
- •ВЛияние геометрических параметров процесса термовакуумного напыления на распределение плеНки по толщине
- •1.Цель работы
- •2.Теоретическая часть
- •2.1. Закономерности испарения металлов в вакууме
- •2.2. Характер распределения испаряемого вещества в пространстве
- •2.3. Распределение пленки по толщине для испарителей
- •2.4. Распределение пленки по толщине для кольцевого и дискового испарителей.
- •2.5. Конденсация пара на поверхности подложки
- •2.6. Техника термовакуумного напыления
- •2.7. Контроль процесса напыления
- •3.Задание для выполнения
- •4. Контрольные вопросы
- •Приложение 1
- •Физические параметры элементов
- •Приложение 2
- •Термодинамические параметры элементов
ВЛияние геометрических параметров процесса термовакуумного напыления на распределение плеНки по толщине
1.Цель работы
Изучить влияние геометрии испарения на распределение пленки по толщине для различных типов испарителей и материалов.
2.Теоретическая часть
2.1. Закономерности испарения металлов в вакууме
Метод термовакуумного напыления основан на нагреве вещества в высоком вакууме (выше 10-3 – 10-4 Па) до температуры, когда давление его собственных паров на несколько порядков превышает давление остаточных газов. При этом атомы испаренного вещества распространяются прямолинейно, так как длина свободного пробега значительно превышает расстояние «испаритель-подложка».
Вещества испаряются при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования вещества нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Условно принято считать температурой испарения такую, при которой давление собственных паров вещества над поверхностью Р = 1,33 Па.
Скорость испарения Vи, кг/(м2с) всех веществ определяется давлением паров Р, Па, при температуре Ти, К, испарения и молекулярной массой вещества М (уравнение Лэнгмюра):
.
(2.1)
Испарение различных материалов в вакууме производят при нагревании до температуры плавления и испарения. Большая часть металлов при нагреве переходят в паровую фазу через жидкое состояние, т.е. сначала они плавятся, а затем испаряются. Некоторые металлы (Cr, Cd, Zn, Mn) переходят из твердого состояния в паровую фазу, минуя жидкую (сублимируют).
2.2. Характер распределения испаряемого вещества в пространстве
Характер распределения испаряемого вещества в пространстве над испарителем определяется двумя основными параметрами: рабочим давлением в вакуумной камере и плотностью потока испаряемых атомов и молекул.
Если давление в вакуумной камере порядка 10-3 - 10-4 Па и менее, молекулы и атомы испаряемого вещества достигают поверхности подложки без столкновений между собой и с молекулами остаточных газов. В этом случае говорят, что реализуется молекулярный режим испарения и конденсации, для которого справедливы законы Ламберта - Кнудсена:
-
распределение в пространстве потока
вещества, испаренного с плоской
поверхности, пропорционально
(
-угол
между направлением распространения
паров и нормалью к поверхности);
- число частиц, попадающих на поверхность подложки, обратно пропорционально квадрату расстояния между испарителем и подложкой.
В
соответствии с законом Ламберта -
Кнудсена испарение вещества происходит
неравномерно во всех направлениях, а
преимущественно в направлениях,
близких к нормали к испаряемой
поверхности, где
имеет максимальную величину.
Количество вещества, которое осаждается на противолежащую поверхность, зависит также от положения этой поверхности относительно испарителя. Как видно из рис. 2.1, 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 данных dω, r и θ определяется по формуле
.
(2.2)
Следовательно, масса вещества, осажденного на единицу площади определяется как
,
(2.3)
где Ме - количество испаренного вещества.
|
Рис.2.1. Испарение из испарителя с малой площадью dAe на элемент поверхности подложки dAr
|
При испарении материала точечным испарителем скорость испарения по массе не зависит от направления. Для элемента подложки dAr, заключенного внутри пространственного угла dω, зависимость dAr от расстояния до испарителя и направления испарения является такой же, как и для испарителя с малой поверхностью, т.е. dAr=r2·dω/cosθ (рис.2.2). Тогда количество массы вещества, осажденного от точечного испарителя, можно представить в виде
.
(2.4)
Для получения от точечного испарителя пленки однородной толщины необходимо испаритель помещать в центр подложки в виде сферы, так чтобы cosθ=1 и r = const.
Большую роль в формировании молекулярных пучков играют отражатели и диафрагмы. Отражающая поверхность, нагретая до температуры, близкой к температуре испарителя, становится вторичным испарителем, так как независимо от угла падения отражает молекулы по закону косинуса. Придание отражающей поверхности соответствующей формы позволяет увеличить интенсивность потока в полезном направлении.
Диафрагмы дают возможность «вырезать» из общего потока пучок нужного сечения и направленности и избежать бесполезного распыления вещества.
|
Рис.2.2. Испарение из точечного испарителя площадью dAe на элемент поверхности подложки dAr
|