Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена c60f18 на подложку, устройство ввода подложки в вакуум и устройство для испарения фторфуллерена c60f18

Изобретение может быть использовано в нелинейной оптике и пироэлектрических устройствах. Перед осаждением пленки подготавливают подложку, отделяя от высокоориентированного пирографита тонкий слой с помощью двусторонней липкой ленты. Порошок C₆₀F₁₈ загружают в испарительную ячейку, помещают в вакуумную камеру, на расстоянии от 10 до 40 мм от нее устанавливают контейнер с подготовленной подложкой. Испарение порошка C₆₀F₁₈ производят посредством нагрева испарительной ячейки до 120-170°С, поддерживая температуру подложки 18-25°С. Устройство ввода подложек в вакуум включает вакуумную камеру, шлюзовое устройство с прямопролетным клапаном и фланцем-окном для смены и загрузки подложек, шток, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения и вращения, держатель с подложкой. Устройство для испарения фторфуллерена включает средства механической и тепловой защиты, контроля и регулирования температуры нагрева, монтажа и позиционирования составляющих элементов, трубчатый нагреватель и средство для размещения испаряемого вещества. Трубчатый нагреватель выполнен в виде кварцевой трубки 8 с намотанным снаружи проволочным нагревателем 7. Средства монтажа и позиционирования выполнены в виде шпильки 4 для консольного крепления ячейки, винта с гайкой 9 и хомута 10, размещенных на керамической стойке 11, установленной в круглом основании 1 испарительной ячейки. Средства позиционирования включают алундовую двухканальную трубку 6 для термопары 5. Изобретение позволяет упростить получение пленок, а также обслуживание и ремонт оборудования, снизить энергоемкость и повысить надежность. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Данное предложение может быть использовано для получения и исследования тонких пленок, различных покрытий и наноматериалов с температурой испарения до 600°С. Предложение направлено на совершенствование способа осаждения новых наноматериалов, которыми являются мономолекулярные пленки фторфуллерена С₆₀F₁₈ на различных подложках. В молекуле C₆₀F₁₈ размером ~1 нм (приблизительно 1 нм) 18 атомов фтора группируются только с одной стороны каркаса С₆₀, что приводит к большому электрическому дипольному моменту (ЭДМ), около 10-13 дебаев. Благодаря этому молекула C₆₀F₁₈ может проявлять сегнето- или пироэлектрические свойства, т.е. это соединение может быть интересно с точки зрения создания упорядоченных структур, необходимых для применений в нелинейной оптике, в пироэлектрических и других устройствах. Отдельную актуальность работы представляет возможность создания тонких монослойных поляризованных по ЭДМ покрытий, в которых молекулы строго ориентированы вдоль одного направления. На данный момент процессы осаждения тонких пленок C₆₀F₁₈ на различные подложки не изучены. Кроме того, составляющие данное предложение ячейка и вакуумная камера имеют более простую конструкцию, чем используемые в настоящее время, и могут применяться при получении пленок разных материалов в условиях высокого или низкого вакуума в небольших коммерческих фирмах в экономичном режиме напыления, что особенно актуально для испарения дорогостоящих и/или агрессивных материалов.

Уровень техники

Среди известных способов термического вакуумного испарения с осаждением мономолекулярных слоев фуллеренов С₆₀ и C₇₀ имеется наиболее распространенный способ испарения с помощью "лодочки" из тугоплавких металлов типа W, Та, Мо, как, например, в работе Т.Ohno, S.Yatsuya "Growth offullerene nanoparticles prepared by the gas-evaporation technique". Journal of Materials Science, 33 (1998) 5843-5847 /1/ при испарении из вольфрамовой лодочки порошков C₆₀ и C₇₀:

"…Чистота исходных материалов (Texas Fullerenes Corp.) составляла 99,9% для С₆₀ и 99% для С₇₀. Испарение проводилось в большинстве случаев из вольфрамовой лодочки (6×80×0.1 мм³), нагретой до температуры T_s в интервале от 1000 до 1300°С в атмосфере аргона при давлении Аr от 0.7 до 2.6 кПа. Чтобы исследовать эффект от влияния температуры испарения на кристаллическую структуру и габитус наночастиц С₇₀, порошок С₇₀ испарялся из танталовой лодочки, которая была покрыта танталовым куском с двумя отверстиями типа пинхол (англ. pinhole), который нагревался до Ts=1750°С.

(pinhole - малое отверстие в микронной области, "булавочное отверстие") см., например: «Энциклопедии Стеноп - Википедия, ru.wikipedia.org»).

