大規模分子動力学計算によるシリコン熱酸化過程の研究

利用大规模分子动力学计算研究硅热氧化过程

基本信息

批准号：
00J05547
负责人：
渡邉孝信
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、これまで開発した手法を総動員し、Si結晶表面の酸化が1原子層毎に進行する現象、および酸化膜に残る周期構造の実体を解明した。また、本研究で最大の目標であった、O_2分子を扱える新Si, O系用ポテンシャル(ダイナミックボンドポテンシャル)も完成させた。Si酸化膜に関する2つの大きな謎の解明、全く新しい分子動力学手法の発案など、計画当初の目標を大きく上回る成果を挙げることができた。以下、主要な実績について概要を述べる。(1)1原子層毎酸化の機構解明当初遠距離クーロン相互作用に注目し、Particle Mesh Ewald法をプログラムに実装して計算したが、1原子層毎酸化は再現できなかった。歪エネルギー、中間酸化状態のSi原子の化学ポテンシャルでも説明できないことがわかり、研究は一時暗礁に乗り上げた。そこで、SiO_2/Si界面で2次元の島状酸化領域が出現するという従来の定説を今一度見直したところ、酸化種がランダムに拡散して界面のSiを酸化する、という描像で1原子層毎酸化が再現できることを発見した。(2)熱酸化膜からのX線回折パターンの再現酸化膜厚10nmという巨大酸化膜模型を作成し、熱酸化膜のX線回折パターンの再現に世界で初めて成功した。酸化膜は単なるアモルファスではなく、元のSi結晶に由来する秩序を残していることが本研究で明らかとなった。(3)ダイナミックボンドポテンシャルの完成結合相手を決定する要素自体の運動を記述する全く新しいラグランジュ関数を考案し、O_2分子の取り扱いを可能にした。極座標系とデカルト座標系が混在する複雑な式となったが、指導教授である北田教授から学んだ数学を活かして、運動方程式・内部ストレステンソルを正確に求め、この系の分子動力学計算を実現した。温度制御、圧力制御法を併用した場合でもハミルトニアンが保存することを確認した。

在这个财政年度，到目前为止开发的方法已经动员，Si晶体表面氧化的现象会进展到每个原子，并且氧化膜中剩余的周期性结构的实体得到了阐明。此外，完成了这项研究的最大目标，可以处理O_2分子的新的SI和O-系统电位（动态键电势）。结果大大超过了最初的目标，例如阐明了有关SI氧化物膜的两个主要谜团以及一种全新的分子动力学方法的想法。以下简称主要成就的概述。（1）1个原子层，而不是在氧化机理开头的氧化机制，最初集中在长量库隆的相互作用上，并计算了程序中的粒子网状ewald方法，但原子层不能是再现。发现无法解释失真能量和中间氧化的Si原子的潜力，并且该研究暂时是在礁石上。因此，在审查了传统的理论之后，在SIO_2/SI界面上出现了两个二维岛状氧化物区域，一个原子层是氧化物种随机扩散并在界面上氧化Si。可以复制。（2）创建了一种称为氧化物膜的巨型氧化物膜模型，从热氧化物膜中厚实10 nm转换的X射线转换模式，世界是第一个成功地再现热氧化物氧化物的X射线衍射图案的世界。。这项研究表明，氧化物膜不仅是宽松的，而且还剩下了从原始的Si晶体得出的顺序。（3）动态键势完成完成了全新的拉格朗日函数，以描述元素本身的行使以确定组合伙伴，并可以处理O_2分子。尽管这是一个复杂的仪式，其中包括极性坐标和笛卡尔坐标系的混合物，但使用从基塔达（Kitada）教授那里学到的数学，即准确要求方程式和内部应力十SOL，以及该系统的分子分子功率计算。实现。已经确认，即使使用温度控制和压力控制方法一起使用，哈密顿量也可以保存。