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SProcess Ch5：Lattice KMC Epitaxial Deposition
> 来源：sprocess_ug.pdf（W-2024.09），Chapter 5，PDF p.635–p.683。 > > 本章聚焦 Sentaurus Process LKMC 在外延沉积中的建模、反应定义、结构更新与数据提取。
5.1 外延沉积概述
本章介绍 SProcess 中用于外延沉积的原子级模拟流程。与第 3 章 Epitaxy 的连续介质方法不同，这里使用 LKMC（Lattice KMC）与 KMC 联合求解，支持更细粒度的表面反应与晶格占位演化。
在 LKMC 外延中，一个时间步通常按以下顺序执行：
- 沉积步骤（native LKMC 或 continuum SProcess）。
- 连续结构更新与 mechanics 计算。
- 原子级 KMC 扩散步骤。
启用 native LKMC 的基本设置：
- atomistic 模式：
pdbSet KMC Epitaxy True - nonatomistic/hybrid 模式：在
diffuse命令中指定lkmc
5.1.1 联合KMC和LKMC操作
SetAtomistic 打开后，KMC 与 LKMC 同步运行：
- KMC 负责体扩散、团簇与体内缺陷演化。
- LKMC 负责沉积/刻蚀导致的几何与表面变化。
掺杂沉积过程中，物种先在 LKMC 表面形成，再转移到 KMC 体模型，之后才会发生体扩散。默认情况下，共有物种（常见掺杂）自动转移；自定义物种需显式加入 transfer 列表。
tcl
pdbSetString Tungsten LKMC KMC.Transfer.Species HF
pdbSet KMC Impurities HF,0 true
pdbKMCLike HF Impurity HF
pdbSet LKMC Species HF Passivate,AB
reaction name= HF_ads lkmc ambients= {HF= 1} products= {HF= 1}
gas_flow flowHF = ...5.1.1.1 Controlling Point Defects Injected During LKMC Simulation
界面注入的快速点缺陷（尤其 Interstitial）可能导致仿真“看起来卡住”：事件持续发生但宏观时间推进很慢。可通过两类手段控制：
- 关闭界面注入：
tcl
pdbSet <interface_mat> LKMC KMC.Injection false- 缩放空位/间隙原子扩散参数：
tcl
pdbSet <material> LKMC Interstitial Dm.Scaling <0-1>
pdbSet <material> LKMC Interstitial Em.Scaling <0-1>
pdbSet <material> LKMC Vacancy Dm.Scaling <0-1>
pdbSet <material> LKMC Vacancy Em.Scaling <0-1>工程上推荐优先调用 SetInterfaceInjectionLKMC true|false 统一控制全部接口，再按材料微调 Dm.Scaling/Em.Scaling。
5.2 平面外延模型
Planar 类模型包括 Planes 与 Coordinations.Planes。两者都基于局部晶面方向为候选空位分配生长速率，但 Coordinations.Planes 提供更高的 Tcl 可配置性。
模型选择：
tcl
pdbSet LKMC Epitaxy.Model <model>其中 <model> 可选 Coordinations、Coordinations.Planes、Coordinations.Reactions、Planes。
5.2.1 平面外延模型参数
Planar 模型参数位于 PDB 的 KMC <material> Epitaxy 路径。核心思想是：
- 以晶面（如 100/110/111）为主导建立局部速率。
- 用经验修正项描述特殊位点（如 {311} facet）的速率偏置。
epi.thickness指定时，系统会自动调节厚度匹配因子。
建议流程：先使用默认参数跑通，再仅对最敏感的晶面相关参数做小幅校准。
5.2.2 掺杂依赖生长速率因子
可为特定掺杂定义生长速率因子，用于拟合掺杂浓度对外延生长速度的影响：
tcl
pdbSetDouble <material> KMC Epitaxy <dopant> Growth.Rate.Factor.0 <n>
pdbSetDouble <material> KMC Epitaxy <dopant> Growth.Rate.Factor.E <n>通常 Growth.Rate.Factor.0 控制基准增益，Growth.Rate.Factor.E 控制温度相关项。
5.3 基于原子键合的外延模型
基于原子键合能的模型包括 Coordinations 与 Coordinations.Reactions：
Coordinations：考虑局部配位与晶向对生长速率的影响。Coordinations.Reactions：在前者基础上增加显式表面反应（吸附、解吸、刻蚀、表面转化等）。
5.3.1 运行Coordinations和Coordinations.Reactions模型
典型运行步骤：
- 设定材料结晶态（如需要）。
- 定义 ambient 与
gas_flow。 - 用
reaction定义吸附/反应路径。 - 在
diffuse ... lkmc中执行。
示例（节选）：
tcl
pdbSet <mat> Crystallinity Crystalline
gas_flow name= SiGe_Bdope flowSilane= 0.75 flowGermane= 0.25 ...
