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真空蒸发镀膜厚均匀性分析论文
目录
中文摘要3
英文摘要5
1引言6
1.1真空镀膜的意义6
1.2真空镀膜技术在国内外的发展现状7
1.3薄膜均匀性的重要性8
1.4课题的研究背景9
1.5设计要解决的问题9
2蒸发源结构的设计9
3真空室结构的设计12
4MATLAB部分13
4.1MATLAB语言特点13
4.2数学模型的建立15
4.4研究影响膜厚均匀性的蒸发源孔各因素17
4.4.1膜厚均匀性与一个方向上蒸发源孔数量的关系17
4.4.2蒸发源与基片距离为100mm时均匀度与孔排列的关系。
21
4.4.3蒸发源在X与Y两个方向同时增加孔的数量时对膜厚均匀性的影响。
22
4.4.4蒸发源上孔径变化时对膜厚均匀度的影响25
4.4.5进一步增加孔的数量对膜厚均匀度的影响。
26
4.5总结33
致谢34
参考文献35
真空蒸发镀膜厚均匀性分析
摘要：
本文对真空蒸发镀膜厚均匀性与蒸发源孔的数量，排列，大小的关系进行了分析。
在一个蒸发源上打多个孔，每个孔看做一个点蒸发源，膜厚符合余弦分布。
根据余弦分布的数学模型，通过matlab模拟，研究膜厚均匀性与蒸发源孔数量、蒸发源孔排列、蒸发源与基片间距离、蒸发源与蒸发源孔径大小的关系，寻找一种在保证材料利用率的情况下提高膜厚均匀性的方法。
在20*10mm蒸发源上孔数量由一个到四个时，孔的均匀性随孔数量的增加而提高。
优化孔的排列可以显著提高膜厚均匀性。
在蒸发源与基片距离小于100mm时，增加距离可以显著提高均匀性，但当蒸发源孔数量较多时，存在一个均匀性极值，即在某一距离上均匀性较好，增加距离或减少距离会降低均匀性。
在蒸发源与基片距离大于100mm时，各种蒸发源蒸镀的膜厚均匀性均在3%以内。
在10*20蒸发源板上进行模拟，通过优化3*5蒸发源孔的配置可以在蒸发源基片距离为5mm的情况下把膜厚均匀性控制在20%以内。
通过优化9*9蒸发源孔可以在20mm*10mm的基片上膜厚均匀性可以控制在2%以内。
关键词：
膜厚均匀性；蒸发源孔配置；蒸发源与基片距离；
Abstract：
Inthispaper,thevacuumevaporationcoatingthicknessuniformityandtheevaporationsourceholenumber,arrangement,sizeoftherelationshipareanalyzed.Onanevaporationsourcemultipleholes,eachholeevaporationasapointsource,thefilmthicknessinaccordancewiththecosinedistribution.Accordingtoacosinedistributionmathematicalmodel,throughmatlabsimulation,researchonfilmthicknessuniformityandtheevaporationsourceholenumber,holeevaporationsourcearrangement,thedistancebetweentheevaporationsourceandthesubstrate,therelationshipbetweenevaporationsourceandtheevaporationsourceaperturesize,lookforaguaranteeundertheconditionofmaterialutilizationmethodtoimprovefilmthicknessuniformity.Evaporationsourcein20*10mmholenumberfromonetofour,theuniformityoftheholewiththeincreaseoftheporenumberandimprove.Optimizingthearrangementofholescansignificantlyimprovethefilmthicknessuniformity.Inevaporationsourceandthesubstratedistancelessthan100mm,thedistancecansignificantlyimproveuniformity,butwhentheevaporationsourceholequantityislarge,thereisauniformityofextremevalue,thebetteruniformityinacertaindistance,distanceorreducedistancedecreasesuniformity.Whentheevaporationsourceandthesubstratedistancegreaterthan100mm,allkindsofevaporationsourceofevaporationfilmthicknessuniformitywithin3%.Inthe10*20,tosimulatetheevaporationsourceplatebyoptimizingtheconfigurationof3*5evaporationsourceholecaninevaporationsourcetosubstratedistanceis5mmundertheconditionofthefilmthicknessuniformitycontrolwithin20%.Byoptimizingthe9*9evaporationsourceholecanin20mm*10mmfilmthicknessuniformityofsubstratecanbecontrolledwithin2%.
Keywords：
Filmthicknessuniformity;Theevaporationsourceholeconfiguration;Theevaporationsourceandthesubstratedistance;.
