薄膜物理2-2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布ppt课件

、薄膜物理与技术、石市委员会： swshi :在物理与材料科学学院、安徽大学、教师邮箱学部、1、真空蒸镀膜、第二章、2、2-2蒸发源的蒸发特性与膜厚分布、3、真空蒸镀膜过程中，基板能否得到均匀的膜厚是制膜的重要问题。 基板上不同蒸发位置的膜厚依赖于蒸发源的蒸发(或放出)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。 涂层过程中膜厚分布如何也是人们关心的问题。 4、为了理论计算膜厚并找出其分布规律，首先对蒸发过程假定以下几点： (1)蒸发原子或分子与残留气体分子之间不发生碰撞；(2)蒸发源附近的蒸发原子或分子之间不发生碰撞；(3)使堆积在基板上的原子蒸发而不再蒸发，即在最初的碰撞中凝结在基板表面5、上述假设的本质是各个蒸发原子和分子在入射到基板表面的过程中不会碰撞，在到达基板后凝结。 很明显，这与实际蒸发过程不同。 但是，这些假设与在10-3Pa以下的压力下进行的蒸发过程非常接近实际情况。 因此，可以说目前的一般蒸发装置一般满足上述条件。 蒸发源种类繁多，下面分别介绍最常用的蒸发源。 6、一、点蒸发源通常将能够从所有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)。 小球dS以每秒m克的相同蒸发速度向各个方向蒸发，在单位时间内向任何方向蒸发。 设图2-4所示立体角d的蒸发材料的总量为dm，则有：(2-21 )、7、8，因此，当蒸发材料达到与蒸发方向成角的小面积dS2的几何学尺寸时，求出在该面积上堆积的膜厚和数量. 由图可知，在(2-22 )式中，r是点源与基板上的被观测点的距离。 因此，蒸发材料到达dS2的蒸发速度dm可以是(2-23 )蒸发膜的密度为，单位时间内在dS2上堆积的膜厚为t，在dS2上堆积的薄膜体积为tdS2时，如果将(2-24 )、10、该值代入式(2-23 )，则基板上的任意点的膜厚(2-23 ) 被整理的(2-26 )、11、dS2在点源的正上方的=0时，用cos=1、原点处的膜厚用t0表示，则成为(2-27 )，可知t0是在基板平面内得到的最大的膜厚。 基板支架平面内膜厚分布情况如下式(2-28 )、12、13、2、小平面蒸发源如图2-5所示，使用小型平面蒸发源代替点源. 由于该蒸发源的放射特性具有方向性，因此向角方向蒸发的材料的质量与cos成比例，遵循所谓的馀弦角度分布规律。 是平面蒸发源法线与接收平面dS2的中心和平面源的中心间的角度. 在膜材从小型平面dS上以每秒m克速度蒸发的情况下，膜材在单位时间内通过该小平面的法线和角度方向的立体角d的蒸发量dm为(2-29 )式，1/因为小平面源的蒸发范围被限定在半球空间. 另外，如图2-5所示，蒸发材料达到与蒸发方向成角小平面dS2的几何面积时，堆积在该小平面上的蒸发速度与(2-30 )同样地求出，但代入上式，在得到小型蒸发源的情况下，基板上的任意点的膜厚t为(2-31 )、15， 在dS2位于多面源的正上方的情况下(=0，=0)，若该点的膜厚用t0表示(2-32 )，则同样地，t0是在基板平面内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(2-33 )、16、17、图2-6比较了点蒸发源与小平面蒸发源的相对厚度分布曲线. 另外，将式(2-25 )与(2-31 )进行比较可知. 两种源在基板上堆积的膜层厚度近似，但通过蒸发源给出蒸发材料、蒸发源和基板的距离时，平面蒸发源的最大厚度为点蒸发源的4倍左右。这个从式(227 )和(232 )的比较也可以看出。 图2-7和2-8是两种蒸发材料重量的简单计算图，可以估计某种用途所需的蒸发量的重量。 注意该图适用于点蒸发源，假定堆积簿膜密度为块状材料的密度。18、19、20、3、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. 研究了该蒸发源膜厚分布的问题。 将基板与长度为l的细长蒸发源平行放置，设源一基距离为h，距中心点的距离为s的微小面积为dS，x1y平面上的任意点(x，y )的微小面积为d，dS与d的距离为r，则可从几何学的关系中得到。 21、蒸发物质m均匀分布在蒸发源内时，蒸发源dS面上的质量dm是这样的。 因此，能够参照式(2-30 )求出的d所得到的蒸发质量为(2-34 )、22，若将蒸发物质的密度设为、将在某个时间内堆积于d的膜厚设为dt，则dm=dtd。 因此，(2-35 )积分(2-36 )、23，整理(2-37 )在原点o，x=0、n=h，膜厚为(2-38 )、24、25、4，环状蒸发源为了在较大面积得到良好的膜厚均匀性，可以采用环状蒸发源(仅是环源) . 