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

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)算機(jī)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(jí)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)介15</p><p>　　2.5 分子動(dòng)力學(xué)DM（Molecular Dynamics)模擬17</p><p>　　2.5.1 分子動(dòng)

5、力學(xué)概述17</p><p>　　2.5.2 分子動(dòng)力學(xué)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(biāo)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(jié)27</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(jì)算機(jī)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(xué)研究中都有重要的應(yīng)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(duì)入射粒子束與靶材的相互作用及其濺射特性做了較為細(xì)致的研究。本論文主要做了如下幾個(gè)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(duì)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(duì)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(jié)果表明：</b></p><p>　　原子量較小時(shí)的Ar+入射Mg所引起的濺射，主要是由進(jìn)入表面之下的背散射離子產(chǎn)生的碰撞級(jí)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(jìn)入Mg內(nèi)部的離子直接產(chǎn)生的碰撞級(jí)聯(lián)產(chǎn)生，撞擊濺射出來原子的能量相對(duì)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(yīng)的增大。</p><p>　　氬離子的入射角從（）這個(gè)階段，靶材Mg的濺射率變化相對(duì)很??；入射角在由（）范圍之間時(shí)，靶材Mg的濺射率有明顯的增大；入射角到達(dá)75 o左右時(shí)，靶材Mg達(dá)到最高

11、峰；入射角從（）這個(gè)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(guān)，貴重金屬靶材跟其它靶材相比濺射率相對(duì)都較高。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 蒙特卡洛；分子動(dòng)力學(xué)；濺射率；級(jí)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(shù)之一，在原子尺度上研究濺射過程中發(fā)生的各種復(fù)雜現(xiàn)象，對(duì)理解薄膜生長(zhǎng)、控制生長(zhǎng)條件、提高制備、掌握其結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定性規(guī)律、

24、驗(yàn)證其對(duì)薄膜物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，從而對(duì)提高薄膜性質(zhì)和改進(jìn)工藝條件具有重要意義。濺射鍍膜是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，各中微觀過程相互影響，最終共同決定薄膜的生長(zhǎng)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(shè)上的，理論的前提和實(shí)際應(yīng)用工作環(huán)境還沒有建立一套完整的對(duì)應(yīng)體系。本文嘗試運(yùn)用離子對(duì)靶材轟擊濺射方面的知識(shí)

25、，系統(tǒng)研究了在各種情況下的原子間相互作用勢(shì)；考慮離子的輸運(yùn)、轟擊過程中的濺射原子的能量、角度、位置等狀態(tài)量，運(yùn)用模擬軟件SRIM2008，計(jì)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(duì)各種情況下的靶材濺射產(chǎn)額也進(jìn)行了計(jì)算，所得出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　二十一世紀(jì)隨著科學(xué)

26、技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)新材料的需求日益迫切。新型半導(dǎo)體材料的研究和突破，使新技術(shù)得以發(fā)展。薄膜材料由于其在微觀結(jié)構(gòu)、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(guān)注，吸引了大批的科技工作者。濺射鍍膜科學(xué)作為多個(gè)學(xué)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(xué)科。從誕生之日開始，就有著快速的發(fā)展勢(shì)頭，到21世紀(jì)的今天己得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著濺射技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展和各

27、科學(xué)領(lǐng)域的不斷交匯，相應(yīng)現(xiàn)了大量新的的濺射薄膜技術(shù)：例如：以蒸發(fā)沉積為科學(xué)依據(jù)出現(xiàn)的（真空蒸發(fā)沉積）、分子束外延薄膜生長(zhǎng)(MBE) 、加速分子束外延生長(zhǎng)(Accelerated Molecular Beam Epitaxy-AMBE)；以載能束與固體相互作用為科學(xué)依據(jù)，相應(yīng)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(qiáng)流離子束蒸發(fā)沉積—Fil

28、m Deposition by IntenseIon-Beam)；以等離子體技術(shù)為科學(xué)依據(jù)，就相應(yīng)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(jìn)行了相應(yīng)的交換，使靶材原子脫離靶表面的一種物理現(xiàn)象。人們對(duì)濺射這一現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)層面很早就展開了大量的科研，并得出了一些科學(xué)性的結(jié)論，如：</p><p>　　濺射離子的能量必須大于相應(yīng)的閾值，這樣才會(huì)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(yīng)的值時(shí)，濺射產(chǎn)額反而會(huì)跟著離子能量的增大而減少。</p><p>　　入射離子能量相同時(shí)，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(guān)。</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(dāng)離子能量相對(duì)較低 時(shí)會(huì)相應(yīng)的出現(xiàn)偏離。<

