructure of InSb grown on Si utilizing electron beam evaporation technology has been investigated. The improvement of the InSb electrical property with controlling annealing environment after post annealing is demonstrated.
The crystal structure of InSb thin films were characterized with X-ray diffraction (XRD) and the surface morphology was examined by scanning electron microscope (SEM). The composition of InSb films was analyzed by electron probe microscope analysis (EPMA) and the mobility of InSb films were measured by Hall measurement. Finally, the grain size and texture of InSb films microstructure were studied by transmission electron microscope (TEM).
The films were grown with different In/Sb flux ratio by controlling electron energy during electron evaporation. The results show that the poly-InSb films were formed due to large lattice difference between Si and InSb . The InSb films which had higher In concentration behave higher mobility. The highest mobility of the as-grown film is around 12000(cm2/Vs). The mobility of InSb can be improved to 26000 (cm2/Vs) by added extra Sb source annealed at 500℃ for 5 hours in an sealed ampoule. The extra Sb which dissolved with the existed In droplet in the film and adjust the composition ratio of In/Sb closing to 1:1. Besides, the post-annealing process provides the InSb film to gain much better texture. Both these two factors contribute to improve the electrical property of InSb films.

目 錄
目錄Ⅰ
表目錄Ⅳ
圖目錄Ⅴ
第一章 前言1
1.1背景1
1.2文獻回顧3
第二章 實驗原理及方法5
2.1電子束蒸鍍特點6
2.2 電子束蒸鍍原理7
第三章 實驗設計及規劃9
3.1實驗設備介紹-薄膜成長設備9
3.2實驗流程10
3.2.1試片清洗10
3.2.2銻化銦薄膜鍍製11
3.2.3退火處理12
3.2.4TEM試片（Plane- view）製作13
3.3分析方法13
3.3.1薄膜晶體分析13
3.3.2薄膜表面微組織分析14
3.3.3薄膜微組織成分分析14
3.3.4薄膜厚度分析14
3.3.5霍爾效應量測15
3.3.6微結構分析16
第四章 結果與討論18
4.1薄膜晶體結構分析18
4.1.1化合配比對晶體結構的影響19
4.1.2退火溫度對晶體結構的影響19
4.1.3退火時間對晶體結構的影響20
4.2薄膜表面微組織分析21
4.2.1化合配比對微組織的影響21
4.2.2退火溫度對微組織的影響21
4.2.3退火時間對微組織的影響22
4.3薄膜微組織成分分析22
4.3.1化合配比後之微組織成分變化23
4.3.2不同溫度退火後之微組織成分變化23
4.3.3不同時間退火後之微組織成分變化24
4.4薄膜電性分析25
4.4.1化合配比之電性分析25
4.4.2退火溫度後之電性分析25
4.4.3退火時間後之電性分析27
4.5銻化銦薄膜微結構分析27
第五章 結論30
第六章 參考文獻32
表 目 錄
表3.1 InSb在不同條件下之電子遷移率36
表4.1電子束蒸鍍成長參數及試片編號對照表37
表4.2退火處理參數38
表4.3各組試片成分比例分析39
圖 目 錄
圖2.1電子束設備使用狀況之能量密度分佈40
圖2.2電子束蒸鍍示意圖41
圖3.1 InSb相圖42
圖3.2電子束系統示意圖43
圖3.3實驗流程圖44
圖3.4霍爾效應示意圖45
圖4.1.a試片8223、8235和8236之X光繞射圖46
圖4.1.b試片8223、8233和8237之X光繞射圖47
圖4.1.c以8236試片，在添加Sb氣氛及5hr不同溫度條件 下（450℃、475℃、500℃）退火之X光繞射圖48
圖4.1.d以8236試片，在添加In氣氛及5hr不同溫度條件 下（450℃、475℃、500℃）退火之X光繞射圖49
