畢業(yè)論文-基于srim的入射粒子束與靶材相互作用的計算機模擬【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于SRIM的入射粒子束與靶材相互作用的計算機模擬</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅲ</b></p&

2、gt;<p>　　AbstractⅣ</p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 研究目的及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本論文的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 模擬理論與模擬原理5</p>

3、;<p>　　2.1 級聯(lián)碰撞理論5</p><p>　　2.2 濺射理論6</p><p>　　2.2.1 濺射概述6</p><p>　　2.2.2 常用濺射介紹7</p><p>　　2.2.3 濺射過程中運動粒子同固體表面的相互作用10</p><p>　　2.3 蒙特卡洛方

4、法12</p><p>　　2.3.1 蒙特卡洛方法的思想12</p><p>　　2.3.2 蒙特卡洛方法的發(fā)展歷史13</p><p>　　2.4 SRIM簡介15</p><p>　　2.5 分子動力學DM（Molecular Dynamics)模擬17</p><p>　　2.5.1 分子動

5、力學概述17</p><p>　　2.5.2 分子動力學模擬原理18</p><p>　　第三章 靶材濺射的SRIM模擬20</p><p>　　3.1 離子與固體表面的相互作用20</p><p>　　3.1.1 離子與固體表面相互作用的基本概念20</p><p>　　3.1.2 各種離子的發(fā)射

6、現(xiàn)象22</p><p>　　3.1.3 建立坐標系22</p><p>　　3.1.4 入射離子的位置分布23</p><p>　　3.1.5 不同能量入射鎂的濺射率24</p><p>　　3.1.6 不同角度入射鎂的濺射率24</p><p>　　3.1.7 相同能量轟擊不同靶材濺射率分布規(guī)律

7、25</p><p>　　第四章 總 結27</p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p>　　基于SRIM的入射粒子束與靶材相互作用的計算機模擬</p><p><b>　　摘 要&l

8、t;/b></p><p>　　入射粒子束轟擊固體靶材在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中都有重要的應用。如表面改性、離子注入以及濺射鍍膜等。本文基于SRIM軟件，對入射粒子束與靶材的相互作用及其濺射特性做了較為細致的研究。本論文主要做了如下幾個方面的工作：</p><p>　　以不同入射能量(）的粒子轟擊靶材，研究不同能量對靶材濺射特性的影響。</p><p>　　以不同

9、入射角度（）的粒子轟擊靶材，研究不同角度對靶材濺射特性的影響。</p><p>　　以相同入射能量和角度的粒子轟擊不同的靶材，研究濺射特性隨元素周期表的變化特性。</p><p><b>　　模擬結果表明：</b></p><p>　　原子量較小時的Ar+入射Mg所引起的濺射，主要是由進入表面之下的背散射離子產(chǎn)生的碰撞級聯(lián)造成，濺射原子具有較高

10、的能量，離子在Mg中有較廣的分布；而隨著原子量逐漸變大Ar+入射所引起的濺射，主要是由進入Mg內(nèi)部的離子直接產(chǎn)生的碰撞級聯(lián)產(chǎn)生，撞擊濺射出來原子的能量相對較高，氬離子在靶材Mg中分布有較高的分布。濺射率也跟隨能量的不斷增大而相應的增大。</p><p>　　氬離子的入射角從（）這個階段，靶材Mg的濺射率變化相對很?。蝗肷浣窃谟桑ǎ┓秶g時，靶材Mg的濺射率有明顯的增大；入射角到達75 o左右時，靶材Mg達到最高

11、峰；入射角從（）這個階段，靶材Mg濺射率出現(xiàn)銳減情況。</p><p>　　濺射率隨元素周期表沒有明顯規(guī)律，其走向沒有規(guī)律性可尋。還可以看出濺射率跟靶材的材質(zhì)有關，貴重金屬靶材跟其它靶材相比濺射率相對都較高。</p><p>　　關鍵詞: 蒙特卡洛；分子動力學；濺射率；級聯(lián)碰撞</p><p>　　Material of computer simulation ba

12、sed on the SRIM incident particles interact with target</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The incident particle beam bombardment solid target materials in industrial production and s

13、cientific research has important application. Such as surface modification, ion implantation and sputtering coating etc. Based on SRIM software, to the incident particles interact with the target material and its sputter

14、ing characteristics a more detailed study. This thesis mainly do the following aspects of work:</p><p>　　With different incident energy (50eV ~ 2000eV) particle bombardment, the different energy target mater

15、ials to the influence of target materials sputtering characteristics.</p><p>　　With different incident angles (0o ~ 90o) particle bombardment target materials, research at a different Angle the influence of

16、target materials sputtering characteristics.</p><p>　　With the same incident energy and Angle particle bombardment different target materials to study the periodic table properties with sputtering change cha

17、racteristics.</p><p>　　Simulation results show that:</p><p>　　More hours of Ar+ incident atomic weight caused Mg, mainly by entering sputtering beneath the surface of the backscatter ion collisi

18、on produced cascade cause, sputtering, high energy atoms in Mg ions have wider distribution; And as atomic weight increasingly large incident caused the sputtering Ar+, primarily by internal ion directly into Mg the coll

19、ision that produces a cascade of produce, sputtering atomic energy is relative taller, ion in Mg distribution scope of relatively high, sputtering r</p><p>　　Argon incident Angle from 0o rose to 30o this sta

20、ge the sputtering rate target materials Mg changed; Incident Angle in from 30omunitions to around 75o within the sputtering rate target materials Mg significantly increase and in peak; about 75o From 75o to 90o phase Ang

21、le, Mg target materials sputtering rate began to down sharply.</p><p>　　Sputtering rate varies with periodic table no obvious rule, its to also have no regularity can be found; Still can see sputtering rate

22、target materials related to the material and other precious metal target materials compared with sputter rate relative target materials is higher.</p><p>　　Keywords: Monte Carlo，Molecular dynamics， Sputterin

23、g Rate， Cascade collision</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 研究目的及意義</p><p>　　粒子束轟擊靶材產(chǎn)生濺射是廣泛使用制備薄膜等有效的技術之一，在原子尺度上研究濺射過程中發(fā)生的各種復雜現(xiàn)象，對理解薄膜生長、控制生長條件、提高制備、掌握其結構形成和穩(wěn)定性規(guī)律、

24、驗證其對薄膜物理和化學性質(zhì)的影響，從而對提高薄膜性質(zhì)和改進工藝條件具有重要意義。濺射鍍膜是一個復雜的物理化學過程，各中微觀過程相互影響，最終共同決定薄膜的生長和性質(zhì)，如下圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 濺射鍍膜過程</p><p>　　現(xiàn)有的理論都是建立在前期的一系列假設上的，理論的前提和實際應用工作環(huán)境還沒有建立一套完整的對應體系。本文嘗試運用離子對靶材轟擊濺射方面的知識

