薄膜物理2-2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布

薄膜物理与技术 石市委 swshi 物理与材料科学学院 安徽大学 教师邮箱院系 真空蒸发镀膜 第二章 2 2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中 能否在基板上获得均匀膜厚 是制膜的关键问题 基板上不同蒸发位置的膜厚 取决于蒸发源的蒸发 或发射 特性 基板与蒸发源的几何形状 相对位置以及蒸发物质的蒸发量 镀膜过程中对于膜厚的分布如何 也是人们十分关心的问题 为了对膜厚进行理论计算 找出其分布规律 首先对蒸发过程作如下几点假设 1 蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞 2 在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生碰撞 3 蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象 即第一次碰撞就凝结于基板表面上 上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子 在入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞 而且到达基板后又全部凝结 显然 这必然与实际的蒸发过程有所出入 但是 这些假设对于在10 3Pa或更低的压强下所进行的蒸发过程来说 它与实际情形是非常接近的 因此 可以说目前通常的蒸发装置一般都能满足上述条件 蒸发源的种类繁多 下面分别介绍几种最常用的蒸发源 一 点蒸发源通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源 简称点源 一个很小的球dS 以每秒m克的相同蒸发速率向各个方向蒸发 则在单位时间内 在任何方向上 通过如图2 4所示立体角d 的蒸发材料总量为dm 则有 2 21 因此 在蒸发材料到达与蒸发方向成 角的小面积dS2的几何尺寸已知时 则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得 由图可知则有 2 22 式中 r是点源与基板上被观测点的距离 所以 蒸发材料到达dS2上的蒸发速率dm可写成 2 23 假设蒸发膜的密度为 单位时间内淀积在dS2上的膜厚为t 则淀积到dS2上的薄膜体积为tdS2 则 2 24 将此值代入式 2 23 则可得基板上任意一点的膜厚 2 25 经整理后得 2 26 当dS2在点源的正上方 即 0时 cos 1 用t0表示原点处的膜厚 即有 2 27 显然 t0是在基板平面内所能得到的最大膜厚 则在基板架平面内膜厚分布状况可用下式表示 2 28 二 小平面蒸发源如图2 5所示 用小型平面蒸发源代替点源 由于这种蒸发源的发射特性具有方向性 使在 角方向蒸发的材料质量和cos 成正比例 即遵从所谓余弦角度分布规律 是平面蒸发源法线与接收平面dS2中心和平面源中心连线之间的夹角 则膜材从小型平面dS上以每秒m克的速率进行蒸发时 膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成 角度方向的立体角d 的蒸发量dm为 2 29 式中 1 是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间 加图2 5所示 如果蒸发材料到达与蒸发方向成 角的小平面dS2几何面积已知 则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求得 2 30 同理 将代入上式后 则可得到小型蒸发源时 基板上任意一点的膜厚t为 2 31 当dS2在小平面源正上方时 0 0 用t0表示该点的膜厚为 2 32 同理 t0是基板平面内所得到的最大蒸发膜厚 基板平面内其他各处的膜厚分布 即t与t0之比为 2 33 图2 6比较了点蒸发源与小平面蒸发源两者的相对厚度分布曲线 另外 比较式 2 25 和 2 31 可以看出 两种源在基片上所淀积的膜层厚度 虽然很近似 但是由于蒸发源不同 在给定蒸发料 蒸发源和基板距离的情况下 平面蒸发源的最大厚度可为点蒸发源的四倍左右 这一点也可从式 2 27 与 2 32 的比较中得出 图2 7和2 8为两个蒸发用料重量简便计算图 可用以估计某一用途所需蒸发量的重量 要注意这个图适用于点蒸发源 并假定淀积簿膜密度为块状材料的密度 三 细长平面蒸发源细长平面蒸发源的发射特性如图2 9所示 下面讨论这种蒸发源的膜厚分布问题 设基板平行放置于长度为l的细长蒸发源 源一基距为h 与中心点距离S的微险小面积为dS 在x一y平面上任意一点 x y 的微小面积为d 在dS与d 之间的距离为r时 由几何关系可得 当蒸发物质m均匀分布在蒸发源内时 