大学薄膜物理蒸发源的特性及膜厚分布学习教案.ppt

会计学1大学薄膜物理大学薄膜物理(wùlǐ) 蒸发源的特性及膜厚蒸发源的特性及膜厚分布分布第一页，共33页本节知识点概括(gàikuò)：1.￿掌握点蒸发源、小平面(píngmiàn)蒸发源、细长平面(píngmiàn)蒸发源的原理和膜厚2.￿了解(liǎojiě)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第1页/共32页第二页，共33页 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(wèi zhi)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(wèi zhi)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2页/共32页第三页，共33页￿￿￿￿(1)蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞(pènɡ￿zhuànɡ)；￿￿￿￿(2)在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生碰撞(pènɡ￿zhuànɡ)；￿￿￿￿(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(pènɡ￿zhuànɡ)就凝结于基板表面上。

￿ 为了对膜厚进行 (jìnxíng)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：第3页/共32页第四页，共33页 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(fāshēng)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第4页/共32页第五页，共33页 一、点蒸发源一、点蒸发源 通常将能够从各个方向通常将能够从各个方向蒸发等量材料蒸发等量材料(cáiliào)的微小球状的微小球状蒸发源称为点蒸发源蒸发源称为点蒸发源(简简称点源称点源) 一个很小的球一个很小的球dS，以，以每秒每秒m克的相同蒸发速率克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单向各个方向蒸发，则在单位时间内，在任何方向上位时间内，在任何方向上．通过如图．通过如图2-4所示立体所示立体角角dω的蒸发材料的蒸发材料(cáiliào)总量为总量为dm，，则有则有: 第5页/共32页第六页，共33页。

 因此，在蒸发材料(cáiliào)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则有 式中，r是点源与基板上被观测点的距离 第6页/共32页第七页，共33页￿￿￿￿￿￿￿￿所以，蒸发材料到达dS2上的蒸发速率dm可写成￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿假设(jiǎshè)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￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿第7页/共32页第八页，共33页 将此值代入式(2-23)，则可得基板上任意一点(yī diǎn)的膜厚 经整理后得 第8页/共32页第九页，共33页。

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￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿显然，t0是在基板平面内所能得到(dé￿dào)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￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿第9页/共32页第十页，共33页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(zhìliàng)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￿￿￿￿￿式中，1／π是因为小平面源的蒸发(zhēngfā)范围局限在半球形空间。

第10页/共32页第十一页，共33页如果蒸发材料到达与蒸发方向成θ角的小平面dS2几何(jǐ￿hé)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￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿第11页/共32页第十二页，共33页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￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿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(qítā)各处的膜厚分布，即t与t0之比为￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿第12页/共32页第十三页，共33页第13页/共32页第十四页，共33页￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿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(zhè￿ge)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14页/共32页第十五页，共33页第15页/共32页第十六页，共33页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(jùlí)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(jùlí)为r时，由几何关系可得￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿，￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿，￿第16页/共32页第十七页，共33页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(suǒyǐ)，可参照式(2—30)求出在dσ上得到的蒸发质量为 第17页/共32页第十八页，共33页 如果蒸发物质的密度 (mìdù)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 (2-35)积分后得出 (2-36) 第18页/共32页第十九页，共33页。

整理(zhěnglǐ)后得 (2-37)在原点O处，由于x＝0，n＝h，则膜厚为 （2-38）第19页/共32页第二十页，共33页四、环状蒸发四、环状蒸发(zhēngfā)源源 ￿￿￿￿￿￿￿为了在宽广面积上得到(dé￿dào)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(jiēshōu)面dS2上的膜材质量为第20页/共32页第二十一页，共33页环状平面蒸发源的膜厚分布如图2—11所示选择(xuǎnzé)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＝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，可计算出源—基距为h平面上的膜厚分布第21页/共32页第二十二页，共33页。

五、球曲面(qūmiàn)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(qūmiàn)，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第22页/共32页第二十三页，共33页第23页/共32页第二十四页，共33页 对于(duìyú)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)第24页/共32页第二十五页，共33页第25页/共32页第二十六页，共33页6 . 实际实际(shíjì)蒸蒸发发源的源的发发射特性射特性点蒸发(zhēngfā)源舟式蒸发(zhēngfā)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第26页/共32页第二十七页，共33页。

 七、蒸七、蒸发发源与基板的相源与基板的相对对位置配置位置配置 1．点源与基板相．点源与基板相对对位置的配置位置的配置 如如图图2—14所示，所示，为为了了获获得均匀的膜厚，点源必得均匀的膜厚，点源必须须配置在基板配置在基板所所围围成的球体中心式成的球体中心式(2.25)中的中的cosθ＝＝1时时，，t值为值为常数，常数，即即 在在这这种情况下，膜厚种情况下，膜厚仅仅与蒸与蒸发发材料的性材料的性质质、半径、半径r值值的大小的大小(dàxiǎo)以及蒸以及蒸发发源所蒸源所蒸发发出来的出来的质质量量m有关这这种球面布种球面布置在理置在理论论上保上保证证了膜厚的均匀性了膜厚的均匀性第27页/共32页第二十八页，共33页 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(qiútǐ)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 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第28页/共32页第二十九页，共33页3 . 小面小面积积基板基板时时蒸蒸发发源的位量配置源的位量配置 如果被蒸如果被蒸镀镀的面的面积积比比较较小，小，这时这时可将蒸可将蒸 发发源直接配源直接配置于基板的中心置于基板的中心线线上，基板距蒸上，基板距蒸发发源高度源高度(gāodù)H可可取取为为H=(1~1.5)D，如，如图图2—l 6所示D为为基板直径尺基板直径尺寸第29页/共32页第三十页，共33页 4．大面积基板和蒸发(zhēngfā)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(zhēngfā)源是一利最简便的方法这时蒸发(zhēngfā)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； 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。

第30页/共32页第三十一页，共33页第31页/共32页第三十二页，共33页内容(nèiróng)总结会计学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则膜材从小型平面(píngmiàn)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(píngmiàn)的法线成θ角度方向的立体角dω的蒸发量dm为选择适当的R与h比时，在蒸发平面(píngmiàn)上相当大范围内膜厚分布是均匀的对于一定的R，可计算出源—基距为h平面(píngmiàn)上的膜厚分布t0---x＝0(原点)处的膜厚第三十三页，共33页。