薄膜生长过程仿真研究的进展

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薄膜生长过程仿真研究的进展
8 y: f6 d% o& u    李梦扣丁等A191采用二维钢球模型，用计算机模拟了不同工况下薄膜生长的断面组织结
8 ?8 z4 {% g, ^+ }% k: e# J5 x构的形貌。研究结果表明了原子的有限迁移和阴影效应是导致薄膜断面柱状疏松的组织
7 a/ ~4 I" i- ^- K$ {% p0 t结构形成的原因，因此通过采取增加入射粒子能量和使基片旋转等工艺措施，可得到其
有致密组织结构的薄膜材料。肖梅等刀tot通过对薄膜沉积的断面模拟，研究了入射粒子剩余能量、基片温度、蒸发源到基片距离、基片宽度等因素对膜层组织结构的影响，也
得到了类似的结论。
    YGYang等刀川提出了一种two-step Monte Carlo模型，用以模拟低能量粒子((<I. OCV)
在表面的沉积过程。模拟参数使用了实际的工艺参数，对金属Ni薄膜沉积过程中的原子
的运动状态进行了计算机仿真，得到了Ni薄膜沉积的二维断面组织结构图。由于采用物
理气相沉积方法产生的入射粒子的能量较低，因此只研究了气相粒子入射后的剩余能量
对成膜的影响。该模型全面考虑了粒子在多个路径上发生扩散运动的可能，采用嵌入原
了法(EAM)来计算每一个可能扩散路径上的跃迁势垒。模拟结果显示了Ni金属膜在各
9 [/ I/ V9 K/ ^1 U6 k2 O种实际过程参数的影响下，其断面组织结构、成膜密度、晶粒尺寸、表面粗糙度、空位
" S$ T% h1 ^% c" j( E, [缺陷等微观结构的变化规律。Yan酬21在KMC模拟算法的基础上，以两粒子下落的平均
间隔时间作为仿真时间参量，并且还考虑了当表面粒子行走的累积时间恰好达到仿真时
间时，粒子仍有发生扩散运动的可能，这就使该模拟算法能够最大限度地包含所有粒子
2 |8 H- a! Z$ v1 C5 X跃迁的重要事件。
    Hanchen Huang等刀131在用Monte Carlo方法来模拟粒子在基底表面的扩散运动时，
% a7 x" X* h$ O; ~7 W+ k( O( Z首先根据吸附粒子的跃迁速率和势能大小将其分为不同的类，这与通过判断吸附粒子周
6 `- \9 b1 q: x8 U) k7 e围最近邻粒子数的多少来划分类的方法类似，将这些属于不同类的粒子按顺序排列成一
个表单，并形成一个数据库文件，以方便在后续的模拟过程中，可以根据粒子发生扩散
事件的概率来提取表单中的某一个事件。这种利用数据库技术来提取粒子跃迁事件的方
/ w) W( @, F7 Y* |% H0 E1 A法，为实现对薄膜生长过程的MC模拟提供了一种新的思路。作者的另一文pal在单晶格
$ ~6 j- H9 Y7 j模型、双晶格模型的基础L，提出来了一种新的多晶格 Monte Carlo模型。这种多晶格模型、双晶格模型的基础L，提出来了一种新的多晶格 Monte Carlo模型。这种多晶格
) Y" g) o  s3 H+ d3 A1 hMonte Carlo模型是以单晶格为基准晶格，将基准晶格进行不同角度的旋转而得到不同的
' Y" P! N) O5 {( n% h2 u) E晶格结构，不同的旋转角度对应着不同的晶粒取向。晶格模型在保证格点密度相同的基
础上，使旋转后的晶格与原基准晶格的格点之间建立了一一对应的关系，这就使得该模
型可以在原子尺度上模拟不同取向的晶粒的形成过程。模拟结果可以直观地显示，薄膜
2 R) c; b4 V! X/ B生长过程中不同取向晶粒之间的竞争生长过程，这为更好地理解不同取向晶粒之间的竞
争机制，以及探索优化的沉积工艺参数提供了理论依据。然而，由于实际沉积情况的复
杂性，模拟算法中对于晶粒取向的数目尚无统一的标准，只能参考实验观察结果来进行
% Z2 a1 |1 _6 N3 `' G, M有关模型参数的设计。内蒙古科技大学顿十论文
    刘祖黎等人[151116II171Dg1[191根据实验数据和Voter等人的研究结果来选定仿真参量，通
