薄膜均匀性的研究分析

垫！　Ｑ：　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｅｎｄ　ＴａＣｈｎｏｌｏｇｙ　ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　研究报告　薄膜均匀性的研究分析①　刘兴悦　戴佳鑫　（合肥工业大学真空技术与装备系　安徽合肥　２３０００９）　摘要：薄膜技术在现代科学技术中的重要性与日俱增。薄膜均匀性是衡量薄膜质量和饺膜装置性能的一嘎重要指标，它在光学，光电　等器件的加工工艺中发挥着重要作用。本文介绍了在真空蒸发键膜中改善薄膜均匀性的方法，着重分析了影响薄膜均匀性的各种因素以　及改进措施。针对旋转基片的饺膜室，设计了精确的修正挡板形状，从而改善了膜厚的均匀性。　关键词；薄膜　均匀性　蒸发镀　挡板　中图分类号：ｔｂ４３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１Ｏ）０３（ｅ）一０００２－０２　随着真空镀膜技术的广泛应用，对薄　变化的情况，它是衡量薄膜质量和镀膜装　的膜厚遮挡掉，来提高膜厚均匀性是一种　膜均匀性的要求也越来越高　任何一种有　置性能的一项重要指标。对于仅改变镀膜　新的发展思路　。本文主要是在真空蒸发　实际应用价值的薄膜都对膜厚分布有特　状态，所镀出来的膜厚均匀性还是欠佳；只　镀的条件下，对薄膜厚度均匀性进行了讨　定的要求，除了少数特殊场合外，绝大多　靠改变不同类型的蒸发源、不同的基片以　论，以及为达到膜厚均匀设计了适合的修　数情况下都要求薄膜厚度尽可能均匀一　及基片的运动方式，也不能在很大程度上　正板。　致【１，　。薄膜均匀性是指待镀基片上所镀的　提高膜厚均匀性『３ｌ　。目前在镀膜过程中采　膜厚随着基片在真空室内位置的变化而　用一块修正板对基片进行遮挡，把不均匀　１修正板公式推导　般想膜厚　假设基片绕固定轴做匀速旋转运动，　蒸发源在旋转中心轴线上。在镀膜过程中，　距离基片旋转中心相等的任意点的膜厚应　该是均匀分布的。在基片上设置一块修正　板，实现间歇性遮挡的目的。　图１表示了基片上膜厚分布曲线，假设　图１　基片上膜厚分布曲线　其符合二次函数的形式。基片中心处膜厚　最大为　，基片边缘处膜厚最小为　。　任取离基片中心距离为，厚度为　的一点，　由于镀膜过程中，蒸发速率不同，导致在ｔ　时间内基片上出现膜厚差△　。最高点处　ｌ　厂　的沉积速率为：　＝Ｈ　／ｔ；最低点处的　沉积速率为：　…＝Ｈｍ。　／ｔ；任一点ｒ处的沉　积速率为：　＝Ｈｒ／ｔ，故△　可表示为：　ｆ　△日　＝Ｈｒ—Ｈ…＝Ｓ　ｔ—Ｓｍｉ　ｔ（１）　要使△Ｈｒ＝０，有两种途径可以达到：　他　１）使　减小，即　：　，这种情况需要　改进镀膜机的结构和工作效率。　２）缩短基片上局部的镀膜时间ｔ。在修　．　—／　正板遮挡过程中，基片被部分遮挡。如果遮　图２基片上膜厚分布曲线　挡的时间长短不一样，则在整个镀膜期间　基片上不同地方的镀膜时间也不一样。　考虑第二种情况：在离旋转中，ｂ０距离　＼　为ｒ的每一点，原来每时每刻都沉积薄膜，　即在旋转路径２　ｒ的长度上均有沉积。加　一长度为Ｌ的挡板后，每点的沉积路径长度　——｛　变为２Ⅱ　，一Ｌ，其中Ｌ　；沉积时　间为２　ｒ—Ｌ／２　，故当时△　＝０，有：　Ｓｒ　＝Ｓｍｉｎ＊　２　２　…　将Ｌ＝２　ｒ　代入得：　ａ：　Ｓ。　