T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA Tja{a Parkelj Poto~nik, Erik Zupani~, Janez Kova~, Matja` Spreitzer ZNANSTVENI ^LANEK Institut »Jo`ef Stefan«, Jamova 39, 1000 Ljubljana POVZETEK S prenosom vzorcev med razli~nimi vakuumskimi sistemi pri pogojih ultravisokega vakuuma je mogo~e prepre~iti oksidacijo ter kontaminacijo ob~utljivih vzorcev ob kontaktu z zrakom ter zagotoviti kemijsko ter strukturno analizo povr{in in tankih plasti z nespremenjeno kemijsko sestavo ter atomsko strukturo. V prispevku je opisana prenosna vakuumska komora, t. i. vakuumski kov~ek, ki se uporablja za transport vzorcev med tremi lo~enimi ultravisokovakuumskimi (UVV) sistemi: za pulzno lasersko nana{anje, nizkotemperaturno vrsti~no tunelsko mikroskopijo ter rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo. Dodatno so predstavljene nadgradnje na{tetih gostiteljskih UVV-sistemov, ki omogo~ajo priklop vakuumskega kov~ka, skupaj z opisom postopkov prenosa vzorcev ter primerom uporabe vakuumskega kov~ka pri raziskavah integracije oksidnih materialov s silicijem. Klju~ne besede: vakuumski kov~ek, PLD, STM, XPS Transfer of samples in ultra-high vacuum by means of a vacuum suitcase ABSTRACT By transferring samples between different vacuum systems under ultra-high vacuum conditions, it is possible to prevent oxidation and contamination of sensitive samples upon contact with air and to provide chemical and structural analysis of surfaces and thin films with unchanged chemical composition and atomic structure. A simple portable vacuum chamber is described, i. e. a vacuum suitcase, used to transport samples between three separate ul- tra-high vacuum (UHV) systems: for pulsed laser deposition, low-temperature scanning tunneling microscopy, and X-ray pho- toelectron spectroscopy. Additionally, upgrades of the host UHV systems are presented, which enable the docking of the vacuum suitcase, together with a description of sample transfer procedures and an example of the use of the vacuum suitcase in research on the integration of oxide materials with silicon. Keywords: portable vacuum suitcase, PLD, STM, XPS 1 UVOD Za uspe{ne raziskave povr{in in tankih plasti je izredno pomembno, da njihovo shranjevanje ter analiza potekata pod pogoji ultravisokega vakuuma (UVV), saj je le tako mogo~e zagotoviti, da lastnosti vzorcev ostanejo enake kot v trenutku po njihovi pripravi [1]. Tak{ne pogoje lahko zagotovimo s pomo~jo UVV-sistemov, ki predstavljajo osnovno opremo ve~ine tehnik za pripravo in analizo povr{in in tankih plasti, kot so npr.: epitaksija z molekularnim curkom (angl.: molecular beam epitaxy, MBE), pulzno lasersko nana{anje (pulsed laser deposition, PLD), rentgenska fotoelektronska spektroskopija (X-ray pho- toelectron spectroscopy, XPS) ter vrsti~na tunelska mikroskopija (scanning tunneling microscopy, STM). V mnogih laboratorijih po svetu dandanes uporabljajo enovite UVV-sisteme, ki zdru`ujejo ve~ vakuumskih komor z opremo na{tetih tehnik in s tem omogo~ajo in situ pripravo ter analizo vzorcev. Kadar tak{ni kompleksni UVV-sistemi niso na voljo, pa si lahko pri prenosu