Архив публикаций
Новые публикации
ДО - Курс лекций "Нанотехнологии и Наноматериалы: программный комплекс NanoMod"
|  12.09.2009
 

ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ

КУРС ЛЕКЦИЙ

«НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ: программный комплекс NanoMod компьютерного моделирования процессов формирования наноструктурированных полупроводниковых материалов для электроники»

Лекция 1. Центр компьютерного моделирования в Интернете

Проект направлен на применение прорывных технологий в области развития и совершенствования новых способов распространения научных знаний с использованием Всемирной Сети и предназначен для дистанционного обучения специалистов, аспирантов и студентов методам математического моделирования и практического тренинга решения научных и прикладных задач. Обучение и тренинг проводятся на базе эффективно функционирующих программных комплексов, входящих в состав Центра компьютерного моделирования SciShop.ru.

Проект представляет цикл лекций-статей, последовательно содержащих описание использования сегментов (решателей) программного комплекса NanoMod, ориентированного на компьютерное моделирование электрофизических, термохимических и механических процессов формирования наноструктурированных полупроводниковых материалов. Эти процессы применяются в современных технологиях проектирования и производства микроэлектронных систем (микропроцессоров, электронной памяти, сенсоров, светодиодов и т.п.).

Настоящая лекция-статья содержит общее описание Центра компьютерного моделирования: его задачи и цели, структуры, характеристики и особенности.


Рис. 1. Главная страница Интернет-центра компьютерного моделирования (фрагмент)

Последние достижения в области информационных технологий и Интернета дают основания считать, что в настоящее время уже складываются новые методы организации процесса обмена научными знаниями, а в ближайшем будущем, по-видимому, произойдет повсеместный переход от традиционных способов распространения научных знаний через бумажные журналы и книги к их электронным аналогам. Следует также ожидать массового появления аналогичных электронных форм передачи вещественных результатов научной деятельности в области математического моделирования (вычислительных методов, алгоритмов, компьютерных программ и их финала — полученных числовых значений, структурированных в виде банков табличных и/или графических данных).

Весьма перспективной представляется новая форма передачи знаний в области компьютерного моделирования от автора-разработчика к пользователю-потребителю не через описание алгоритмов и результатов в журналах, а создание специалисту, аспиранту, студенту возможности непосредственно в любое время ознакомиться с функционированием созданных компьютерных программ и результатами расчета в режиме удаленного доступа через Всемирную сеть, самостоятельно запустив собственную, интересующую его задачу на счет.

1. Центр компьютерного моделирования SciShop.ru

Центр компьютерного моделирования (рис. 1, подробнее см. [1]) предназначен для распространения научных знаний с использованием новых информационных технологий в целях реализации современных потребностей в коммерциализации научных продуктов и направлен на решение фундаментальных проблем, связанных с разнообразными научными, техническими, социальными и психологическими аспектами разработки и продвижения специализированного Web-ресурса, особой точки обмена произведенным научным продуктом, в том числе и на платной основе, в системе Интернет.

Одна из главных целей выполняемого проекта состоит в подготовке и продвижении во Всемирной Сети особого узла — «торговой площадки», на которой обеспечивается коммерческое завершение научных разработок.

2. Общая характеристика организации вычислений в Центре и преимущества непосредственного компьютерного моделирования в Интернете

Важнейшим атрибутом любого программного комплекса является комфортность пребывания клиента в Интернет-центре и удобная форма пользования его сегментами: библиографическим разделом, базами данных, содержащих уже полученную таблично-графическую информацию, и, в особенности, процессорными системами. Именно это обычно вызывает наибольшие затруднения у пользователя.

Системы препроцессорной подготовки заданий (ввод параметров и запуск процессорных систем) организованы в ясной, удобной и предельно простой форме, не вызывающей двоякого толкования и затруднений у специалистов даже с небольшим опытом.

Операции с процессорными системами осуществляются пользователем не на собственном компьютере при установке на нем комплекса, а в режиме дистанционного доступа по Всемирной Сети на его локальном портале — непосредственно в Центре компьютерного моделирования. Это дает возможность посетителю Центра в режиме реального времени провести изучение вычислительного комплекса, организовать решение интересующей его задачи и получить результаты компьютерных исследований. Обычно передача вычислительного комплекса заключается в приобретении лицензии, документации и кодов компьютерной программы. После этого покупателем производится установка приобретенного продукта на собственном компьютерном оборудовании. Как правило, это происходит с большими затруднениями, которые могут быть вызваны разнообразными причинами, от использования разных версий операционной системы до особенностей установленных у продавца и покупателя поддерживающих систем.


Рис. 2. Страница сайта с сообщениями клиенту, что сформированная им задача поставлена на счет, и ее решение будет доступно по указанному URL-адресу

При размещении процессорных систем в Центре таких проблем нет. Все интерфейсы налажены, хорошо отработаны и «притерты». В указанных диапазонах вариации параметров функционирование комплексов — безотказное (заметим, что на форуме сайта всегда можно задать любой вопрос и получить разъяснение). Еще одним преимуществом этого подхода является то, что пользователь освобождается от необходимости закупки аппаратного обеспечения (часто весьма недешевого), необходимого для осуществления нужных ему расчетов, фактически «арендуя» его у создателей сайта лишь на время решения своей задачи.

Подчеркнем, что такой эффективный метод эксплуатации процессорных комплексов посетителем Центра потребовал разработки и реализации оригинальных решений. Так как ни один из провайдеров Интернета не позволит проводить на своем узле массовые и, возможно, длительные вычисления, забирающие высокие ресурсы и уменьшающие пропускную способность каналов, то потребовалось использовать другую схему проведения расчетов.


