Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме

Полезная модель относится к области спинтроники и наноэлектроники и может быть использована для намагничивания тонкопленочных покрытий в технологическом цикле производства полупроводниковой элементной базы для портативных приборов.
Известно переносное устройство [1] для намагничивания компенсационных постоянных магнитов, содержащее средство создания магнитного импульса высокой интенсивности, в котором энергия от источника медленно накапливается в батарее конденсаторов, а после достижения необходимого значения разряжается на индукторы кратковременным импульсом большой силы тока. Таким образом, накопитель заряжается током малой силы, следовательно, не требуется мощный источник электроэнергии.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности предварительного нагрева заготовки, а также возможности для работы с устройством в вакуумных камерах, что является необходимым требованием при выполнении задач по производству полупроводниковой элементной базы для портативных приборов.
Известно устройство [2] для намагничивания. Устройство включает электромагнит, который содержит блок управления длительностью и скважностью импульсов магнитного поля, состоящий из параллельно соединенных реле времени и пускателя, причем параллельно к блоку управления длительностью и скважностью подключена электрическая цепь из последовательно соединенных электромагнита, амперметра, нагревательного элемента с параллельно подключенным вольтметром.
Недостатком известного устройства является неприспособленность устройства к работе в вакууме при производстве микроэлектронных устройств и намагничивании тонкопленочных покрытий.
Наиболее близким к заявленному является устройство [3] для термообработки металла на основе вакуумной намагниченности. Устройство для термообработки металла на основе вакуумной намагниченности включает в себя вакуумную камеру с присоединенным вакуумным насосом. Внутри вакуумной камеры расположена опорная рама. Опорная рама используется для установки и размещения ферромагнитной заготовки, которая выполнена в виде стержня или пластины. Один конец заготовки, снабжен катушкой индукционного тока с изменением магнитного потока, а другой конец снабжен вспомогательной катушкой индукционного тока с изменением магнитного потока и катушкой высокочастотного нагрева, намотанной на заготовку. Индукционная катушка высокочастотного нагрева также является основной катушкой индукционного тока для изменения магнитного потока при отключении питания и понижении температуры.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности изменения положения заготовки во время технологического процесса, что, например, может требоваться для намагничивания образца в различных направлениях (в продольном и поперечном направлении, относительно плоскости тонкопленочного покрытия).
Заявленная полезная модель свободна от этих недостатков.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность контролируемого намагничивания тонкопленочных покрытий в различных направлениях (в продольном и поперечном направлении относительно плоскости тонкопленочного покрытия) в вакууме. Указанный технический результат достигается за счет использования соосно размещенных внутри вакуумной камеры парных намагничивающих катушек с возможностью линейного перемещения и устройства захвата подложки, с возможностью линейного перемещения вдоль своей оси и вращения вокруг нее на 360°, а также расположенного под углом 90° относительно намагничивающих катушек и устройства захвата поворотного столика с возможностью линейного перемещения вдоль своей оси и вращения вокруг нее на 360°.
Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1, Фиг. 2.
На Фиг. 1 приведена схема заявленной полезной модели. Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме представляет собой вакуумную камеру 1, к корпусу которой посредством фланцевых соединений присоединены система откачки и контроля давления 2, шлюзовой вентиль 3, смотровое окно 4, снизу присоединен поворотный столик 6, на котором может фиксироваться подложка 9, на боковых сторонах вакуумной камеры, под углом 90° к оси поворотного столика, соосно расположены устройство захвата подложки 5 и парные намагничивающие катушки 7, к которым подключен управляющий блок 8.
Устройство захвата подложки 5 выполнено в виде подвижного штока, способного перемещаться вдоль своей оси и вращаться вокруг нее на 360° и имеющего на конце механизм для захвата подложки.
На противоположной от него стороне вакуумной камеры 1 соосно с ним расположены две парные намагничивающие катушки 7, закрепленные на штоке, позволяющем вдвигать их внутрь вакуумной камеры 1. К намагничивающим катушкам 7 может быть подключен управляющий блок 8, создающий в них магнитное поле. Намагничивающие катушки 7 выполнены из медного провода с защитным изолирующим покрытием и закреплены параллельно друг другу, симметрично относительно оси «устройство захвата подложки 5 - намагничивающие катушки 7» так, чтобы их общая нормаль была под углом 90° вышеупомянутой оси. При этом расстояние между намагничивающими катушками 7 должно быть больше, чем ширина поворотного столика 6.
