22

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 V_и, кг/(м²с) всех веществ определяется давле­нием паров Р, Па, при температуре Т_и, 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 М_е - 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 dA_r, заключенного внутри пространственного угла dω, зависимость dA_r от расстояния до испарителя и направления испарения является такой же, как и для испарителя с малой поверхностью, т.е. dA_r=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