Образцы для исследования с помощью электронной микроскопии собирались после 1 секунды испарения на различных боковых расстояниях L от напыленного центра и на вертикальном расстоянии V от лодочки..."

Недостатком способа осаждения /1/ из лодочки является, в частности, большое количество расходуемого порошка С₆₀ (стоимостью около 1000 Евро за 1 г), что при использовании данного метода напыления экономически разорительно.

Испарение проводят также из промышленных тиглей разного типа, как, например, описано в работе A. Goldoni, G. Paolucci "The interaction оf С₆₀ with Ag(100):

strong predominantly ionic bonding", Surface Science 437 (1999) 353-361, /2/, где испаряли порошок С₆₀ из Та тигля на подложку из Ag, температура которой была 700К или осаждали несколько монослоев на подложку при комнатной температуре и затем нагревали до 700К (чтобы десорбировать лишнее и оставить 1 монослой).

Недостатком данного метода напыления также является использование большего количества порошка для напыления более толстой пленки, а также образование дополнительных дефектов при испарении данной толстой пленки до мономолекулярной толщины.

Испаритель типа лодочки или тигля, как и испарение из них, можно рассматривать в качестве известных решений-аналогов к предложенному решению (способу испарения и устройству).

Об использовании ячейки Кнудсена WKC3 при испарении металлов сообщается, например, в диссертации Bjørn FISCHER (на стр.9): NUCLEATION AND GROWTH IN METAL-ON-METAL EPITAXY:THE INFLUENCE OF STRAIN AND SURFACE RECONSTRUCTION THÈSE №1773 (1998), см. http://ipn2.epfl.ch/LSEN/jvb/pdf_files/Bjørn_thesis_1998.pdf/…(3).

Кроме того, в США и Германии имеется ряд фирм, которые выпускают разнообразные ячейки Кнудсена, например это фирмы AJA International Inc. Evaporation Systems (США), Comstock Inc. (США), Торас (США, http://www.topac.com/kcel.html), Tectra GmbH (Германия), Henniker Scientific (Германия). Большинство данных ячеек используется для высокотемпературного испарения пленок (250-1500°С) большой площади и имеют большие габариты и используемые мощности нагревателей (от 125 Вт до 3.5 кВт).

В качестве прототипа для Способа осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена C₆₀F₁₈ на подложку выбрана публикация (см. статья «V.M.Mikoushkin et al, Core Electron Level structure in C₆₀F₁₈ Fluorinated Fullerenes…»).

Однако в указанном решении имеются следующие недостатки:

- высокая энергоемкость, ненадежность в эксплуатации.

- сложность изготовления, обслуживания и ремонта,

- недостатки в ассортименте готовой продукции, в диапазоне вакуумирования - для применения при получении пленок разных материалов в условиях высокого или низкого вакуума в экономичном режиме напыления при испарении дорогостоящих и/или агрессивных материалов.

Предложенное решение обеспечивает технический результат, состоящий в следующем:

- снижена энергоемкость, повышена надежность в эксплуатации.

- упрощены процессы изготовления, обслуживания и ремонта,

- устранены недостатки в ассортименте готовой продукции, в диапазоне вакуумирования - для применения при получении пленок разных материалов в условиях высокого или низкого вакуума в экономичном режиме напыления при испарении дорогостоящих и/или агрессивных материалов.

Указанное обеспечено предложенной совокупностью существенных признаков.

Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена C₆₀F₁₈ на подложку включает операции подготовки подложки, испарения порошка C₆₀F₁₈ в вакуумной камере и осаждение его мономолекулярной пленки на подложку, при этом

- осуществляют загрузку порошка C₆₀F₁₈ в испарительную ячейку, вводят испарительную ячейку с порошком в вакуумную камеру, устанавливают контейнер с подложкой для напыления пленки в вакуумной камере, причем подготовка подложки состоит в отделении с помощью двусторонней липкой ленты от используемого высокоориентированного пиролитического графита HOPG тонкого слоя и его размещение в контейнер непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру, при этом вакуумную откачку камеры проводят до получения базового вакуума приблизительно 10^-9 мбар, перед испарением порошка производят обезгаживание испарительной ячейки с порошком C₆₀F₁₈ с помощью прогрева испарительной ячейки до температуры 110-120°С в течение 12-15 часов, при вакуумировании, испарение порошка C₆₀F₁₈ производят посредством нагрева испарительной ячейки до температуры 120-170°С, осаждение тонкой пленки C₆₀F₁₈ производят на подложки, имеющие поддерживаемую температуру 18-25°С, размещение подложки осуществляют на расстоянии от 10 до 40 мм от корпуса испарительной ячейки;

- нагрев испарительной ячейки с порошком осуществляют до температуры испарения порошка C₆₀F₁₈ 140-160°С при мощности нагревателя 2-3 Вт, используя источник питания постоянного тока, при этом создают вакуум не хуже 7×10-9 мбар;

- процесс напыления пленки производят на подложку до диаметра 7-10 мм и осуществляют до толщины пленки от 0.1 до 1 монослоя;

- расстояние от корпуса испарительной ячейки до подложки s выбирают в пределах 15-25 мм.;

- скорость осаждения пленки выбирают в пределах 0.01-0.1 нм/с.