Рис. 3. Базовая страница раздела сайта «Система регистрации посетителей Центра компьютерного моделирования»

В Центре клиент организует вычислительную задачу (выбирает процессорную систему и вводит в нее параметры) и запускает ее на счет. Системы этого сегмента сайта по сопровождению заданий пакуют в файл задание и отправляют его по Сети в вычислительный центр, содержащий спектр компьютеров, в том числе многопроцессорные системы. Здесь производится решение задачи, результаты (рис. 2) отправляются либо в Центр, если клиент ждет, либо на его домашний адрес в Сети. Эта схема отлично зарекомендовала себя при опытной эксплуатации.

3. Система регистрации клиентов и коммерческая система Центра

Программные комплексы Центра могут быть использованы как безвозмездно (демо-версии), так и на коммерческой основе. Доступ в режим полномасштабного функционирования Центра осуществляется после регистрации посетителя в специализированной «книге учета» (рис. 3) и внесения им абонентской платы через электронные платежные системы.


Рис. 4. Одна из страниц раздела сайта «Внесение абонентской платы через электронную платежную систему WebMoney»

Для коммерческого сегмента Центра организовано применение (с отработкой необходимых интерфейсов) специализированной банковской системы «Robokassa», обеспечивающей использование более 20 электронных платежных систем (WebMoney (рис. 4), Яндекс.Деньги, Интернет.Деньги, Iнтернет.Грошi), а также ряда зарубежных электронных платежных систем типа E-Gold, PayPal, MoneyBookers, EvoCash и др. с целью существенного расширения круга клиентов. Также была внедрена система, позволяющая проводить платежи с использованием SMS сотовой телефонии (рис. 5).


Рис. 5. Одна из страниц раздела сайта «Внесение абонентской платы через SMS-сообщения сотовой телефонии»

Безопасность прохождения платежей, прозрачность их маршрутизации, необходимые сообщения клиенту, конвертация валют в различных электронных платежных системах гарантируется специальными структурами системы «Robokassa» и проверено в ходе опытной эксплуатации Центра компьютерного моделирования.


Рис. 6. Информационно-вычислительный комплекс «Удар». Таблично-цифровое и графическое представление результатов компью-терных исследований

Однако следует подчеркнуть, что получение прибыли в настоящий момент не ставится доминирующей целью выполняемого многогранного проекта, являющегося функциональным исследованием проблем распространения научных знаний на основе современных информационных технологий.


Рис. 7. Информационно-вычислительный комплекс «Поток». Таблично-цифровое и графическое представление результатов компью-терных исследований

Таким образом, Центр компьютерного моделирования SciShop.ru (рис. 1) является пионером нового направления информационных технологий, однако в скором времени следует ожидать массового появления подобных специализированных Web-ресурсов.


Рис. 8. Информационно-вычислительный комплекс «Астра». Таблично-цифровое и графическое представление результатов компью-терных исследований

Подробно о Центре можно узнать в работах [1–5] или непосредственно на сайте, в разделе «Публикации».

4. Контент Центра

Сайт SciShop.ru — развивающийся Центр компьютерного моделирования. В настоящее время содержит 4 действующих информационно-вычислительных комплекса:

  • «Удар», высокоскоростная внутренняя аэродинамика: расчет ударно-волновых структур в диффузоре ГПВРД ([2], рис. 6);
  • «Поток», высокоскоростная внешняя аэродинамика: расчет обтекания объектов в атмосферах Земли и Марса ([3], рис. 7);
  • «Астра», вычислительная астрофизика: моделирование динамики процессов в межгалактическом газе и протопланетных облаках ([4], рис. 8);
  • «Нано», микроэлектроника: компьютерная поддержка проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов ([5], рис. 9).


Рис. 9. Программный комплекс NanoMod.

Каждый из этих комплексов включает в себя библиографический раздел, табличные и графические базы данных, в которых содержатся результаты расчетов задач в своих предметных областях, а также процессорные системы (программные комплексы), позволяющие посетителю самостоятельно организовать решение интересующей его задачи.

Одним из сегментов Центра компьютерного моделирования является программный комплекс NanoMod компьютерного моделирования процессов формирования наноструктурированных полупроводниковых материалов для электроники.

5. Упражнения к лекции 1

  1. Занесите адрес http://www.SciShop.ru в свою записную книжку.
  2. Занесите в свою записную книжку адреса SciShop.com, SciShop.org, SciShop.info, SciShop.cn
  3. Зайдите на эти сайты и сравните их.
  4. Вернитесь на сайт SciShop.ru (Центр компьютерного моделирования) и просканируйте его в демо-режиме (без регистрации).
  5. Зарегистрируйтесь на сайте, выполняя инструкции и внеся небольшую абонентскую плату, используя электронные платежные системы или непосредственно с мобильного телефона (с помощью SMS).
  6. Теперь Вы готовы использовать режим полномасштабного доступа ко всем ресурсам Центра. По-экспериментируйте с процессорными системами, варьируя определяющие параметры.
  7. Попробуйте найти в Интернете еще один подобный сайт, на котором проводится непосредственное компьютерное моделирование каких-либо научных или прикладных задач.
  8. Оставьте в гостевой книге сайта Ваши вопросы и пожелания.

