RU217003U1

RU217003U1 - Device for Magnetization of Thin-Film Coatings in Vacuum

Info

Publication number: RU217003U1
Application number: RU2021135612U
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Жижин; Дмитрий Александрович Пудиков
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-03-14

Abstract

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. Устройство состоит из вакуумной камеры, системы откачки и контроля давления, шлюзового вентиля, смотрового окна, устройства захвата подложки, поворотного столика и намагничивающих катушек с управляющим блоком. При достижении давления в вакуумной камере от 10^-8 до 10^-10 мбар шлюзовой вентиль открывается и в центр камеры вносится подложка. Подложка захватывается устройством захвата, после чего шлюзовой вентиль закрывается, изолируя объем вакуумной камеры от остальной вакуумной системы. Для намагничивания подложки в поперечном направлении ее поворачивают устройством захвата так, чтобы она была параллельна плоскости намагничивающих катушек, и вдвигают в центр вакуумной камеры. Затем в центр вакуумной камеры вдвигаются намагничивающие катушки. По окончании процесса намагничивания катушки отводят к стенке вакуумной камеры. Для намагничивания подложки в продольном направлении ее сначала с помощью устройства захвата фиксируют на поверхности поворотного столика, предварительно вдвинутого в центр внутрь вакуумной камеры. Затем в центр вакуумной камеры вдвигаются намагничивающие катушки. После намагничивания подложки катушки, устройство захвата, с предварительно снятой подложкой с поворотного столика, и поворотный столик отводят из центра вакуумной камеры к краям. По окончании процесса намагничивания шлюзовой вентиль открывается, и подложку забирают из устройства захвата в основную вакуумную систему для дальнейшей работы с ней, а шлюзовой вентиль закрывают. Намагничивание тонкопленочного покрытия в вакууме в продольном и поперечном направлении достигается за счет использования соосно размещенных внутри вакуумной камеры намагничивающих катушек с возможностью линейного перемещения и устройства захвата подложки, выполненного в виде подвижного штока, с возможностью линейного перемещения вдоль своей оси и вращения вокруг нее на 360°. 2 ил.

The utility model relates to the field of spintronics and nanoelectronics and can be used to magnetize thin-film coatings in the technological cycle for the production of a semiconductor element base for portable devices. The device consists of a vacuum chamber, a pumping and pressure control system, a sluice valve, a viewing window, a substrate capture device, a turntable and magnetizing coils with a control unit. When the pressure in the vacuum chamber reaches from 10 ^-8 to 10 ^-10 mbar, the sluice valve opens and a substrate is introduced into the center of the chamber. The substrate is captured by the gripper, after which the sluice valve closes, isolating the volume of the vacuum chamber from the rest of the vacuum system. To magnetize the substrate in the transverse direction, it is rotated by the gripping device so that it is parallel to the plane of the magnetizing coils and pushed into the center of the vacuum chamber. Then the magnetizing coils are pushed into the center of the vacuum chamber. At the end of the magnetization process, the coils are taken to the wall of the vacuum chamber. To magnetize the substrate in the longitudinal direction, it is first fixed by means of a gripping device on the surface of a turntable, previously pushed into the center inside the vacuum chamber. Then the magnetizing coils are pushed into the center of the vacuum chamber. After magnetization of the coil substrate, the gripping device, with the substrate previously removed from the turntable, and the turntable are retracted from the center of the vacuum chamber to the edges. At the end of the magnetization process, the lock valve opens, and the substrate is taken from the capture device into the main vacuum system for further work with it, and the lock valve is closed. The magnetization of a thin-film coating in a vacuum in the longitudinal and transverse directions is achieved by using magnetizing coils coaxially placed inside the vacuum chamber with the possibility of linear movement and a substrate capture device made in the form of a movable rod, with the possibility of linear movement along its axis and rotation around it by 360° . 2 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of spintronics and nanoelectronics and can be used to magnetize thin-film coatings in the technological cycle for the production of a semiconductor element base for portable devices.

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.A portable device [1] for magnetizing compensation permanent magnets is known, containing a means of creating a high-intensity magnetic pulse, in which energy from a source is slowly accumulated in a capacitor bank, and after reaching the required value, it is discharged into inductors with a short-term pulse of high current. Thus, the drive is charged with a low current, therefore, a powerful source of electricity is not required.

