CZ2024136A3 - Efúzní zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je efúzní zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře (8). Toto efúzní zařízení zahrnuje koncovku (4) mající komoru (5) pro materiál určený k depozici. Efúzní zařízení dále zahrnuje zdroj (1) laserového světla pro ohřev materiálu určeného k depozici, alespoň jedno optické vlákno (2) pro vedení laserového světla ze zdroje (1) laserového světla ke koncovce (4) a zaváděcí zařízení (3) pro zavedení laserového světla ze zdroje (1) laserového světla do alespoň jednoho optického vlákna (2).

Description

Efúzní zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká efúzního zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře, které funguje na principu efúzní cely a které pro ohřev materiálu určeného k depozici využívá laserového světla.

Dosavadní stav techniky

V současné době existují zařízení, která pro depozici materiálů na substrát využívají efúzního toku, tedy jevu, při němž se částice deponovaného materiálu pohybují z místa o vyšší teplotě k místu o teplotě nižší. Tato zařízení, tzv. efúzní cely, jsou určena pro instalaci do vakuových komor a zahrnují kalíšek pro uložení materiálu určeného k depozici. Materiál v kalíšku je zahříván, čímž dochází k jeho vypařování, případně sublimaci a uvolněné atomy par tohoto materiálu dopadají na povrch substrátu, kde postupně vytvářejí vrstvu. Tento proces probíhá ve vakuu, které ovlivňuje nejen dráhy atomů, ale i výslednou čistotu vrstvy.

Ohřev materiálu určeného k depozici je u efúzních cel běžně zajištěn buď odporovým elektrickým tělískem, nebo dopadem urychlených elektronů. Odporový ohřev nicméně není vhodný pro materiály s vysokou teplotou tání a ohřev elektrony lze využít pouze za podmínek vyšších stupňů vakua.

Další nevýhoda spočívá ve větších rozměrech efúzních cel, které se pohybují v řádech jednotek až desítek centimetrů. Efúzní cela je také ve vakuové komoře namontována napevno a míří na jedno konkrétní místo, přičemž minimální průměr deponované oblasti je typicky v řádu jednotek až desítek milimetrů. To znemožňuje dobře lokalizovanou depozici. Rozměry efúzní cely navíc zvyšuje také vodní chlazení, které je vyžadováno při depozici materiálů s vysokou teplotou vypařování, resp. sublimace.

Pro provoz běžné efúzní cely je rovněž nutné vysoké vakuum (v řádu 10^-3 Pa až 10-8 Pa), kde je střední volná dráha atomů a molekul srovnatelná se vzdáleností cely od substrátu (typicky cca 10 cm).

Bylo by proto žádoucí přijít s řešením efúzního zařízení, které by se v porovnání s běžnými efúzními celami vyznačovalo menšími rozměry umožňujícími dobře lokalizovanou depozici a které by nevyžadovalo chlazení ani vyšší stupeň vakua.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje efúzní zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje koncovku mající komoru pro materiál určený k depozici, přičemž efúzní zařízení dále zahrnuje zdroj laserového světla pro ohřev materiálu určeného k depozici, alespoň jedno optické vlákno pro vedení laserového světla ze zdroje laserového světla ke koncovce a zaváděcí zařízení pro zavedení laserového světla ze zdroje laserového světla do alespoň jednoho optického vlákna.

Díky tomu, že je k ohřevu komory pro materiál určený k depozici použito laserové světlo přiváděné optickým vláknem, mohou být rozměry koncovky výrazně menší než rozměry běžně dostupných efúzních cel. Především průřez komory pro materiál určený k depozici může být srovnatelný, nebo dokonce výhodně menší než průřez optického vlákna bez krycí akrylátové vrstvy. Optické vlákno má typicky kruhový průřez, přičemž kruhový průřez může mít také komora pro materiál určený

- 1 CZ 2024 - 136 A3 k depozici, a v takovém případě lze namísto průřezů porovnávat průměry těchto součástí. Alternativně může mít komora pro materiál určený k depozici také jiný tvar průřezu. Průměr optického vlákna bez krycí akrylátové vrstvy se běžně pohybuje v řádu nižších stovek μm, typicky 125 μm. Průměr komory pro materiál určený k depozici tak může být i menší než 125 μm, výhodněji menší než 100 μm, a stejně tak rozměr (průměr) celé koncovky může být menší než 1 mm, tedy výrazně menší než běžné efúzní cely, jejichž rozměry jsou až řádově větší (jednotky až desítky centimetrů). Díky tomu je umožněna lokalizovaná depozice na malou oblast substrátu, až řádově menší než v případě běžně dostupných efúzních cel.

