不同基板上沉积能量和沉积速率对薄膜生长形貌的影响

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随着薄膜的研究工作不断深入细化,人们取得了一系列丰硕的成果,促进了薄膜应用更加广阔。薄膜生长机理研究是薄膜其它方面研究的基础,因为它直接影响着薄膜的结构和最终性能。用实验的手段来完备地理解薄膜生长的微观机理是十分困难的。计算机模拟则可以简便、快速地实现在原子尺度上再现薄膜生长的复杂演化过程,为优化制膜工艺和创建、完善理论提供依据。  本文在理论部分介绍了计算机模拟薄膜生长的研究背景及现状,还介绍了薄膜的生长理论、常用的模拟方法及模型。基于前面的理论,文中利用动力学蒙特卡罗方法建立了一个在四方晶格基底上进行薄膜生长的三维模型。模型中考虑了沉积、扩散等动力学过程,和近邻粒子的相互作用,同时还考虑了Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒的作用影响,采用了周期性边界条件,并对绕岛过程进行了详细讨论。建立模型之后,对模型分别进行二维和三维的验证,验证所得结果与理论和实验结果相符,证明了模型的可靠性。  模型主要是在理想基板、周期性缺陷基板和随机缺陷基板上通过改变沉积能量和沉积速率的大小来研究沉积能量和沉积速率对薄膜生长初期形貌的影响。所得模拟结果如下:  在理想基板上,随着沉积能量的增大,薄膜生长形貌不断趋向于光滑。随着沉积速率的增大,薄膜变粗糙。沉积粒子的数目对沉积能量、沉积速率的作用规律没有影响。不同沉积速率下,薄膜粗糙度和岛数目随沉积能量的变化规律均一致。沉积能量比沉积速率对薄膜生长形貌的影响更大。在沉积能量适中时沉积速率对薄膜生长初期形貌的影响,比其他沉积能量下沉积速率所带来的影响大。薄膜生长形貌接近光滑所需的沉积能量应不低于0.60eV。  在周期性缺陷基板上,随着沉积能量的增大,薄膜粗糙度和岛数目都是先迅速减小后趋于不变。沉积能量较低时,沉积速率增大,薄膜粗糙度和填充比变化不大,对薄膜生长初期形貌的影响不大;沉积能量较高时,沉积速率增大,薄膜粗糙度不断增大,填充比不断降低,薄膜生长初期形貌的变化比较明显。薄膜生长形貌接近光滑所需的沉积能量应不低于0.51 eV。在保持缺陷的边长周期比为0.4时,当周期为10个晶格时,周期性缺陷基板对薄膜表面上岛的形貌和个数的调制作用最强。  在随机缺陷基板上,随着沉积能量的增大,薄膜粗糙度先缓慢减小,然后迅速减小,最后趋于不变,岛数目先急剧下降,后趋于不变。此时,沉积能量和沉积速率共同对薄膜生长初期形貌的影响规律与周期性缺陷基板上的规律一致。薄膜生长形貌接近光滑所需的沉积能量应不低于0.51 eV。  为了使薄膜生长形貌具有良好的平整性,在沉积能量不能太高的情况下,应控制沉积速率不高于10nm/s。
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