07電科電子檔科技學(xué)院2011屆

目 第一 緒 Mg2Si的研究現(xiàn) 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷 Mg2Si的基本性質(zhì)及研究現(xiàn) Mg2Si的計算機(jī)模 分子動力學(xué)模擬方 磁控濺射技 薄膜材料研究的意 第二 模擬薄膜生長的基本模 分子動力學(xué)模擬方法 分子動力學(xué)的一般理 分子動力學(xué)模擬的基本步 分子動力學(xué)模擬的發(fā)展歷 分子動力學(xué)模擬的具體過 分子動力學(xué)模擬的基本原 運動方 原子間的相互作用 邊界條 數(shù)值算 實際模擬應(yīng)用中的..................................體系中粒子的初始位置和初始速 周期性邊界條件中力的處 時間步長的選 溫度(能量)控 薄膜生長過 第三 濺射工藝對Mg2Si薄膜的影 引 濺射時間對Mg2Si薄膜的影 3.2.1參 XRD衍射 SEM衍射 小 濺射功率對Mg2Si薄膜的影 3.3.1參 XRD衍射 SEM衍射 小 濺射氣壓對Mg2Si薄膜的影 3.4.1參 XRD衍射 SEM衍射 小 本章小 第四 結(jié) 參考文 論了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響。技術(shù)，通過改變?yōu)R射參數(shù)，研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響，并通過X射線衍：Mg2Si；薄膜生長；分子動力學(xué)；磁控濺SemiconductorMg2SifilmgrowthprocessofMolecularDynamicsSimulationTheprchapterintroducesthegenerationofsemiconductormaterialsandthesecondgenerationdevelopmentandapplicationofsemiconductormaterialsandtheirproblemsandscience-inducedcrisisofresourcesandenvironmentalcrisis,anddescribesthedevelopmentofthethirdgenerationofenvironment-friendlysemiconductormaterialstonecessity.Throughtheintroductionofcomputersimulation,solvethedifficultyofexperimentaltheoryresearch.Thesecondchapterprmainlyintroducedmoleculardynamicsmethodinthesimulationofthegrowthofthinfiissomebasicprinciplesandbasicsteps,giventheformofseveralcommonpotentialfunction,selectingpotentialfunctionshouldbepaidattentiontowhentheyrange.Fullconsiderationoftheparticlesysteminitialpositionandinitialvelocity,boundaryconditionsandtimetosimulatethesteplengthselectionofinfluence.Chapter3simpleMg2Sidiscussedtosputterprocess.Theinfluenceoffilmpreparation.Thisprontheonehandusingmoleculardynamics(MD)methodisusedtosimulatethegrowthoftheMg2Sifilminatomicscale,revealmembranelayerofmicroscopicparticlesformedearlychangesprocessandmicrostructureofmembranelayerofevolutionaryregularity,andimprovethegrowthofthinfiistechnology,improvequality,improvefilmpropertiesofthinfilmisofimportantsignificance;Ontheotherhandintheexperimentusingmagnetronsputtering,bychangingthesputteringparameters,Mg2Sifilmofthesputteringtechnologypreparationinfluence,andbymeansofX-raydiffractionandelectronmicroscopescanningofcrystalstructureandsurfacemorphologycharacterization.Keyword:Mg2Si;Filmgrowth;MolecularDynamicsmethod;Magnetron第一 緒Mg2Si的研究現(xiàn)這些半導(dǎo)體器件中經(jīng)常用到的重化學(xué)元素（Ga，AsIn）及其化合物通常對Mg2Si的基本性質(zhì)及研究現(xiàn)Mg2Si是Mg-Si二元體系中唯一的穩(wěn)定存在的化合物具有類CaF2的反螢石晶體結(jié)[2]，空間群為Fm3m，面心立方(fcc)晶體。一個Mg2Si晶胞中含4個硅原子，8個鎂原子符合Mg2Si的化學(xué)計量比Mg/Si=2∶1。晶胞中硅原子位于邊長為a的立方晶胞的各個角Mg2Si，β-FeSi2Ca2Si等，這些硅化物無毒，又由在地殼中儲量極其充足的高數(shù)原子化學(xué)元素Mg2SiMg2Si具有高的熱電勢率和低的導(dǎo)熱率，Si基襯底上外延生長[4]，Mg2Si被認(rèn)為作為一種新型的環(huán)境半導(dǎo)體材料Mg2i以有極低的密度高低膨脹系數(shù)，高熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能而倍受人們的青睞。