為了優化GaAs 基片的加熱清洗工藝, 獲得原子級清潔表面, 用四極質譜儀研究了GaAs 基片高溫加熱清洗過程中常見氣體及Ga、As 元素的脫附規律。研究結果表明: 常見氣體(H₂、H₂O、N₂、CO、CO₂、Ar、CxHyOz ) 在100℃左右開始大量脫附;Ga、As元素主要以單質和氧化物的形態脫附, 其脫附的溫度存在兩個峰值, 分別是300℃和600℃; 研究還發現真空環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H₂含量較高時, 一部分As會以AsH3的形態脫附, 當H2含量較低時, As基本以單質的形態脫附。經過多次實驗及對實驗結果的分析, 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 負電子親和勢光電陰極是一種高性能的光電陰極, 獲得負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會嚴重影響激活后光電陰極的性能。

　　經過化學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, 而且化學清洗并不能徹底除去表面的氧化物。本文采用了化學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

　　將化學清洗后的GaAs基片放入超高真空系統的預抽室, 待真空度降到10^-6 Pa 再將基片轉到激活室的加熱臺。此時激活室的真空度會有所下降,待真空度恢復到10^-8 Pa, 打開四極質譜儀, 待系統真空度穩定, 就可以進行加熱清洗操作。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, 四極質譜儀記錄各氣體組分的分壓強。

2、數據分析

2.1、 常見氣體的分析

　　2.1.1、 常見氣體的變化規律

　　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。此時加熱尚未進行, 質譜儀打開后, 質譜儀燈絲加熱產生高溫及電子發射, 吸附在質譜儀腔管及燈絲上的氣體開始脫附,導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腔室內的分壓強。

　　第二個階段是曲線較為平緩的部分。質譜儀預熱脫附掉的氣體, 在大約0.5 h 內被離子泵捕獲, 氣體分壓強維持在比較穩定的狀態。此時的氣體分強可以代表加熱前超高真空系統的本底分壓強, 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致氣體分壓強直線上升。不同氣體分壓強到達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, 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最大值開始至停止加熱結束。此階段加熱仍在進行, 升溫速度較慢,氣體的脫附進入動態平衡。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束。從圖2可以看出, 降溫過程中, 氣體分壓強按指數規律減小。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規律變化的。

　　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比為28 的物質, 荷質比為28 的物質有N₂、CO、C₂H₄。先來分析N₂ 的含量, 荷質比為14的N 含量為1.2× 10^-9 Pa, 一般真空系統中N2 在荷質比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

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

　　超高真空系統中含量比較多的氣體還有H₂和CO₂,他們的含量和CH4 相當, 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, 據此可以得到各氣體脫附的難易程度, 根據峰值出現的先后順序, 得出的脫附先后順序為Ar,H₂O,H₂, CO, CO₂, 碳雜質, 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, 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系。