電子束蒸發(fā)挖坑效應(yīng)膜厚均勻性的計(jì)算新方法

付學(xué)成， 張洪波， 權(quán)雪玲， 王鳳丹， 李進(jìn)喜

(1.上海交通大學(xué) 先進(jìn)電子材料與器件校級(jí)平臺(tái)，上海 200240;2.常州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備是一種常見(jiàn)的真空鍍膜裝置，常用于微納米加工及器件生產(chǎn)過(guò)程中蒸鍍金屬電極或光學(xué)薄膜。由于蒸發(fā)源材料和采用坩鍋特性的不同，像金、銀、銅等導(dǎo)熱比較好的金屬，采用石墨坩堝蒸發(fā)，金屬熔融后，在液態(tài)狀態(tài)與坩堝不浸潤(rùn)。由于重力和表面張力的綜合作用，蒸發(fā)源往往呈現(xiàn)半球型[1]。這時(shí)電子束斑落在半球形的頂部，可以看作是理想的點(diǎn)源蒸發(fā)或小平面蒸發(fā)[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(dǎo)熱差的材料，或者像Cr這類易升華的材料，隨著蒸鍍的進(jìn)程，材料不會(huì)熔融成半球形，而是在蒸發(fā)源中心慢慢形成一個(gè)凹坑，這就是所謂的“挖坑”效應(yīng)[3]。 “挖坑”效應(yīng)的出現(xiàn)會(huì)給薄膜的均勻性帶來(lái)不良的影響，尤其是給均勻蒸鍍,像二氧化硅、ITO這類光學(xué)薄膜帶來(lái)了很大的困難[4-5]。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)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(tǒng)計(jì)學(xué)方面研究，然后提出均勻性修正的方法。也有針對(duì)不同形狀的蒸發(fā)源對(duì)于襯底沉積膜厚均勻性的計(jì)算公式[14-16]，其中和電子束蒸發(fā)鍍膜挖坑效應(yīng)最接近的一種模型就是環(huán)形錐面蒸發(fā)源模型。但該模型有很大的局限性，不能用來(lái)模擬和計(jì)算挖坑效應(yīng)對(duì)襯底沉積膜厚的分布。本文提出一種針對(duì)電子束挖坑效應(yīng)均勻性計(jì)算的新方法，并通過(guò)在硅襯底上蒸鍍二氧化硅光學(xué)薄膜驗(yàn)證新方法的正確性。

1 環(huán)形錐面蒸發(fā)源模型的局限性

環(huán)形錐面蒸發(fā)源如圖1所示。

圖1 環(huán)形錐面蒸發(fā)示意圖

cosθ=z/r,z1=R·tanβ

由此可得dA1在p點(diǎn)的膜厚為:

積分dt得環(huán)形錐面源在p點(diǎn)的膜厚為：

φ

再積分得:

(1)

若y=0,則相對(duì)于環(huán)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(diǎn)膜厚的比值。

但根據(jù)式(1),當(dāng)R減小到0時(shí)，環(huán)形錐面蒸發(fā)源可視為圓錐面蒸發(fā)源,

(2)

圖2 圓錐面蒸發(fā)遮擋

當(dāng)R減小時(shí)，蒸發(fā)源會(huì)逐步向下移動(dòng)，移動(dòng)到臨界點(diǎn)D點(diǎn)時(shí)，由于對(duì)面?zhèn)缺诘恼趽?，可以認(rèn)為在z軸方向沒(méi)有蒸發(fā)源材料沉積到襯底上。而式(1)卻不能反映這個(gè)問(wèn)題，因此該模型有一定的局限性，在計(jì)算理想的錐面蒸發(fā)時(shí)是可行的，但用來(lái)模擬和計(jì)算挖坑效應(yīng)對(duì)襯底沉積膜厚的分布卻顯得無(wú)能為力。因此需要尋找一種新的模型，來(lái)模擬計(jì)算挖坑效應(yīng)對(duì)襯底沉積膜厚的分布。

2 計(jì)算挖坑效應(yīng)沉積膜厚均勻性的新方法

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

小圓錐體內(nèi)蒸發(fā)源材料均分?jǐn)U散分布在頂角為2θ、半徑為R的部分球體內(nèi)。平面m1為球冠和圓錐體的截面,平面m2為正對(duì)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(diǎn)為平面m2中心點(diǎn)，距離小圓錐體上表面中心的高度為h。在襯底上任意點(diǎn)M薄膜的厚度，可以看作是過(guò)M點(diǎn)垂直平面m2，交球冠表面M2和圓錐M1兩點(diǎn)之間的高度之和。

設(shè)M1和M2的坐標(biāo)分別為(x,y,z1)和(x,y,z2),

|MM1|=z0-z1=h-z1

圖3 小圓錐體蒸發(fā)鍍膜模型

x2+y2+z22=R2可以得出

x2+y2=l2

l為M點(diǎn)距離襯底中心O點(diǎn)的距離

θl

襯底上任意點(diǎn)M薄膜的厚度與平面m2中心點(diǎn)厚度的比值為:

影響該公式的最主要的兩個(gè)因素就是半徑R與圓錐半頂角θ。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用沈陽(yáng)科學(xué)儀器制備的電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備，在2個(gè)10.16 cm的襯底上蒸鍍二氧化硅薄膜。設(shè)備本底真空約5.20 mPa,二氧化硅蒸發(fā)源材料開(kāi)始表面平整，擋板打開(kāi)不需要預(yù)融。5%電子槍功率，30 mA束流分別蒸鍍2 min和3 min，結(jié)果如圖4、5所示。按照沿中心點(diǎn)實(shí)線、中間點(diǎn)實(shí)線和邊緣點(diǎn)實(shí)線，用各測(cè)5點(diǎn)厚度，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 二氧化硅蒸鍍2 min結(jié)果

nm

實(shí)際測(cè)量襯底距離蒸發(fā)源表面的高度約27 cm，源材料蒸發(fā)2 min后形成的圓錐形坑頂角約90°，源材料蒸發(fā)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(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，蒸鍍2 min二氧化硅，邊緣點(diǎn)厚度約是中心點(diǎn)厚度的84.6%左右，蒸鍍3 min后，邊緣點(diǎn)厚度約是中心點(diǎn)厚度的82.85%左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論非常吻合。

4 結(jié) 語(yǔ)

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