（３）　图３　根据数据得出的掩模板形状　变换式（２）可得：　①作者简介：刘兴悦（１９８５～），男，满族，辽宁抚顺人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向：薄膜技术。　２　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　Ｑ：　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ　ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ＨｅｒａＩｄ　研究报告　ａ＝　处于高真空状态是必备条件。值得注意的　件下，蒸发分子或原子是直线前进的，只有　Ｈ　３６ｏ　（４）＼－｜，　　是：真空镀膜过程中对真空度的要求并非　在基片的下面放置一块合适的修正板，让　其中，ａ是离基片中心距离为ｒ的点被　越高越好，因为在真空室内真空度超越　不需要的分子或原子淀积在板上，而不淀　挡板遮挡的角度，０９是基片旋转的角速度，　１０－６　Ｐａ时，必须对真空系统的烘烤去气才　积在基片上，从而改变基片上的膜厚分布。　Ｒ为基片半径，如图２所示。　能达到。由于烘烤去气会造成基片的污染，　此技术所要求的条件是：在同一圆周上的　通过列举一些实际的数据，可以得到　因此在不经过烘烤去气即可得到１０　Ｐａ的　膜厚期望值相同。实际情况下，修正板技术　掩模板杓外形轮廓。选择基片半径　高真空环境下镀膜，其膜的质量不一定比　需通过不断的做实验、测试、修正，最终可　Ｒ＝２０ｃｍ｛基片旋转中心的偏心距ｇ：０；最　超高真空下所制备的膜的质量要差。　使镀膜的均匀性得到很好的改善。　小膜厚　＝ｌ　ｒｉｍ；膜厚分布服从二次函数　２．２基板温度的影响　＝ａ　ｒ　＋ｂ；在ｒ＝１ｃｍ处，Ｈ　＝１　Ｆｌｍ；膜厚　真空室中基板温度的分布往往是不均　３结语　分布的曲线过（２０ｃｍ，１Ｄ．ｍ）点。由于蒸发镀　匀的，这与真空室内加热源的位置、能量大　总之加入修正板的前提是：要使基片　膜过程中，基片上薄膜厚度最高点和最低　小等因素有关。通常夹具上中间部分与边　作匀速旋转运动。只有在基片的镀膜路径　点的差别一般不大，大约在零点几个纳米　缘部分的温度差可达几十摄氏度。这样由　上物质是均匀沉积的，才能用到修正板的　左右，故Ｈ　的值与Ｈ…的值很接近。计算得　于凝聚系数的差异，温度高的地方膜厚势　间歇性遮挡来挡掉多余的膜厚。修正板形　到膜厚分布的曲线为：　必比温度低的地方薄。所以要通过一系列　状的公式适用任何膜厚分布的情况。所以　／４，＝－ｏ．０００２５０６＂１ｆｆ　ｒ　＋１．１００２５０６＂１０－７（５）　温控手段来合理地改变真空室中温度场的　只需根据不同平面的膜厚分布，将测出的　将不同的ｒ值代入式（４）、式（５），结果如　分布。　膜厚带入公式，就可以推出相应的掩模板　表ｌ所示。将表１中得到的Ｌ，用ＡｕｔｏＣＡＤ演　２．３基板与蒸发源相对位置的影响　的形状。在基片作匀速旋转运动模板不动　示出相应膜厚对应的掩模板外形，如图３Ｎ　以基板与蒸发源平行并置于其正上方　的情况下，能使镀出的膜厚的均匀性能达　示。　的平面夹具的情况为例。容易得出：平面夹　到最好。　有这样一种情况：位于基片旋转中心　具上的基片膜厚随着半径的变大而变小。　处的那一点，掩模板的遮挡作用会出现两　中间厚边缘薄会使整个膜厚的均匀性不理　参考文献　种情况：要么全部挡住，要么完全不挡。在　想，需考虑修正板技术ｌ６】。无论采用点源或　［１】穆长生，张辉军，温殿忠．真空镀膜中膜　实际过程中，由于那一点无穷小，在遮挡的　面源，对平面夹具的均匀性来说都是不理　厚均匀性的研究［Ｊ】．