真空镀膜膜层厚度均匀性计算与工件架的设计

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真　　　　空第1期　　　　　　　　　　V acuum 2V acuum T echno logy and M aterial 1998年2月

真空镀膜膜层厚度均匀性计算与工件架的设计

曹仁福

(上海真空泵厂)

Ca lcula tion of F il m -th ickness Un ifor m ity and the D esign

of W orkp iece Holder i n a Vacuu m D eposition Equ ip m en t Cao R enf u (Shanghai V acuum Pum p Facto ry )

Abstract

In th is paper , the theo retical calcu lati on and the p ractical m easu rem en t fo r the fil m 2un ifo rm ity has been p resen ted . A cco rding to the requ en t of 2th the au tho r’sexperience , a reasonab le selecti on and op ti m w o been m ade .

摘　要　, 并根据对膜厚均匀度

。

工业生产要求真空镀膜层厚度的分布是均匀的或者是按特定要求的比例分布。如光学零件的增透膜、干涉滤光膜要求很高的均匀度, 非球面薄膜则要求在平面上淀积抛物线型的厚度分布层。

为了控制厚度的分布, 首先要找出影响膜厚的主要因素, 从理论上来计算厚度的分布, 从而在制膜工艺上控制这些因素, 以达到预期的效果。

影响膜层厚度的主要因素有:(1) 衬底表面的形状。(2) 蒸发源的特性。(3) 蒸发场的物理性质。

假定蒸发场的物理性质满足如下条件:工作室的气压很低, 足以保证蒸发物质的分子不受到剩余空气的碰撞而直接到达衬底表面, 且立即凝结。一般来说, 普通高真空镀膜设备的工作真空度均等于或小于1×1024To rr , 此时, 剩余气体分子的平均自由程ΚΕ0. 5m 。而实际生产中蒸发源至凝结点的距离一般是不会超过0. 5m 的, 所以蒸发分子可以不受阻碍地到达衬底表面, 并设蒸发物分子之间的碰撞可忽略不计。

对于蒸发源, 最理想的是一个极小的点状蒸发源, 它的直径相对于蒸发源至衬底表面的距离而言是很小的, 可以忽略不计, 而且在蒸发时各个方向上的物理性质均等。设有M 克物质从点源蒸发后凝结于半径为R 的球壳内表面上, 若点源位于球的中心, 则球内表面上的膜层应是均匀的, 因为各向上的物理性质均等。

收稿日期　1997210228　　　　邮编　201709

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设蒸发前的物质体积为V

则V =M Θ

式中　Θ为物质的密度。

假定蒸发后的物质完全凝结于球体内表面, 设体积为V

V =4ΠR t

′2′

式中t 为球体内表面膜层厚度。

由于蒸发前后物质的体积应相等

V =

V ′

2(1) 故膜层厚度t =M 4ΠR Θ

从式(1) 中可看出, 厚度t 与蒸发源至凝结点的距离平方成反比。但是, 如点源蒸发至平面镜上, 如图1所示, 则膜层厚度的分布就不按(1) 计算。

此时膜层的厚度分布将是不均匀的, 因为平面镜上各点至蒸发源的距离不同, 而且蒸汽的入射角也不相同, 我们可推导出另一公式[1], 由于点源各向的物理性质相等, 则每一单位立体角d Ξ内蒸发的物质dm 应该相等。见图2

。

F ig 1. T he fil m 2th ickness distributi on on a p lane substrate

w ith the po int evapo rato r

. 图2　点源对平面衬底蒸发的示意图F ig 2. T he sketch of po int evapo rato r to p lane substrate 　　设有M 克的物质从点源完全蒸发凝结于一平面镜A OB 上, 则

) d Ξ4Πdm =(M

因为整个圆球对球心所包的立体角为4Π, 故除以4Π, 任一球表面与所包立体角的关系为:

ds =d Ξr 2

式中r 为球半径, 即为凝结点至蒸发源的距离, 现以h 代之。

d Ξ=ds h 2

从图2中知

则d s 1=co s Ηd s 222) (d s 1 ) (co s Ηdm =(M 4Πh ) =(M 4Πd s 2 h )

　　在ds 2处的厚度应是该处的膜层体积除以面积ds 2

t =dm Θds 2

t =M co s Η 4ΠΘh 2(2)

　　设点源至平面的垂直距离为h 0, 垂线与平面的交点为0点, 0点的厚度t 0。则任意点厚度与0点厚度之比:

