UDK 533.5                                                                                                                                                    ISSN 1580-2949
Strokovničlanek                                                                                                              MATER. TEHNOL. 35(5)307(2001)
R. HUDEJ, G. BRATINA: ULTRA-VISOKOVAKUUMSKI SISTEM ZA NAPAREVANJE ...
ULTRA-VISOKOVAKUUMSKI SISTEM ZA NAPAREVANJE ORGANSKIH POLPREVODNIKOV
ULTRA-HIGH-VACUUM SYSTEM FOR THE GROWTH OF ORGANIC SEMICONDUCTOR LAYERS
Robert Hudej, Gvido Bratina
Politehnika Nova Gorica, Laboratorij za epitaksijo in nanostrukture, Vipavska 13, 5001 Nova Gorica, Slovenija
robert.hudejŽses-ng.si
Prejem rokopisa - received: 2000-10-13; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-05-24
V Laboratoriju za epitaksijo in nanostrukture na Politehniki Nova Gorica je bila nedavno zaključena instalacija novega sistema za naparevanje organskih polprevodnikov z epitaksijo z molekularnimi curki. Nov sistem je zgrajen okrog ultravisoko-vakuumske posode. Izvore materialov predstavljata dve nizkotemperaturni Knudsenovi celici. Od karaketrizacijskih metod je v komori predviden sistem za uklon in odboj hitrih elektronov, masni kvadrupolni spektrometer in spektroskopski elipsometer. Sistem bo namenjen študiju rasti organskih polprevodniških kristalov v zgodnji fazi nukleacije.
Ključne besede: ultra-visoki vakuum, epitaksija z molekularnimi curki, Knudsenova celica, masni kvadrupolni spektrometer, spektroskopski elipsometer, visoko energijski elektroni
A new molecular-beam-epitaxy system for the growth of organic semiconductor layers was recently installed in the Laboratory for epitaxy and nanostructures of the Nova Gorica Polytechnic. The system is built around an ultra-high-vacuum chamber. The organic semiconductor material is evaporated from a low-temperature Knudsen cell. The system is equipped with a refraction high-energy electron-difraction system, a quadrupole mass spectrometer and a spectroscopic ellipsometer.
Key words: ultra-high vacuum, molecular-beam epitaxy, Knudsen cell, mass quadrupole spectrometer, spectroscopic ellipsometer, high-energy electrons
1 UVOD
V zadnjem času so organskipolprevodnikideležni vse večjega zanimanja zaradi njihove potencialne uporabnosti v elektronskih in optoelektronskih sestavnih delih. Študij teh materialov je šele na začetku in je omejen na raziskave osnovnih elektronskih, optičnih in strukturnih značilnosti, posebej s stališča načina priprave tankih slojev. Prav tankislojiso namreč osnova modernih sestavnih delov, ki izkoriščajo kvantnome-hanske lastnosti nosilcev naboja v področju nizkih razsežnosti(kvantne jame, tunelskiefekt) 1-8. V tej luči se v zadnjem času uveljavlja poleg polimerov vrsta molekularnih polprevodnikov, torej materialov, ki pod ustreznimi pogoji kristalizirajo in torej tvorijo strukture z redom dolgega dosega. Elektronske lastnostitankih organskih slojev so ključno odvisni od strukture slojev, ki odseva spremembe v pogojih kristalizacije. Tanke sloje, katerih tipične debeline so reda velikost 100 nm napogosteje pripravimo z vakuumskim naparevanjem. Struktura in s tem elektronske lastnosti tako pripravljenih slojev so odvisne od parametrov, kot so hitrost naparevanja, čistoča izvornih materialov, temperatura in kemijska sestava podlage 9. Poleg omenjenih parametrov je za doseganje reda dolgega dosega v tankih slojih pomembna čistoča atmosfere, kjer poteka rast kristalov. Nečistoče (najpogostejše so molekule vode, zraka, metana in oljnih par) se lahko namreč vgradijo v kristalni sloj in delujejo kot nekontrolirani dopanti,
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
rekombinacijskicentrialikristalografskidefekti. Ultra-visoko vakuumske (UVV) razmere so s tega stališča nepogrešljive.
2 UVV SISTEM
V tem prispevku je predstavljen sistem za napa-revanje, zgrajen okrog ultravisoko-vakuumske (UVV) posode iz nerjavečega jekla razreda 316. Osrednji del posode je cev s premerom 255 mm, na katero so privarjeni priključki za opremo sistema. Slika celotnega sistema, sestavljenega iz glavne komore za naparevanje in predkomore, namenjen vstavljanju vzorcev je prikazana na sliki 1.
