磁控溅射沉积技术具有沉积温度低、成膜致密性高、薄膜结合力强等优点,并且具有独特能量分布的溅射原子在沉积过程中可对生长表面进行重构。鉴于上述优点,近年来磁控溅射技术被运用于高端微纳制造领域以制备具有特定形貌、结构和厚度的微纳米薄膜,因此需对溅射薄膜的微观形貌、微观晶体结构以及薄膜均匀性进行精确控制。对溅射薄膜性质进行精确调控的关键在于对磁控溅射镀膜所涉及的靶材原子溅射、输运和沉积过程进行系统研究,并探讨磁控溅射工艺参数对薄膜性质的影响机理。然而,目前还很难通过实验手段在线观测这些涉及微观尺度和宏观尺度的物理过程;另外,在数值仿真研究方面,目前相关模拟方法的精度以及相关数值模型的适用性上均存在不足。在此背景下,本文采用一系列多尺度仿真手段对磁控溅射薄膜沉积所涉及的靶材原子的溅射、输运和沉积过程进行了系统研究。本研究的宗旨在于将这些面向工艺运用的仿真方法与实验手段相结合从而实现快速制备高质量的溅射薄膜。主要创新点和研究内容如下:1)低能离子轰击单晶铜靶材溅射过程研究:鉴于低能离子轰击单晶靶材所引发的溅射过程中原子沿特定方向优先出射(形成“Wehner斑点”)的机理仍存在争议。本文采用分子动力学方法深入研究了不同温度下500eV氩离子轰击单晶铜(001)表面所引发的微观溅射过程。模拟结果表明:在低能离子轰击单晶铜(001)表面时,最终沿密排晶向离开靶面的溅射原子在最初离开其初始晶格点时并非沿着沿密排晶向运动,随后,溅射原子受到与其构成菱形结构的三个近邻原子对其施加的有规律的作用力之后才最终沿着沿密排晶向离开靶材表面。溅射原子优先出射机理可以概括为:“水平定向和滑跃起飞”。模拟结果证实单晶靶材原子出射的各向异性与靶材表面原子的规则排布所形成的特定的表面势能分布有关,而与聚焦发射无关。随着温度升高,溅射原子出射的各向异性逐渐减弱。这主要是由于靶材原子热振动幅值的增加降低了靶材表面原子排布的规则性从而导致靶材表面势能分布的变化。2)MC-MD耦合模拟方法及其在溅射Cu原子输运过程仿真中的运用:针对现有蒙特卡洛方法(MC)在计算溅射原子碰撞后的散射角方面的不足,本文首次提出了一种用于模拟溅射原子输运过程的耦合模拟方法。该耦合模拟方法采用分子动力学方法(MD)动态再现溅射原子与背景气体原子之间的碰撞过程,并自恰地计算溅射原子碰撞后的速度大小和方向;采用蒙特卡洛方法(MC)模拟溅射原子在两次连续碰撞之间的自由飞行过程。建立了计算特定碰撞条件下溅射原子散射角的解析模型,并利用其对MC-MD耦合模拟方法中的MD微观碰撞模型进行了可靠性验证。采用该MC-MD耦合模拟方法计算了溅射气压为0.15Pa、0.5Pa和2Pa时具有偏角偏轴靶基配置的磁控溅射系统镀膜过程中溅射Cu原子到达2英寸衬底时的入射能量分布和入射极角分布。3)基于MC-MD耦合模拟结果的溅射Cu/Si(100)薄膜沉积的MD模拟与实验验证:采用上述MC-MD耦合模拟所计算的溅射Cu原子到达衬底时的速度数据作为输入,运用分子动力学方法贴近实际地模拟了溅射气压为0.15Pa、0.5Pa和2Pa时溅射Cu原子在单晶硅(100)面的沉积行为。分子动力学模拟结果展示了三种溅射气压下溅射薄膜的微观表面形貌、微观晶体结构和Cu/Si界面结构。在相同工艺条件下通过实验制备了Cu/Si(100)溅射薄膜,并通过实验手段对薄膜的表面形貌、晶体结构和界面宽度进行了表征。实验结果与分子动力学模拟结果吻合。分子动力学模拟结果表明:随着溅射气压从0.15Pa增加到2Pa,溅射铜薄膜的微观生长模式由二维层状生长向三维岛状生长的转变导致其表面粗糙度逐渐增加。另外,分子动力学模拟结果在微观尺度上动态展示了薄膜生长模式转变的机理以及铜薄膜与硅衬底之间的Cu/Si界面的形成机理。4)三靶共溅薄膜沉积均匀性的数值模拟以及实验研究:针对目前基于解析模型计算溅射薄膜厚度分布函数的数值方法采用纯几何关系求解模型中的相关参数而很难推广到三靶共溅磁控溅射系统的现状。本文基于现有解析模型将靶面和衬底网格化并结合坐标变换和矢量运算的思想提出一种可求解具有任意靶基配置的三靶共溅系统所沉积薄膜的厚度分布函数的新方法。采用该方法研究了靶偏角和靶基距对特定三靶共溅系统成膜均匀性的影响,并预测靶偏角为35°且靶基距为70mm时该三靶共溅系统可获得最佳的沉积薄膜均匀性。在同等溅射工艺条件下进行了验证性实验,实验结果证实了模拟结果的可靠性。另外,模拟结果揭示了靶偏角和靶基距对薄膜厚度分布的影响机理,这对于实际生产具有指导意义。