Поворотный столик 6 выполнен в виде плоского держателя подложки, закрепленного на конце штока, способного вдвигаться внутрь вакуумной камеры 1 и вращаться вокруг своей оси. Поворотный столик 6 расположен в вакуумной камере 1 так, что ось штока пересекает ось «устройство захвата образцов 5 - намагничивающие катушки 7» в центре вакуумной камеры 1 и при этом плоскость держателя подложки параллельна плоскости, образованной вышеупомянутой осью и нормалью намагничивающих катушек 7. При этом все части поворотного столика 6 выполнены из немагнитных материалов.
Данная схема полезной модели позволяет подсоединить устройство к имеющейся вакуумной камере, в которой подложка с тонкопленочным покрытием перемещается в вертикальном направлении.
-8
-10
Устройство работает следующим образом. Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме присоединяется шлюзовым вентилем 3 посредством фланцевого соединения к имеющейся вакуумной системе, после чего включается система откачки и контроля давления 2. При достижении давления в вакуумной камере 1 от 10 до 10 мбар шлюзовой вентиль 3 открывается и в центр вакуумной камеры 1 вносится подложка 9. Подложка 9 захватывается устройством захвата 5, после чего шлюзовой вентиль 3 закрывается, изолируя объем вакуумной камеры 1 от остальной вакуумной системы. Все перемещения подложки 9 и других элементов в вакуумной камере 1 контролируются через смотровое окно 4.
Для намагничивания подложки 9 перпендикулярно плоскости ее поверхности подложку поворачивают в устройстве захвата 5 таким образом, чтобы она была параллельна плоскости намагничивающих катушек 7, и вдвигают в центр вакуумной камеры 1. После этого, намагничивающие катушки 7 также вдвигают в центр вакуумной камеры 1 таким образом, чтобы центр подложки 9 располагался на оси, соединяющей центры намагничивающих катушек 7. После этого намагничивающие катушки 7 подключают к блоку управления 8. При этом в намагничивающих катушках 7 возникает магнитное поле, которое намагничивает подложку. После окончания процесса намагничивания, блок управления намагничивающих катушек 8 отключают, а намагничивающие катушки 7 отводят из центра вакуумной камеры 1 к стенке.
Для намагничивания подложки в направлении, лежащем в плоскости его поверхности, подложка 9 сначала устанавливается на поворотном столике 6. Для этого поворотный столик 6 вдвигается внутрь вакуумной камеры 1 так, что поверхность плоского держателя подложки оказывается на оси штока устройства захвата 5. После этого устройство захвата 5 вместе с подложкой 9 вдвигается внутрь вакуумной камеры 1 и, после размещения подложки 9 на плоском держателе подложки, отпускает его и отодвигается к краю вакуумной камеры 1. Для того чтобы намагнитить подложку 9 в требуемом направлении, поворотный столик 6 с зафиксированной на нем подложкой 9 поворачивается вокруг оси на требуемый угол относительно направления магнитного поля в намагничивающих катушках 7. После этого, намагничивающие катушки 7 вдвигают в центр вакуумной камеры 1 таким образом, чтобы центр подложки располагался на оси, соединяющей центры намагничивающих катушек 7 (это возможно из-за того, что оси, вдоль которых перемещаются катушки 7 и поворотный столик 6 пересекаются под углом 90°). После подключения блок управления 8 к намагничивающим катушкам 7, производится намагничивание подложки 9. После этого блок питания 8 отключают и намагничивающие катушки 7 отводят к краю вакуумной камеры 1, а поворотный столик 6 поворачивают вокруг оси, ориентируя подложку 9 таким образом, чтобы ее можно было захватить устройством захвата 5. Устройство захвата 5 подводят к держателю подложки, захватывают с него подложку 9 и отводят от центра вакуумной камеры 1, после чего поворотный столик 6 также отодвигают к стенке вакуумной камеры 1.
После окончания процесса намагничивания шлюзовой вентиль 3 открывается, и подложку 9 забирают из устройства захвата 5 в основную вакуумную систему для дальнейшей работы с ней, а шлюзовой вентиль 3 закрывают.