30、;/p><p>　　當(dāng)前的濺射現(xiàn)象理論有兩種說法：</p><p>　　熱蒸發(fā)理論：認(rèn)為靶原子的能量是從載能離子獲得的，進(jìn)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(jìn)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(rèn)為離子的入射角不會(huì)影響到濺射原子的出射角度。</p><p>　　級(jí)聯(lián)碰撞理論：目前是被科學(xué)界普遍接受的，級(jí)聯(lián)碰撞理論認(rèn)

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(jí)聯(lián)碰撞而得的結(jié)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(duì)靶原子的束縛能量（即體束縛能），靶材原子會(huì)脫離它原來的位置[2]（即出現(xiàn)反沖運(yùn)動(dòng)）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(huì)在靶中級(jí)聯(lián)發(fā)生，直到反沖原子的能量變得很小，不足以進(jìn)行反沖運(yùn)動(dòng)為止；或反沖原子得到指向靶材表面法向的動(dòng)量，并且其能量大于靶材的表面束縛能量，進(jìn)而被濺

32、射出靶材表面。計(jì)算機(jī)模擬粒子束撞擊靶材的過程可分為分子動(dòng)力學(xué)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(yīng)用基于蒙特卡諾方法的SRIM程序?qū)r+轟擊Mg靶材的微觀過程進(jìn)行模擬。</p><p>　　論文的主要工作包括：</p><p>　　詳細(xì)介紹：級(jí)聯(lián)碰撞理論、濺射理論、

33、蒙特卡洛方法、SRIM簡(jiǎn)介、分子動(dòng)力學(xué)MD（Molecular Dynamics）等理論。</p><p>　　本論文旨在運(yùn)用粒子與固體相互作用方面的知識(shí)，對(duì)離子濺射過程中入射離子對(duì)靶材的濺射過程建立模型。并進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(yīng)用基于SEIM的計(jì)算機(jī)

34、模擬。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)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(duì)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(gè)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(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象和運(yùn)用的基本原理，對(duì)其相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)行介紹。對(duì)

36、離子束與靶材碰撞產(chǎn)生的相應(yīng)微觀現(xiàn)象進(jìn)行了描述，并針對(duì)性的對(duì)相關(guān)現(xiàn)象所出現(xiàn)的部分較為標(biāo)準(zhǔn)的物理現(xiàn)象及相應(yīng)理論進(jìn)行了介紹。而且還對(duì)基于離子束與靶材碰撞的計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的敘述，其中包括級(jí)聯(lián)碰撞、濺射理論、蒙特卡羅方法和分子動(dòng)力學(xué)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?qū)r+在范圍為()和不同的入射角度轟擊靶材Mg進(jìn)行相應(yīng)的模擬，對(duì)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(yīng)的介紹；對(duì)濺射原子的濺射率做出了相對(duì)系統(tǒng)的分析。</p><p>　　第三部分：論文第四章，得出相應(yīng)的模擬結(jié)果，作出相對(duì)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(jí)聯(lián)碰撞理論</p><p>　　級(jí)聯(lián)碰撞理論認(rèn)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(jí)聯(lián)碰撞而得的結(jié)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(duì)靶原子的束縛能量—體束縛能，靶材原子會(huì)脫離它原來的位置（即出現(xiàn)反沖運(yùn)動(dòng)）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(huì)在靶中級(jí)聯(lián)發(fā)生，直到反沖原子的能量變得很小，不足以進(jìn)行反沖運(yùn)動(dòng)為止；或反沖原子得到指向靶材表面法向的動(dòng)量，并且其能量大于靶材的表面束縛能量，進(jìn)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(duì)靶材的級(jí)聯(lián)碰撞過程</p><p>　　級(jí)聯(lián)碰撞過程可以分為兩種，1.線性級(jí)聯(lián)碰撞、2.非線性級(jí)聯(lián)碰—撞釘扎模式。</p><p>　　線性級(jí)聯(lián)碰撞過程中，其反沖原子的密度相對(duì)很小，運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yīng)

