Устройство для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора Российский патент 2024 года по МПК C23C26/00 

Изобретение относится к устройствам для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора, и может найти применение в технологическом процессе получения тонкой коллоидной пленки различной топографии (сплошные, островковые, с периодической структурой, аморфные) и толщины (монослой, многослойные структуры).

Коллоидный раствор представляет собой жидкую среду, в которой плавает большое количество нано-/миркоразмерных (от 1 до 5000 нм) сферических частиц различных материалов (в моем случае диоксид кремния, полистирольный монодисперсный латекс (полистирол), полиметилметакрилат (ПММА), но могут использоваться любые коллоидные растворы). В коллоидный раствор в вертикальном подвешенном положении погружается подложка (поверхность, на которую наносится пленка, в исследовательских целях используются подложки из различных материалов: кремний, ситалл, поликор, стекло, кварц и т.д.). Затем с помощью подъемного механизма подложка начинает медленно вытягиваться из раствора. На границе раздела сред воздух-раствор образуется область, называемая мениском – область с наибольшей концентрацией частиц коллоидного раствора. При дальнейшем вытягивании из области мениска частицы за счет действия сил трения и капиллярных сил будут оседать на подложку, образуя упорядоченную структуру из сфер, являющуюся фотонно-кристаллической пленкой.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство «Xdip-SV2» производителя APEX INSTRUMENTS CO. PVT. LTD (Индия) [Режим доступа: https://www.apexicindia.com/xdip-sv2 Дата обращения: 26.04.2023], коммерчески доступное в том числе в Российской Федерации. Согласно описанию из открытых источников, Xdip-ЅV2 – прецизионный инструмент для нанесения покрытий методом погружения. Производителем заявлен ряд характеристик устройства, среди них: программируемая скорость погружения и подъема: 0.5 – 450 мм/мин, высота погружения и подъема: 300 мм, длина пленки до 250 мм. При этом отсутствует информация о точности регулирования скорости подъема, не заявляется никакой возможности управлять микроклиматом внутри рабочей зоны устройства, также отсутствует виброзащита подложкодержателя. Таким образом, ключевыми недостатками прототипа являются отсутствие системы контроля микроклимата в рабочей зоне устройства, отсутствие виброзащиты подложкодержателя, а также недостаточные минимальная скорость вытягивания подложки и точность регулирования скорости. Влияние указанных признаков на достижение технического результата будет показано далее примерами.

Технический результат заключается в воспроизводимом получении одно- или многослойных фотонно-кристаллических пленок с заданной топографией методом вертикального вытягивания из коллоидных растворов.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора содержит металлическое основание, среднюю часть корпуса с возможностью изоляции рабочей зоны от внешних воздействий, верхнюю часть корпуса с системой управления и шаговым двигателем и подложкодержатель, верх металлического основания имеет углубление с возможностью размещения нагревающих и охлаждающих элементов стола, на котором расположен коллоидный раствор и углубление для проводов, металлическое основание содержит рабочий столик для установки емкости с коллоидным раствором, конструкция устройства дополнительно содержит систему контроля и корректировки микроклимата в виде двух элементов Пельтье и контура жидкостного теплообмена, средняя часть корпуса, выполненная из пластика, содержит вентилятор, датчики температуры и влажности, кроме того для связи подложкодержателя с механизмом вытягивания применяют нерастяжимую ленту. Подложкодержатель состоит из первой половины в виде пластины, в которой закреплена пружина с шариком на конце, и второй половины, содержащей поворачивающийся винт и жестко соединенную с ним заднюю стенку.

На фиг. 1 представлен общий вид и вид спереди заявленного устройства, на фиг. 2 показано основание устройства, на фиг. 3 показана верхняя часть устройства, на фиг. 4 показан подложкодержатель, на фиг. 5 – пример 1, на фиг. 6 – пример 2, на фиг. 7 – пример 3, на фиг. 8 – пример 4, на фиг. 9 – пример 5, на фиг. 10 – пример 6, на фиг. 11 – пример 7, на фиг. 12 – пример 8.

Осуществление изобретения

Заявленное устройство (фиг. 1) состоит из металлического основания (1), преимущественно из нержавеющей стали, средней (2) и верхней частей корпуса (3) и подложкодержателя (5).

Металлическое основание (1) (фиг. 2) содержит в себе элементы управления микроклиматом в рабочем пространстве (контур жидкостного теплообмена (10) и элементы Пельтье (9)), рабочий столик (8) для установки емкости с коллоидным раствором, а также выполняет роль пассивной виброизоляции устройства. В основании (1) выполнено углубление (6), для размещения нагревающих и охлаждающих элементов стола (8), на котором располагается коллоидный раствор и углубление (7) для того, чтобы спрятать провода. В качестве нагревателей и охладителей используется два элемента Пельтье (9) преимущественно размером 40 х 40 мм, позволяющие охлаждать стол до температуры -20 °С (при достаточной системе отвода тепла) и нагревать его до температуры +60 °С. Полярность подключения элементов Пельтье (9) определяет нагрев или охлаждение осуществляется контактирующей со столом стороной, поэтому для более удобного переключения полярности возможно использование кулачкового двухполюсного переключателя, находящегося вне корпуса устройства. Для обеспечения работоспособности охлаждающих элементов, а также предотвращения деформации частей корпуса от нагрева в нижней части корпуса находится система водного охлаждения. Выполнена она за счет того, что нижняя часть корпуса является разборной, из двух частей, плотно соединяющихся винтами. А между частями проделан путь (10), по которому протекает вода водяного охлаждения, находящийся под расположением элементов Пельтье (9).

