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射频磁控溅射沉积薄膜的计算机模拟

作　者: 李阳平
导　师: 刘正堂
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 射频辉光放电等离子体计算机模拟溅射输运薄膜沉积
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

射频磁控溅射是一种物理气相沉积技术，已被广泛地用于各种薄膜的制备。它主要包括成膜气相粒子(原子或分子)的产生和输运以及输运到衬底的成膜粒子在衬底上的扩散、聚集、生长成膜两大过程。目前大多数研究是用实验方法来摸索制备不同材料薄膜的工艺参数及其对薄膜性质的影响，以选择最佳工艺参数，因此耗费大、周期长。计算机模拟作为一种新的研究手段，对实验和理论起到了强大的补充作用，被广泛的应用在各个领域。在薄膜技术中，计算机模拟已被用来研究薄膜的生长过程，但对成膜粒子的产生和输运过程还很少进行综合考虑和模拟。在射频磁控溅射中，成膜粒子到达靶面时的能量、入射角度、位置分布对下一步薄膜生长的过程及薄膜性质有着重要的影响，它决定了成膜粒子在衬底上的运动。本论文对射频磁控溅射中入射离子的产生和输运、离子对靶材的溅射、溅射原子的输运过程进行了综合考虑，根据射频辉光放电的阴极壳层理论、粒子的输运理论、离子对靶材的溅射理论建立模型，进行了计算机模拟。其中离子对靶材的溅射模拟运用了SRIM模拟软件，其余各过程的模拟通过自己编写的程序进行。模拟可对各个过程分别进行，也可把前一过程的结果作为后一过程的输入进行全过程模拟。模拟的最终结果包括粒子(入射离子、溅射原子、输运到衬底的成膜原子)的能量、运动方向和位置。本论文的主要结果有： (1)编写了射频辉光放电过程中入射离子的输运模拟程序，并提出了一种简单的决定离子初始状态(位置、速度)的方法。 (2)编写了溅射原子的输运模拟程序，给出了确定溅射原子和背景气体分子碰撞后运动方向的方法。 (3)运用模拟程序模拟了惰性气体(Ar)离子对金属靶(Al)溅射成膜的过程，模拟结果符合一般的实验结果及其规律。主要模拟结果有： ⅰ)入射离子到达靶面时的能量主要受到了射频辉光放电中阴极壳层西北工业大学硕士学位论文李阳平电压的影响，大部分离子的入射能量在阴极壳层电压值附近，离子溅射时接近于垂直入射;射频辉光放电受到阴极磁场的影响，等离子体中的离子主要集中在靶面溅射坑的上方，且入射离子主要来自这个区域;入射离子在输运过程中和背景气体分子有少量的碰撞，但影响不太大。ii)溅射原子的能量一般集中在几个到十几个电子伏特的范围内，在高能量区域也有所分布，但数量很少;溅射原子的出射位置就在离子入射位置的附近(埃数量级);溅射原子的角度在垂直方向和斜射方向都有所分布，但以垂直出射为主;溅射原子的能量、角度分布受到了入射离子能量、角度的影响，但入射离子能量对溅射原子的出射角影响不大。iii)溅射原子的输运主要受到了真空室气压P和靶基距d的影响(即与PXd有关)，PXd的值愈大输运到衬底的溅射原子愈少;溅射原子到达衬底后的能量主要集中在几个电子伏特的范围内，且在能量很低的区域也有分布峰，这主要是由于碰撞使一些原子能量降低、达到了背景气体温度;溅射原子在衬底平面上的位置分布有所扩张，趋于均匀化，但其径向范围主要在靶的直径范围附近。

全文目录

摘要  4-6
英文摘要  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-22
  1.1 概述  11-16
    1.1.1 材料研究的方法及其发展  11-12
    1.1.2 薄膜的应用及制备  12-13
    1.1.3 射频磁控溅射镀膜  13-16
      1.1.3.1 溅射镀膜的过程及特点  13-14
      1.1.3.2 射频磁控溅射镀膜的特点  14-15
      1.1.3.3 射频磁控溅射镀膜设备  15-16
  1.2 射频磁控溅射镀膜的研究现状  16-18
  1.3 本论文研究的目的、意义、方法及结果  18-22
    1.3.1 研究目的和意义  18-19
    1.3.2 研究内容及方法  19-20
    1.3.3 论文结果  20-22
第二章溅射离子的产生及输运  22-48
  2.1 等离子体概述  22-24
    2.1.1 等离子体的产生及应用  22-23
    2.1.2 等离子体内粒子的运动  23-24
  2.2 射频辉光放电的阴极壳层  24-32
    2.2.1 等离子体壳层  24-27
      2.2.1.1 等离子体壳层的形成  24-25
      2.2.1.2 射频辉光放电靶面自偏压  25-27
    2.2.2 射频溅射系统中等离子体的电性质  27-32
      2.2.2.1 射频溅射系统的电极布置  27
      2.2.2.2 靶阴极电位、阳极电位和等离子体电位  27-31
      2.2.2.3 壳层长度及电场分布  31-32
  2.3 离子输运模型的建立  32-41
    2.3.1 坐标系约定  32
    2.3.2 输入参数  32-34
    2.3.3 磁场的影响和被输运离子的产生  34-35
    2.3.4 壳层参数的确定  35-36
    2.3.5 离子与背景气体分子的相互作用  36-39
    2.3.6 离子的输运过程  39-41
  2.4 离子输运的计算机模拟  41-48
    2.4.1 程序的编写  41-43
    2.4.2 模拟结果  43-48
      2.4.2.1 离子到达靶面时的位置  43-45
      2.4.2.2 靶面离子能量分布  45
      2.4.2.3 入射离子角度分布  45-48
第三章靶材溅射的模拟  48-63
  3.1 靶材溅射的机理及模拟方法  48-51
    3.1.1 入射离子和靶原子间的相互作用  48-49
    3.1.2 靶材的溅射过程  49-50
    3.1.3 溅射的计算机模拟方法  50-51
  3.2 SRIM简介  51-53
  3.3 模拟结果  53-63
    3.3.1 溅射原子的位置分布  54-56
    3.3.2 溅射原子的能量分布  56-59
    3.3.3 溅射原子的角度分布  59-61
    3.3.4 溅射产额的变化规律  61-63
      3.3.4.1 溅射产额随离子能量的变化  61
      3.3.4.2 溅射产额随离子入射角的变化  61-63
第四章溅射原子输运及薄膜沉积过程模拟  63-82
  4.1 溅射原子的输运  63-71
    4.1.1 溅射原子和背景气体分子间的作用势能  63-64
    4.1.2 溅射原子和背景气体分子间的碰撞  64-67
    4.1.3 背景气体分子的速度  67-68
    4.1.4 溅射原子的自由飞行距离  68-70
    4.1.5 最大碰撞参数b_(max)的计算  70-71
  4.2 溅射原子输运过程模拟  71-73
  4.3 程序的编写  73-75
  4.4 溅射原子输运模拟结果  75-80
  4.5 薄膜沉积过程模拟  80-82
第五章总结  82-84
参考文献  84-88
致谢  88-89

射频磁控溅射沉积薄膜的计算机模拟

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