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第十二期 镀膜机结构vs膜厚分布vs厚度误差(1)

  • 分类:工艺讲堂
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  • 来源:
  • 发布时间:2021-03-24
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【概要描述】接下来分两期内容讲述膜厚分布均匀性,膜厚控制误差,镀膜机结构三者之间的关系。鉴于各位同行对此内容讨论的比较少,常规教课书讲的也很基础,小编先放结论在此:镀膜机结构本身决定了膜厚分布均匀性的好坏和随机误差的可控性,但天生膜厚分布均匀性好的设备,随机误差的可控性并不一定最好。

第十二期 镀膜机结构vs膜厚分布vs厚度误差(1)

【概要描述】接下来分两期内容讲述膜厚分布均匀性,膜厚控制误差,镀膜机结构三者之间的关系。鉴于各位同行对此内容讨论的比较少,常规教课书讲的也很基础,小编先放结论在此:镀膜机结构本身决定了膜厚分布均匀性的好坏和随机误差的可控性,但天生膜厚分布均匀性好的设备,随机误差的可控性并不一定最好。

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接下来分两期内容讲述膜厚分布均匀性,膜厚控制误差,镀膜机结构三者之间的关系。鉴于各位同行对此内容讨论的比较少,常规教课书讲的也很基础,小编先放结论在此:镀膜机结构本身决定了膜厚分布均匀性的好坏和随机误差的可控性,但天生膜厚分布均匀性好的设备,随机误差的可控性并不一定好。

本期内容首先讲述什么样的镀膜机结构具有天生优越的膜厚分布均匀性。

镀膜的膜厚均匀性是工程师和老板很看重的性能之一。其影响因素,除了镀膜工艺外,更是由镀膜机本身的结构决定。考虑到国泰产品主要是公转Dome,因此下文讲述都是以此为前提。

一、 理论基础

迄今为止,已经证实大部分蒸发分子在工件盘上的膜厚分布遵守非余弦分布,对于旋转球面夹具的面源蒸发,有如下形式:

图片1.png1

式中m是蒸发材料的质量,μ是其密度,指数n与蒸发特性及蒸发工艺有关,当旋转角度ψ=0时,即样品点S位于蒸发源正上方平面时,式中各物理量的关系如下图所示:

图片2.png 

图中E为蒸发源,hS点距蒸发源的高度,ρ为S点到转轴的距离,L为蒸发源到转轴的距离,AS点与球面夹具球心点连线与转轴的夹角。

对公式(1)积分,就可以得到不同参数下的薄膜厚度分布。积分是个复杂的过程,这里不再讲述。

利用公式(1)及积分结果,可以对镀膜结构性能进行如下分析,详细见下表所示。

 

可计算的特性

  对应结构特性的功能分析

坩埚位置

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

伞高度

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

伞曲率

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

修正板倾角

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

修正板尺寸

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

多枪蒸发的位置

对膜厚、均匀性分布、控制误差的影响

晶振监控位置  

 对控制误差和晶振利用率的影响

公转速度

对控制误差的影响

蒸发工艺

对膜厚、均匀性分布、控制误差、折射率分布的影响

 

下文将会以常规1250mm腔体的蒸发镀膜机为例,对部分结构及特性分析进行讲解。以下计算的默认前提是,双电子枪,蒸发坩埚的连线经过腔体中心,且与中心对称分布。双修正板,且都位于蒸发源正上方。

二、 蒸发源位置对膜厚分布的影响

对于确定高度、确定蒸发工艺和确定曲率的镀膜球伞,可算出不同坩埚间距下伞上镜片的膜厚分布。此时的膜厚分布是不考虑修正板的情况。如下图所示,C230表示坩埚距离腔体中心距离为230nm,横坐标是ρ,单位毫米,样品到腔体中心的垂直距离;纵坐标是比例,以伞中心处的理论膜厚为1

可以发现,对于确定的坩埚间距,越靠近外圈,膜厚分布越少。因此,对于大部分常规的机器结构,中心晶振监控点的厚度都会比伞上样品的厚度更厚,Tooling都会偏离1

坩埚距离腔体中心越远,在没有修正板的情况下,伞上各位置样品的膜厚分布越均匀。图中坩埚距中心230mm时,最外圈的膜厚只有中心膜厚的70%。这意味着最外圈和内圈膜厚差异太大,修正板可能很难修,这在后面会有论述。

图片3.png 

 

但坩埚距离腔体中心的远近,同样会影响到膜料的蒸发效率。理论计算中,蒸发源距离中心500mm时,晶振中心检测速率0.3nm/s,以此为基准,可以得到蒸发源距离中心400mm230mm时,各个位置的蒸发速率,如下图所示。可以发现,蒸发源距离中心越远,蒸发速率越低,实际上是降低了薄膜制备的效率。因此,实践中,不能一味追求均匀性,而忽略了效率。效率意味着金钱。

图片4.png 

 

三、 传统修正板对膜厚分布的影响

传统修正板位于蒸发源正上方。按照这样的结构,依照传统投影法,小编可以很方便的算出修正板的形状。如下图所示,给出了蒸发源距离依次为230mm400mm500mm下的修正板形状。可以发现蒸发源距离中心越远,修正板越平缓。实践中可以发现,修正板越陡峭,内外圈处的重复性越差。这意味着,蒸发源距离中心越远,内外圈处的修正板越容易修剪,均匀性和重复性也越好。这个结论从理论上也可以证明。

同时,理论和实践表明,当修正板过渡角度大于45°,可以认为几乎不可能修剪出修正板;当修正板过渡角度小于30°,可以认为比较容易修剪出修正板。

图片5.png 

 

四、 伞曲率对膜厚分布的影响

对于大部分机器,内部结构已经固定,想进一步提升设备天生的均匀性,可以考虑更换曲率半径更匹配的伞。如下图所示,小编依次计算了曲率半径从800mm1600mm的伞,所对应的膜厚分布。左图为坩埚间距为260mm的情况,右图为坩埚间距为400mm的情况。可以发现,对于当前设备结构,无论蒸发源位置如何,适当减小伞的曲率半径,都可以得到更好的均匀性。如果伞曲率半径减小了,也意味着修正板形状也会变得更平缓。

图片6.png图片7.png  

 

五、 蒸发工艺对膜厚分布的影响

参考公式(1)可以发现,蒸发工艺主要影响的是参数n。对于确定结构的设备,调整n,也可以获得更好的厚度分布均匀性。

对于很多机器,减小蒸发特性n可能得到更好的均匀性及光谱。下图为实例,左图为正常工艺做的均匀性及光谱。右图为修正板不变,仅调整工艺后做的均匀性及光谱,调整后的效果明显更好。

图片8.png图片9.png 

 

小结:

本期内容对镀膜机结构和膜厚分布的关系,进行了理论阐述。针对特定的结构参数,对膜厚分布均匀性进行举例分析。需要特别注意的是,文中所举案例,都是在特定结构的环境下,计算得到的,不能直接推广到任意其它机器上。针对具体镀膜机,需要具体结构具体计算分析。

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