1引言
1.1真空镀膜的意义
真空镀膜技术是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多高新技术发展必不可少的手段。
这一技术目前之所以得到飞速发展是因为它不仅仅是单一的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法，并且吸收了电子束、分子束、离子束、等离子体、射频、磁控等一系列新的技术，从而为科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺，新技术的结果。
用真空镀膜技术代替传统的电镀工艺，不但能节省大量的膜材和降低能耗，而且还会消除湿法镀膜中所产生的环境污染。
因此国外在钢铁零件涂覆防腐层和保护膜方面，已采用真空镀膜工艺来替代电镀工艺，在冶金工业中，为钢板和钢带加镀铝防护层已很普遍。
在机械制造工业中，真空镀膜工艺用于改变某些加工工艺和节约贵重的原材料，再如汽车制造业中采用塑料制品金属化零件代替各种金属零件，即减轻了汽车的重量又节约了燃油的消耗。
在玻璃上镀滤光膜和低辐射膜，可使阳光射入。
而作为室内热源的红外辐射又不能通过玻璃辐射出去，这在高纬度地区也可以达到保温节能的目的。
真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景特别是在制造大规模集成电路的电学膜：
数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜：
在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；在计算机显示用的感光膜；在TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜；在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和装饰膜；在包装领域用防护膜、阻隔膜；在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜；在工、模具上应用的耐磨超硬膜：
在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是在真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。
1.2真空镀膜技术在国内外的发展现状
从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年代开始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80-90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。
但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司的强有力的竞争和挑战，这种竞争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的其它成员国一样，在同等条件下参与整个世界市场的竞争。
但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。
从目前真空镀膜设备的市场发展现状来看，国外许多实力雄厚的真空镀膜设备生产商已在中国成立了许多合资或独资的加工企业，并将一些新的真空镀膜工艺技术和产品移植到这些企业中来。
因此我国真空镀膜设备在今后三～五年内的主要市场除了国内的企业外，外商投资企业也是设备需求新的增长点。
但是在真空镀膜技术和设备上国内和国外还存在很大的差距。
我们国内的镀膜设备研发的创新意识还不够，国内真空镀膜设备的生产厂家，主要考虑的是国内的中、低端市场，常常受用户给出的低价格所迫，以牺牲设备的性能和可靠性来赢得市场，而生产厂家也缺乏对设备研制的能付诸于实施的中长期规划。
这样就使得对新技术、新工艺的应用迫切性降低，而给国外厂家创造了进入中国市场的大好机会。
目前国内的生产厂商以中、小规模居多，规模小，综合实力低。
由于国内的整体配套更新较慢，加工设备较差，加工手段不先进，造成产品的一致性差，，产品质量在许多方面低于国外同类产品的水平。
可是我们国内在真空镀膜技术的发展和应用上也有很多明显的优势。
首先是资源上的优势，我国有近20多个有一定规模的真空镀膜设备的研制和生产厂家，并都拥有一支有一定技术水平和研发能力的技术队伍和销售网络，整个真空行业是有凝聚力的。
从全行业的研制生产规模和从业人数上来看都是具有一定优势的。
其次是市场上的优势，随着中国进入WTO以后，中国将逐步成为世界最大工业产品的加工基地，中国范围内就有巨大的市场发展空间。
还有研制和制造成本上的优势，国内的主要真空镀膜设备生产企业，同国外厂家相比都具备低的人工成本和低的加工设备和工作场地的租金成本（或资产占用费），这也许是国外许多同类企业无法比拟的优势。
所以我们要发展我们的优势，自主创新，及时地响应市场发展的需求变化，积极跟踪国外的先进工艺技术及设备的进展，采用引进部分先进技术和生产模式，同国外著名真空镀膜厂家的合作方式，推行关键部件国际化采购的方式，提高我国真空镀膜设备的质量及整体的技术水平，以真正能适应市场发展的需求。
1.3薄膜均匀性的重要性
随着社会的发展和科学的进步,薄膜技术逐渐成为高科技产品加工过程中的关键工序之一。
薄膜的均匀性和附着力的优劣将直接影响到各种器件的稳定性和可靠性。
由于薄膜的均匀性对产品的一致性以及器件的性能有着很重要的影响在光学薄膜元件的制备过程中，薄膜的膜厚均匀性是一个非常重要的问题。
对于干涉薄膜、介质反射镜、减反射膜等光学元件，膜厚均匀性是一个非常重要的因素，也是制备精密光学元件的关键。
镀膜面积越大，膜厚均匀性就越难控制。
