GaAs基片高溫加熱清洗過程中殘氣脫附的研究

　　為了優(yōu)化GaAs 基片的加熱清洗工藝, 獲得原子級清潔表面, 用四極質(zhì)譜儀研究了GaAs 基片高溫加熱清洗過程中常見氣體及Ga、As 元素的脫附規(guī)律。研究結(jié)果表明: 常見氣體(H₂、H₂O、N₂、CO、CO₂、Ar、CxHyOz ) 在100℃左右開始大量脫附;Ga、As元素主要以單質(zhì)和氧化物的形態(tài)脫附, 其脫附的溫度存在兩個峰值, 分別是300℃和600℃; 研究還發(fā)現(xiàn)真空環(huán)境中某些常見氣體的含量會影響到Ga、As元素的脫附形式, 當(dāng)H₂含量較高時, 一部分As會以AsH3的形態(tài)脫附, 當(dāng)H2含量較低時, As基本以單質(zhì)的形態(tài)脫附。經(jīng)過多次實驗及對實驗結(jié)果的分析, 最終確定了高溫加熱清洗的升溫曲線及加熱清洗的最高溫度,獲得了較為理想的原子級清潔表面。

　　GaAs 負(fù)電子親和勢光電陰極是一種高性能的光電陰極, 獲得負(fù)電子親和勢的方法是用Cs、O交替激活陰極表面。然而在激活之前, 陰極表面必須是一個原子級清潔表面, 否則陰極表面吸附的雜質(zhì)會嚴(yán)重影響激活后光電陰極的性能。

　　經(jīng)過化學(xué)清洗后的光電陰極表面不能稱為原子級清潔表面, 此時的表面還吸附有大量的H₂、H₂O、N₂、CO、CO₂、Ar、CxHyOz 等氣體分子, 而且化學(xué)清洗并不能徹底除去表面的氧化物。本文采用了化學(xué)清洗后再通過高溫加熱清洗的方法來獲得原子級清潔表面, 研究了GaAs 基片高溫清洗時表面吸附物的脫附溫度及脫附量。

1、清洗步驟

　　將化學(xué)清洗后的GaAs基片放入超高真空系統(tǒng)的預(yù)抽室, 待真空度降到10^-6 Pa 再將基片轉(zhuǎn)到激活室的加熱臺。此時激活室的真空度會有所下降,待真空度恢復(fù)到10^-8 Pa, 打開四極質(zhì)譜儀, 待系統(tǒng)真空度穩(wěn)定, 就可以進(jìn)行加熱清洗操作。目前, 采用的加熱清洗步驟如圖1所示, 0~ 5min 溫度從室溫變化到100℃ , 5~ 220 min 溫度從100℃變化到650℃ , 220~ 250 min 溫度保持在650℃ , 250~ 300min 溫度從650℃降到200℃ , 最后自然冷卻到室溫。

圖1  加熱溫度設(shè)定及真空度變化曲線

　　在高溫加熱清洗過程中, 采用真空計記錄激活室的真空度變化曲線, 四極質(zhì)譜儀記錄各氣體組分的分壓強。

2、數(shù)據(jù)分析

2.1、 常見氣體的分析

　　2.1.1、 常見氣體的變化規(guī)律

　　由于吸附于GaAs 基片表面的常見氣體屬于物理吸附, 因此在GaAs基片加熱的開始階段, 吸附的常見氣體就會大量脫附。這些氣體主要有H₂、H₂O、N₂、CO、CO₂、Ar、CxHyOz。它們的變化規(guī)律基本相同, 可以把加熱前后的整個過程可以分為五個階段,以H₂O為例, 如圖2 所示。

圖2 H2O的分壓強曲線

　　第一個階段是開始的0.5 h。此時加熱尚未進(jìn)行, 質(zhì)譜儀打開后, 質(zhì)譜儀燈絲加熱產(chǎn)生高溫及電子發(fā)射, 吸附在質(zhì)譜儀腔管及燈絲上的氣體開始脫附,導(dǎo)致氣體分壓強突然增大。此時氣體的分壓強并不能代表超高真空系統(tǒng)腔室內(nèi)的分壓強。

