Beispiele zur Verknüpfung atomistischer Simulationen mit größeren Skalen

Ulomek, Felix; Gottstein, Günter; Mohles, Volker; Svendsen, Bob

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-001399

Beispiele zur Verknüpfung atomistischer Simulationen mit größeren Skalen = Examples for linking atomistic simulations with larger scales

Ulomek, Felix

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Phys. Felix Konrad Ulomek

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (i, 200 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor) ; Mohles, Volker (Thesis advisor) ; Svendsen, Bob (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-001399
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565815/files/565815.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565815/files/565815.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Simulation (frei) ; Silizium (frei) ; Korngrenze (frei) ; scale hopping (frei) ; silicon (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluation von skalenübergreifenden Modellen zur Unterstützung oder als Ersatz von experimentellen Untersuchungen. In der vorliegenden Arbeit wird dies anhand von zwei getrennten Themengebieten durchgeführt. Das erste Thema behandelt dünne Silizium Kohlenstoff Schichten auf Si-Wafern und ihre thermische Stabilität. Moderne Transistoren verlangen wegen immer kleineren Strukturbreiten eine Zugspannung im Kanal der NMOS Technik. Diese Zugspannung kann durch eine Verringerung der mittleren Gitterkonstante von Silizium durch Einbau von Kohlenstoff erreicht werden. In experimentellen Befunden wurde festgestellt, dass die Verspannung einer Schicht nicht thermisch stabil ist und insbesondere eine Phosphordotierung der Schicht einen Entspannungsprozess beschleunigt.Es wird ein Modell vorgeschlagen, in dem die Entspannung der Schicht auf Platzwechselvorgängen zwischen substitutionellen Kohlenstoffatomen und Silizium-Kohlenstoff-Hanteln unter Bildung einer Leerstelle beruht. Die Beschleunigung des Prozesses durch zunehmende Phosphorkonzentration wird durch die Bildung von Phosphor Leerstellenpaaren erklärt, welche das thermodynamische Gleichgewicht zu Gunsten der Silizium-Kohlenstoff-Hanteln verschieben.Die diesem Modell zugrunde liegenden Reaktionen werden auf drei unterschiedlichen Simulationsskalen untersucht. Durch Molekulardynamik werden in Frage kommende Reaktionen für die Entspannung ermittelt. Durch ab initio Methoden werden sowohl Bildungsenergien der einzelnen Defekte als auch die Energien von Atomkombinationen bestimmt, die zuvor als plausibel festgestellt wurden. Durch die Nudged-Elastic-Band Technik werden die Migrationsenergien der einzelnen vorgeschlagenen Reaktionen bestimmt. Auf der größten Skala wird ein statistisches Modell entwickelt, welches die Kinetik des Entspannungsprozesses in Abhängigkeit von Temperatur und Ausgangskonzentrationen beschreibt. Die zuvor atomistisch berechneten Bildungs- und Migrationsenergien sind hierbei Eingangsparameter des statistischen Modells. Im Vergleich zum Experiment kann das statistische Modell den Entspannungsverlauf gut beschreiben und validiert somit die Annahmen über den zugrunde liegenden Mechanismus. Das zweite Themengebiet handelt von der Simulation von Korngrenzenmobilität durch Molekulardynamik. Diese Mobilitäten sind für die mesoskopische Simulation von Rekristallisation wichtige Ausgangsgrößen und können nur schwer durch Experimente ermittelt werden. Um einen statistischen Überblick über die Mobilität in Abhängigkeit der komplexen Korngrenzengeometrie zu erhalten, ist ein möglichst automatisiertes Verfahren nötig. In einem gebräuchlichen Verfahren der Molekulardynamik werden dazu zwei Kristalle erzeugt, welche an ihrer Kontaktfläche die gewünschte Korngrenze bilden. In diesem Bikristallsystem wird durch Definition eines Orientierungsparameters eine Energiedifferenz zwischen den zwei Kristallen aufgebracht, welche einen Druck auf die Korngrenze ausübt um sie anzutreiben.Im Verlauf der vorliegenden Arbeit wurden jedoch potentiell schwerwiegende Mängel dieses Verfahrens festgestellt. Die Probleme des bis dato verwendeten Orientierungsparameters wurden durch eine neue Definition behoben.Da eine direkte Berechnung durch ab initio Methoden für Korngrenzen im Unterschied zu den atomaren Siliziumdefekten nicht möglich ist, werden die Einflüsse von potentiellen Fehlerquellen betrachtet. Eine gefundene starke Abhängigkeit der Mobilität vom MD Potential legt nahe, dass die berechneten Werte sehr unzuverlässig sind und MD bei dem derzeitigen Stand der Technik nur zum qualitativen Verständnis der Korngrenzenbewegung eingesetzt werden sollte.

The goal of this dissertation is the development and evaluation of scale hopping computational models to supplement or replace experimental research. In this work this is realized for two separate topics.The first model deals with thin silicon carbon layers on silicon wafers and their thermal stability. Modern transistors require a strained channel of the NMOS technology, because of increasingly small transistor size. This tensile strain can be achieved by decreasing the average lattice constant of silicon by alloying with carbon. Experiments indicated a loss in tensile strain during heat treatment, and especially layers doted with phosphorus are thermodynamically unstable. A model is proposed as the reason for relaxation such that substitutional carbon atoms form silicon-carbon dumbbells, creating a vacancy in the process. The acceleration of the process by phosphorus atoms is explained by the formation of phosphorus vacancy pairs, which shift the thermodynamic equilibrium in favor of the silicon carbon dumbbells.The underlying reactions of this model are simulated on three different scales. By molecular dynamics these mechanisms are identified as a possible reason for relaxation. By ab initio methods the formation energies of the foreign atoms are determined, as well as the energies of select atom combinations which were previously found plausible. By a nudged elastic band approach the migration energies of the proposed defect reactions are calculated. On the biggest length scale a statistical model is developed which describes the kinetics of the relaxation process in dependence of temperature and initial defect concentration. The previously calculated formation and migration energies are input parameters of the statistic model. In a comparison to experimental data the statistical model describes the relaxation behavior well and therefore validates the assumptions of the responsible mechanisms.The second topic deals with simulation of grain boundary mobility by molecular dynamics. These mobilities are an important property for mesoscopic recrystallization simulations and can only be determined laboriously by experiments. To get a statistical overview of the mobilities in dependence of the complex grain boundary geometry, a preferably automated method is necessary. In a common procedure to achieve this in molecular dynamics two fcc crystals are created, which form the desired grain boundary on their interface. In this bicrystal system a potential energy between the crystals is applied, using a defined orientation parameter, which acts as a driving pressure to move the grain boundary.During this dissertation potentially severe problems with this method were recognized. The problems of the until now commonly used orientation parameter were eliminated. Other potential error sources introduced by the approximative nature of molecular dynamics are investigated, because in contrast to the atomic silicon defects ab initio calculations are not possible for grain boundaries. The found strong dependency of the calculated mobilities on the molecular dynamics potential suggest the determined mobility values are unreliable and that molecular dynamics should only be used for qualitative research on grain boundary motion at the current state of the art of MD potentials.

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