Список литературы

  1. Тарнавский Г.А., Хакимзянов Г.С., Тарнавский А.Г., Алиев А.В., Малыхин С.М. Распространение высоких технологий во Всемирной Сети: информационно-вычислительный Интернет-центр компьютерного моделирования научных проблем // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Изд-во СПб Политехнического университета. 2006. Т.5. С.83–84.
  2. Тарнавский Г.А. Ударно-волновые режимы течения на входе в диффузор гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя: влияние высоты и скорости полета // Теплофизика высоких температур. 2005. Т.43, №1. С.57–70.
  3. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Компьютерное моделирование в аэромеханике: программный комплекс «Поток-5» // Авиакосмическая техника и технология. 2007. №4. С.27–38.
  4. Алиев А.В., Тарнавский Г.А. Иерархический SPH-метод для математического моделирования в гравитационной газовой динамике // Сиб. электронные математические заметки. 2007. Т.4. С.420–480.
  5. Тарнавский Г.А., Жибинов С.Б., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Современные информационные технологии в наноэлектронике: прямое компьютерное моделирование процессов производственного цикла создания новых полупроводниковых материалов // Инфосфера. 2007. №35. С.48–50.

Г.А. Тарнавский, д.ф.-м.н.,
С.Б. Жибинов, исп. директор,
А.Г. Тарнавский, специалист,
С.С. Чесноков, аспирант,
А.В. Алиев, аспирант,
В.С. Анищик, аспирант

Научно-исследовательский институт прикладной информатики СибГУТИ,
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
Новосибирский государственный технический университет.

Лекция 2. Общее описание программного комплекса NanoMod

Настоящая лекция-статья содержит общее описание программного комплекса NanoMod.

Программный комплекс NanoMod [1–3] Центра компьютерного моделирования (рис. 1) предназначен для проведения научных исследований и прикладных разработок в области микроэлектроники, в том числе микропроцессорной техники. Комплекс может быть использован для обучения специалистов, аспирантов и студентов в данной области знания.

Вычислительный инструментарий NanoMod создается на базе современных оригинальных алгоритмов моделирования электрофизических, термохимических и механических процессов для компьютерной поддержки автоматизированного проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов, так называемых наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Программный комплекс NanoMod может использоваться в индивидуальном режиме на персональных компьютерах, а также в режиме удаленного доступа по сети Интернет — для дистанционного решения задач в Центре компьютерного моделирования.

1. Общее описание комплекса

Программный комплекс NanoMod предназначен для компьютерного моделирования процессов, конкретно использующихся в кремниевой электронике. Несколько весьма важных электрофизических и термохимических процессов (маскирование, имплантация, эпитаксия, травление, оксидирование и отжиг) моделируются в комплексе специализированными программными разделами — сегментами MASK, IMPL, EPIT, ETCH, OXID и ANNE. Функционирование этих сегментов поддерживается служебными, организационными и алгоритмическими разделами MESH, SOLV и SUBS. Основные функции этих разделов заключаются в следующем.


Рис. 1. Программный комплекс NanoMod. Базовая страница раздела

Организация расчетной сетки в области моделирования (MESH computer organization) — математическая и вычислительная формулировка задачи.

Настройка решателей (SOLVers tuning) — установка режимов решения в программных сегментах (абсолютная и относительная точность, режимы вывода и обработки получаемой информации, интерфейсы с клиентом, записи в БД долгосрочного хранения и т.п.).

Субстанцирование, формирование базовой подложки (SUBStrating, SUBStrate formation) — установка базовой подложки с определенной ориентацией кристаллической решетки и начальной концентрацией примесей.

Маскирование (MASKing) — процесс установки защитных масок, предохраняющих часть поверхности от физико-химических воздействий.

Имплантация (IMPLantation) — процесс легирования базовой подложки Si (элемента IV группы Периодической системы) примесями элементов III группы B, Ga (бор, галлий) и/или V группы P, As, Sb (фосфор, мышьяк, сурьма).

Эпитаксия (EPITaxy) — процесс выращивания монокристаллических тонких пленок кремния в соответствии с кристаллической структурой подложки.

Травление (ETCHing) — контролируемое удаление материала с целью получения кремниевой пластины с заданным микрорельефом поверхности.

Оксидирование (OXIDation) — процесс локального окисления определенных выбранных микрообластей поверхности кремниевой пластины с одновременной защитой других микрообластей.

Отжиг (ANNEaling) — процесс нагрева и последующего охлаждения (быстрого или медленного) для форсирования диффузии примесей в подложке с целью выравнивания распределения примесей и снятия механических напряжений.

2. Структура комплекса

В состав программного комплекса NanoMod (см. рис. 2) входит процессорная система, содержащая программы-решатели, и оболочка — пользовательский интерфейс. Взаимодействие между процессорной системой (решателями) и оболочкой осуществляется через создаваемые на время расчета специальные файлы: оболочкой формируется пусковой файл для решателя, а после окончания вычислений решатель сохраняет результаты в файлах, по которым система визуализации строит графики.


Рис. 2. Структурная схема программного комплекса NanoMod

Редактор пускового файла в составе оболочки служит для ввода глобальных параметров моделирования и стадий формирования требуемого устройства с индивидуальными параметрами для каждой стадии.

Визуализатор результатов отображает положение границ между различными типами субстанций (кремний Si, диоксид кремния SiO2, нитрид кремния Si3N4, оксиданты — кислород O2 и пары воды H2O, легирующие примеси — фосфор P, мышьяк As, бор B и т.п.) в различные моменты технологического процесса, перечисленные в пусковом файле.

3. Система стартовых данных

Для проведения конкретного расчета необходимо сформулировать соответствующую вычислительную задачу (ввести необходимые стартовые исходные данные) и провести инициализацию процессорных систем комплекса. Стартовые данные подразделяются на глобальные и локальные.

Глобальные данные являются общими для всей задачи и необходимы для функционирования подпрограмм всего комплекса. К ним относятся геометрические параметры: размеры области моделирования в X и Y направлениях, конфигурация исходной границы поверхности кремниевой пластины. Комплекс предоставляет возможность вариации типа кремния: поликристаллический или монокристаллический с различными, по заказу пользователя, значениями индекса Миллера — (100), (110), (111) и т.д. К глобальным относятся также алгоритмические параметры: число узлов расчетной сетки по различным координатным направлениям.

