薄膜生長(zhǎng)初期的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)水平的提高，對(duì)薄膜生長(zhǎng)過程進(jìn)行直接觀察成為可能，如借助STM和AFM等手段可觀察到薄膜的島狀結(jié)構(gòu)、表面重構(gòu)和吸附原子擴(kuò)散等現(xiàn)象，甚至直接觀察到單個(gè)Ge原子在Si(100)表面的擴(kuò)散過程。然而，對(duì)于在薄膜生長(zhǎng)初期中單粒子、團(tuán)簇（包括二聚物、多聚物）、空位和臺(tái)階缺陷等在基體表面的沉積、擴(kuò)散與結(jié)合等過程，在實(shí)驗(yàn)觀察和檢測(cè)方面仍然受到一些條件的限制，而這正是薄膜生長(zhǎng)的關(guān)鍵所在。因此，研究沉積粒子與基體表面的相互作用，在原子尺

2、度上揭示薄膜生長(zhǎng)初期發(fā)生的微觀過程和結(jié)構(gòu)演化，了解掌握這些微觀結(jié)構(gòu)（表面形貌、顯微結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)性能、組分含量及其分布等）的演變規(guī)律，進(jìn)而改進(jìn)工藝流程和制備條件，節(jié)約薄膜制備的研發(fā)成本，這對(duì)提高薄膜的質(zhì)量和推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。
　　本文以Cu/Cu(001)外延生長(zhǎng)薄膜為研究對(duì)象，基于嵌入原子勢(shì)函數(shù)并采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究沉積原子擴(kuò)散輸運(yùn)、亞單層膜的生長(zhǎng)演化和退火處理對(duì)薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)演變和應(yīng)力變化的影響。
　　

3、單原子沉積擴(kuò)散研究的結(jié)果表明，沉積原子在基片表面的擴(kuò)散輸運(yùn)行為與局域碰撞位置和入射能密切相關(guān)。入射能為1–30 eV的沉積原子在基片表面的輸運(yùn)行為有三種：直接吸附、短時(shí)滲透和滲透（或稱植入）。短時(shí)滲透中，沉積原子先滲透到間隙位置然后迅速遷移到表面上的穩(wěn)定位置。當(dāng)入射能高于滲透閾值時(shí)，某些能量范圍內(nèi)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的位置峰，即又發(fā)生了短時(shí)滲透。這種復(fù)雜的輸運(yùn)現(xiàn)象可能是由于沉積原子和基片原子之間復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系所引起的。
　　退火對(duì)亞單層

4、薄膜影響的研究結(jié)果表明，在入射能為1–5 eV和基片溫度為300–500 K時(shí)，亞單層薄膜在基片表面傾向于層狀的二維生長(zhǎng)。入射能增大或(和)基片溫度升高時(shí)，基片表面出現(xiàn)原子混合現(xiàn)象，但600 K的退火處理沒有使吸附原子滲透更深。未退火時(shí)，薄膜表面粗糙度隨著入射能增加而降低，但在某些最佳溫度時(shí)達(dá)到最小。退火后，表面粗糙度明顯降低。此外，退火處理能顯著降低薄膜表層
　　原子的最大法向應(yīng)力。
　　多層膜的分子動(dòng)力學(xué)研究中，薄膜生長(zhǎng)

5、條件和退火溫度與亞單層膜的情況相同。沉積生長(zhǎng)過程中，多層膜傾向?qū)訊u狀生長(zhǎng)。退火前后薄膜的形貌和表面粗糙度變化趨勢(shì)與亞單層膜的情況類似，退火處理使薄膜表面更加光滑和有序。層覆蓋率和徑向分布函數(shù)結(jié)果顯示，入射能和基片溫度對(duì)薄膜有一定的影響；而退火后，RDF的各個(gè)峰值都有增大，表明退火處理增強(qiáng)了薄膜的晶化。另外，退火處理能顯著降低薄膜表層原子的最大法向受力和應(yīng)力。因此，要獲得結(jié)構(gòu)致密的高質(zhì)量薄膜，需要在適當(dāng)?shù)某练e生長(zhǎng)條件下并通過退火處理來(lái)制備