Прототипом для устройства ввода подложки в вакуум является а.с. SU 322421, Кл. С23С 13/08, 1972, «ВАКУУМНАЯ НАПЫЛИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА», / Изобретение относится к технологии производства радиоаппаратуры и может быть использовано для изготовления интегральных криотропных схем методом напыления через трафареты…/.

Однако в указанном решении не обеспечены простота конструкции, расширение ассортимента готовой продукции, расширение диапазона вакуумирования - для применения при получении пленок разных материалов в условиях высокого или низкого вакуума в экономичном режиме напыления при испарении дорогостоящих и/или агрессивных материалов, повышение качества получаемого продукта, снижение энергоемкости оборудования, повышение ремонтопригодности.

Техническая задача, на которую направлено изобретение - создание более простой конструкции, чем используемые в настоящее время, расширение ассортимента готовой продукции, расширение диапазона вакуумирования - для применения при получении пленок разных материалов в условиях высокого или низкого вакуума в экономичном режиме напыления при испарении дорогостоящих и/или агрессивных материалов, повышение качества получаемого продукта, снижение энергоемкости оборудования, повышение ремонтопригодности.

Решение указанной технической задачи обеспечено совокупностью существенных признаков предложенного решения, а именно:

устройство ввода подложек в вакуум для осаждения на них мономолекулярных пленок фторфуллерена, включающее вакуумную камеру, имеющую фланец, шлюзовое устройство для смены и загрузки подложек в вакуумную камеру, выполненное с возможностью периодического отсечения от объема вакуумной камеры, шток, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, держатель с подложкой,

при этом

шлюзовое устройство снабжено прямопролетным клапаном, шток выполнен с возможностью вращения вокруг направления своего возвратно-поступательного перемещения, подложка закреплена на держателе посредством введенного в устройство контейнера и размещена в контейнере, причем контейнер имеет резьбовое соединение с держателем, шток и контейнер снабжены байонетными средствами соединения между собой, при этом шлюзовое устройство для смены и загрузки подложек в вакуумную камеру снабжено фланцем-окном.

При этом

- манипулятор размещен в вакуумной камере с возможностью позиционирования подложки от испарительной ячейки на расстоянии s в пределах 10-40 мм;

- испарительная ячейка выполнена диаметром d 20-25 мм;

- по меньшей мере один из фланцев вакуумной камеры выполнен с проходным диаметром более 25 мм.

Прототипом устройства для испарения фторфуллерена C₆₀F₁₈ является публикация статьи Ходорковского М.А. и др., Газодинамические параметры сверхзвукового молекулярного пучка, обогащенного молекулами фуллеренов (Журнал технической физики, 2003, т.73, вып.5, с.с.1-4, рис.1).

Техническая задача, решаемая предложенным решением и, соответственно, технический результат состоят в:

- использовании более экономичного испарителя, с точки зрения расхода испаряемого материала,

- снижении стоимости, энергоемкости, упрощении обслуживания, ремонта, расширении функциональности,

- возможности напылять любые материалы с температурой испарения до 600°С,

- снижении мощности нагревателя, которая при напылении поликристаллического

порошка C₆₀F₁₈ составляет менее 3 Вт,

- миниатюризации ячейки, которая ведет также к малой инерционности ячейки (быстро нагревается и остывает), к напылению малых площадей с размером пленки менее 10 мм и к экономному расходованию напыляемого материала (в данном случае - дефицитного поликристаллического порошка С₆₀F₁₈).

Реализация указанного обеспечена совокупностью существенных признаков.