Malé rozměry koncovky také umožňují snadnou integraci do vakuových komor již existujících a komerčně dostupných přístrojů, např. vakuových depozičních aparatur či různých druhů elektronových mikroskopů apod. Efúzní zařízení podle předkládaného vynálezu tak lze podle potřeby využít ve vhodném přístroji, což šetří náklady, neboť není nutné tyto přístroje nějak speciálně upravovat. Efúzní zařízení, respektive jeho koncovka, zabírá ve srovnání s existujícími efúzními celami výrazně menší zástavbový prostor pod pólovým nástavcem elektronového tubusu, což zaručuje existenci společného pracovního bodu. Díky tomu je možné operando měření elektronovým mikroskopem (in situ, během depozice), což je naopak u standardních efúzních cel problematické. Je také možné použít efúzní zařízení jednoduše v kombinaci s dalšími analytickými metodami a zařízeními dostupnými v elektronovém mikroskopu (detektory signálů, iontový zdroj (FIB), systém vstřikování plynů (GIS), rastrovací sondový mikroskop (SPM) apod). V rastrovacím elektronovém mikroskopu lze efúzní zařízení využít například pro pokovení nevodivých vzorků, a tím výrazně zlepšit možnosti zobrazování.

Ve srovnání s běžně dostupnými efúzními celami je navíc levnější také samotná výroba efúzního zařízení, respektive koncovky, neboť tu lze vyrobit pomocí procesů známých z polovodičového průmyslu, např. s využitím suchého leptání, mokrého leptání a litografie. Těmito procesy lze vyrábět velké množství totožných dílů současně. Ušetřit lze také na materiálu určeném k depozici, neboť pro plnění efúzního zařízení podle předkládaného vynálezu, konkrétně tedy pro plnění komory pro materiál určený k depozici, postačí menší množství materiálu než v případě existujících efúzních cel. Čistý materiál potřebný k depozici je přitom často velmi drahý.

Díky přivedení laserového světla optickým vláknem nemusí být koncovka s materiálem určeným k depozici upevněna do vakuové komory napevno, typicky ve velké vzdálenosti od substrátu, ale je naopak umožněno (např. díky upevnění k manipulátoru) její umístění v blízkosti substrátu. Díky tomu není pro depozici pomocí efúzního zařízení vyžadován takový stupeň vakua jako u běžných efúzních cel, přičemž postačí tlak v řádu 10^-1 Pa nebo menší. To rovněž snižuje provozní náklady a umožňuje využití efúzního zařízení i u přístrojů, které nejsou uzpůsobeny pro vytvoření příliš vysokého stupně vakua. Efúzní zařízení tak lze umístit např. také do environmentálních elektronových mikroskopů nebo mikro-reaktorů umístěných v elektronových mikroskopech sloužících pro operando studium dějů na površích.

Efúzní zařízení podle předkládaného vynálezu také pro své použití nevyžaduje chlazení, které by jinak zvyšovalo jeho rozměry a komplikovalo a prodražovalo konstrukci. Na rozdíl od ohřevu pomocí odporového elektrického tělíska je ohřev pomocí laserového světla vhodný i pro materiály s vysokou teplotou tání a od nákladného ohřevu dopadem urychlených elektronů lze upustit díky tomu, že při používání efúzního zařízení podle předkládaného vynálezu není potřeba ve vakuové komoře vůbec zajišťovat vyšší stupeň vakua.

Laserovým světlem lze koncovku lokálně ozářit tak, aby došlo k ohřevu komory pro materiál určený k depozici, a to i na velmi vysokou teplotu (> 1000 °C). K ohřevu lze výhodně použít laser o vhodném výkonu a vlnové délce zvolené podle materiálu, ze kterého je vyrobena koncovka, a to např. podle absorpce zvoleného materiálu na dané vlnové délce. Je-li např. koncovka vyrobená z křemíku, lze použít např. v laboratořích často dostupný laser o vlnové délce 532 nm, vzhledem k dostatečné absorpci křemíku na této vlnové délce. Alternativně může být koncovka vyrobená z jiného tepelně odolného materiálu, např. z tantalu, keramiky, molybdenu či wolframu. Vlnová

- 2 CZ 2024 - 136 A3 délka může být např. zvolena také tak, aby docházelo k průchodu laserového světla materiálem koncovky a zároveň k výrazné absorpci materiálem určeným k depozici, který má být v koncovce ohříván. Materiálem určeným k depozici může být typicky např. galium, stříbro, cín, ale případně jakýkoliv jiný materiál podle potřeby.

V další části podstaty vynálezu budou podrobněji popisovány různé výhodné možnosti provedení koncovky, nicméně obecně platí, že komora pro materiál určený k depozici je ohřívána laserovým světlem přivedeným ke koncovce optickým vláknem. Výstupní konec optického vlákna může být např. zasazený do koncovky a může být v přímém kontaktu s materiálem koncovky, případně může být do koncovky zasazený, ale může být od materiálu koncovky odsazený o určitou vzdálenost. Alternativně, v méně výhodném provedení, však nemusí být optické vlákno vůbec v kontaktu s koncovkou, a pro ohřev postačí, když je laserové světlo ke koncovce přivedeno, tj. může na ni být pouze nasměrován laserový paprsek, ať už je toto realizováno nasměrováním optického vlákna, nebo nasměrováním samotného laserového paprsku poté, co opustí výstupní konec optického vlákna.

