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不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响.pdf

不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响

逆风之翼
2011-05-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响pdf》,可适用于工程科技领域

第l卷第lO期年lO月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVo.No.iOct.。文章编号:i()i不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响董磊赵元安易葵邵建达范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所上海)摘要:分析了几种可能的实际蒸发源与薄膜均匀性的关系其中包括扩展的平面蒸发源和曲面蒸发源。通过实验论证了薄膜均匀性对蒸发源尺寸和蒸发特性的依赖关系。得到的分析结果表明:当蒸发源半径和夹具高度的比值小于/时蒸发源可以被视为一个点面源大于/lO时应当把蒸发源视为面面源进行考虑。当挖坑深度和蒸发源半径的比值介于和.之间时挖坑对薄膜均匀性造成的影响基本可以忽略大于.时挖坑效应明显影响薄膜的均匀性。关键词:薄膜均匀性蒸发源挖坑效应中图分类号:文献标识码:A在镀膜的沉积过程中膜层均匀性是一个重要问题。膜厚均匀性是指膜厚随基板表面位置的变化膜厚的均匀性不好将严重影响薄膜的特性。对于膜厚均匀性的影响国内外的研究工作基本都是从蒸发源与基板之间的几何配置对均匀性进行分析和研究的。但是事实上在实际的镀膜过程中除了蒸发源与基板之间的几何配置之外蒸发源的蒸发特性特别是蒸发过程中出现的挖坑效应对均匀性有着不可忽视的影响。为了搞清楚实际蒸发源对薄膜均匀性影响的规律本文分析了几种可能的实际蒸发源和薄膜均匀性的关系其中包括扩展的平面蒸发源和曲面蒸发源。在此基础上通过实验论证了薄膜均匀性对蒸发源尺寸和蒸发特性的依赖关系。理论分析.传统理论对于蒸发源的研究基板上任何一点的薄膜厚度决定于蒸发源的发射特性以及几何配置。早期的研究表明蒸发源通常可分为两类:一是点蒸发源向各个方向均匀地发射蒸汽分子二是面源的蒸汽密度按所研究的方向与表面法线间的夹角呈余弦分布即遵守Knudsen定律。对于实际的蒸发源一般说来当蒸发源和基片的距离较远时可以忽略蒸发源的大小也就是说把蒸发源作为一个点面源来考虑但是当蒸发源的面积较大时应当对蒸发源的表面面积加以考虑作为一个面面源来处理较为妥当。所以当处理这种较大面积的蒸发源的时候有必要考虑所有的无穷小单位面积对于薄膜厚度的作用。.考虑实际蒸发面积的蒸发源图为镀膜机内夹具和蒸发源的几何配置意示图其中夹具距离蒸发源所在平面的高度SO=h蒸发源和xOy平面相交得到的平面中心所在点的坐标为(nbO)。蒸发源表面为一曲面设曲面方程为f(xY)一()A为平面转动夹具上任意一点作夹具所在平面的垂线AT/BAT一夹具的高度为h。设A点距离夹具中心的距离为SAFig.一R和MSN的夹角为则A点的坐标为(Rsinq'Rcos~^)。Geometricalconfigurationofthecoatingmachine图镀膜机的几何配置B为曲面上一点过B点分别作曲面的切线PBQ和法线BH曲面的最上端在xOy平面上LABH=。对于B点来说在A点淀积的薄膜厚度t为。*收稿日期:修订日期:基金项目:国家计划项目资助课题作者简介:董磊(O一)男汉族河南省人硕士研究生主要从事大口径光学薄膜均匀性方面的研究上海市信箱Emaildongleimail.siom.acn。维普资讯http:wwwcqvipcom第lO期董磊等:不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响ll£一Ccos~cos()r式中:C为常数。B点为蒸发源表面上任意一点设其坐标为(z。yoz。)。由此可以得出B点法线方程为≠一一ZZO()(zy)(zy)一⋯AB连线的方程为X,.TO一YYoRsin~YRcos~一h()z一一⋯AB谇线的距离为一等Yo第Yolrl十z'。十z'厂Icos一hmZolr一rI±垦!±二垦!!