Устройство для испарения фторфуллерена C₆₀F₁₈ включает ограниченный объем в виде испарительной ячейки, трубчатый нагреватель, средство для размещения испаряемого вещества, причем оно дополнительно снабжено средствами механической и тепловой защиты, включая внешнее ограждение, средствами контроля и регулирования температуры нагрева, средствами монтажа и позиционирования составляющих элементов, трубчатый нагреватель выполнен в виде кварцевой трубки с намотанным снаружи проволочным нагревательным элементом, средства монтажа и позиционирования составляющих элементов выполнены в виде шпильки для консольного крепления ячейки, винта с гайкой и хомута для крепления выводов проволочного нагревателя, размещенных на керамической стойке, установленной в круглом основании испарительной ячейки,

при этом

- нагревательный элемент выполнен из вольфрам-рениевой проволоки;

- средства позиционирования включают размещенную в полости кварцевой трубки алундовую двухканальную трубку.

Предложенное решение поясняется графически представленными иллюстрациями.

На Фиг.1 - испарительная ячейка (модернизированная ячейка Кнудсена), поз.16 на фиг.2 (увеличено).

На Фиг.2 - устройство ввода подложек в вакуум, где позициями обозначены:

1 - круглое основание испарительной ячейки 16 (ячейки Кнудсена);

2 - пустотелый стакан, куда помещается испаряемое вещество;

3 - дно пустотелого стакана 2;

4 - шпилька для консольного крепления ячейки внутри камеры ячейки;

5 - термопара (в отверстии дна стакана 2);

6 - алундовая двухканальная трубка для термопары;

7 - проволочный нагреватель стакана 2;

8 - кварцевая трубка;

9 - винт с гайкой для крепления выводов проволочного нагревателя 7;

10 - хомут для крепления выводов проволочного нагревателя 7;

11 - керамическая стойка;

12 - кожух испарительной ячейки (ячейки Кнудсена);

13 - винт крепления кожуха 12;

14 - отверстие для выхода испаряемого материала из пустотелого стакана 2;

15 - вакуумная камера;

16 - испарительная ячейка (ячейка Кнудсена);

17 - фланец для испарительной ячейки 16;

18 - шлюзовое устройство;

19 - фланец крепления шлюзового устройства;

20 - подложка;

21 - контейнер для переноса подложки;

22 - держатель контейнера;

23 - прямопролетный клапан;

24 - фланец-окно для ввода контейнера с подложкой из атмосферы в шлюз;

25 - шток.

Вся конструкция испарительной ячейки 16 (фиг.2) подробно показана на Фиг.1. Все детали испарительной ячейки 16 закрепляются на круглом основании 1. Диаметр ячейки составляет d=20-24 мм, а длина части, закрытой цилиндрическим кожухом, выбрана в пределах 40-45 мм. Собственно испаритель состоит из пустотелого стакана 2 (для размещения испаряемого материала, например порошка С₆₀F₁₈), который навинчивается по резьбе на дно 3. Дно 3 с помощью шпильки 4 (диаметром 2.0-2.5 мм) с гайками закрепляется на основании 1. В дне 3 имеются два отверстия для термопары 5, провода которой выводятся через алундовую двухканальную трубку 6. Проволочный нагреватель 7 свободно, без непосредственного контакта, навит вокруг кварцевой трубки 8. Концы проволочного нагревателя закреплены винтами 9 с гайками М2 на металлических хомутах 10. Хомуты 10, в свою очередь, обжимаются вокруг керамических стоек 11. Вся конструкция закрывается кожухом 12, закрепляемым на винтах 13.

При этом следует учитывать, что «кожух испарительной ячейки 12 есть, по выполняемой функции ее «внешнее ограждение».

Стакан 2 имеет отверстие 14 для выхода испаряемого материала.

Расположение испарительной ячейки, шлюзового устройства и подложки в вакуумной камере приведено на Фиг.2.

На Фиг.2 показана вакуумная камера 15, испарительная ячейка 16, закрепленная на фланце 17, шлюзовое устройство 18, закрепленное на фланце 19, и подложка 20, на которую напыляется материал из испарительной ячейки 16.

При конструировании испарительной ячейки 16 учитывались следующие обстоятельства:

- ячейка должна нагреваться по возможности быстрее, чтобы при минимальном времени переходного режима испарения выйти на нужный температурный режим при минимальной электрической мощности нагрева, чтобы избежать нагрева окружающих деталей и уменьшить десорбцию газов с них. Для этого размер и масса собственно нагреваемого испарителя (испарительной ячейки 16) сделаны минимальными, а крепление его сделано консольным, т.е. на одной тонкой длинной шпильке 4 диаметром ⌀ 2-3 мм из аустенитной нержавеющей стали для уменьшения тепловых потерь по деталям крепления (аустенитная нержавеющая сталь имеет минимальную теплопроводность из всех металлов). Пустотелый стакан 2 ячейки, навинченный на дно 3, размещен в прозрачной кварцевой трубке 8 и закрыт тонкостенным кожухом 12 из нержавеющей стали;

