電子束蒸發挖坑效應膜厚均勻性的計算新方法

付學成， 張洪波， 權雪玲， 王鳳丹， 李進喜

(1.上海交通大學 先進電子材料與器件校級平臺，上海 200240;2.常州大學 數理學院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

電子束蒸發鍍膜設備是一種常見的真空鍍膜裝置，常用于微納米加工及器件生產過程中蒸鍍金屬電極或光學薄膜。由于蒸發源材料和采用坩鍋特性的不同，像金、銀、銅等導熱比較好的金屬，采用石墨坩堝蒸發，金屬熔融后，在液態狀態與坩堝不浸潤。由于重力和表面張力的綜合作用，蒸發源往往呈現半球型[1]。這時電子束斑落在半球形的頂部，可以看作是理想的點源蒸發或小平面蒸發[2]，沉積的薄膜有比較好的均勻性。而像二氧化硅、三氧化二鋁、ITO這類導熱差的材料，或者像Cr這類易升華的材料，隨著蒸鍍的進程，材料不會熔融成半球形，而是在蒸發源中心慢慢形成一個凹坑，這就是所謂的“挖坑”效應[3]。 “挖坑”效應的出現會給薄膜的均勻性帶來不良的影響，尤其是給均勻蒸鍍,像二氧化硅、ITO這類光學薄膜帶來了很大的困難[4-5]。目前,國內關于電子束鍍膜均勻性修正的研究文章很多[6-13]，基本是基于統計學方面研究，然后提出均勻性修正的方法。也有針對不同形狀的蒸發源對于襯底沉積膜厚均勻性的計算公式[14-16]，其中和電子束蒸發鍍膜挖坑效應最接近的一種模型就是環形錐面蒸發源模型。但該模型有很大的局限性，不能用來模擬和計算挖坑效應對襯底沉積膜厚的分布。本文提出一種針對電子束挖坑效應均勻性計算的新方法，并通過在硅襯底上蒸鍍二氧化硅光學薄膜驗證新方法的正確性。

1 環形錐面蒸發源模型的局限性

環形錐面蒸發源如圖1所示。

圖1 環形錐面蒸發示意圖

cosθ=z/r,z1=R·tanβ

由此可得dA1在p點的膜厚為:

積分dt得環形錐面源在p點的膜厚為：

φ

再積分得:

(1)

若y=0,則相對于環形錐面源中心的膜厚為：

由此可得t/t0為距離襯底不同距離與中心點膜厚的比值。

但根據式(1),當R減小到0時，環形錐面蒸發源可視為圓錐面蒸發源,

(2)

圖2 圓錐面蒸發遮擋

當R減小時，蒸發源會逐步向下移動，移動到臨界點D點時，由于對面側壁的遮擋，可以認為在z軸方向沒有蒸發源材料沉積到襯底上。而式(1)卻不能反映這個問題，因此該模型有一定的局限性，在計算理想的錐面蒸發時是可行的，但用來模擬和計算挖坑效應對襯底沉積膜厚的分布卻顯得無能為力。因此需要尋找一種新的模型，來模擬計算挖坑效應對襯底沉積膜厚的分布。

2 計算挖坑效應沉積膜厚均勻性的新方法

利用電子束蒸發設備蒸鍍二氧化硅、三氧化二鋁、ITO這類導熱差的材料過程中，束斑位置從源材料的表面逐漸向下移動。由于蒸發源材料自上而下受熱時間不同，消耗的材料自上而下逐漸減少，形成一個小圓錐體或者類小圓錐體的坑。整個過程可以看成小圓錐體坑內部的蒸發源材料按照小圓錐體頂角方向，向外均勻擴散分布,如圖3所示。

小圓錐體內蒸發源材料均分擴散分布在頂角為2θ、半徑為R的部分球體內。平面m1為球冠和圓錐體的截面,平面m2為正對小圓錐體上表面中心且平行于小圓錐體上表面的襯底。O點為平面m2中心點，距離小圓錐體上表面中心的高度為h。在襯底上任意點M薄膜的厚度，可以看作是過M點垂直平面m2，交球冠表面M2和圓錐M1兩點之間的高度之和。

