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基于SRIM的入射粒子束与靶材相互作用的计算机模拟.rar

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    基于 SRIM 入射 粒子束 相互作用 计算机 模拟
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    1科技学院毕业论文(设计)论文(设计)题目:基于 SRIM 的入射粒子束与靶材相互作用的计算机模拟学 院: 贵州大学科技学院 专 业:电子信息科学与技术班 级:_ 2007 级_学 号: 072004110457 学生姓名: 孙 万 胜 指导教师: 肖 清 泉 2011 年 5 月 20 日科技学院毕业论文(设计) 第 I 页I目 录摘 要 .......................................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................................II第一章 绪 论 .........................................................................................................................11.1 研究目的及意义 ............................................................................................................11.2 国内外研究现状 ............................................................................................................21.3 本论文的主要内容 ........................................................................................................3第二章 模拟原理 .....................................................................................................................52.1 级联碰撞理论 ................................................................................................................52.2 溅射理论 ........................................................................................................................62.2.1 溅射概述 ....................................................................................................................62.2.2 常用溅射介绍 ............................................................................................................72.2.3 溅射过程中运动粒子同固体表面的相互作用 ......................................................102.3 蒙特卡洛方法 ..............................................................................................................122.3.1 蒙特卡洛方法的基本思想 ....................................................................................122.3.2 蒙特卡洛方法的发展历史 ....................................................................................132.4 SRIM 简介 ......................................................................................................................152.5 分子动力学 DM(Molecular Dynamics) 模拟 ..............................................................172.5.1 分子动力学概述 ......................................................................................................172.5.2 分子动力学模拟原理 ..............................................................................................18第三章 靶材溅射的 SRIM 模拟 ...........................................................................................193.1 离子与固体表面的相互作用 ........................................................................................193.1.1 离子与固体表面相互作用的基本概念 ..................................................................193.1.2 各种离子的发射现象 ..............................................................................................213.1.3 建立坐标系 ..............................................................................................................223.1.4 入射离子的位置分布 ..............................................................................................233.1.5 不同能量入射镁的溅射率 ......................................................................................243.1.6 不同角度入射镁的溅射率 ......................................................................................243.1.7 相同能量轰击不同靶材溅射率分布规律 ..............................................................25致 谢 .........................................................................................................................................27第四章 总 结 .........................................................................................................................28参考文献 ...................................................................................................................................29科技学院毕业论文(设计) 第 I 页I基于 SRIM 的入射粒子束与靶材相互作用的计算机模拟摘 要本文应用基于蒙特卡诺方法的 SRIM 程序对 Ar+轰击 Mg 的微观过程进行模拟。