薄膜物理蒸发源的蒸发特性及膜厚分布学习教案

1、会计学1薄膜物理蒸发源的蒸发特性及膜厚分布薄膜物理蒸发源的蒸发特性及膜厚分布第一页，编辑于星期日：十九点 五十分。真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 第二章第二章第1页/共48页第二页，编辑于星期日：十九点 五十分。第2页/共48页第三页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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。第3页/共48页第四页，编辑于星期日：十九点 五十分。 为了对膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先对蒸

2、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。 第4页/共48页第五页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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

3、用的蒸发源。第5页/共48页第六页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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)4mdmd第6页/共48页第七页，编辑于星期日：十九点 五十分。第7页/共48页第八页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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

4、。 12cosdSdS21dSr d22222coscosdSdSdrhx第8页/共48页第九页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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)22cos4mdSr2dmt dS 第9页/共48页第十页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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）2cos4mtr3223/ 244()mhmhtrhx第10页/共48页第十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。当

5、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）024mth3/ 22011(/)ttxh第11页/共48页第十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。第12页/共48页第十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。二、小平面蒸发源 如图25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

6、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。cosmdmd第13页/共48页第十四页，编辑于星期日：十九点 五十分。加图25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)cosmdmd22222coscos()mmhtrhx第14页/共48页第十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。当dS2在小平面源正上方时(0，0)，用t0表示该点的膜

7、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）02mth22011(/) ttxh第15页/共48页第十六页，编辑于星期日：十九点 五十分。第16页/共48页第十七页，编辑于星期日：十九点 五十分。 图26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(225)和(231)，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(227)与(232)的比较中得出。 图27和28为两个蒸

8、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。第17页/共48页第十八页，编辑于星期日：十九点 五十分。第18页/共48页第十九页，编辑于星期日：十九点 五十分。第19页/共48页第二十页，编辑于星期日：十九点 五十分。三、细长平面蒸发源 细长平面蒸发源的发射特性如图29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 ， ， cos/hr222()rx

9、Sa222ahy第20页/共48页第二十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。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(230)求出在d上得到的蒸发质量为 (2-34)mdmdSl222cos()dmdmdShxl第21页/共48页第二十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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dmdtd。由此可得出 (2-35)积分后得出 (2-36) 22222cos()mdSmhdSdtlrlxSa 12212222()madtlxSa 21122222112222tan()tan()

10、2()()22llllxxxxmhlllaaaaaaxax第22页/共48页第二十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。整理后得 (2-37)在原点O处，由于x0，nh，则膜厚为 （2-38）2222124222222222()14tan2()()4164ll axmhlatllllaaaxaxax 10222221(tan)2(/ 4)(/ 4)mllhtlahlhhl 第23页/共48页第二十四页，编辑于星期日：十九点 五十分。第24页/共48页第二十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。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

11、处于旋转状态时，就与此情况相类似。图2l0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)2mdmd第25页/共48页第二十六页，编辑于星期日：十九点 五十分。从图210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(231)求得22222cos()rhRAAR22222222cos()4sin ()2rRAhARhRARA224242h dmmhdtdrr第26页/共48页第二十七页，编辑于星期日：十九点 五十分。故积分后得 (2-

12、40)22222022()4sin(/ 2)mhdthRARA 2222223/ 2223/ 22()()2() () mhhARARthARhAR第27页/共48页第二十八页，编辑于星期日：十九点 五十分。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)202221()mhthR2222222223 / 22223 / 20() ()(2)(2)thRhARthARARhARAR第28页/共48页第二十九页，编辑于星期日：十九点 五十分。 环状平面蒸发源的膜厚分布如图211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。

13、如在Rh一时，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(240)计算出源基距为h平面上的膜厚分布。第29页/共48页第三十页，编辑于星期日：十九点 五十分。第30页/共48页第三十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。 环状平面蒸发源的膜厚分布如图211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Rh一时，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(240)计算出源基距为h平面上的膜厚分布。第31页/共48页第三十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。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

14、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21 2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。第32页/共48页第三十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。 根据图212所示几何尺寸，引入以下缩写(/)1(1/) coscRhRh(/)sineqh21(/)(2/)(/)1(1/)cosfqhRhRhRh(2/)(/)singRhqh第33页/共48页第三十四页，编辑于星期日：十九点 五十分。由此，可得出下列方

15、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) 220(/)1(/) /(cos)SSqhfg1/ 22cos/coskfgcos(cos) /(cos)cefg第34页/共48页第三十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。将式(243)、(244)和(245)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）20000coscos()coscosnnnSttS12(3) / 20coscosnntcek ktfg第35页/共48页第三十六页，编辑于星期日：十九点 五十分。另外

16、，积分方程(247)，便可得到旋转球曲面上厚度的径向分布tt0=f()。 (2-48)式中，k3k1k2n，k11十(gh)2(n+3)/2，k21一(Rh)(1一cos)3(3) / 2001coscosntcekdtfg第36页/共48页第三十七页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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)3223/ 20tcfegktfg223225 / 201322cfcgefgtktfg32233227 / 2031222cfcfg

17、efgegtktfg第37页/共48页第三十八页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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。 第38页/共48页第三十九页，编辑于星期日：十九点 五十分。第39页/共48页第四十页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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

18、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。第40页/共48页第四十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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214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cos1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。214mtr第41页/共48页第四十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。 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(231)看出。因为当该式时，从图215中可知r=2Rcos，将其代入式(231)则得