Opremo lahko razdelimo na štiri skupine:
1.   oprema za doseganje UVV
2.   oprema za naparevanje
3.   oprema za manipuliranje z vzorci
4.   oprema za analizo.
2.1 Oprema za doseganje UVV
Tlak 1×10-10 mbar dosežemo s turbomolekularno črpalko Balzers TPU 330 z volumskim pretokom 300 l/s. Ima dve turbini, ki se vrtita z 80000 obr/min. Ležaji na rotorju črpalke so namazaniz oljem, kije bilo predhodno razplinjeno. Črpalka je priključena na CF100 prirobnico na dnu UVV-posode. Kot predčrpalka je uporabljena
307
R. HUDEJ, G. BRATINA: ULTRA-VISOKOVAKUUMSKI SISTEM ZA NAPAREVANJE
Slika 1: Ultra-visoko vakuumska komora s predkomoro
Figure 1: Ultra-high-vacuum chamber with introduction chamber
dvostopenjska rotacijska črpalka Edwards RV12 z volumskim pretokom 12 m3/h.
Vsipriključkina UVV posodiso tesnjeniz bakrenimi tesnilkami. Po zagonu vakuumskih črpalk je bilo treba celoten sistem greti 48 ur zaradi učinkovitejše desorbcije nečistoč s sten posode. Zaradi temperaturne občutljivosti nekaterih instrumentov smo morali zagotoviti ustrezno temperaturno porazdelitev po posodi. Tako se, na primer, magnetni manipulator ne sme segreti za več kot 120 °C, temperatura masnega kvadrupolnega spektrometra pa mora ostatipod 100 °C. Ostale dele komore smo segrevalina 250 °C. Ko se je posoda po 24 urah ohladila na sobno temperaturo, je bil dosežen tlak 1×10-10 mbar.
2.2 Manipuliranje z vzorci
Vstavljanje podlag v glavno UVV-posodo poteka skoziz ventilom ločeno predkomoro, kiima samostojni črpalni sistem, sestavljen iz turbomolekularne črpalke (170 l/min) in dvostopenjske rotacijske črpalke. Podlage, katerih značilne dimenzije so 10×10×1 mm, vstavljamo v predkomoro skozi za to prirejena vrata in pritrdimo na translator z magnetnim vodilom (slika 2). Predkomoro izčrpamo na 1×10-8 mbar, kar dosežemo s pregrevanjem na 120 °C v približno osmih urah. Podlago potisnemo v UVV-posodo in pritrdimo na manipulator, s katerim je omogočeno premikanje vzorcev v vseh treh smereh in vrtenje okrog vseh treh osi. Na manipulator sta name-ščena grelec in hladilnik, ki omogočata uravnavanje temperature vzorcev med -140 °C in 1000 °C.
2.3 Oprema za naparevanje
Sistem za naparevanje je optimiziran za rast tankih organskih polprevodniških slojev. Pogoji in način rasti takih kristalov so še vedno predmet intenzivnih raziskav, tako da jasnega in enoličnega recepta za sintezo urejenih slojev ni. V Laboratoriju za epitaksijo in nanostrukture se z vakuumskim naparevanjem 3,4,9,10-preilendian-hidrida tetrakarboksilne kisline (PTCDA) ukvarjamo že tretje leto, kar je tudi zahtevalo izbiro materiala izvira za sintezo v UVV-komori. Za PTCDA in še nekatere organske polprevodnike, ki so zanimivi s stališča optoelektronskih aplikacij, velja, da sublimirajo že pri 450 °C. Posledica tega je zelo problematično uravnavanje temperature izvora (Knudsenove celice), zlasti v daljših časovnih obdobjih, potrebnih za sintezo debe-lejših plasti. Poleg tega želimo dognati mehanizme, ki so odgovorniza začetke rastiorganskih polprevodnikov, kar postavlja zahtevo po nadzoru histrosti naparevanja z natančnostjo ene molekularne plasti ter čim višjo stopnjo enakomernostidebeline slojev.
Omenjene zahteve smo rešili z uporabo Knudsenovih izvorov, ki so posebej prirejeni za nizkotemperaturna naparevanja, z uporabo pnevmatskih zaslonk, ter optimizacijo geometrijskih odnosov med lego izvira naparevanja in podlago. Knudsenove celice francoskega proizvajalca ADDON (slika 3), kiso nameščene v našem sistemu vsebujejo talilne lončke prostornine 35 cm3 iz pirolitskega BN z manj kot 10 ppm primesi.