diffuse time= 2<s> temperature=375 gas.flow= SiGe_Bdope lkmc5.3.2 Coordinations模型的生长速率
Coordinations 的生长率由局部配位环境决定，核心依赖：
- 局部成键数量与键类型。
- 吸附前因子（prefactor）。
- 活化能（energy）。
- 温度项（Arrhenius 形式）。
常用参数入口示例：
tcl
pdbSet <epi_material> LKMC <Ambient/EpiAtom> prefactor.SEG.ads <n>
pdbSet <epi_material> LKMC <ambient> energy.SEG.ads <n>5.3.3 Coordinations.Reactions模型
Coordinations.Reactions 以显式化学反应为中心，适合 CVD/ALD、表面钝化、刻蚀与复杂副反应。
反应定义骨架：
tcl
reaction lkmc ambients= {<ambient1>=<n> <ambient2>=<n> ...} \
reactants= {<reactant1>=<n> <reactant2>=<n> ...} \
products= {<product1>=<n> <product2>=<n> ...}LKMC 物种定义：
tcl
pdbSet LKMC Species <species_name> <surface_type>,<site_specification>5.3.3.1 Reaction Rates in the Coordinations.Reactions Model
反应速率基于局部成键能障，并可叠加钝化物种影响。实操中优先分离三类参数来源：
- 材料/物种本征项（基础速率）。
- 表面位点项（局部配位修正）。
- 工艺边界项（气氛、压力、温度）。
5.3.4 基于原子键合的外延模型参数
该部分参数主要覆盖：
- 绑定能（binding energy）相关项。
- 与表面物种无关的吸附参数。
- 对 passivating/nonpassivating 物种的专用参数。
常见入口（节选）：
tcl
pdbSet <epi_material> LKMC <epi_species> energy.SEG.ads <n>
pdbSet <epi_material> LKMC <passivating_species> energy.SEG.bNnn <n>
pdbSet <epi_material> LKMC <passivating_species> energy.SEG.bNnnn <n>
pdbSet <epi_material> LKMC <passivating_species> energy.SEG.bN3rd <n>5.3.5 边界条件
本章模型支持周期边界设置，并可强制在 LKMC 层统一开启：
tcl
pdbSet KMC PeriodicBC.Y <true | false>
pdbSet KMC PeriodicBC.Z <true | false>
pdbSetBoolean LKMC Force.PeriodicBC true建议在参数扫描前固定边界策略，否则不同 case 的有效生长统计不可直接比较。
5.4 修改和扩展外延模型
Coordinations/Coordinations.Reactions 支持在命令文件中重定义参数与过程，用于工艺专用模型扩展。
5.4.1 表面扩散模型
可单独控制表面扩散强度与跳跃模式，避免将体扩散参数误用于表面迁移：
tcl
pdbSet LKMC Diffusion 1
pdbSet LKMC <species> Em <n>
pdbSet LKMC <Species> Hopping false5.4.2 各向异性气体通量和原子层沉积
该部分用于表达入射方向性与 ALD 周期过程。关键点：
- 通过 anisotropic flux 控制不同方向到达概率。
- 通过成对
reaction+gas_flow构建脉冲周期。
5.4.2.1 Example: Setting Up an Atomic Layer Deposition Simulation
tcl
pdbSet LKMC Species GeH2ALD Passivate,AB
reaction name=ALD_Germane_ads lkmc ambients = {GermaneALD=1} ...