分别模拟出不同能量( ) 入射能量对靶材溅射率的影50~2eV响;以及取能量为( )不同角度( )下 Ar+轰击 Mg 引起的溅射率;e09最后在相同能量的 Ar+( )轰击不同靶材,分析靶材溅射率随周期表的变化。结果表明:1.原子量较小时的 Ar+入射 Mg 所引起的溅射,主要是由进入表面之下的背散射离子产生的碰撞级联造成,溅射原子具有较高的能量,离子在 Mg 中有较广的分布;而随着原子量逐渐变大 Ar+入射所引起的溅射,主要是由进入 Mg 内部的离子直接产生的碰撞级联产生,溅射原子的能量相对较高,离子在 Mg 中分布范围相对较高。溅射率也跟随能量的不断增加而在相应的增大。2.氩离子入射角从 0 度上升到 30 度这个阶段中 Mg 靶材的溅射率变化不大;入射角在由 30 度增加到 75 度左右范围内 Mg 靶材的溅射率有显著的增加并在 75 度左右达到峰值;入射角从 75度到 90 度阶段,Mg 靶材溅射率开始锐减。3. 溅射率随元素周期表没有明显规律,其走向没有规律性可寻。还可以看出溅射率跟靶材的材质有关,其他靶材跟贵重金属靶材相比溅射率相对都较高。关键词:蒙特卡诺,分子动力学,溅射率,级联碰撞 科技学院毕业论文(设计) 第 II 页IIBased on the SRIM incident particles interact with target material of computer simulationAbstractThis paper applied the carnot method based on monte SRIM program on Ar + bombardment to simulate the process of Mg in micro. Simulate different energy (respectively 50eV ~ 2000eV) incident energy on target material sputtering rate influence; And take energy for (500 eV) under different Angle Ar + bombardment of sputtering rate; caused Mg Finally in the same energy Ar + (500 eV) at a different target materials, analysis with target materials sputtering rate of the periodic table of the change. The results show that: 1. Atomic weight more hours of Ar + incident Mg caused by the sputtering, mainly by entering the backscatter ions under the surface of the collision produced cascade cause, sputtering, high energy atoms in Mg ions have wider distribution; And as atomic weight Ar + increasingly large incident caused the sputtering, primarily by internal ion directly into Mg the collision that produces a cascade of produce, sputtering atomic energy is relative taller, ion in Mg distribution scope of relatively high. Sputtering rate followed energy increases in the corresponding increase. 2. Argon incident Angle from 0 degrees up to 30 degrees this phase of Mg of target material sputtering rate changed; Incident Angle by 30 degrees in increased to about 75 degrees within the sputtering rate target materials Mg significantly increase and 75 degrees or so peak; From 75 degree Angle to 90 degrees stage, Mg target materials sputtering rate began to down sharply. 3. Sputtering rate varies with periodic table no obvious rule, its towards no regularity to find. Still can see sputtering rate target materials related to the material and other precious metal target materials compared with sputter rate relative target materials is higher.Keywords:molecular dynamics, sputtering rate, cascade collision科技学院毕业论文(设计) 第 1 页1第一章 绪 论1.1 研究目的及意义粒子束轰击靶材产生溅射是广泛使用制备薄膜等有效的技术之一,在原子尺度上研究溅射过程中发生的各种复杂现象,对理解薄膜生长、控制生长条件、提高制备、掌握其结构形成和稳定性规律、验证其对薄膜物理和化学性质的影响,从而对提高薄膜性质和改进工艺条件具有重要意义。溅射镀膜是一个复杂的物理化学过程,各中微观过程相互影响,最终共同决定薄膜的生长和性质,如下图(1-1)所示。现有的理论都是建立在前期的一系列假设上的,理论的前提和实际应用工作环境还没有建立一套完整的对应体系。本文尝试运用离子对靶材轰击溅射方面的知识,系统研究了在各种情况下的原子间相互作用势;考虑离子的输运、轰击过程中的溅射原科技学院毕业论文(设计) 第 2 页2子的能量、角度、位置等状态量,运用模拟软件 SRIM2008,计算出入射离子在靶材中的能量损失和射程分布,以及靶材原子溅射后其能量、出射位置和出射方向角等状态量,对各种情况下的靶材溅射产额也进行了计算,所得出结果与实验结果相符合。1.2 国内外研究现状二十一世纪随着科学技术的发展,各行业对新材料的需求日益迫切。新型半导体材料的研究和突破,使新技术得以发展。薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面所具有的特殊性,因此在现代材料特别是电子材料中占有日益重要的地位。