薄膜生长过程及表面形貌演化研究

论文摘要

薄膜技术与薄膜材料成为当代真空科学技术和材料科学中最活跃的研究领域。一方面控制测量技术不断提高,新的制膜方法不断涌现;另一方面对薄膜生长过程中热力学及动力学行为的研究不断深入。生长界面的形貌是薄膜内部微结构的外在表现,对于薄膜表面形貌演化的深入了解可以更为深入的研究薄膜的生长过程,从而达到控制薄膜结构提高其性能的目的。通过数值模拟方法,研究了Kuramoto-Sivashinsky（KS）方程中各个系数（ν、κ、D）对模型的影响。当KS方程中的系数满足ν=0,λ=0时,模型转化为Mullins扩散模型。通过对Mullins扩散模型的模拟,发现随着表面扩散系数的增加,表面颗粒变得越来越大,形成了较大尺寸的微结构,但是表面起伏明显下降,表面粗糙度减小。同时,研究了表面张力系数对薄膜表面形貌的影响,模拟发现随着薄膜表面张力系数绝对值的增加,表面颗粒度越来越明显,表面起伏程度上升,表面粗糙度增加,表面相关长度近似不变。另外沉积速率对薄膜表面形貌有较大影响,在沉积相同厚度薄膜时,随着薄膜沉积速率增大,表面结构变小,表面粗糙度增加,而表面的相关长度减小。通过磁控溅射工艺,在p-Si（100）衬底上生长制备V2O5薄膜,并且利用原子力显微镜（AFM）测量V2O5薄膜的表面形貌,发现薄膜的生长为各向同性,并且表面具有典型的分形特征。综合AFM测量数据和分形概念,对薄膜表面形貌做出了定量描述,求出粗糙度指数α、水平相关长度ξ、标准偏差粗糙度ω等参数。结合薄膜生长理论模型,分析得出磁控溅射工艺条件下的薄膜生长过程可以用KS模型来描述。研究了Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）模型所决定的非平衡态界面的生长演化过程。模拟结果表明,KPZ模型所决定的表面具有自仿射分形表面的结构特征,并且发现KPZ模型所决定的表面没有明显的颗粒特征。利用分子束外延工艺制备GaAs同质外延薄膜,并且利用AFM测量薄膜的表面形貌特征,通过对AFM所得高度数据的处理,得到GaAs薄膜的粗糙度指数α、水平相关长度ξ、标准偏差粗糙度ω等参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄膜的生长过程
• 1.2.1 成核理论
• 1.2.2 岛在表面的迁移以及熟化
• 1.2.3 合并与渗析
• 1.2.4 薄膜生长过程中的微观动力学
• 1.3 薄膜的生长方式
• 1.4 薄膜生长过程的计算机模拟
• 1.4.1 常用模拟方法简介
• 1.4.2 薄膜生长模型的数值微分方法
• 1.5 本文研究的目的与主要内容
• 1.5.1 本文研究的目的与意义
• 1.5.2 研究工作的主要内容
• 第2章 薄膜中的分形现象及薄膜表面
• 2.1 薄膜生长中的“分形”现象
• 2.2 自仿射分形表面
• 2.3 线性生长模型
• 2.4 Edwards-Wilkinson 模型
• 2.5 Kardar-Parisi-Zhang 模型
• 2.6 Kuramoto-Sivashinsky 模型
• 第3章 基于KS 模型的薄膜生长过程的计算机模拟
• 3.1 引言
• 3.2 KS 生长模型的分形描述及统计特性分析
• 3.3 KS 方程的数值求解
• 3.4 KS 模型决定的薄膜形貌随时间的演化分析
• 3.4.1 Mullins扩散模型中扩散系数对薄膜形貌演化的影响
• 3.4.2 Mullins 扩散模型中沉积速率对薄膜形貌演化的影响
• 3.4.3 KS 模型中表面张力系数对薄膜形貌演化的影响
• 3.5 小结
• 2O₅ 薄膜表面形貌'>第4章 磁控溅射 V₂O₅薄膜表面形貌
• 4.1 引言
• 2O₅ 薄膜样品的制备'>4.2 V₂O₅薄膜样品的制备
• 4.3 V 2 O 5 薄膜生长界面的 A FM 测量及特征描述
• 2O₅ 薄膜生长界面的分形描述及统计参数分析'>4.4 V₂O₅薄膜生长界面的分形描述及统计参数分析
• 4.5 薄膜生长机理及生长模型的探讨
• 4.6 小结
• 第5章 分子束外延 GaAs 薄膜的形貌演化研究
• 5.1 引言
• 5.2 KPZ 生长模型的分形描述及统计特性分析
• 5.3 KPZ 方程的数值求解
• 5.4 KPZ 模型决定的表面形貌演化过程分析
• 5.5 同质外延GaAs薄膜的制备与表面形貌研究
• 5.5.1 GaAs 同质外延薄膜的制备
• 5.5.2 GaAs 同质外延薄膜的形貌测量
• 5.5.3 GaAs 薄膜表面的定量描述
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