计算机模拟在薄膜外延生长中的应用

计算机模拟是计算机技术的一个重要应用领域,具有高效、快捷、经济等多种特点.以Cu膜为例用Monte Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程,并提出了更加完善的模型.在合理选择原子间相互作用计算方法的基础上,考虑了原子的吸附、在生长表面的迁移及迁移所引起的近邻原子连带效应、从生长表面的脱附等过程.利用自行编写的4个软件模拟计算了薄膜的早期成核情况以及表征薄膜生长表面状况的粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度.结果表明,随着衬底温度的升高或入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐步由众多各自独立的离散型分布向聚集状态过渡形成一些岛核,并且逐步由二维岛核向三维岛核过渡.在一定的原子入射率下,存在3个优化温度,成核率最高时的最大成核温度Tn,薄膜的表面粗糙度最低时的生长转变温度Tr,相对密度趋近于1时的相对密度饱和温度Td.三者均随入射率的对数形式近似线性增大,并且基本重合.这说明在一定入射率下这3个优化温度近似相等.这一现象的原因在于三者的形成机理都是基于原子的热运动.这一结论使探索工艺条件时不仅可以采用计算机模拟的方法,而且可以从早期最大成核条件预计沉积较厚薄膜的最佳生长工艺.同时发现,随着入射率的增大,相对密度不断减小.可是在不同温度区域入射率对早期成核率和表面粗糙度的影响不同.当温度较低时,随着入射率的增大,最大成核率基本不变,表面粗糙度不断增大;当温度较高时,随着入射率的增大,最大成核率不断增大,但表面粗糙度不断减小.     

Ni在Ni(100)面的薄膜生长的蒙特卡罗模拟

采用晶格动力学蒙特卡罗(KLMC)方法模拟Ni在Ni(100)面的薄膜生长,对原子的沉积、吸附、扩散、成核、生长等微观过程采用了合理的模型,研究基板温度和沉积速率对薄膜的生长形貌和表面粗糙度的影响.模拟结果表明:沉积在基板上的原子逐步由各个离散型变成紧致型的近四方形的岛,并由二维向三维岛转变,最后连接成膜;基板温度越高,沉积速率越低,生成的薄膜越平整,粗糙度越小;沉积速率一定,表面粗糙度随着基板温度的增加而减小,当基板温度达到一定值时粗糙度降为零.     

薄膜生长初期能量参数影响研究

用Monte Carlo模型模拟了亚单层薄膜在四方形基底上的生长过程.研究了在薄膜生长初期岛的形貌与周围原子作用之间的关系,及扩散原子周围不同位置处原子的势能参数对薄膜生长的影响.计算结果表明,扩散过程中,吸附原子受最近邻位置处原子作用的势能变化影响较大,而受次近邻位置处原子作用的势能变化影响较小;降低扩散原子最近邻位置处的能量参数,相当于升高了基底的温度.     

Pt／Pt（111）薄膜生长的计算机模拟研究

以Pt/Pt(111)薄膜生长为例,建立一个包含更为细致的原子扩散过程的模型,采用蒙特卡洛模拟方法研究了不同覆盖率,不同温度下（111）面上外延生长早期阶段的原子聚集行为,得到了一系列分形状薄膜的形貌。计算表明,用来描述枝状晶体枝杆平均宽度的原子的平均最近邻配位数随温度的升高而增加,与扫描隧道电镜实验测量的结果一致。同时,还研究了原子沉积过程中沉积速率的大小对薄膜生长的影响。     

基于分子源SrTiO_3薄膜同质外延生长的Monte Carlo模拟Ⅰ:生长机制、模型与算法

提出了一种在极低的生长速率下(例如分子外延技术),以SrTi O3为代表的ABO3型氧化物薄膜的生长机理,并针对这一生长机制,给出了基于Monte Carlo方法的三维模型和模拟算法.模拟基于Solid on Solid模型,并采用周期性的边界条件;模拟中通过库仑作用势引入了基底对沉积分子的影响;Monte Carlo事件由沉积事件、扩散事件、吸附成核事件组成;分子扩散能力与扩散激活能相关.     

薄膜生长初期的蒙特卡罗模型

构造了薄膜生长的蒙特卡罗模型,并应用该模型研究了薄膜生长初期岛的形貌.模型中考虑了主要的3个动力学过程:原子沉积、原子扩散及原子脱附,并且认为这3个过程既相互独立又相互影响,即在同一计算步长中,3个过程依据各自速率所构造的概率发生,同时扩散及脱附速率是随着沉积过程的进行而变化的.结果表明,当基底温度较低或者沉积速率较快时形成分形岛;而当基底温度较高或者沉积速率较慢时形成紧致岛.这一结论也得到了实验的验证.     