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.The disadvantage of the known device is the lack of the possibility of preheating the workpiece, as well as the ability to work with the device in vacuum chambers, which is a necessary requirement when performing tasks for the production of a semiconductor element base for portable devices.

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.A known device [2] for magnetization. The device includes an electromagnet, which contains a control unit for the duration and duty cycle of the magnetic field pulses, consisting of a parallel-connected time relay and a starter, and in parallel to the control unit for the duration and duty cycle, an electric circuit is connected from a series-connected electromagnet, an ammeter, a heating element with a voltmeter connected in parallel.

Недостатком известного устройства является неприспособленность устройства к работе в вакууме при производстве микроэлектронных устройств и намагничивании тонкопленочных покрытий.The disadvantage of the known device is the inability of the device to work in a vacuum in the production of microelectronic devices and the magnetization of thin film coatings.

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.Closest to the claimed is a device [3] for heat treatment of metal based on vacuum magnetization. Device for heat treatment of metal based on vacuum magnetization includes a vacuum chamber with an attached vacuum pump. A support frame is located inside the vacuum chamber. The support frame is used to install and place a ferromagnetic workpiece, which is made in the form of a rod or plate. One end of the workpiece is provided with an induction current coil with magnetic flux change, and the other end is provided with an auxiliary induction current coil with a change in magnetic flux and a high-frequency heating coil wound on the workpiece. The high-frequency heating induction coil is also the main current induction coil to change the magnetic flux when the power is turned off and the temperature drops.

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).A disadvantage of the known device is the inability to change the position of the workpiece during the process, which, for example, may be required to magnetize the sample in different directions (in the longitudinal and transverse directions relative to the plane of the thin film coating).

Заявленная полезная модель свободна от этих недостатков.The claimed utility model is free from these shortcomings.

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°.The technical result of the claimed utility model is the possibility of controlled magnetization of thin-film coatings in various directions (in the longitudinal and transverse directions relative to the plane of the thin-film coating) in a vacuum. This technical result is achieved through the use of paired magnetizing coils coaxially placed inside the vacuum chamber with the possibility of linear movement and a substrate capture device, with the possibility of linear movement along its axis and rotation around it by 360°, as well as located at an angle of 90° relative to the magnetizing coils and turntable gripping devices with the possibility of linear movement along its axis and rotation around it by 360°.

Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1, Фиг. 2.The essence of the utility model is illustrated in Fig. 1, Fig. 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.On FIG. 1 shows a diagram of the claimed utility model. The device for magnetization of thin-film coatings in vacuum is a vacuum chamber 1, to the body of which, by means of flange connections, a pumping and pressure control system 2, a sluice valve 3, a viewing window 4 are attached, a turntable 6 is attached to the bottom, on which the substrate 9 can be fixed, on the side On the sides of the vacuum chamber, at an angle of 90° to the axis of the turntable, the substrate capture device 5 and paired magnetizing coils 7, to which the control unit 8 is connected, are located coaxially.

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.The substrate capture device 5 is made in the form of a movable rod capable of moving along its axis and rotating around it through 360° and having a mechanism for capturing the substrate at its end.

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.On the opposite side of the vacuum chamber 1, coaxially with it, there are two paired magnetizing coils 7, mounted on a rod that allows them to be pushed inside the vacuum chamber 1. A control unit 8 can be connected to the magnetizing coils 7, which creates a magnetic field in them. The magnetizing coils 7 are made of copper wire with a protective insulating coating and are fixed parallel to each other, symmetrically about the axis "substrate gripper 5 - magnetizing coils 7" so that their common normal is at an angle of 90° to the aforementioned axis. In this case, the distance between the magnetizing coils 7 must be greater than the width of the turntable 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.The turntable 6 is made in the form of a flat substrate holder fixed on the end of a rod capable of sliding inside the vacuum chamber 1 and rotating around its axis. The turntable 6 is located in the vacuum chamber 1 so that the axis of the rod intersects the axis "sample capture device 5 - magnetizing coils 7" in the center of the vacuum chamber 1 and the plane of the substrate holder is parallel to the plane formed by the aforementioned axis and the normal of the magnetizing coils 7. all parts of the turntable 6 are made of non-magnetic materials.