三二兰二垒I垒二兰一V.........................................................................一r~/(zy)(zy)()()()夹具转动一周的膜厚为Cf(sC『(声)翮d()对于不同的曲面表达式和积分区间各不相同。.蒸发源为平面时对薄膜均匀性的影响对于蒸发面为平面的情况设平面为在xOy上的圆面圆心为(nb)直径为d。则其方程可以写为』(z一口)(b)一(/)()l一此时』一()I一所以此时的膜厚表达式为r蚪厂r.CjJJ干砰如d()式中:f∈(一d/bd/)lz∈a一n一()I声∈(c)我们设定a一mmmm^一mmRE(mm)。蒸发源和xOy平面相交得到的圆平面的半径为r。则夹具转动一周得到的厚度t的方程为式中:r蚪,t厂r’.CjJJ积可如dfz∈mm一~/二二)mmmm一(一mm):ly∈(mmmm)声∈(c)IR∈(mm)数值积分运算则可以得到当蒸发源为一圆形平面源时相对厚度t在径向方向上的分布曲线。()()图所示维普资讯http:wwwcqvipcomO强激光与粒子柬第卷为蒸发源直径d不同时的厚度分布曲线。在这里我们设定一个参数为ad/h一时即为点面源。从图上我们可以看出:()当把蒸发源看作为单独的点面源和由无数的点面源组成的面面源时薄膜的厚度分布趋势基本相同()在O<a<l/时膜厚分布曲线和a=O时的点面源曲线基本重合此时的蒸发源可以看作一个点面源来处理()在a>/时膜厚分布曲线逐渐偏离点面源时的厚度分布曲线呈现曲线最高点下降而且曲线整体数值减小的趋势。例如a一/时此时的蒸发源的蒸发面积不能被忽略。/\一一。。一一一‘一‘。。·/‘P\/Fig.RelativethicknessdistributionofplanesourcesofdifferentsizeFig.Sphericalsurfacesource图不同尺寸平面蒸发源情况下的厚度分布曲线图蒸发源表面为球面.蒸发源为球面时对薄膜均匀性的影响我们知道在进行薄膜镀制的时候容易产生挖坑效应从而影响薄膜的厚度均匀性下面我们模拟挖坑效应情况下的薄膜厚度分布曲线。如图所示蒸发源的形状即为MPNH所表示的球面。球的圆心为O。设球的半径为RPH即为挖坑的深度PH=A。圆MPN所在平面为xOy平面圆的半径为RR》A我们计算MHNP构成的球面对薄膜厚度的影响。在△OPN中可以得到ON一OPPN()Rb一(RbA)。R:()由此可知R一二一,/A(R~A)()设P点所在的坐标为(nbO)则球体的方程为(zn)。(一)。z一(RbA)。一R()夹具转动一周后的膜厚为£一cf。zz(z)胡、/厂F一fz~dxdydzd声一C』。尝dxdydzd~Rsin~)yRcos~)Eh㈣。J』J{(z。(一。一z(zv)。}。又一兰二z一(RbA)一二鱼(o)z一(RbA)Iz(x)一一~/Rb一(zn)式中:fX∈(n一y∈(一RbR)I≯∈(O【)一(一)RbAa)()砘砘仁苦一SJl墨维普资讯http:wwwcqvipcom第lO期董磊等:不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响我们设定a=mmmm^一mmR∈(Omm)R一mm。数值积分运算可以得到如图所示的曲线。如图所示为挖坑深度A不同时相对厚度t的径向分布曲线对比平面源即为A一时的厚度分布曲线。在这里我们设定一个参数为fl=A/R。从图可以看出:随着挖坑深度的变化膜厚的分布和平面蒸发源相比有所不同但是趋势基本一致在<<.时厚度分布基本和平面蒸发源相同基本不影响膜厚的均匀性在』>O.时薄膜相对厚度增加也就是说此时的挖坑效应比较明显已经影响到了膜厚的均匀性。radius/mmFig.Relativethicknessdistributionofdifferentsphericalsources图不同球面蒸发源下的厚度分布曲线实验验证mdius/mmFig.ThicknessdistributionofHfOSiOandtheplanesurfacesourcesintheory图HfOSiO和平面蒸发源的相对膜厚分布曲线实验所用镀膜机蒸发方式为电子柬蒸发蒸发源距离夹具的高度为mm蒸发源距离夹具中心在蒸发源平面投影点的距离为mm。通过分光光度计测量薄膜的光学特性曲线用中心波长来表示薄膜的相对厚度。在实验过程中我们固定坩埚电子柬进行z和Y方向的扫描。对HfOz:z方向的扫描电流为.Ay方向的扫描电流为.A对SiO。