Pro depozici vybraného materiálu lze tedy efúzní zařízení jednoduše umístit do vakuové komory, a to tak, že je do vakuové komory umístěna alespoň koncovka s komorou pro materiál určený k depozici. Zdroj laserového světla a zaváděcí zařízení přitom mohou zůstat vně vakuové komory. Do komory pro materiál určený k depozici se uloží materiál určený k depozici (to lze výhodně učinit před tím, než je koncovka vložena do vakuové komory) a do vakuové komory se umístí substrát, na který má být tento materiál deponován. Dopadem laserového světla na koncovku dojde k zahřívání materiálu určeného k depozici na vysokou teplotu (> 1000 °C) a k jeho následnému odpařování, případně sublimaci (pokud dojde ke vzniku par, aniž by pevný materiál prošel kapalnou fází). Uvolněné atomy par materiálu určeného k depozici poté efúzním tokem dopadají na chladnější povrch substrátu, kde vytvářejí deponovanou tenkou vrstvu.

Pro přivedení laserového světla ze zdroje laserového světla ke koncovce je možné použít pouze jedno optické vlákno, jehož část se bude nacházet vně vakuové komory a část uvnitř vakuové komory. Do vakuové komory pak může být optické vlákno zavedeno pomocí vakuové průchodky. Alternativně však může být použito více jednotlivých optických vláken, která na sebe vzájemně navazují, přičemž jednotlivá optická vlákna mohou být realizována jako vzájemně stejný typ optického vlákna (např. plného optického vlákna), ale také jako vzájemně různý typ optického vlákna (např. plné vs duté optické vlákno). Vně vakuové komory tak může být použito např. první plné optické vlákno, které vede laserové světlo od zaváděcího zařízení do vakuové průchodky, a uvnitř vakuové komory může být použito např. druhé plné optické vlákno, které vede laserové světlo od vakuové průchodky ke koncovce. Ve vakuové průchodce jsou obě tato optická vlákna vzájemně přesně napolohována tak, aby mezi nimi došlo k co nejlepšímu přenosu laserového světla.

Optické vlákno je výhodně svým výstupním koncem nasazené do koncovky. Díky nasazení optického vlákna do koncovky je zajištěna dobrá kompaktnost, ale zároveň také rozebíratelnost celého efúzního zařízení a také spolehlivé přivedení laserového světla ze zdroje laserového světla ke koncovce, a tím efektivnější zahřívání komory pro materiál určený k depozici. Alternativně může být optické vlákno spojeno s koncovkou také jinak než nasazením do koncovky. Nasazení či jiné spojení optického vlákna a koncovky je výhodné z toho pohledu, že optické vlákno neplní pouze funkci přivedení laserového světla, ale napomáhá také mechanickému uchycení koncovky do vakuové komory, např. tak, že může být optické vlákno uchyceno k manipulátoru ve vakuové komoře.

Koncovka výhodně zahrnuje komoru pro optické vlákno oddělenou od komory pro materiál určený k depozici, přičemž optické vlákno je nasazené do komory pro optické vlákno. Provedení koncovky s oddělenými komorami je velmi praktické, neboť umožňuje naplnit komoru pro materiál určený k depozici vybraným materiálem bez ohledu na to, zda je již do komory pro optické vlákno nasazeno optické vlákno, či nikoliv. Přepážka mezi oběma komorami zároveň umožňuje spolehlivý

- 3 CZ 2024 - 136 A3 přenos tepla způsobeného dopadem laserového světla. Průřez (průměr) komory pro materiál určený k depozici je výhodně menší než průřez (průměr) komory pro optické vlákno, což umožňuje co nejmenší stopu deponovaného materiálu a dobře lokalizovanou depozici. Alternativně může být průřez komory pro materiál určený k depozici stejný, nebo i větší než průřez komory pro optické vlákno, ovšem takové provedení není výhodné, neboť nemusí poskytovat tak efektivní ohřev materiálu a tolik lokalizovanou depozici.

Alternativně však nemusí koncovka zahrnovat oddělené komory pro materiál určený k depozici a pro optické vlákno. V principu postačí, když bude koncovka zahrnovat jednu společnou komoru, která prochází skrze koncovku. Koncovka tak může být provedena například ve tvaru trubičky (vytvořené například jednoduše nařezáním tenkostěnné kapiláry), do které se z jedné strany nasadí optické vlákno, čímž je tato komora z jedné strany uzavřena a z druhé strany je do ní možné uložit materiál určený k depozici. Tato alternativa je výrobně jednodušší a teplotně odolnější, avšak umožňuje naplnění komory materiálem pouze poté, co je do komory nasazeno optické vlákno.

Koncovka výhodně zahrnuje alespoň jeden distanční sloupek pro odsazení výstupního konce optického vlákna od materiálu koncovky v podélném směru. Distanční sloupky mohou zahrnovat např. separační bloky ve tvaru výčnělků směřujících radiálně směrem dovnitř. Tyto separační bloky tak v podstatě plní funkci zarážky pro zaražení optického vlákna v určité vzdálenosti od materiálu koncovky, příkladně v určité vzdálenosti od přepážky oddělující komoru pro materiál určený k depozici a komoru pro optické vlákno. Alternativně lze odsazení optického vlákna realizovat také jinak, např. deformací distančních sloupků, nicméně vždy dojde ke vzniku určité distanční mezery mezi optickým vláknem a materiálem koncovky v podélném směru. Díky této distanční mezeře je omezen tepelný tok z nejteplejší části koncovky na optické vlákno, a takováto koncovka je tedy vhodná a výhodná pro vysokoteplotní aplikace.