羰基钼化学气相沉积成膜机制及相关因素研究

利用金属有机气相沉积 (MOCVD)方法 ,在经过预沉积和表面研磨处理的Al2 O3 陶瓷基片上制备多晶钼膜 .通过该薄膜的表面形态及其结构的观察分析 ,讨论了该薄膜的形成机制 .结果表明 ,基片的表面形态是影响薄膜生长成核机理的重要因素 ,基底表面的状态设计是提高成核密度 ,获取优质薄膜的有效方法     

对向靶溅射法成核机理的研究

本文研究了对向靶溅射薄膜的成核机理。给出了在薄膜的生长初期基板上的岛密度随生长条件(如沉积时间、基板温度)的变化。提出了溅射成膜的成核和生长动力学的简单模型,并用此模型对实验结果进行了处理。     

薄膜生长过程的Monte Carlo模拟

用Monte Carlo方法以Cu为例对薄膜生长过程进行了计算机模拟. 不仅对原子的吸附、迁移及脱附三种过程采用了更为合理的模型, 还考虑了这些过程发生时对近邻原子的连带效应. 在合理选择原子间互作用势计算方法的基础上, 改进了原子迁移激活能的计算方法. 计算了表征薄膜生长表面形貌的表面粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度. 结果表明, 在一定的原子入射率下, 表面粗糙度和相对密度的变化存在一个生长最佳温度. 随着衬底温度的升高, 表面粗糙度减小, 膜的相对密度增大. 当达到生长最佳温度时, 粗糙度最小, 而相对密度趋于饱和. 粗糙度随衬底温度的进一步升高开始增大. 生长最佳温度随原子入射率的增大而增大, 不同温度下原子入射率对粗糙度的影响不同, 在较低温度时粗糙度随入射率的增加而增加, 在较高温度时粗糙度随入射率增大而减小. 同时发现, 随入射率的增大或薄膜厚度的增加, 相对密度逐渐减小.     

Ag雕塑薄膜生长的阴影效应研究

通过引入阴影效应、层内扩散和层间扩散势能,建立了倾斜沉积条件下金属雕塑薄膜生长的三维动力学蒙特卡罗模型。利用该模型模拟了Ag在倾斜沉积实验条件下的生长过程。模拟结果表明,由于阴影效应的加强,薄膜表面随着沉积角的增加明显变得粗糙并长成纳米柱结构。通过改变不同的沉积角,研究了薄膜表面形貌的变化,并统计分析了表明粗糙度随薄膜高度的变化关系,论证了雕塑薄膜生长过程中阴影效应与扩散效应的影响机制。     

In极性面InN的生长动力学行为

采用第一性原理模拟计算方法,从原子层面出发,了解InN的生长动力学行为.通过计算N和In原子于不同覆盖度下In极性表面的top、h3以及t4位置上的形成能和扩散势垒,了解沉积原子的相互作用和成核.结果表明,In原子比N原子更容易在干净的In极性表面吸附、粘接,并通过扩散找到稳定位置,形成一个较致密的双In原子层.模拟计算了N和In原子在双In原子层和三In原子层表面的扩散,结果显示,在稳定的双In原子层上,N原子将通过垂直扩散穿过顶部In原子层,并在两In原子层表面之间横向扩散,形成纤锌矿结构的InN材料;然而,In原子虽然可形成三In原子层或In滴,其上沉积的N原子也仅能垂直扩散穿过顶部In原子层,长成新的InN分子层,与InN基底间存在双In原子层或更厚的In薄膜,形成不完整的纤锌矿结构InN薄膜.在此基础上,我们提出一新的InN外延两步生长法,以在生长过程中尽量保持表面只存在双In原子层结构,为高质量InN薄膜的外延提供理论依据.     

关于RLA模型微观的计算机模拟

以扩散理论为基础,建立以"基本微观过程"为核心的新模型.引入交换比的概念,对存在表面活化剂时薄膜生长的微观过程用Kinetic Monte Carlo方法进行计算机模拟.模拟发现,活化层原子和沉积原子都会发生跨层间的扩散.跨层扩散主要是单个原子的扩散,层问扩散的原子数目随着温度的升高或沉积厚度的增加而增多.RLA模型中的"交换作用"只是若干个"基本微观过程"的组合,大多数交换不是位置的"完全交换",交换比也并非恒为1.     

基于金属诱导结晶生长多晶Ge薄膜的成核机理与动力学特征

研究低温下利用金属Al对非晶Ge薄膜进行层交换结晶生长多晶Ge薄膜的动力学过程。实验观察到Ge原子从非晶Ge层穿过中间很薄的GeO_x界面层后,大量地迁移到金属Al层的表面,并对多晶Ge薄膜中Ge成核区域的面密度进行了测量,对GeO_x界面层进行偏置电压处理以控制Ge成核区域的面密度。根据实验观察的各种结果并运用JMAK的相迁移理论解释了Ge成核区域的二维生长过程以及成核机理。应用Ge成核区域的动力学方程得到Ge岛的成核率随时间呈指数衰减的变化趋势。随着生长时间的增加,Ge成核区域从恒定生长速率的线性生长方式转变为表面扩散限制生长方式。这两种生长机制的转折点取决于Ge岛成核的位置密度和退火温度。掌握低温下层交换结晶的生长动力学理论对生长大颗粒的多晶Ge薄膜是非常重要的。     