Средняя часть корпуса (2) (фиг. 1), выполненная из пластика (оргстекла ПММА толщиной 5 мм), содержит вентилятор (11) системы управления микроклиматом и обеспечивает доступ в рабочую зону и зрительное наблюдение за работой устройства (в случае исполнения из прозрачного материала), а также обеспечивает защиту от внешних загрязнений (к примеру, пыли) и минимизацию воздушных потоков в рабочем пространстве при формировании пленки. Внутри рабочего пространства располагается емкость с коллоидным раствором. На столике (8) с раствором закреплена термопара (на чертежах не показана) для контроля его температуры и последующего управления элементами нагрева и охлаждения. Контроль температуры и влажности в камере осуществляется при помощи соответствующих датчиков (на чертежах не показаны) и выводится на дисплей установки. Для поддержания стабильной температуры в стенку корпуса установлен небольшой кулер (11), который при включении обеспечивает подачу свежего воздуха в объем рабочей камеры. Во избежание воздушных потоков внутри камеры, во время процесса кулер отключается и закрывается заслонкой.

В основании (1) и верхней части корпуса (3) спроектированы специальные пазы, в которые вставляется оргстекло.

Верхняя часть корпуса (3) (фиг. 3) содержит в себе систему управления установкой вертикального вытягивания и шаговый двигатель (4), обеспечивающий перемещение подложки. Двигатель (4) подключается к системе управления через драйвер шагового двигателя, который делит каждый шаг на 256 микрошагов. Управление установкой осуществляется микроконтроллером, к которому подключается энкодер, установленный на выходной вал двигателя для контроля его скорости вращения, и, соответственно, контроля скорости вытягивания подложки. Датчики контроля температуры и влажности также подключаются к микроконтроллеру, который передает показания на дисплей устройства. Основными преимуществами использования шагового двигателя (4) являются точность и стабильность шага, в сочетании с хорошим моментом на низких оборотах, что позволяет получать плавное и точное перемещение даже на очень маленьких скоростях. Шаговый двигатель (4) подобран таким образом, чтобы обеспечивать как можно меньший угол поворота за один шаг, на данный момент это 0,9°, на выходном валу двигателя устанавливается съемный вал с внешним диаметром 20 мм на который намотана нерастяжимая гибкая лента (12) для преобразования вращательного движения в поступательное с подложкодержателем (5) на конце.

Управление устройством осуществляется заданием необходимых параметров на дисплее установки с помощью клавиатуры, находящейся на передней панели верхней части корпуса (3).

Конструкция подложкодержателя (5) (фиг. 4) представляет собой две пластины, соединяющиеся винтом, с зазорами между ними и выполненными в них отверстиями. В нижнем зазоре между пластинами находится пружина с шариком (13) на конце, позволяющий зажимать детали различной формы и размеров. В качестве опорной плоскости для подложки выступает подвижная стенка (15), поворачивающаяся при помощи регулятора в виде винта (14), вращающегося вокруг своей оси и изменяющего наклон задней стенки, соответственно управляя углом наклона подложки относительно раствора. Для гашения вибраций, как внешних, так и появляющихся в процессе работы механизма вытягивания, подложкодержатель (5) связан с системой вытягивания нерастяжимой лентой (12), зажимающейся в зазоре между пластинами подложкодержателя (5).

Заявленное устройство работает следующим образом. В коллоидный раствор в вертикальном подвешенном положении погружается подложка, закрепленная в подложкодержателе (5). Затем с помощью подъемного механизма подложка начинает медленно вытягиваться из раствора. Получение требуемой структуры коллоидной пленки обеспечивается сочетанием определенных значений контролируемых параметров: скорости, температуры среды и раствора, влажности среды, а также углом наклона подложки относительно вертикали. Скорость, плавность хода контролируются системой управления установкой, шаговый двигатель (4) обеспечивает движение пластинки со скоростью от 0,01 мм/мин до 10 мм/мин, и плавностью хода – регулировкой скорости с точностью до 0,01 мм/мин. До начала работы в установке формируется микроклимат с заданными параметрами – температурой и влажностью. Диапазон возможных температур, обеспечиваемый устройством – от -20 °С до +60 °С, диапазон относительной влажности – от 0 до 100%. Подложкодержатель (5) обеспечивает закрепление подложки с размерами от 5 мм в ширину, от 10 мм в длину и от 0,1 мм в толщину до 50 мм в длину и ширину и до 3 мм в толщину, с максимальным отклонением подложки от вертикальности в 30°. На границе раздела сред воздух-раствор образуется область, называемая мениском – область с наибольшей концентрацией частиц коллоидного раствора. При дальнейшем вытягивании из области мениска частицы за счет действия сил трения и капиллярных сил будут оседать на подложку, образуя упорядоченную структуру из сфер, то есть фотонно-кристаллическую пленку, что и является достижением заявленного технического результата.

