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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,感谢下载,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,感谢下载,*,/10/29,.,*,第二节,蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,姓名：邬红,班级：,14,级材料,1,班,1,感谢下载,本节知识点概括：,1.,掌握点蒸发源、小平面蒸发源、细长平面蒸发源的原理和膜厚。,2.,了解环状蒸发源和球面基板上的膜厚分布。,3.,了解实际蒸发源的发射特性。,4.,了解蒸发源与基板的相对位置配置。,2,感谢下载,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。,3,感谢下载,(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。,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：,4,感谢下载,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,-3,Pa,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。,5,感谢下载,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,:,6,感谢下载,因此，在蒸发材料到达与蒸发方向成,角的小面积,dS,2,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,式中，,r,是点源与基板上被观测点的距离。,7,感谢下载,所以，蒸发材料到达,dS,2,上的蒸发速率,dm,可写成,假设蒸发膜的密度为,；单位时间内淀积在,dS,2,上的膜厚为,t,，则淀积到,dS,2,上的薄膜体积为,tdS,2,，则,8,感谢下载,将此值代入式,(2-23),，则可得基板上任意一点的膜厚,经整理后得,9,感谢下载,当,dS,2,在点源的正上方，即,0,时，,cos=1,，用,t,0,表示原点处的膜厚，即有,显然，,t,0,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,10,感谢下载,二、小平面蒸发源,用小型平面蒸发源代源。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,dS,2,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,式中，,1,是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。,11,感谢下载,如果蒸发材料到达与蒸发方向成,角的小平面,dS,2,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,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,12,感谢下载,当,dS,2,在小平面源正上方时,(,0,，,0),，用,t,0,表示该点的膜厚为,同理，,t,0,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,t,0,之比为,13,感谢下载,14,感谢下载,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,(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,(227),与,(232),的比较中得出。,图,27,和,28,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。,15,感谢下载,16,感谢下载,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,，,17,感谢下载,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,18,感谢下载,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),19,感谢下载,整理后得,(2-37),在原点,O,处，由于,x,0,，,n,h,，则膜厚为,（,2-38,）,20,感谢下载,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,),。,如在环上取一单元面积,dS,1,，则单位时间蒸发到接收面,dS2,上的膜材质量为,21,感谢下载,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,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,，可计算出源,基距为,h,平面上的膜厚分布。,22,感谢下载,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,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,23,感谢下载,24,感谢下载,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),25,感谢下载,26,感谢下载,6.,实际蒸发源的发射特性,点蒸发源,舟式蒸发源,锥形蓝式蒸发源,磁控靶源,近似,发针形蒸发源或,电子束蒸发源,近似,小平面蒸发源,平面蒸发源,大面积蒸发源,27,感谢下载,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,cos,1,时，,t,值为常数，即,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。,28,感谢下载,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,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。,29,感谢下载,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=(11.5)D,，如图,2l 6,所示。,D,为基板直径尺寸。,30,感谢下载,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”方式外，采用多个分离的点源来代替单一点源或小平面蒸发源是一利最简便的方法。这时蒸发膜厚的分布表达式如下,式中：,e-x|1,2|,范围内的膜厚最大相对偏差，,x,是基板尺寸；,t,max,-x|1,2|,范围内的最大膜厚；,t,min-,-x|1,2|,范围内的最小膜厚；,t,0,-x,0(,原点,),处的膜厚。,31,感谢下载,32,感谢下载,33,可编辑,
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