Локальные стартовые данные необходимы для функционирования только отдельных разделов (решателей) комплекса и индивидуальны для каждого соответствующего алгоритма. Конспективно укажем основные локальные параметры и приведем их краткое описание.

Раздел «MESH» позволяет использовать различные (в том числе неднородные) вычислительные сетки в области решения задачи.

Раздел «SOLV» варьирует различные режимы организации вычислительного процесса.

Раздел «SUBS» допускает вариацию индексов Миллера (ориентацию кристаллической решетки подложки) и исходных концентраций легирующих примесей.

Раздел «MASK» допускает вариацию положения границ защитных масок.

Раздел «IMPL» допускает вариацию типа вводимой примеси (фосфор, мышьяк, сурьма, бор, галлий).

Раздел «EPIT» позволяет пользователю наращивать эпитаксиальные слои кремния в двух вариантах процесса (гомо— и гетероэпитаксия). Гомоэпитаксия — процесс осаждения на подложку материала того же типа. Гетероэпитаксия — выращивание монокристаллического кремния на поликремнии.

Раздел «ETCH» позволяет создавать различные формы микро-рельефа поверхности кремния. Это обеспечивается заданием различных положений защитных масок (пользователь указывает координаты краев масок) и глубину травления.

Раздел «OXID» позволяет пользователю конструировать различные типы (тонкие, толстые) пленок оксида в отдельных подобластях поверхности. При этом пользователь сам варьирует положением защитных масок и временем оксидирования.

Раздел «ANNE» позволяет пользователю, варьируя временем и температурой процесса отжига, обеспечивать уровень приемлемых внутренних напряжений в кремниевой пластине.

Укажем, что процессы маскирования, травления, оксидирования, имплантации, эпитаксии и отжига могут неоднократно и в произвольном порядке использоваться в одной задаче.

В целом программный комплекс NanoMod предоставляет пользователю широкие возможности для конструирования элементов НЭМС-устройств с требуемыми свойствами.

4. Инициализация процессорных систем

Для инициализации вычислительного комплекса NanoMod пользователь должен сформулировать задачу — составить сценарий расчета (перечень и последовательность сегментов комплекса, моделирующих соответствующую операцию технологического процесса) и ввести исходные глобальные и локальные данные.

После организации задания следует инициировать процессорную систему комплекса с помощью соответствующей кнопки пользовательского интерфейса. По завершении расчета результаты моделирования будут сохранены в файлах на жестком диске и изображены на графике в окне оболочки. При необходимости изменить начальные данные следует вернуться в редактор пускового файла и после окончания редактирования повторно запустить расчет.

Препроцессорная система программного комплекса NanoMod предназначена для поддержки пользователя при выполнении им действий по организации вычислительной задачи: формирования сценария расчета и ввода исходных данных (физико-математических и алгоритмических параметров, необходимых для получения требуемого решения).

В узком смысле препроцессор выполняет функцию подготовки данных для ввода в программу-компилятор. В более широком смысле препроцессорная система ориентирована на создание дружественного пользовательского интерфейса. В системе NanoMod этот интерфейс подразделяется на два типа действия: составление сценария расчета и ввод цифровых данных.

Сценарий расчета есть список программных сегментов, необходимых для проведения вычислительного процесса, и перечисленных в нужной последовательности.

Ввод параметров есть указание (присвоение) конкретных цифровых значений их условным обозначениям в программе (идентификаторам).

Внутреннее ядро текстов программного комплекса NanoMod написано на языке Fortran на его классическом диалекте Fortran IV, что позволяет без проблем использовать различные компиляторы (Fortran-77, -90, -95 и др).

Подчеркнем, что в каждом сегменте список формальных параметров (замещаемых в конкретных задачах фактическими значениями) существенно минимизирован для удобства пользователя, избавляя его от необходимости читать «толстые» инструкции или часто обращаться к режиму Help. При этом ввод части данных (особенно алгоритмических, требующих хорошего знания применяемого вычислительного метода) поручен специализированным модулям комплекса.

Верификация и опытная эксплуатация программного комплекса показали приемлемую точность моделирования спектра декларированных задач в широком диапазоне определяющих параметров.

5. Оболочки вычислительного ядра комплекса NanoMod. Пользовательский интерфейс

В работе с программным комплексом вычислителю предоставляется возможность использования 4 видов оболочек различного иерархического уровня.


Рис. 3. Полный шаблон ввода параметров во все программы-решатели процессорной системы для использования в реальных сценариях решения конкретных задач

Здесь укажем только один тип пользовательского интерфейса, применяемый для организации задания на счет в режиме удаленного доступа к инструментарию NanoMod по сети Интернет.

Оболочка комплекса предоставляет пользователю специальный шаблон заданий с полями ввода, в которые необходимо вписать только цифровые значения параметров.

Полный пусковой файл, который содержит весь спектр пусковых файлов каждого программного сегмента комплекса NanoMod, показан на рис. 3.

В приведенном сценарии сегменты IMPL, EPIT, ETCH, MASK, OXID и ANNE вызываются (используются) только по одному разу. Этот сценарий, тем не менее, является компьютерной программой проектирования конкретного НЭМС-узла. Программный комплекс NanoMod позволяет проводить произвольное число операций с этими сегментами (число их вызовов не ограничено) и в любой последовательности в соответствии с вычислительным сценарием пользователя.