На Фиг. 2 приведена схема (фронтальный (спереди), боковой (слева) и вертикальный (сверху) разрезы) заявленной полезной модели, подходящей для подсоединения к готовым вакуумным системам, в которых подложка 9 с тонкопленочным покрытием перемещается механизмом, работающим в горизонтальной плоскости. В этом случае устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме представляет собой вакуумную камеру 1, к которой присоединена система откачки и контроля давления 2, сзади расположен шлюзовой вентиль 3, сверху присоединено смотровое окно 4, снизу расположен поворотный столик 6, на котором может фиксироваться подложка 9, на боковых сторонах камеры, под углом 90° к оси устройства нагрева, соосно расположены устройство захвата подложки 5 и намагничивающие катушки 7, к которым подсоединен управляющий блок 8.
Заявленная полезная модель была апробирована в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).
Конкретные примеры реализации приведены ниже.
Пример 1.
Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме, в котором в качестве вакуумной камеры 1 использовалась цилиндрическая вакуумная камера внутренним диаметром 200 мм и длиной 300 мм со стандартными фланцевыми соединениями стандарта CF40 и CF63, соединенная с помощью шлюзового вентиля 3 с фланцевым соединением CF40 на верхнем торце камеры 1, с вакуумной камерой, предназначенной для получения органических тонкопленочных покрытий в вакууме. В качестве подложки 9 использовался графен/Fe/W(110), закрепленный на поверхности молибденового держателя стандарта Omicron.
-8
-9
На боковой поверхности вакуумной камеры 1 смонтировано вакуумное смотровое окно CF63 4, к другому боковому фланцу CF63 через сильфон подключена двухступенчатая система откачки и контроля вакуума 2, которая в течение всего времени поддерживала вакуум на уровне 10-10 мбар. В качестве устройства захвата подложки 5 на боковой поверхности камеры установлен механизм захвата подложки типа «вакуумный пинцет», выполненный в виде подвижного штока, способного осуществлять линейное перемещение вдоль своей оси вместе с подложкой (не менее 250 мм), обеспечивать вращение вокруг своей оси на 360°. На конце устройства захвата 5 установлен механизм для захвата подложки стандарта Omicron. На противоположной стороне вакуумной камеры 1 относительно расположения устройства захвата 5 соосно с ним расположены две парные намагничивающие катушки 7, к которым может подключаться блок управления 8, закрепленные на штоке, позволяющем вдвигать их внутрь камеры (не менее 100 мм). Катушки выполнены из медного провода с защитным изолирующим покрытием и закреплены параллельно друг другу. Расчетная величина индукции магнитного поля между катушками не менее 0.1 Тл. При этом расстояние между катушек составляло 45 мм, тем самым обеспечивая возможность размещения между ними устройства захвата 5 вместе с подложкой стандарта Omicron 9, а также поворотного столика 6 с закрепленной подложкой стандарта Omicron 9.
В качестве поворотного столика 6 использовался подвижный шток с магнитным приводом, способный вдвигаться внутрь вакуумной камеры (линейный ход не менее 500 мм) и вращаться вокруг своей оси. На конце штока был закреплен плоский держатель подложки 30×30 мм. Поворотный столик 6 присоединен к вакуумной камере 1 снизу через фланец CF40 и расположен так, что ось поворотного столика 6 проходит вдоль оси камеры 1 и развернута на 90° относительно оси, на которой расположены устройство захвата подложки 5 и намагничивающие катушки 7.
-9
Работа устройства апробировалась следующим образом. После достижения в вакуумной камере 1 уровня вакуума порядка 1×10 мбар, открывался шлюзовой вентиль 3 и из смежной вакуумной камеры, предназначенной для получения органических тонкопленочных покрытий, с помощью механизма перемещения вдвигалась подложка стандарта Omicron 9, на которой закреплен образец для намагничивания (графен/Fe/W(110) в виде квадратной пластины размером 10×10×2 мм). Подложка захватывалась устройством захвата 5, после чего механизм перемещения убирался, а шлюзовой вентиль 3 закрывался, изолируя объем вакуумной камеры 1 от вакуумной камеры, предназначенной для получения органических тонкопленочных покрытий. Все перемещения подложки 9 и других элементов в вакуумной камере 1 контролировались через смотровое окно 4.