薄膜外延生长及其岛核形成的计算机模拟

以Cu膜为例, 用Monte Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程. 找到了生长过程中的三个优化温度, 并研究了它们的渐近一致性, 同时对各种温度区间内表面粗糙度、相对密度随入射率的变化规律进行深入的探讨. 模拟中考虑了一些新的效应, 如原子迁移过程中势能的变化, 以及原子扩散引起的连带效应, 从而使模拟更加合理. 模型中采用了冻结周围原子近似和周期性边界条件处理.     

溅射沉积温度对薄膜生长影响的计算机模拟

利用Monte Carlo方法对薄膜生长过程进行计算机模拟.模型针对粒子的沉积、吸附及粒子的扩散等过程,研究了粒子允许行走的最大步数对薄膜生长形貌的影响.结果表明:随温度升高,粒子行走步数增加,薄膜的生长经历了从分散到分形团聚的过程;在粒子行走步数越小的情况下,薄膜越易趋向于分散生长.     

沉积能量对ABO_3型薄膜生长的影响

报道在Monte Carlo方法模拟多元氧化物薄膜生长的三维模型及模拟算法的基础上,模拟同质ABO3型薄膜外延的生长.引入粒子的沉积能量范围在0～2eV(假设沉积粒子所带能量较低,为了避免沉积粒子与基底表面作用产生再次碰撞,使能量损失,使模拟的误差过大).模拟模型采用周期型边界条件,只考虑沉积过程和扩散过程.引入了沉积能量参数,研究了薄膜生长初期岛的形貌,数量和尺寸的变化;以及对薄膜的生长模式和形貌变化的影响.模拟的结果表明在0.2ML(ML表示单层monolayer)覆盖度,0.05ML/S沉积速率,800K沉积温度下,随着粒子沉积能量的加大,在薄膜初期岛的形成中,岛的数量减少,尺寸加大.在0.6ML覆盖度,0.01ML/S沉积速率,800K沉积温度下,薄膜的生长模式更趋向于层状生长.     

薄膜初期成核的KMC模拟

用Monte Carlo法和分子动力学原理,对薄膜生长初期岛形状进行了计算机模拟。本文提出以扩散理论为基础、把扩散限制(DLA)理论和反应限制(RLA)理论相结合,形成新扩展的DLA模型,用新模型分别研究无活性剂系统和活性剂系统中成核条件对薄膜生长初期岛形貌、分布的影响。模拟结果表明,当降低生长温度或升高沉积速率时,在"干净"系统中岛形状发生从紧致到分形的转变;在活性剂系统中,随着衬底温度的升高或原子入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐渐由离散分布向高聚集分布过度。     

Fe团簇在Fe（110）表面上扩散和结构稳定性的分子动力学研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法研究了Fe的小团簇（小于10个原子）在Fe（110）表面上的结构稳定性和扩散特性.计算结果表明体心立方结构的Fe表面,四原子和七原子团簇有较高的转变能和扩散势垒,说明这两种团簇比其他原子团簇更稳定和容易观测到.这两种团簇可能是薄膜生长过程中的临界晶核.研究了三聚体的旋转扩散和团簇扩散过程中二聚体剪切机制,发现二聚体扩散可能是Fe的小团簇在Fe（110）表面扩散的一种重要扩散方式.     

薄膜沉积过程的分子动力学模拟

应用嵌入原子势作为势函数，对薄膜沉积过程进行分子动力学模拟，来模拟不同工艺条件下的成膜过程、薄膜质量及各参数变化对成膜的影响．结果表明，衬底温度越高，则原子在薄膜表面的扩散能力越强，薄膜内部的空位密度越小．但衬底温度对薄膜质量的影响只在一定范围内比较明显；原子自身携带的能量越高，则其扩散能力也越强，特别是在衬底温度较低时，这项影响越大；随着原子入射角的增大，薄膜表面的纤维状生长及阴影响应越明显，薄膜的质量则明显下降．     

激光溅射沉积制备的氮化镓表面形貌分析

利用激光溅射沉积工艺室温下在n型Si（111）基片上沉积氮化镓（GaN）薄膜，并用原子力显微镜对其表面形貌进行测量，分析了薄膜生长的动力学过程，发现其表面具有自仿射分形特征．通过对高度-高度相关函数的分析，得出在此工艺条件下GaN薄膜生长界面表现出明显的时间和空间标度特性，并且表现出较为明显的颗粒特征，粗糙度指数α随着生长时间的增加逐渐增大，生长指数β在0．42左右，薄膜生长在短时间内可以用Kuramoto-Sivashinsky模型来描述，当生长时间较长时，可以用Mullins扩散模型来描述。