Efúzní zařízení výhodně zahrnuje deflektor umístěný kolem koncovky pro usměrňování efúzního toku. Výhodně má deflektor, stejně jako koncovka, válcový tvar. Deflektor z vnějšku obklopuje koncovku a může k ní být upevněn např. pomocí uchycovacího prvku zahrnujícího objímku pro sevření optického vlákna a přírubu pro upevnění k deflektoru. Alternativně však může být deflektor ke koncovce upevněn i jakýmikoliv jinými uchycovacími prostředky. Usměrňování efúzního toku pomocí deflektoru umožňuje lépe lokalizovanou depozici a díky deflektoru je rovněž omezeno šíření tepelného i světleného záření v přístroji.

K dobře lokalizované depozici přispívá také to, že průřez komory pro materiál určený k depozici je výhodně menší než průřez optického vlákna. Vzhledem k malým rozměrům optického vlákna lze vybraný materiál deponovat s menší stopou než u existujících efúzních cel, jak již bylo popisováno výše.

Je zřejmé, že výše popisované alternativy a výhodné prvky je možné vzájemně kombinovat pro dosažení různých provedení efúzního zařízení, např. koncovka může zahrnovat oddělené komory, distanční sloupky i deflektor, ale může zahrnovat např. jen některé z těchto prvků. Obecně lze také říci, že koncovka má výhodně válcový tvar a že komora pro materiál určený k depozici je výhodně umístěná v čelní ploše koncovky a vede axiálně středem koncovky. Konkrétní tvar koncovky, tvar či umístění komory pro materiál určený k depozici, případně také tvar či umístění komory pro optické vlákno, mohou být nicméně také jiné, pokud bude umožněno přivedení laserového světla ke koncovce a bude umožněn spolehlivý ohřev komory pro materiál určený k depozici.

Alespoň jedno optické vlákno je výhodně provedené jako duté optické vlákno zahrnující alespoň jednu kapiláru vedoucí v podélném směru ke koncovce (například v provedení komerčně dostupných vláken s fotonickým krystalem), přičemž efúzní zařízení dále zahrnuje zásobník pracovního plynu a přívodní vedení pro přivedení pracovního plynu ze zásobníku pracovního plynu do dutého optického vlákna. Díky přivedení nejen laserového světla, ale také pracovního plynu ke koncovce dochází k reakci pracovního plynu se zahřívaným materiálem určeným k depozici či s povrchem substrátu a k vytváření sloučenin. Tímto způsobem tak lze deponovat např. oxidy,

- 4 CZ 2024 - 136 A3 pokud je pracovním plynem kyslík, nitridy, pokud je pracovním plynem dusík, atp. Na teplé části koncovky může obecně docházet k tepelně aktivované disociaci molekul a tyto aktivní částice mohou následně na povrchu substrátu tvořit vrstvu, případně tento povrch modifikovat nebo leptat. Např. methan (CH4) se při teplotě 600 °C rozkládá na uhlík a vodík. Pracovní plyn lze také v průběhu depozice měnit (jednoduše přepojením přívodního vedení do jiného zásobníku pracovního plynu), čímž lze měnit složení deponované vrstvy a vytvářet tak multivrstvy, např. Ga/GaN. Dále lze vytvářet např. vrstvy SiO2, SiN, případně bude možné efúzní zařízení použít k přípravě nových materiálů.

Výhodně jsou pro přivedení laserového světla a pracovního plynu ke koncovce použita alespoň dvě jednotlivá optická vlákna, která na sebe vzájemně axiálně navazují, avšak mají mezi sebou mezeru umožňující zavedení pracovního plynu. Spojení těchto optických vláken je možné realizovat ve vakuové průchodce, ve které zároveň dochází k přivedení plynu do dutého optického vlákna. Duté optické vlákno se tak při použití efúzního zařízení ve vakuové komoře nachází uvnitř vakuové komory a vede od vakuové průchodky ke koncovce a plné optické vlákno se nachází vně vakuové komory a vede od zaváděcího zařízení do vakuové průchodky. Alternativně může být vně vakuové komory použito také duté optické vlákno, neboť i to samozřejmě umožňuje vedení laserového světla. Alternativně může být použito pouze jedno duté optické vlákno, které vede za zaváděcího zařízení ke koncovce, pokud je zajištěn přívod pracovního plynu. V takovém případě by bylo možné přivést pracovní plyn do dutého optického vlákna již v zaváděcím zařízení.

Duté optické vlákno lze využít s jakoukoliv popisovanou variantou koncovky. Samotná použitá optická vlákna, tj. plné optické vlákno a duté optické vlákno, jsou známá.