- при малых размерах испарительной ячейки при «висячем» горизонтальном положении нагревательного элемента из проволоки (проволочный нагреватель 7) трудно избежать замыканий при тепловых деформациях, поэтому нагреваемый испаритель помещен в прозрачную кварцевую трубку 8, на которую свободно, без непосредственного контакта, наматывается нагревательный элемент 7: вольфрам-рениевая проволока диаметром 00,35 мм /от 0,3 до 0,4 мм/ (чистый вольфрам после нагрева легко ломается при встряхивании ячейки при монтаже и пр.).

Кроме того, необходимость контроля температуры испарителя с помощью термопар (для увеличения надежности используют две дублирующие термопары хромель-алюмель) в сочетании с необходимостью время от времени загружать напыляемый материал обусловливает возможность крепить термопары на неподвижной и не снимаемой при загрузке части испарителя. В связи с этим испаритель выполнен из двух развинчивающихся частей: неподвижного дна 3 с наружной резьбой, которое закрепляется на консоли-шпильке 4 и в отверстия которого вставляются две термопары 5, и навинчивающегося на это дно стакана 2, образующего вместе с дном 3 пустотелую камеру с отверстием 14 для вылета испаряемого материала.

Подложка 20 крепится на контейнере 21, который, в свою очередь, ввинчен по резьбе в держатель 22 контейнера. Держатель 22 контейнера закреплен на оси манипулятора (на Фиг.2 не показан). Манипулятор позволяет передавать движение подложке 20 при нахождении ее в вакуумированном объеме - вращение и линейное перемещение и, таким образом, поворачивать подложку 20 к испарительной ячейке и отворачивать подложку от нее. Кроме того, манипулятор необходим для того, чтобы поставить байонетный разъем контейнера 21 в нужное положение по отношению к штоку 25 в момент переноса контейнера 21 с подложкой 20 на держатель 22 контейнера и обратно.

Подложки, находящиеся в вакуумной камере, можно заменять без напуска воздуха через шлюзовое устройство 18, которое имеет прямопролетный клапан 23, фланец-окно 24 для ввода (и вывода) контейнера 21 с подложкой 20 из атмосферы в шлюзовый объем с последующей откачкой. Фланец-окно 24 используется не только для ввода-вывода контейнера, но и для визуального контроля его движения. Контейнер с помощью байонетного соединения надевается на шток 25 через открытый фланец-окно 24 (при этом прямопролетный клапан закрыт), фланец-окно закрывается, производится откачка шлюзового объема (откачные устройства не показаны), открывается прямопролетный клапан 23 и с помощью линейного движения штока 25 (со стороны атмосферы шток уплотняется поджатыми фторопластовыми кольцами) контейнер подводится к держателю контейнера в вакуумной камере и ввинчивается в держатель контейнера. После этого шток вручную вращательным и поступательными движением выводится из байонетного соединения с контейнером, убирается из вакуумной камеры в шлюз и прямопролетный клапан закрывается. Таким образом, подложка с контейнером отцепляется от штока и оказывается ввинченной в держатель контейнера, на манипуляторе.

В качестве подложек 20 для напыления мономолекулярных пленок из порошка С₆₀F₁₈ используют два материала:

1) кремниевую пластину Si(111) толщиной 0.5 мм, легированную бором (для создания проводимости), которую используют для первоначальной отладки устройства напыления и контроля осаждаемой пленки C₆₀F₁₈/ Si(111) и используемого порошка C₆₀F₁₈ с помощью методики инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния;

2) высокоориентированный пиролитический графит (HOPG mosaic spread 3.5

- 5.0 degrees) квадратной формы размером 8×8 мм² - на нем проводят основные напыления тонких пленок.

Отработан режим осаждения тонких пленок C₆₀F₁₈, который включает следующие операции.

1. Загрузка порошка C₆₀F₁₈ в испарительную ячейку 16 (ячейку Кнудсена) в вакуумной камере 15 (в камере УСУ-4) и установка контейнера 21 подложки 20 для напыления пленки.

Для подложки 20, выполненной из графита HOPG, подготовка подложки 20 состоит в отделении от графитовой пластины тонкого графитового слоя (с помощью двусторонней липкой ленты) и его размещение в контейнере 21 подложки непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру 15.

2. Вакуумная откачка вакуумной камеры 15 (камеры УСУ-4) до получения базового вакуума приблизительно 10^-9 мбар.

