D01:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.013 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 CVD金刚石膜{100}取向生长的 原子尺度仿真 安希忠》张禹)刘国权》秦湘阁》王辅忠》刘胜新》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要运用动力学蒙特卡洛(KMC)方法从原子尺度对CVD金刚石膜{100}取向在3种不同 化学反应模型下的生长进行了仿真.结果表明：()以CH,为主要生长组元的生长机制比较适合 于{100}取向金刚石膜的生长；(2)对金刚石{(100}取向而言，含有双碳基团的模型沉积速度并不 比含有单碳基团的模型沉积速度大；（③）在高的生长速率下仍有可能获得表面粗糙度较小的金 刚石膜；(4)对Harris模型的仿真结果与其本人的预测结果一致，并与实验结果符合良好. 关键词金刚石膜；化学气相沉积；动力学Monte Carlo;原子尺度模拟；表面反应模型 分类号TQ164;0561.2;TB34 化学气相沉积(CVD)合成金刚石方法的出 仿真，同时结合理论和实验研究.作者对原有模 现，使金刚石膜许多新的应用成为可能.但对碳 型进行了改进，提出了一套新的化学反应模型 通过气相表面反应向金刚石表面渗入的机理尚 并进行了仿真，并把这些仿真结果与Grujicic等 不清楚，主要是由于在CVD金刚石膜形成过程 人的结果进行了比较，以期能找出各种生长 中各组元的浓度很难原位测量的缘故.人们在 机制的优缺点，为进一步从原子尺度对CVD金 这方面进行了很多实验和理论的研究叭，并 刚石膜(100)面上生长过程的具体理解提供依 针对金刚石不同取向的晶面生长提出了不同的 据， 生长模型，以此来揭示金刚石的形成机理，从而 更好地指导工艺，获得所需的优质金刚石膜. 1相关理论及研究方法 对于金刚石{100}取向上的生长机制归纳 为了在原子尺度模拟薄膜的生长，首先得 起来主要包括以下两大类：一类是由Harris, 明确地表示表面位置占据状态的瞬时变化情 Goodwin,Dandy和Coltrin及Hsu所提出的 况.因此必须对金刚石点阵中碳原子的位置及 以甲基(CH)为主要生长组元的生长机制，我们 近邻关系和边界条件进行准确科学的数学表 称之为Harris模型；另一类是由Frenklach,Bat- 征，即建立金刚石膜原子空间阵列的数学模型 taile等人I4,s及Okkerse等人m所提出的以CH, 是十分必要的. 和CH2为主要生长组元的生长机制，称之为 ·1.1原子空间排列数学模型的建立 Frenklach-Battaile模型（简称F-B模型）.正是由 针对原子尺度仿真的需要，文献[20]建立了 于这些生长机制的提出，加上前面所提到的实 金刚石{111}、{100}和{110}3个不同取向原子空 际生长过程中的各种不确定，金刚石膜{100}取 间排列的数学模型.本文的研究工作是在此基 向的生长机制至今仍处于争论之中，即到目前 础上进行的. 为止还没有一个令科研工作者普遍接受的生长 1.2金刚石生长表面化学反应模型的建立 机制. 不同类型的生长机制所对应的化学反应模 本文从原子尺度的角度对金刚石{100}取 型不同，而同一类型生长机制所对应的化学反 向以甲基为主要生长组元的机制进行了计算机 应模型也略有差异.表13i给出以Battaile和 收稿日期2001-12-28安希忠男，28岁，博士 Frenklach"等人所提出的以CH+CzH2为主要生 *国家自然科学基金资助课题No.59872003) 长组元的生长机制中所包含的化学反应模型.第 2 4 卷 第 2 期 20 02 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt o f S c ci n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij i n g V d l . 2 4 N 0 . 2 A P. r 2 0 0 2 C V D 金 刚石膜 { 10 0 }取 向生长 的 原 子尺度仿真 安希忠 ” 张禹 ” 刘 国权 ” 秦湘 阁 ” 王辅 忠 ” 刘 胜新 ” )l 北京科技大学材料科学 与工程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 北京科技大学应用科学学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 运用 动力学蒙特卡 洛(K M C )方法从原子尺 度对 C V D 金 刚石膜 毛10 0} 取 向在 3 种 不 同 化学反 应模型 下的生 长进 行 了仿真 . 