[論文レビュー] A quasi-conserved particle Monte Carlo model of surface evolution with semi-empirical sputter yield modulated erosion: 1 keV Ar$^+$ sputtering of Si

Emmanuel O Oyewande|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2015

Ion-surface interactions and analysis被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1 keV Ar+イオンによるシリコンのスパッタリングをシミュレートするための、半経験的で準保存的粒子モンテカルロモデルを提示する。実験的に導かれたスパッタリング収率を用いることで、複雑な表面ダイナミクスを簡略化する。モデルは、粒子の再堆積が存在する場合、表面高さが一定に保たれることを示し、再堆積がなければ時間とともに線形に低下するが、粗さは再堆積の有無にほとんど影響を受けない。これは、スパッタリング収率が形態進化に与える役割を強調する。

ABSTRACT

We introduce a new Monte Carlo model based on a semi-empirical sputter yield parameter in ion-solid energetic collisions. This model circumvents the complexity of the existing statistical, classical and continuum models, most of which are difficult to relate to real experimental parameters, by its semi-empirical nature of direct reliance on the experimental values of the sputter yield. Constrained by this crucial experimental factor, the model then addresses the multidimensional nature of other accompanying physical processes stochastically; thus reducing the complexity of their computation. This model exhibits the experimentally observed features of solid surfaces that evolve under continuous particle irradiation and allows for a way to study the effect of the different mechanisms of the surface morphology and the nature of their interplay in the dynamics of the surface evolution. Our study of the average surface height reveals that it is constant when eroded particles are redeposited but varies linearly with simulation time, when eroded particles are not redeposited. Our studies also show that the roughening process is not significantly affected by re-deposition of eroded material.

研究の動機と目的

• 実験的スパッタリング収率データを直接組み込むことで、イオンビーム表面スパッタリングを簡略化しつつも現実的であるモンテカルロモデルの開発。
• 多様な次元の表面プロセスを確率的にモデル化することで計算複雑性を低減し、経験的スパッタリング収率によって制約を課す。
• 1 keV Ar+によるSiへの照射下における、侵食、再堆積、表面形態進化の相乗的相互作用の解明。
• 再堆積が表面粗さおよび平均高さダイナミクスに与える影響を、制御された実験的根拠に基づくシミュレーションフレームワークで探求。
• ハイブリッドMC-MDシミュレーションおよびイオン被照射表面トポグラフィーの普遍クラス解析の基盤を構築すること。

提案手法

• 1 keV Ar+が45°でSiに照射される場合の実験的スパッタリング収率に基づく半経験的収率値を用い、複雑な理論的計算を回避する。
• 表面の進化は、各イオン衝突が入力された収率に基づいてスパッタリングを引き起こす確率的粒子モンテカルロアルゴリズムでシミュレートされる。
• 剥がれた原子は、局所的な再堆積（準保存的モデル）またはシステム外への除去（非保存的モデル）のいずれかに従う。再堆積は確率的にモデル化される。
• モデルは時間経過に伴う表面高さおよび粗さを追跡し、局所的なトポグラフィーとスパッタリング確率に基づいて表面形態を更新する。
• 剥がれた原子を近隣の表面サイトに再配置することで、粒子保存則を強制し、全粒子数を維持する。
• 平均表面高さおよび粗さの進化を実験的傾向と比較することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 keV Ar+によるSiのスパッタリングにおいて、粒子再堆積は平均表面高さにどのように影響するか？
• RQ2 イオン照射下での表面粗さダイナミクスに、再堆積はどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 完全なMDモデルや連続体モデルに依存せず、半経験的スパッタリング収率パラメータが、実際の実験的表面進化を効果的に捉えることができるか？
• RQ4 再堆積が存在しない場合、表面高さおよび形態の時間的進化はどのように変化するか？
• RQ5 スパッタリング収率は、イオン被照射下での表面トポグラフィー進化の普遍クラスを決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 剥がれた粒子が再堆積される場合、平均表面高さはシミュレーション時間にわたりほぼ一定に保たれ、粒子保存が有効に機能していることが示された。
• 再堆積が存在しない場合、平均表面高さはシミュレーション時間とともに線形に低下し、システム内の質量損失が確認された。
• 表面粗さは再堆積の有無にほとんど影響を受けず、再堆積が表面特徴を強く安定化または不安定化させないことが示された。
• モデルは、粒子保存下での高さ一定および非保存下での線形低下といった、実験的に観察された表面進化の特徴を成功裏に再現した。
• 半経験的スパッタリング収率に依存することで、実験と直接比較可能でありながら、計算複雑性を低減できる。
• このフレームワークは、汚染物質のスパッタリングを含めるために拡張可能であり、ハイブリッドMC-MDシミュレーションや普遍クラス研究への応用が可能である。