& U/ z2 \4 w7 q过计算成膜过程中粒子发生吸附、扩散和脱附这 三个事件的概率，利用Monte Carl。方法
来确定表面粒子最终将发生哪一个事件。由于粒子跃迁一步所需的仿真时间为表面所有
粒子跃迁速率之和的倒数，因此将仿真参数与实际沉积参数联系起来。在计算粒子间的
相互影响作用时，作者采用了经验公式或Morse势能函数来描述。在算法的实施过程中，
+ Y& `: F% ~: @7 n9 y9 Y作者详细介绍了表面粒子从吸附位跃迁到最近邻空位处的跃迁势垒的计算。针对六角晶
格结构的基底表面，考虑了 二种特殊情况下鞍点能的变化。文中所建模型在充分考虑薄
4 @& a  u/ j* g' t& H1 z. K膜生长所包含的三个动力学过程(粒子入射、吸附粒子扩散、脱附)的基础上，对Bruschi
等人的模型进行了改进，即把入射过程看成为一个独立的随机过程，把扩.散和吸附过程
看成是相互关联的两个过程。利用这个改进的Monte Carlo模型，研究了在不同基底温度
1 A$ l' P4 i8 G- D下岛形貌、岛平均尺寸、单位面积岛密度、岛数量、分形维数的变化规律，以及在低温
时不同的粒子入射能量对岛形貌变化的影响，对因表面缺陷而引起的跃迁势的变化做了
适当的考虑，并比较了在不同的基底晶格结构下，岛形貌与荃底晶格结构的关系。文中
0 B# A0 C! H' N2 C* z; \  c4 Y所采用的参数和模拟结果为以后的仿真工作提供了参考，。
    王均震等人[201利用载能粒子在短时间尺度对基底表面具有瞬时局域溅射效应，以及
在长时间尺度对基底有持续的宏观加温作用，采用Monte Carlo方法模拟了薄膜生长形貌
7 d/ Q  l( z  @4 N; n! b6 M2 Y的变化，并对在相同条件下真空沉积和磁控溅射沉积这两种不同沉积方法形成的薄膜形
貌进行了对比，分析了随时间的演化表面粗糙度变化的原因，最后指出了模拟存在的不
足之处。    王晓平等刀211改进一rDLA模型，通过引入有限的扩散步数W来控制新核的生成，
9 ]: G' s0 ^! G0 R/ V3 Q, ?利用随机数产生的沉积粒子不再仅局限于远离成核中心的位置，真实体现了薄膜生长的
随机过程。由于本模型是用最大扩散步数W来引入仿真时间参量的，因此模拟的结果显
' Y" m& H  Q$ n) b" g6 O' @示了，随时间的演化团簇大小、数目、分形维数、成核率的变化规律。由于沉积粒子的
最大扩散步数可以间接体现粒子的沉积速率、基底温度、粒子剩余能量等参数的大小，
因此该模型可将实际的工艺参量与薄膜生长的微观过程紧密地联系起来。
    张庆瑜等刀221 [2r]将薄膜生长过程看作是由两个性质不同的独立的物理过程组成的，
# W6 p0 K: ^) p" v即粒子沉积初期的沉积动力学过程和表面原子扩散的生长运动学过程，针对这两个过程
2 L* L! g/ R* b. G& n) Z各白的特点，分别采用不同的方法加以处理:以MD方法为基础建立了入射原子的沉积动力学模型;在Voters'】提出的关于表面原子跃迁的 10一原子局域环境模型的基础卜，用
( i7 n8 {: a+ q0 m7 KKMC方法建立了表面原子扩散的运动学模型，并且将表面原子的扩散分为层内扩散和层
0 m2 p) k1 o9 d& r% o1 s' p2 D* r间扩散两种情况。利用由过渡态转变理论(transition-state theory, TST)得到的近似公式，
3 @; k4 m1 {9 R$ F) a可计算出表面原子沿某一方向的跃迁速率。在该模型的基础L，对 Au (100)面f'. Au
+ Z0 X% S0 }  S( `' A薄膜的初期生长过程进行了模拟研究。研究结果显示了薄膜生长温度、沉积粒子能量对
表面形貌和薄膜生长模式的影响，并分析了决定外延生长微观机制的关键性因素，以及
; F9 u* a1 q" R! O, W载能粒子在薄膜生长微观机制中所起的作用。
    顾菊观等刀24)对先前的Monte Carl。模型进行了修改:针对正方晶格的基底表面，假