Slika 2: Magnetnirotacijskitranslator za vstavljanje vzorcev iz predkomore v glavno komoro Figure 2: Translator with magnetic drive used for introduction of the samples into the main chamber
308
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
R. HUDEJ, G. BRATINA: ULTRA-VISOKOVAKUUMSKI SISTEM ZA NAPAREVANJE
Slika 3: Nizko-temperaturna Knudsenova celica, ki se uporablja kot izvor za rast organskih polprevodnikov
Figure 3: Low-temperature Knudsen cell
Segreva jih žarilna nitka iz tantala, ki je navit okrog stene celice. Temperaturo materiala v celici merimo s termočlenom na dnu celice. V našem sistemu imamo instalirani dve Knudsenovi celici, kar nam omogoča hkratno naparjevanje dveh različnih materialov in s tem sintezo kvantnih struktur (kvantne jame, supermreže).
2.4 Oprema za analizo
Posebno težavo pri sintezi organskih polprevodnikov predstavlja čistoča materialov v izviru. Pred napare-vanjem moramo materiale ustrezno prečistiti, npr. z gradientno sublimacijo 10. Med samim naparevanjem pa je treba spremljati sestavo iz Knudsenove celice izstopajočih plinov, kar nam da informacijo o morebitnih vgrajenih nečistočah. V našem sistemu je za ta namen nameščen masnikvadrupolnispektrometer proizvajalca VG Analytical. Ta nam omogoča določanje deležev posameznih plinov pri tlaku manjšem od 1×10-10 mbar. Najnižjiparcialnitlak, kiga je s kvadrupolnim spektrometrom mogoče zaznati, je 1×10-14 mbar. Kot ionizator atomov in molekul sta uporabljeni dve tantalovinitkinavitiv spiralo. Območje mas, kiga lahko merimo z omenjenim spektrometrom je od 1 amu do 200 amu. Spektrometer je izdelan za direktni priklop na serijski vhod osebnega računalnika RS232, s čimer se izognemo potrebi po samostojnem krmilniku.
Za analizo debeline in kakovosti naparjenih plasti je na komoro instaliran sistem za odboj in uklon hitrih elektronov (RHEED) z maksimalno energijo elektronov 10 keV, proizvajalca Staib Instrumente. Iz uklonske slike hitrih elektronov lahko dobimo informacijo o strukturi molekularnih plasti, opazovanje intenzitete posameznih
uklonskih črt med naparevanjem pa nam omogoča določitev debeline naparjenih plasti. V prihodnosti bosta na komoro instalirana še kremenov merilnik debeline naparjenih plasti in elipsometer, ki sedaj deluje ločeno od ostalega sistema. Z njim bo omogočeno določanje optičnih lastosti naparjenih plasti in-situ in med samim naparevanjem.
3 SKLEP
UVV-sistem za naparevanje organskih polprevodnikov je sedaj v fazi preizkušanja vseh sestavnih elementov. Preveriti je treba brezhibnost manipuliranja z vzorci. Zelo pomembna je kalibracija hitrosti napare-vanja materialov iz Knudsenovih celic in določitev kakovosti naparjenih plasti. Ko bo sistem v celoti preverjen, bomo začeli sistematični študij rasti PTCDA in naftalen-NPTCDA, ter pritem uporabljaliRHEED in spektroskposkielipsometer, kar nam bo omogočalo določevanje povezave med elektronskimi in strukturnim lastnostmitankih plasti, zlastiv lučistrukture začetnih molekularnih plasti in vrste podlage. Pomemben delež eksperimentalnega dela na predstavljenem sistemu bo tudi sinteza kvatnih jam in supermrež iz organskih polprevodnikov.
4 LITERATURA
1 P. Fenter, F. Schreiber, L. Zhou, and S. R. Forrest, Physical Review B, 56 (1997) 3046
2 S. R. Forrest, P. E. Burrows, E. I. Haskal, F. F. So, Physical Review B, 49 (1994) 11309
3 T. Schmitz-Hübsch, T. Fritz, F. Sellam, R. Staub, K. Leo, Physical Review B, 55 (1997) 7972
4 F. Lutz, J. L. Bischoff, L. Kubler, D. Bolmont, Physical Review B, 40 (1989) 10356
5 I. G. Hill, A. Rajagopal, S. Kahn, Y. Hu, 73 (1988) 662
6 E. Umbach, K. Glöcker, M. Sokolowski, Surface Science 20 (1997) 402
7 B. Uder, C. Ludwig, J. Petersen, B. Gompf, W. Eisenmenger, Zeitschrift für Physik-Condensed Matter, 71 (1995) 389
8 E. Umbach, C. Seidel, J. Taborski, R. Li, A. Soukopp, Physica Status Solidi B, 192 (1995) 389
9 Y. Zhang, S. R. Forrest, Physical Review B, 71 (1993) 2765 10 S. R. Forrest, M. L. Kaplan, P. H. Schnidt, Journal of Applied
Physics, 55 (1984) 1492
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
309