入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟.doc

天津大学2008级电子科学与技术专业课程设计报告入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟 电子科学与技术专业 指导老师：胡明教授【摘要】：有很多的因素影响铝膜的形成。在本文中，我们从原子方面，利用分子动力学计算并模拟了沉积在带沟槽的硅衬底的铝膜的形貌。我们把重点放在入射粒子的能量上。结果，我们发现了很多有用的东西。【关键词】：分子动力学、沉积、沟槽【ABSTRACT】：There are many factors which influence the forming of aluminum films.In this paper , we calculate and simulate the profiles of deposited aluminum films on grooved substrates on a atom scale using a molecular dynamics method. We put emphasis on the energy of sputtered atoms .As a result,we find a lot of useful things.【KEY WORDS】：molecular dynamics; deposition; groove1、 引言铝膜的淀积主要有两种方法，真空蒸发法和溅射法。其中溅射法由于较高的入射粒子能量而应用越来越广泛。在溅射过程中有很多参数，如衬底温度，入射能量和角度，沉积速率等等会对沉积薄膜的效果都有很大影响，所以要小心控制各变量，研究个因素的影响。二、相关理论（机理） 我们下面对本次实验中所用到的薄膜形成过程及分子动力学法做一简单的介绍：1. 薄膜形成过程 1.1 薄膜的形成一般有三种形式：（1）岛状形式（VolmerWeber形式）；（2）单层成长形式（FrankVander Merwe式）；（3）层岛结合形式（StranskiKrastanov形式）。大多数薄膜的形成与成长都属于第一种形式，即岛状形式。薄膜以岛状形式生长时一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。（参考“薄膜物理与技术” ）1.2 凝结过程凝结过程是薄膜形成的第一阶段:包括入射粒子在基体表面的吸附过程、表面扩散过程和凝结过程。以真空蒸发薄膜为例，当从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上时，一部分气相原子因能量较大而弹性反射回去，与基体不发生能量交换；一部分气相原子被吸附在基体表面上但仍具有较大的解吸能而再次蒸发出去（二次蒸发）；还有一部分气相原子则与基体表面进行能量交换被吸附。被吸附在基体表面的原子，失去了在表面法线方向的动能，只具有水平方向运动的动能，在基体表面上作不同方向的表面扩散运动，相互碰撞结合成原子对或小原子团后才能产生凝结。或者可以说凝结过程是指吸附原子在基体表面上形成原子对及其以后的过程。吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件。1.3 核形成与生长过程当凝结形成的小原子团中的原子数超过某一个临界值时，进一步与其它吸附原子碰撞结合，就会向着长大方向发展形成稳定原子团。含有临界值原子数的原子团称为临界核，稳定的原子团称为稳定核。稳定核再捕获其它吸附原子或者与入射原子相结合使它进一步长大成为小岛。1.4 岛形成与结合生长过程在稳定核形成后，岛状薄膜形成主要分为四个阶段：岛状阶段、联并阶段、沟道阶段和连续膜阶段。1.5 薄膜形成过程中若干理论(1)溅射原子比蒸发原子的能量高12个数量级在其它成膜条件相同（如基片温度、基片表面吸附的单个原子密度即单位面积上吸附的单原子数、沉积速率等）的情况下，溅射原子在基体表面水平方向上迁移能力强，所形成的薄膜更致密（参考“薄膜物理与技术” 。）(2) 成核速率是岛状形式成膜过程中的重要参数成核速率与临界核密度、每个临界核的捕获范围和所有吸附向临界核运动的总速度有关。其中临界核密度与基体表面单位面积上吸附的单原子数有关。对于溅射镀膜，由于溅射粒子能量大，会在基体表面形成更多的吸附点，在其它成膜条件均相同的情况下，成膜速率更快且更致密。（参考“薄膜物理与技术” 。）3)临界核长大的途径有两个： 一是入射粒子直接与临界核碰撞结合，另一个是吸附原子在基体表面上扩散迁移碰撞结合。 一般说，临界核长大主要依赖于吸附原子的表面扩散迁移碰撞结合。（参考“薄膜物理与技术” 。）2. 分子动力学（Molecular Dynamics）法分子动力学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的。假定绝热近似严格成立时，原子的运动有特定的轨道，其量子效应可以忽略。经典的MD模型根据单个原子与周围原子受到的作用力，计算每个原子的牛顿力学运动轨迹，从而计算原子运动的位置与坐标，又称为计算机模拟经典轨线法。用，分别表示体系中N个粒子的坐标、速度，对于第i个原子的坐标、速度为，所受的作用力为；为原子作用势能（对于原子作用势能一般采用LennardJones potential：，在运用时一般认为当原子之间的距离大于一定值时，其相互作用势能为0，则LennardJones potential表达式可改写为：。