6. Доступ к комплексу

Программный комплекс NanoMod находится в свободном (в настоящее время) доступе на сайте Центра компьютерного моделирования. Посетитель, зайдя на сайт SciShop.ru, с Главной страницы должен перейти в раздел «Центр — 1» по соответствующей гиперссылке. Далее, попав на его корневую страницу, посетитель должен перейти на один из размещенных в «Центре — 1» программных комплексов УДАР, ПОТОК, АСТРА и НАНО. В данном случае следует использовать для дальнейшего перехода гиперссылку НАНО.


Рис. 4. Страница «Научные публикации». На врезке показана обложка одного из журналов («Инфосфера»), в которых опубликованы статьи о комплексе NanoMod

После этого посетитель попадает на базовую страницу информационно-вычислительного комплекса NanoMod (рис. 1).

На базовой странице находятся переходы на 4 раздела: «Научные публикации», «Компьютерные вычисления — 1», «Компьютерные вычисления — 2» и «Компьютерные вычисления — 3».

В раздел «Научные публикации» (рис. 4) включены основные статьи авторов комплекса по данной тематике.


Рис. 5. Шлюз для выхода к журналам по нанотехнологиям в электронике. На врезке приведен фрагмент главной страницы одного из российских журналов («Нано- и микросистемная техника»)

Также предоставляется возможность доступа к статьям других авторов. Для этого на базовой странице раздела «Центр — 1» имеется шлюз для выхода на сайты ведущих российских и зарубежных журналов по тематике «Нанотехнологии в электронике» (рис. 5).

Разделы «Компьютерные вычисления — 1, — 2, –3» содержат вычислительные программы математического моделирования процессов формирования наноструктур в кремниевой подложке. Уровень сложности задач повышается с ростом номера раздела.


Рис. 6. Страница «Компьютерные вычисления-1». На врезке показаны результаты моделирования одного из технологических процессов (травления кремния)

Раздел «Компьютерные вычисления — 1» (рис. 6) предназначен для проведения дистанционного обучения и практического тренинга по математическому моделированию отдельных процессов технологического производства наноматериалов. В частности, моделируются следующие нанотехнологии:

  • маскирование участков поверхности для защиты от электрофизических и термохимических воздействий;
  • имплантация в кремний донорных и акцепторных легирующих примесей;
  • эпитаксиальное наращивание слоя одного материала на поверхность другого;
  • травление материалов различных типов для создания требуемого нанорельефа поверхности;
  • оксидирование поверхности кремния для создания оксидных пленок требуемой конфигурации.


Рис. 7. Страница «Компьютерные вычисления-2». На врезке показаны результаты моделирования одного из технологических процессов (оксидирования кремния, часть поверхности которого закрыта защитными масками)

Раздел «Компьютерные вычисления — 2» (рис. 7) ориентирован на тренинг моделирования некоторых узловых сегментов технологического цикла.

В данном разделе проводится моделирование 5 технологических операций, входящих в производственный цикл разработки НЭМС-узлов:

  • оксидирование части поверхности кремниевой пластины, легированной донорными и акцепторными примесями;
  • травление пластины и организация защиты на участках нанорельефа поверхности масками различных типов и дислокаций;
  • имплантация легирующих примесей в горизонтальные и вертикальные участки нанорельефа поверхности подложки после травления;
  • эпитаксия кремния на непланарную поверхность подложки с маскированными участками;
  • оксидирование непланарной поверхности пластины с наличием траншеи и защитной маски.

Раздел «Компьютерные вычисления — 3» (рис. 8) предназначен для обучения и практического тренинга по математическому моделированию формирования базовых элементов интегральных схем.


Рис. 8. Страница «Компьютерные вычисления-3». Некоторые результаты моделирования наноэлектро-механических систем в кремнии

Функционирование разнообразных электронных приборов обеспечивается созданием в полупроводниковых материалах специальных наноструктур — больших, сверхбольших и ультрабольших интегральных схем (ИС, БИС, СБИС и УБИС).

Интегральная схема (Integrated Circuit, IC) — электронная схема, включающая в себя от нескольких штук до миллиардов микроскопических компонентов, сформированных на твердотельной подложке как единое целое. ИС представляет собой миниатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны (объединены) конструктивно и энергетически.

Конструируются различные типы ИС: полупроводниковые (другие названия — монолитные, однокристальные), многокристальные, пленочные и др. По виду обрабатываемого сигнала ИС делятся на цифровые, аналоговые и смешанные.

ИС могут содержать от одного до миллионов логических вентилей, триггеров, мультиплексоров на площади в несколько квадратных миллиметров. Современные технологии позволяют получать полупроводниковые подложки для изготовления ИС диаметром 300 мм (12 дюймов). При этом размеры топологических элементов ИС в настоящее время составляют уже 45 нм и продолжают уменьшаться.

В ранних проектах кремниевой микроэлектроники на чипе вначале изготавливались КМОП СБИС управления, а затем — микромеханизмы (МЭМС-узлы). Возникал ряд тупиковых противоречий: алюминий не выдерживал механических нагрузок в объемных микроконструкциях, использование вольфрамовых межсоединений приводило к изменению профилей легирования и деградации полупроводниковых структур КМОП-схем. Тупиковым был и путь, когда МЭМС-узлы изготавливались перед формированием КМОП-схем.

Удачным компромиссным техническим решением стала технология IMEMS (Integrated MicroElectroMechanical Systems), которая предполагает формирование микромеханических узлов в канавках (разнопрофильных углублениях) кремниевого слоя. Технологию IMEMS широко применяют изготовители КМОП/МЭМС-изделий (Intel, AMD, Motorola и др.), в том числе для производства микропроцессоров.

В разделе приводится организация компьютерного проектирования ряда МЭМС-узлов. Основное внимание уделяется конструированию транзисторов.