% a6 t' y" K$ |" y' [" P2 g定增原子可向其最近邻和次近邻共8个方向跃迁，这样基底的各向异性可通过增原子以
7 g+ _2 a9 E9 N不同概率向不同方向扩散体现出来。通过设定增原子的最大扩散步数W来体现由于增原
# w+ j  \3 ?* u; u/ _5 Z: V子本身所具有的能量而导致的沿基底表面扩散能力的高低，而增原子沿团簇边界的扩散
步数W’的大小则体现了生长温度的高低，反应概率Ps体现了成核及团簇长大的难易程
, |, t' X  ^, M% y7 U' H4 `% P# v度。模拟结果显示了增原子沿表面的扩散能力、沿团簇边界的扩散能力、基底表面的各
向异性对薄膜生长形貌、成核状况及分形维数的影响。
    杨宁等A125][26][271采用M。 势函数来描述粒子间的相互作用，以全面反映对沉积粒
子有影响的所有近邻粒子的作用。文中使用玻耳兹曼因子Pa(=BAHrtr)来判断吸附粒子
是否跃迁成功，这就能够使系统免于陷入局域平衡状态，而最终达到系统能量的总体平衡。模拟图形显示出随入射粒子数的不断增加，成膜过程各个阶段的薄膜形貌的变化。
  r, B; g1 _- `7 N# U* P0 J! S研究还比较了在不同作用范围a值下，薄膜形貌的变化，并对模拟结果进行了大量的统
' ?: T. R& n' H0 X  `计分析，得出了团簇数目及团簇平均尺寸随沉积粒子数变化的规律，以及不同团尺寸的
5 L# m. M1 W$ m/ \多重线性分布规律。文中还通过对三维生长过程的模拟验证了二维生长模拟的结果。但
由于该模型对于粒子扩散方向的确定，仅是通过简单的比较源位与目标位能量的大小来
, |$ W" X7 _# D$ Y, M$ Y+ J做出判断，因此未能全面考虑所有迁移运动发生的可能性，这样可能会忽略一些比较重
9 b; y! P: O& F4 S# w要的粒子跃迁运动。
) k, Y* g/ s5 Z8 k- J    庄国策等人(281以Pt材料为例，修正了Hohage等人的模型，建立了一个更为细致的
9 w6 W: ?+ D6 s8 p  @原子扩散模型，即将表面原子沿岛边界的扩散行为细分为两种类型1)沿沟迁移 ((2越顶
迁移。在该模型的基础上，采用KMC方法研究了Pt原子在 (111)面上的成核和长大过
程。研究结果显示出了随时间演化的薄膜形貌变化，以及在不同温度、不同沉积速率 「的薄膜生长规律及形貌特征，并用所建的细致模型分析了薄膜形貌的成因。
    吴锋民等人「29]用Monte Carlo方法对高温条件下，Fe(001)表面二维Fe薄膜生长过程
进行r模拟研究。模型综合考虑r原子的沉积、扩散和再蒸发过程，并区分了表面原子
的两种扩散方式，即沿表面的扩散和沿岛边界的扩散。研究结果显示出，在高温条件卜，
+ s6 o2 _0 @0 }: l; ~表面原子的再蒸发及沿岛边界扩散对岛形貌、岛密度和薄膜生长率的影响作用。
& W# T6 R: V. k2 C* |& v, ~4 K2 a* s    王培林等人(30」所建的模型通过引入网格和俘获截面的概念来处理增原子、近邻原子、
及基底原子之间复杂的相互作用关系。该模型假定基底的每一个晶格点阵位置，对沉积
粒子都存在一个大小不等的俘获截面，沉积粒子将会选择具有最大俘获截面的晶格点阵
位置作为最终的沉积位置。这种方法不必具体考虑沉积原子与基底原子之间的复杂的相
互作用，只通过计算晶格点阵俘获截面的大小，即可确定粒子间的相互作用，从而得到
5 ^$ q7 k  v$ r1 M4 F$ `7 `5 q粒子的运动状态。木文研究了Ge1Si超薄晶体膜的生长过程，模拟r在不同基底温度、
不同扩散激活能和吸附能条件下，薄膜成核和生长形貌的变化。
& N7 U4 Y1 o4 L; \& ^: _5 Y7 R% g    叶健松等人1311建立的Monte Carlo模型充分考虑f薄膜生长所经历的三个过程，即粒
子被吸附、表面粒子的扩散及再蒸发，q1入Morse势来描述粒子间的相互作用。通过在
