Установка для вакуум-термического нанесения металлических слоев на низкотемпературные подложки

Настоящая полезная модель относится к области тонкопленочной технологии и предназначена для нанесения металлических слоев на термически нестабильные материалы.
Известны установки для получения металлических слоев термическим испарением в вакууме (см. например Book Title Handbook of Thin-Film Technology / Editors Hartmut Frey, Hamid R. Khan / DOI https://doi.org/10.1007/978-3-642-05430-3). Недостатком этих установок является то, что лишь малая доля испаряемого материала оседает на подложке. Большая же часть испаряемого материала оседает на стенках вакуумной камеры и деталях внутрикамерной оснастки, вызывая их загрязнение.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является установка зонной сублимационной перекристаллизации (ЗСП) (Aleksandrov L.N., Lozovskii S.V., Knyazev S.Y. Silicon Zone Sublimation Regrowth // Phys. Stat. Sol.(a), 1988. - V.107., P. 213-223.), принимаемая за прототип. В прототипе источник представляет собой сплошную пластину диаметром D, причем D>>l, где  l - расстояние между источником и подложкой. В этом случае эффективность переноса испаряемого материала существенно повышается (почти до 100%), а проблема загрязнения вакуумной камеры отсутствует. Недостатком прототипа является существенный нагрев подложки за счет теплового излучения, поступающего от близко расположенного горячего источника. По этой причине установка для ЗСП не применима для нанесения металлических слоев на термически нестабильные материалы, разлагающиеся под действием высокой температуры.
Настоящая полезная модель обеспечивает возможность напыления металлических слоев с исключением перегрева подложки, что имеет принципиальное значение для термически нестабильных подложек. Техническим результатом полезной модели является возможность перемещения подложки над сублимирующим источником в течение достаточно короткого времени, тем самым предупреждая их перегрев.
Технический результат достигается за счет того, что в установке для вакуум-термического нанесения металлических слоев на низкотемпературные подложки, содержащей вакуумную камеру, выполненную из кварцевой трубы и снабженной крышкой с резиновым кольцом, а также установленную на стальной опорной плите через уплотнительное резиновое кольцо, на опорной плите размещены четыре опорные стойки с закрепленным на них испарителем с сублимирующим источником внутри него и подложкой, причем D>>l, где: D - линейные размеры сублимирующего источника и подложки, а  l - расстояние между ними, причем в крышке вакуумной камеры закреплен шток с помощью вакуумного уплотнения, с возможностью вращения и вертикального перемещения, на нижнем конце штока закреплен подложкодержатель, выполненный из графита в виде диска, по переферийной части которого по кругу размещены окна, выполненные с выступами для размещения в них подложек, испаритель содержит сублимирующий источник, выполненный в виде зигзагообразной пластины из испаряемого металла размещенный на молибденовой пластине через керамические прокладки, корпус испарителя выполнен из молибдена и снабжен юстировочными винтами.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой установки.
На фиг. 2 представлен подложкодержатель.
На фиг. 3 представлен испаритель (вид сбоку).
На фиг. 4 представлен испаритель (вид сверху).