Efúzní zařízení dále výhodně zahrnuje manipulátor pro upevnění koncovky do vakuové komory, přičemž koncovka je upevněná k manipulátoru a je pohyblivá s tímto manipulátorem. Díky upevnění koncovky k manipulátoru lze zajistit přesný a definovaný pohyb koncovky vůči substrátu, ať už pro změnu polohy v rovině substrátu či pro změnu vzdálenosti od substrátu. Tím je umožněna prostorově řízená a dobře lokalizovaná depozice materiálu. Manipulátor bývá součástí příslušných přístrojů a lze ho tak jednoduše použít pro doplnění efúzního zařízení podle předkládaného vynálezu. Může se jednat např. o motorizované, ale také ruční manipulátory vakuových komor, nano-manipulátory elektronových mikroskopů apod. Vestavba efúzního zařízení do rastrovacího elektronového mikroskopu tak umožňuje okamžitou inspekci vlastností (např. morfologie či chemického složení) vzniklých vrstev.

Koncovka je výhodně k manipulátoru upevněná přes optické vlákno, které je upevněné k manipulátoru. Optické vlákno tak slouží nejen pro vedení světla, ale také jako nosný prvek pro upevnění k manipulátoru. Alternativně může být koncovka upevněna přímo k manipulátoru a případně nemusí být ani upevněná k optickému vláknu. V principu postačí, pokud bude koncovka osvětlována laserovým světlem vystupujícím z optického vlákna.

Alternativně může efúzní zařízení zahrnovat více koncovek než pouze jednu a více příslušných optických vláken, případně může být při použití ve vakuové komoře umístěno do vakuové komory více identických efúzních zařízení. Tato konfigurace umožňuje postupnou depozici různých materiálů čili např. vytváření tzv. multivrstev.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je schematicky znázorněno efúzní zařízení podle předkládaného vynálezu v prvním příkladném provedení,

- 5 CZ 2024 - 136 A3 obr. 2 je schematicky znázorněno efúzní zařízení podle předkládaného vynálezu v prvním příkladném provedení, kde efúzní zařízení je umístěné ve vakuové komoře, obr. 3 a je znázorněna koncovka v prvním příkladném provedení s nasazeným plným optickým vláknem v prostorovém zobrazení, obr. 3b je znázorněna koncovka v prvním příkladném provedení s nasazeným plným optickým vláknem v podélném řezu, obr. 4a je znázorněna koncovka ve druhém příkladném provedení s nasazeným plným optickým vláknem v prostorovém zobrazení, obr. 4b je znázorněna koncovka ve druhém příkladném provedení s nasazeným plným optickým vláknem v podélném řezu, obr. 5 je schematicky znázorněno efúzní zařízení s přívodem pracovního plynu podle předkládaného vynálezu ve třetím příkladném provedení, kde efúzní zařízení je umístěné ve vakuové komoře, obr. 6a je znázorněna koncovka ve třetím příkladném provedení s nasazeným dutým optickým vláknem v prostorovém zobrazení, obr. 6b je znázorněna koncovka ve třetím příkladném provedení s nasazeným dutým optickým vláknem v podélném řezu, obr. 7a je znázorněna koncovka ve čtvrtém příkladném provedení s nasazeným dutým optickým vláknem v prostorovém zobrazení a obr. 7b je znázorněna koncovka ve čtvrtém příkladném provedení s nasazeným dutým optickým vláknem v podélném řezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy.

Příklad 1:

V prvním příkladném provedení, jak je znázorněno na obr. 1 až obr. 3b, zahrnuje efúzní zařízení zdroj 1 laserového světla, optické vlákno 2, zaváděcí zařízení 3 pro zavedení laserového světla ze zdroje 1 laserového světla do optického vlákna 2 a koncovku 4. V prvním příkladném provedení zahrnuje koncovka 4 komoru 5 pro materiál určený k depozici a také komoru 6 pro optické vlákno 2, jak bude detailněji popisováno dále.

Jak je schematicky znázorněno na obr. 1 či obr. 2, ze zdroje 1 laserového světla vychází laserový paprsek (znázorněný přerušovanou čarou), který je pomocí zaváděcího zařízení 3 zaveden do vstupního konce optického vlákna 2. Zaváděcí zařízení 3 pro zavedení laserového světla do optického vlákna 2 je ve stavu techniky známé, přičemž odborník z oboru je schopen realizovat takové zaváděcí zařízení 3 v různých provedeních. Příkladně zaváděcí zařízení 3 zahrnuje díl pro mechanické uchycení optického vlákna 2 a tříosý mikro-posuv opatřený objektivem. Díky tomu je možné laserové světlo fokusovat do dostatečně malého prostoru a umístit jej přesně do středu optického vlákna 2. Tímto optickým vláknem 2 je laserové světlo na principu totálního odrazu vedeno až na výstupní konec optického vlákna 2, který je nasazený do koncovky 4. Konkrétně je optické vlákno 2 svým výstupním koncem nasazeno do komory 6 pro optické vlákno 2, jak je vidět na obr. 3b v podélném řezu optickým vláknem 2 a koncovkou 4.

