沉积速率对eb—pvd ni—cr薄膜表面形貌的影响

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1、沉积速率对EB—PVDNi—Cr薄膜表面形貌的影响单英春等:沉积速率对EB-PVDNi—Cr薄膜表面形貌的影响沉积速率对EB—PVDNi—Cr薄膜表面形貌的影响单英春,赫晓东,徐久军,李明伟(1.大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁大连116026;2.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江哈尔滨150080;3.成都飞机设计研究所,四川成都610041)摘要:采用动态蒙特卡罗(KMC)方法模拟电子束物理气相沉积(EB_PVD)制备Ni-Cr合金薄膜过程中沉积速率与薄膜微观结构之间的关系,并用分维理论研究薄膜表面形貌.研究结果表明:对于基板温度为500K,入射角度为35.的情况,沉

2、积速率<5ttm/min时,薄膜表面分维均<2.04,表面光滑,而当沉积速率>5~m/min时薄膜分维随沉积速率增大而增大,表面变得越来越粗糙,直到沉积速率升高到1000/.~m/min时,分维达到最大值2.31,表面非常粗糙,具有细致的皱褶和缺陷.分维与沉积速率间的关系说明低沉积速率有利于分维小,表面光滑薄膜的制备,而高沉积速率使薄膜分维增大,表面结构更加复杂.该研究结果与沉积速率对EB-PVD薄膜表面粗糙度影响的研究结果一致,表明分维也是评价薄膜表面形貌的途径.关键词:分维;沉积速率;Ni—Cr合金薄膜;EB-PVD;KMC中图分类号:TG14文献标识码:A文章编

3、号:1001—9731(2007)02—0249—031引言电子束物理气相沉积(electronbeamphysicalva—pordeposition,简称EB-PVD)技术是伴随电子束与物理气相沉积技术的发展而发展起来的一种材料加工技术.它具有沉积速率高,化学成分易于控制,无污染以及热效率高等优点[1矗].但是EB-PVD设备昂贵,工艺复杂,从而带来加工成本高的缺点.因此利用计算机模拟沉积过程非常必要.对于PVD这类以原子,分子为起始物的材料制备技术,研究者们认为必须从原子尺度对其进行模拟,在各种原子尺度模拟方法中动态蒙特卡罗(kineticMonteCarlo,简称KMC)方法以

4、其结果可靠,执行速度快,模拟系统的粒子数多而着称,已成为PVD薄膜生长模拟的重要研究手段.].以往表面粗糙度因子常用于描述薄膜的微观结构,分形理论的诞生为薄膜形貌表征开辟了新的途径[8].通过分析薄膜表面粗糙度和分维之间的关系,能更详细地了解EB-PVD薄膜生长过程中基板温度对薄膜微观结构的影响.而且由于分维具有跨尺度的特征,使其具有更广泛的实用性.目前采用分维理论研究薄膜表面形貌已成为材料学中新的研究热点.～.沉积速率是控制EB-PVD薄膜微观结构的重要工艺参数之一,首先采用KMC模拟不同沉积速率情况下Ni—Cr合金薄膜的沉积构型,然后用分维理论对模拟结果表面形貌进行表征,最后分析了

5、分维和表面粗糙度因子之间的关系.2EB-PVD薄膜的动态蒙特卡罗模拟及分维计算方法2.1动态蒙特卡罗方法及其模拟结果KMC通过对扩散过程的随机选取处理薄膜生长中各种扩散相互竞争的问题,能够正确地模拟沉积速率,基板温度等工艺参数对薄膜微观结构的影响.首先假设扩散过程由Boltzmann随机控制,计算单位时间内可能跃迁i发生的概率:Pi—v0explj其中:V0一]2kBTkn是波尔兹曼常数,E.是第类跃迁的激活能,T是基板绝对温度,h是普朗克常数.此外,还要计算与沉积速率有关的被吸附原子到达基板的时间间隔△￡和系统跃迁机率有关的系统净留时间￡.在2D晶格模型中:△￡一一(E..pi)R是

6、沉积速率,rt是最近邻原子间平衡距离,是二维密排晶格中每一层含有的原子数,N是不同类型跃迁的个数.模拟中用动量机制确定被吸附原子在表面上的初始构型[12],用分子稳态计算方法计算扩散模型中跃迁原子的激活能D3],用红黑树选择跃迁路径并更新系统跃迁机率[H].图1是当入射角度为35.,基板温度为500K时不同沉积速率情况下KMC模拟得到的Ni—Cr合金薄膜微观形貌图.下面将采用分维理论研究这些薄膜表面革金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2002AA763020);新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET2004)收到初稿日期:2006'08—07收到修改稿日期:200

7、6-11—08通讯作者:单英春作者简介:单英春(1977--).女,黑龙江讷河人,博士,讲师,主要从事热防护材料研究.助材料2007年第2期(38)卷的分维情况与沉积速率之间的关系.Fig1RepresentatiVe2Dconfigurationsofnickelandchromegrowthatvariousdepositionrate2.2分维计算方法计盒分维是实验测量出的维数,是目前衡量分形维数最普遍的一种方法.把待测曲线置于边长为e.