vzorcev med posameznimi UVV-sistemi pomagamo s prenosno vakuumsko komoro ali t. i. vakuumskim kov~kom. Vakuumski kov~ek je obi~ajno majhna vakuumska komora z UVV-ventilom, prenosno palico z nosilcem za vzorce ter vakuumsko ~rpalko, ki s priklopom na baterijo omogo~a aktivno ~rpanje in ohranjanje nizkih tlakov med prenosom vzorcev. Z vakuumskim kov~kom je mogo~e prena{ati vzorce med razli~nimi UVV-sistemi, ki se lahko nahajajo v razli~nih laboratorijih, celo na oddaljenih lokacijah. Pogosto se namre~ vakuumske kov~ke uporablja za prenos vzorcev iz laboratorija do raziskovalnih centrov, kjer se za analizo uporabljajo nevtroni ali pa sinhrotronska svetloba [2, 3]. Na trgu lahko najdemo tudi kar nekaj proizvajalcev komercialnih vakuumskih kov~kov razli~nih tipov (Ferrovac, CRYOSCAN, Henniker Scientific, Enviro TM ...), ne glede na izbiro opreme za prenos vzorcev pa je pred uporabo vakuumskega kov~ka navadno treba tudi modificirati gostiteljske vakuumske sisteme, da lahko tak kov~ek sprejmejo. 2 In vacuo prenos vzorcev na Institutu »Jo`ef Stefan« Na Institutu »Jo`ef Stefan« smo v sodelovanju z razli~nimi raziskovalnimi odseki vzpostavili mre`o za prenos vzorcev s pomo~jo vakuumskega kov~ka med tremi UVV sistemi razli~nih proizvajalcev: (i) siste- mom za PLD z mo`nostjo meritev odbojnega uklona visokoenergijskih elektronov (reflective high-energy electron diffraction, RHEED) na Odseku za raziskave sodobnih materialov (K9), sistemom za nizkotem- peraturno STM, ki se nahaja na Odseku za fiziko trdne snovi (F5), ter sistemom za XPS spektroskopijo na Odseku za tehnologijo povr{in (F4) [4]. @eleli smo vpeljati na~in prenosa vzorcev pri pogojih ultraviso- kega vakuuma, ki zagotavlja nekajurno avtonomno delovanje vakuumske ~rpalke, spremljanje tlaka med prenosom in med samim postopkom priklopa na druge UVV-sisteme, shranjevanje vsaj pet vzorcev ter zadosten razpon premikov nosilca za vzorce. Pripravili smo na~rt za enostavni vakuumski kov~ek, ki so ga nato iz osnovnih vakuumskih komponent sestavili v podjetju Specs. Dodatno smo za omogo~anje priklopa T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA 14 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 vakuumskega kov~ka izvedli manj{e prilagoditve obstoje~ih UVV-sistemov ter uvedli postopek za prenos vzorcev z na{teto opremo. 2.1 Vakuumski kov~ek Vakuumski kov~ek je sestavljen iz majhnega vakuumskega elementa iz nerjavnega jekla s temi odprtinami – t. i. T-kosa. Ta zdru`uje ionsko-getrsko ~rpalko (Gamma Vacuum, hitrost ~rpanja 35 L/s) s pri- padajo~o kontrolno enoto ter 12 V akumulatorsko baterijo kapacitete 8 Ah, ki omogo~a avtonomno delovanje ~rpalke do 5 ur, mehanski vakuumski ventil s kovinskimi tesnili ter magnetno prenosno palico z mo`nostjo linearnih premikov in rotacije za 360°. Glavni sestavni deli kov~ka so predstavljeni na sliki 1a in 1b. Na konec prenosne palice je pritrjen nosilec, ki lahko sprejme do {est plo{~ic za vzorce z u{escem (tipa Omicron). Po tri plo{~ice je mogo~e vstaviti v dve vrstici, pri ~emer med vrsticama izbiramo z rotacijo prenosne palice za 180° (slika 1c). Ionsko- getrska ~rpalka deluje tudi kot merilnik tlaka. Delovni tlak kov~ka je1·1 0 –10 mbar. Ob prvi uporabi in v primeru povi{anega delovnega tlaka je treba kov~ek pregreti tako, da ga priklju~imo na ~rpalno postajo ali pa na primeren gostiteljski sitem s turbomolekularno ~rpalko in pred~rpalko ter ga s pomo~jo grelnih trakov segrevamo 24 ur pri temperaturi 130–150 °C. Za dodatno varnost smo kov~ek dodatno opremili s kovinsko mre`ico, ki prekriva vhod v ionsko ~rpalko in s tem prepre~uje morebitne padce vzorcev v ~rpalko. Posamezne re`e v nosilcu za plo{~ice smo na enem koncu zavarovali tako, da smo pritrdili kratke kovinske trakove, ki prepre~ujejo zdrse plo{~ic iz nosilca v primeru rotacije prenosne palice. Dodali smo {e ro~aje, ki pomagajo pri prenosu kov~ka. Za la`ji transport vakuumskega kov~ka je v prihodnosti predvidena tudi izdelava primernega vozi~ka, saj kov~ek skupaj z elektroniko in baterijo tehta pribli`no 24 kg. Glavni doprinos k te`i prispeva ionsko-getrska ~rpalka (18 kg), kar bi lahko bistveno zmanj{ali z uporabo getrske ~rpalke (non-evaporable getter pump, NEG pump), ki pa za razliko od ionsko-getrske ~rpalke ne omogo~a meritev tlaka. Kjer je mogo~e, bi pri te`i lahko prihranili tudi z uporabo aluminijastih vakuumskih delov namesto obstoje~ih te`jih kosov, izdelanih iz nerjavnega jekla. 2.2 Nadgradnja gostiteljskih UVV-sistemov Za uporabo vakuumskega kov~ka so obi~ajno potrebne manj{e prilagoditve opreme gostiteljskih UVV-sistemov. Ti morajo biti opremljeni z vakuum- sko (priklopno) komoro z dobro dostopno prirobnico dimenzije CF40, kamor kov~ek priklopimo, povezavo do vakuumskih ~rpalk (najbolje turbomolekularne ~rpalke z ustrezno pred~rpalko, s katerima je mogo~e dose~i tlak pod5·10 –9 mbar) ter ustrezno postavitvijo (geometrijo) komponent, ki omogo~a preprijemanje oz. vstavljanje plo{~ic z vzorci v nosilec. Poleg tega je treba poskrbeti za primerno konstrukcijo, ki omogo~a podpiranje te`e kov~ka, manj{im odstopanjem v poravnavi kov~ka s priklopno komoro pa se lahko ognemo z namestitvijo kovinskega meha med ti dve vakuumski enoti. V primeru sistema za PLD je glavna komora, v kateri poteka nana{anje tankih plasti, povezana s komoro za shranjevanje vzorcev, ki omogo~a tudi priklop vakuumskega kov~ka, kot je prikazano na sliki 2a. Kov~ek lahko priklopimo na komoro za shranjevanje vzorcev preko T-kosa z okencem, ki je povezan s predkomoro PLD-sistema, preko katere lahko evakuiramo T-kos (priklopno komoro). Delovni tlak v UVV-obmo~ju lahko v priklopni komori dose- `emo s pregrevanjem ( 12 ur na 130 °C); s tem pospe{imo izparevanje vode in ostalih plinov iz notranjih povr{in ter tako skraj{amo ~as ~rpanja do kon~nega tlaka. Priporo~ljivo je, da ob odpiranju vakuumske komore namesto vla`nega zraka iz okolice T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 15 Slika 1: a) Shema vakuumskega kov~ka z ozna~enimi glavnimi deli ter dimenzijami: 1 – magnetna prenosna palica, 2 – T-kos, 3 – vakuumski ventil, 4 – ionsko-getrska ~rpalka, 5 – nosilec za plo{~ice z vzorci; b) fotografija vakuumskega kov~ka; c) prikaz mo`nosti za vstavitev plo{~ic z vzorci z rotacijo