3. Обезгаживание испарительной ячейки 16 (ячейки Кнудсена) с порошком C₆₀F₁₈ с помощью вакуумного прогрева испарительной ячейки до температуры 110-120°С в течение 12-15 часов, чтобы десорбировать молекулы воды.

4. Испарение порошка C₆₀F₁₈ посредством нагрева до температуры 120-170°С осаждение тонкой пленки C₆₀F₁₈ на подложки, заменяемые с атмосферы через шлюз и находящиеся при комнатной температуре.

Порошок C₆₀F₁₈ загружают в пустотелый стакан 2, нагревают испаритель (стакан 2 и дно 3) пропусканием тока по нагревателю 7, намотанному на кварцевую трубку 8, внутри которой и размещен стакан 2, порошок C₆₀F₁₈ при нагреве до температуры 120-170°С испаряется и через конусообразное отверстие камеры 2 вылетает наружу и осаждается на подложку из кремниевой пластины Si(111) толщиной 0.5 мм, легированную бором, или на подложку из высокоориентированного пиролитического графита (HOPG), образуя

напыляемую пленку в заданной геометрии, то есть диаметром 7-10 мм, при расстоянии s от корпуса испарительной ячейки 16 (ячейки Кнудсена) до подложки 20 в 10-20 мм, и

при внутреннем диаметре вакуумной камеры 15 (например, для УСУ-4), ⌀ 250 мм в позиции, показанной на иллюстрации (Фиг.2).

При конкретном примере реализации:

Температура испарения порошка C₆₀F₁₈ составила 150°С при токе нагревателя 1,2 А, напряжении 1,8 В (т.е. мощность 2,2 Вт, источник постоянного тока Б5-71) и давлении 2,7×10^-9 мбар. Размер напыляемой пленки в данной геометрии составлял 8 мм при расстоянии s от корпуса ячейки Кнудсена до подложки в 17 мм и при внутреннем диаметре вакуумной камеры УСУ-4=⌀250 мм. Время испарения порошка составило от 6 сек (толщина пленки около 0.1 монослоя) до 60 сек (1 монослой), что соответствует требуемой низкой скорости осаждения 0.01-0.1 нм/с для получения качественных покрытий.

Объект изобретения

Способ может характеризоваться следующей совокупностью существенных признаков (с необходимыми пояснениями).

Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена C₆₀F₁₈ на различных подложках включает операции подготовки подложки, загрузки порошка C₆₀F₁₈ в ячейку Кнудсена в камере УСУ-4 и установки контейнера с подложкой для напыления пленки, нагрева подложки с порошком до температуры испарения порошка, причем для графита HOPG подготовка подложки состоит в отделении с помощью двусторонней липкой ленты от графита тонкого слоя и его размещении в контейнере непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру (УСУ-4), вакуумную откачку камеры УСУ-4 до получения базового вакуума приблизительно (~) 10^-9 мбар, обезгаживание ячейки Кнудсена с порошком C₆₀F₁₈ с помощью вакуумного прогрева ячейки до температуры 110-120°С в течение 12-15 часов до оптимального десорбирования молекул воды, осаждение тонкой пленки C₆₀F₁₈ на подложки, имеющие поддерживаемую температуру 18-25°С («при комнатной температуре»), размещение подложки от корпуса ячейки Кнудсена на расстоянии от 10 до 40 мм.

Причем нагрев подложки с порошком осуществляют до температуры испарения порошка C₆₀F₁₈ 140-160°С, при токе нагревателя 1,2 А, напряжении 1,8 В (т.е. мощности нагревателя 2,2 Вт, используя источник постоянного тока Б5-71) при вакууме 2,7×10^-9 мбар;

- процесс напыления пленки на подложку осуществляют до толщины 0.1- 1 монослой при диаметре пленки 7-10 мм;

- расстояние от корпуса ячейки Кнудсена до подложки выбирают в пределах s=15-25 мм и при внутреннем диаметре вакуумной камеры УСУ-4 ⌀250 мм;

- скорость осаждения - 0.01-0.1 нм/с.

При этом время испарения пленок составило от 6 сек (толщина пленки около 0.1 монослоя) до 60 сек (1 монослой), что соответствует требуемой низкой скорости осаждения - 0.01-0.1 нм/с для получения качественных покрытий.

Изготовлено и опробовано также устройство ввода подложек в вакуум - поясняется на фиг.2.

Так, на фиг.2 показан пример расположения испарительной ячейки 16 внутри вакуумной камеры 15 относительно других узлов, обычно используемых при напылении пленок (вид сверху) - устройство ввода подложек в вакуум.

