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.     

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.     

金属有机化学气相沉积薄膜制备中传热传质的数值模拟

建立水平式GaAs的金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)数学模型, 采用求解压力耦合方程的半隐式(SIMPLE)算法对反应气体流动进行二维数值模拟, 并基于边界层动量、热量与扩散传质的相关理论分析了薄膜制备过程中化学组分的输运, 以及反应前驱物与气相之间的传热过程. 计算所得的GaAs生长速率与实验结果吻合较好. 同时, 数值讨论了反应器进气流量、操作压力以及基底温度对GaAs生长速率的影响. 薄膜生长的速率峰值随入口气体速度的升高而有所增大, 但薄膜生长逐渐趋于不均匀性. 因此, 选取气流速度为0.104 m/s. 薄膜生长速率随着操作压力的增大而增大, 当压力为6 kPa时, GaAs生长速率较压力为2 kPa时提高了223%, 薄膜具有较好的生长速率和均匀性.基底温度对薄膜生长速率影响显著, 在1 050 K时薄膜有良好的生长速率和均匀性, GaAs生长速率比温度为950 K时提高了123%. 研究结果为优化MOCVD反应条件及其反应器的结构设计提供了理论依据.     

沉积温度对GaAs薄膜微观结构的影响

为探讨沉积温度对GaAs薄膜外延生长过程中微观结构的影响,运用分子动力学方法模拟不同沉积温度时的GaAs薄膜外延生长过程.结果表明:在温度低于800 K时,沉积薄膜的晶格完整度和临界外延生长厚度随沉积温度的升高而增加;当沉积温度在800～1500 K时,晶格完整度随沉积温度的升高变化较为平缓,但此时薄膜中仍含有一定的点缺陷.随着温度的升高,点缺陷逐渐减少.As2的吸附率对温度的变化较为敏感,当沉积温度高于800 K时,As2开始脱吸,致使沉积薄膜中As原子比例随沉积温度的升高而降低.在整个沉积过程中,Ga的吸附率较为稳定,在温度低于1000K时,其吸附率几乎为100%;在1000 K时,Ga逐渐发生少量脱吸;在温度高于1400 K时,Ga才发生明显脱吸.     

直流磁控反应溅射制备Al2O3薄膜的工艺研究

应用直流磁控反应溅射技术在不锈钢基体上制备Al2O3薄膜,研究了溅射气压、氧气流量和基体温度对Al2O3薄膜的沉积速率和膜基结合力的影响规律。结果表明,随着压力的增大,沉积速率和膜基结合力先增大后减小,在压力为1.0 Pa时最大;随着氧气流量的增加,沉积速率和膜基结合力也随之不断减小;随着温度的升高,沉积速率和膜基结合力略有下降。利用扫描电子显微镜观察了薄膜与基体界面及薄膜的表面微观形貌,薄膜与基体的结合性好,薄膜表面晶粒大小均匀,组织致密。     

Cu薄膜应力的计算机模拟与表征

用Monte Carlo法以Cu为例对薄膜生长过程中薄膜应力进行计算机模拟。将分子动力学法引入到连续体薄膜的生长过程中,通过面上的假想力来实现薄膜应力的计算机模拟.模拟结果表明,在一定原子入射率和基底温度下,在薄膜厚度极其薄的情况下,薄膜应力随薄膜平均厚度的增加而增大,薄膜应力随薄膜表面粗糙度的增大也增大,薄膜应力—厚度随原子沉积个数趋向于线性关系,并且模拟了薄膜应力与薄膜表面粗糙度以及沉积时间的关系曲线。     

Cu薄膜生长初期的计算机模拟

基于Monte Carlo模型, 在理想基底上设置100×100的二维方形格, 利用周期性边界条件建立Cu薄膜初期生长模型, 并模拟粒子的气相沉积过程及迁移步数对薄膜生长的影响规律. 结果表明: 当沉积粒子数逐渐增加时, 基底表面的粒子团簇结构逐渐增大; 在温度不变的条件下, 随着最大迁移步数的增加, 团簇逐渐增大, 团簇数量逐渐减小, 且团簇分布逐渐稀疏; 温度升高使粒子聚集为岛状, 薄膜呈岛状生长.     

基底温度对Ti/TiN薄膜内应力的影响研究

摘要：采用反应直流磁控溅射法,在硅基底上制备了一系列不同结构的Ti/TiN多层薄膜。采用X射线衍射仪（XRD）对薄膜物相进行了分析,研究了溅射沉积过程中基底温度对周期薄膜结构及内应力的影响.结果表明：多层薄膜中的Ti出现（101）面,TiN的（200）面衍射峰强度在基底温度为600℃时为最高。随着衬底温度的升高,薄膜内部的压应力逐渐减小,当基底温度在600℃时,薄膜内应力最小。     

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.     

温度对RTCVD法制备多晶硅薄膜生长的影响

多晶硅薄膜太阳电池是21世纪最具发展潜力的薄膜太阳电池.如何快速、大面积、高质量地沉积多晶硅薄膜一直是多晶硅薄膜太阳电池研究中的一个核心问题.文中以SiHCl3为硅源、B2H6为掺杂气,采用先进的快热化学气相沉积法(RTCVD)制备了大晶粒的多晶硅薄膜.所制备的薄膜厚度为30~40μm,沉积速率达3~7μm/min.文中还分析了沉积温度对多晶硅薄膜生长速率及晶体微观结构的影响.结果表明:当沉积温度在900~1170℃时,平均生长速率随温度近似单调递增,此时薄膜生长由表面反应阶段控制;随着温度的升高,薄膜平均晶粒尺寸也由900℃时的不足3μm增长到1170℃时的超过30μm;温度较低时,薄膜易向[220]方向生长;温度达到1170℃时,多晶硅薄膜有向[111]方向生长的趋势.     

