磁控溅射薄膜生长的计算机模拟研究

摘要

磁控溅射自20世纪70年代诞生以来,因较高的沉积率和成膜质量而成为薄膜制备的重要手段之一,被广泛应用于集成电路制造、特殊功能材料涂层及材料改性等诸多领域。由于当前溅射成膜工艺的控制在很大程度上仍然依赖于实验经验,因此,模拟研究磁控溅射生长过程,对辅助溅射成膜工艺的实际操作有着重要的意义。
　　 随着计算机技术的迅猛发展,计算物理方法与传统的理论研究和实验研究的结合日趋紧密。许多国内外研究者成功运用计算机模拟方法探讨薄膜的生长机理,并提出多种模拟手段来重现与薄膜生长相关的物理过程。然而,磁控溅射中各部分物理过程在空间和时间尺度上跨度较大,这样多尺度问题的计算机模拟并不容易,因此对磁控溅射薄膜沉积全过程模拟的研究报道并不多见。
　　 本论文建立了一个多尺度模型,对磁控溅射薄膜生长的全过程进行了计算机模拟。先后利用蒙特卡洛法(MC)、分子动力学方法(MD)、元胞粒子法(PIC)、嵌入原子法(EAM)和带电云法(CIC)模拟了溅射原子的产生、传输和沉积过程。本论文研究了基板温度、溅射速率、磁场分布、磁场强度、阴极靶负偏压、真空室内压强以及靶材.基板间距对成膜的影响。
　　 模拟结果显示,阴极靶负偏压对系统到达准稳态的时间以及离子与电子的能量有明显的影响。当负偏压从300V增加到700V时,系统到达准稳态所需要的时间减小了一个数量级,与此同时,离子与电子的平均能量翻了一倍。当磁场分布为“flat”型时,靶的粒子流密度曲线以及靶的刻蚀曲线的峰值展宽最宽,并且此时的刻蚀曲线最浅,即靶材利用率最高。而真空室内背景气体压强的增大以及靶材-基板间距的增大都会提高溅射原子与背景气体的碰撞次数。此外,随着基板温度的提高以及溅射速率的降低,薄膜生长初期时的相对密度会有所增加,而薄膜成膜后的薄膜形貌则会随着靶材.基板间距的提高而变得平坦。