并且組成Mg2i材料的元素硅和鎂在地層中的蘊藏量大，價格低廉，耐腐蝕，對環(huán)境無污染，是一種理想的環(huán)境半導(dǎo)體材料。圖1.1Mg2Si2000ESPRIT的有關(guān)環(huán)境硅化合物半導(dǎo)體材料的研究計劃。于1996年開始這方面的研究，并于1998開始，每年都召開有關(guān)環(huán)境半導(dǎo)體材料的學(xué)術(shù)會議，并與英國開展合作研究。1997年M.Riffel研究了Mg2Si的熱電性質(zhì)，并組[6]對納米晶Mg2Si金屬間化物塊體材料進(jìn)行了研究；理工大學(xué)等人[7]就采1.5×10-3時，Mg2SiZZT值均最大。在Mg2Si半導(dǎo)體材料技術(shù)方面通常采用粉末冶金法和熔融法來塊體半導(dǎo)體材料，采用熱蒸發(fā)方法，分子束外延等方法半導(dǎo)體Mg2Si薄膜材料，而采具有工業(yè)化優(yōu)勢的磁控濺射技術(shù)來半導(dǎo)體Mg2Si薄膜材料卻顯有先例。Mg2Si的計算機(jī)模、人類研究材料加工的傳統(tǒng)方法主要是通過實驗摸索來研究各種工藝條件下材、推導(dǎo)的方法已經(jīng)不敷應(yīng)用，試驗研究方法來和加工材料的許多缺點：如周期長、代理模型下的計算機(jī)處理，也很難得出有價值的實驗結(jié)果。所以從理論和模擬上材料的性能及研究參數(shù)對材料的影響得到了重視[8]。了一個評估模型正確與否段。計算機(jī)模擬比傳統(tǒng)實驗研究省時。傳統(tǒng)實驗設(shè)備投資大，建設(shè)周期長，且計算機(jī)模擬比傳統(tǒng)實驗研究具有更大的度和靈活性，它不存在系統(tǒng)誤差和計算機(jī)模擬也可以涉足傳統(tǒng)實驗研究很甚至不能進(jìn)行的場合。因此，由于實驗?zāi)M研究存在的，引入計算機(jī)模擬就顯得非常必要分子動力學(xué)(MD)方法是20世紀(jì)50年代后期由B.J.Alder和T.E.Wainwright創(chuàng)造發(fā)展起來的[9]1.11957，Alderinwright了第一篇探討分子動力學(xué)的研究了硬球模型系統(tǒng)的固態(tài)和液態(tài)的相變過程。1964年，Rahman把MD方法應(yīng)用到Lennard-Jones相互作用體系中，并在模擬stepby的程序步驟，以研究體系的時間演化。200010Stillinger-Webe1000K散行為進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，并對甘氨酸分子在納米碳管中的構(gòu)象和能量進(jìn)行了優(yōu)化。模擬計算結(jié)果表明:甘氨酸在納米碳管中的構(gòu)象發(fā)生了伸縮和扭轉(zhuǎn)，這種構(gòu)象的改變將會導(dǎo)致氨基酸生物性能的改變;納米碳管對氨基酸分子具有較強的吸附作用，其中納米碳管和氨基酸分子之間的π-π相互作用增加了納米碳管對氨基酸的吸附能力。1.1（MD1957MD1964MD1971MD1972MD1977RychaertetMD1980MD1983MD1984MD1985第一性原理MD1991MD能，至今為止分子動力學(xué)可模擬的體系可達(dá)到1萬到100萬個原子，可以模擬的尺度可10ns。這些工作的不斷深入開展必將對沉積高質(zhì)量的薄膜有著深遠(yuǎn)的意義。磁控濺射技磁控濺射（MagnetronSputtering，MS）是一種物理沉積方法，它的基本原理是在電它是一種低成本且大面積使用的薄膜技術(shù)，在工業(yè)上有很高的應(yīng)用價值濺射的靶材可以是極難熔融的材料，可以方便地應(yīng)用于高物質(zhì)的濺射和薄膜?？赏ㄟ^調(diào)整濺射粒子的動能來控制薄膜的微結(jié)構(gòu)，改善薄膜的性能薄膜材料研究的意現(xiàn)代微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展打破了以往體材料市場的局面，過去需要眾多以完成，實現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化最為有效的技術(shù)正是薄膜技術(shù)。減小到接近微觀尺度，薄膜材料器件將顯示出全新的物理現(xiàn)象，所以薄膜技術(shù)作為器件微型化的是具有新型功能器件的有效之一。科學(xué)研究和其生產(chǎn)是緊密相連的，如果沒有對薄膜生長過程中原子的行為有深刻的了性能，為實驗提供參考。第二章分子動力學(xué)模擬方法（1-10ps中可以方便的得到。這種優(yōu)點使分子動力學(xué)在材料科學(xué)研究中顯得非常有。分子動力首先學(xué)假定原子的運動軌跡是由運動方程決定的這意味著原子的Lennard-Jones體之類的系統(tǒng)進(jìn)行模擬有效但實際材料科學(xué)中感的問題都是多體效應(yīng)的結(jié)果可能只用二體勢代替解決。盡管人們長期以來對金屬和共價鍵系統(tǒng)的模型作了許多嘗模擬的需要。因此，在使用時必須注意它們的適用范圍。分布隨機(jī)生成的，由于速度的分布符合統(tǒng)計，因此在這個階型、溫度等參數(shù)加以。運動，可以想象其間會發(fā)生吸引、排斥乃至碰撞，這是根據(jù)力學(xué)和預(yù)先給系總的能量不變，但分子勢能和動能不斷相互轉(zhuǎn)化，從而體系的溫度也不早期計算機(jī)模擬的模型都非常簡單，模擬的內(nèi)容主要集中在一些簡單的單原子流究很有意義。以Daw-Baskes和Finnis-Sinclair為代表，依據(jù)局域密度函數(shù)理論發(fā)展（EAM1985年，Schneider等人就首次運用分子動力學(xué)方法研究了Lennard-Jones體系的FCCSi，CuMD近來，Voter和Gong等人發(fā)展了一種超分子動力學(xué)的方法，可以大大地延長MD模擬的分子動力學(xué)（MD）1960J.B.GibsonMD用勢的發(fā)展，MDC,Si,Ga,As分子動力學(xué)模擬的具體過2.1MD—系的微觀狀態(tài)可以由組成體系的N個粒子的坐標(biāo)和動量來確定。在原子層次的模擬中，原子是組成體系的基本粒子，體系的Hamiltonian量為原子坐標(biāo)和動量的函qqiP式中qiPiN HiV(r)