圖4.1.e以8236試片，在添加Sb氣氛及475℃不同時間 （1hr、2.5hr、5hr和10hr）下之X光繞射圖50
圖4.2.a試片8223之表面形貌圖（以In：Sb＝1：1之條件 下所成長的InSb薄膜）51
圖4.2.b試片8235之表面形貌圖（以開始In比例較多，且 升溫期間In偏高之條件下成長的InSb薄膜。）52
圖4.2.c試片8236之表面形貌圖（以開始Sb比例較多，但 升溫期間In偏高之條件下成長的InSb薄膜。）52
圖4.2.d試片8233之表面形貌圖（以開始In比例較多，但 升溫期間Sb偏高之條件下成長的InSb薄膜。）53
圖4.2.e試片8237之表面形貌圖（以開始Sb比例較多，且 升溫期間Sb偏高之條件下成長的InSb薄膜。）53
圖4.2.f試片Sb45005之表面形貌圖(添加Sb氣氛，以試片 8236進行450℃-5hr之退火處理。)54
圖4.2.g試片In45005之表面形貌圖(添加In氣氛，以試片 8236進行450℃-5hr之退火處理。)54
圖4.2.h試片Sb47505之表面形貌圖(添加Sb氣氛，以試片 8236進行475℃-5hr之退火處理。)55
圖4.2.i試片In47505之表面形貌圖(添加In氣氛，以試片 8236進行475℃-5hr之退火處理。)55
圖4.2.j試片Sb50005之表面形貌圖(添加Sb氣氛，以試片 8236進行500℃-5hr之退火處理。)56
圖4.2.k試片In50005之表面形貌圖(添加In氣氛，以試片 8236進行500℃-5hr之退火處理。)56
圖4.2.l試片47501之表面形貌圖（以8236試片在添加 Sb氣氛下，進行475℃-1hr之退火條件的InSb 薄膜。）57
圖4.2.m試片47502.5之表面形貌圖（以8236試片在添加 Sb氣氛下，進行475℃-2.5hr之退火條件的InSb 薄膜。）57
圖4.2.n試片47505之表面形貌圖（以8236試片在添加 Sb氣氛下，進行475℃-5hr之退火條件的InSb 薄膜。）58
圖4.2.o試片47510之表面形貌圖（以8236試片在添加 Sb氣氛下，進行475℃-10hr之退火條件的InSb 薄膜。）58
圖4.3.a試片8223 Mapping圖（以In：Sb＝1：1之條件下 所成長的InSb薄膜。）59
圖4.3.b試片8236 Mapping圖（以開始Sb比例較多，但升溫 期間In偏高之條件下成長的InSb薄膜。）60
圖4.3.c試片Sb45005 Mapping圖（添加Sb氣氛，以試片 8236進行450℃-5hr之退火處理。）61
圖4.3.d試片Sb47505 Mapping圖(添加Sb氣氛，以試片 8236進行475℃-5hr之退火處理。)62
圖4.3.e試片Sb50005 Mapping圖(添加Sb氣氛，以試片 8236進行500℃-5hr之退火處理。)63
圖4.3.f試片In45005 Mapping 圖(添加In氣氛，以試片 8236進行450℃-5hr之退火處理。)64
圖4.3.g 試片In47505 Mapping圖(添加In氣氛，以試片 8236進行475℃-5hr之退火處理。)65
圖4.3.h 試片In50005 Mapping圖(添加In氣氛，以試片 8236進行500℃-5hr之退火處理。)66
圖4.4.a不同化合配比試片之電性圖67
圖4.4.b在添加Sb氣氛下，以不同溫度進行退火之電性圖68
圖4.4.c在添加In氣氛下，以不同溫度進行退火之電性圖69
圖4.4.d在不同溫度下，添加Sb或In氣氛退火之電性比較圖70
圖4.4.e在添加Sb氣氛下，以不同時間進行退火之電性圖71
圖4.4.f退火後，In：Sb接近1：1之電性比較圖72
圖4.5.a在Sb氣氛下，以475℃-10hr條件下退火之放大 20萬倍影像圖73
圖4.5.b在Sb氣氛下，以475℃-10hr條件下退火之電子 束選區繞射圖73
圖4.5.c在Sb氣氛下，以500℃-5hr條件下退火之放大 20萬倍影像圖74
圖4.5.d在Sb氣氛下，以500℃-5hr條件下退火之電子 束選區繞射圖74
圖4.5.e 在Sb氣氛下，以500℃-10hr條件下退火之放大 20萬倍影像圖75
圖4.5.f 在Sb氣氛下，以500℃-10hr條件下退火之電子 束選區繞射圖75

【1】D.L.Partin, L. Green and J. Heremans, J. Electron. Mater., 23 (1994) 75.【2】B.S. Graninger and K.A. Rubinson, J. Phys. E 10, 773 (1977).【3】M. W. Poole and R. P. Walker, IEEE Trans. Magn. Mag-17, 2129(1981).【4】L. G. Rubin and H.H. Sample, The Hall Effect and Its Applications, edited by C. L. Chien and C.R. Westgate (Plenum, New York, 1980), p. 463.【5】J. P. J. Groenland and J. H. J. Fluitman, J. Phys. E 14, 503 (1981).【6】G. Ziegler, Solid-State Electron. 6, 680 (1963).【7】J. K. Green and C. E. Wickersham, J. Appl. Phys. 47, 3930 (1976)【8】T. Sudersena Rao, J. B. Webb, D. C. Houghton, J. M. Baribean, T. Moore, and J. P. Noad, Appl. Phys. Lett. 53, 51 (1988).