Распределение осажденных пленок по толщине

Количество вещества, которое осаждается на противолежащую по­верх­ность, зависит от положения этой поверхности относитель­но испарителя. Как видно из рис. 7.2, количество вещества, испа­ренного в пределах про­странственного угла dω, осаждается на площади, величина которой возрастает с увеличением как расстояния до испарителя, так и угла падения. Площадь эле­мента подложки для данныхdω, r иθопределяется по формуле

.

Следовательно, масса вещества, осажденного на единицу площади, опреде­ляется как

, (7.9)

где M_e- количество испаренного вещества.

При испарении материала точечным испарителем (рис.7.3) скорость испарения по массе не зависит от направления. Для элемента подложки dA_r, заключенного внутри пространственного углаdω, зависимостьdA_rот расстояния до испарителя и направления испарения является такой же, как и для испарителя с малой поверхностью, т.е.dA_r=r²·dω/cosθ. Тогда массу вещества, осажденного от точечного испарителя, можно представить в виде

. (7.10)

Для получения от точечного испарителя пленки однородной толщины необходимо испаритель помещать в центр подложки в виде сферы, так чтобы cosθ = 1иr = const.

Скорость испарения по массе с единицы поверхности V_исвязана с общим количеством испаренного веществаМ_еследующим соотношением:

.

Рис.7.2. Испарение из испарителя с малой площадью dAeна элемент поверх­ности подложкиdAr

Рис.7.3. Испарение из точечного испарителя площадью dAeна элемент по­верхности подложкиdAr

Распределение испаренного вещества описывается уравнениями (7.9) и (7.10) в зависимости от угла падения и расстояния от испарителя до подложки. Следовательно, профиль толщины пленки может быть выведен для любой формы площади подложки и любого положения подложки относительно испарителя. Обычно используют плоские подложки и располагают их параллельно эффективной плоскости испарения.

Для того чтобы перейти от массы к толщине пленки, выделим малое количество вещества с массой dM_r, которое занимает объемdA_rd_пл. Толщину пленки запишем в виде

, (7.11)

где ρ– плотность материала подложки.

Для плоскопараллельной подложки, отстоящей от испарителя на расстоянии h, угол паденияθравен углу испаренияφиcos θ = cos φ = h/r. Схематически системаиспаритель – подложкапредставлена на рис.7.4. Расстояниеrот испарителя до элемента подложкиdA_rпри данномhменяется с расстояниемlот центра подложки до элементаdA_rпо законуr² = l² + h². Если эти соотношения подставить в (7.9) и (7.10), то будем иметь толщину пленки:

для испарителя с малой площадью

, (7.12)

для точечного испарителя

. (7.13)

Оба типа испарителя можно охарактеризовать с помощью величины отношения d/d_o, гдеd_o– толщина пленки в центре подложки приl = 0(рис.7.4). Тогда для испарителя с малой площадью

, (7.14)

для точечного испарителя

. (7.15)

Рис.7.4. Испарение на плоскопараллельную подложку

На рис. 7.5 показано типичное распределение толщины пленки вдоль поверхности подложки для испарителя малой площади при различных расстояниях hмежду испарителем и подложкой.

Неравномерность распределения пленки по толщине может сильно различаться в центре и на периферии подложки (рис.7.5). Наиболее простой способ увеличения равномерности толщины вакуумных покрытий – подбор геометрии процесса испарения (взаимного расположения испарителя и подложки, размеров и формы испарителя).

Рис.7.5. Кривые распределения толщины пленки вдоль поверхности подложки при различных значениях расстояния hиспаритель – подложка: 1 – 10 мм; 2 – 20 мм; 3 – 40 мм; 4 – 80 мм

При высокой скорости испарения выявлено отклонение от основных законов испарения из-за столкновения молекул между собой. Распределение плотности потока испаряющихся частиц подчиняется закону косинуса высших порядков (); показатель степениnувеличивается с ростом скорости испарения. С ростомnрезко уменьшается равномерность распределения покрытия от точечного и кольцевого испарителя. Равномерность распределения покрытия по толщине можно увеличить следующим способом: распределением зон интенсивного испарения на большей площади; размещением подложек по поверхности с одинаковой плотностью пара; согласованием времени пребывания подложки в потоке пара с распределением плотности пара путем подбора геометрии испарения; коррекцией распределения толщины слоя увеличением давления остаточного газа; коррекцией распределения плотности потока пара установкой диафрагм.