(r

（2-

ext3-13-2ri

,mi,i1,2,,

（2-P NfiVext(riiVirijNj求解上述微分方程組就可計算體系在任何時間的性質(zhì)和狀態(tài)。若不考慮外場的作用，勢函數(shù)V(i)決定了方程求解是否正確。分子動力學(xué)中最基本的運動方程 運動方程d1d1 i

(r)V(r

（2-

mi

iext j 102Lennard-Jones(LJ)1924Lennard-JonesLJ(r)4(ij)12(ij)6

（2- ij ij是表示力的強度的參數(shù)，ij是表示原子大小的參數(shù)。LJMorseMorseij(r)De2a(rijr0)2Dea(rijr0ij

(2-式中D，a,r0可以通過對凝聚能、平衡時的點陣常數(shù)和體彈模量的擬合給出。當(dāng)時，MorseLJ2-5)非常接近。MorseMDStillinger-Weber（SW）對于Si和Ge等半導(dǎo)體，其鍵合強度依賴周圍原子的配置，必須引入三體力及以上的所謂多體力SW勢是由F.H.stillinger和T.A.Weber在1985年[20其一般Etotal2(rij)3(ri,rj,rki i

（2-SW所以一般只用于描述石結(jié)構(gòu)的Si和Ge等半導(dǎo)體材料。TersoffBrenner介Tersoff勢和Brenner勢于Abell引入的有關(guān)碳的處理方法，是一種鍵合強度依賴于周圍原子配置的勢。Tersoff勢不僅能正確描述sP3成鍵類型的石體系，Mg2Si薄膜。TersoffBrenneri

（2-式中rijijfc(rij

R(1)

f(r)0.5

R(1)r

ij

R(2)

r b(1n) f(r)g( g()d(hcos ikik kjij是有效配位數(shù)，ijk是(ij鍵與(ikMDMD99%MD大的體系尺寸仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實材料的尺寸。例如:即使模擬一個三維的有000100100A題。(即Z方向)不賦予周期性條件，而使襯底的底部數(shù)層原子的坐標(biāo)固定，然后在x-Y方向rirririla式中a、bx，Yl、m由式2-3和式2-4可知，在連續(xù)勢作用下，粒子各個時刻受到的力與其運動軌跡都把時間分成很多分立的時間步，每步長為t。在任一時刻tf，給出其加速度。根據(jù)粒子在t時刻的位置和速度，計算出粒子在tt時刻的位置與速度ff，得到t+2t時刻的速度與位置。量少。當(dāng)然還有重要一點就是算法簡單，容易實現(xiàn)。MDVerleteap-frog算法，Velocity-Verlet算法、修正算法等Taylorr(tt)r(t)v(t)t1a(t)(t)21b(t)(t)3o(t4 r(tt)r(t)v(t)t1a(t)(t)21b(t)(t)2o(t4 將式(2-11)和式(2-12)v(t)r(tt)r(tt)1b(t)(t)2o(t3

