电子全息与离子致变形貌及磁控溅射成膜机理的计算机模拟研究

摘要

本论文分为三个部分：电子全息及其数值重现，离子溅射致变Si表面纳米形貌的实验与模拟研究，以及磁控溅射成膜机理研究。 一．电子全息 电子全息由于可获得原子级分辨率的物质结构信息，而成为微观结构研究的一种有效手段，也可用于获得微电磁场分布。由场发射枪发出一相干电子束，通过样品的那部分电子束受到调制成为物波，另一部分未受调制的电子束则作为参考波，两束波通过电子棱镜时被偏转，最后在像平面上相干成全息图像。电子全息的重现是电子全息的关键技术，重现的方法很多，包括滤波法，神经网络，遗传算法等。滤波法方便快捷，但是信息有丢失；神经网络需对网络进行抗噪声预训练。本文应用遗传算法，以7×7超级像素为一基本计算单元，带电乳剂小球产生的微电场离轴电子全息图为例，借助复制，交换，突变等操作，直接搜索全局最优解，实现了对电子全息图的数值重现。结果证明：采用遗传算法重现离轴电子全息图是可行的，并获得高质量的微电场分布图。此研究有助于：电子全息数值重现方法的改进以及重现分辨率的提高。 二．离子溅射致变Si表面纳米形貌的实验与模拟研究 离子溅射Si表面产生的自组装纳米点随离子束流密度变化的现象，引起了广泛的关注。通常认为Bradley-Harper模型适用于解释半导体和无定型材料表面纳米结构的变化，特别是在束流密度>～280μA/cm<'2>时，可以正确解释Si表面纳米点随束流密度的变化；但实验发现当束流密度<～280μA/cm<'2>时，不能解释Si表面纳米结构随束流密度的变化。为此本文引入了Ehrlich-Schwobel模型一考虑引入Ehrlich-Schwobel台阶势垒修正B．H模型，很好的解释了小束流密度下，Si表面纳米点随束流密度变化的实验现象，并得知：有效ES扩散因子随束流密度的增加而减小，在束流密度接近280 μA/cm<'2>时，ES势垒的影响可以忽略不计。此研究工作有助于今后模型的修正以及纳米点的控制。 三．磁控溅射成膜机理研究 采用多尺度模拟的方法，对等离子体磁控溅射沉膜的全过程进行了模拟研究，包括背景气体压强。首先模拟磁场分布；随后模拟等离子体放电的发生过程，得到轰击靶材的入射离子流密度分布和能量角度分布；然后利用这些已得到的数据计算靶体材料的溅射产额，得到靶体刻蚀剖面曲线；并对薄膜沉积进行了初步宏观模拟，得出了背景气压和溅射靶-基板间距，对薄膜厚度的影响。在上述工作的基础上，本论文着重介绍利用蒙特卡罗方法，对考虑了溅射原子到达基板后，发生迁移、脱附等物理过程后的薄膜生长微观机制，进行了模拟研究。得到了沉积在基板上的薄膜微观形貌图。模拟结果表明：在与磁场方向平行的靶表面时，等离子体密度分布较为均匀，靶材利用率最高；增大靶．基板间距，可以增加溅射原子碰撞机会，增大薄膜沉积范围，从而改善薄膜的整体均匀性；提高背景气体气压，同样可以增大薄膜沉积范围，改善薄膜均匀性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1计算物理-科学研究的第三种手段

1.2电子全息的计算机模拟和数值重现

1.3离子致变Si表面纳米形貌

1.4磁控溅射成膜机制研究

1.5论文结构

第二章微电场离轴电子全息方法观测及数值重现方法研究

2.1引言

2.2电子全息图的记录

2.2.1微电场全息图的纪录

2.3全息图的数值重现方法

2.3.1频域重现—滤波重现

2.3.2实空间重现

2.3.3神经网络法进行实空间重现

2.3.4遗传算法全局最优重现

2.4电子全息图数值重现结果和讨论

2.4.1微电场全息图的滤波重现

2.4.2神经网络法重现全息图

2.4.3遗传算法重现全息图

2.5本章小结

第三章离轴电子全息观测微电场的双源模型模拟研究

3.1引言

3.2离轴电子全息观测带电体电势分布的双源模型模拟

3.2.1 理论模型

3.2.2带电小球微电场分布电子全息及重现

3.3本章小结

第四章离子溅射致变Si表面纳米形貌研究

4.1引言

4.2理论模型的建立

4.2.1 Bradley-Harper模型

4.2.2考虑Ehrlich-Schwoebel势垒的连续模型

4.3实验装置

4.4 Si(110)表面形貌随基体温度的变化

4.4.1实验结果

4.4.2模拟结果

4.5 Si(100)表面随束流密度的变化

4.5.1实验结果

4.5.2模拟结果

4.6本章小结

第五章磁控溅射成膜机理模拟研究

5.1引言

5.2模拟方法与结果

5.2.1磁场的产生

5.2.2等离子体分布模拟

5.2.3薄膜宏观形貌模拟

5.2.4薄膜生长过程的模拟研究

5.3本章小节

第六章总结与展望

附录

参考文献

致谢

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