薄膜生长与原子尺度的计算机模拟

总结了近年来多篇文献报道的新现象,在传统公认的薄膜生长过程与模式基础上,进行了补充和完善.介绍了计算机模拟薄膜生长的多种模型与方法及其应用特点,包括了分子动力学模型、蒙特卡洛模型、动力学蒙特卡洛模型以及具有发展潜力的量子力学模型.简介了当前国内外计算机模拟薄膜生长的研究现状.     

利用Monte Carlo算法对薄膜生长过程的计算机模拟

用Monte Carlo方法以Cu为例对薄膜生长过程进行计算机模拟．不仅对原子的吸附、迁移及脱附3种过程采用更为合理的模型，还考虑这些过程发生时对近邻原子的连带效应．在合理选择原子间相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临界温度．随着衬底温度的升高．表面粗糙度减小，膜的相对密度增大．当达到临界温度时，粗糙度随衬底温度的升高开始增大，而相对密度趋于饱和．临界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，相对密度均逐渐减小。     

汽相沉积薄膜过程的计算机模拟

利用计算机模拟给出汽相沉积薄膜的过程，计算出不同模型下的薄膜微观结构，并对薄膜微观结构特征进行了讨论     

薄膜生长与原子尺度的计算机模拟

总结了近年来多篇文献报道的新现象，在传统分认的薄膜生长过程与模工基础上，进行了补充和完善。介绍了计算机模拟薄膜生长的多种模型与方法及其应用特点，包括了分子动力学模型、蒙特卡洛模型、动力学蒙特卡洛模型以及具有发展潜力的量子力学模型。简介了当前国内外计算机模拟薄膜生和的研究现状。     

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.     

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.     

不同工况下薄膜生长结构的计算机模拟

用蒙特卡罗方法，在计算机上模拟了不同工况下薄膜的生长结构，证明了阴影效应和沉积原子的有限迁移是导致柱状结构的原因．采用离子束辅助沉积工艺，可提高膜层聚集密度，消除柱状结构     

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．     

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。     

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.     

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.     

大面积金刚石膜生长环境气氛的计算机模拟

建立了直流电弧等离子体喷射ＣＶＤ大面积金刚石沉积数学模型．对衬底上方等离子 体中的化学环境进行了模拟计算,并与在相同条件下对等离子体的光谱结果进行对比,发现计 算结果与实验结果基本上吻合．在模拟条件下ＣＨ基团可能是促使金刚石生长的主要活化基 因．模拟结果显示ＣＨ基因沿径向的均匀分布对大面积金刚石膜生长有较大的意义．     

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.     

改进的多孔硅生长模型和计算机模拟

基于多孔硅生长过程中阳极化电流,氢氟酸(HF)含量与多孔硅微结构的关系,提出一个改进的多孔硅生长模型,并进行了计算机模拟.该模型吸收了限制扩散模型的优点,同时考虑了F-与空穴的反应过程因素,利用该模型可以模拟出多孔硅形成过程中大电流条件下的电化学抛光现象.二维(100×100)点阵模拟结果与实验数据具有较好的匹配性,模拟得出的多孔硅的多孔度同实验数据相比较,误差不超过10%.     

晶粒长大机制的计算机模拟

利用平面三角形点阵及Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法，模拟了二维多晶粒的长大规律。对晶粒形貌与其生长动力学的分析表明，晶粒正常长大过程是按Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ机制进行的，淬态时的生长指数模拟值为０．４５。     

界面扩散控制晶粒生长动力学的计算机模拟

建立一个模拟晶粒生长过程的三维计算机模型，利用该模型可以方便地模拟不同条件下的晶粒生长过程，对不同温 度、体积分数和激活能条件下的生长过程进行了模拟运算结果表明：三维晶粒尺寸ｒ随时间ｔ演化的生长过程满足关系ｒ－ｔ＾１／ｎ，ｎ的值约为６，该模型的计算机模拟对纳米相生长动力学等实验具有一定的理论预见的指导意义。     

PECVD多晶硅膜的计算机模拟

在ＬＰＣＶＤ理论模型基础上，通过引进“电子温度”，对ＰＥＣＶＤ多晶硅膜进行了计算机模拟分析。结果表明，频功率和反应室气压是影响ＰＥＣＶＤ淀积速率分布的两个因素，且两者受ｐ＝ｋＷ线性关系的制约，即对于一定的射频功率，总可选择一何适的反应室气压，使淀积速率分布最佳，实验结果与理论分析相吻合。     

物理实验的计算机模拟

本文以“抛体运动和李萨如图形”的计算机模拟为例,说明了计算机模拟物理实验在演示教学中的重要意义。     

热处理工艺过程的计算机模拟

将计算机温度场有限元模拟方法引入热处理工艺设计,预测工件在热处理过程中的温度场变化情况,使热处理工艺的设计由经验型向科学计算型转变,以提高热处理工艺设计的科学性和准确性。