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真空蒸发镀膜技术浅析(三)

3、常见蒸发源模型

上文提到影响薄膜生长过程的因素很多,一般认为生成薄膜的厚度及其在基片表面上分布的均匀性与蒸发源的蒸发特性、蒸发量、基片和蒸发源组成系统的几何形状及其相对位置等一系列因素有关。为了从理论上计算并找出薄膜厚度的分布规律,对蒸发过程提出了如下假设[2,3]

假设一:蒸发是在较低气压进行的,故蒸发气体原子或分子与残余气体的碰撞可以忽略。

假设二:蒸发强度较低时,蒸发气体原子或分子之间的碰撞可以忽略。

假设三:蒸发沉积到基片上的原子或者分子不会发生再蒸发现象。

基于以上假设,Holland 等人在 1956 年提出了蒸发源的发射特性主要分为两种形式:向各个方向均匀发射蒸气分子的点源和按余弦分布发射的小面源[15]。后续在点源和小面源的基础上又提出了环形平面蒸发源和矩形平面蒸发源等模型。本章着重讲解点蒸发源和小平面蒸发源的蒸发特性。

3.1点蒸发源

通常把能够向各个方向蒸发等量膜材的微小球状蒸发源称为点蒸发源。点蒸发源是理想化模型,实际很难依据该模型开发研制蒸发源。图3-1是点蒸发源的示意图。

图3-1 点蒸发源示意图

假设平面dA2的法线与膜材蒸发方向成θ角,则单位时间内点蒸发源发射分子沉积在dA2的膜层厚度t为[2, 3]

 

 

其中为ρ膜材的密度,m为膜材质量。图3-2展示了点蒸发源与平面dA2的几何关系。

图3-2 点蒸发源的发射

点蒸发源膜厚在基片平面上的变化率(膜厚均匀性分布)由式(3-2)表示[2,3]:
 

其中t0为基片圆心处厚度;b为基片平面上距离圆心的距离;h为蒸发距离。图3-3是点蒸发源膜厚分布示意。

图3-3 点蒸发源膜厚分布示意

 

3.2 小平面蒸发源

在微小平面上蒸镀膜材的蒸发源称为小平面蒸发源,其蒸发特性是具有方向性,即在φ角的蒸发量与cosφ成正比,其中φ角是基片中心与、小平面源中心的连线与小平面源法向方向的夹角,符合上文提到的余弦分布发射。图3-4是小平面蒸发源的示意图。


图3-4 面蒸发源示意图

假设平面dA2与小平面蒸发源平行,且其法线与膜材蒸发方向成θ角,则单位时间内小平面蒸发源发射分子沉积在dA2的膜层厚度t为[2,3]

其中为ρ膜材的密度,m为膜材质量。图3-5展示了小平面蒸发源与平面dA2的几何关系。

图3-5 小平面蒸发源的发射

小平面蒸发源膜厚在基片平面上的变化率(膜厚均匀性分布)则见式(3-4)[2,3]:

其中t0为基片圆心处厚度;b为基片平面上距离圆心的距离;h为蒸发距离。图3-6是小平面蒸发源膜厚分布示意。

图3-6 小平面蒸发源膜厚分布

3.3点蒸发源与小平面蒸发源膜厚均匀性比较

 利用式(3-2)与式(3-4)可以绘制图3-7所示的曲线,该曲线表示了点源及小平面源在膜厚变化率与b/h比值之间的关系。

图3-7 平面基片上相对膜厚分布[3]

从膜厚分布曲线上可以得知:当基片尺寸小而蒸距大,即b/h比值小时,有利于提高膜厚均匀度。两种源的相对膜厚分布相似,但相对来说点源比小平面源的膜厚更加均匀。同时比较膜厚公式可知,相同膜材和蒸发距离下,小平面源的绝对膜厚值要大于点源的膜厚。

3.4 小结

本章介绍了点蒸发源和小平面蒸发源两种简单的蒸发源模型,分别对其单位时间沉积膜厚于膜厚均匀性分布进行了介绍。同时对两种模型的膜厚均匀性曲线进行对比,分析了两者之间的差异。相对于点蒸发源,小平面蒸发源更符合实际的蒸发情况,其膜厚均匀性曲线反映了膜厚分布与蒸发距离、基片尺寸之间的关系。该曲线的特性值得相关从业人员研究借鉴,作为研发真空蒸发镀膜系统、提供客户指导的相关依据。

 

 

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