25、，系統(tǒng)研究了在各種情況下的原子間相互作用勢；考慮離子的輸運、轟擊過程中的濺射原子的能量、角度、位置等狀態(tài)量，運用模擬軟件SRIM2008，計算出入射離子在靶材中的能量損失和射程分布，以及靶材原子濺射后其能量、出射位置和出射方向角等狀態(tài)量，對各種情況下的靶材濺射產(chǎn)額也進行了計算，所得出結果與實驗結果相符合。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　二十一世紀隨著科學

26、技術的發(fā)展，各行業(yè)對新材料的需求日益迫切。新型半導體材料的研究和突破，使新技術得以發(fā)展。薄膜材料由于其在微觀結構、宏觀性能等方面所具有的特殊性，因此在現(xiàn)代材料特別是電子材料中占有日益重要的地位。薄膜材料的研究受到了世界各國的廣泛關注，吸引了大批的科技工作者。濺射鍍膜科學作為多個學科的交匯與綜合，是以系統(tǒng)化研究為特色慢慢壯大起來的新興學科。從誕生之日開始，就有著快速的發(fā)展勢頭，到21世紀的今天己得到了長足的進步。隨著濺射技術的長足發(fā)展和各

27、科學領域的不斷交匯，相應現(xiàn)了大量新的的濺射薄膜技術：例如：以蒸發(fā)沉積為科學依據(jù)出現(xiàn)的（真空蒸發(fā)沉積）、分子束外延薄膜生長(MBE) 、加速分子束外延生長(Accelerated Molecular Beam Epitaxy-AMBE)；以載能束與固體相互作用為科學依據(jù)，相應出現(xiàn)了（離子束濺射沉積）、（電子束蒸發(fā)沉積）、（脈沖激光濺射沉積—Pulse LaserAblation Deposition-PLD)、（強流離子束蒸發(fā)沉積—Fil

28、m Deposition by IntenseIon-Beam)；以等離子體技術為科學依據(jù)，就相應出現(xiàn)</p><p>　　濺射是一定量的粒子束轟擊靶材原子，這兩者之間的能量進行了相應的交換，使靶材原子脫離靶表面的一種物理現(xiàn)象。人們對濺射這一現(xiàn)象在實驗層面很早就展開了大量的科研，并得出了一些科學性的結論，如：</p><p>　　濺射離子的能量必須大于相應的閾值，這樣才會發(fā)生濺射這一現(xiàn)象。

29、</p><p>　　濺射產(chǎn)額的增大是跟著入射離子能量的增大而增大的，但入射離子能量增加到相應的值時，濺射產(chǎn)額反而會跟著離子能量的增大而減少。</p><p>　　入射離子能量相同時，重離子濺射產(chǎn)額要比輕離子的濺射產(chǎn)額大，而且濺射產(chǎn)額跟入射離子的角度有關。</p><p>　　濺射原子出的出射角度基本呈現(xiàn)出余弦規(guī)律，只有當離子能量相對較低 時會相應的出現(xiàn)偏離。<

30、;/p><p>　　當前的濺射現(xiàn)象理論有兩種說法：</p><p>　　熱蒸發(fā)理論：認為靶原子的能量是從載能離子獲得的，進而引起靶材表面的局部高溫，使靶材表面出現(xiàn)融化現(xiàn)象，進而蒸發(fā)，克努曾（Knudsen）從中得出了濺射原子角度的定律（余弦定律），他認為離子的入射角不會影響到濺射原子的出射角度。</p><p>　　級聯(lián)碰撞理論：目前是被科學界普遍接受的，級聯(lián)碰撞理論認

31、為靶材表面的濺射是離子同靶材表面附近的原子產(chǎn)生級聯(lián)碰撞而得的結果，即入射離子把能量傳遞給靶面表面產(chǎn)生碰撞的原子，只要傳遞的能量大于靶材原子周圍的其它原子對靶原子的束縛能量（即體束縛能），靶材原子會脫離它原來的位置[2]（即出現(xiàn)反沖運動）并與其他的靶材原子發(fā)生繼續(xù)的碰撞。這樣，離子間的碰撞就會在靶中級聯(lián)發(fā)生，直到反沖原子的能量變得很小，不足以進行反沖運動為止；或反沖原子得到指向靶材表面法向的動量，并且其能量大于靶材的表面束縛能量，進而被濺

32、射出靶材表面。計算機模擬粒子束撞擊靶材的過程可分為分子動力學方法和蒙特卡羅方法。</p><p>　　1.3 本論文的主要內(nèi)容</p><p>　　本論文的研究工作主要是應用基于蒙特卡諾方法的SRIM程序對Ar+轟擊Mg靶材的微觀過程進行模擬。</p><p>　　論文的主要工作包括：</p><p>　　詳細介紹：級聯(lián)碰撞理論、濺射理論、

33、蒙特卡洛方法、SRIM簡介、分子動力學MD（Molecular Dynamics）等理論。</p><p>　　本論文旨在運用粒子與固體相互作用方面的知識，對離子濺射過程中入射離子對靶材的濺射過程建立模型。并進行計算機模擬，得出入射離子的深度分布以及濺出原子在靶材表面的能量、角度分布，得出靶材濺射率分布情況。</p><p>　　了解粒子束轟擊靶材的微觀過程，特別是應用基于SEIM的計算機

34、模擬。運用分子動力學方法在原子角度上分析氬離子與鎂表面相互作用的微觀過程。</p><p>　　模擬一下幾種情況Ar+離子轟擊Mg靶材的濺射率：</p><p>　　入射離子取Ar+能量為()，靶材取Mg；入射離子能量從小逐漸到大，保存每次模擬后的數(shù)據(jù)，分析不同的入射能量對靶材濺射率的影響。</p><p>　　取能量為Ar+（），以不同角度(度)下轟擊靶材Mg；分

35、析其引起的濺射率。</p><p>　　在相同能量的Ar+（）轟擊不同靶材的情況下，分析靶材濺射率隨周期表的變化情況。</p><p>　　論文整體分三個部分：</p><p>　　第一部分：包括第一章以跟第二章，主要介紹離子濺射研究的目的及意義，以及離子碰撞的國內(nèi)外現(xiàn)狀。本論文介紹了離子束與靶材碰撞時出現(xiàn)的現(xiàn)象和運用的基本原理，對其相應的計算機模擬方法進行介紹。對