:z方向的扫描电流为.AY方向的扫描电流为.A。图所示为HfOzSiO。厚度分布曲线及平面蒸发源的理论厚度分布曲线。从图上可以看出对比上述的理论分析我们很容易知道在实际的蒸发过程中有挖坑效应出现。测量蒸发以后的膜料挖坑的情况得到参数J的数值以及坑的半径和深度。HfO。的』=.左右坑的半径为mm最深处为mm左右。SiO。的J略大于.坑的半径为mm最深处为略大于mm。这些数据和理论上得到的厚度分布趋势基本相符但是理论厚度分布和实际的薄膜相对厚度分布相比还存在一些差异。引起这些差异的主要原因是在实际的蒸发过程中蒸发曲面不可能保持为球面蒸发曲面是不断变化的所以必然会导致这些差异的存在。结论实际蒸发源的蒸发面积是否可以忽略与蒸发源的大小及基板之间的几何配置有关:在O<a</时此时的蒸发源可以看作一个点面源来处理在a>/时此时的蒸发源的蒸发面积不能被忽略。实际蒸发过程中挖坑效应对均匀性的影响是否可以忽略和挖坑的深度及蒸发源的大小有关:随着挖坑深度的变化膜厚的分布和平面蒸发源相比有所不同但是趋势基本一致在<<.时厚度分布基本和平面蒸发源相同基本不影响膜厚的均匀性在/>.时薄膜厚度增加也就是说此时的挖坑效应比较明显已经影响到了膜厚的均匀性。为获得均匀性更好的薄膜必须对蒸发源的蒸发特性进行控制使得蒸发斑的大小和深度稳定地限制在确定的范围内。参考文献:MacleodHA.ThinfilmopticalfiltersM.London:IOPPublishing.维普资讯http:wwwcqvipcom强激光与粒子束第卷潘栋梁熊胜明张云洞等.行星夹具膜厚均匀性计算J.强激光与粒子束():~.(PanDLXiongSMZhangYDeta.Filmuniformitycalculationoflargecalibercoatingmachine.HighPowerLaserandParticleBeams())顾培夫.薄膜技术M.杭州:浙江大学出版社.(GuPF.Thinfilmtechnology.Hangzhou:ZhejiangUniversityPress)InfluenceofdifferentkindsofevaporationsourcesonfilmsuniformityDONGLeiZHAOYuananYIKuiSHAOJiandaFANZhengXiu(ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanicsChineseAcademyofSciencesP..BoxShanghaiChina)Abstract:Severalevaporationsourcesincludingtheplaneandsphericalsourceandtheirinfluenceonfilmuniformitywerestudied.Itisfoundthatwhentheratiobetweentheradiusofthesourcesurfaceandtheheightofthesubstrateislessthan/theareafthesurcesudacescanbeignoredandwhenitisgreaterthan/theareaofthesourcesurfaceshouldbeconsidered.Whentheratiobetweenthedepthofthesphericalsurfaceandtheradiusofthesourcesurfaceislessthan.thesphericalsourcehaslittleeffectonfilmsuniformitycomparedwiththeplanesourceandwhenitisgreaterthan.theinfluenceofspher’icalsurfacesourceonfilmsuniformityshouldbeconsidered.Basedonthestudytherelationbetweentheemissioncharacteristicofsourcesandfilmuniformitywasvalidatedbyexperiments.Keywords:FilmUniformityEvaporationsource维普资讯http:wwwcqvipcom

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