Вакуумная камера 15 имеет фланцы 17 и 19, на которых расположены, соответственно, испарительная ячейка 16 (ячейка Кнудсена), шлюзовое устройство 18 для смены и загрузки подложек в сверхвысокий вакуум и манипулятор для поворота подложки 20 (сам манипулятор находится выше плоскости чертежа и не показан), таким образом, упомянутые фланцы 17 и 19 являются неотъемлемой частью вакуумной камеры 15.

Держатель 21 контейнера расположен на валу манипулятора подложки и состоит из держателя 22 контейнера, в резьбовое отверстие которого ввинчивается собственно контейнер 21 с закрепленной на ней подложкой 20.

В то время когда подложка 20 не переносится из шлюзового устройства 18 в вакуумную камеру 15 или обратно, объем шлюза отсекается от вакуумной камеры прямопролетным клапаном 23. Для установки подложки в вакуумную камеру 15 контейнер 21 с закрепленной на нем подложкой 20 помещают в шлюзовый объем, закрепляя на штоке 25 с помощью байонетного соединения, откачивают шлюзовый объем, открывают прямопролетный клапан 23, и линейным движением штока 25 вручную переносят подложку в вакуумную камеру 15. Шток может не только двигаться вдоль оси, но и вращаться вокруг оси, и благодаря этой возможности контейнер 21 ввинчивается по резьбе в держатель контейнера. После этого шток освобождается из байонетного соединения, оставляя контейнер с подложкой в держателе, и выдвигается из вакуумной камеры 15 обратно в шлюзовое устройство. Затем соединение вакуумной камеры со шлюзом перекрывается прямопролетным клапаном 23. Ввод и вывод подложек из шлюза производится через фланец-окно 24 со съемным смотровым окном.

Подложку поворачивают с помощью манипулятора к испарительной ячейке, и начинается напыление. Напыление может происходить при расстоянии s=10-20 мм от напылительной ячейки до подложки, но при необходимости уменьшить скорость напыляемого потока расстояние s может быть легко увеличено. Испарительная ячейка имеет диаметр d=20-25 мм и может поместиться на любом фланце вакуумной камеры с проходным диаметром более 25 мм, что значительно удешевляет конструкцию вакуумной камеры.

Таким образом, объект изобретения «Устройство» может характеризоваться следующей совокупностью существенных признаков (с необходимыми пояснениями).

Устройство ввода подложек в вакуум включает вакуумную камеру 15, имеющую фланец для испарительной ячейки 17, шлюзовое устройство 18, имеющее фланец-окно 24 (для смены и загрузки подложек в сверхвысокий вакуум), размещенный в вакуумной камере 15 с возможностью позиционирования подложки 20 относительно выходного отверстия испарительной ячейки 16, манипулятор, имеющий расположенный на валу манипулятора держатель контейнера 16, имеющий резьбовое соединение с контейнером 21 с закрепленной в нем подложкой 20, размещенный с возможностью периодического отсечения объема шлюзового устройства 18 от объема вакуумной камеры 15, прямопролетный клапан 23, установленный в шлюзовом устройстве 18 с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения и вращения вокруг упомянутой оси, шток 25, имеющий байонетное средство соединения с контейнером 21, причем фланец-окно 20 снабжен съемным смотровым окном,

при этом

- манипулятор размещен в вакуумной камере 15 с возможностью позиционирования

подложки от напылительной ячейки на расстоянии s в пределах 10-40 мм;

- испарительная ячейка выполнена диаметром d=20-25 мм;

- по меньшей мере один из фланцев вакуумной камеры выполнен с проходным диаметром более 25 мм.

Соответственно, еще один объект изобретения «Устройство» может характеризоваться следующей совокупностью существенных признаков (с необходимыми пояснениями).

Устройство для испарения фторфуллерена C₆₀F₁₈, включающее ограниченный объем в виде испарительной ячейки 16, трубчатый нагреватель, средство для размещения испаряемого вещества, выполненное в виде пустотелого стакана 2, имеющего с одного торца дно 3, а с противоположного торца - отверстие 14 для выхода испаряемого материала, средства механической и тепловой защиты, включая внешнее ограждение (кожух 12), средства контроля и регулирования температуры нагрева, средства монтажа и позиционирования составляющих элементов,

отличается тем, что

трубчатый нагреватель выполнен в виде кварцевой трубки 8 с намотанным снаружи проволочным нагревательным элементом 7,

средства монтажа и позиционирования составляющих элементов выполнены в виде шпильки 4 для консольного крепления ячейки, алундовой двухканальной трубки 6 для термопары, размещенной в полости кварцевой трубки 8, винта 9 с гайкой и хомута 10 для крепления выводов проволочного нагревателя 7, размещенных на керамической стойке 11, установленной в круглом основании 1 испарительной ячейки 16.