薄膜材料的研究受到了世界各国的广泛关注,吸引了大批的科技工作者。薄膜科学作为多个学科交叉综合,以系统为特色逐步发展起来的新兴学科,自诞生之日起,就以迅猛的势头向前发展,至今己取得了长足的进步。随着科学技术的发展和各学科技术的相互交叉,出现了一些薄膜制备技术:例如:以蒸发沉积为基础发展出了真空蒸发沉积、分子束外延薄膜生长(MBE)、加速分子束外延生长(Accelerated Molecular Beam Epitaxy-AMBE);以载能束与固体相互作用为基础,先后出现了离子束溅射沉积、电子束蒸发沉积、脉冲激光溅射沉积(Pulse LaserAblation Deposition-PLD)、强流离子束蒸发沉积(Film Deposition by IntenseIon-Beam);以等离子体技术为基础,出现了化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射镀膜等;同时,人们将载能束与薄膜生长相结合发展了离子束辅助沉积(IBAD)、低能离子束沉积 (Ion Beam Deposition-IBD)、离子束混合等。溅射是入射离子对靶材原子作用,二者之间进行能量交换,使靶材原子脱离靶表面的一种物理现象。人们对溅射现象在实验上很早就展开了大量的研究,并且出了一些经验性结论,如:1. 溅射离子的能量须大于一定的阈值时才能发生溅射;2.溅射产额随入射离子能量的增加而增加,但离子能量增大到一定值时,溅射产额会随着离子能量的增加而降低;3.在相同能量下,重离子的溅射产额比轻离子的要大,且溅射产额与入射角有关;4.溅射原子的出射角基本服从余弦规律,但当离子能量低时有所偏离。目前溅射现象理论解释有两种:科技学院毕业论文(设计) 第 3 页3A、热蒸发理论:认为载能离子把能量传递给了靶原子,引起靶面的局部高温,从而使靶面融化、蒸发,克努曾(Knudsen)由此得出了溅射原子角度的余弦分布定律,并认为溅射原子的出射角与离子的入射角无关。B、级联碰撞理论:被广泛接受的解释,级联碰撞理论认为固体表面的溅射是离子同表面附近的原子级联碰撞的结果,即入射离子把能量传递给与其相碰撞的靶面原子,如果传递的能量大于靶原子周围的其它原子对靶原子的束缚能(即体束缚能) ,靶原子就会离开它原来的位置(即进行反冲运动)并与其他的靶原子发生碰撞。这样,碰撞就会在靶中级联进行,直至反冲原子的能量很低,不足以进行反冲运动;或反冲原子具有指向靶面法向的动量,且其能量大于固体的表面束缚能,从而被溅射出靶面。粒子撞击靶材过程的计算机模拟可分为分子动力学和蒙特卡罗法。1.3 本论文的主要内容本论文的研究工作主要是基于蒙特卡诺方法的 SRIM 程序对 Ar+轰击 Mg 靶材的微观过程进行模拟。主要内容包括:详细介绍了:级联碰撞理论、溅射理论、蒙特卡洛方法、SRIM 简介、分子动力学MD(Molecular Dynamics)等。本文旨在运用粒子与固体相互作用方面的知识,对离子溅射过程中入射离子对靶材的溅射过程建立模型,并进行计算机模拟,得出入射离子的深度分布以及溅出原子在靶材表面的能量、角度分布,得出靶材溅射率分布情况。了解粒子束轰击靶材的微观过程,特别是基于蒙特卡诺方法的的计算机模拟。运用分子动力学方法在原子角度上分析低能氩离子与镁表面相互作用的微观原理。1、模拟入射粒子取 Ar+能量取( )靶材取 Mg,能量从小逐渐到大,50~2eV保存每次模拟后的数据,分析不同的入射能量对靶材溅射率的影响。2、模拟以及取能量为 Ar+( )不同角度( 度)下轰击 Mg 引起的溅射率。093、模拟在相同能量的 Ar+( )轰击不同靶材的情况下,分析靶材溅射率随周50eV期表的变化。论文主要分为三个部分:论文的第一部分包括第一章以跟第二章,主要介绍离子溅射研究的目的及意义,科技学院毕业论文(设计) 第 4 页4以及离子碰撞的国内外现状。别介绍了离子束与固体相互作用的基本现象和基本原理,以及相应的计算机模拟方法。要对离子束与固体相互作用产生的一系列微观现象进行了阐述,针对这些相关现象所提出的一些较为准确的物理解释及基本理论进行了介绍。并且对应用于离子束与固体相互作用的计算机模拟方法进行了简要的介绍,主要包括级联碰撞、溅射理论、分子动力学方法以及蒙特卡罗方法。论文第二部分包括第三章,第三章主要并采用基于 BCA 模型的蒙特卡诺程序 SRIM程序对 Ar+在不同能量范围( )以及在不同入射角与 Mg 的相互作用进行50~2eV模拟,针对入射离子分布、散射离子角度和能量分布、离子的能量损失情况、溅射原子能量和角度的分布对 Mg 的溅射率、溅射原子能量和角度分布等情况进行相对系统的分析。论文第三部分包括第四章,总结论文的工作。第二章 模拟原理2.1 级联碰撞理论级联碰撞理论认为固体表面的溅射是离子同表面附近的原子级联碰撞的结果,即入射离子把能量传递给与其相碰撞的靶面原子,如果传递的能量大于靶原子周围的其他原子对靶原子的束缚能(即体束缚能),靶原子就会在靶中级联进行,直至反冲原子的能量很低,不足以进行反冲运动;或反冲原子具有指向靶面法向的动量,且其能量大于固体表面能,从而被溅射出靶面,溅射过程如图(2-1)所示。科技学院毕业论文(设计) 第 5 页5图(2-1 ) 离子对靶材溅射的级联碰撞过程级联碰撞过程可以分为线性级联碰撞和非线性级联碰撞(即钉扎模式)。在线性级联碰撞中,反冲原子的密度很低,运动原子之间的碰撞几率很小,因此可以只考虑反冲原子和静止靶原子之间的碰撞,不考虑反冲原子之间的相互影响,此时可以用溅射产额来描述溅射的效率。在非线性级联碰撞中,反冲原子的密度很高,运动原子之间也发生碰撞,因此需要考虑反冲原子之间的藕合效应对溅射效率的影响。在钉扎情况下,溅射效率将大大提高。目前,这种情况下的能量传递及溅射产额的理论研究还不是很成熟。入射离子质量大时(如分子离子)容易出现钉扎现象。2.2 溅射理论2.2.1 溅射概述具有一定能量的离子入射到固体表面上时,它将同表面层内的原子不断地进行碰撞,并产生能量转移。固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动,并形成一系列的级联运动。如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动,则当其动能大于表面的结合能时,它将从固体表面发射出去,这种现象称为溅射。 科技学院毕业论文(设计) 第 6 页6图(2-2)溅射的特征溅射是轰击离子与靶粒子之间动量传递的结果图可以证明这一点:(a)溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向;(b)从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向;(c)溅射率不仅取决于入射粒子的能量,也取决于其质量。(d)溅射出来的粒子的平均速率比热蒸发粒子的平均速率高的多。溅射参数:溅射阈值:将靶材原子溅射出来所需的最小能量值。溅射率:有称溅射产额或溅射系数,表示入射正离子轰击靶阴极时,平均每个正离子能从靶阴极中打出的原子数。溅射粒子的速度和能量:溅射原子所获得的能量值在 1~10eV。1.原子序数大的溅射原子逸出时能量较高,而原子序数小的溅射原子溅射逸出的速度较高。2.在相同的轰击能量下,溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线性增加。3.溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大,担当入射离子能量达到某一较高值时,平均逸出能量趋于恒定。2.2.2 常用溅射介绍早在 1853 年 Grove 就观察到了溅射现象,他发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物,沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因。直到 1902 年, Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中离子的轰击而引起的,并且他完成了第一个离子束溅射实验。到了
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