Данная схема полезной модели позволяет подсоединить устройство к имеющейся вакуумной камере, в которой подложка с тонкопленочным покрытием перемещается в вертикальном направлении.This scheme of the utility model allows you to connect the device to the existing vacuum chamber, in which the substrate with a thin film coating moves in the vertical direction.

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^-8 до 10^-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.The device works as follows. The device for magnetizing thin-film coatings in a vacuum is connected by a lock valve 3 via a flange connection to the existing vacuum system, after which the pumping and pressure control system 2 is turned on. When the pressure in the vacuum chamber 1 reaches from 10 ^-8 to 10 ^-10 mbar, the lock valve 3 opens and Substrate 9 is introduced into the center of vacuum chamber 1. Substrate 9 is captured by gripper 5, after which lock valve 3 closes, isolating the volume of vacuum chamber 1 from the rest of the vacuum system. All movements of the substrate 9 and other elements in the vacuum chamber 1 are controlled through the viewing window 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.To magnetize the substrate 9 perpendicular to the plane of its surface, the substrate is rotated in the gripper 5 so that it is parallel to the plane of the magnetizing coils 7, and pushed into the center of the vacuum chamber 1. After that, the magnetizing coils 7 are also pushed into the center of the vacuum chamber 1 in such a way that so that the center of the substrate 9 is located on the axis connecting the centers of the magnetizing coils 7. After that, the magnetizing coils 7 are connected to the control unit 8. In this case, a magnetic field arises in the magnetizing coils 7, which magnetizes the substrate. After the end of the magnetization process, the control unit of the magnetizing coils 8 is turned off, and the magnetizing coils 7 are removed from the center of the vacuum chamber 1 to the wall.

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.To magnetize the substrate in the direction lying in the plane of its surface, the substrate 9 is first installed on the turntable 6. To do this, the turntable 6 is pushed inside the vacuum chamber 1 so that the surface of the flat substrate holder is on the axis of the rod of the capture device 5. After that, the capture device 5, together with the substrate 9, slides inside the vacuum chamber 1 and, after placing the substrate 9 on the flat holder of the substrate, releases it and moves away to the edge of the vacuum chamber 1. In order to magnetize the substrate 9 in the required direction, the turntable 6 with the substrate 9 fixed on it rotates around the axis at the required angle relative to the direction of the magnetic field in the magnetizing coils 7. After that, the magnetizing coils 7 are pushed into the center of the vacuum chamber 1 so that the center of the substrate is located on the axis connecting the centers of the magnetizing coils 7 (this is possible due to the fact that that the axes along which the coils 7 move and along gate table 6 intersect at an angle of 90°). After connecting the control unit 8 to the magnetizing coils 7, the substrate 9 is magnetized. capture by the gripping device 5. The gripping device 5 is brought to the substrate holder, the substrate 9 is captured from it and removed from the center of the vacuum chamber 1, after which the turntable 6 is also moved to the wall of the vacuum chamber 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.After the end of the magnetization process, the lock valve 3 opens, and the substrate 9 is taken from the capture device 5 to the main vacuum system for further work with it, and the lock valve 3 is closed.

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.On FIG. 2 shows a diagram (frontal (front), side (left) and vertical (top) sections) of the claimed utility model, suitable for connection to ready-made vacuum systems in which the substrate 9 with a thin film coating is moved by a mechanism operating in a horizontal plane. In this case, the device for magnetizing thin-film coatings in a vacuum is a vacuum chamber 1, to which a pumping and pressure control system 2 is attached, a sluice valve 3 is located at the back, a viewing window 4 is attached at the top, a turntable 6 is located at the bottom, on which the substrate 9 can be fixed. , on the sides of the chamber, at an angle of 90° to the axis of the heating device, the substrate capture device 5 and the magnetizing coils 7 are located coaxially, to which the control unit 8 is connected.

Заявленная полезная модель была апробирована в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).The claimed utility model was tested in the resource center "Physical Methods of Surface Investigation" of the Science Park of St. Petersburg State University (SPbGU).

Конкретные примеры реализации приведены ниже.Specific implementation examples are given below.

