Ultra Alto Vacío (UHV)

Transcripción

1 Ultra Alto Vacío (UHV) Desde el punto de vista experimental, el desarrollo de la física de superficies e interfaces está íntimamente relacionado con los avances en las técnicas de UHV. La preparación de una superficies bien definida con una contaminación despreciable, requiere presiones menores que Torr. Un equipo moderno de UHV consiste en un recipiente de acero inoxidable (conocida como cámara de UHV, en la cual se va a estudiar una superficie o se va llevar a cabo un proceso), una estación de bombeo y medidores de vacío. Presión atmosférica 1 atm = 760 torr; 1 torr = 1 mm Hg, 1 torr = 1/760 atm 1 torr =1.316 x 10-3 atm (1 x 10-3 = 0.001) Pressure unit Pa Bar Atm Torr Pa Bar Atm Torr

2 F P = A El aire está compuesto por varios gases, los más importantes son el nitrógeno (N 2 ) y el oxígeno (O 2 ), pero también contiene en menores concentraciones: bióxido de carbono (CO 2 ), argón (Ar), neón (Ne), helio (He), criptón (Kr), xenón (Xe), hidrógeno (H 2 ), metano (CH 4 ), óxido nitroso (N 2 O) y vapor de agua (H 2 O) 1) Bajo y mediano vacío. El intervalo de presión atmosférica con estas características se manifiesta desde un poco menos de 760 torr hasta 10-2 torr. Los gases que componen el aire se evacuan a diferentes velocidades y esto altera la composición de gases del aire residual. 2) Alto vacío. El intervalo de presión se extiende desde cerca de 10-3 hasta 10-7 torr. La composición de gases residuales presenta un alto contenido de vapor de agua (H 2 O). 3) Ultra alto vacío. El intervalo de presión va desde 10-7 hasta torr. Las superficies internas del recipiente se mantienen limpias de gas. En este intervalo el componente dominante de los gases residuales es el hidrógeno. 2

3 Por qué requerimos vacío? Imaginemos que tenemos una superficie en vacío, el número de moléculas que golpean la superficie está dado por: R dn dt P 2πmKT 1.981x10 22 Torr 2 1 = = = cm s MT m es la masa molecular en Kg, M es la masa molecular en unidades de masa atómica, K=1.38x10-23 J/ºK y T la temperatura en Kelvin. P Para T=300ºK y P=10-6 Torr tenemos Molécula M R (10 14 cm -2 s -1 ) H H 2 O CO O CO Camino libre medio de moléculas en un gas λ = kt 2 2πξ P ξ : Diámetro de la molécula P: Presión T: Temperatura En condiciones de UHV, el camino libre medio de las moléculas en la cámara es de unos cuantos metros. Esto significa que las moléculas chocan primero con las paredes de la cámara que entre ellas mismas. 3

4 Bombas de vacío 4

5 Medidores de Vacío Bombas mecánicas 5

6 Bombas difusoras Bombas Turbo 6

7 Bombas iónicas Medidores de vacío Hidrostático Mecánicos P = ρ g h (1) Tubo de Bourdon (2) Sistema mecánico (3) Indicador 7

8 Medidores de vacío Pirani Medidor de ionización de cátodo caliente Accesorios de vacío 8

9 Materiales que pueden ser usados en UHV Materiales no deseados en una cámara de UHV Presión de vapor de algunos materiales Pasos para tener Ultra Alto Vacío 1. Se utiliza bombas mecánicas para alcanzar presiones en el rango de 10-2 y 10-4 Torr. 2. Se utiliza una bomba turbomolecular para alcanzar presiones en el rango de 10-6 y 10-7 Torr. 3. Se cierra la válvula que comunica la bomba turbo con la cámara y se enciende la bomba iónica. 4. El paso más importante para tener UHV es el proceso de recocido de la cámara. Cuando las paredes interna de la cámara de UHV han sido expuesta al aire, estas paredes son recubiertas por una película de agua (H 2 O se adhiere bien debido a su alto momento bipolar). Después del proceso de bombeo, estas moléculas de H 2 O se desorven lentamente, sin importar la alta velocidad de bombeo. La presión más baja que puede ser obtenida es de 10-8 Torr. Con el fin de librar la cámara de esta película de agua se necesita un recocido de 10 horas a una temperatura entre 150 y 180 ºC. Este recocido se inicia cuando la cámara alcanza una presión de 10-6 Torr. 9