В частности, конструируются:

  • конденсатор — электрическая емкость, накопитель отрицательных и положительных зарядов, основной функциональный элемент наноячеек памяти в интегральных схемах;
  • резистор — электропроводящий канал, соединяющий элементы больших, сверхбольших и ультрабольших интегральных схем;
  • элементарный кремниевый транзистор — основной элемент микропроцессоров вычислительной техники;
  • SOI-транзистор — однозатворный вариант транзистора из спектра полевых транзисторов, выполняемых по технологии «silicon-on-isolator»;
  • SON-транзистор — однозатворный вариант транзистора из спектра полевых транзисторов, выполняемых по технологии «silicon-on-nothing» с элементами архитекуры FinFET.

Компьютерные эксперименты, являясь, по сравнению с физическими, более мобильными, с возможностью перебора сотен и даже тысяч вариантов, с быстрым и эффективным анализом их результатов, а также со способностью наращивания уровней используемых физикоматематических моделей, играют все более и более возрастающую роль в дизайне новых полупроводниковых материалов. Роль компьютерного моделирования будет непрерывно повышаться с расширением применения суперЭВМ и современных высокопроизводительных вычислений параллельного счета.

Следующая лекция будет посвящена обучению и тренингу использования программного сегмента OXID «Оксидирование кремния».

7. Упражнения к лекции

  1. Зайдите на сайт http://www.SciShop.ru и просмотрите научную информацию по компьютерному моделированию нанотехнологий и наноматериалов.
  2. Перейдите на страницу «Центр — 1» и выполните тренинг доступа через шлюз «Журналы по нанотехнологиям» на сайты российских и зарубежных журналов.
  3. Зайдите на сайт журнала «Нано- и микросистемная техника». Этот сайт хорошо разработан и содержит в свободном доступе большое количество статей и книг по нанотехнологиям. На сайте имеется раздел «Полезные ссылки».
  4. Зайдите на сайт журнала «Российские нанотехнологии». Здесь находятся в свободном доступе работы по фундаментальным вопросам исследования свойств наноразмерных объектов с технологиями их получения.
  5. Зайдите на сайт «All about MEMS» и ознакомьтесь с ним. Здесь представлена деятельность крупнейших мировых корпораций, в которых создаются современная микро— и наноэлектроника.
  6. Пройдите на сайте SciShop.ru по цепочке гиперссылок «Центр-1» — «НАНО» — «Компьютерные вычисления-1» — «OXID» — «Запустить программу» — «Получить результат» — «Вывести график». Таким образом, Вы ознакомитесь со структурой линии вычислений на сайте (в данном случае с использованием сегмента «OXID» программного комплекса NanoMod.

Список литературы

  1. Тарнавский Г.А., Жибинов С.Б., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Современные информационные технологии в наноэлектронике: прямое компьютерное моделирование процессов производственного цикла создания новых полупроводниковых материалов // Инфосфера. 2007. №35. С.48–50.
  2. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Инструментарий NanoMod компьютерной поддержки проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов // Вычислительные методы и программирование. 2009. Т.10. Раздел 2. С.34–50.
  3. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Решатели процессорной системы программного комплекса NanoMod // Нано— и микросистемная техника. 2009. №4. С.6–13.

Г.А. Тарнавский, д.ф.-м.н.,
С.Б. Жибинов, исп. директор,
А.Г. Тарнавский, специалист,
С.С. Чесноков, аспирант,
А.В. Алиев, аспирант,
В.С. Анищик, аспирант

Научно-исследовательский институт прикладной информатики СибГУТИ,
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
Новосибирский государственный технический университет.

Лекция 3. Оксидирование кремния

Настоящая лекция-статья посвящена описанию некоторых аспектов технологического процесса оксидирования кремния и использования для математического моделирования этого процесса программного сегмента OXID комплекса NanoMod.

Оксидирование — процесс формирования оксидов — является одним из главных процессов в МОП («металл-оксид-полупроводник») и КНИ («кремний-на-изоляторе») технологиях формирования наноструктур в полупроводниковых материалах для современной электроники, в том числе для микропроцессорной техники. Применяется для локального окисления определенных выбранных микрообластей кремниевых пластин с одновременным маскированием окисления в других микрообластях. Вначале формируется однородный слой диоксида кремния SiO2 толщиной около 30 нм, затем на него осаждается слой нитрида кремния Si3N4 толщиной порядка 100 нм. На нитрид кремния фотолитографическим способом наносится изображение. Затем относительно тонкий слой диоксида кремния выращивается в окнах масок Si3N4. Нитрид кремния блокирует (маскирует) окисление Si везде, где он присутствует. Постепенное окисление слоя Si3N4 отделяет это окисление от пластины. Тонкий начальный слой SiO2 используется для предотвращения напряжений в кремниевой структуре, возникающих от прямого контакта между Si и Si3N4.

Установлено, что свойства оксида в основном зависят от температуры окисления, а не от давления. Однако преимущество окисления Si при высоком давлении заключается в том, что это позволяет выращивать слои термического оксида при относительно низких температурах в течение времени, сравнимом со временем, необходимым для обычного высокотемпературного процесса при атмосферном давлении. Например, при окислении во влажном кислороде при давлении 1 МПа и температуре 750°C пленка SiO2 толщиной 30 нм выращивается в течение 30 минут.

Для изменения толщины можно варьировать временем процесса, его температурой и давлением. Такой метод применяется при выращивании тонких подзатворных оксидов. Одновременно с выращиванием тонкой оксидной пленки происходит формирование толстого оксида в слое легированного поликремния. Концентрационно-ускоренное окисление позволяет свести к минимуму процесс перераспределения предварительно введенной в подложку примеси. Это весьма важно при формировании биполярных структур с изопланарной изоляцией элементов толстыми оксидными слоями и высокой плотностью компоновки этих элементов, используемых в качестве динамических запоминающих устройств с произвольной выборкой.

