薄膜物理2-2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布课件

tm cosrc 2os(h m 2h 2x2)2
(2-31)
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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 h2
(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
t
1
t0 [1(x/ h)2]2
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
dmcos2d mdS (h2 x2) l
(2-34)
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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
d tm c o s 2 l r2 d S m lh 2[(xS d )S a2]2
m cos
t
4 r2
（2-25）
经整理后得
mh
mh
t4r3 4(h2x2)3/2
（2-26）
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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
t0
m
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
dm mcosd
（2-29）
式中，1／π是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。
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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
dmmcosd
（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
(2-35)
积分后得出
t mla2
1 2
d
1 2[(xS)2a2]2
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 )]
2
2
(2-36)
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整理后得
t2m lh2 a2[(a2x2 l) (a 22 (a x 2 2 x l4 2 2))l2l4a 1tan 1a2lx a 2l2]
蒸发源的种类繁多，下面分别介绍几种最常 用的蒸发源。
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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:
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
cosh/r r2(xS)2a2
，
，
a2 h2 y2
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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
t t0
1 1(x/ h2)3/2
（2-28）
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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
薄膜物理与技术
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第二章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ真空蒸发镀膜
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2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
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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。
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。
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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
（2-33）
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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。
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所以，蒸发材料到达dS2上的 蒸发速率dm可写成
m
4
cos
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
dmtdS2
(2-24)
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将此值代入式(2-23)，则可得基板上任 意一点的膜厚
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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。
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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。
dm m d 4
(2-21)
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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
ddS2rc2 osdh S2 2 co xs2
（2-22） 式中，r是点源与基板上被观 测点的距离。