10 Análisis químico del gas residual Los gases son ionizados igual que en un medidor de iones. Sólo deja pasar iones con la misma relación m/e. Tiene una multiplicadora de electrones que permite amplificar la señal entre 10 4 y 10 6 veces. Los gases típicos en un sistema de UHV son hidrógeno, agua, monóxido de carbono y en algunos casos dióxido de carbono. Es importante notar que el criterio es m/e y no simplemente m. Esto significa de iones doblemente cargados aparecerán a mitad del espectro, por ejemplo CO no sólo da un pico en m=28, también lo da en m=14, debido a la doble ionización. Después del recocido, la señal de H 2 O disminuirá notablemente y predominará las señales de hidrógeno atómico y CO. Si hay fugas en el sistema aparecerán picos en 28 y

11 Preparación de superficies bien definidas e interfaces 1) Clivaje en UHV: Una superficie fresca, limpia y bien definida de un material quebradizo se puede obtener en UHV por clivaje, utilizando una navaja. En un sistema de UHV esta técnica puede ser aplicada transfiriendo mecánicamente presión sobre la navaja a través de un fuelle. La técnica más utilizada es la llamada de la doble cuña. Entre las principales desventajas tenemos que sólo se puede obtener una superficie limpia, que sólo se puede aplicar a materiales quebradizos (NaCl, KCl, ZnO, TiO 2, SnO 2, Ge,Si, GaAs) y que el clivaje sólo se puede hacer a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas. Muestra semiconductora preparada para el clivaje por la técnica de doble cuña Esquema para un múltiple clivaje Muestra de ZnO (red hexagonal wurtzita) preparada para el clivaje. Plano de Clivaje (110) en la estructura zinc blenda de semiconductores III-V Plano de clivaje (111) para la estructura de diamante del Si o Ge. 11

12 2) Bombardeo de iones y recocido: los contaminantes de las capas atómicas más externa son removidos (erosionados) haciendo incidir iones de gas noble (Ar, Ne, etc) e inmediatamente después, es necesario un recocido a la muestra para remover los átomos del gas noble que hayan sido adsorbido en la superficie de la muestra, así como recuperar la cristalografía de la superficie. El procedimiento completo es realizado en varios ciclos, después de cada bombardeo se realiza un recocido. El procedimiento debe ser monitoreado por AES, XPS o LEED, hasta que el grado de contaminación (u orden cristalográfico) sea el deseado. Si se utiliza un cañón de iones de cátodo frío, se debe introducir al gas noble (Ar) hasta alcanzar una presión en el intervalo 10-4 y 10-3 Torr, el cañón del gas noble debe ser posicionado enfrente de la superficie a limpiar y se hace incidir los iones sobre la superficie (aplicando alto voltaje de unos cuantos kv). Para limpiar una superficie de 1 cm 2 de Cu en UHV, se aplica una corriente de iones de 5 μa por un periodo de 1 hora. La temperatura necesaria durante este proceso de limpieza depende mucho del material (semiconductor, metal o aislante). Para una superficie de Cu, se necesita una temperatura de 500 ºC, mientras que para el Pt y Si se requiere temperatura de hasta 1200 ºC. El recocido a menudo es hecho con un calentador óhmico y a veces es conveniente el bombardeo de electrones por la parte posterior del cristal. Para tal fin se calienta un filamento a una distancia de 2 cm de la parte posterior del cristal y el cristal es colocado a un potencial de V. Es posible que durante el proceso de recocido, impurezas del volumen difundan a la superficie, por tanto el proceso de bombardeo/recocido debe ser repetido varios ciclos. En ocasiones es conveniente mantener la muestra a alta temperatura durante el bombardeo de iones. Este proceso de limpieza (bombardeo/recocido) es favorable para metales y semiconductores como Si y Ge, pero desfavorable para materiales compuestos como óxidos, aleaciones y semiconductores compuestos. Ya que muchos elementos presentan diferentes velocidad de erosión, produciendo un cambio estequiométrico no deseados en la muestra. 12

13 Cañón de iones de Ar de cátodo frío. 13