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Cu薄膜应力的计算机模拟与表征

孙治国  
【摘要】: 在当代高科技领域,薄膜科学有着极其重要的应用,许多新材料和新器件的开发都是从制备薄膜开始的.薄膜应力是薄膜生产、制备中的一种普遍现象,几乎所有的薄膜都处于一定的应力状态,过大的张应力或压应力都会引起薄膜表面破损,使生产成本不断提高,极大地限制了薄膜的使用性能。通过对薄膜应力的研究,可以了解薄膜的破坏机理,进而达到改善薄膜抗损伤性能的目的。但是由于薄膜复杂的生长过程,用实验和理论的方法研究薄膜的生长存在一定的困难,因而人们开始用计算机模拟的方法来研究薄膜的微观生长过程。 本文首先在理解薄膜生长理论的基础上,用Kinetic Monte Carlo算法以Cu薄膜为例模拟了薄膜生长的随机过程,将分子动力学应用到薄膜应力程序化过程中,利用OriginPro 7.5软件对薄膜应力模拟结果进行了直观的展示。 首先,本文提出了一种将薄膜应力程序化的计算机处理方法。从适用于孤立的完整体系原子层次上的应力概念出发,利用薄膜制备过程是平面应变问题,通过面上的“假象力”,将薄膜应力实现程序化。 其次,设计了一个更为合理、完善的模型。在合理选择原子间相互作用计算方法的基础上,考虑到原子的吸附、迁移、迁移所导致的近邻原子连带效应以及原子的脱附等过程,给出了一个有效的激活能计算方法。 最后,对模拟算法进行了构造和优化。因为MonteC arlo方法作为一种反映随机规律的思想,不可能对所有的随机过程给出现成的具体算法,所以,我们根据设计的模型,构造并优化了具体的算法,实现了可行性编程并保证了程序在较低成本的硬件环境中快速运行。 在以上工作的基础上,我们模拟了原子入射率,基底温度和薄膜厚度对薄膜应力的影响以及原子入射率,基底温度和沉积原子个数对薄膜应力-厚度的影响。结果表明, 1)在原子入射率和基底温度一定条件下,随着沉积原子的增加,薄膜厚度的增加,薄膜应力呈逐渐增大的趋势;同时也发现,在原子入射率一定条件下,当薄膜平均厚度相同时薄膜应力随着基底温度的增加反而呈减小趋势; 2)在原子入射率和薄膜厚度一定条件下,随着基底温度的升高,薄膜应力呈减小趋势;与此同时,在基底温度一定时,原子入射率越大,薄膜应力越大;随着基底温度的升高,薄膜应力呈减小趋势;与此同时,在基底温度一定时,原子入射率越大,薄膜应力越大; 3)在基底温度和薄膜厚度一定条件下随着原子入射率的增大,薄膜应力呈增加趋势;同时还发现,在原子入射率一定下,基底温度越低薄膜应力越大; 4)在原子入射率和基底温度一定条件下,薄膜应力-厚度与沉积原子个数呈线性关系;与此同时,当沉积原子个数相同时,基底温度越低薄膜应力一厚度越大; 5)在基底温度和下落原子个数一定时,薄膜应力-厚度随原子入射率增大而增大;与此同时,在原子入射率一定下,温度越低薄膜应力-厚度越大; 6)在原子入射率和下落原子个数一定时,薄膜应力-厚度随基底温度的增加而减小;与此同时,在基底温度一定下,原子入射率越大薄膜应力-厚度呈减小趋势。


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