prenosne palice. vanjo vpustimo suh du{ik in tako omejimo nabiranje vlage na notranjih povr{inah vakuumskih komponent. V primeru XPS-sistema prenos plo{~ic iz vakuumskega kov~ka v analizni instrument zahteva ve~ korakov, ker je treba plo{~ico z vzorcem najprej premakniti v poseben adapter (dodatni nosilec) dimenzij, ki ustrezajo nosilcu znotraj glavne komore XPS-sistema. Da bi lahko izvedli opisano operacijo, smo zato poleg glavne komore namestili ve~jo pomo`no vakuumsko komoro s pripadajo~o prenosno palico in vakuumsko pinceto. Med pomo`no komoro in kov~ek smo namestili {e kovinski meh ter vakuumski T-kos, ki smo ga povezali s sistemom ~rpalk v predkomori XPS-spektrometra. Za podporo kov~ku smo izdelali dodatni nosilec (mizico). Na sliki 2b je prikazana shema XPS-sistema s kov~kom ter fotografija, ki prikazuje premik plo{~ice z vzorcem v adapter (pomo`ni nosilec). Za priklop kov~ka v primeru STM-sistema nismo potrebovali dodatne opreme, saj `e samo ogrodje STM-sistema predstavlja primerno podporo kov~ku, ki ga je mogo~e priklopiti neposredno na predkomoro STM-sistema (slika 2c). 3 POSTOPEK ZA PRENOS VZORCEV TER PRIMER UPORABE Osnovni koraki za prenos vzorcev z vakuumskim kov~kom so enaki za vse mo`ne kombinacije prenosov med dvema UVV-sistemoma: 1. Kov~ek pritrdimo na gostiteljski sistem A preko priklopne komore. 2. Evakuiramo priklopno vakuumsko komoro preko povezave do sistema ~rpalk. 3. ^e je potrebno, s pomo~jo pregrevanja priklopne komore pospe{imo ~rpanje. 4. Ko dose`emo primeren tlak (<5 · 10 –9 mbar) prenesemo vzorce iz sistema A' v vakuumski kov~ek. 5. Kov~ek zapremo z UVV-ventilom, fiksiramo prenosno palico ter v priklopno komoro vpustimo suh du{ik. 6. Kov~ek z delujo~o ionsko ~rpalko prenesemo in priklopimo na gostiteljski UVV sistem B'. 7. Priklopno komoro sistema B' iz~rpamo in pregre- jemo. 8. Ko se vzpostavi `eleni tlak, vzorce iz kov~ka prenesemo v UVV-sistem B'. Koraki, potrebni za premikanje vzorcev med sistemi za PLD, XPS in STM s pomo~jo vakuumskega kov~ka na IJS, so nakazani na sliki 2. Ker premiki znotraj UVV-sistemov povzro~ajo razplinjevanje ter s tem kratkotrajno, a izrazito povi{anje tlaka, je treba izvajati odpiranje in zapiranje ventilov ter premike prenosnih palic in vakuumskih pincet ~im po~asneje in previdno. 3.1 Prenos in analiza vzorcev, pripravljenih s tehniko PLD Na Odseku za raziskave sodobnih materialov Instituta »Jo`ef Stefan« z uporabo tehnike PLD razis- kujemo mo`nost integracije tankih plasti funkcio- nalnih oksidov s polprevodniki. Integracija tovrstnih oksidov, ki imajo lahko superprevodne, feroelektri~ne, termoelektri~ne ali piezoelektri~ne lastnosti, s polpre- vodni{ko tehnologijo je namre~ izjemno pomembna in za`elena, ker bi lahko omogo~ila nadaljnji razvoj {irokega spektra naprednih elektronskih komponent. V T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA 16 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 Slika 2: Sheme povezav vakuumskega kov~ka z razli~nimi UVV-sistemi z ozna~enimi glavnimi deli: a) PLD-sistem: A – vakuumski kov~ek, B – priklopna komora, C1 – komora za shranjevanje, D1 – komora za PLD, E1 – predkomora PLD sistema b) XPS-sistem: B2 – predkomora, C2 – komora za pripravo, D2 – komora XPS spektrometra, E2 – predkomora XPS spektrometra. Fotografija prikazuje vstavitev plo{~ice z vzorcem v adapter name{~en na prenosno palico s pomo~jo vakuumske pincete. c) STM-sistem: B3 – priklopna komora, ki je hkrati predkomora STM-sistema, C2 – komora za pripravo, D3 – komora za STM. S sivo barvo so ozna~eni vakuumski kosi, ki so bili dodani obstoje~im UVV-sistemom. na{i raziskovalni skupini smo se osredoto~ili na raziskavo postopka za pripravo epitaksialnih tankih plasti SrTiO 3 (STO) na povr{ini silicija. Pri pripravi vzorcev na ~isto povr{ino Si(001) najprej nanesemo polovico atomske plasti elementar- nega stroncija, ki pasivira mo~no reaktivno povr{ino silicija, ~emur sledi nanos tankih plasti STO[5].Dabi bolje razumeli mehanizme rasti plasti STO, je bilo pred njenim nanosom najprej treba karakterizirati strukturne in kemijske lastnosti povr{ine Sr/Si s pomo~jo tehnik STM ter XPS, ta oprema pa je integrirana v lo~enih UVV-sistemih. Ker je povr{ina silicija kljub za{~iti s stroncijem v kontaktu z zrakom izredno reaktivna, je bilo treba zagotoviti prenos vzorcev pri pogojih UVV, kar nam je omogo~ilo kemijsko analizo nespremenjene povr{ine s tehniko XPS ter strukturno analizo ~iste povr{ine s tehniko STM z atomsko lo~ljivostjo [6]. Na sliki 3 so prikazani rezultati meritev s tehniko XPS, ki prikazujejo Si 2p spektra, posneta na dveh vzorcih silicija. Prvi vzorec (~rna barva) predstavlja kristal silicija, ki je bil izpostavljen zraku, zato je na njegovi povr{ini prisotna tudi plast SiO 2 , kar se ka`e v prisotnosti vrha Si 2p pri vezavni energiji 103,0 eV, ki odgovarja spojini SiO 2 . Poleg vrha pri energiji 103,0 eV je prisoten tudi vrh pri energiji 99,0 eV, ki odgovarja elementarnemu Si iz podlage pod oksidno plastjo. Ker je oksidna plast amorfna, jo je treba za zagotavljanje epitaksialno urejene rasti tankih plasti s tehniko PLD najprej odstraniti. Pri drugem vzorcu silicija (siva barva) pa smo s pomo~jo pregrevanja znotraj UVV-sistema s povr{ine najprej odstranili oksidno plast, nato pa povr{ino silicija za{~itili s pomo~jo nanosa stroncija. Nanos stroncija lahko povr{ino silicija povsem za{~iti le za kraj{i ~as pri pogojih UVV, vendar dovolj dolgo, da lahko kontrolirano nanesemo plast STO, kar je cilj na{ih raziskav. Za{~ita pa ni dovolj dobra, da bi prepre~ila reakcijo povr{ine silicija z zrakom. Prenos vzorca od sistema za PLD do sistema za XPS s pomo~jo vakuumskega kov~ka je bil uspe{en, saj ni pri{lo do ponovne oksidacije povr{ine vzorca, kar je razvidno iz XPS-spektra Si 2p. Na podlagi te raziskave smo lahko potrdili, da je uporabljena metoda za deoksidacijo ter za{~ito povr{ine silicija ustrezna. Priprava in ohranjanje ~istih povr{in je {e toliko pomembnej{a v primeru analiz s tehniko STM in pogosto predstavlja predpogoj za uspe{ne meritve, predvsem kadar je za`elena atomska lo~ljivost, saj ne~isto~e na povr{ini vplivajo na kvaliteto konice, s katero slikamo in s tem na njeno stabilnost in lo~ljivost. Na sliki 4 je prikazana STM-slika povr{ine Sr/Si, na podlagi katere smo lahko v kombinaciji s slikami, oblikovanimi na podlagi izra~unov gostotnih funkcionalov, dolo~ili atomsko strukturo povr{ine Sr/Si ter identificirali povr{inske defekte [6]. 