223(1 (3) t t 0=(co s Η h ) h 0) =co s Η

　　在生产实际中往往都采用的是表面源, 通常用钼片作成舟形浅槽, 内盛被蒸发物质, 通过强大电流加热钼片, 如图3、图4。被蒸发的物质受热后, 熔融成液态, 以其表面向钼槽上方蒸发

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真　　　　空　　　　　　　　　　　　　　　　　第1期物质, 液体表面蒸发的情况符合克努曾余弦定律, 即蒸发分子的浓度与表面蒸发出射角的余弦成正比。即:

(4

) Θ=Θ0co s Η

图3　钼舟蒸发源示意图

F ig 3. T he sketch

of M o 2vessel evapo rato

r 图4　蒸发服从余弦定律

F ig 4. T he evapo rati on obeys co sine law

　　因此按照余弦定律和点源的基本公式推导方式可进一步推导出表面源的基本公式[2]。

假设与表面源的表面法线成Η角方向上的单位立体角内蒸发物质为dm , dm =K cos Ηd Ξ假定有M 克物质完全蒸发在半球形的内表面上,

) co s Η则dm =(M 2Πd Ξ

　　设一大平面平行于表面源

d Ξ=ds 1 h =cos Ηds 2 h

t =dm Θds 2

22t =(M 222) ・(cos 22Πd M =(M 2 h (5)

　　因为在0点Η等于零, t 0, ,

2) ×(1 2t 0(M Θh 0)

0224t t 0=co s Η (h 2h ) =co s Η0 (6)

　　关于条状蒸发源、圆柱面蒸发源和环状蒸发源的厚度分布的理论公式可参考文献[3]。

上面是从理论上对膜层厚度均匀性问题的论述与计算, 而在生产实践中, 大家对膜层均匀性的探讨积累了丰富的经验, 为了充分满足这个要求, 经典的工件架的结构有二种, 即一种是平面工件架夹具, 一种是球形工件架夹具, 如何选用夹具和布置蒸发源是镀膜室内很重要的考虑内容。

一、平面工件架夹具

通常情况下, 平面夹具是绕其工作室的轴心旋转的, 若我们所使用的蒸发源是钼舟, 这种源是有方向性的, 材料从它的一面蒸发, 在面的法线上, 蒸发的材料是多随着与法线所夹的角度增加, 则按角度的余弦而减少(前面已论述) 。

如图5所示, R 为蒸发源到工作室中心的距离, H 为蒸发源到夹具(被镀膜零件) 的距离。A 为夹具上任一点到中心的距离, 工件与夹具是在同一平面上。

蒸发源蒸发的材料淀积到工件上, 它的厚度经计算所得厚度分布如图6所示。从图中可以看出当R =1, H =1. 3时, 曲线较平坦, 也即膜厚较均匀, A 从O 到0. 7范围内厚度相差不多, 也就是膜层均匀区的最大范围, 因此为了做到被镀零件均匀度, 蒸发源就要放到离中心越远越好, 即尽量靠近钟罩壁, 从曲线看出, 被镀零件越靠中心的厚度变化越小, 这就是对精密零件镀膜要尽可能放在中心位置的道理。

这种平面夹具的优点是小机器能镀大平面, 被镀工件与蒸发源的距离较近, 可以减低镀膜室的高度, 但总的均匀面积还不算大, 即小于蒸发源的直径。还由于蒸发源在边上, 所以蒸发材

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料淀积在工件上的角度较大, 对膜的光学性能稍有影响, 因此应该选取比较适中的相对位置

。

图5　蒸发室内示意图

F ig 5. T he sketch in evapo rati on cham

ber 图6　经理论计算的膜厚分布F ig 6. T he fil m 2th ickness distributi on acco rding to the

theo retical calculati on

二、球形工件架夹具

11转动球形工件架夹具

从膜厚均匀曲线可看出:当H 增加时, 均匀面积在减少, 越离中心, , 因此球形夹具只需调节R 和H 的距离, (图7) 能得到均匀有膜层, 均匀面积大, 21不转动的球形工件夹具