reaction name=ALD_Germanium lkmc prefactor = 1.e-8 energy = 1.2 ...
gas_flow name= GF1 flowGermaneALD = 1.0 pressure= 100<torr>
gas_flow name= GF2 flowGermaniumALD = 1.0 pressure= 100<torr>
for { set step 1 } { $step <= $nsteps } { incr step } {
diffuse temp.ramp = TR lkmc
}5.4.2.2 Anisotropic Gas Flows
可通过 aniso.exponent 调节方向性强弱：
tcl
gas_flow ... aniso.exponent= { GermaneALD=<n> GermaniumALD=<n> }指数越大，入射越集中于主方向。
5.4.3 SiGe和摩尔分数依赖生长
SiGe 外延可通过材料等效与组分依赖参数联动建模，常见设置包括：
tcl
pdbSet KMC Materials GeEpiOnSilicon true并配合反应定义与晶格密度修正：
tcl
pdbSet LKMC Lattice.Density.Correction true5.4.4 可见性
Visibility 用于判断位点是否“可见”于气相，从而影响吸附/解吸有效速率：
tcl
pdbSet LKMC Use.Visibility true5.4.5 李晶缺陷形成
双晶缺陷模型开关：
tcl
pdbSet LKMC Epitaxy.Twin.Model <option>建议先在无 twin 模式下完成基线校准，再引入 twin 模式做增量对比。
5.4.6 表面偏析
表面偏析可由专用反应或参数化形式定义：
tcl
reaction lkmc name=<c> segregation= <list> prefactor=<n> energy=<n>
pdbSet <material> LKMC <bulk_atom> prefactor.segregation <n>
pdbSet <material> LKMC <bulk_atom> <surface_atom> energy.segregation <n>5.4.7 硅化形成和其他亚表面材料反应
可联合宏观材料反应与 LKMC 表面反应建模硅化：
tcl
reaction mat.l=Titanium mat.r=Silicon mat.new=TitaniumSilicide ...
reaction mat.l=Silicon mat.r=TitaniumSilicide KMC.species=Ti ...
reaction mat.l=TitaniumSilicide mat.r=Titanium KMC.species=Ti ...并定义 Ti 在硅化物中的扩散参数：
tcl
pdbSet KMC Impurities Ti,0 true
pdbKMCLike Ti Impurity Ti
pdbSet TitaniumSilicide KMC Ti Dm Ti <n>
pdbSet TitaniumSilicide KMC Ti Em Ti <n>5.4.7.1 Reaction Rates
反应率参数可在界面两侧分别给定能障/扩散系数，确保跨界面传输与局部反应保持一致的温度依赖。
5.4.8 次级反应：允许离开表面的产物引发新反应
开启解吸通量反馈：
tcl
pdbSet LKMC Epitaxy.Desorption.Flux true
pdbSet LKMC Epitaxy.Desorption.Flux.Update <n>
pdbSet LKMC Epitaxy.Desorption.Area <n>
pdbSet LKMC Epitaxy.Desorption.Flux.Factor <ambient_name> <n>该机制用于描述“离开表面的产物重新参与反应”的链式效应。
5.4.9 Coordinations.Reactions模型中取向相关的预因子
可对不同晶向指定 prefactor 修正，以匹配方向相关生长速率差异。建议在固定温度与压力窗口内分晶向标定，避免参数耦合失真。
5.4.10 使用共享占据模拟悬挂键
通过 dangling bond 与 shared occupancy 机制近似表面悬挂键占据：
tcl
pdbSet LKMC Dangling.Bond.Model true
pdbSet LKMC Shared.Occupancy { HStar,HStar,HStar true }
pdbSet LKMC Shared.Occupancy { Silicon,HStar,HStar true }
pdbSet LKMC Dangling.Bond.Counting.Scheme <Count.All | Count.DB>5.4.11 非选择性外延沉积和多晶生长
当外延扩展到非选择性沉积与多晶生长时，需要显式定义成核材料与多晶开关：
tcl
pdbSet LKMC Nucleation.Materials { ... }
pdbSet <nucleation_mat> LKMC Do.Poly.Growth true
pdbSetDouble <nucleation_mat> LKMC Nuclei.size <v>5.4.11.1 Calculating the Rate of the Nucleation Reaction
成核速率通常由 adsorption 反应改写实现，并可开启取向相关成核：
tcl
reaction name=<> lkmc ambients= {Silane= 1} products= {Silicon= 1} ...
