Cu薄膜應(yīng)力的計(jì)算機(jī)模擬與表征.pdf

1、在當(dāng)代高科技領(lǐng)域，薄膜科學(xué)有著極其重要的應(yīng)用，許多新材料和新器件的開發(fā)都是從制備薄膜開始的．薄膜應(yīng)力是薄膜生產(chǎn)、制備中的一種普遍現(xiàn)象，幾乎所有的薄膜都處于一定的應(yīng)力狀態(tài)，過大的張應(yīng)力或壓應(yīng)力都會(huì)引起薄膜表面破損，使生產(chǎn)成本不斷提高，極大地限制了薄膜的使用性能。通過對(duì)薄膜應(yīng)力的研究，可以了解薄膜的破壞機(jī)理，進(jìn)而達(dá)到改善薄膜抗損傷性能的目的。但是由于薄膜復(fù)雜的生長(zhǎng)過程，用實(shí)驗(yàn)和理論的方法研究薄膜的生長(zhǎng)存在一定的困難，因而人們開始用計(jì)算機(jī)模擬

2、的方法來研究薄膜的微觀生長(zhǎng)過程。 本文首先在理解薄膜生長(zhǎng)理論的基礎(chǔ)上，用Kinetic Monte Carlo算法以Cu薄膜為例模擬了薄膜生長(zhǎng)的隨機(jī)過程，將分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到薄膜應(yīng)力程序化過程中，利用OriginPro 7.5軟件對(duì)薄膜應(yīng)力模擬結(jié)果進(jìn)行了直觀的展示。 首先，本文提出了一種將薄膜應(yīng)力程序化的計(jì)算機(jī)處理方法。從適用于孤立的完整體系原子層次上的應(yīng)力概念出發(fā)，利用薄膜制備過程是平面應(yīng)變問題，通過面上的“假象力”，將

3、薄膜應(yīng)力實(shí)現(xiàn)程序化。 其次，設(shè)計(jì)了一個(gè)更為合理、完善的模型。在合理選擇原子間相互作用計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，考慮到原子的吸附、遷移、遷移所導(dǎo)致的近鄰原子連帶效應(yīng)以及原子的脫附等過程，給出了一個(gè)有效的激活能計(jì)算方法。 最后，對(duì)模擬算法進(jìn)行了構(gòu)造和優(yōu)化。因?yàn)镸onteC arlo方法作為一種反映隨機(jī)規(guī)律的思想，不可能對(duì)所有的隨機(jī)過程給出現(xiàn)成的具體算法，所以，我們根據(jù)設(shè)計(jì)的模型，構(gòu)造并優(yōu)化了具體的算法，實(shí)現(xiàn)了可行性編程并保證了程序在

4、較低成本的硬件環(huán)境中快速運(yùn)行。 在以上工作的基礎(chǔ)上，我們模擬了原子入射率，基底溫度和薄膜厚度對(duì)薄膜應(yīng)力的影響以及原子入射率，基底溫度和沉積原子個(gè)數(shù)對(duì)薄膜應(yīng)力-厚度的影響。結(jié)果表明，1)在原子入射率和基底溫度一定條件下，隨著沉積原子的增加，薄膜厚度的增加，薄膜應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢(shì)；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在原子入射率一定條件下，當(dāng)薄膜平均厚度相同時(shí)薄膜應(yīng)力隨著基底溫度的增加反而呈減小趨勢(shì)； 2) 在原子入射率和薄膜厚度一定條件下，隨著

5、基底溫度的升高，薄膜應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；與此同時(shí)，在基底溫度一定時(shí)，原子入射率越大，薄膜應(yīng)力越大；隨著基底溫度的升高，薄膜應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；與此同時(shí)，在基底溫度一定時(shí)，原子入射率越大，薄膜應(yīng)力越大； 3)在基底溫度和薄膜厚度一定條件下隨著原子入射率的增大，薄膜應(yīng)力呈增加趨勢(shì)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在原子入射率一定下，基底溫度越低薄膜應(yīng)力越大； 4)在原子入射率和基底溫度一定條件下，薄膜應(yīng)力-厚度與沉積原子個(gè)數(shù)呈線性關(guān)系；與此同時(shí)，當(dāng)沉