, 往往采用这种夹具, , 由计算可知, 蒸发源应该位于, 2R 处, 8, 由于蒸发源并不是理想状态, 所以需要略为调节, 一般往往要小于。

另外为了使膜层更加均匀, 还采用行星夹具形式, 即除了工件绕夹具中心旋转处, 工件本身环绕自己中心转动

。

图7　转动球形工件夹具示意图

F ig 7. T he sketch of ro tary wo rkp iece ho

lder 图8　非转动的球形工件架夹具示意图F ig 8. T he sketch of non 2ro tary wo rkp iece ho lder 从上面几种夹具来看, 除了大量生产固定不变的工件或总是生产小工件之外, 一般工厂往往是采用平面夹具, 当然平面夹具也可以镀小件, 就是每次镀的数量要少一些, 但如果采用球形夹具, 没有大设备就不能镀大工件, 否则就会降低均匀度, 对多层膜的制备是不理想的。

下面将我与上海光机所联合设计的GDM 2600B 多层光学镀膜机, 按理论设计计算的平面工件夹具到产品膜系制备的测试结果介绍如下:

根据用户上海光机所的要求:11在 600的种罩内能镀制 300的平面工件, 膜层均匀。21镀制多层膜, 膜层材料为电介质, 用钨或钼舟蒸发。

为此, 我们开展以下工作:

膜厚的均匀性:

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真　　　　空　　　　　　　　　　　　　　　　　第1期

(1) 夹具的选择及其均匀性计算:

如用球形夹具来制备 300m m 的工件, 需要获得均匀的膜层, 则球形夹具的半径要很大, 才能使边上和中心的膜厚误差很小, 故必须采用大型的镀膜设备, 而 600镀膜机是无法达到要求的。因此我们必须取消球形夹具, 而采用平面夹具。

由于用钼舟蒸发源, 它是面蒸发源, 即蒸发方向与蒸发源的垂线夹角 的余弦(cos ) 有关, 为了在大平面上获得均匀的膜层, 必须采用环形面蒸发源, 这只要旋转夹具就可以得到, 故布置如下:平面夹具放在蒸发源的上方, 距离为H , 蒸发源与转动中心的距离为R , 当夹具转动时, 即得环形蒸发源, 其中半径即为R 。设蒸发源的蒸发速率为m (g , s ) , 蒸发材料的密度为Θ则在夹具上, 距离转动中心为A 处的膜厚, 可以求得[3]。

t =2ΠΘH 02Π(2) d +(R +A ) -4A R sin 2 22　　夹具上膜厚分布如图6所示。从图中进一步分析, 随着H 的减小, 夹具边上的膜层比中心厚, 故选取一定的H 是必要的, 当H =1. 3时, 也就是H 为半径R 的1. 3倍, 膜厚均匀的范围最大, 图中也可看出, 当H =1. 3时, A 从0到0. 7R 范围内, 膜厚均匀最大误差为2%, 由此可知, 若R 越大, 则均匀面积越大, 在GDM 2600B 镀膜机中R 最大只能取230m , A =0. 7R , 即A =161或 320m m 满足设计要求。

(2) 膜厚的均匀性实验

按以上计算, 选取均匀面积为

最大的参数R =230m , H . , 图9　经测量的膜厚分布60R . P . M g F 2。极F ig 9. T he fil m 2th ickness distributi on acco rding to m easurem ent 值法监控膜厚, 监控波长为546nm ,

镀后, 用日本的多光束干涉膜厚测量仪I I 型, 分别测量试验玻璃的膜厚, 从而得出, 夹具中心至边缘的膜厚分布如图9所示。

从图9中可看出A =160, 即 320m m 范围内膜厚均匀, 最大误差小于3◊。

上海光机所在实际使用中, 除镀制大工件之外, 采用的夹具, 其中心放置 30的控制片, 旁边同时可放三个 150的样品, 可见其均匀面积区在 330左右。

(3) 工件的转速

显然, 转速越快, 应该说膜厚均匀性越好, 但由于振动、惯性等, 尤其是镀制大工件时, 带来诸多不便。故转速不宜过快, 一般沉积一层介质膜的时间约为一分钟左右。若工件转速为60转 s , 则由此而引起的误差将不大于1◊, 是能满足要求的, 现为了适应镀制多种工件和多种镀料, 因此规定了工件转速为无级调速, 即可以从0调至100R . P . M 。

在完成本文的过程中得到了上海光机所等单位有关同志的大力支持和配合, 同时刘炳坤教授在百忙中为本文进行了审核和修改, 在此, 一并表示感谢。

参　考　文　献

　1　陈国平1薄膜物理与技术, 东南大学出版社11993, 10

　2　高本辉, 崔素言1真空物理, 科学出版社11983, 319

　3　H olland L . , V acuum D ep osition of T h in F il m s , L ond on , Chapm an and H a ll L td . 1956, 153