在蒸发源dS面上的质量dm为这样 就可视dS为小平面蒸发源 所以 可参照式 2 30 求出在d 上得到的蒸发质量为 2 34 如果蒸发物质的密度为 在某一时间内淀积到d 的膜厚为dt 则dm dtd 由此可得出 2 35 积分后得出 2 36 整理后得 2 37 在原点O处 由于x 0 n h 则膜厚为 2 38 四 环状蒸发源为了在宽广面积上得到较好的膜厚均匀性 可以采用环状蒸发源 简称环源 在实际蒸发中 当基板处于旋转状态时 就与此情况相类似 图2 l0为环状平面蒸发源的发射特性示意图 设蒸发源与基板平行 并假定为细小平面环状蒸发源 如在环上取一单元面积dS1 则单位时间蒸发到接收面dS2上的膜材质量为 2 39 从图2 10可以看出 环源与基板平面上任意一点间的距离r可按下式计算 即接受平面dS2的膜厚可通过式 2 31 求得 故积分后得 2 40 显然 在dS1正下方原点处的膜厚为 2 41 故膜厚从O点至距O点为A处的变化率为 2 42 环状平面蒸发源的膜厚分布如图2 11所示 选择适当的R与h比时 在蒸发平面上相当大范围内膜厚分布是均匀的 如在R h 0 7一0 8时 膜厚分布就比小平面蒸发源 曲线S 要均匀得多 对于一定的R 可由式 2 40 计算出源 基距为h平面上的膜厚分布 环状平面蒸发源的膜厚分布如图2 11所示 选择适当的R与h比时 在蒸发平面上相当大范围内膜厚分布是均匀的 如在R h 0 7一0 8时 膜厚分布就比小平面蒸发源 曲线S 要均匀得多 对于一定的R 可由式 2 40 计算出源 基距为h平面上的膜厚分布 五 球曲面基板上的膜厚分布当蒸镀面积较大时 为获得镀层的膜厚有较好的均匀性 除了选择合适的蒸发源以及采用旋转基板架外 还可使基板处于球面分布状态 图2 12示出了这种情况下的发射特性 这是实际生产中的一种重要选择 因为不论采用静止的或旋转的球曲面 其上的膜厚分布都比面积相同的平板情况有较好的均匀性 由于计算过程相当繁杂 这里仅列出简化处理的结果 根据图2 12所示几何尺寸 引入以下缩写 由此 可得出下列方程式 由于转动中心为膜厚t0的归一化点 故相应的距离和角均加注下标0 2 43 2 44 2 45 将式 2 43 2 44 和 2 45 代入计算膜厚t的基本方程式 2 46 故在旋转中心处归一化 所得到静止球曲面的膜厚分布为 2 47 另外 积分方程 2 47 便可得到旋转球曲面上厚度的径向分布t t0 f 2 48 式中 k3 k1k2n k1 1十 g h 2 n 3 2 k2 1一 R h 1一cos 对于不同的n值 即不同的蒸发器形状 膜厚分布结果不同 n 1 cos 1 蒸发器 2 49 n 3 cos 3 蒸发器 2 50 n 5 cos 5 蒸发器 2 51 球曲面上的膜厚分布与蒸发源的各种余弦指数n的关系如图2 13所示 一般 蒸发源的几何位置容易确定 但蒸发器形状指数n由于受蒸发工艺影响很大 则必须通过实验才能确定 六 实际蒸发源的发射特性利用上述几种蒸发膜厚的公式 结合具体所用蒸发源 按其各自的发射特性 可对膜厚进行近似的计算 发针形蒸发源或电子束蒸发源中的熔融材料为球形 与点蒸发源近似 舟式蒸发源中 若蒸发料熔融时与舟不浸润 从舟中蒸发时也呈球形 但位于舟源表面处的蒸发料 使原来向下蒸发的粒子重新向上蒸发 故与小平面蒸发源近似 蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源是理想的柱形蒸发源 锥形篮式蒸发源在各圈间隔很小时 其发射特性与平面蒸发源近似 坩埚蒸发源可看成表面蒸发源或高度定向的蒸发源 磁控靶源可看成大面积 平面或圆柱面 蒸发源 蒸发源的发财特性是比较复杂的问题 为了得到较均匀的膜厚还必须注意源和基板的配置 或使基板公转加自转等 七 蒸发源与基板的相对位置配置1 点源与基板相对位置的配置如图2 14所示 为了获得均匀的膜厚 点源必须配置在基板所围成的球体中心 式 2 25 中的cos 1时 t值为常数 即 2 52 在这种情况下 膜厚仅与蒸发材料的性质 半径r值的大小以及蒸发源所蒸发出来的质量m有关 这种球面布置在理论上保证了膜厚的均匀性 2 小平面源与基板相对位置的配置当小平面蒸发源为球形工件架的一部分时 该小平面蒸发源蒸发时 在内球体表面上的膜厚分布是均匀的 这一点可从式 2 31 看出 因为当该式 时 从图2 15中可知r 2Rcos 将其代入式 2 31 则得 2 53 由此可见 在这种情况下膜厚t的分布与 角无关 所以对应于一定半径r的球形工件架来说 其内表面的膜厚只取决于蒸发材料的性质 r值的大小及蒸发源所能发出来的质量多少 3 小面积基板时蒸发源的位量配置如果被蒸镀的面积比较小 这时可将蒸发源直接配置于基板的中心线上 基板距蒸发源高度H可取为H 1 1 5 D 如图2 l6所示 D为基板直径尺寸 4 大面积基板和蒸发源的配置为了在较大平板形基板上获得均匀的膜厚 除可采用使基板公转加自转的 行星