設M1和M2的坐標分別為(x,y,z1)和(x,y,z2),

|MM1|=z0-z1=h-z1

圖3 小圓錐體蒸發鍍膜模型

x2+y2+z22=R2可以得出

x2+y2=l2

l為M點距離襯底中心O點的距離

θl

襯底上任意點M薄膜的厚度與平面m2中心點厚度的比值為:

影響該公式的最主要的兩個因素就是半徑R與圓錐半頂角θ。

3 實驗驗證

使用沈陽科學儀器制備的電子束蒸發鍍膜設備，在2個10.16 cm的襯底上蒸鍍二氧化硅薄膜。設備本底真空約5.20 mPa,二氧化硅蒸發源材料開始表面平整，擋板打開不需要預融。5%電子槍功率，30 mA束流分別蒸鍍2 min和3 min，結果如圖4、5所示。按照沿中心點實線、中間點實線和邊緣點實線，用各測5點厚度，結果見表1。

圖4 二氧化硅蒸鍍2 min結果

nm

實際測量襯底距離蒸發源表面的高度約27 cm，源材料蒸發2 min后形成的圓錐形坑頂角約90°，源材料蒸發3 min后形成的圓錐形坑頂角約83°，從圓錐坑按照錐面角度與腔壁的直線距離約35 cm，可以看作是半徑R。

R=35 cm,l=5 cm,θ=41.5°代入可以得:

.85%

R=35 cm,l=5 cm,θ=45°代入可以得:

.6%

根據實際測量結果，蒸鍍2 min二氧化硅，邊緣點厚度約是中心點厚度的84.6%左右，蒸鍍3 min后，邊緣點厚度約是中心點厚度的82.85%左右，實驗結果與理論非常吻合。

4 結 語

參考文獻(References)：

[1] 張以忱. 真空鍍膜技術與設備 [M]. 北京：冶金工業出版社, 2014:11-12.

[2] 方應翠. 真空鍍膜原理與技術 [M]. 北京：科學出版社, 2014:72-75.

[3] Wang N，Shao J D. Impact of evaporation characteristics of SiO2on uniformuty of thin-fiim thiness [J]. Chinese Journal of Lasers, 2010, 37(8): 2051-2056.

[4] 陳京湘，崔碧峰，丁 穎，等.離子輔助沉積電子束蒸發Si基SiO2薄膜的研究 [J].半導體光電，2013,34(4): 607-611.

[5] 王 利，王 鵬，王 剛，等.制備工藝條件對SiO2薄膜非均質特性的影響 [J].強激光與粒子束，2016, 28(2)：40-45.

[6] 夏志林，趙元安，黃才華,等.基于平板夾具的電子束沉積膜厚中的挖坑效應分析[J].真空, 2008, 45(6):12-16.

[7] 盧晨盈. 修正板改善薄膜厚度均勻性研究 [D]. 武漢：武漢理工大學材料學院，2011.

[8] 董 磊，趙元安，易 葵，等. 不同類型蒸發源對平面夾具薄膜均勻性的影響 [J]. 強激光于離子束，2005，17(10):1518-1522.

[9] 王小輝，衛 紅，曹一鳴，等. 大面積戶外照明光學薄膜膜厚均勻性研究 [J]. 光學儀器，2006，28(4):172-175.

[10] 董宏奎，趙建華，林日樂，等. 薄膜均勻性的分析研究[J].壓電與聲光，2006，28(5):578-581.

[11] 方 明，范正修，黃建兵，等. 平面星形夾具的物理氣相沉積計算方法 [J].計算物理，2006，23(6):738-742.

[12] 方 明，鄭偉君，吳 明, 等. 平面星形夾具均勻性檔板的設計方法研究[J]. 真空科學與技術學報，2006，26(4):286-289.

[13] 畢 軍，易 奎，黃建兵，等.電子束蒸發鍍膜膜厚均勻性的修正方法[P].中國專利：CN200510027684.5，2006-01-11.

[14] Holland L，Steckelmacher W.The distribution of thin film condensed on surface by vacuum evaporation method [J]. Vacuum, 1956, 2:346-384.

[15] Behrndt K H,Trans VI Nat. Vac Symp [M]. AVS London, 1960. 1379.

[16] 張以忱. 真空鍍膜技術與設備 [M]. 北京：冶金工業出版社, 2014:114-115.