1. Математическая формулировка задачи

Физико-математическая постановка задачи оксидирования кремния опирается на классическую формулировку Дила–Гроува [1] о диффузии оксиданта через область оксида к области материала. Область оксида ограничена границами G1 («оксид/материал») и G2 («оксид/оксидант»).

В качестве оксиданта в производственных технологиях используются чистый кислород O2 («сухое оксидирование») или высокотемпературный водяной пар H2O, обогащенный кислородом («влажное оксидирование»). Иногда используются более агрессивные оксиданты.

Как правило, в технологиях оксидирования возникает диоксид кремния SiO2, в специализированных случаях — нестабильные состояния SiOx (SiO или SiO4), в зависимости от параметров процесса.

Модель Дила–Гроува (и ее современные модификации) приводит к необходимости решения уравнения диффузии с коэффициентом, зависящим от параметров технологического процесса (температуры, давления др.). Эта зависимость описывается достаточно эмпирическими математическими соотношениями.

Формулировка задачи замыкается постановкой граничных условий — значений диффузионных потоков на границах G1 и G2. Эти значения также весьма эмпиричны и опираются на физические эксперименты.

Подробно формулировка задачи (используемые уравнения и граничные условия) приведены в [2]. Укажем, что цитируемые работы авторов находятся в свободном доступе на сайте SciShop.ru, раздел «Нано», подраздел «Научные публикации».

2. Проблемы математического моделирования

Математическое моделирование процесса оксидирования имеет значительные проблемы не только в построении собственно модели оксидирования (как электрофизического и термохимического процесса).

Одной из сложнейших проблем моделирования этого процесса является проблема, лежащая в области механики сплошных сред и связанная с трудностями математической формулировки задачи. Ее сущность заключается в следующем.

При оксидировании кремния Si и переходе его в диоксид кремния SiO2 имеет место эффект «наработки» объема вещества. Из единицы объема Si возникает 2.27 единиц объема SiO2. Область оксида располагается между двумя границами G1 и G2: «оксид/материал» SiO2/Si и «оксид/оксидант» SiO2/O2. Наработка объема происходит на границе волны оксидирования SiO2/Si при движении ее фронта вглубь Si. При этом меняется и конфигурация всего SiO2 вследствие роста его объема в 2.27 раз.

Из всего этого объема его 1 (единица) занимает место окидированного Si, перешедшего в SiO2, а наработанный дополнительный объем SiO2 в 1.27 единиц может расшириться только в область оксиданта O2.

Таким образом, движение границы SiO2/Si генерирует движение границы SiO2/O2.

В одномерном или квазиодномерном процессе оксидирования плоской поверхности Si решение этой проблемы является весьма простым. При движении плоской границы SiO2/Si вглубь Si на 1 (единицу длины) плоская граница SiO2/O2 продвигается на 1.27 единиц в область O2. При этом планарность поверхности обеих границ не меняется.

В 2D- и, тем более, 3D-процессах решение этой проблемы чрезвычайно сложно. Конфигурация и скорость движения границы SiO2/O2 зависят от целого ряда факторов.

Во первых, существенную роль играет собственно форма SiO2, непрерывно изменяющяся в процессе оксидирования. Во вторых, весьма существенным является наличие ограничителей роста границы SiO2/Si, таких как, например, защитные маски (или иная субстанция), лежащие на участках этой границы. Влияние таких масок на подвижность границы SiO2/O2 может быть различным в зависимости от их размеров, массы, механических свойств материала (эластичность, прочность и т.п.).

В настоящее время нет универсальных моделей оксидирования, которые бы удовлетворительно описывали процесс влияния границы SiO2/Si на SiO2/O2 в широком диапазоне определяющих параметров.

Квазиодномерная классическая модель «птичьего клюва» Дила–Гроува [1] дает удовлетворительные (иногда даже очень хорошие) результаты в слишком ограниченном спектре задач. Современные модели с представлением диоксида кремния некоей «знакомой» (по другим задачам) субстанцией: идеальной жидкостью, вязкой жидкостью, вязкопластическим или вязко-эластичным материалом и т.п., имеют существенные трудности в определении значений эмпирических констант, изобилующих в этих моделях (аналоги чисел Рейнольдса, Прандтля, модуля Юнга, коэффициента Пуассона и др.). Подбор этих констант для удовлетворительного решения одного класса задач не гарантирует их пригодности для решения других классов задач.

Вычислительный комплекс NanoMod использует специальный оригинальный алгоритм «когерентных точек» (подробно описанный в [3]), который позволяет моделировать процесс движения границ при оксидировании с высокой эффективностью (хорошая точность с приемлемыми затратами компьютерных ресурсов) для широкого спектра задач.

3. Организация вычислений

Численное решение задачи оксидирования кремния в программном комплексе NanoMod обеспечивает сегмент OXID.

Функционирование этого сегмента поддерживается специализированными служебными, организационными и алгоритмическими разделами MESH, SOLV и SUBS. Основные функции этих разделов заключаются в следующем.

Организация расчетной сетки в области моделирования (MESH computer organization) — математическая и вычислительная формулировка задачи.

Настройка решателей (SOLVers tuning) — установка режимов решения в программных сегментах (абсолютная и относительная точность, режимы вывода и обработки получаемой информации, интерфейсы с клиентом, записи в БД долгосрочного хранения и т.п.).

Субстанцирование, формирование базовой подложки (SUBStrating, SUBStrate formation) — установка базовой подложки с определенной ориентацией кристаллической решетки и начальной концентрацией примесей.