Установка содержит вакуумную камеру, выполненную из кварцевой трубы 1, которая установлена на опорной плите 2 через уплотнительное резиновое кольцо 3. Сверху кварцевая труба 1 закрывается крышкой 4, с использованием резинового кольца 5. На опорной плите 2 размещены четыре опорные стойки 6 с закреплённым на них испарителем 7 с сублимирующим источником внутри него. Две опорные стойки 6 одновременно выполняют роль электроподводящих контактов. В крышке 4 вакуумной камеры 1 закреплен с помощью вакуумного уплотнения 8 шток 9 с возможностью вращения и вертикального перемещения. На нижнем конце штока 9 закреплен подложкодержатель 10, который выполнен из графита в виде диска. Шток 9 приводится во вращение электродвигателем (поз. не обозначена). Кроме того шток 9 перемещается в вертикальном направлении с помощью винта (поз. не обозначена). В подложкодержателе 10 по кругу на его перефирийной части размещены окна 11, в которые уложены подложки 12. По углам окон 11 выполнены выступы 13, служащие для размещения подложек 12. Испаритель 7 содержит сублимирующий источник 14, выполненный в виде зигзагообразной пластины из испаряемого металла. Зигзагообразная форма указанной пластине придается с помощью прорезей. Концы зигзагообразного сублимирующего источника 14 загибаются и соединяются с токовводами 15, выполненными из молибдена или графита. Электрическая изоляция токовводов 15 осуществляется с помощью керамических втулок 16. Сублимирующий источник 14 размещен на молибденовой пластине 17, выполняющей роль теплового экрана. Электрическая изоляция сублимирующего источника 14 от молибденовой пластины 17 осуществляется с помощью керамических прокладок 18. Сублимирующий источник 14 с молибденовой пластиной 17 помещаются в корпус 19 испарителя 7, выполненный из молибдена. В дно корпуса ввинчиваются четыре котировочных винта 20, для установки поверхности сублимирующего источника горизонтально и на уровне бортов 21 корпуса 19 испарителя 7.
Установка работает следующим образом. После вакуумирования рабочей камеры с помощью винта (поз. не обозначено) задается расстояния ι≈2 мм между сублимирующим источником 14 и подложкодержателем 10. При меньших ι возникает опасность касания вращающегося подложкодержателя 10 источника 14 или бортов 21 корпуса 19 испарителя 7. При значениях ι>2 мм ухудшается эффективность переноса испаряемого металла на подложку, вследствие менее строго соблюдения условия D>>ι. Далее приводится во вращение подложкодержатель 10. После этого сублимирующий источник 14 нагревают, пропуская через него электрический ток. Каждая из подложек 12 за счет непрерывного движения подложкодержателя 10 периодически располагаются против источника 14, т.е. попадают в высокотемпературную зону сублимации. В зоне сублимации происходит осаждение молекулярного потока металла на подложку 12. При этом за счет теплового потока поступающего от горячего сублимирующего источника 14 температура подложки увеличивается. Максимальное значение температуры, до которой нагреется подложка, определяется временем ее пребывания в зоне сублимации. Указанная максимальная температура не должна превышать допустимую, определяемую свойствами материала подложки. Время нахождения подложки 12 в зоне сублимации и соответственно максимальная температура подложки задается скоростью вращения подложкодержателя 10. Выйдя из зоны сублимации, подложка 12 остывает до следующего попадания в эту зону. После проведения периодического процесса сублимационного нанесения заданной толщины металла на подложку 12 производится выключение установки.
Загрузка подложек 12 осуществляется следующим способом. Крышка 4 вместе с установленным на ней штоком 9 и подложкодержателем 10 вертикально поднимается. Далее оператор извлекает обработанные подложки 12 и укладывает в подложкодержатель 10 новые подложки. После этого крышка 4 устанавливается в исходное положение и процесс нанесения пленки металла на подложку 12 повторяется.
Заявленное техническое решение может быть использовано для нанесения сублимирующих металлов (серебро, цинк, золото, медь и др.). Для каждого металла характерны своя температура и свое время экспозиции сублимации, определяемое допустимой температурой подложки. Экспериментально установка была опробована для нанесения слоев серебра на подложки из органического вещества Р3НТ:РСВМ (поли-3-гексилтиофен:фенил-С61-бутановой кислоты метиловый эфир) для фотоэлектрического преобразователя с допустимой температурой 180°С. Температура сублимирующего источника составляла 770°С, время однократного пребывания подложки в зоне сублимации - 30 с, а общее время процесса групповой обработки 12 подложек при толщине слоя 100 нм - 70 мин. Подложки в процессе напыления слоя серебра не нагревались выше 150°С. Таким образом, подтверждено заявленное назначение полезной модели.