36、離子束與靶材碰撞產(chǎn)生的相應微觀現(xiàn)象進行了描述，并針對性的對相關現(xiàn)象所出現(xiàn)的部分較為標準的物理現(xiàn)象及相應理論進行了介紹。而且還對基于離子束與靶材碰撞的計算機模擬方法進行了簡單的敘述，其中包括級聯(lián)碰撞、濺射理論、蒙特卡羅方法和分子動力學方法。</p><p>　　第二部分：主要是第三章，第三章主要采用基于蒙特卡諾方法的SRIM程序對Ar+在范圍為()和不同的入射角度轟擊靶材Mg進行相應的模擬，對其入射離子的能量、入射

37、離子的角度、入射離子能量的損失作出相應的介紹；對濺射原子的濺射率做出了相對系統(tǒng)的分析。</p><p>　　第三部分：論文第四章，得出相應的模擬結果，作出相對系統(tǒng)的分析。</p><p>　　第二章 模擬理論與模擬原理</p><p>　　2.1 級聯(lián)碰撞理論</p><p>　　級聯(lián)碰撞理論認為靶材表面的濺射是離子同靶材表面附近的原子產(chǎn)

38、生級聯(lián)碰撞而得的結果，即入射離子把能量傳遞給靶面表面產(chǎn)生碰撞的原子，只要傳遞的能量大于靶材原子周圍的其它原子對靶原子的束縛能量—體束縛能，靶材原子會脫離它原來的位置（即出現(xiàn)反沖運動）并與其他的靶材原子發(fā)生繼續(xù)的碰撞。這樣，離子間的碰撞就會在靶中級聯(lián)發(fā)生，直到反沖原子的能量變得很小，不足以進行反沖運動為止；或反沖原子得到指向靶材表面法向的動量，并且其能量大于靶材的表面束縛能量，進而被濺射出靶材表面，濺射產(chǎn)生流程如圖2.1所示。</p

39、><p>　　圖2.1 入射離子對靶材的級聯(lián)碰撞過程</p><p>　　級聯(lián)碰撞過程可以分為兩種，1.線性級聯(lián)碰撞、2.非線性級聯(lián)碰—撞釘扎模式。</p><p>　　線性級聯(lián)碰撞過程中，其反沖原子的密度相對很小，運動原子之間能產(chǎn)生碰撞的概率不大，所以完全可以只看反沖原子和靜止不動的靶原子之間的碰撞，不用去看反沖原子的產(chǎn)生的影響，這樣就可以用濺射產(chǎn)額來體現(xiàn)濺射的相應

40、效率跟效果。</p><p>　　非線性級聯(lián)碰撞中，其反沖原子有很高的密度，運動原子之間也會發(fā)生相應的碰撞，從而需要看反沖原子之間濺射效率受到藕合效應的相對影響。在非線性級聯(lián)碰的情況下，濺射效率會得到很大的提升。在當前，非線性級聯(lián)碰情況下的能量傳輸和濺射產(chǎn)額的理論還不成熟、研究還不深入。只要入射離子的質(zhì)量相對很大時非線性級聯(lián)碰撞現(xiàn)象很容易出現(xiàn)。</p><p><b>　　2.2

41、 濺射理論</b></p><p>　　2.2.1 濺射概述</p><p>　　具有相應能量的離子入射到靶材表面時，它將同靶材表層內(nèi)的原子不停的進行碰撞，從而產(chǎn)生相對的能量移動。靶材表層內(nèi)的原子得到能量后就會出現(xiàn)反沖運動，隨而形成大量的級聯(lián)碰撞運動。只要其中一個做級聯(lián)運動的原子向靶材表面方向移動，當運動原子動能相應大過靶材表面的結合能時，原子將從靶材表面發(fā)射出去，這樣的現(xiàn)

42、象就稱為濺射。 </p><p>　　濺射是入射離子跟靶材粒子之間能量傳遞的結果，圖2.2可以具體說明：</p><p>　　圖2.2 濺射的相應特征</p><p>　　濺射粒子其角度的分布，是受入射粒子的方位影響的。</p><p>　　從單晶靶材濺射而出的粒子呈現(xiàn)出擇優(yōu)的取向。</p><p>　　入射粒子的能

43、量、質(zhì)量，決定其濺射率大小。</p><p>　　濺射粒子跟熱蒸發(fā)粒子相比其平均速率濺射粒子要大。</p><p><b>　　濺射參數(shù)：</b></p><p>　　濺射閾值：能將靶材原子轟擊出來所用的能量最小值。</p><p>　　濺射率：又稱濺射系數(shù)或者濺射產(chǎn)額,體現(xiàn)了入射離子轟擊靶材過程中,每個入射離子可以從靶

44、材中轟擊出的原子個數(shù)。</p><p>　　濺射粒子的速度和能量：濺射原子其能量值在（1～10eV）時。</p><p>　　原子的相對序數(shù)大的濺射出的原子的能量較大，原子的相對序數(shù)小的濺射出的 原子的速度較大。</p><p>　　入射離子能量相同時，濺射出的原子能量跟著入射離子的質(zhì)量呈線性增大。</p><p>　　濺射出

45、的原子的能量很著入射離子能量的增大而增加，隨著入射離子能量不斷升高，到達一定值時，濺射出的原子的能量趨于恒定。</p><p>　　2.2.2 常用濺射介紹</p><p>　　濺射現(xiàn)象早在 1853 年 就被Grove 觀察到了，他發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的器壁上會出現(xiàn)一層金屬沉積物，金屬沉積物的成份跟陰極材料的成份完全一致。限于當時的科學他弄不清楚發(fā)生這一現(xiàn)象的具體原因。到了1902年時，

46、Goldstein才提出了發(fā)生這一濺射現(xiàn)象的原因是因為陰極受到電離氣體中離子的轟擊產(chǎn)生的，而且他還完成了第一個離子束碰撞濺射的實驗。但是一直到1960 年以后，人們才開始關注濺射現(xiàn)象，并對其進行研究，而原因是卻是它不僅與帶電粒子同固體表面碰撞的各種物理過程直接相關，而且它還能具體的得到應用，比如：表面分析；壁效應中的聚變反應堆；離子加工跟整形技術；空間物理等。其后1969年Sigmund 通過大量的實驗，在Linhard和 M.W.Th

47、ompson等人的理論基礎上，通過級聯(lián)碰撞理論獲得了各元素濺射產(chǎn)額的公式，這一公式闡述了不同入射離子跟單元素靶材的各種組合，還有在不同的入射能量下所產(chǎn)生的濺射。</p><p><b>　　濺射具體的可分為：</b></p><p>　　相對簡單的直流二極濺射。</p><p>　　用于制造絕緣材料的射頻濺射。</p><p