40、效率跟效果。</p><p>　　非線性級(jí)聯(lián)碰撞中，其反沖原子有很高的密度，運(yùn)動(dòng)原子之間也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的碰撞，從而需要看反沖原子之間濺射效率受到藕合效應(yīng)的相對(duì)影響。在非線性級(jí)聯(lián)碰的情況下，濺射效率會(huì)得到很大的提升。在當(dāng)前，非線性級(jí)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(duì)很大時(shí)非線性級(jí)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(yīng)能量的離子入射到靶材表面時(shí)，它將同靶材表層內(nèi)的原子不停的進(jìn)行碰撞，從而產(chǎn)生相對(duì)的能量移動(dòng)。靶材表層內(nèi)的原子得到能量后就會(huì)出現(xiàn)反沖運(yùn)動(dòng)，隨而形成大量的級(jí)聯(lián)碰撞運(yùn)動(dòng)。只要其中一個(gè)做級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的原子向靶材表面方向移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)原子動(dòng)能相應(yīng)大過靶材表面的結(jié)合能時(shí)，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(jié)果，圖2.2可以具體說明：</p><p>　　圖2.2 濺射的相應(yīng)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(gè)入射離子可以從靶

44、材中轟擊出的原子個(gè)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(shí)。</p><p>　　原子的相對(duì)序數(shù)大的濺射出的原子的能量較大，原子的相對(duì)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(shí)，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(dá)一定值時(shí)，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(huì)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(dāng)時(shí)的科學(xué)他弄不清楚發(fā)生這一現(xiàn)象的具體原因。到了1902年時(shí)，

46、Goldstein才提出了發(fā)生這一濺射現(xiàn)象的原因是因?yàn)殛帢O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(gè)離子束碰撞濺射的實(shí)驗(yàn)。但是一直到1960 年以后，人們才開始關(guān)注濺射現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)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(guān)，而且它還能具體的得到應(yīng)用，比如：表面分析；壁效應(yīng)中的聚變反應(yīng)堆；離子加工跟整形技術(shù)；空間物理等。其后1969年Sigmund 通過大量的實(shí)驗(yàn)，在Linhard和 M.W.Th

47、ompson等人的理論基礎(chǔ)上，通過級(jí)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(duì)簡(jiǎn)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(yīng)濺射。</p><p>　　第一點(diǎn)直流二極濺射：它類似一對(duì)陽極和陰極組成的冷陰極輝光放電管結(jié)構(gòu)。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(gè)極，陰極接上直流負(fù)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(shí)候，陰極靶材上的負(fù)高壓在兩極間發(fā)生輝光放電現(xiàn)象，并建立出一個(gè)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(diǎn)射頻濺射：20世紀(jì)30 年代人們開始發(fā)現(xiàn)，射頻放

50、電管其玻璃壁上會(huì)粘有玷污層，放電的時(shí)候其變得很干凈，這是因?yàn)闉R射促成的?？墒?，射頻濺射真的用于制造薄膜是還是在 20 世紀(jì) 60年代， 由Anderson 和Davidse 開創(chuàng)。其濺射的裝置運(yùn)用了射頻輝光放電基本原理，能夠制造從導(dǎo)體材料到絕緣體材料的任何薄膜，從而使其在20 世紀(jì) 70 年代時(shí)得到普遍的應(yīng)用。</p><p>　　射頻濺射其原理是運(yùn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)濺射靶材的目的。當(dāng)靶材電極是高頻電壓的負(fù)半周時(shí)，離子對(duì)靶材進(jìn)行轟擊產(chǎn)生濺射，而同時(shí)靶材表面出現(xiàn)正電荷的累積。當(dāng)靶材電極是高頻電壓的正半周時(shí)，由于電子對(duì)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?yàn)樵谝粋€(gè)周期之間對(duì)靶材不但有濺射同時(shí)又有中和，因此能使濺射不斷進(jìn)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(diǎn)磁控濺射：是在陰極濺射的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成熟起來的一種新的濺射鍍膜方法，因?yàn)樗苡行У目朔帢O濺射速率不高和電子使基片溫度升高的缺點(diǎn)，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(yīng)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(chǎng)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(yīng)的碰撞，只要電子有足夠能量 (約為30eV)時(shí)，可以電離出的 Ar+離子與一個(gè)電子 1 e 。電子向基體移動(dòng)，Ar+在電場(chǎng)E的作用下加速向陰極靶材移動(dòng)同時(shí)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(dòng)向基體過程中，受到磁場(chǎng)B的洛侖茲力的影響，以螺旋線和旋綸線的復(fù)合形式在靶材表面回旋的運(yùn)動(dòng)。其中電子 1 e 的運(yùn)動(dòng)路徑不僅非常長(zhǎng)，還會(huì)被電磁場(chǎng)束縛在接近靶材表面