Таким образом, данное решение позволит получать пленки фторфуллерена C₆₀F₁₈

в экономичном режиме напыления, которые в настоящее время могут использоваться в нелинейной оптике, в пироэлектрических и других устройствах. Отдельную актуальность работы представляет возможность создания тонких монослойных поляризованных по ЭДМ покрытий.

1. Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена C₆₀F₁₈ на подложку, включающий операции подготовки подложки, испарения порошка C₆₀F₁₈ в вакуумной камере и осаждение его мономолекулярной пленки на подложку, отличающийся тем, что осуществляют загрузку порошка C₆₀F₁₈ в испарительную ячейку, вводят испарительную ячейку с порошком в вакуумную камеру, устанавливают контейнер с подложкой для напыления пленки в вакуумной камере, причем подготовка подложки состоит в отделении с помощью двусторонней липкой ленты от используемого высокоориентированного пирографита HOPG тонкого слоя и его размещение в контейнер непосредственно перед загрузкой в вакуумную камеру, при этом вакуумную откачку камеры проводят до получения базового вакуума приблизительно 10^-9 мбар, перед испарением порошка производят обезгаживание испарительной ячейки с порошком C₆₀F₁₈ с помощью прогрева испарительной ячейки до температуры 110-120°С в течение 12-15 ч при вакуумировании, испарение порошка C₆₀F₁₈ производят посредством нагрева испарительной ячейки до температуры 120-170°С, осаждение тонкой пленки C₆₀F₁₈ производят на подложки, имеющие поддерживаемую температуру 18-25°С, размещение подложки осуществляют на расстоянии от 10 до 40 мм от корпуса испарительной ячейки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев испарительной ячейки с порошком осуществляют до температуры испарения порошка C₆₀F₁₈ 140-160°С при мощности нагревателя 2-3 Вт, используя источник питания постоянного тока, при этом создают вакуум не хуже 7·10^-9 мбар.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс напыления пленки производят на подложку до диаметра 7-10 мм и осуществляют до толщины пленки от 0,1 до 1 монослоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние от корпуса испарительной ячейки до подложки s выбирают в пределах 15-25 мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость осаждения пленки выбирают в пределах 0,01-0,1 нм/с.

6. Устройство ввода подложек в вакуум для осаждения на них мономолекулярных пленок фторфуллерена, включающее вакуумную камеру, имеющую фланец, шлюзовое устройство для смены и загрузки подложек в вакуумную камеру, выполненное с возможностью периодического отсечения от объема вакуумной камеры, шток, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, держатель с подложкой, отличающееся тем, что шлюзовое устройство снабжено прямопролетным клапаном, шток выполнен с возможностью вращения вокруг направления своего возвратно-поступательного перемещения, подложка закреплена на держателе посредством введенного в устройство контейнера и размещена в контейнере, причем контейнер имеет резьбовое соединение с держателем, шток и контейнер снабжены байонетными средствами соединения между собой, при этом шлюзовое устройство для смены и загрузки подложек в вакуумную камеру снабжено фланцем-окном.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что манипулятор размещен в вакуумной камере с возможностью позиционирования подложки от испарительной ячейки на расстоянии s в пределах 10-40 мм.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что испарительная ячейка выполнена диаметром d=20-25 мм.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из фланцев вакуумной камеры выполнен с проходным диаметром более 25 мм.

10. Устройство для испарения фторфуллерена С₆₀F₁₈, включающее ограниченный объем в виде испарительной ячейки, трубчатый нагреватель, средство для размещения испаряемого вещества, отличающееся тем, что дополнительно снабжено средствами механической и тепловой защиты, включая внешнее ограждение, средствами контроля и регулирования температуры нагрева, средствами монтажа и позиционирования составляющих элементов, трубчатый нагреватель выполнен в виде кварцевой трубки с намотанным снаружи проволочным нагревательным элементом, средства монтажа и позиционирования составляющих элементов выполнены в виде шпильки для консольного крепления ячейки, винта с гайкой и хомута для крепления выводов проволочного нагревателя, размещенных на керамической стойке, установленной в круглом основании испарительной ячейки.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что нагревательный элемент выполнен из вольфрам-рениевой проволоки.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что средства позиционирования включают размещенную в полости кварцевой трубки алундовую двухканальную трубку.