48、><b>　　磁控濺射。</b></p><p>　　制造金屬化合物材料的反應濺射。</p><p>　　第一點直流二極濺射：它類似一對陽極和陰極組成的冷陰極輝光放電管結構。被濺射靶材（陰極）和生成膜的基體（陽極）組成了濺射裝置中的兩個極，陰極接上直流負高壓為（1～3kV）的但源，陽極連接地面，故而稱其為直流二極濺射。直流二極濺射裝置如圖2.3所示。</p

49、><p>　　圖2.3 直流二極濺射裝置圖</p><p>　　其工作的時候，陰極靶材上的負高壓在兩極間發(fā)生輝光放電現(xiàn)象，并建立出一個等離子區(qū)。其中，氬離子被陰極周圍的陰極電位降的影響下，快速的轟擊陰極靶材，使靶材離子從靶材表面濺射出來，分別以分子或原子的形態(tài)沉積與基體表面，形成濺射材料薄膜。</p><p>　　第二點射頻濺射：20世紀30 年代人們開始發(fā)現(xiàn)，射頻放

50、電管其玻璃壁上會粘有玷污層，放電的時候其變得很干凈，這是因為濺射促成的?？墒?，射頻濺射真的用于制造薄膜是還是在 20 世紀 60年代， 由Anderson 和Davidse 開創(chuàng)。其濺射的裝置運用了射頻輝光放電基本原理，能夠制造從導體材料到絕緣體材料的任何薄膜，從而使其在20 世紀 70 年代時得到普遍的應用。</p><p>　　射頻濺射其原理是運用高頻電磁輻射來保持低氣壓能發(fā)生輝光放電現(xiàn)象。介質(zhì)靶材的后面安置

51、陰極，靶材上接上高頻電壓加。因此在1周期范圍內(nèi)離子和電子之間交替地轟擊靶材，進而實現(xiàn)濺射靶材的目的。當靶材電極是高頻電壓的負半周時，離子對靶材進行轟擊產(chǎn)生濺射，而同時靶材表面出現(xiàn)正電荷的累積。當靶材電極是高頻電壓的正半周時，由于電子對靶材的轟擊中和了累積在介質(zhì)靶材表面上的正電荷,從而為下一周期之間的濺射提供了條件。因為在一個周期之間對靶材不但有濺射同時又有中和，因此能使濺射不斷進行，這就是射頻濺射法可以濺射絕緣材料的原因。

52、 </p><p>　　第三點磁控濺射：是在陰極濺射的基礎上進行改進而成熟起來的一種新的濺射鍍膜方法，因為它能有效的克服陰極濺射速率不高和電子使基片溫度升高的缺點，所以，這一方法一出現(xiàn)便得到了快速的發(fā)展和普遍的應用，它的工作原理如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 磁控濺射原理圖</p><p>　　電子e在電場E的影響下快速飛向基體這一過程中與氬離子

53、發(fā)生相應的碰撞，只要電子有足夠能量 (約為30eV)時，可以電離出的 Ar+離子與一個電子 1 e 。電子向基體移動，Ar+在電場E的作用下加速向陰極靶材移動同時高能量的轟擊靶材表面，使靶材產(chǎn)生濺射。其中濺射粒子中，具有中性的分子沉積在基體上產(chǎn)生薄膜。二次電子 1 e 在加速移動向基體過程中，受到磁場B的洛侖茲力的影響，以螺旋線和旋綸線的復合形式在靶材表面回旋的運動。其中電子 1 e 的運動路徑不僅非常長，還會被電磁場束縛在接近靶材表面

54、的等離子體區(qū)域中，在這個區(qū)中電離出很多的Ar+離子轟擊靶材，進而實現(xiàn)磁控濺射的高速特點。</p><p>　　第四點反應濺射：在擁有反應氣體的情況下濺射靶材時，靶材料會跟反應氣體反應形成化合物，這樣的濺射被稱為反應濺射。反應濺射是運用金屬元素單質(zhì)靶材，在擁有惰性氣體的陰極濺射中，通過引入活性反應氣體的方法來控制或改變其沉積特性，進而獲得金屬化合物薄膜。</p><p>　　在具體的反應濺射

55、過程中，反應氣體跟靶材之間發(fā)生反應，在靶材表面得到化合物，這種現(xiàn)象就是靶中毒，當靶中毒發(fā)生的情況下，因為濺射化合物的速率只相當于金屬靶濺射率的（10％～20%）,濺射率快速降低。如圖2.5給出的一般反應濺射的相對特點。</p><p>　　圖2.5 反應濺射的回線圖</p><p>　　最早運用反應濺射制備薄膜是在1950年時，用直流二極反應濺射系統(tǒng)制備的Ta2N薄膜電阻器。從此，反應濺

56、射被積極研究與廣泛的應用，特別是1960 年發(fā)明了射頻反應濺射，之后二十多年反應濺射發(fā)展到了一個黃金時期，相繼開發(fā)了中頻交流(一般頻率為40kHz)與脈沖直流(10～200kHz)反應濺射等一系列的技術。反應濺射可以制備化合物薄膜，將不同的反應氣體和金屬靶結合能夠合成有各方面應用的單獨或多組分化合物。反應濺射擁有方便、靈活、通用、容易操作溫度等特點，從而被廣泛應用在卷繞涂層、刀具涂層、光學薄膜、管件及金屬五金件裝飾涂層、汽車玻璃、微電子

57、器件、微機電系統(tǒng)(MEMS) 、鏡面、聲表面波器件和透明導電氧化物薄膜等不同場合[3]。</p><p>　　2.2.3 濺射過程中運動粒子同固體表面的相互作用</p><p>　　對于大多數(shù)離子濺射實驗，離子的入射能量相對較低。大家都知道低能離子同靶原子之間的相互作用主要是原子核之間的彈性碰撞。尤其是對金屬靶材料，金屬靶材料中電子的馳豫時間大約為秒，而一個擁有10kev能量的Ar+離子

58、，在金屬中移動100A所要花的時間大約為秒，這樣電子在較短的時間范圍內(nèi)得到的能量不可以造成靶原子的移動[4]。同樣的，在低能量的情況下，靶原子之間的相互作用也是通過彈性碰撞。所以，低能離子產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象，也是主要通過原子之間的彈性碰撞過程造成的。因此，這一濺射也被說成撞擊濺射。</p><p>　　撞擊濺射，可以分為幾種類型 [5] ：</p><p>　　單一撞擊濺射，如圖2.6所示。在