那么，其在t时刻的速度与位移（坐标）就可表示为：，对于和的数值积分，常用的方法采用Verlet算法。问题的关键在于原子与原子之间的作用势函数与参数的确定以及算法实现。由于要处理大量动态的原子计算，对计算机与算法的性能要求较高。目前许多MD模型还是基于经验与半经验作用势，用于模拟小范围（150nm）原子团簇的生长。3、 模型模型是采用分子动力学方法描述的铝膜在带沟槽的硅衬底上的二维生长。1. 衬底描述： 本次实验采用的带有沟槽的基体。所用的基底是带有沟槽的衬底，左右平台处各为 39个和 40个原子尺寸长，沟槽深度（侧墙）和宽度（底部）各为 7个和21 个原子尺寸长度。预先淀积 1层均匀密排的铝原子，它们保持恒定均匀的温度，在以后的沉积过程中，它们的位置固定不变。由于溅射原子能量较大，当沉积到基底上时，会失去竖直方向上的动能，将垂直动能传给基板，从而引起基板温度略有上升本模型中忽略此影响。（如下图）图02. 入射粒子描述： 本实验为了简化模型，只考虑垂直入射的情况。3. 周期性边界条件：由于采用的衬底规模有限，必须采用周期性边界条件。即原子左出右进，右出左进，使衬底近似符合实际情况。在竖直方向上，上方无边界。下方有衬底限制。4、 模拟过程首先随机产生一些随机点作为入射粒子，本模型采用逐个产生然后投射，然后产生再投射的过程。粒子竖直入射后入射到表面，如果直接碰到缺陷，则粒子在缺陷上方停住。如果没有碰到缺陷，则考虑左右移动，如果左右有基体粒子或已镀的粒子，则入射粒子停止移动，如果没有，则粒子左右移动，左右移动的概率均为0.5.同时考虑左右移动时，如果移动一次下面没有粒子，则入射粒子会一直往下掉，直到碰到粒子为止，接下来分析过程同上。当遇到左右边界时，我们假定粒子左进右出，右进左出。入射粒子停止的条件为正下方有缺陷，左右有粒子或运动的能量耗尽为止。我们通过设定不同的步长来表示入射粒子的不同能量。5、 实验结果及分析我们通过设定不同的步长，得到如下结果：步长=1图1步长=5图2步长=30图3六、结论1.竖直入射时，入射原子的能量较低时，容易出现尖楔状生长，产生较多的间隙，生长质量不高，随着能量的提高，薄膜越来越致密，空洞越来越少。当能量很高时，原子有足够的能量进入下一层的空隙，填充能力变得很强，这时对于沟槽的填充效果达到最好，间歇最小。2.在一定范围内，随着入射粒子能量的增加，膜表面越来越光滑平整。（原程序请看附件）参考文献1 施大新。流化床CVD淀积过程中铝膜微结构及表面形貌的研究刘书琴。中国科学院化工冶金研究所。2 陈海力, 沈鸿烈, 张磊等。铝膜沉积温度对铝诱导多晶硅薄膜性能的影响，2011.1. 3 杨邦朝，王文生。薄膜物理与技术。电子科技大学出版社，2006,144165课程设计课程体会及总结 经过小组成员的共同努力，终于成功完成了入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟实验。刚刚开始接触这个题目时我们感到相当没有头绪，一点思路都没有，薄膜的知识学了很长时间了，基本上忘得差不多了，matlab也只是学的最基本的知识。然而当我们真正沉下心来仔细考虑的时候，我们发现问题并没有我们想象的那么难，我们从学长那里了解了实验的基本思想及思路。然后，我们进行了分工，我们组个人感觉，本实验最难的部分还是matlab编程，这一块经过我们组三人的努力，终于大功告成。同时，在整个实验过程中，我们学会了怎样查找资料，利用参考资料建立自己的模型，加强了对编程语言的熟悉和运用，更重要的是，真正理解和掌握了薄膜生长的相关知识。整个课程设计把所学知识和动手能力结合起来，使大家得到真正的锻炼。同时，我们组学会了协作的重要性，体验到了自己做出成果的乐趣。总的来说，这次课程设计使我们学到了很多有用的东西。最后，在此感谢胡明老师给我们提供了一次锻炼的机会。同时，几位学长对我们实验给予了很大的帮助，给了我们很多有用的建议，在此一并表示感谢。附程序 a=zeros(100,100);a(93:100,:)=3;a(:,40:60)=0;a(100,:)=3;for i=1:39if rand(1,1)0.2a(93,i)=2;end endfor i=40:60if rand(1,1)0.2a(100,i)=2;endendfor i=61:100if rand(1,1)0.2a(93,i)=2;endendn=1;while n1000 j=ceil(rand(1,1)*100);%生成列的随机数% m=a(1,j);%k为a(1,j)的值% k=1; while m=0%找到下落的最终点% m=a(k,j); k=k+1; end if m=2%撞到势阱则停下% k=k-2; a(k,j)=1; continue; else%如果撞的不是势阱% k=k-2; num=5;%num是步数%i=0;while inum ran=rand(1,1);if ran0.5% 向左走% if j=1%考虑左边界条件情况% if a(k,100)=0%考虑最10处没有粒子% j=100; elseif a(k,100)=1;%10处有球% break; end else if a(k,j-1)=0%左边没球% j=j-1; elseif a(k,j-1)=1 break; end end else%向右走% if j=100%考虑右边界的情况% if a(k,1)=0%1处没球% j=1; elseif a(k,1)=1%1处有球% break; end else if a(k,j+1)=0%右边没球% j=j+1; elseif a(k,j+1)=1 break; end endendif a(k+