54、的等離子體區(qū)域中，在這個(gè)區(qū)中電離出很多的Ar+離子轟擊靶材，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁控濺射的高速特點(diǎn)。</p><p>　　第四點(diǎn)反應(yīng)濺射：在擁有反應(yīng)氣體的情況下濺射靶材時(shí)，靶材料會(huì)跟反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物，這樣的濺射被稱為反應(yīng)濺射。反應(yīng)濺射是運(yùn)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(yīng)氣體的方法來控制或改變其沉積特性，進(jìn)而獲得金屬化合物薄膜。</p><p>　　在具體的反應(yīng)濺射

55、過程中，反應(yīng)氣體跟靶材之間發(fā)生反應(yīng)，在靶材表面得到化合物，這種現(xiàn)象就是靶中毒，當(dāng)靶中毒發(fā)生的情況下，因?yàn)闉R射化合物的速率只相當(dāng)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(yīng)濺射的相對(duì)特點(diǎn)。</p><p>　　圖2.5 反應(yīng)濺射的回線圖</p><p>　　最早運(yùn)用反應(yīng)濺射制備薄膜是在1950年時(shí)，用直流二極反應(yīng)濺射系統(tǒng)制備的Ta2N薄膜電阻器。從此，反應(yīng)濺

56、射被積極研究與廣泛的應(yīng)用，特別是1960 年發(fā)明了射頻反應(yīng)濺射，之后二十多年反應(yīng)濺射發(fā)展到了一個(gè)黃金時(shí)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(yīng)濺射等一系列的技術(shù)。反應(yīng)濺射可以制備化合物薄膜，將不同的反應(yīng)氣體和金屬靶結(jié)合能夠合成有各方面應(yīng)用的單獨(dú)或多組分化合物。反應(yīng)濺射擁有方便、靈活、通用、容易操作溫度等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用在卷繞涂層、刀具涂層、光學(xué)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 、鏡面、聲表面波器件和透明導(dǎo)電氧化物薄膜等不同場(chǎng)合[3]。</p><p>　　2.2.3 濺射過程中運(yùn)動(dòng)粒子同固體表面的相互作用</p><p>　　對(duì)于大多數(shù)離子濺射實(shí)驗(yàn)，離子的入射能量相對(duì)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(duì)金屬靶材料，金屬靶材料中電子的馳豫時(shí)間大約為秒，而一個(gè)擁有10kev能量的Ar+離子

58、，在金屬中移動(dòng)100A所要花的時(shí)間大約為秒，這樣電子在較短的時(shí)間范圍內(nèi)得到的能量不可以造成靶原子的移動(dòng)[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(duì)低，以至于它不能繼續(xù)地產(chǎn)生新的反沖原子，這樣就會(huì)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(huì)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(jí)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(duì)很高，它會(huì)進(jìn)一步的跟其它靜止不動(dòng)的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生一系列新的級(jí)聯(lián)

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

61、子都在運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)的原子數(shù)成正比關(guān)系。而單一撞擊濺射而言，反沖原子的個(gè)數(shù)跟碰撞截面也是成正比的；對(duì)于線性級(jí)聯(lián)碰撞，反沖原子的個(gè)數(shù)跟離子在單位路徑上沉積的能量也是正比關(guān)系，也就是核阻止本領(lǐng)；而對(duì)于熱釘扎濺射而言，反沖原子的個(gè)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(jí)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(jī)模擬(Random simulation)方法，有時(shí)也叫做作隨機(jī)抽樣(Random sampling)技術(shù)或者統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)(Statis

63、tical testing)方法。其思想是，為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)以及生產(chǎn)管理等各方面的具體問題，先建一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使其的參數(shù)跟問題的解相同；再通過對(duì)過程或模型的觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所解得的參數(shù)的統(tǒng)計(jì)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(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示。</p><p>　　首先設(shè)所要求的量是隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，就可以近似的確定的方法是對(duì)進(jìn)行N次重復(fù)抽樣，所產(chǎn)生相互獨(dú)立的值的