59、入射離子跟靶原子的碰撞中，反沖原子獲得的能量相對低，以至于它不能繼續(xù)地產(chǎn)生新的反沖原子，這樣就會被直接濺射出去。其入射離子的能量在幾十電子伏特范圍內(nèi)，而且離子的能量會在碰撞一次或幾次中被快速損失。</p><p>　　圖2.6 單一撞擊濺射</p><p>　　線性級聯(lián)碰撞濺射，如圖2.7所示。起始的反沖原子獲得的能量相對很高，它會進一步的跟其它靜止不動的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生一系列新的級聯(lián)

60、碰撞。級聯(lián)運動的密度比較小，從而會認為運動原子同靜止原子之間的碰撞才是主要的，而運動原子的碰撞變成次要的。對于線性碰撞級聯(lián)而言，入射離子的能量一般在 kev～Mev之間的范圍，并且級聯(lián)運動基本是在離子的路徑周圍產(chǎn)生的。</p><p>　　圖2.7 線性級聯(lián)碰撞濺射</p><p>　　熱釘扎濺射，如圖2.8所示。跟線性級聯(lián)碰撞對比，反沖原子的密度是很大的，以至于在相應的區(qū)域內(nèi)可以認為原

61、子都在運動。熱釘扎濺射一般是由中等能量的重離子轟擊靶材表面而產(chǎn)生的。</p><p>　　圖2.8 熱釘扎濺射</p><p>　　一般情況下，濺射產(chǎn)額的原子數(shù)跟做反沖運動的原子數(shù)成正比關系。而單一撞擊濺射而言，反沖原子的個數(shù)跟碰撞截面也是成正比的；對于線性級聯(lián)碰撞，反沖原子的個數(shù)跟離子在單位路徑上沉積的能量也是正比關系，也就是核阻止本領；而對于熱釘扎濺射而言，反沖原子的個數(shù)跟離子在單位

62、體積中沉積的能量也是正比的。本論文所涉范圍基本是線性級聯(lián)碰撞濺射。</p><p>　　2.3 蒙特卡洛方法</p><p>　　2.3.1 蒙特卡洛方法的思想</p><p>　　蒙特卡洛(Monte Carlo)方法又稱之為隨機模擬(Random simulation)方法，有時也叫做作隨機抽樣(Random sampling)技術或者統(tǒng)計試驗(Statis

63、tical testing)方法。其思想是，為了求解數(shù)學、物理、工程技術以及生產(chǎn)管理等各方面的具體問題，先建一個概率模型或隨機過程，使其的參數(shù)跟問題的解相同；再通過對過程或模型的觀察或抽樣試驗來計算所解得的參數(shù)的統(tǒng)計特征，就可以給出所求解的近似值。并且解的精確度可以用估計值的標準誤差來表示。</p><p>　　首先設所要求的量是隨機變量的數(shù)學期望，就可以近似的確定的方法是對進行N次重復抽樣，所產(chǎn)生相互獨立的值的

64、序列，計算出算術平均值[6]：</p><p>　　依據(jù)柯爾莫羅夫加強大數(shù)定理得 </p><p>　　因此，當N充分大時，的概率等于1，也就是可以用作為所求量的估計值。</p><p>　　當用蒙特卡洛方法求解時，最簡單的辦法是模擬一個發(fā)生概率為的隨機事件A?？紤]到隨機變量在一次試驗中事件A出現(xiàn)，可以值為1；若事件A不出現(xiàn)，就取值為0。令，這樣變量的數(shù)學期望，

65、這就是一次實驗中事件A出現(xiàn)的概率。的方差。假定N次試驗中事件A出現(xiàn)了N次，這樣觀測頻數(shù)也是一個隨機變量，其數(shù)學期望，方差。令，表示觀察頻率，這樣按加強大數(shù)定理，當N充分大時，成立的概率等于1。所以上述模型求得的頻率近似等于所求的量[7]。那么頻率收斂于概率，并且可以用樣本方差作為理論方差的估計值。</p><p>　　蒙特卡諾方法可以求解各類型的問題，具體要看其是否涉及過程的形態(tài)和結果，用蒙特卡洛方法處理問題可分

66、為兩類：</p><p>　　確定性數(shù)學問題。用蒙特卡洛方法求解這類問題的方法是：先建立一個與所求解有聯(lián)系的概率模型，使其要求的解就是我們所建立模型的概率分布或者是數(shù)學期望；再觀察這個隨機抽樣模型，也就是產(chǎn)生隨機變量；最后拿算術平均值作為所求解的近似估計值。多重積分計算、解積分方程、解線性代數(shù)方程、求逆矩陣、解某些偏微分方程邊值問題和計算微分算子的特征值等這些都是這一類。</p><p>

67、　　隨機性問題。比如中子在介質(zhì)中的擴散就是隨機性問題，其中子在介質(zhì)內(nèi)部不但受到一些確定性的影響，還更多的受到了隨機性的影響。對這類相關的問題，一般可以表示為某些函數(shù)方程或多重積分，還可以運用隨機抽樣方法來求解，但是普通情況下都會不采納此間接模擬方法，而運用直接模擬的方法，就是根據(jù)實際物理模型的概率法則，采用電子計算機進行抽樣試驗。還有如：核物理問題、隨機服務系統(tǒng)中的排隊問題、運籌學中的庫存問題、動物的生態(tài)競爭等都是這一類問題。</

68、p><p>　　2.3.2 蒙特卡洛方法的發(fā)展歷史</p><p>　　十七世紀時，隨機實驗跟擲硬幣和擲骰子這些游戲是聯(lián)系非常緊密的，擲骰子和擲硬幣就是一個簡單的概率模型。早在貝努里(Bernouli)之前，就有人把頻率作為概率的近似值。當概率計算發(fā)生錯誤時，就可以通過隨機試驗獲得頻率來找出問題，并進行校驗。像意大利一個賭博者就錯誤的以為投擲三個骰子得9點和10點的概率一樣，可大量試驗后結果

69、發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)9點比出現(xiàn)10點的頻率要小。實際上，兩者的概率分別為25／216跟27／216。前者比后者要小2／216。生在十八世紀法國的學者布豐(Buffon)對概率論在博弈游戲中的應用頗有研究，他發(fā)現(xiàn)了用隨機投針試驗計算石的方法。這應該就是最早用頻率近似來估計概率的隨機試驗方法了。其實，這些都是古代人在運用蒙特卡洛方法解決問題。</p><p>　　從相反關系出發(fā)解各類數(shù)學問題是就是蒙特卡洛方法，只要概率滿足所考

