薄膜生长初期的计算机模拟.pdf

薄膜生长初期的计算机模拟 孔蕴婷，唐吉玉，吴靓臻，文于华 华南师范大学物理与电信工程学院，广州（510006 ） E-mail: foxskyt@126.com 摘 要：本文利用 Monte Carlo 方法对薄膜生长过程进行计算机模拟。模型针对粒子的沉积、 吸附及粒子的扩散等过程，研究了生长温度，生长时间对薄膜生长形貌的影响。结果表明: 随温度升高，粒子行走步数增加，薄膜的生长经历了从分散到分形团聚的过程，粒子扩散能 力增强，相应的薄膜岛密度下降，岛平均尺寸变大。随着生长过程的进行，薄膜经历了形核， 形成迷津结构，最后形成连续薄膜的过程。建立了一个比较完整的模型。 关键词：薄膜生长；计算机模拟；蒙特卡罗方法；分形 中图分类号：O484 1. 引言 随着材料科学与技术的发展，人们已能在原子量级制备低维纳米薄膜材料，如量子线、 量子点等。低维纳米薄膜在微电子和光电子中存在巨大的应用前景，受到理论及实验研究的 重视。要制备符合需要的纳米薄膜材料，需要对薄膜的生长过程及微观机制进行深入的研究， 以便人工控制生长过程。 由于受实验条件及其它客观条件所限，一般在薄膜生长实验过程中，都是一种近似“黑 箱” 的操作过。此时，用计算机模拟薄膜生长的研究计划自然而然地被提出。一方面计算机 模拟可以得到实验中无法观察到的某些过程，另一方面，计算机模拟可以很方便地改变薄膜 生长过程中的各种参数如沉积温度、沉积速率、沉积粒子的入射角等，计算机还可用于研究 实验上难以实现高沉积速率、高沉积温度等极端生长条件下薄膜的生长情况。 蒙特卡罗方法是计算机模拟薄膜生长中较常用的一种。DLA(diffusion limited aggregation) [1] [2] 模型 是较早的薄膜生长模型，但这种模型没有考虑薄膜的实际生长条件。Brusch 等 把参 与成核与生长的粒子分三类：沉积原子、扩散原子和蒸发原子。近年来，刘祖黎等[3]采用 MC 模型比较详细的研究了溅射沉积条件下粒子的沉积角度、沉积速率以及入射能量对薄膜生长 的影响。王晓平等[4]研究了薄膜与衬底的晶格失配对超薄膜生长中成核密度、平均核尺寸、 标度关系及生长模式的影响。 由于薄膜的生长过程中，基底表面上会形成不同形状的二维岛，而二维岛在空间和尺寸 方面的分布及二维岛的形状在多层膜生长机制中起着决定薄膜整体质量的作用，因此有必要 对薄膜生长初期二维岛的生长进行研究。本文利用蒙特卡罗方法，模拟薄膜生长的初期过程。 针对原子的吸附，吸附原子的扩散等过程，着重研究了随温度的变化，吸附原子的行走步数 对薄膜生长形貌的影响。 2. 模型简介 薄膜生长是一个随机的动力学过程，包括：沉积原子随机落在基底上成为吸附原子；吸 附原子在基底表面扩散，与其它吸附原子相遇而形成原子团或被原子团俘获；吸附原子从基 底再蒸发或脱附。建立的模型必须考虑这些过程。在实际过程中，单个原子的再蒸发机率较 高，而一旦一个原子与其它原子相遇并结合成团后，其再蒸发机率将大为降低，因此可以近 似地认为只有单个原子可以被再蒸发到衬底外部。在蒙特卡罗模拟中，再蒸发原子是随机选 择的，而入射原子在衬底上的位置也是随机选择的，因此，原子的再蒸发对成膜造成的影响 - 1 - 会由于有粒子不断入射进来而得到一定的弥补，只是在达到相同覆盖率时所用的时间会比不 考虑再蒸发情况下进行模拟所用的时间要长。另一方面，近年来对 Si 的研究发现，即使在 800K 左右时吸附原子也不会从基底蒸发[5,6] 。因此，本文的模型不考虑吸附原子的脱附过程。 本模型只考虑了原子在衬底上的吸附和吸附原子在基底上迁移并成核的过程。 选择 400×400 的正方格子作为薄膜生长的衬底。计算机随机产生原子一个一个地沉积 在基底上。基底是各向同性的，当原子沉积在基底某一位置(x , y ) 时，该原子可以向其最