（2- 忽略式中右邊第二項和第三項，速度的誤差量級在(t)2將式(2-11)和式(2-12)兩式相加，忽略(t4r(tr(tt)2r(t)r(tt)d 式中a(t) V(r Verlet算法用t時刻和tt時刻的粒子位置表示tt時刻粒子位置，而沒有通過速度v(t)來求解使得位置的誤差是(t4量級。實際計算中，在第一步時一般給出初始位置r(0和初始速度v(0r(t)r(0)v(0)t

(2-Verlet算法的程序?qū)崿F(xiàn)很簡單，需要的量rtrttat)也不大。其特點是保持了時間可逆性(這是方程的基本性質(zhì))但時間對稱性最終可能由于數(shù)值計中完全不依賴于粒子速度(甚至可以不計算速度)；速度的計算比位置計算慢一個時間步。在能量守恒方面Verlet總能量漂移。實際模擬應(yīng)用中MD對于粒子的初始速度，當(dāng)溫度為T時，粒子iMaxwell-BoftzmannXvix1

1mv2P(v

i

(2- 2k 2kT 一個均勻分布轉(zhuǎn)化到標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布。Gaussian (x)2P(x)

(2-

為平均值，如先產(chǎn)生12個在[0，l]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)12，…12，則x i

Gaussian，方差為Gaussianx

(2-在實際運用中很容易得到系統(tǒng)中粒子的速度平均值，所以從式2-19就可得到2.22.2Y[0.50.5A，B，C，D2，3，…，9對于邊長>2RcABBABA2，B2，C2，D2ABBRA0.30.2)RB0.30.1RB20.70.1；則RBRA0.60.1RB2RA0.40.1。B2AAB2ABB時間步長t的選擇對模擬的結(jié)果也有著重要的影響。理論上當(dāng)然是選擇的t越小就越能真實反應(yīng)粒子間的相互作用。但太小的t,覆蓋相同的相空間所需的計算步數(shù)會tt應(yīng)該比所研究體系的最短運動周期至少小一個數(shù)量級。MDt應(yīng)遠(yuǎn)小于兩次原子碰撞的平均時間間隔。MDt應(yīng)約1/10。在分子中,最高頻的振動模對應(yīng)于鍵的伸縮，一般的振動頻率為

1014/s,故一般tlfs2.12.1建議時間步長5可變形分子（剛性鍵21MDMDNmv2T(t)i

（2-

左右[13]在模擬體系中采用Berendsen(heatbath)

tT0

（2- 式中△tT0T薄膜生長過層狀生長(LBL)層島生長(S-K)2.3第三 濺射工藝對Mg2Si薄膜的影數(shù)，在一定的熱處理工藝下，研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響，并通過XRD和SEM對樣品的晶體結(jié)構(gòu)和顯微形貌進(jìn)行了表征。通過導(dǎo)師的指導(dǎo)，在Mg2Si薄膜時，簡單了濺射時間、濺射功率、濺射氣壓對Mg2Si薄膜的影響濺射時間對Mg2Si薄膜的影濺射時間不同，沉積膜表面能和晶界能對晶體生長的制約作用導(dǎo)致了晶向分布的變在里選取濺射功率為80W，氬氣流量為20sccm，濺射氣壓為3.0Pa，濺射時20min、25min、30min、35min、40min、45min的條件下濺射沉積鎂膜。表3.1不同濺射時間下樣品的及其對應(yīng)參樣 濺射功率氣體流量濺射氣 濺射時 退火溫度退火時13.0℃523.0℃533.0℃543.0℃553.0℃563.0℃5XRD衍射如圖3.1是樣品在不同濺射時間條件下，經(jīng)過一定的退火處理得到的XRD衍射圖。20minMg2Si生成。隨著濺射時間的增35min濺射條件下。3.1XRDSEM衍射SEM圖。可以看出，樣品濺射時間較短，表面粗20min~35min的濺射時間范圍內(nèi)，樣品表面逐漸變得致密，均勻，35min~45min的濺射時間范圍內(nèi)，樣品表面又開3.2SEM本節(jié)主要研究了濺射時間對Mg2Si薄膜的影響由圖3.1所示的樣品XRD衍射