9 V0 E  v' Q( u& C/ W! Y仿真前预先设定随机分布的籽晶点来作为缺陷点，以利于新核的生成。研究结果显示了
. V! E4 W" Y2 g; Z作用范围参数。值的大小对薄膜形貌的影响，以及粒子间总能量随。值和粒子最大行走步数的变化规律。
! |7 C3 t' X6 o4 G* K) z    由于目前采用MC方法模拟薄膜生长过程的仿真运算中，用于计算表面粒了扩散行
为的计算时间占总模拟时间的90%以上，因此为解决在真实沉积速率下，模拟薄膜生长
1 e* l, R9 M/ @) p过程中存在的计算机的计算处理能力受限这一问题，舒继武等1 (321(33]提出了一种基于分
! o% H4 G  q2 m! a$ Z布并行系统的模拟薄膜生长的MC并行计算方法。针对MC模拟运算具有模拟步数多、
通信频繁而每个模拟步计算量较少的特点，这种方法主要采取了两种措施来使通信开销
大大降低1)首先将模拟区域合理地进行划分，并且将所划分的重叠区域与周期性边界
0 j/ n: X- R& Q2 s& i* D条件有机地结合起来，以减少通信次数和避免同步通信，为异步通信提供有效的保证;
# r8 }6 r" f' v3 a* w7 ?6 f# S(2)采用异步通信方式，避免了同步通信的等待时间并且也减少了通信次数。本文还对基
- |. d- v5 f: X9 N1 Q/ I0 v于不同数量处理机下的并行模拟时间及加速比进行了比较，比较结果显示，通过采用较
) x% m6 v/ }& T" B; r" `( r, B' r多的节点机来进行并行计算，可以处理较大规模的真实沉积速率下的薄膜生长问题。本
8 F: l3 c3 q1 n& \文所提供的MC并行计算方法，为以后用计算机模拟更为真实的薄膜生长过程，在计算方法上开拓了一~个新的思路。
5 l7 j( r; u% j! \: a    张佩峰等人/34]t35)用键一计数KMC方法模拟了Cu薄膜的生长过程。在算法实施上，
6 k5 W( K" g" l利用数据库编程技术和计算机并行处理技术，在36台PC机上完成了对薄膜生长过程原
子运动的模拟。利用计算机图形学原理，实时再现了模拟过程每一步中原子沉积的三维
4 _, X! S# C7 j9 I  ^立体成像。模拟结果显示了，在不同基底温度时薄膜的表面粗糙度及薄膜的相对密度随
6 W; x) k$ z& X/ O入射率的变化规律，而在一定的原子入射率下薄膜生长存在一个最佳生长温度区。在计
算原子迁移的跃迁势垒时，采用了将跃迁路径进行合理细分的方法，以寻求跃迁路径上
. ]' K" ]& i+ P, x的最大势能点，同时也考虑了由于一个粒子的跃迁而引起的势能变化，对周围近邻粒了
造成的连带影响。但该种方法由于所建的模型及计算算法较为复杂而且规模较大，因此
对软、硬件的配置要求也较高。
    日前，薄膜生长的理论模型还不很成熟，因此对薄膜生长过程的计算机模拟只能基
1 i' H* _, N" t( y$ R9 y3 s: J于一些简单的模型而进行，大部分模拟还只是针对简单的基底晶格结构的单质外延生长
! G( ^# V6 ]1 v- s的模拟，并适当地通过预沉积籽晶点来考虑r缺陷的影响，亦有对二元分层沉积过程的
+ }. ~# J0 F! b4 G3 H模拟。采用这种简化模型的好处在于，在模拟过程中易于确定沉积粒子的确切位置，但
  p! o, A% {# z1 w7 c0 m' O其缺点是无法体现具有多种晶粒取向的纳米晶结构的形成。由于粒子间作用势大多采用
8 l0 b0 \9 |: U% P' ^. Q# A9 [经验势和半经验势来计算，不同的材料体系都有相应的经验势函数，以及不同的参数取
值，对于二元及多元化合物来说，其势函数和晶体结构将更加复杂，因此口前国内外的
! Y9 r; _0 v- e' R3 q研究大多是基于单组分的金属薄膜生长的模拟，而且研究内容主要集中在薄膜生长初期阶段的稳定岛的形成及长大过程。

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大家好，我是新来的，求助一个问题，鞍点能的物理意义是什么？谢谢