　　第二個階段是曲線較為平緩的部分。質(zhì)譜儀預(yù)熱脫附掉的氣體, 在大約0.5 h 內(nèi)被離子泵捕獲, 氣體分壓強維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。此時的氣體分強可以代表加熱前超高真空系統(tǒng)的本底分壓強, 可以開始加熱了。

　　第三個階段是剛開始加熱的階段。此階段是加熱的前期, 溫度上升比較快, 吸附于基片的氣體大量脫附導(dǎo)致氣體分壓強直線上升。不同氣體分壓強到達(dá)最大值的時間略有不同, 這主要與各氣體的含量與脫附能有關(guān), 含量高、脫附能大的需要的脫附時間就長。

　　第四個階段從氣體分壓強到達(dá)最大值開始至停止加熱結(jié)束。此階段加熱仍在進(jìn)行, 升溫速度較慢,氣體的脫附進(jìn)入動態(tài)平衡。溫度每升高一度, 平衡破壞, 就會有少量氣體脫附, 離子泵將脫附氣體捕獲, 建立新的平衡。此時溫度上升的斜率決定著氣體分壓強下降的斜率, 直到加熱停止。此階段過后, 吸附于基片上的常見氣體基本脫附到理想的水平。

　　第五個階段從停止加熱開始至基片冷卻到室溫結(jié)束。從圖2可以看出, 降溫過程中, 氣體分壓強按指數(shù)規(guī)律減小。這說明離子泵的捕縛能力及激活室器壁的吸附能力是按指數(shù)規(guī)律變化的。

　　2.1.2、常見氣體含量定量分析

　　幾種常見氣體的分壓強如圖3所示。

　　如圖3所示, 就最大值來看, 含量最多的氣體是荷質(zhì)比為28 的物質(zhì), 荷質(zhì)比為28 的物質(zhì)有N₂、CO、C₂H₄。先來分析N₂ 的含量, 荷質(zhì)比為14的N 含量為1.2× 10^-9 Pa, 一般真空系統(tǒng)中N2 在荷質(zhì)比14處的豐度約為6%, 可以算出N₂ 的含量約為2×10^-8 Pa, 而荷質(zhì)比為28 的混合物含量為1.1×10^-7 Pa, 可見N2 的含量只占不到1/5。同理來分析C₂H₄ 的含量, 由于荷質(zhì)比為27的C₂H₃ 含量為1.1×10^-8 Pa, 可以算出C₂H₄ 的含量也很少。這樣可以確定荷質(zhì)比是28 的氣體主要是CO, 其次是N₂、C₂H₄。

圖3 常見氣體的分壓強曲線

　　荷質(zhì)比位居第二的氣體是荷質(zhì)比為18的H₂O,加上荷質(zhì)比為17的OH, H₂O 的含量將超過CO, 成為超高真空系統(tǒng)中含量最多的氣體, 其分壓強最大值可達(dá)1.05×10^-7 Pa。荷質(zhì)比位居第三的氣體是荷質(zhì)比為16 的物質(zhì),荷質(zhì)比為16 的物質(zhì)有CH₄、O、NH₂, 通過圖4 可以確定出荷質(zhì)比為16 的物質(zhì)主要是CH₄。這是因為圖中荷質(zhì)比為15 的是CH₄ 的副峰CH₃, 而且荷質(zhì)比為16 的曲線跟荷質(zhì)比為15 的曲線極為相似, 從而排除了O、NH₂ 的可能性。

圖4  相似曲線

　　超高真空系統(tǒng)中含量比較多的氣體還有H₂和CO₂,他們的含量和CH4 相當(dāng), 分別為2.5×10^-8, 2.7×10^-8 Pa。另外還有一種稀有氣體Ar(1.5× 10^-8 Pa) 以及少量的CxHyOz。作圖3 的微分曲線, 就可得到各氣體脫附的速率曲線, 假定速率曲線的峰值為氣體大量脫附的表征, 據(jù)此可以得到各氣體脫附的難易程度, 根據(jù)峰值出現(xiàn)的先后順序, 得出的脫附先后順序為Ar,H₂O,H₂, CO, CO₂, 碳雜質(zhì), 由于常見氣體的脫附難易程度跟氣體的脫附能及含量有關(guān), 因此各常見氣體的脫附順序也大致表征了這些氣體脫附能的大小關(guān)系。