大学薄膜物理 蒸发源的特性及膜厚分布

第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
班级：14级材料1班
姓名：邬红
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。
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。
dS1 dS2 cos
则有
dS1 r 2d
dS2 cos dS 2 cos d 2 2 r h x2 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
m cos dS2 2 4 r
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
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。
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—1 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
m cos cos mh2 t 2 r (h2 x2 )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
m t0 h 2
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
t 1 t0 [1 ( x / h) 2 ]2
2 2
(2-37)
在原点O处，由于x＝0，n＝h，则膜厚为
m l 1 lh 1 t0 ( 2 tan 2 ) 2 2 2 2 l a h (l / 4) h h (l / 4)
（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)。 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
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，
r (x S) a
2 2
2
a 2 h2 y 2
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
cos2 d m dm dS 2 2 (h x ) l
dm t dS2
将此值代入式(2-23)，则可得 基板上任意一点的膜厚
m cos t 2 4 r
经整理后得
mh mh t 3 4 r 4 (h 2 x 2 )3/ 2
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
l l l x x x 2 mh 1 1 1 2 1 2 2 [ tan ( ) tan ( )] 2 la 2 a 2 ( x l )2 a 2 ( l x)2 a a a a 2 2
l x 2
(2-36)
整理后得
mh2 t [ 2 2 l a 1 la 1 tan ] 2 4 2 l l l a (a 2 x 2 ) 2 (a 2 x 2 ) a2 x2 4 16 4 l2 l (a x ) 4
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:
m dm d 4
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
dm
m

cos d
式中，1／π是因为小平 面源的蒸发范围局限在半 球形空间。
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
dm m

cos 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
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
m cos2 dS mh2 dS dt 2 lr l [( x S ) a 2 ]2
(2-35)
积分后得出
ma 2 t l
1 2 1 2

d [( x S )2 a 2 ]2
m t0 2 4 h
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
t 1 t0 1 ( x / h 2 ) 3/ 2
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
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。
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
tmax tmin e t0
式中： e-----x ≤|±1／2| 范围内的膜厚最大相对偏差，x是基 板尺寸； tmax---- x ≤|±1／2| 范围内的最大膜厚； tmin----x ≤|±1／2| 范围内的最小膜厚； t0---x＝0(原点)处的膜厚。
m 1 t 2 4 r
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θ ＝β时，从图 2—15中可知r=2Rcosθ ，将其代入式(2—31)则得
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：
t cf eg k3 2 t0 [ f g 2 ]3/ 2
1 3 cf 2 cg 2 efg t 2 2 k3 2 2 5/ 2 t0 [f g ]
3 1 cf 3 cfg 2 2ef 2 g eg 3 t 2 2 k3 t0 [ f 2 g 2 ]7 / 2
m 1 t 2 4 r
由此可见，在这种情况下膜厚t的分布与θ 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—l 6所示。D为基板直径尺寸。
(2-49)
n=3，cos-3-蒸发器：
(2-50)
n=5，cos-5-蒸发器：
(2-51)
6 . 实际蒸发源的发射特性
发针形蒸发源或 电子束蒸发源
近似
点蒸发源
舟式蒸发源
近似
小平面蒸发源
锥形蓝式蒸发源
平面蒸发源
磁控靶源
大面积蒸发源
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cosθ ＝1时，t 值为常数，即
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
cos h / r