离子束轰击Si及SiC的计算机模拟

摘要

本文对低能Ar<'+>轰击硅表面引起的非晶化过程以及低能离子束(He<'+>，Ar<'+>，Xe<'+>)与SiC表面的相互作用分别进行了计算机模拟。 首先，运用分子动力学模拟方法对低能氩离子轰击硅表面的微观过程进行了模拟。模拟中采用200eV的Ar<'+>分别对硅表面四层中位置不同的四个硅原子以及原子间的问隙作定点轰击，对Ar<'+>与硅表面相互作用的机制作了分析。结果表明对表面四层中不同位置的原子进行的轰击氩离子只发生一次碰撞，相互作用势能一般在40eV左右，作用时间在20-30fs之间；Ar<'+>对原子间隙的轰击一般要发生多次碰撞，相互作用势最大值为20eV左右，并随着碰撞次数的增加逐渐减小，作用时间一般在100fs左右，这种碰撞在晶体的非晶化过程中起了主要的作用。对氩离子垂直入射硅晶体表面导致其达到稳定的非晶态过程行了模拟，结果表明晶体非晶化区域的纵向深度与能量较低(20-200eV)的入射离子基本成线性关系。低角度入射情况下，对离子的散射轨迹进行了详细的分析，离子的散射过程归结为离子与表面原子发生的一系列独立碰撞的累积作用，并在此基础上分析了以离子的散射极角、散射方位角、能量的损失为函数的散射强度分布分布。 其次，应用基于蒙特卡诺方法的SRIM程序对He<'+>、Ar<'+>、Xe<'+>轰击SiC的微观过程进行了模拟。对不同能量(100-500eV)以及不同角度(0-85<'0>度)下He<'+>、Ar<'+>、Xe<'+>轰击SiC引起的溅射率、溅射原子分布、溅射原子能量以及入射离子在SiC中的分布情况进行了分析。结果表明，对于原子量较小的He<'+>入射SiC所引起的溅射，主要是由进入表面之下的背散射离子产生的碰撞级联造成，溅射原子具有较高的能量，离子在SiC中有较广的分布；原子量较大的Ar<'+>、Xe<'+>入射所引起的溅射，主要是由进入SiC内部的离子直接产生的碰撞级联产生，溅射原子的能量相对较低，离子在SiC中分布范围相对较小。随着离子入射角度的逐渐增加，SiC的溅射率逐渐增加，在70°左右达到溅射峰值。随着入射角度的继续增加，发生的背散射不能使碰撞级联充分扩大，反冲原子的生成效率急剧降低，导致溅射率开始急剧下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1离子束技术与计算机模拟

1.2 Si及SiC概述

1.3本论文的研究意义以及主要工作

第二章离子束与固体相互作用的基本现象及原理

2.1离子与固体相互作用的基本现象

2.1.1离子与固体表面相互作用的基本概念

2.1.2各种粒子的发射现象

2.1.3从靶上观察到的变化

2.2离子与固体相互作用的基本理论

2.2.1原子间相互作用势

2.2.2离子在靶中的射程分布

2.3本章小结

第三章离子束与固体相互作用的计算机模拟方法

3.1计算机模拟的基本思想和发展简介

3.2分子动力学MD(Molecular Dynamics)模拟

3.2.1分子动力学模拟原理

3.2.2数值积分方法

3.2.3边界条件以及时间步长

3.2.4样品的制备以及相关角度的定义

3.3蒙特卡诺模拟MC

3.3.1蒙特卡诺模拟简介

3.3.2随机数和随机变量的产生

3.3.3 SRIM程序简介

3.3.4样品的描述以及相关角度的定义

3.4本章小结

第四章离子束与Si表面相互作用的MD模拟

4.1模拟参数的设置

4.2垂直入射

4.2.1硅的溅射率

4.2.2 Ar+与硅表面的相互作用机制

4.2.3非晶化过程

4.3低角度入射

4.3.1离子的轨迹

4.3.2角度的变化情况

4.3.3势能的变化情况

4.3.4角度以及能量损失分布

4.4本章小结

第五章离子束与SiC表面相互作用的MC模拟

5.1模拟参数的设置

5.2入射离子的分布

5.2.1注入离子

5.2.2散射离子

5.3溅射率

5.3.1垂直入射

5.3.2不同角度入射

5.4溅射原子的角度及其能量分布

5.5本章小节

第六章结论

致谢

参考文献

附录