膜厚均匀性不好，膜系特性将会遭到严重的破坏，不仅会导致光学元件不同位置上的光谱曲线发生很大的漂移，影响整个元件的光学特性，还会影响到元件上的光强分布，另外对元件的面形也会造成一定的影响。
而且，膜厚均匀性还关系到镀膜成品率的高低。
因此，近年来膜厚均匀性一直受到广泛的关注。
1.4课题的研究背景
在真空蒸发镀中，为提高膜厚均匀性，常采用的方法有增加蒸发源与基片的距离，或采用旋转基片，但材料利用率下降很多，如采用面蒸发源，可能表面加热不均，膜厚均匀性降低。
亟需一种提高膜厚均匀性又能保证材料利用率的蒸发源装置。
1.5设计要解决的问题
探究膜厚均匀性与蒸发源孔的数量，孔的排列，孔径大小的关系，寻找提高膜厚均匀性的途径，并设计出真空室内部结构图。
2蒸发源结构的设计
，蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。
目前所用的蒸发源主要有电阻加热、电子束加热、感应加热、电弧加热和激光加热等多种形式。
电阻加热式蒸发源：
电阻式蒸发源简单、经济、可靠，可以做成不同的容量、形状并具有不同的电特性。
电子枪加热蒸发源：
有时很多材料不能用电阻加热的形式蒸发，例如常用于可见光和近红外光学器件镀膜的绝缘材料。
在这种情况下，必须采用电子束加热方式。
电子束加热所用的电子枪有多种类型可供选择。
多坩埚电子枪可采用一个源对多种材料进行蒸发，这种枪在镀制多层膜且膜层较薄的工艺中应用效果很好。
当需要每种镀膜材料用量较大，或每个源都需要占用不同的位置时，可以选用单坩埚电子枪。
电子枪所用电源的大小更多地取决于蒸发材料的导热性，而不是其蒸发温度。
电源功率一般在4-10KW之间，对于大多数的绝缘材料，4KW就足够了，而如果想达到很高的沉积速率，或在一个很大的真空室内对导热材料进行蒸发时，则需要10KW以上的更大功率的电源
电子束加热原理：
电子束加热蒸发源是利用热阴极发射电子在电场作用下成为高能量密度的电子束直接轰击至镀料上。
电子束的动能转化为热能，使镀料加热汽化，完成蒸发镀膜。
感应加热式蒸发源：
利用高频电磁场感应加热膜材使其汽化蒸发的装置称为感应加热式蒸发源
感应加热式蒸发源具有如下特点：
1）蒸发速率大。
在卷绕蒸镀膜中，当沉积铝膜厚度为40nm时，卷绕速度可达270m/min,比电阻加热式蒸发源高10倍左右。
2）蒸发源温度均匀稳定，不易产生液滴飞溅现象。
可避免液滴沉积在薄膜上产生针孔缺陷，提高膜层质量。
3）蒸发源一次装料，无需送丝机构，温度控制比较容易，操作简单。
4）对膜材纯度要求略宽此，如一般真空感应加热式蒸发源用99.9%纯度的铝即可，而电阻加热式蒸发源要求铝的纯度为99.39%，因此膜材的生产成本也可降低。
5）坩埚温度较低，坩埚材料对膜导污染较少。
激光加热式蒸发源：
激光束加热蒸发的原理是利用激光源发射的光子束的光能作为加热膜材的热源，使膜材吸热汽化蒸发，激光加热蒸发技术是真空蒸发镀膜工艺中的一项新技术。
电弧加热蒸发源：
电弧加热蒸发源是在高真空下通过两导电材料制成的电极之间产生电弧放电，利用电弧高温使电极材料蒸发。
电阻加热蒸发镀的工艺特点是采用片状或丝状的W、M0、Ta等高熔点金属，做成一定形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，利用大电流通过蒸发源所产生的焦耳热，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材
料放人Al203、Be0等坩埚中进行间接加热蒸发。
如图为各种形状的电阻蒸发源。
电阻加热蒸发结构较简单，成本低，操作简便，应用普遍。
但是要求电阻加热蒸发源材料具有高熔点、低的平衡蒸气压和在蒸发温度下不与膜料发生化学反应或互溶现象。
电阻加热蒸发镀可用来制备Al、Ag、Cd、C0、Ni膜和多种光电膜。
电阻加热蒸发源有点状，线状，面状等形状的蒸发源。
我设计的蒸发源，底部有一个陶瓷加热板加热，四周有钨丝加热丝加热。
顶部有一个蒸发源盖，
图2-1单孔蒸发源结构示意图
蒸发源盖上有多个孔，如图2-1,2-2所示。
蒸镀材料被加热后由蒸发源孔射出，每个蒸发源孔可以看做一个点状蒸发源，整个蒸发孔可看做一个多孔蒸发源。
通过调整每个孔的大小和孔间距可以提高膜厚均匀性。
它的优点如下
结构简单
镀膜均匀性好
材料利用率高
图2-2多孔蒸发源结构示意图
3真空室结构的设计
图3-1真空室设计
为了探究真空蒸发镀膜厚均匀性与蒸发源基片距离的关系，真空室结构需设计为蒸发源与基片距离可调，所以我设计了真空室的内部结构。
真空室内部结构如图所示：
蒸发源与基片间距离可以通过螺纹调节，转动转盘可以使基片与蒸发源之间的距离增大或缩小。
转盘与基片架通过螺纹与同一螺杆连接，基片通过基片夹固定在基片架上。
螺杆用三根支撑架支撑，支撑架焊接在真空室底座上。
蒸发源通过螺钉固定在真空室底座上。
蒸发源加材料料时可以拧开蒸发源盖上的螺钉加入材料。
4MATLAB部分
4.1MATLAB语言特点
一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。
MATLAB最突出的特点就是简洁。
MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。
1）。
语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。
MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。
由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。
可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。
具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。