Достижение технического результата иллюстрируется примерами, не ограничивающими объем правовой охраны. В примерах производилось получение пленки вытягиванием подложки из раствора коллоидного диоксида кремния с различными условиями, обеспеченными устройством и влияющими на достижение технического результата.

Пример 1 (фиг. 5). Из коллоидного раствора диоксида кремния вытягивалась подложка. Скорость вытягивания подложки 5 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25 °С, влажность 35 %. Подложка в держателе установлена с углом наклона в 0°. Результат формирования пленки подтвержден микрофотографией поверхности, на которой наблюдается монослой частиц диоксида кремния.

Пример 2 (фиг. 6). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,3 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25 °С, влажность 35 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению четырехслойной упорядоченной структуры, что подтверждается микрофотографией.

Пример 3 (фиг. 7). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,01 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25 °С, влажность 35 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению пятнадцатислойной упорядоченной структуры, что подтверждается микрофотографией.

Пример 4 (фиг. 8). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,3 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства -20 °С, влажность 35 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению в среднем пятнадцатислойной структуры аморфного строения, представленной на микрофотографии.

Пример 5 (фиг. 9). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,3 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 60 °С, влажность 10 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению в среднем трехслойной структуры аморфного строения, представленной на микрофотографии.

Пример 6 (фиг. 10). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,3 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25 °С, влажность 35 %, и с углом наклона подложки в держателе в 30° приводят к получению шестислойной упорядоченной структуры, представленной на микрофотографии.

Пример 7 (фиг. 11). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 0,3 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25°С, влажность 60 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению пятислойной упорядоченной структуры, представленной на микрофотографии.

Пример 8 (фиг. 12). Аналогичные действия в следующих условиях: Скорость вытягивания подложки 8 мм/мин, температура в рабочей зоне устройства 25 °С, влажность 35 %, и с углом наклона подложки в держателе в 0° приводят к получению двухслойной упорядоченной структуры, представленной на микрофотографии.

В сравнении с прототипом, заявленное устройство обеспечивает больший диапазон скорости вытягивания, точности ее регулирования, а также контроль микроклимата в рабочей зоне и ее виброизоляцию.

Изобретение относится к устройствам для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора и может найти применение в технологическом процессе получения тонкой коллоидной пленки различной топографии (сплошные, островковые, с периодической структурой, аморфные) и толщины (монослой, многослойные структуры). Устройство для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора содержит металлическое основание, среднюю часть корпуса с возможностью изоляции рабочей зоны от внешних воздействий, верхнюю часть корпуса с системой управления и шаговым двигателем и подложкодержатель. Верх металлического основания имеет углубление с возможностью размещения нагревающих и охлаждающих элементов стола, на котором расположен коллоидный раствор и углубление для проводов. Металлическое основание содержит рабочий столик для установки емкости с коллоидным раствором. Конструкция устройства дополнительно содержит систему контроля и корректировки микроклимата в виде двух элементов Пельтье и контура жидкостного теплообмена, средняя часть корпуса, выполненная из пластика, содержит вентилятор, датчики температуры и влажности. Для связи подложкодержателя с механизмом вытягивания применяют нерастяжимую ленту. Технический результат заключается в воспроизводимом получении одно- или многослойных фотонно-кристаллических пленок с заданной топографией методом вертикального вытягивания из коллоидных растворов. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора, содержащее металлическое основание (1), среднюю часть корпуса (2) с возможностью изоляции рабочей зоны от внешних воздействий, верхнюю часть корпуса (3) с системой управления и шаговым двигателем (4) и подложкодержатель (5), отличающееся тем, что верх металлического основания (1) имеет углубление (6) с возможностью размещения нагревающих и охлаждающих элементов стола, на котором расположен коллоидный раствор и углубление (7) для проводов, металлическое основание содержит рабочий столик (8) для установки емкости с коллоидным раствором, конструкция устройства дополнительно содержит систему контроля и корректировки микроклимата в виде двух элементов Пельтье (9) и контура жидкостного теплообмена (10), средняя часть корпуса (2), выполненная из пластика, содержит вентилятор (11), датчики температуры и влажности, кроме того, для связи подложкодержателя (5) с механизмом вытягивания применяют нерастяжимую ленту (12), при этом подложкодержатель (5) выполнен с возможностью контроля угла наклона подложки.

2. Устройство для получения фотонно-кристаллических пленок на подложке методом вертикального вытягивания из коллоидного раствора по п. 1, отличающееся тем, что подложкодержатель (5) состоит из первой половины в виде пластины, в которой закреплена пружина с шариком (13) на конце, и второй половины, содержащей поворачивающийся винт (14) и жестко соединенную с ним заднюю стенку (15).