pdbSetBoolean <nucleation_mat> LKMC Orient.Dependent.Nucleation true5.4.12 压力依赖生长速率修正
压力依赖修正用于将气相压强变化映射到表面有效通量与速率项，常与 gas_flow pressure=<n> 联动校准。
5.4.13 外延期间的掺杂剂活化和团簇
对于 Coordinations/Coordinations.Reactions，可开启沉积期掺杂活化与团簇处理：
tcl
pdbSet LKMC Epitaxy.Deposit.Complex true5.5 外延期间和之后更新有限元结构
外延期间，LKMC 边界与连续网格的同步策略直接影响后续 PDE 稳定性。常见控制项包括边界修复与后处理网格更新。
tcl
pdbSet LKMC Boundary.Repair false
pdbSet LKMC Post.Epi.Mesh.Update false
pdbSet LKMC LKMC.Boundary.Proc <procedure_name>
pdbSet LKMC Combined.Boundary.Proc <procedure_name>5.5.1 在非原子模式下外延期间更新PDE结构
在 nonatomistic 模式可显式控制沉积/刻蚀是否写回 PDE 结构：
tcl
pdbSet LKMC Deposit.PDE.Structure true
pdbSet LKMC Etch.PDE.Structure true
pdbSetBoolean LKMC Boundary.Merge.Before.Doping 1
pdbSet Grid Interpolation.Search.Dist 1e-85.6 刻蚀
本章刻蚀主要依赖 Coordinations.Reactions 的反应框架。与沉积流程一致，需先定义 ambient/reactants/products，再通过 diffuse ... lkmc 驱动几何更新。
5.7 仿真期间提取LKMC数据
LKMC 支持在线提取表面几何、晶粒统计、事件速率与事件计数。
5.7.1 提取外延表面和晶粒尺寸
可在仿真中输出表面与晶粒数据，并用于后处理可视化或统计。
5.7.1.1 Syntax Examples
tcl
pdbSet LKMC Movie { ... }5.7.1.2 Extracting Grain Sizes
可设置最小原子数阈值过滤噪声小晶粒：
tcl
pdbSetDouble LKMC Min.Atoms.For.Grain.Size <v>5.7.1.3 Movie During LKMC Simulation
通过 LKMC Movie 输出周期结构快照，建议与固定时间步策略联用，便于对齐不同工艺条件。
5.7.1.4 Recreating Mesh From Previous LKMC Simulation
可通过结构边界与简化参数重建网格：
tcl
pdbSetDouble LKMC Insert.Taper.Dist <value>
pdbSetDouble KMC Simplify.Geometry <value>
struct tdr= <new_tdr>5.7.2 提取LKMC事件速率和计数
可输出 adsorption/desorption/segregation/surface reactions 的速率与计数：
tcl
pdbSet LKMC Diagnostics.Num.Rates <n>
pdbSet LKMC Diagnostics.Seconds <n>用于定位“哪个事件主导了时间步与形貌演化”。
5.8 最小可执行示例（用于流程验证）
以下示例给出可执行骨架：模型选择 + 反应定义 + gas_flow + diffuse lkmc。
tcl
# 1) 选择模型并打开 LKMC 外延
pdbSet KMC Epitaxy True
pdbSet LKMC Epitaxy.Model Coordinations.Reactions
# 2) 定义表面物种与反应
pdbSet LKMC Species GeH2ALD Passivate,AB
reaction name=ALD_Germane_ads lkmc ambients={GermaneALD=1} products={GeH2ALD=1}
reaction name=ALD_Germanium lkmc prefactor=1.e-8 energy=1.2 reactants={GeH2ALD=1} products={Germanium=1}