Для намагничивания подложки графен/Fe/W(110) 9 в продольном направлении подложка 9 сначала фиксировалась на поверхности поворотного столика 6. Для этого поворотный столик 6 вдвигался внутрь вакуумной камеры 1 так, что поверхность плоского держателя подложки оказывалась на оси штока устройства захвата 5. После этого устройство захвата 5 фиксировало подложку графен/Fe/W(110) 9 на поверхности поворотного столика 6, и отодвигалось к краю вакуумной камеры 1. Затем вдвигались намагничивающие катушки 7 таким образом, чтобы центр подложки 9 располагался на оси, соединяющей центры намагничивающих катушек 7. Затем намагничивающие катушки 7 подключались к блоку управления 8 и в течение 1 минуты производилось намагничивание подложки 9. После окончания процесса намагничивания, блок управления 8 намагничивающих катушек 7 отключался, а намагничивающие катушки 7 отводились из центра вакуумной камеры 1 к стенке. Затем устройство захвата 5 подводилось к поворотному столику 6, захватывало с его поверхности намагниченную подложку графен/Fe/W(110) 9, и отводилось от центра вакуумной камеры 1, после чего поворотный столик 6 также отодвигался к стенке вакуумной камеры 1. После окончания работы устройства шлюзовой вентиль 3 открывался, и подложка графен/Fe/W(110) 9 с намагниченным слоем фиксировалась устройством захвата 5 в механизме перемещения камеры, предназначенной для получения органических тонкопленочных покрытий в вакууме, и затем перемещалась в вакуумную камеру, предназначенную для получения органических тонкопленочных покрытий, без нарушения вакуумных условий, а шлюзовой вентиль 3 закрывался.
Пример 2.
-8
-9
Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме, в котором в качестве вакуумной камеры 1 использовалась 6-позиционная крестовая вакуумная камера со стандартными фланцевыми соединениями CF100, соединенная с помощью шлюзового вентиля 3 с фланцевым соединением CF100, расположенного на одном из боковых фланцев камеры 1, с вакуумной камерой UFO с радиальным роботом-раздатчиком уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб». На вакуумную камеру 1 сверху смонтировано вакуумное смотровое окно CF100 4, на боковом фланце, находящемся напротив шлюзового вентиля 3, расположена многоступенчатая система откачки и контроля вакуума 2, которая в течение всего времени поддерживала вакуум на уровне 10-10 мбар. В качестве устройства захвата подложки 5 к правому боковому фланцу камеры 1 прикреплен механизм захвата подложки типа «вакуумный пинцет», выполненный в виде подвижного штока, способного осуществлять линейное перемещение вдоль своей оси вместе с подложкой (не менее 350 мм), обеспечивать вращение вокруг своей оси на 360°. На конце устройства захвата 5 установлен механизм для захвата подложки стандарта Omicron. На противоположной стороне вакуумной камеры 1 относительно расположения устройства захвата 5 соосно с ним расположены две парные намагничивающие катушки 7 с блоком управления 8, закрепленные на штоке, позволяющем вдвигать их внутрь камеры (не менее 100 мм). Катушки выполнены из медного провода с защитным изолирующим покрытием и закреплены параллельно друг другу. Расчетная величина индукции магнитного поля в катушках не менее 0.1 Тл. При этом расстояние между катушек составляло 45 мм, тем самым обеспечивая возможность размещения между ними устройства захвата 5 вместе с подложкой стандарта Omicron 9, а также поворотного столика 6 с закрепленной подложкой стандарта Omicron 9. При этом за счет использования крестовой вакуумной камеры, шлюзовой вентиль 3 находился на одном уровне с устройством захвата подложки 5.
В качестве поворотного столика 6 использовался подвижный шток с магнитным приводом, способный вдвигаться внутрь вакуумной камеры (линейный ход не менее 500 мм) и вращаться вокруг своей оси. На конце штока закреплен плоский держатель подложки размером 30×30 мм. Поворотный столик 6 присоединен к вакуумной камере 1 снизу и расположен так, что ось, вдоль которой он может перемещаться, проходит через центр вакуумной камеры 1 и ортогональна оси, на которой расположены устройство захвата подложки 5 и намагничивающие катушки 7, также проходящей через центр вакуумной камеры 1.
