膜-基界面的结构表征及能量计算

论文摘要

对于薄膜特别是柱状晶薄膜,当晶粒在膜平面内的尺寸大于膜厚时,柱状晶粒的上底面（即自由表面）和下底面（即膜-基界面）的面积将大于侧面（即晶界面）的面积,因此薄膜中的晶粒生长除像整体材料中的晶粒生长一样考虑晶界能外,还需要考虑表面能和界面能,因为各向异性的表面能和界面能将导致薄膜中的异常晶粒生长和织构变化。另外膜-基界面结构及能量除直接影响膜-基结合强度外,对薄膜本身的性能也有一定影响。 本文采用重合位置点阵（CSL）的方法表征了Ag、Au、Al和Cu四种面心立方（FCC）金属的（001）、（011）和（111）取向的半无穷大晶体分别与Si的（001）和（111）取向的半无穷大晶体构成的扭转界面的结构,并应用改进嵌入原子法（MEAM）计算了它们的能量。 首先,我们应用Matlab程序确定了Ag、Au、Al和Cu四种面心立方（FCC）金属的（001）、（011）和（111）取向的半无穷大晶体分别与Si的（001）和（111）取向的半无穷大晶体构成的扭转界面的扭转角θ、二维重合密度的倒数ΣM*/ΣSi*、传递矩阵U1（=UM）和U2(=USi)的元素uijM和uijSi（i=1,2;j=1,2）以及对应的失配度Fi（i=1,2）。 然后应用改进嵌入原子法（MEAM）计算了这些扭转界面能量,得到以下主要结论: （1）不同于晶界能,由两种不同材料的相同取向的半无穷大晶体构成的界面,对应扭转角θ-0°的界面能并非为零。 （2）由任意两个取向的半无穷大晶体构成扭转界面时,两晶体间存在一个与扭转角无关且使界面能为最小值的最佳（平衡）距离de=（?）0+Δde(其中（?）=dSi（hkl）+dM（h’k’l’）/2Δde为其平衡时的增加量,并且Δde和不同扭转角的平均界面能（?）随（?）0的增加而减小。Ag、Au、Al和Cu四种面心立方（FCC）金属的（001）、（011）和（111）取向的半无穷大晶体与Si的（001）和（111）耳义向的半无穷大晶体构成的扭转界面的Δde分别是0.045、0.075、0.030,0.04、0.07、0.025;0.045、0.075、0.035,0.04、0.065、0.025;0.060、0.090、0.050,0.055、0.085、0.040;0.070、0.095、0.060,0.065、0.075、0.055nm。 （3）对于Si（001）或Si（111）基底上的Ag、Au、Al或Cu四种面心立

论文目录

• 第一章 绪论
• §1.1 薄膜及其应用
• §1.2 集成电路的基本结构
• §1.3 金属内连导线材料的要求和性能比较
• §1.4 薄膜中的晶粒生长及织构变化
• 第二章 薄膜中的异常晶粒生长理论及能量各向异性分析
• §2.1 异常晶粒生长理论模型
• §2.2 能量各向异性分析
• §2.2.1 晶界能
• §2.2.2 表面能
• §2.2.3 膜-基界面能
• 第三章 界面能计算
• §3.1 改进嵌入原子法（MEAM）
• §3.2 界面能的计算
• §3.3 扭转界面重合位置点阵的确定
• §3.4 扭转界面的周期性
• 第四章 计算结果及分析
• §4.1 Ag／Si扭转界面
• §4.2 Au／Si扭转界面
• §4.3 Al／Si扭转界面
• §4.4 Cu／Si扭转界面
• 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果