Пример 1.Example 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.A device for magnetization of thin-film coatings in a vacuum, in which a cylindrical vacuum chamber with an inner diameter of 200 mm and a length of 300 mm with standard flange connections of the CF40 and CF63 standard was used as a vacuum chamber 1, connected by means of a sluice valve 3 with a CF40 flange connection at the upper end of the chamber 1, with a vacuum chamber designed to obtain organic thin film coatings in a vacuum. Graphene/Fe/W(110) fixed on the surface of a molybdenum holder of the Omicron standard was used as substrate 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^-8-10^-9 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.A vacuum viewing window CF63 4 is mounted on the side surface of the vacuum chamber 1, a two-stage pumping and vacuum control system 2 is connected to the other side flange CF63 through a bellows, which maintained the vacuum at a level of 10 ^-8 -10 ^-9 mbar throughout the entire time. As a substrate capture device 5, on the side surface of the chamber, a substrate capture mechanism of the “vacuum tweezers” type is installed, made in the form of a movable rod capable of linear movement along its axis together with the substrate (at least 250 mm), ensuring rotation around its axis by 360 °. At the end of the gripper 5 is a mechanism for gripping the Omicron standard substrate. On the opposite side of the vacuum chamber 1 relative to the location of the gripper 5, coaxially with it, there are two paired magnetizing coils 7, to which the control unit 8 can be connected, fixed on a rod that allows them to be pushed inside the chamber (at least 100 mm). The coils are made of copper wire with a protective insulating coating and are fixed parallel to each other. The calculated value of the magnetic field induction between the coils is not less than 0.1 T. In this case, the distance between the coils was 45 mm, thereby providing the possibility of placing between them the capture device 5 together with the substrate of the Omicron 9 standard, as well as the turntable 6 with the fixed substrate of the Omicron 9 standard.

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.As a turntable 6, a movable rod with a magnetic drive was used, capable of moving inside the vacuum chamber (linear stroke of at least 500 mm) and rotating around its axis. A flat substrate holder 30 × 30 mm was fixed at the end of the rod. The turntable 6 is attached to the vacuum chamber 1 from below through the CF40 flange and is located so that the axis of the turntable 6 runs along the axis of the chamber 1 and is rotated by 90° relative to the axis on which the substrate gripper 5 and magnetizing coils 7 are located.

Работа устройства апробировалась следующим образом. После достижения в вакуумной камере 1 уровня вакуума порядка 1×10^-9 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.The operation of the device was tested as follows. After the vacuum chamber 1 reached a vacuum level of the order of 1 × 10 ^-9 mbar, the sluice valve 3 was opened and from the adjacent vacuum chamber intended for obtaining organic thin-film coatings, the Omicron 9 standard substrate was pushed in using the movement mechanism, on which the sample for magnetization was fixed ( graphene/Fe/W(110) in the form of a square plate 10×10×2 mm in size). The substrate was captured by the capture device 5, after which the movement mechanism was removed, and the sluice valve 3 was closed, isolating the volume of the vacuum chamber 1 from the vacuum chamber intended for obtaining organic thin-film coatings. All movements of the substrate 9 and other elements in the vacuum chamber 1 were controlled through the viewing window 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.To magnetize the graphene/Fe/W(110) 9 substrate in the longitudinal direction, the substrate 9 was first fixed on the surface of the turntable 6. To do this, the turntable 6 was moved inside the vacuum chamber 1 so that the surface of the flat substrate holder turned out to be on the axis of the rod of the capture device 5. After that, the capture device 5 fixed the graphene/Fe/W(110) substrate 9 on the surface of the turntable 6 and moved to the edge of the vacuum chamber 1. Then the magnetizing coils 7 were pushed in so that the center of the substrate 9 was located on the axis connecting the centers of the magnetizing coils 7. Then the magnetizing coils 7 were connected to the control unit 8 and the substrate 9 was magnetized for 1 minute. After the end of the magnetization process, the control unit 8 of the magnetizing coils 7 was turned off, and the magnetizing coils 7 were removed from the center of the vacuum chamber 1 to the wall. Then, the capture device 5 was brought to the turntable 6, captured the magnetized graphene/Fe/W(110) substrate 9 from its surface, and moved away from the center of the vacuum chamber 1, after which the turntable 6 was also moved to the wall of the vacuum chamber 1. After the end of work device, the lock valve 3 was opened, and the graphene/Fe/W(110) substrate 9 with a magnetized layer was fixed by the capture device 5 in the mechanism for moving the chamber designed to obtain organic thin-film coatings in a vacuum, and then moved to a vacuum chamber designed to obtain organic thin-film coatings. coatings, without violating the vacuum conditions, and the sluice valve 3 was closed.

