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(shù)理學院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

電子束蒸發(fā)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(chǎn)過程中蒸鍍金屬電極或光學薄膜。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。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]。這時電子束斑落在半球形的頂部，可以看作是理想的點源蒸發(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(fā)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(xiàn)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(nèi)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(tǒng)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(fā)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(fā)鍍膜挖坑效應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(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點的膜厚為:

積分dt得環(huán)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(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膜厚的比值。

但根據(jù)式(1),當R減小到0時，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R減小時，蒸發(fā)源會逐步向下移動，移動到臨界點D點時，由于對面?zhèn)缺诘恼趽酰梢哉J為在z軸方向沒有蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)部的蒸發(fā)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(nèi)蒸發(fā)源材料均分擴散分布在頂角為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(fā)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(fā)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(fā)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(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

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