70、慮的數(shù)學方程，就可以作若干次隨機抽樣試驗，可以得到隨機變量，結果的平均值可視為數(shù)學方程解的近似估值。在1908年，Gosset在推導出t分布時，就得出了樣本方差的分布(即一種)。在檢驗其方差分布的正確性時，他以3000個認為是正態(tài)分布的人體測量數(shù)據(jù)作為總體，用有放回抽樣的方法取出5000個n=4的樣本，得到了樣本方差的分布情況，相應的也驗證了他理想中的t分布的正確而否。這就用模擬抽樣求樣本統(tǒng)計量分布的一個典型例子?？墒?，在那個時代隨機試

71、驗卻受到很大限制，因為要使計算結果準確度相對很高，就要進行多次的實驗。因此人們要對隨機試驗進行很長的人工的計算，這在當時其實是不可能的。</p><p>　　到了1946年，馮諾伊曼在電子計算機上用隨機抽樣方法模擬了中子連鎖反應，而且把這種方法稱為蒙特卡洛方法，這就是它的由來。</p><p>　　我國進行了蒙特卡洛方法方面的研究工作是在1955年之后，通過幾十年的發(fā)展，在核科學、真空技術

72、、地質(zhì)科學、醫(yī)學統(tǒng)計、隨機服務系統(tǒng)、系統(tǒng)模擬和可靠性等方面都突飛猛進，得到了很好的成果，并獲得了寶貴的一批理論和應用成果。</p><p>　　21世紀以來，隨著電子計算機的出現(xiàn)和快速的發(fā)展，人們更有意識的、廣泛的、并且系統(tǒng)地應用隨機抽樣試驗來解決各種困難的問題，還把蒙特卡洛方法視為計算數(shù)學的一個重要分支。隨著計算機使用范圍的日益擴大，蒙特卡洛方法向各個學科的滲透也越來越深。近幾年興起的各門科學如：計算物理學、計

73、算概率統(tǒng)計學、計算機科學與統(tǒng)計學的界面學等學科，都是運用了蒙特卡洛方法[8]。</p><p>　　此外，計算機科學的發(fā)展也離不開蒙特卡洛方法，對其有很大的促進作用。如：在計算機體系設計中非常廣泛地采用概率統(tǒng)計的思想方法，這樣就要對各種不同方案進行統(tǒng)計分析和模擬對比。因為蒙特卡洛試驗是虛擬的完成，其可以代替設計中的部分真實試驗，進而節(jié)省了設計的時間和工作量。</p><p>　　2.4

74、SRIM簡介</p><p>　　SRIM(the Stopping and Range of Ions in Matter)是一種基于蒙特卡羅法的模擬程序，目前是被廣泛應用于離子束與靶材的相互作用的模擬。SRIM能夠通過計算機模擬跟蹤一大批入射粒子的運動過程。對粒子的能量損失、位置以及次級粒子的各種具體參數(shù)在整個跟蹤過程中都會有所儲存，可以獲得各種物理量的期望值和相應的統(tǒng)計誤差。</p><

75、p>　　SRIM可以用來計算離子能量在(10--2G)范圍在靶材中受到阻止及其射程分布的模擬軟件，它采用的是蒙特卡羅模擬方法[9]。蒙特卡羅模擬方法是通過計算機模擬跟蹤一大批入射粒子的運動。粒子的位置、能量損失以及次級粒子的各種參數(shù)在整個跟蹤過程中都會有所儲存，從而獲得各種所需物理量的期望值和相應的統(tǒng)計誤差。SRIM是應用級聯(lián)碰撞理論建立起的模型，它是把靶材看成是無定形結構，靶原子的位置隨機分布。在模擬過程中SRIM能夠跟蹤每個入

76、射離子和反沖原子的運動直到它們的動能低于相應的閾值或超出靶材的體積范圍。在模擬離子和靶原子的碰撞時運用兩體碰撞近似方法，就是入射離子跟材料靶原子核的碰撞采用兩體碰撞描述，這一部分會導致入射離子運動軌跡出現(xiàn)曲折，能量損失來自源于彈性能量損失，而在兩次兩體碰撞之間視為材料中的電子與入射離子作用連續(xù)均勻地損失能量。當入射的是重離子時，則可視為在這期間入射離子作直線運動，能量損失來源于非彈性能量損失。兩次兩體碰撞之間的距離以及碰撞后的參數(shù)通過隨

77、機抽樣獲得，就是采用統(tǒng)計的方法來處理入射離子在靶原子發(fā)生兩次碰撞之間所移動的距離。離子跟原子之間的碰撞勢采用了屏蔽的庫侖相互作用勢能(</p><p><b>　　如下圖2.9</b></p><p>　　其中為有效電荷數(shù)，是離子速度，為原子序數(shù)，h是普朗克常數(shù)，e是電子電荷。</p><p>　　圖2.9 SRIM2008的啟動界面其中的[

78、TRIM Calculation]按鈕是用來濺射模擬</p><p>　　SRIM包括了以下幾個部分：</p><p>　　離子在靶材中的分布和靶材損傷的快速計算。</p><p>　　靶材損傷的級聯(lián)碰撞詳細計算。</p><p>　　靶材表面濺射的計算。</p><p>　　電子、中子及光子的級聯(lián)碰撞。</p&

79、gt;<p>　　不同能量、不同入射角和不同位置的離子在靶材中的級聯(lián)過程。</p><p>　　多層化合物中的級聯(lián)。</p><p>　　上面中靶材表面濺射的計算只能計算相同能量、相同入射角和相同入射位置的入射離子在靶材中的級聯(lián)碰撞過程及對靶材的濺射；而不同能量、不同入射角和不同位置的離子在靶材中的級聯(lián)過程可以模擬不同能量、不同入射角和不同入射位置的入射離子在靶材中的級聯(lián)碰撞

80、過程及對靶材的濺射，模擬輸出文件是“TRIM.TXT”輸入的。入射離子的能量、入射角和位置，模擬結果則保存在文件“SPUTTER.TXT”中。圖2.10是SRIM軟件的界面。</p><p>　　圖2.10 SRIM是用來模擬離子在固體中級聯(lián)碰撞的界面</p><p>　　2.5 分子動力學DM（Molecular Dynamics)模擬</p><p>　　2

81、.5.1 分子動力學概述</p><p>　　分子動力學模擬的工作開始于1960年J．B．Gibson等人對于低能輻照損傷的研究。通過這么多年來的發(fā)展，分子動力學模擬隨著計算機的不斷更新進步也有了長足的發(fā)展，可是其基本的原理從未改變。分子動力學模擬已經(jīng)應用于粒子束碰撞與靶材濺射等眾多問題，如：缺陷怎么形成的、濺射的機理、離位閩能的具體計算、移位級聯(lián)的空間構型、級聯(lián)發(fā)展過程、表面重構、高能量密度級聯(lián)以及薄膜生長、

