入射粒子角度对薄膜生长形貌结构影响的二维平面模拟

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1、天津大学2009级电子科学与技术专业课程设计报告入射粒子角度对薄膜生长形貌结构影响的二维平面模拟【摘要】：本文主要讨论了影响薄膜生长形貌的主要因素之一——入射粒子的角度，并用蒙特卡罗法建立了相关模型，模拟了在不同入射角度下的薄膜生长情况，从而总结出了入射粒子角度对薄膜生长形貌结构影响。【关键词】：入射粒子角度、蒙特卡罗法、扩散几率【ABSTRACT】：Thisthesismainlydiscussestheangleoftheincidentparticle—oneoftheprincipalfactors

2、whichinfluencethefilmgrowthmorphology.WeestablishedthemodelbyMonteCarlomethodandsimulatedthefilmgrowthmorphologyatdifferentincidentangles.Finally,wesummarizedtheinfluences【KEYWORDS】：Theangleoftheincidentparticle,MonteCarlomethod,Diffusionchance一、引言影响薄膜生长的主

3、要因素有：入射粒子的能量、基底表面的生长点数目、基底上已生长成的稳定核的尺寸大小和形状、入射粒子的角度等。这些因素对薄膜生长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（Volmer－Weber形式）；（2）单层成长形式（Frank－VanderMerwe式）；（3）层岛结合形式（Stranski－Krastanov形式）。其中，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、

4、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。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

5、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。11天津大学2009级电子科学与技术专业课程设计报告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

6、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1~2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。(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

7、，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：一个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。2.蒙特卡罗法2.1基本思想当所求解问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作

8、为问题的解。2.2工作过程蒙特卡罗方法的解题过程可以归结为三个主要步骤：构造或描述概率过程；实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。　　（1）构造或描述概率过程　　对于本身就具有随机性质的问题，如粒子输运问题，主要是正确描述和模拟这个概率过程，对于本来不是随机性质的确定性问题，比如计算定积分，就必须事先构造一个人为的概率过程，它的某些参量正好是所要求问题的解。即要将不具有随机性质的问题转化为随机性质的问题。　　1