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。     

二氧化硅薄膜比热容分子动力学模拟

针对纳米量级薄膜比热容测定的困难,根据实验值建立了SiO2(100)薄膜物理模型.选取可靠的势能函数描述了分子间的相互作用,采用分子动力学模拟了它的比热容变化规律,在100～600K下给出了厚度在1～5nm的薄膜比热容对温度和厚度的依赖关系.计算结果表明,SiO2薄膜在300K下比热容明显低于相同条件下常规体材料的比热容,且随薄膜厚度的增加而增大;随温度升高,比热容变大,这同体材料是一致的.模拟结果揭示了SiO2薄膜比热容的微尺度效应,与理论分析基本吻合,可为半导体微器件的设计提供资料.     

氢化微晶硅薄膜沉积的气相反应过程模拟

以SiH4和H2为反应气源,建立了等离子体增强化学气相沉积法制备氢化微晶硅(μc-Si:H)薄膜的气相反应模型,模拟了硅烷浓度、等离子体参数(如电子温度Te和电子密度ne)等对气相反应的影响.结果表明:SiH3是μc-Si:H薄膜的主要沉积前驱物;随着硅烷浓度增大,等离子体中SiH3等前驱物的浓度增大,而H原子的浓度快速下降,二者的浓度比(H/SiH3)随之降低;随着Te和ne的增大,H原子的浓度单调升高,SiH3等前驱物的浓度先增大然后趋于饱和,H/SiH3比值增大.     

亚单层铜薄膜生长的动力学蒙特卡罗模拟

建立了亚单层铜薄膜生长的三维模型,用动力学蒙特卡罗方法对亚单层铜薄膜的生长过程进行了模拟,研究了衬底温度和沉积速率对亚单层铜薄膜生长的影响,结果表明,随衬底温度升高和沉积速率降低,岛形状由离散型逐渐转变为紧致型,形成近四方形的岛,岛的平均尺寸急剧增大,岛的数目迅速减少,衬底温度达到一定值之后,岛的数目基本不变.     

Y2O3薄膜热应力分布的有限元模拟

对采用射频磁控溅射法制备的Y2O3红外光学薄膜的热应力进行了分析,随着沉积温度的升高,薄膜内热应力变大;并通过计算机对热应力分布进行了模拟,剪切力随沉积温度升高而变大,且在薄膜边缘处具有极大值。     

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。     

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.     

退火温度对La0.8Bi0.2MnO3(LBMO)薄膜结构及性质的影响

用射频磁控溅射方法在Si[100]衬底上沉积了La0.8Bi0.2MnO3多晶薄膜,再在不同温度下进行退火热处理.使用XRD衍射仪、原子力显微镜(AFM)分别对薄膜微结构进行了表征,结果显示薄膜随着退火温度的升高逐渐晶化,晶体结构属于钙钛矿菱形结构;薄膜的表面致密、晶粒大小均匀,850 ℃退火的薄膜晶粒尺寸约40 nm 左右.薄膜的X射线光电子能谱(XPS) 测量表明薄膜中Bi 的价态为Bi3+和Bi5+.经过退火的薄膜在室温300 K、液氮77 K下都存在巨磁电阻效应.850 ℃退火的薄膜,温度为300 K和77 K、磁场为1.5 T条件下,磁电阻分别达到22.50%和26.98%.     

沉积速率对HfO_2薄膜应力和光学特性的影响

利用电子枪蒸镀法制备了HfO2薄膜,控制沉积速率分别为3.3/s、5.5/s和9.6/s.利用ZGYO干涉仪、UV3101-PC分光光度计、D/Max-ⅢA型X射线衍射仪和JSM-6700F冷场发射扫描电镜对样品进行了测试.结果表明:在本实验条件下制备的HfO2薄膜都是非晶态结构.样品的残余应力与本征应力变化趋势相同,都随沉积速率的加快先增后减,沉积速率为3.3/s时应力最小.不同沉积速率下制备样品的折射率都是正常色散,3.3/s沉积的样品色散较小并且有较好的表面平整度.这些结果为制备高性能HfO2薄膜提供参考.     

NdB2Cu3O7-x/YBa2Cu3O7-y高温超导薄膜的稳定性研究

采用脉冲激光沉积方法 ,在钇稳定氧化锆 (YSZ)衬底上制备了YBa2 Cu3 O7-y高温超导薄膜和NdB2 Cu3 O7-x/YBa2 Cu3 O7-y双层高温超导薄膜。X射线衍射分析结果表明 ,NdB2 Cu3 O7-x/YBa2 Cu3 O7-y双层膜在结晶度、表面光滑平整度和稳定性方面优于YBa2 Cu3 O7-y薄膜 ;电阻温度曲线测量结果表明 ,NdB2 Cu3 O7-x/YBa2 Cu3 O7-y双层膜的转变温度为 87.6 6K ,转变宽度为 0 .34K ;YBa2 Cu3 O7-y薄膜的则分别为 86 .6 4K和 0 .95K。与YBa2 Cu3 O7-y薄膜相比 ,NdB2 Cu3 O7-x/YBa2 Cu3 O7-y双层膜稳定性更高 ,在超导电子器件领域更具有应用潜力。