64、序列，計(jì)算出算術(shù)平均值[6]：</p><p>　　依據(jù)柯爾莫羅夫加強(qiáng)大數(shù)定理得 </p><p>　　因此，當(dāng)N充分大時(shí)，的概率等于1，也就是可以用作為所求量的估計(jì)值。</p><p>　　當(dāng)用蒙特卡洛方法求解時(shí)，最簡(jiǎn)單的辦法是模擬一個(gè)發(fā)生概率為的隨機(jī)事件A?？紤]到隨機(jī)變量在一次試驗(yàn)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(xué)期望，

65、這就是一次實(shí)驗(yàn)中事件A出現(xiàn)的概率。的方差。假定N次試驗(yàn)中事件A出現(xiàn)了N次，這樣觀測(cè)頻數(shù)也是一個(gè)隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望，方差。令，表示觀察頻率，這樣按加強(qiáng)大數(shù)定理，當(dāng)N充分大時(shí)，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(jì)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(jié)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(xué)問題。用蒙特卡洛方法求解這類問題的方法是：先建立一個(gè)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(xué)期望；再觀察這個(gè)隨機(jī)抽樣模型，也就是產(chǎn)生隨機(jī)變量；最后拿算術(shù)平均值作為所求解的近似估計(jì)值。多重積分計(jì)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(jì)算微分算子的特征值等這些都是這一類。</p><p>

67、　　隨機(jī)性問題。比如中子在介質(zhì)中的擴(kuò)散就是隨機(jī)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(jī)性的影響。對(duì)這類相關(guān)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(yùn)用隨機(jī)抽樣方法來求解，但是普通情況下都會(huì)不采納此間接模擬方法，而運(yùn)用直接模擬的方法，就是根據(jù)實(shí)際物理模型的概率法則，采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行抽樣試驗(yàn)。還有如：核物理問題、隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)中的排隊(duì)問題、運(yùn)籌學(xué)中的庫存問題、動(dòng)物的生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)時(shí)，隨機(jī)實(shí)驗(yàn)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(gè)簡(jiǎn)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(dāng)概率計(jì)算發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，就可以通過隨機(jī)試驗(yàn)獲得頻率來找出問題，并進(jìn)行校驗(yàn)。像意大利一個(gè)賭博者就錯(cuò)誤的以為投擲三個(gè)骰子得9點(diǎn)和10點(diǎn)的概率一樣，可大量試驗(yàn)后結(jié)果

69、發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)9點(diǎn)比出現(xiàn)10點(diǎn)的頻率要小。實(shí)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(jì)法國的學(xué)者布豐(Buffon)對(duì)概率論在博弈游戲中的應(yīng)用頗有研究，他發(fā)現(xiàn)了用隨機(jī)投針試驗(yàn)計(jì)算石的方法。這應(yīng)該就是最早用頻率近似來估計(jì)概率的隨機(jī)試驗(yàn)方法了。其實(shí)，這些都是古代人在運(yùn)用蒙特卡洛方法解決問題。</p><p>　　從相反關(guān)系出發(fā)解各類數(shù)學(xué)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(xué)方程，就可以作若干次隨機(jī)抽樣試驗(yàn)，可以得到隨機(jī)變量，結(jié)果的平均值可視為數(shù)學(xué)方程解的近似估值。在1908年，Gosset在推導(dǎo)出t分布時(shí)，就得出了樣本方差的分布(即一種)。在檢驗(yàn)其方差分布的正確性時(shí)，他以3000個(gè)認(rèn)為是正態(tài)分布的人體測(cè)量數(shù)據(jù)作為總體，用有放回抽樣的方法取出5000個(gè)n=4的樣本，得到了樣本方差的分布情況，相應(yīng)的也驗(yàn)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(jì)量分布的一個(gè)典型例子?？墒?，在那個(gè)時(shí)代隨機(jī)試

71、驗(yàn)卻受到很大限制，因?yàn)橐褂?jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度相對(duì)很高，就要進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)。因此人們要對(duì)隨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行很長(zhǎng)的人工的計(jì)算，這在當(dāng)時(shí)其實(shí)是不可能的。</p><p>　　到了1946年，馮諾伊曼在電子計(jì)算機(jī)上用隨機(jī)抽樣方法模擬了中子連鎖反應(yīng)，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(jìn)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(xué)、真空技術(shù)