Пример 2.Example 2

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^-8-10^-9 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.A device for magnetizing thin-film coatings in a vacuum, in which a 6-position cross vacuum chamber with standard CF100 flange connections was used as a vacuum chamber 1, connected by means of a sluice valve 3 with a CF100 flange connection, located on one of the side flanges of chamber 1, with a vacuum UFO camera with a radial robot-distributor of the unique scientific installation "Nanolab Research Platform". A vacuum viewing window CF100 4 is mounted on top of the vacuum chamber 1, on the side flange opposite the lock valve 3, there is a multi-stage pumping and vacuum control system 2, which maintained the vacuum at a level of 10 ^-8 -10 ^-9 mbar throughout the entire time. As a substrate capture device 5, a substrate capture mechanism of the "vacuum tweezers" type is attached to the right side flange of the chamber 1, made in the form of a movable rod capable of linear movement along its axis together with the substrate (at least 350 mm), to ensure rotation around its axis 360°. At the end of the gripper 5 is a mechanism for gripping the Omicron standard substrate. On the opposite side of the vacuum chamber 1 relative to the location of the capture device 5, coaxially with it, there are two paired magnetizing coils 7 with a control unit 8, fixed on a rod that allows them to be pushed inside the chamber (at least 100 mm). The coils are made of copper wire with a protective insulating coating and are fixed parallel to each other. The calculated value of the magnetic field induction in the coils is not less than 0.1 T. In this case, the distance between the coils was 45 mm, thereby providing the possibility of placing between them the capture device 5 together with the substrate of the Omicron 9 standard, as well as the turntable 6 with the fixed substrate of the Omicron 9 standard. was on the same level with the substrate capture device 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.As a turntable 6, a movable rod with a magnetic drive was used, capable of moving inside the vacuum chamber (linear stroke of at least 500 mm) and rotating around its axis. A flat substrate holder 30×30 mm in size is fixed at the end of the rod. The turntable 6 is attached to the vacuum chamber 1 from below and is located so that the axis along which it can move passes through the center of the vacuum chamber 1 and is orthogonal to the axis on which the substrate gripper 5 and magnetizing coils 7 are located, also passing through the center of the vacuum chamber 1.

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^-9 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.The operation of the device was tested in the same sequence of actions as in the above example 1. After reaching a vacuum level of the order of 1 × 10 ^-9 mbar in the vacuum chamber 1, the sluice valve 3 was opened from the adjacent UFO vacuum chamber with a radial robot-distributor of a unique scientific installation The “Nanolab Research Platform”, using the movement mechanism, moved in the substrate of the Omicron standard, on which the sample for magnetization was fixed (graphene/Au/Co(0001) in the form of a square plate 10 × 10 × 2 mm in size). The substrate was captured by the capture device 5, after which the movement mechanism was removed, and the sluice valve 3 was closed, isolating the volume of the vacuum chamber 1 from the rest of the vacuum system of the unique scientific facility Nanolab Research Platform. All movements of the substrate and other elements in the vacuum chamber 1 were controlled through the viewing window 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.To magnetize the graphene/Au/Co(0001) substrate in the transverse direction, the substrate was turned in the gripper 5 so that it was parallel to the plane of the magnetizing coils 7 and moved into the center of the vacuum chamber 1. After that, the rod on which the magnetizing coils were fixed coil 7 was also moved inside the vacuum chamber 1 so that the center of the substrate was located on the axis connecting the centers of the magnetizing coils 7. After that, the magnetizing coils 7 were connected to the control unit 8 and the graphene/Au/Co(0001) substrate 9 was magnetized. the end of the magnetization process, the control unit 8 of the magnetizing coils 7 was turned off, and the magnetizing coils 7 were removed from the center of the vacuum chamber 1 to the wall. After the end of the operation of the device, the lock valve 3 was opened, and the graphene/Au/Co(0001) 9 substrate with a magnetized layer was fixed by the gripper 5 in the mechanism for moving the radial robot-distributor of the unique scientific installation "Nanolab Research Platform" and then moved to the UFO vacuum chamber. chamber "Research platform Nanolab" without violating the vacuum conditions, and the sluice valve 3 was closed.