传感器技术，２００２，　情况下，近似两边界堆积的物质分子会“塌　想的。使用球形夹具，均匀性可得到明显的　２１（０５）：８－１０．　陷”；在不遮挡的情况下，那一点处堆积的　改善。对于面源，只要蒸发源处于球面夹具　［２】董宏奎，赵建华，林日乐，胡纳新，陈川　分子近似堆成一个分子柱，一定高度范围　的球面上就能得到较均匀的膜厚分布，面　贵．薄膜均匀性的分析研究【Ｊ］．压电与　内也会“塌陷”，所以这一点是不会出现小　源位于球心上得不到良好的膜厚均匀性。　声光，２００６，２８（０５）：５７８－５８０．　“凹坑”或小“凸起”。掩模板公式（３）适用于　而点源只有放在球心时才能获得较均匀的　［３］董磊，赵元安，易葵，邵建达，范正修．不　任何情况，因此只需根据不同平面的膜厚　膜厚分布。　同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性　分布，将测出的膜厚带入公式，就可以推出　２．４基板旋转角度的影响　的影响［Ｊ］．强激光与粒子束，２００５，１　７　相应的掩模板形状。　一般情况下，根据实际情况来选择合　（１０）：１５１　８－ｌ５２０．　适的高度和半径，才能更有效的提高膜厚　【４］潘栋梁，熊胜明，张云洞，王任华．行星　２影响膜厚均匀性的因素　均匀性＿７１。要在多次旋转一定角度下也能达　夹具膜厚均匀性计算…．强激光与粒子　２．１真空度的影响　到更好的膜厚均匀性，需考虑基片架的公　束，２０００，１２（０３）：２７７—２８０．　真空度是镀膜工艺中最基本的参数之　转、基片夹具的自转及修正板技术。基片架　［５］方明，郑伟军，吴明，范瑞瑛，易葵，范正　一。膜厚均匀性与蒸发分子到达基板的路　的公转是为了实现真空室内不同空间位置　修．平面行星夹具均匀性修正挡板设计　径中受残余气体的碰撞相关。真空室内蒸　的膜厚均匀性。基片夹具的自转是为了改　方法研究【Ｊ］．真空科学与技术学报，　汽分子的平均自由程大于蒸发源与基片的　变镀膜角度，从而使得需多次旋转的待镀　２００６，２６（０４）：２８６－２８９．　距离时，就会获得充分的真空。为此增加残　产品能在同一真空镀膜环境下完成，避免　［６］王长军，熊胜明．大口径光学元件薄膜　余气体的平均自由程，借以减少蒸汽分子　了同产品多次镀膜带来的膜厚不均匀问　厚度均匀性修正ｆＪ］．强激光与粒子束，　与残余气体分子间的碰撞几率，使真空室　题。所谓修正板技术是指在普通的蒸发条　２００７，１９（０７）：ｌ１５３－１１５７．　［７】潘栋梁，熊胜明，张云洞，王任华．大口　表１　二次函数膜厚分布对应的模板外形　径镀膜机膜厚均匀性分析［Ｊ］．应用光　，（ｃ｛ｎ）　ｌＸ（ｃｍ）　（。）　Ｌ（ｃｍ）　学，２００１，２２（０１）：３３－３８．　Ｏ．２５　１．１００２３５　３２。７９５６８ｌ　Ｏ。ｌ３５　０．５　１．１Ｏ０ｌ９４　３２．７８５０４６　Ｏ．２７１　ｌ　１．１０００００　３２．７２７２８５　０．５４１　，　１．０９９２４８　３２．５０３３９９　１．６ｌ２　３　１．０９７９９５　３２．１２９７０４　ｉ．５９６　５　１．０９３９８６　３０．９２８０８５　２．１２７　ｌＯ　１．０７５ｌ９ｌ　２５．１７５６２７　４．２５４　ｌ５　１．０４３８６６　ｌ５。１２８００４　３．９ｌ５　２０　１．００００００　Ｏ　Ｏ　ｒ（ｃｍ）　，　（（＝＝１　０（ｏ）　Ｌ（ｃｍ）　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　３