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.     

薄膜生成过程的计算机模拟研究

根据多种制膜方法的共同点建立模型，用微机模拟源物质粒子在靶衬底上沉积成膜的全过程，研究了影响薄膜质量的工艺条件，如沉积速率、衬底温度等因素在微观成膜过程中所表现出来的物理细节及其规律。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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     

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%.     

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.     

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．     

GaInP薄膜的金属有机化学气相沉积生长动力学多尺度模拟

Ⅲ-V族化合物GaInP是一种高效发光材料.金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD）技术能均匀生长多结、多层和大面积的薄膜材料,是一种非常有效的方法.通过分别运用计算流体力学、动力学蒙特卡罗方法与虚拟现实技术相结合,提出了一个研究垂直MOCVD反应器的GaInP薄膜生长过程的流体动力学、热力学和分子动力学多尺度模拟方法.可视化结果不仅准确和直观的显示了MOCVD反应器里的气体热流场分布情况,而且展示了MOCVD反应器中的GaInP薄膜生长过程.因此,该模拟为我们优化GaInP的MOCVD生长提供了一个重要指导.     

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.     

薄膜外延生长中表面原子过程的动力学研究

从理论上研究了薄膜生长过程中原子在表面上的各种动力学表现，对原子扩散、原子团扩散、多层膜生长等过程的动力学行为进行了详细的分析，进一步探讨了薄膜生长的微观机制．     

载能粒子沉积薄膜生长的微观机制研究

采用嵌入原子间相互作用势,利用分子动力学方法模拟了载能原子沉积Ａｕ／Ａｕ（１００）薄膜的生长过程,通过对薄膜生长的表面覆盖度曲线和Ｂｒａｇｇ衍射强度等随沉积原子能量变化的研究,发现随着沉积原子能量的增加,薄膜的生长模式从Ｓｔｒａｎｓｋｉ－Ｋｒａｓｔａｎｏｖ生长（Ｓ－Ｋ生长）转变为Ｆｒａｎｋｖａｎ ｄｅｒ Ｍｅｒｗｅ生长（Ｆ－Ｍ生长）。同时,通过对沉积原子能量、基体温度随是演化分析,探讨了载能原子在     

纳米级薄膜润滑量子化模拟的研究

以量子力学原理为基础，建立了考虑润滑介质粒子的波动性的模拟模型，并利用量子力学粒子系统的Hartree自洽场独立粒子模型对模拟模型进行了数值计算，求得了基态下的模拟模型的波函数，量子力学模拟结果与Newton力学的分子动力学模拟结果进行了比较，获得到了一些纳米级薄膜润滑的量子化信息。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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