
- •19 Лекция 7
- •7. Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов
- •7.1. Термическое испарение Механизм испарения
- •Основы термодинамики процессов испарения
- •Распределение испаряемых молекул по направлению
- •Механизм конденсации
- •Распределение осажденных пленок по толщине
- •Испарение соединений и сплавов
- •Методы термического испарения
- •7.2. Физические основы вакуумной техники Понятие о вакууме
- •Методы получения вакуума
- •Методы измерения вакуума
- •Остаточная атмосфера и ее взаимодействие с потоком испаряемого вещества
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 Me- количество испаренного вещества.
При испарении материала точечным испарителем (рис.7.3) скорость испарения по массе не зависит от направления. Для элемента подложки dAr, заключенного внутри пространственного углаdω, зависимостьdArот расстояния до испарителя и направления испарения является такой же, как и для испарителя с малой поверхностью, т.е.dAr=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 Vисвязана с общим количеством испаренного веществаМеследующим 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 dMr, которое занимает объемdArdпл. 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 подложкиdArпри данномhменяется с расстояниемlот центра подложки до элементаdArпо 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/do, гдеdo– 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.