结果 表 明 : ( 1) 以 C H 3 为 主要生 长组元 的生长机 制 比较 适合 于 麦10 0 }取 向金刚石膜 的生长 ; (2) 对金 刚石 110 0 }取 向而言 , 含有 双碳基 团的模型沉积速度 并不 比含有 单碳 基 团的模型沉 积速度 大 ; ( 3 )在 高的生 长速率下 仍有 可能获得 表 面粗糙度 较小 的金 刚石膜 ; (4) 对 H ar is 模 型的仿 真结果 与其本 人 的预测结 果一致 , 并 与实 验结果符 合 良好 . 关键 词 金 刚石膜 ; 化学 气相沉 积 ; 动 力学 M on et C ar ;lo 原子 尺度模 拟 ; 表 面反应 模型 分 类号 T Q 1 64 ; 0 5 6 1 . 2 : T B 3 4 化学气相沉 积(C V D )合成金刚石方法的出 现 , 使金刚石膜许多新的应用成为可 能 . 但对碳 通 过气相表面 反应向金 刚石 表面渗人 的机理 尚 不 清楚 , 主 要是 由于 在 C V D 金 刚石 膜形成过程 中各组元 的浓度很难原位测量 的缘故 . 人们在 这方 面进行 了很多实验 【1 一 5] 和理论 的研究 「州 , 并 针对金刚石不 同取向的 晶面 生长提出 了不 同的 生 长模型 , 以此来揭示金刚石 的形成机理 , 从而 更好地指导工 艺 , 获得所需 的优质金 刚石膜 . 对于 金刚石 { 10 0} 取向上 的 生 长机制归纳 起来 主要 包括 以下 两 大类 : 一类是 由 H ar ist s, ’ 0] , G o o dw i n 「, , , D an 勿 和 C o ltr i n `,” 及 H s u 〔, , ,所提 出 的 以 甲基 (C H , )为主 要生长组元 的生 长机制 , 我们 称之为 H ar i s 模型 ; 另一类是由 Fr e nk l a e h `, , , , B at - t a il e 等人 `’ ` , ,’ , ’ ` ,及 O k e r s e 等人 「,” 所提 出的以 C H 3 和 C Z H Z 为 主要 生 长组 元 的生 长机制 , 称 之为 F er kn la hc 一 B at ial e 模型 (简称 F书 模 型 ) . 正 是 由 于 这些 生 长机制 的提 出 , 加上前面 所提到 的实 际 生 长过程 中的各种不确定 , 金 刚石 膜 { 10 0} 取 向的生长机制至今仍 处于 争论之 中 , 即到 目前 为止还 没有一个令科研工作者普遍接受的 生长 机制 . 本 文从原子 尺度 的角度对 金刚石 { 10 0} 取 向以 甲基为主 要生 长组元的机制进行 了计算机 仿 真 , 同时结合理论和 实验研究 . 作者对原有模 型 进行了 改进 , 提 出了一套新 的化 学反应模型 并进行 了仿真 , 并把这些 仿真结果与 G urj ic c 等 人 的 结果 「, 8] 进行 了 比较 , 以期 能找出各种生长 机 制的优缺点 ,为进一步从原子 尺度 对 C v D 金 刚石膜 ( 10 ) 面上 生 长过程 的具体 理解提供依 据 . 收稿日期 2 0 0 1 一 12 一 2 8 安希忠 男 , 2 8 岁 , 博士 * 国家 自然科学基 金资助课题 (N 让 5 9 87 2 0 0 3) 1 相关理论及研究方法 为了 在原子尺 度模 拟薄膜 的生长 , 首先得 明确地 表示 表 面 位置 占据 状态 的瞬 时变化 情 况 . 因此必须对金 刚石点 阵中碳 原子的位置及 近 邻关 系和 边 界条件 进行 准确 科学 的数 学表 征 , 即建立金 刚石膜 原子空 间阵列的数学模型 是十分必 要 的 . 1 . 1 原子 空 间排列数学模型的建立 针对原子尺 度仿 真的需要 , 文献【20 〕建立 了 金刚石 { 1 11 } 、 { 10 0 }和 { 1 10 } 3 个不 同取 向原子空 间排列 的数学模 型 . 本文的研究工作是在此基 础 上 进行 的 . 1 . 2 金刚石生长 表面化学反 应模型的建立 不 同类型 的生 长机制所对应的化学反应模 型 不 同 , 而 同一 类型 生长 机制所对应 的化学 反 应模型 也略有差异 . 表 l `, , , , 5 , 给出 以 B a t a i一e l , , ,和 F r e n k l a e h `” ,等人所提 出的以 C H 3+ C ZH Z 为主要 生 长组元 的 生长机制 中所包含的化学反 应模型 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 013