在实际蒸发中，基板处于旋转状态的情况也是如此。 图2l0是表示环状平面蒸发源的放射特性的图。 使蒸发源与基板平行，假定为微小平面环状的蒸发源。 若在环路上取单元面积dS1，则每单位时间在接收面dS2蒸发的膜的品质为(2-39 )、26，从图2-10可知，关于环路源与基板平面上的任意点之间的距离r，接收平面dS2的膜厚由式(2-31 )求出，由于是27，因此进行积分(2-40 )、28， 由于dS1正下方的原点处的膜厚为(2-41 )，因此，如果选择膜厚从o点到o点为a点的变化率为(2-42 )的适当的r与h比，则在蒸发平面上在相当宽的范围内内膜厚分布变得均匀。 r/h=0.7-0.8时，膜厚分布比凹凸蒸发源(曲线s )均匀得多. 对于恒定的r，源极-基极距离可以通过等式(240 )计算h平面上的膜厚分布。 30、31、环状平面蒸发源膜厚分布如图211所示。 选择合适的r与h比，在蒸发平面上相当广的范围内内膜厚度分布均匀。 r/h=0.7-0.8时，膜厚分布比凹凸蒸发源(曲线s )均匀得多. 对于恒定的r，源极-基极距离可以通过等式(240 )计算h平面上的膜厚分布。 32、5、球曲面基板上的膜厚分布蒸镀面积大时，为了得到镀层的膜厚均匀性，除了选择合适的蒸发源之外，除了采用旋转基板支架之外，还可以使基板成为球面分布状态。 在图2到12中示出这种情况下的发送特性。 这是实际生产中的重要选择。 因为即使采用静止的球曲面和旋转的球曲面，其上的膜厚分布与面积相同的平板的情况相比，均匀性更高。 由于计算过程相当复杂，因此这里只表示简化了处理的结果。 另外，根据图212所示的几何尺寸，通过引入以下的缩略语34，可以获得下式： 旋转中心是膜厚t0的正规化点。 因此，在相应的距离和角上加上下标0。 (2-43)(2-44)(2-45 )、35、式(2-43 )、(2-44 )和(2-45 )代入计算膜厚t基本方程式(2-46 )，因此，在旋转中心进行归一化，静止球曲面的膜厚分布如果得到(2-47 )、36、此外积分方程式(2-47 )，则旋转球曲面上的厚度的半径方向分布t/t0=f() (2-48 )式中，k3=k1k2n，k1= 10 (g/h )2 (n3)/2，k2=1(r/h)(1cos)37，对于不同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： (2-48 ) cos-5-蒸发器： (2-51 )，38，球面上的膜厚分布与蒸发源的各种馀弦指数n的关系一般容易确定蒸发源的几何位置，但蒸发器形状指数n受蒸发过程的影响较大，因此必须通过实验确定。39、40、6、实际蒸发源的放出特性利用上述几个蒸发膜厚的公式，与具体使用的蒸发源相结合，可通过各自的放出特性近似计算膜厚。 针状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。 在舟皿式蒸发源中，蒸发材料熔融时不会被舟皿淋湿，从舟皿蒸发时也呈球形，但是，舟皿源表面的蒸发材料，由于本来就是使向下蒸发的粒子再次向上蒸发，所以接近小面蒸发源。 蒸发材料润湿的螺旋丝状蒸发源是理想的柱状蒸发源。 锥篮式蒸发源在各轮间隔小时，其发射特性与平面蒸发源相似。 坩埚蒸发源可以看作是表面蒸发源或高度定向的蒸发源。 磁控靶源可以看作是大面积(平面或圆筒面)蒸发源。 蒸发源的发财特性是比较复杂的问题，为了得到均匀的膜厚，还必须注意源和基板的配置，使基板公转自转。 蒸发源与基板的相对位置为1 .点源与基板的相对位置如图214所示，为了得到均匀的膜厚，点源必须配置在基板包围的球体的中心。 式(2.25 )中的cos=1时，t值为常数，即(2-52 )时，膜厚仅与蒸发材料的性质、半径r值的大小以及蒸发源蒸发的质量m有关。 这种球面配置在理论上保证了膜厚的均匀性。 42、2 .小平面源与基板相对位置的小平面蒸发源为球形工件框架的一部分时，该小平面蒸发源蒸发时，在内球体表面的膜厚分布均匀。 这个由式子(231 )可知。 在该式=的情况下，从图215可知r=2Rcos，将其代入式(2- 31 )时为(2-53 )，因此此时的膜厚t的分布与角无关。 因此，与一定半径r对应的球形工件夹具的内表面的膜厚由蒸发材料的性质、r值的大小、蒸发源能够产生的质量决定。 43、3 .在小面积基板的情况下，蒸发源的位置量配置被蒸镀的面积比较小的情况下，可以将蒸发源直接配置在基板的中心线上，基板距蒸发源的高度h如图2l6所示，优选为H=(11.5)D。 d是基板的直径尺寸。 44、45、4 .大面积的基板和蒸发源的配置，为了在大的平板状基板上得到均匀的膜厚，除了可以采用使基板公转