Koncovka 4 má v prvním příkladném provedení válcový tvar, přičemž komora 5 pro materiál určený k depozici je zhotovená v čelní ploše koncovky 4 a komora 6 pro optické vlákno 2 je zhotovená v zadní ploše koncovky 4. Čelní plochou koncovky 4 je myšlena plocha, kterou je koncovka 4 při použití ve vakuové komoře 8 nasměrována na substrát 10. Komora 5 pro materiál určený k depozici a komora 6 pro optické vlákno 2 mají příkladně kruhový průřez a jsou v koncovce 4 uspořádány souose, přičemž průměr komory 5 pro materiál určený k depozici je v tomto provedení menší než průměr komory 6 pro optické vlákno 2. Průměr komory 6 pro optické vlákno 2 odpovídá průměru optického vlákna 2; lépe řečeno, je o něco větší než průměr optického

- 6 CZ 2024 - 136 A3 vlákna 2, aby bylo umožněno nasazení optického vlákna 2 do komory 6 pro optické vlákno 2. Jak je rovněž patrné z obr. 3b, v tomto příkladném provedení zůstává mezi komorou 5 pro materiál určený k depozici a komorou 6 pro optické vlákno 2 určitá přepážka tvořená materiálem koncovky 4. Jinými slovy, komora 5 pro materiál určený k depozici a komora 6 pro optické vlákno 2 jsou vzájemně oddělené.

Z podélného řezu dle obr. 3b je také patrné, že v tomto příkladném provedení je optické vlákno 2 realizováno jako plné optické vlákno 2, tj. jako optické vlákno 2, které nezahrnuje dutinu. Příkladně je použito komerčně dostupné plné optické vlákno 2 zahrnující tři základní části - jádro, plášť a krycí vrstvu. Světlo se v případě tohoto typu vlákna šíří jádrem na základě totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště, přičemž index lomu materiálu jádra je vyšší než index lomu materiálu pláště. Příkladně je jádro, stejně tak i plášť, zhotoveno z křemenného skla, přičemž pro dosažení vyššího indexu lomu je materiál jádra vhodně dopován. Krycí akrylátová vrstva plní funkci ochrany jádra a pláště před mechanickým poškozením, případně před vlhkostí okolního prostředí. Průměr optického vlákna 2 včetně krycí akrylátové vrstvy je příkladně 270 μm. Krycí akrylátová vrstva je však v blízkosti koncovky 4 (tj. u výstupního konce optického vlákna 2) odstraněna a průměr optického vlákna (jádro + plášť) zde činí 125 μm.

Pro lokalizovanou depozici materiálu je výše popsané efúzní zařízení umístěno do vakuové komory 8, a to tak, že je do vakuové komory 8 umístěna alespoň koncovka 4. Jak je schematicky znázorněno na obr. 2, v prvním příkladném provedení je zdroj 1 laserového světla umístěný mimo vakuovou komoru 8, stejně jako zaváděcí zařízení 3 a část optického vlákna 2. Optické vlákno 2 je pomocí vakuové průchodky 7 zavedeno do vakuové komory 8 a jeho zbývající část se tak již nachází uvnitř vakuové komory 8. Efúzní zařízení dále zahrnuje manipulátor 9 pro pohybování koncovkou 4 uvnitř vakuové komory 8. Přesným definovaným pohybem manipulátoru 9 vůči vakuové komoře 8 je zajištěna změna polohy koncovky 4 vůči substrátu 10, ať už změna polohy koncovky 4 v rovině substrátu 10 či změna vzdálenosti koncovky 4 od substrátu 10. Tím je umožněna prostorově řízená a dobře lokalizovaná depozice materiálu uloženého v koncovce 4, konkrétně v komoře 5 pro materiál určený k depozici. Příkladně je koncovka 4 upevněna k manipulátoru 9 přes optického vlákno 2, tj. optické vlákno 2 je nasazeno do koncovky 4 a manipulátor 9 je upevněný k optickému vláknu 2. Optické vlákno 2 tedy slouží nejen pro vedení laserového světla, ale také jako nosný prvek pro upevnění k manipulátoru 9. Vakuovou komorou 8 je příkladně vakuová komora 8 elektronového mikroskopu, konkrétně např. vakuová komora 8 skenovacího elektronového mikroskopu, a manipulátorem 9 je nano-manipulátor poskytnutý u tohoto elektronového mikroskopu.

Po zapnutí zdroje 1 laserového světla je laserové světlo vedeno optickým vláknem 2 ke koncovce 4, načež vychází z jeho výstupního konce a dopadá na materiál koncovky 4. Dopadem laserového světla na koncovku 4 dochází k jejímu zahřívání, přičemž teplo se šíří přes přepážku a stěny koncovky 4 až k oddělené komoře 5 pro materiál určený k depozici. Tím dojde k ohřevu materiálu, který je uložen v komoře 5 pro materiál určený k depozici, na vysokou teplotu (> 1000 °C) a k jeho následnému odpařování, případně sublimaci (pokud dojde ke vzniku par, aniž by pevný materiál prošel kapalnou fází). Z tohoto důvodu je koncovka 4 vyrobena z tepelně odolného materiálu, příkladně z křemíku, tantalu, keramiky, molybdenu, nebo wolframu. K ohřevu je příkladně použit laditelný 1,5 W laser o vlnové délce 532 nm, a to díky výhodné absorpci křemíkového materiálu na této vlnové délce.

