薄膜物理蒸发源的蒸发特性及膜厚分布

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。
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
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dω的蒸 发材料总量为dm，则有:
(2-
21) dm m d 4
tm cosrc 2os(h m 2h 2x2)2
当dS2在小平面源正上方时(θ＝0，β＝0)，用t0表示该点的膜厚为
t0
m (2-32) h2
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）
t t0
[1
1 (x /
h)2
]2
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。
d tm c o s 2 l r2 d S m lh 2[(( 2x -3 5) S d )S a2]2
积分后得出
tmla2
1 2
d
1 2[(xS)2a2]2
(2-36)
2 m h l2 a 2[a 2 2 l(x xl)2 a 2 2 l( l xx )2 a 1ta n 1 (2 la x) a 1ta n 1 (2 la x)]
m 当dS2在点源的正上方，即θ＝0时，cosθ=1，用t0表示原点处的膜厚，即有
t 0 4 h 2(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）
t t0
1 1(x/ h2)3/2
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θ角方向蒸发的材料质量和cosθ成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律。θ 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θ角 度方向的立体角dω的蒸发量dm为
，
，
cosh/r r2(xS)2a2
a2 h2 y2
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
dm m dS l
这样．就可视dS为小平面蒸发源。所以，可参照式(2—30)求出在dσ上得到的蒸发质量为
(2-34)
dmcos2d mdS (h2 x2) l
如果蒸发物质的密度为ρ，在某一时间内淀积到dσ的膜厚为dt，则dm＝ρdtdσ。由此可得出
可写成
4
r2
dS2
（2-23）
假设蒸发膜的密度为ρ；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)dmtdS2
将此值代入式(2-23)，则可得基板上任意一点的膜厚
m cos
t
4
r 2（2-25）
经整理后得
mh
mh
t4r3
4
(h2 （ 2-2x62 ）)3/2
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dσ，在dS与dσ之间的距离为r时，由 几何关系可得
因此，在蒸发材料到达与蒸发方向成 θ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
dS1dS2cos
dS1 r2d
则有
（d2 -22 ） dS2百度文库c2 osdh S2 2 co xs2
式中，r是点源与基板上被观测点的距离。
所以，m蒸发材co料s到达dS2上的蒸发速率dm
2
2
整理后得
t2m lh2 a2[(a2x2 l) (a 22 (a x2 2 x l4 2 2))l2l4 (2a 1 -37ta ) n 1a2lx a 2l2]
4 16
4
在原点O处，由于x＝0，n＝h，则膜厚为
（2-38）
t0 2l m a 2(h 2 ( ll2/4 ) h 1 ta n 1h 2 l ( h l2/4 ))
（2-29）
式中，1／π是因为小平面d源m的蒸发m 范围局co限s在半球d形空间。
加图2—5所示，如果蒸发材料到达与蒸发方向成θ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
dmm（2c-3o0s）d
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)
薄膜物理蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第二章
真空蒸发镀膜
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。