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

73、算概率統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的界面學(xué)等學(xué)科，都是運(yùn)用了蒙特卡洛方法[8]。</p><p>　　此外，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展也離不開蒙特卡洛方法，對(duì)其有很大的促進(jìn)作用。如：在計(jì)算機(jī)體系設(shè)計(jì)中非常廣泛地采用概率統(tǒng)計(jì)的思想方法，這樣就要對(duì)各種不同方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和模擬對(duì)比。因?yàn)槊商乜逶囼?yàn)是虛擬的完成，其可以代替設(shè)計(jì)中的部分真實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)而節(jié)省了設(shè)計(jì)的時(shí)間和工作量。</p><p>　　2.4

74、SRIM簡(jiǎn)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(yīng)用于離子束與靶材的相互作用的模擬。SRIM能夠通過計(jì)算機(jī)模擬跟蹤一大批入射粒子的運(yùn)動(dòng)過程。對(duì)粒子的能量損失、位置以及次級(jí)粒子的各種具體參數(shù)在整個(gè)跟蹤過程中都會(huì)有所儲(chǔ)存，可以獲得各種物理量的期望值和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)誤差。</p><

75、p>　　SRIM可以用來計(jì)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(jì)算機(jī)模擬跟蹤一大批入射粒子的運(yùn)動(dòng)。粒子的位置、能量損失以及次級(jí)粒子的各種參數(shù)在整個(gè)跟蹤過程中都會(huì)有所儲(chǔ)存，從而獲得各種所需物理量的期望值和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)誤差。SRIM是應(yīng)用級(jí)聯(lián)碰撞理論建立起的模型，它是把靶材看成是無定形結(jié)構(gòu)，靶原子的位置隨機(jī)分布。在模擬過程中SRIM能夠跟蹤每個(gè)入

76、射離子和反沖原子的運(yùn)動(dòng)直到它們的動(dòng)能低于相應(yīng)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(shí)運(yùn)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(huì)導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)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?fù)p失能量。當(dāng)入射的是重離子時(shí)，則可視為在這期間入射離子作直線運(yùn)動(dòng)，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(jī)抽樣獲得，就是采用統(tǒng)計(jì)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(dòng)的距離。離子跟原子之間的碰撞勢(shì)采用了屏蔽的庫侖相互作用勢(shì)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(dòng)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(gè)部分：</p><p>　　離子在靶材中的分布和靶材損傷的快速計(jì)算。</p><p>　　靶材損傷的級(jí)聯(lián)碰撞詳細(xì)計(jì)算。</p><p>　　靶材表面濺射的計(jì)算。</p><p>　　電子、中子及光子的級(jí)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(jí)聯(lián)過程。</p><p>　　多層化合物中的級(jí)聯(lián)。</p><p>　　上面中靶材表面濺射的計(jì)算只能計(jì)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(jí)聯(lián)碰撞過程及對(duì)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(jí)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(jí)聯(lián)碰撞

80、過程及對(duì)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(jié)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(jí)聯(lián)碰撞的界面</p><p>　　2.5 分子動(dòng)力學(xué)DM（Molecular Dynamics)模擬</p><p>　　2

81、.5.1 分子動(dòng)力學(xué)概述</p><p>　　分子動(dòng)力學(xué)模擬的工作開始于1960年J．B．Gibson等人對(duì)于低能輻照損傷的研究。通過這么多年來的發(fā)展，分子動(dòng)力學(xué)模擬隨著計(jì)算機(jī)的不斷更新進(jìn)步也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，可是其基本的原理從未改變。分子動(dòng)力學(xué)模擬已經(jīng)應(yīng)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(jī)理、離位閩能的具體計(jì)算、移位級(jí)聯(lián)的空間構(gòu)型、級(jí)聯(lián)發(fā)展過程、表面重構(gòu)、高能量密度級(jí)聯(lián)以及薄膜生長(zhǎng)、