-9
Работа устройства апробировалась в той же последовательности действий, как и в приведенном примере 1. После достижения в вакуумной камере 1 уровня вакуума порядка 1×10 мбар, открывался шлюзовой вентиль 3 и из смежной вакуумной камеры UFO с радиальным роботом-раздатчиком уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб» с помощью механизма перемещения вдвигалась подложка стандарта Omicron, на которой закреплен образец для намагничивания (графен/Au/Со(0001) в виде квадратной пластины размером 10×10×2 мм). Подложка захватывалась устройством захвата 5, после чего механизм перемещения убирался, а шлюзовой вентиль 3 закрывался, изолируя объем вакуумной камеры 1 от остальной вакуумной системы уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб». Все перемещения подложки и других элементов в вакуумной камере 1 контролировались через смотровое окно 4.
Для намагничивания подложки графен/Au/Со(0001) в поперечном направлении подложка была повернута в устройстве захвата 5 таким образом, чтобы она была параллельна плоскости намагничивающих катушек 7, и вдвигалась в центр вакуумной камеры 1. После этого, шток, на котором закреплены намагничивающие катушки 7, также вдвигался внутрь вакуумной камеры 1 таким образом, чтобы центр подложки располагался на оси, соединяющей центры намагничивающих катушек 7. После этого намагничивающие катушки 7 подключались к управляющему блоку 8 и производилось намагничивание подложки графен/Au/Со(0001) 9. После окончания процесса намагничивания, блок управления 8 намагничивающих катушек 7 отключался, а намагничивающие катушки 7 отводились из центра вакуумной камеры 1 к стенке. После окончания работы устройства шлюзовой вентиль 3 открывался, и подложка графен/Au/Со(0001) 9 с намагниченным слоем фиксировалась устройством захвата 5 в механизме перемещения радиального робота-раздатчика уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб» и затем перемещалась в UFO вакуумную камеру «Научно-исследовательская платформа Нанолаб» без нарушения вакуумных условий, а шлюзовой вентиль 3 закрывался.
Для намагничивания подложки графен/Au/Со(0001) в продольном направлении подложка сначала фиксировалась на поверхности поворотного столика 6. Для этого поворотный столик 6 вдвигался внутрь вакуумной камеры 1 так, что поверхность плоского держателя подложки оказывалась на оси штока устройства захвата 5. После этого устройство захвата 5 фиксировало подложку графен/Au/Со(0001) 9 на поверхности держателя подложки, и отодвигалось к краю вакуумной камеры 1. Затем вдвигались намагничивающие катушки 7 таким образом, чтобы центр подложки 9 располагался на оси, соединяющей центры намагничивающих катушек 7. После этого намагничивающие катушки 7 подключались к управляющему блоку 8 и производилось намагничивание подложки графен/Au/Со(0001) 9. После окончания процесса намагничивания, блок управления 8 намагничивающих катушек 7 отключался, а намагничивающие катушки 7 отводились из центра вакуумной камеры 1 к стенке. Затем устройство захвата 5 подводилось к поворотному столику 6, захватывало с его поверхности намагниченную подложку графен/Au/Со(0001) 9 и отводилось от центра вакуумной камеры 1, после чего поворотный столик 6 также отодвигался к стенке вакуумной камеры 1. После окончания работы устройства шлюзовой вентиль 3 открывался, и подложка графен/Au/Со(0001) с намагниченным слоем фиксировалась устройством захвата 5 в механизме перемещения радиального робота-раздатчика уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб» и затем перемещалось в UFO вакуумную камеру «Научно-исследовательская платформа Нанолаб» без нарушения вакуумных условий, а шлюзовой вентиль 3 закрывался.
По результатам анализа, проведенного методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением в аналитической вакуумной камере уникальной научной установки «Научно-исследовательская платформа Нанолаб», был продемонстрирован переворот спинов валентных электронов в системе графен/Au/Со(0001) [4].
Как видно из приведенных примеров, заявленное устройство позволяет получить намагниченное тонкопленочное покрытие в вакууме. Намагниченные тонкопленочные покрытия, полученные заявленным способом, можно использовать в технологическом цикле производства полупроводниковой элементной базы для портативных приборов наноэлектроники и спинтроники.
Список источников информации
1. Патент RU 197460 U1.
2. Патент RU 2328788 C1.
3. Патент CN 112126748 A (прототип).
4. A.G. Rybkin, et al., Nano Letters, 18(3), 1564-1574 (2018).