82、界面混合等計算機模擬的新領域等[11]。緊跟著原子間相互作用勢的進步，分子動力學模擬已被廣泛應用到對Si、C、Ga、As等重要的半導體材料的模擬上。它己成為材料科學研究領域罩對微觀結構和微觀過程進行研究的一個重要方法。</p><p>　　MD方法分為經(jīng)典MD方法和基于密度泛函理論DFT的Car—Parrinello的MD方法，本論文只對經(jīng)典MD方法作出相應的介紹。</p><p>　　靶

83、材中原子碰撞現(xiàn)象的MD模擬程序基本都是在下面近似基礎上進行設計出來的：</p><p>　　其體系整體可以由經(jīng)典力學處理得出，就是粒子的運動跟經(jīng)典運動方程一致，不考慮量子效應和相對論效應。只有低能的情況下，經(jīng)典力學近似是可以成立的。</p><p>　　粒子間的相互作用可用經(jīng)典力學勢函數(shù)近的似描述出來。</p><p>　　全部勢函數(shù)都和粒子的動能沒有關系。<

84、/p><p>　　勢能函數(shù)的形式不會因為粒子在碰撞過程中可能發(fā)生激發(fā)或電離而改變。</p><p>　　此外在離子的入射過程中，普遍假設離子在與靶材相互作用之前被中和成原子之后再與靶材表面作用。</p><p>　　2.5.2 分子動力學模擬原理</p><p>　　分子動力學體系的微觀狀態(tài)可以由組成體系的N個粒子的坐標和動量全部確定。在其原子

85、層次的相應模擬中，組成體系的基本粒子是原子，體系中的Hamiltonian量為原子動量和坐標的函數(shù)。假設體系中粒子的運動服從經(jīng)典運動規(guī)律，就可以認為體系的Hamiltonian量就是其表示為所有原子的動能K和原子間相互作用的總勢能V之和，電子對原子相對運動的平均效應在勢能V中反映。如果用：</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　分別是體系

86、中N個粒子的坐標、動量和速度，這樣，體系中的Hamiltonian量為：</p><p><b>　?。?—2）</b></p><p>　　體系運動方程可以有很多表達方式。最普遍的一種表達形式是拉格朗同運動方程：</p><p><b>　?。?—3）</b></p><p>　　式中是拉格朗R函

87、數(shù)，體系的Hamiltonian量和它的關系是：</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　把（2—4）式代入（2—3）式，就可以獲得體系的Hamiltonian方程：</p><p><b>　?。?—5）</b></p><p>　　。因為，所以為體系中所有其他粒子的i

88、離子的總作用力。</p><p>　　分子動力學方法的核心是數(shù)值解運動方程（2—5），解出體系的相空間軌道或。得出方程（2—5）是否能求解，求出的解是否正確，關鍵就是能否得出正確的粒子間相互作用勢。</p><p>　　第三章 靶材濺射的SRIM模擬</p><p>　　3.1 離子與固體表面的相互作用</p><p>　　3.1.1

89、離子與固體表面相互作用的基本概念</p><p>　　離子與靶材表面的相互作用包含一系列基本的過程，例如：注入、散射、再釋、濺射、表面損傷、電子發(fā)射、光發(fā)射、電離與中和、表面化學及表面熱效應等。Redhead曾對這些過程作過非常詳細的闡述。</p><p>　　離子束包含很多離子，并且它與包含很多原子的表面會有相互的作用，可是一個離子與表面上一個原子間的碰撞是最基本一次碰撞的過程。入射離子

90、進入靶材后所產(chǎn)生的碰撞級聯(lián)常常可以看成是一系列的兩體碰撞。因此，兩體碰撞力學是研究離子與靶材表面相互作用很重要的基礎。</p><p>　　在處理兩體碰撞問題時，離子與原子間的勢函數(shù)V(r)又成為最基本的，因此，確定符合實際的V(r)表達式也是解決這類問題的關鍵所在。</p><p>　　為了建立與表面分析有關的離子與靶材表面相互作用的一些基本理念，就以超高真空下千電子伏特量級的初級離子到

91、達固體表面所引起的現(xiàn)象來推出這些概念，并用下圖3.1作基本的說明。</p><p>　　圖3.1 離子與固體表面的相互作用</p><p>　　一些初級離子與靶材表面原子發(fā)生彈性或非彈性碰撞，使其改變運動方向后向真空端飛出去，這樣的現(xiàn)象就是散射（Scattering）也稱之為背散射（Back Scattering）。靶材表面上的粒子可能因碰撞而產(chǎn)生振動、激發(fā)、或產(chǎn)生位移打入靶內(nèi)，在之后出

92、現(xiàn)的稱為反彈注入（Recoil Implantation）。這類過程如上圖3.1中I所示。</p><p>　　另一些初級離子可以穿入靶材表面，進入相應的深度之后會被俘獲，這樣稱之為離子注入（Ion Implantation）。在離子注入時會發(fā)生一系列的級聯(lián)碰撞，將其能量慢慢轉移給周圍的晶格，最后注入到相應的深度。入射離子在靶材內(nèi)移動的總路程稱為射程R，入射離子在入射方向上的投影叫做射程Rp(投影射程)。<

93、/p><p>　　靶材上的原子受到碰撞，一旦得到高于其閾值的相應能量，離子就會射出晶格點陣，這稱之為一次撞出原理。它再次與其他原子相碰撞，使撞出的原子級聯(lián)出現(xiàn)增加，其中必然會有相對很小的一部分影響到表面。假設表面粒子動量能有垂直表面的分量并且能量已經(jīng)達到相應的閾值，就會引發(fā)表面粒子的次級發(fā)射，這種現(xiàn)象就是濺射。這個過程如上圖3.1中的II所示。其濺射的次級粒子可以是原子、也可以是分子或者是原子團，他們可以是帶正電或負

94、電的次級離子，也可以是不帶電的中性粒子，又可以是處于受激態(tài)，并且具有相應的初始動能。如初級離子的能量是千電子伏特時，濺射原子的能量基本就分布在幾個電子伏特或其他更高的范圍。</p><p>　　還有一些初級離子和靶材表面原子碰撞，其中在一次碰撞中會把相當大的一部分能量轉移給靶材表面原子，靶材表面原子以較高的能量發(fā)射出去，這稱之為反彈濺射。初級離子則注入到靶材表面內(nèi)。這一過程如上圖3.1中的III所示。</p

95、><p>　　可見，跟隨著初級離子與靶材表面的相互作用，靶材表面還會有熱以至化學變化過程發(fā)生，而且還會伴有電子或者光的發(fā)射，靶材表面則會引起輻射損傷，如下總結了離子與靶材表面的相互作用。</p><p><b>　　模擬模型：</b></p><p>　　建立模擬模型時假設:</p><p>　　濺射原子在真空室內(nèi)除了和其它

