GaAs基片高温加热清洗过程中残气脱附的研究(2)

　　2.1.3、 不同气体脱附规律的差异

　　不同气体的脱附曲线略有不同, 主要体现在脱附的第四阶段。按照峰值变化规律的不同大概把他们分为三种类型。

　　第一种类型如图5中Ar的变化规律。气体分压强达到最大值后, 曲线下降比较快, 迅速达到较低的水平, 这说明Ar主要吸附于基片表面及超高真空系统器壁, 加热的开始阶段就可以将Ar 基本清除,溶解到基片内部的Ar 较少。

图5  Ar的分压强曲线

　　第二种类型如图2中H₂O的变化规律。气体分压强达到最大值后, 并没有迅速下降, 而是以一定的斜率缓慢下降。造成这种现象是因为H₂O 不仅吸附于基片表面, 还渗入到基片内部, 气体脱附的第三阶段是表面吸附的气体脱附造成的, 第四阶段是基片内部的气体解析造成的。如果基片内部溶解了较多的H₂O 当加热到较高的温度时, 甚至会出现第二个峰值。由于H₂ 半径比较小所以极易溶解在基片内部, 因此H₂ 存在两个峰值, 如图6 所示。值得一提的是, 绝大部分气体都或多或少地溶解在基片内部, 因此理论上都存在第二个峰, 只是不同气体的溶解度及解析温度不同, 才出现了在一定温度下部分气体没有第二个峰的现象。

图6 H2的分压强曲线

图7 CO2的分压强曲线

　　第三种类型如图7中CO₂的变化规律。图中出现两个峰。第一个峰是吸附于表面的气体脱附造成的, 且这种吸附是物理吸附, 在较低温度就可以基本脱附。第二个峰是化学吸附造成的, 实际上是碳杂质的脱附, 温度较高时碳杂质转变为游离态, 并与表面的氧结合成CO₂ 以分子态的形式实现碳的脱附。

2.2、 镓、砷元素的分析

　　镓、砷元素以三种形式进行脱附, 分别是单质、氧化物、氢化物。其中单质形式的脱附和氢化物形式的脱附属于同一类脱附, 区别在于镓、砷元素脱附时是否与氢结合, 这主要取决于GaAs基片表面氢的含量。如果基片表面吸附的氢较多, 那么镓、砷元素主要以氢化物的形式脱附, 如果基片表面吸附的氢较少, 那么镓、砷元素主要以单质的形式脱附。图8显示了GaAs基片表面氢含量多少对镓、砷元素脱附形式的影响, 只有在氢含量较高时AsH₃的含量才比As 的含量多, 对于镓元素的脱附也是如此。

图8  As 元素脱附形式对比图

　　镓、砷元素以氧化物形式的脱附规律是不同的。从图9 可以看出, AsO先于Ga₂O脱附, AsO大概在300℃时脱附, Ga₂O大概在610℃ 时脱附。至此, 可以得出氧元素的脱附规律: 吸附于GaAs基片表面的氧元素, 首先以常见气体( H₂O、CO、CO₂ 等) 的形式脱附, 然后温度加热到300℃ , 剩余少量的氧元素以AsO的形式脱附, 最后温度达到610℃ , 剩余极少量的氧元素以Ga2O的形式脱附。

　　从图9中还可以看出, 镓、砷元素氧化物的脱附存在两个峰值。四极质谱实验数据显示不仅氧化物, 镓、砷元素的单质及氢化物也存在两个峰值。而且第一个峰值与常见气体的脱附峰相对应, 由此可见, GaAs 基片表面常见气体的脱附会导致基片表面的某些变化, 进而造成镓砷元素不同形式的脱附。四极质谱仪采集的数据显示, 脱附量由大到小的顺序为As, Ga, AsO, Ga₂O, 这就不可避免的导致As 元素的脱附量大于Ga 元素的脱附量, 最后使GaAs基片表面变成富镓表面。镓、砷元素大量脱附的第二个峰均出现在610℃( AsO 除外) , 这说明610℃的高温已经使GaAs 基片表面处于比较活泼的状态, 化学键不能使原子牢固的结合在一起, 镓、砷原子比较容易挣脱表面的束缚而脱附到真空室内。

图9 AsO与Ga2O的分压强曲线

3、结论

　　在超高真空激活系统中对GaAs基片进行高温加热清洗时, 基片表面脱附的常见气体有H₂、H₂O、N₂、CO、CO₂、Ar、CxHyOz , 这些气体的脱附规律与表面吸附气体的含量及脱附能有关。当加热温度较高时, 镓、砷元素会以不同形态从GaAs 基片表面脱附,脱附温度的大小与镓、砷元素各化合形态的键能有关。实验数据显示,AsO 在300℃左右开始脱附, As、Ga、Ga2O 则在610℃左右开始脱附。