Uvolněné atomy par materiálu určeného k depozici poté efúzním tokem dopadají na chladnější povrch substrátu 10, kde vytvářejí deponovanou tenkou vrstvu. Pro depozici je potřebný určitý stupeň vakua ve vakuové komoře 8, ovšem oproti stavu techniky zde postačí nižší stupeň vakua. Příkladně jsou použity tlaky v řádu 10^-1 Pa a menší.

- 7 CZ 2024 - 136 A3

Příklad 2:

Ve druhém příkladném provedení je efúzní zařízení provedeno stejně jako v prvním příkladném provedení, s tím rozdílem, že je jinak provedena koncovka 4. Ve druhém příkladném provedení koncovky 4, které je znázorněno na obr. 4a a obr. 4b a které odpovídá druhému příkladnému provedení efúzního zařízení, zahrnuje koncovka 4 komoru 5 pro materiál určený k depozici, která zároveň slouží pro nasazení optického vlákna 2. Koncovka 4 tedy neobsahuje oddělenou komoru 5 pro materiál určený k depozici a komoru 6 pro optické vlákno 2. Komora 5 pro materiál určený k depozici je realizována jako dutina procházející skrze celou koncovku 4, tj. od její čelní plochy až po její zadní plochu. Jinými slovy, koncovka 4 je v tomto příkladném provedení realizována ve tvaru trubičky.

Průměr komory 5 pro materiál určený k depozici odpovídá průměru optického vlákna 2; lépe řečeno, je o něco větší než průměr optického vlákna 2, aby bylo umožněno nasazení optického vlákna 2 do komory 5 pro materiál určený k depozici. Jak je vidět na obr. 4b, nasazením optického vlákna 2 do koncovky 4 je komora 5 pro materiál určený k depozici ze zadní strany uzavřena, díky čemuž je umožněno držení materiálu v této komoře 5 pro materiál určený k depozici. Aby nedošlo k úplnému navlečení/provlečení optického vlákna 2 skrze koncovku 4, je koncovka 4 v určitém místě zdeformována (na obrázku toto není znázorněno).

Příklad 3:

Ve třetím příkladném provedení je efúzní zařízení provedeno stejně jako v prvním příkladném provedení, s tím rozdílem, že zahrnuje dvě optická vlákna, přičemž alespoň jedno optické vlákno, konkrétně optické vlákno použité v úseku od vakuové průchodky 7 ke koncovce 4, je realizováno jako duté optické vlákno 2, a především s tím rozdílem, že efúzní zařízení navíc zahrnuje zásobník 11 pracovního plynu a přívodní vedení 12 pro přivedení pracovního plynu do dutého optického vlákna 2, jak je znázorněno na obr. 5. Rozdílné je také provedení koncovky 4, jak je vidět na obr. 6a a obr. 6b.

Vakuová průchodka 7 tedy na rozdíl od předchozích dvou příkladných provedení zajišťuje také optické svázání plného optického vlákna 2, které se nachází mimo vakuovou komoru 8, s dutým optickým vláknem 2, které se nachází ve vakuové komoře 8. Vakuová průchodka 7 rovněž zajišťuje zavedení pracovního plynu z přívodního vedení 12 do dutého optického vlákna 2. Ve vakuové průchodce 7 j sou plné optické vlákno 2 a duté optické vlákno 2 vzáj emně souose umístěné v přechodové komoře natlakované připouštěným pracovním plynem, která je vakuově těsně oddělena od vnější atmosféry a vakuové komory 8 (s výjimkou kapilár 13 dutého optického vlákna). Mezi konci takto souose umístěných optických vláken 2 je mezera, aby mohl pracovní plyn projít do dutého optického vlákna 2. Přívodním vedením 12 je příkladně přívodní trubice. Jako pracovní plyn je příkladně použit kyslík, což umožňuje deponovat vrstvu oxidu, který vzniká v důsledku reakci kyslíku se zahřátým materiálem určeným k depozici, respektive s jeho parami.

Duté optické vlákno 2 se od plného optického vlákna 2 použitého v předchozích dvou příkladných provedeních liší principiálně v tom, že zahrnuje alespoň jednu kapiláru 13, tedy tenkou dutinu procházející optickým vláknem v podélném směru. Tato kapilára 13 umožňuje průchod pracovního plynu skrze duté optické vlákno 2. Kromě vedení pracovního plynu je duté optické vlákno 2 samozřejmě uzpůsobené také k vedení světla a příkladně zahrnuje jádro, plášť a krycí vrstvu, jak bylo popisováno již u plného optického vlákna 2.

Jak je vidět na obr. 6a a obr. 6b., koncovka 4 ve třetím příkladném provedení zahrnuje komoru 5 pro materiál určený k depozici a komoru 6 pro optické vlákno, které jsou vzájemně oddělené přepážkou, podobně jako v prvním příkladném provedení koncovky 4. Komora 5 pro materiál určený k depozici je zhotovená v čelní ploše koncovky 4 a komora 6 pro optické vlákno 2 je zhotovená v zadní ploše koncovky 4. Rozdíl oproti koncovce 4 podle prvního příkladného

- 8 CZ 2024 - 136 A3 provedení nicméně spočívá v tom, že komora 6 pro optické vlákno 2 není vymezena materiálem koncovky 4 po celém jejím obvodu, ale je vymezena distančními sloupky 14, které jsou nejlépe vidět na obr. 6a. Distanční sloupky 14 umožňují, že po nasazení optického vlákna 2 jeho výstupním koncem do komory 6 pro optické vlákno 2 zůstane optické vlákno 2 v podélném směru odsazeno od materiálu koncovky 4. To je příkladně realizováno tím, že distanční sloupky 14 jsou opatřeny separačními bloky 18, tj. v podstatě výčnělky, o které se výstupní konec optického vlákna 2 zarazí. Jak je vidět na obr. 6b, mezi výstupním koncem dutého optického vlákna 2 a přepážkou koncovky 4 tak zůstává určitá distanční mezera 15. Díky tomu je tato koncovka 4 vhodná pro vysokoteplotní aplikace.