濺射功率對Mg2Si薄膜的影實驗時設(shè)定氬氣流量為5sccm，濺射氣壓為3.0Pa，濺射時間35min，濺射功率分別60W、70W、80W、90W、100W、110W的條件下進(jìn)行濺射沉積鎂膜。表3.2不同濺射功率下樣品的及其對應(yīng)參樣品濺射功率氣體流量濺射氣 濺射時 退火溫度退火時13.0℃523.0℃533.0℃543.0℃553.0℃563.0℃5XRD如圖3.3所示的是樣品在不同濺射功率條件下經(jīng)過一定的退火處理得到的XRD衍60WMg2Si生成，隨100W濺射條件下，衍射峰值最強。3.3XRDSEM3.4M60W100W時，樣品晶粒尺寸達(dá)到最佳。3.4SEM本節(jié)主要研究了濺射功率對Mg2Si薄膜的影響由圖3.3所示的樣品XRD衍Mg2Si100WSEM100W為制膜濺射氣壓對Mg2Si薄膜的影產(chǎn)生影響一方面當(dāng)濺射氣壓較低時濺射離子的平均程較大濺射離子在相同率較大另一方面當(dāng)濺射氣壓較高時濺射離子的平均程度較小濺射離子與氣體分子間的碰撞加劇，因而薄膜的沉積速率較小。0.5Pa、1.0Pa、1.5Pa、2.0Pa、2.5Pa、3.0Pa、3.5Pa的條件下進(jìn)行濺射沉積鎂表3.3不同濺射氣壓下樣品的及其對應(yīng)參樣品濺射功率氣體流量濺射氣 濺射時 退火溫度退火時10.5℃521.0℃531.5℃542.0℃552.5℃563.0℃573.5℃53.5XRD衍Mg2Si2.0Pa~3.5Pa3.0Pa為制Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件。3.5XRD3.6SEM0.5Pa~2.0Pa2.0Pa~3.5Pa濺射氣壓范圍內(nèi)，隨著濺射氣壓的增加，樣品表面晶粒尺寸先變大后變小，3.0Pa時晶粒尺寸最明顯，并且樣品表面致密度好。3.6SEM本節(jié)主要研究了濺射氣壓對Mg2Si薄膜的影響由圖3.5所示的樣品XRD衍峰及圖3.6所示的樣品SEM圖可以看出，隨著濺射氣壓的增加，在0.5Pa~2.0Pa的濺射氣壓范圍內(nèi)，在0.5Pa的濺射條件下，晶粒近正六邊形的尺寸最大；在2.0Pa~3.5Pa濺射氣壓范圍內(nèi)，3.0Pa的濺射條件下，晶粒尺寸最大，樣品表面致密度好。因此，在0.5Pa~2.0Pa的氣壓范圍內(nèi)，0.5Pa的濺射氣壓為Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件；而2.0Pa~3.5Pa的氣壓范圍內(nèi)，3.0Pa的濺射氣壓為Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件本章小射功率、濺射氣壓，研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響，并通過X射線衍射和電之后，Mg2Si35min的濺射條件下，在該濺射條件下的樣品表面晶粒35min為制膜的最佳時間條件。之后，Mg2Si100W的濺射條件下，在該濺射條件下晶粒尺寸最大，100W為制膜的最佳功率條件。濺射氣壓對Mg2Si薄膜的影響。隨著濺射氣壓的增加，在0.5Pa~2.0Pa的濺射氣壓范圍內(nèi)，Mg2Si最強衍射峰出現(xiàn)在0.5Pa的濺射條件下，在該濺射條件下晶粒近正六邊形的尺寸最大，因此0.5Pa濺射氣壓為此時Mg2Si的最佳氣壓條件；在2.0Pa~3.5Pa的濺射氣壓范圍內(nèi)，Mg2S最強衍射峰出現(xiàn)在3.0Pa的濺射條件下，在該濺射條件下晶粒尺寸最大樣品表面致密度好所以此時濺射氣壓3.0Pa為具有Mg2Si第四 結(jié)Mg2Si作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮臒犭姟⒐怆娮硬牧?，在熱電、光電子器件和能量器論了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響。技術(shù)，通過改變?yōu)R射參數(shù)，研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜的影響，并通過X射線衍之后，Mg2Si35min的濺射條件下，在該濺射條件下的樣品表面晶粒35min為制膜的最佳時間條件。之后，Mg2Si1