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.To magnetize the graphene/Au/Co(0001) substrate in the longitudinal direction, the substrate was first fixed on the surface of the turntable 6. To do this, the turntable 6 was moved inside the vacuum chamber 1 so that the surface of the flat substrate holder turned out to be on the axis of the rod of the capture device 5. After that the capture device 5 fixed the graphene/Au/Co(0001) 9 substrate on the surface of the substrate holder and moved to the edge of the vacuum chamber 1. Then the magnetizing coils 7 were pushed in so that the center of the substrate 9 was located on the axis connecting the centers of the magnetizing coils 7. After After that, the magnetizing coils 7 were connected to the control unit 8 and the graphene/Au/Co(0001) substrate 9 was magnetized. After the completion of the magnetization process, the control unit 8 of the magnetizing coils 7 was turned off, and the magnetizing coils 7 were removed from the center of the vacuum chamber 1 to the wall. Then the capture device 5 was brought to the turntable 6, captured the magnetized graphene/Au/Co(0001) 9 substrate from its surface, and moved away from the center of the vacuum chamber 1, after which the turntable 6 was also moved to the wall of the vacuum chamber 1. After the end of the operation of the device lock valve 3 was opened, and the graphene/Au/Co(0001) substrate with a magnetized layer was fixed by the gripper 5 in the mechanism for moving the radial robot-distributor of the unique scientific installation "Research platform Nanolab" and then moved to the UFO vacuum chamber "Research platform Nanolab". platform Nanolab" without violating the vacuum conditions, and the sluice valve 3 was closed.

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].According to the results of the analysis carried out by the method of photoelectron spectroscopy with angular and spin resolution in the analytical vacuum chamber of the unique scientific installation "Research platform Nanolab", the spin flip of valence electrons in the graphene/Au/Co(0001) system was demonstrated [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.As can be seen from the above examples, the claimed device makes it possible to obtain a magnetized thin-film coating in a vacuum. Magnetized thin-film coatings obtained by the claimed method can be used in the technological cycle for the production of a semiconductor element base for portable devices of nanoelectronics and spintronics.

Список источников информацииList of information sources

1. Патент RU 197460 U1.1. Patent RU 197460 U1.

2. Патент RU 2328788 C1.2. Patent RU 2328788 C1.

3. Патент CN 112126748 A (прототип).3. Patent CN 112126748 A (prototype).

4. A.G. Rybkin, et al., Nano Letters, 18(3), 1564-1574 (2018).4.A.G. Rybkin, et al., Nano Letters, 18(3), 1564-1574 (2018).

Claims

Устройство для намагничивания тонкопленочных покрытий в вакууме, содержащее вакуумную камеру с системой откачки и контроля давления, намагничивающие катушки, выполненные с возможностью подключения к управляющему блоку, отличающееся тем, что корпус вакуумной камеры снабжен закрепленными на нем посредством фланцевых соединений шлюзовым вентилем, смотровым окном, поворотным столиком и устройством захвата подложки, расположенным под углом 90° по отношению к поворотному столику, с возможностью при этом для устройства захвата подложки и поворотного столика линейного перемещения и вращения вокруг своей оси на 360°, а намагничивающие катушки выполнены в виде не менее двух парных катушек, закрепленных параллельно друг другу на расстоянии, превышающем ширину поворотного столика, на штоке с линейным перемещением внутри вакуумной камеры, расположенном соосно с устройством захвата подложки.A device for magnetizing thin-film coatings in a vacuum, containing a vacuum chamber with a pumping and pressure control system, magnetizing coils configured to be connected to the control unit, characterized in that the vacuum chamber body is equipped with a lock valve fixed to it by means of flange connections, a viewing window, a rotary a table and a substrate capture device located at an angle of 90° with respect to the turntable, with the possibility for the substrate capture device and the turntable to move linearly and rotate around its axis by 360°, and the magnetizing coils are made in the form of at least two paired coils fixed parallel to each other at a distance exceeding the width of the turntable, on a rod with linear movement inside the vacuum chamber, located coaxially with the substrate capture device.