# 3) 定义气氛
gas_flow name=GF1 flowGermaneALD=1.0 pressure=100<torr>
# 4) 执行沉积步
diffuse time=1<s> temperature=375 gas.flow=GF1 lkmc使用建议：先在小区域、短 time 下验证事件链条与物种守恒，再扩展到完整工艺窗口。
5.9 关键参数速查表
| 参数/命令 | 作用 | 典型范围/选项 | 备注 |
|---|---|---|---|
pdbSet LKMC Epitaxy.Model <model> | 选择外延模型 | Planes / Coordinations.Planes / Coordinations / Coordinations.Reactions | 决定建模复杂度 |
pdbSet KMC Epitaxy True | 启用 atomistic 外延链路 | true/false | atomistic 模式必设 |
diffuse ... lkmc | 在 diffuse 步触发 LKMC | time, temperature | nonatomistic/hybrid 必设 |
pdbSet <interface_mat> LKMC KMC.Injection false | 关闭界面点缺陷注入 | true/false | 解“卡住感”优先项 |
Dm.Scaling / Em.Scaling | 缩放 Interstitial/Vacancy 扩散 | 0-1 | 默认 1 |
reaction lkmc ... | 定义吸附/解吸/表面反应 | 反应式配置 | Coordinations.Reactions 核心 |
pdbSet LKMC Use.Visibility true | 启用可见性模型 | true/false | 影响有效到达速率 |
pdbSet LKMC Epitaxy.Twin.Model <option> | 双晶缺陷模型 | 模型选项 | 需单独校准 |
pdbSet LKMC Epitaxy.Desorption.Flux true | 开启二次反应通量反馈 | true/false | 对高反应性体系敏感 |
pdbSet LKMC Deposit.PDE.Structure true | 沉积写回 PDE 结构 | true/false | 连续求解耦合关键 |
pdbSet LKMC Diagnostics.Num.Rates <n> | 输出事件速率数量 | 正整数 | 诊断主导事件 |
5.10 常见问题与诊断步骤
症状：仿真长时间无明显时间推进。
原因：界面注入点缺陷过快，事件被高频扩散占满。
诊断：检查点缺陷事件计数是否远高于 adsorption/etching。
处理：关闭KMC.Injection或下调Dm.Scaling/Em.Scaling。症状：沉积厚度与目标
epi.thickness偏差大。
原因：模型参数未在当前温压窗口重标定。
诊断：固定温度/压力做单变量扫描，观察厚度误差。
处理：先调 prefactor，再调能量项；避免多参数同调。症状：表面形貌不合理（过度粗糙或过平滑）。
原因：Visibility、取向 prefactor 或表面扩散参数不匹配。
诊断：对比开关Use.Visibility前后及晶向统计。
处理：分晶向重标定 prefactor，并单独调整表面扩散。症状：PDE 结构更新后数值不稳定。
原因：边界合并/网格重建参数过激。
诊断：检查Boundary.Merge.Before.Doping、Interpolation.Search.Dist及边界修复过程。
处理：先固定平滑与边界流程，再逐步恢复自动更新。症状：ALD 循环中反应链断裂。
原因：ambient 与 reaction 命名或计量不一致。
诊断：开启Diagnostics，核对每一步反应是否触发。
处理：先用两步简化循环（吸附/转化）验证，再扩展全流程。
图像与命名约定
本章如需补图，请统一放在：
docs/public/images/sprocess/ch5/
命名格式：
figure-{n}-{short-topic}.png
参考
- SProcess 总览
- SProcess 参考
- 原章参考文献见
sprocess_ug.pdfChapter 5 的References（p.683）。