例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。
在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。
解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。
即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。
解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。
2）运算符丰富。
由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。
3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。
4）程序限制不严格，程序设计自由度大。
例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。
5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
6）MATLAB的图形功能强大。
在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。
MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。
7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。
8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。
MATLAB包含两个部分：
核心部分和各种可选的工具箱。
核心部分中有数百个核心内部函数。
其工具箱又分为两类：
功能性工具箱和学科性工具箱。
功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。
功能性工具箱用于多种学科。
而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。
这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。
9）源程序的开放性。
开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。
除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
4.2数学模型的建立
假设整个蒸发源被均匀地加热，蒸发源内部有充足的蒸发材料，每个孔可以看做一个点蒸发源，蒸镀材料的蒸发符合余弦定律
Ri
其中r是蒸发源孔径的半径。
h是蒸发源和基片之间的距离。
n是蒸发源中气象分子密度。
是蒸发源中分子的平均速度。
s是基片上一点到基片上蒸发孔正上方那一点的距离。
Ri是连续蒸发速率。
另外，蒸镀分子自由程远大于孔径孔径远大于膜厚。
Ri
x，y为基片上一点相对于蒸发源孔正上方基片点的坐标。
即设蒸发源正上方基片对应点为坐标原点，基片上任一点相对于坐标原点的坐标为（x，y）。
多个蒸发源孔，把每个蒸发源孔看做一个点蒸发源，基片上的膜厚为所有点蒸发源在基片上沉积的膜厚的叠加。
在模拟过程中，将
省略，假设加热均匀的情况下，每一点的
数值相同，由于模拟的膜厚为相对值而非绝对值，所以常数可以省略。
4.3模拟说明
为了让读者能够看懂我所做的模拟，我先举一个例子说明。
蒸发源孔板如下
蒸发材料装在蒸发舟中，蒸发源盖上打孔，蒸发材料通过蒸发孔蒸发出来。
如上图所示蒸发源盖上有9个孔，孔直径有1.5,2，2.5三个数值。
Matlab程序如下：
fprintf（'相邻蒸发孔之间的距离w=5------'）
disp'————————输入基片与蒸发源之间距离——————h'
h=input（'h=（mm）'）;
[x,y]=meshgrid（-10:
0.1:
10）;
r11=（（h.*0.75）./（h.^2+x.^2+y.^2））.^2;
r21=（h./（h.^2+（x-5）.^2+y.^2））.^2;
r01=（h./（h.^2+（x+5）.^2+y.^2））.^2;
r02=（（h.*1.25）./（h.^2+（x+5）.^2+（y-5）.^2））.^2;
r12=（h./（h.^2+x.^2+（y-5）.^2））.^2;
r22=（（h.*1.25）./（h.^2+（x-5）.^2+（y-5）.^2））.^2;
r00=（（h.*1.25）./（h.^2+（x+5）.^2+（y+5）.^2））.^2;
r10=（h./（h.^2+x.^2+（y+5）.^2））.^2;
r20=（（h.*1.25）./（h.^2+（x-5）.^2+（y+5）.^2））.^2;
r=r11+r21+r01+r02+r12+r22+r00+r10+r20;
surf（x,y,r）
shadinginterp
如图所示为生成的图形，设基片的几何中心为坐标原点，X,Y坐标为基片上一点的坐标，Z坐标代表膜厚，膜厚值为相对值，即每一点的具体数值没有意义，两点的数值的比值代表两点膜厚的比值。
Z坐标的值可以通过不同颜色光的波长表示，膜厚的地方为波长较长的红色。
膜薄的地方为波长较短的蓝色。
X方向与Y方向每隔0.1mm取一个点的Z值，共200*200即40000个点。
使用shadinginterp命令填充网格平滑过渡即得到所示图形。
4.4研究影响膜厚均匀性的各因素
4.4.1研究膜厚均匀性与一个方向上蒸发源孔数量的关系
双孔时模拟结果比较：
两孔中心距离mm（h=5，r=1.25）
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