4 SKLEPI Na Institutu »Jo`ef Stefan« je bila vzpostavljena mre`a za prenos vzorcev pri pogojih UVV med sistemi za PLD, XPS ter STM. V prispevku je opisan vakuumski kov~ek, ki omogo~a shranjevanje ter prenos do {est vzorcev pri tlaku1·10 –10 mbar, avto- nomno ~rpanje ter spremljanje tlaka med samim pre- nosom in s tem primerno okolje ter dober nadzor nad ~isto~o vzorcev. Modifikacija gostiteljskih sistemov omogo~a priklop kov~ka, uporabo adapterjev za plo{~ice z vzorci, kjer je to potrebno, ter ~rpanje in T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 17 Slika 3: XPS spektra Si 2p za vzorec iz silicijeve podlage prekrite s plastjo SiO 2 (~rna), ter za vzorec silicijeve podlage za{~iten s stroncijem (siva). Slika 4: STM-slika prikazuje dve terasi povr{ine Si(001), prekrite s polovico atomske plasti stroncijeve za{~itne plasti. Opazimo lahko tudi razli~ne vrste defektov: ~rne vdolbine, ki predstavljajo atomske vrzeli, nize atomov stroncija v obliki svetlih izboklin ter nekaj ne~isto~ neenakomernih oblik, ki se ne urejajo glede na povr{ino silicija. STM-slika je bila posneta pri pogojih: T=60K,U=2V ,I = 100 pA [5]. pregrevanje priklopne komore in s tem transport vzorcev iz vakuumskega kov~ka v gostiteljski sistem pri pogojih UVV. Opisan je primer uporabe, kjer smo s pomo~jo prenosa vzorcev z vakuumskim kov~kom uspe{no izvedli karakterizacijo izredno ob~utljivih vzorcev silicija in s tem dolo~ili atomsko strukturo ter kemijsko sestavo povr{in Sr/Si, ki se uporabljajo pri integraciji tankih plasti oksidnih materialov s silicijem. Na podlagi teh ugotovitev lahko zaklju~imo, da uporaba vakuumskega kov~ka skupaj z modi- ficirano opremo UVV-sistemov omogo~a napredne analize ob~utljivih povr{in ter tankih plasti v primerih, ko priprava ter analiza vzorcev v enotnem vakuum- skem sistemu ni mogo~a. Zahvala Zahvaljujemo se Javni agenciji za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije za finan~no podporo (J2-2510, J2-9237, P2-0091). 5 LITERATURA [1] H. Lüth, Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films, Springer, Berlin Heidelberg, 1993, str. 6 [2] A. Syed Mohd, S. Pütter, S. Mattauch, A. Koutsioubas, H. Schneider, A. Weber, T. Brückel, Review of Scientific Instruments, 87 (2016), 123909 [3] Y. Watanabe, Y. F. Nishimura, R. Suzuki, H. Uehara, T. Nimura, A. Beniya, N. Isomura, K. Asakura, S. Takakusagi, Journal of Vacuum Science and Technology A, 34 (2016), 023201 [4] J. Kova~, A. Zalar, Vakuumist 25 (2005), 19 - 24 [5] D. Diaz-Fernandez, M. Spreitzer, T. Parkelj, D. Suvorov, Applied Surface Science, 455 (2018), 227 [6] T. Parkelj Poto~nik, E. Zupani~, W.Y. Tong, E. Bousquet, D. Diaz Fernandez, G. Koster, P. Ghosez, M. Spreitzer, Applied Surface Sci- ence, 471 (2019), 664 T. PARKELJ POTO^NIK s sodel.: PRENOS VZORCEV V ULTRAVISOKEM VAKUUMU S POMO^JO VAKUUMSKEGA KOV^KA 18 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2