96、粒子發(fā)生碰撞外 ,進行自由飛行。</p><p>　　因為真空室里氣體電離度較低 ,靶材中濺射出來的原子相應較少 ,所以濺射原子在移動過程中主要是跟背景氣體的原子發(fā)生相應碰撞。</p><p>　　真空室里氣體溫度基本只有幾百K,但是氣體分子熱運動速率相對要比氣體定向流動速率要大很多 ,因此除了在壓強較高或者溫度分布相當不均勻的情況下 ,首先假定背景氣體分子遵守麥克斯韋—玻爾茲曼的分布。&

97、lt;/p><p>　　真空室里氣體分子能量相對很小 ,分子之間以發(fā)生彈性碰撞為主 ,因而在壓強較低的情況下 ,就用兩體碰撞近似。</p><p>　　3.1.2 各種離子的發(fā)射現(xiàn)象</p><p>　　從靶材表面觀察到的一系列發(fā)射現(xiàn)象可以用下圖3.2作簡要的說明[12]。</p><p>　　圖3.2 離子與靶材表面相互作用產(chǎn)生的發(fā)射現(xiàn)象&

98、lt;/p><p>　　散射初級離子。他們就是與靶材表面原子碰撞進行能量與動量轉移后改變運動狀態(tài)的，所以離子的能量分布和角度分布反映了靶材表面原子的相應成分跟排列。</p><p>　　中性（包含了受激）原子、原子團或正、負離子。因為它們直接來源于靶面的表層（包含吸附層），所以對原子、原子團和分子的次級離子進行質(zhì)譜分析和能譜分析就可以獲得靶材表面的成分等信息。</p><p

99、>　　電子。發(fā)射獲得的電子不但能來源于表面、靶材外的接近表面區(qū)，也有可能來自靶材體內(nèi)。大多的基本過程都有可能會導致電子的發(fā)射。如：電離、俄歇中和（Auger Neuralization）跟俄歇去激發(fā)(Auger De-excitation)等。次級電子以及能量的分布通常會給出相關離子轟擊、中和、次級離子發(fā)射過程跟表面原子電子態(tài)的相關信息，必須考慮到次級電子發(fā)射偶爾會干擾到初級離子束流的正確測定。</p><p&

100、gt;　　3.1.3 建立坐標系</p><p>　　如圖3.3所示，建立離子濺射靶材的空間三維坐標系，以靶面法向為X軸，以指向靶內(nèi)的方向為X軸正向，靶面為YOZ平面，O為坐標原點，所有的載能離子都是從坐標原點入射靶面，離子入射角θ是入射方向與靶材表面法線的夾角[13]。</p><p>　　圖3.3 離子濺射靶材的三維空間坐標系</p><p>　　3.1.4

101、 入射離子的位置分布</p><p>　　如圖3.4所示，分別用5000個200eV、500eV、1KeV和2KeV的氬離子從同一點（坐標原點）垂直入射銅靶，得到氬離子引起靶原子級聯(lián)碰撞過程的模擬結果。每種入射能量給出4個截面圖，左上角是氬離子入射后停留在靶材內(nèi)部空間位置在XOY面的投影，其他3個圖是氬離子引起靶原子級聯(lián)碰撞后的區(qū)域在面YOZ面、XOY面和XOZ面的投影。由圖可見離子在固體中由于與靶原子碰撞，運

102、動方向會偏離入射方向，隨著離子能量的增加，級聯(lián)碰撞次數(shù)也會增加，離子側向偏離的程度就越大，從而離子的分布區(qū)域越大，級聯(lián)碰撞的區(qū)域也越大，但總的來說，對于低能入射的離子，離子側向偏離的距離從宏觀上看一般較小，一般在埃數(shù)量級，因此離子發(fā)生濺射的位置也是在其入射位置附近。</p><p>　　A:200eV B:500eV </p><

103、p>　　C: 1KeV D:2KeV</p><p>　　圖3.4 不同能量氬離子垂直入射鎂靶引起靶原子級聯(lián)運動</p><p>　　3.1.5 不同能量入射鎂的濺射率</p><p>　　能量為()的Ar+ 入射對靶材濺射率的影響。模擬條件下關于Mg濺射率的報道較少。圖3.5是采用()能量的 A

104、r+在入射角為下轟擊 Mg得到的濺射率與Gernot Ecke 等人實驗結果相比較，入射氬離子能量越大，鎂靶材相應的濺射率也越高。在低能量范圍與模擬結果符合得也比較好，可以認為模擬所得的 Mg的濺射率參數(shù)是合理的[14]。</p><p>　　圖3.5 Mg的濺射率的模擬值隨入射Ar+能量的增加的變化</p><p>　　3.1.6 不同角度入射鎂的濺射率</p><

105、;p>　　入射離子在不同入射角度下的Ar+離子，能量均設定為，分別模擬了離子在、、、、、、以及的入射情況．圖3.6為Mg的濺射率隨入射角增大的變化情況。應用基于蒙特卡諾方法的SRIM程序時就要對靶材表面原子結合能(Surface binding energy)，靶材內(nèi)原子結合能(Bulk bindingenergy)，入射離子移位能(Displacement energy)以及相應的原子密度進行正確的設置，對其上參數(shù)的設置一般是運

106、用分子動力學或者是第一性原理進行計算來得到的。</p><p>　　從下圖中可以看明顯的出，氬離子入射角從（）這一階段中Mg靶材的濺射率變化相對很??；入射角從（）左右范圍內(nèi)時Mg靶材的濺射率就有了顯著的增大；入射角達到左右時達到最高峰；入射角從（）這一階段時，Mg靶材濺射率開始出現(xiàn)了銳減情況。</p><p>　　圖3.6 Mg的濺射率隨Ar+離子()入射角增加的變化情況</p&g

107、t;<p>　　Ar+離子所引起Mg濺射率分布主要是由于進入靶材內(nèi)部的氬離子直接產(chǎn)生的碰撞級聯(lián)形成了反沖原子，跟隨著入射離子角度的不斷增大，離子在基體橫向范圍的級聯(lián)碰撞也隨之增加，進而使濺射率也隨之增大，可是隨著入射離子的入射角增加到相應的角度后，使濺射的碰撞級聯(lián)就集中在離表面很近的表面原子層周圍，同時離子的縱向速度不大，入射離子的背散射無法使碰撞級聯(lián)完全的擴大，使反沖原子的生成效率快速減小。此外，離子在相當小的入射角下，