磁控溅射铜薄膜生长过程的蒙特卡罗模拟

摘要

薄膜技术在现代科技领域中有着广泛的应用。人们通过理论和试验对薄膜的生长过程和机理进行了一系列的研究，但由于当代微观测试技术的局限性，从而使得计算机仿真薄膜生长成为非常重要和有效的方法。由于薄膜的生长过程是一个随机过程，所以蒙特卡罗方法便很自然地被应用于计算机仿真薄膜生长这一过程。本文围绕蒙特卡罗仿真磁控溅射铜薄膜的生长开展了以下工作： 首先，介绍了薄膜生长的理论、研究现状、仿真模型及研究方法。重点分析比较了薄膜微观沉积过程常用的两种方法：分子动力学和蒙特卡罗方法。并且介绍了计算机图形学在仿真薄膜生长过程中的应用等。 然后，运用Monte Carlo方法和Srolovitz等人提出的Q-state Potts模型对磁控溅射Cu薄膜生长过程进行了计算机二维形貌模拟。考察了薄膜生长时间对晶粒大小的影响。发现晶粒的长大是一个相互吞噬的动态过程。随着薄膜生长，晶粒逐渐变大，单位表面内晶粒数目减少。但是当薄膜生长约500MCS后，晶粒的平均粒径基本不变，约为9.1个基本单位，相同表面内晶粒数目达到动态平衡。 最后，运用三维Kinetic Monte Carlo方法模拟了Cu膜的生长过程。在合理确定原子的吸附、迁移、脱附等运动的基础上，重点研究了基底的活性分布和温度对铜薄膜生长的影响。模拟并考察了薄膜生长状况的表面形貌、沉积率、均方根粗糙度和相对密度。发现基底活性点的分布对薄膜生长的影响至关重要。相同数目的活性点在基底分布愈均匀，愈有利于薄膜的吸附沉积；基底活性点愈多，吸附沉积率愈高：但活性点多少并不是唯一制约因素，其分布也很重要，若基底活性点分布愈趋向于fcc晶格结构分布，愈有利于铜膜(fcc)的生长，粗糙度愈低，相对密度愈接近完美晶体。通过不同基底上薄膜生长的模拟，观察到薄膜生长具有“填充”和“自我修复效应”，但是这种修复未能完全弥补初始基底的缺陷。

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致谢

第一章绪言

1.1薄膜材料研究的意义

1.2薄膜材料研究的国内外现状

1.2.1研究背景

1.2.2研究现状

1.3本文的研究内容

第二章薄膜材料微观生长的研究方法

2.1计算物理学概述

2.2计算机模拟方法的分类描述

2.2.1蒙特卡罗(Monte Carlo simulation)方法

2.2.2分子动力学(Molecular dynamics simulation,MD)方法

2.3虚拟现实技术与图形学

2.4计算机图形学在薄膜仿真中的应用

2.4.1蒙特卡罗波茨晶格的图像表示

2.4.2离散点图

2.5本章小节

第三章磁控溅射铜薄膜生长的二维模拟

3.1磁控溅射铜薄膜的制备

3.1.1工件的预处理

3.1.2磁控溅射镀膜工艺

3.2磁控溅射铜薄膜的表征

3.3铜薄膜生长的蒙特卡罗模拟

3.3.1系统模型的建立

3.3.2能量算符

3.3.3蒙特卡罗算法

3.4结果与讨论

3.4.1铜薄膜的表征及模拟结果

3.4.2铜薄膜生长过程中的晶粒变化情况

3.5结论

第四章磁控溅射铜薄膜生长的三维模拟

4.1模型算法

4.1.1系统模型

4.1.2模型算法

4.2结果与讨论

4.2.1铜膜的三维形貌

4.2.2基底活性分布对薄膜生长的影响

4.2.3温度对薄膜生长的影响

4.3结论

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文