【9】H. H. Wieder, Intermetallic Semiconducting Film (Pergamon, Oxford, 1970), Chap. 3. 【10】K. G. Guenther and H. Freller, Z. Naturforsch. Teil A 16, 279 (1961).【11】M. Ohshita, Jpn. J. Appl. Phys. 10, 1365 (1971).【12】H. H. Wieder and A. R. Clawson, Solid-State Electron. 8, 467 (1965).【13】A. R. Clawson and H. H. Wieder, Solid-State Electron. 10, 57 (1967).【14】N. F. Teed, Solid-State Electron. 10, 1069 (1967).【15】H. H. Wieder, Solid-State Electron. 9, 373 (1966).【16】S. Baba, H. Horita, and A. Kinbara, J. Appl. Phys. 49, 3632 (1978).【17】A. J. Noreika, J. Greggi, Jr., W. J. Takei, and M.H. Fracombe, J. Vac. Sci. Technol. A 1, 558 (1983).【18】G. M. Williams, C. R. Whitehous, C. F. McConville, A. G. Cullis, T. Ashley, S. G. Courtney, and C. T. Elliott, Appl. Phys. Lett. 53, 1189 (1988).【19】J. I. Chyi, S. Kalon, N. S. Kumar, C. W. Litton, and H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 53, 1092 (1988).【20】P. K. Chiang and S. M. Bedair, J. Electrochem. Soc. 131, 2422 (1984).【21】J. C. Chen, P. Bush, W. K. Chen, and P. —L. Lin, Appl. Lett. 53,773 (1988).【22】真空技術與應用，國科會精儀中心（2001）【23】許樹恩，吳泰伯，X光繞射原理與材料結構分析，中國材料科學學會。【24】陳立俊等，材料電子顯微鏡學，國科會精儀中心（1994）【25】I. Shibasaki, J. Crystal Growth 175/176 (1997) 13.【26】I. Shibasaki, Proceedings of the spring Conference of the Chemical Society of Japan, No. Ⅲ, 1984, p. 1784.【27】M. Isai, S. Yasuda, M. Ogita and I. Tanaka, J.Appl.Phys., 71 (1992) 4567.【28】J.L. Davis, Thin Solid Films, 192 (1990) 111.【29】J.C. Chen,P. Bush, W.H. Chen and P.-L. Liu, Appl. Phys. Lett.,53 (1988) 773.【30】T. Miyazaki, M. Mori and S. Adachi, Appl. Phys. Lett., 58 (1991) 116.【31】T. Oi, J. Electron. Mater., 2 (1973) 297.【32】J. -I. Chyi, D. Biswas, S. V. Iyer, N. S. Kumar, H. MorKoc, R. Bean, K. Zanio, H. -Y. Lee and H. Chen, Appl. Phys. Lett., 54 (1989) 1016.【33】G. E. Franklin, D. H. Rich, H. Hong, T. Miller, T. -C. Chiang, Phys. Rev. B 45 (1992) 3426. 【34】T. S. Rao, J.B. Webb, D.C. Houghton, J.M. Baribeau, W.T. Moore, J.B. Noad, Appl. Phys. Lett. 53 (1988) 51. 【35】L.K. Li, Y. Hsu, W.I. Wang, J. Vac. Sci. Technol. B 11 (1993) 872【36】W.K. Liu, J. Winesett, W. Ma, X. Zhang, M. B. Santos,X.M. Fang, P.J. McCann, J. Appl. Phys. 81 (1997) 1708.【37】M. Mori, D. M. Li M. Yamazaki, T. Tambo, C. Tatsuyama, Appl. Surf. Sci. 104/105 (1996) 563.【38】J.-I. Chyi, D. Biswas, S.V. Iyer, N.S. Kumar, H. Morkoc,R. Bean, K. Zanio, H.-Y. Lee, H. Chen, Appl. Phys. Lett. 54 (1989) 1016.