Příklad 4:

Ve čtvrtém příkladném provedení je efúzní zařízení provedeno stejně jako ve třetím příkladném provedení, s tím rozdílem, že je jinak provedena koncovka 4. Ve čtvrtém příkladném provedení koncovky 4, které je znázorněno na obr. 7a a obr. 7b a které odpovídá čtvrtému příkladnému provedení efúzního zařízení, zahrnuje koncovka 4 navíc deflektor 16.

Deflektor 16 má válcový tvar, který je z čelní strany otevřený a který zahrnuje v zadní ploše otvor, do kterého je nasunuto optické vlákno 2. Průměr deflektoru 16 je větší než průměr koncovky 4, přičemž deflektor 16 je ke koncovce 4 a optickému vláknu 2 upevněn tak, že se deflektor 16 nachází souose kolem koncovky 4, kterou z vnějšku zakrývá. Příkladně je deflektor 16 ke koncovce 4 a optickému vláknu 2 upevněn pomocí upevňovacího prvku 17. Tento upevňovací prvek 17 zahrnuje objímku pro sevření optického vlákna 2 a přírubu pro upevnění k deflektoru 16. Deflektor 16 umožňuje směřovat efúzní tok materiálu do přesněji lokalizované oblasti a také omezuje další šíření tepelného i světleného záření ve vakuové komoře 8, ve které je efúzní zařízení použito.

Dále je možné uskutečnit efúzní zařízení podle předkládaného vynálezu také v dalších příkladných provedeních, např. v provedeních kombinujících některé z výše popsaných příkladů. Další možné alternativy vyplývají také z části „Podstata vynálezu“.

Průmyslová využitelnost

Výše popsané efúzní zařízení je možné použít pro lokalizovanou depozici různých materiálů ve vakuových komorách rozličných přístrojů, např. ve vakuových komorách environmentálních elektronových mikroskopů nebo mikroreaktorů umístěných v elektronových mikroskopech sloužících pro operando studium dějů na površích. Efúzní zařízení je možné použít např. také k opravování porušených elektrických kontaktů mikro-elektroniky nebo ke tvorbě struktur bezmaskovou litografií.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Efúzní zařízení pro lokalizovanou depozici pro použití ve vakuové komoře (8), vyznačující se tím, že zahrnuje koncovku (4) mající komoru (5) pro materiál určený k depozici, přičemž efúzní zařízení dále zahrnuje zdroj (1) laserového světla pro ohřev materiálu určeného k depozici, alespoň jedno optické vlákno (2) pro vedení laserového světla ze zdroje (1) laserového světla ke koncovce (4) a zaváděcí zařízení (3) pro zavedení laserového světla ze zdroje (1) laserového světla do alespoň jednoho optického vlákna (2).
2. 2. Efúzní zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optické vlákno (2) je svým výstupním koncem nasazené do koncovky (4).
3. 3. Efúzní zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že koncovka (4) zahrnuje komoru (6) pro optické vlákno (2) oddělenou od komory (5) pro materiál určený k depozici, přičemž optické vlákno (2) je nasazené do komory (6) pro optické vlákno (2).
4. 4. Efúzní zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků 2 nebo 3, vyznačující se tím, že koncovka (4) zahrnuje alespoň jeden distanční sloupek (14) pro odsazení výstupního konce optického vlákna (2) od materiálu koncovky (4) v podélném směru.
5. 5. Efúzní zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje deflektor (16) umístěný kolem koncovky (4) pro usměrňování efúzního toku.
6. 6. Efúzní zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že průřez komory (5) pro materiál určený k depozici je menší než průřez optického vlákna (2).
7. 7. Efúzní zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že alespoň jedno optické vlákno (2) je provedené jako duté optické vlákno (2) zahrnující alespoň jednu kapiláru (13) vedoucí v podélném směru ke koncovce (4), přičemž efúzní zařízení dále zahrnuje zásobník (11) pracovního plynu a přívodní vedení (12) pro přivedení pracovního plynu ze zásobníku (11) pracovního plynu do dutého optického vlákna (2).
8. 8. Efúzní zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje manipulátor (9) pro upevnění koncovky (4) do vakuové komory (8), přičemž koncovka (4) je upevněná k manipulátoru (9) a je pohyblivá s tímto manipulátorem (9).
9. 9. Efúzní zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že koncovka (4) je k manipulátoru (9) upevněná přes optické vlákno (2), které je upevněné k manipulátoru (9).