82、界面混合等計(jì)算機(jī)模擬的新領(lǐng)域等[11]。緊跟著原子間相互作用勢(shì)的進(jìn)步，分子動(dòng)力學(xué)模擬已被廣泛應(yīng)用到對(duì)Si、C、Ga、As等重要的半導(dǎo)體材料的模擬上。它己成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域罩對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程進(jìn)行研究的一個(gè)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(duì)經(jīng)典MD方法作出相應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)出來的：</p><p>　　其體系整體可以由經(jīng)典力學(xué)處理得出，就是粒子的運(yùn)動(dòng)跟經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程一致，不考慮量子效應(yīng)和相對(duì)論效應(yīng)。只有低能的情況下，經(jīng)典力學(xué)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(xué)勢(shì)函數(shù)近的似描述出來。</p><p>　　全部勢(shì)函數(shù)都和粒子的動(dòng)能沒有關(guān)系。<

84、/p><p>　　勢(shì)能函數(shù)的形式不會(huì)因?yàn)榱Ｗ釉谂鲎策^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(shè)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(dòng)力學(xué)模擬原理</p><p>　　分子動(dòng)力學(xué)體系的微觀狀態(tài)可以由組成體系的N個(gè)粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量全部確定。在其原子

85、層次的相應(yīng)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(dòng)量和坐標(biāo)的函數(shù)。假設(shè)體系中粒子的運(yùn)動(dòng)服從經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就可以認(rèn)為體系的Hamiltonian量就是其表示為所有原子的動(dòng)能K和原子間相互作用的總勢(shì)能V之和，電子對(duì)原子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平均效應(yīng)在勢(shì)能V中反映。如果用：</p><p><b>　　（2—1）</b></p><p>　　分別是體系

86、中N個(gè)粒子的坐標(biāo)、動(dòng)量和速度，這樣，體系中的Hamiltonian量為：</p><p><b>　?。?—2）</b></p><p>　　體系運(yùn)動(dòng)方程可以有很多表達(dá)方式。最普遍的一種表達(dá)形式是拉格朗同運(yùn)動(dòng)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(guān)系是：</p><p><b>　　（2—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?yàn)?，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(dòng)力學(xué)方法的核心是數(shù)值解運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵就是能否得出正確的粒子間相互作用勢(shì)。</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(xué)及表面熱效應(yīng)等。Redhead曾對(duì)這些過程作過非常詳細(xì)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(huì)有相互的作用，可是一個(gè)離子與表面上一個(gè)原子間的碰撞是最基本一次碰撞的過程。入射離子

90、進(jìn)入靶材后所產(chǎn)生的碰撞級(jí)聯(lián)常?？梢钥闯墒且幌盗械膬审w碰撞。因此，兩體碰撞力學(xué)是研究離子與靶材表面相互作用很重要的基礎(chǔ)。</p><p>　　在處理兩體碰撞問題時(shí)，離子與原子間的勢(shì)函數(shù)V(r)又成為最基本的，因此，確定符合實(shí)際的V(r)表達(dá)式也是解決這類問題的關(guān)鍵所在。</p><p>　　為了建立與表面分析有關(guān)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(jí)的初級(jí)離子到

91、達(dá)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(jí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)、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(jí)離子可以穿入靶材表面，進(jìn)入相應(yīng)的深度之后會(huì)被俘獲，這樣稱之為離子注入（Ion Implantation）。在離子注入時(shí)會(huì)發(fā)生一系列的級(jí)聯(lián)碰撞，將其能量慢慢轉(zhuǎn)移給周圍的晶格，最后注入到相應(yīng)的深度。入射離子在靶材內(nèi)移動(dòng)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(yīng)能量，離子就會(huì)射出晶格點(diǎn)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(jí)聯(lián)出現(xiàn)增加，其中必然會(huì)有相對(duì)很小的一部分影響到表面。假設(shè)表面粒子動(dòng)量能有垂直表面的分量并且能量已經(jīng)達(dá)到相應(yīng)的閾值，就會(huì)引發(fā)表面粒子的次級(jí)發(fā)射，這種現(xiàn)象就是濺射。這個(gè)過程如上圖3.1中的II所示。其濺射的次級(jí)粒子可以是原子、也可以是分子或者是原子團(tuán)，他們可以是帶正電或負(fù)

