入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟

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1、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】：Therearemanyfactorswhichinfluencetheformingofaluminumfilms.Inthispaper,wecalcu

2、lateandsimulatetheprofilesofdepositedaluminumfilmsongroovedsubstratesonaatomscaleusingamoleculardynamicsmethod.Weputemphasisontheenergyofsputteredatoms.Asaresult,wefindalotofusefulthings.【KEYWORDS】：moleculardynamics;deposition;groove一、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

3、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（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）。大多数薄膜的形成与成长都属于第一种形式，

4、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，

5、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。9天津大学2008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

6、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（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

7、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（MolecularDynamics）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

8、，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Lennard－