94、電的次級(jí)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(yīng)的初始動(dòng)能。如初級(jí)離子的能量是千電子伏特時(shí)，濺射原子的能量基本就分布在幾個(gè)電子伏特或其他更高的范圍。</p><p>　　還有一些初級(jí)離子和靶材表面原子碰撞，其中在一次碰撞中會(huì)把相當(dāng)大的一部分能量轉(zhuǎn)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(jí)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(jí)離子與靶材表面的相互作用，靶材表面還會(huì)有熱以至化學(xué)變化過程發(fā)生，而且還會(huì)伴有電子或者光的發(fā)射，靶材表面則會(huì)引起輻射損傷，如下總結(jié)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(shí)假設(shè):</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(jìn)行自由飛行。</p><p>　　因?yàn)檎婵帐依餁怏w電離度較低 ,靶材中濺射出來的原子相應(yīng)較少 ,所以濺射原子在移動(dòng)過程中主要是跟背景氣體的原子發(fā)生相應(yīng)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(yùn)動(dòng)速率相對(duì)要比氣體定向流動(dòng)速率要大很多 ,因此除了在壓強(qiáng)較高或者溫度分布相當(dāng)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(duì)很小 ,分子之間以發(fā)生彈性碰撞為主 ,因而在壓強(qiáng)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(jiǎn)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(jí)離子。他們就是與靶材表面原子碰撞進(jìn)行能量與動(dòng)量轉(zhuǎn)移后改變運(yùn)動(dòng)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(yīng)成分跟排列。</p><p>　　中性（包含了受激）原子、原子團(tuán)或正、負(fù)離子。因?yàn)樗鼈冎苯觼碓从诎忻娴谋韺樱ò綄樱?，所以?duì)原子、原子團(tuán)和分子的次級(jí)離子進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(jí)電子以及能量的分布通常會(huì)給出相關(guān)離子轟擊、中和、次級(jí)離子發(fā)射過程跟表面原子電子態(tài)的相關(guān)信息，必須考慮到次級(jí)電子發(fā)射偶爾會(huì)干擾到初級(jí)離子束流的正確測(cè)定。</p><p&

100、gt;　　3.1.3 建立坐標(biāo)系</p><p>　　如圖3.3所示，建立離子濺射靶材的空間三維坐標(biāo)系，以靶面法向?yàn)閄軸，以指向靶內(nèi)的方向?yàn)閄軸正向，靶面為YOZ平面，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，所有的載能離子都是從坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)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(gè)200eV、500eV、1KeV和2KeV的氬離子從同一點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）垂直入射銅靶，得到氬離子引起靶原子級(jí)聯(lián)碰撞過程的模擬結(jié)果。每種入射能量給出4個(gè)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(gè)圖是氬離子引起靶原子級(jí)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(yùn)

102、動(dòng)方向會(huì)偏離入射方向，隨著離子能量的增加，級(jí)聯(lián)碰撞次數(shù)也會(huì)增加，離子側(cè)向偏離的程度就越大，從而離子的分布區(qū)域越大，級(jí)聯(lián)碰撞的區(qū)域也越大，但總的來說，對(duì)于低能入射的離子，離子側(cè)向偏離的距離從宏觀上看一般較小，一般在埃數(shù)量級(jí)，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(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)</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(duì)靶材濺射率的影響。模擬條件下關(guān)于Mg濺射率的報(bào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，入射氬離子能量越大，鎂靶材相應(yīng)的濺射率也越高。在低能量范圍與模擬結(jié)果符合得也比較好，可以認(rèn)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(shè)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(yīng)用基于蒙特卡諾方法的SRIM程序時(shí)就要對(duì)靶材表面原子結(jié)合能(Surface binding energy)，靶材內(nèi)原子結(jié)合能(Bulk bindingenergy)，入射離子移位能(Displacement energy)以及相應(yīng)的原子密度進(jìn)行正確的設(shè)置，對(duì)其上參數(shù)的設(shè)置一般是運(yùn)

106、用分子動(dòng)力學(xué)或者是第一性原理進(jìn)行計(jì)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(duì)很小；入射角從（）左右范圍內(nèi)時(shí)Mg靶材的濺射率就有了顯著的增大；入射角達(dá)到左右時(shí)達(dá)到最高峰；入射角從（）這一階段時(shí)，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(jìn)入靶材內(nèi)部的氬離子直接產(chǎn)生的碰撞級(jí)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(jí)聯(lián)碰撞也隨之增加，進(jìn)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(yīng)的角度后，使濺射的碰撞級(jí)聯(lián)就集中在離表面很近的表面原子層周圍，同時(shí)離子的縱向速度不大，入射離子的背散射無法使碰撞級(jí)聯(lián)完全的擴(kuò)大，使反沖原子的生成效率快速減小。此外，離子在相當(dāng)小的入射角下，