Для проведения конкретного расчета необходимо сформулировать соответствующую вычислительную задачу (ввести необходимые стартовые исходные данные) и провести инициализацию процессорных систем комплекса. Стартовые данные подразделяются на глобальные и локальные.


Рис. 1. Главная страница Интернет-центра компьютерного моделирования (фрагмент)

Глобальные данные являются общими для всей задачи и необходимы для функционирования подпрограмм всего комплекса. К ним относятся геометрические параметры: размеры области моделирования в X и Y направлениях, конфигурация исходной границы поверхности кремниевой пластины. Комплекс предоставляет возможность вариации типа кремния: поликристаллический или монокристаллический с различными, по заказу пользователя, значениями индекса Миллера — (100), (110), (111) и т.д. К глобальным относятся также алгоритмические параметры: число узлов расчетной сетки по различным координатным направлениям.

Локальные стартовые данные необходимы для функционирования только отдельных разделов комплекса и индивидуальны для каждого соответствующего алгоритма. Конспективно укажем основные локальные параметры и приведем их краткое описание.

Раздел «MESH» позволяет использовать различные (в том числе неднородные) вычислительные сетки в области решения задачи.

Раздел «SOLV» варьирует различные режимы организации вычислительного процесса.

Раздел «SUBS» допускает вариацию индексов Миллера (ориентацию кристаллической решетки подложки) и исходных концентраций легирующих примесей.


Рис. 2. Страница «Центр-1» — корневая страница разделов «Удар», «Поток», «Астра», «Нано» и шлюзов для выхода на сайты ведущих российских и зарубежных журналов в областях математического моделирования, физической газовой динамики и нанотехнологий в электронике

Раздел «OXID» позволяет пользователю конструировать различные типы (тонкие, толстые) пленок оксида в отдельных подобластях поверхности. При этом пользователь задает параметры процесса и время оксидирования.

4. Доступ к программе и проведение расчетов

Для работы с программным сегментом OXID в режиме дистанционного доступа по сети Интернет необходимо:

– зайти на сайт Центра компьютерного моделирования SciShop.ru (рис. 1);

– нажатием кнопки «Центр-1» перейти в соответствующий сегмент ресурса, корневую страницу группы программных комплексов «Удар», «Поток», «Астра» и «Нано» (рис. 2);


Рис. 3. Базовая страница раздела «Нано»

– нажатием кнопки «Нано» перейти на базовую страницу этого раздела (рис. 3);


Рис. 4. Страница первого уровня линии «Компьютерные вычисления-1» раздела «Нано»

– по гиперссылке «Компьютерные вычисления-1» перейти на эту линию раздела «Нано» (рис. 4);


Рис. 5. Страница (фрагмент) «Про-граммный сегмент OXID» второго уровня линии «Компьютерные вычисления-1» раздела «Нано»

– нажатием кнопки OXID перейти на страницу «Оксидирование» (рис. 5).

Эта страница содержит сценарий задания на проведение расчета, окна ввода цифровых параметров и клавишу «Запустить программу». Нажатием этой клавиши производится формирование вычислительного задания, пересылка его в Суперкомпьютерный центр СО РАН.

Далее производится инициализация размещенных там процессорных систем комплекса NanoMod, исполнения задания (проведение расчета), запись решения в транспортный файл и размещение этого файла на одном из ресурсов Интернета.


Рис. 6. Страница «Постановка зада-чи на счет программного сегмента OXID» третьего уровня линии «Компьютерные вычисления-1» раздела «Нано»

Адрес этого ресурса указывается клиенту на особой странице (рис. 6) сайта, которая генерируется автоматически, без участия пользователя, после нажатия им клавиши «Запустить программу». По окончании решения и завершения системных операций клиент, нажав этот адрес, являющийся гиперссылкой, может получить решение в виде цифровых таблиц на странице «Вывод информации» (рис. 7).


Рис. 7. Страница «Цифровые результаты вычислений программного сегмента OXID» четвертого уровня линии «Компьютерные вычисления-1» раздела «Нано»

Гиперссылка «Вывести график», размещенная справа на плашке этой страницы, обеспечивает инициализацию графической системы GnuPlot и визуализацию (рис. 8) полученного числового решения.

5. Входные параметры

На странице OXID линии «Компьютерные вычисления-1» (рис. 5) пользователь должен сформулировать конкретную задачу предметной области, введя цифровые значения параметров в программные сегменты MESH, SUBS и OXID.


Рис. 8. Страница «Визуализация цифровых результатов вычислений программного сегмента OXID» пя-того уровня линии «Компьютерные вычисления-1» раздела «Нано»

Функционирование программного сегмента MESH (NX, NY, XMAX, YMAX, Y0, IM, AX, AY) определяется значениями восьми параметров. Параметры NX и NY есть значения числа узлов расчетной сетки по X— и Y-координатному направлению. Параметры XMAX и YMAX являются максимальными значениями соответствующих координат. Параметр Y0 определяет Y-координату границы раздела «кремнийсреда» в начальный момент времени в стандартной постановке задачи. В различных задачах среда может быть вакуумом, воздухом, оксидантом и др. Параметр IM является управляющим параметром построения сетки: при IM = 0 строится неравномерная сетка, а при IM = 1 — равномерная сетка. При заказе на построение неравномерной сетки коэффициенты неравномерности по X и Y направлениям определяются соответственно параметрами AX и AY.

Все линейные размеры в этом и других сегментах должны задаваться в нанометрах (нм). Функционирование программного сегмента SUBS (OR, PH, BO, AS) определяется значением 4 параметров. Параметр OR указывает пространственную ориентацию кристаллической решетки кремниевой подложки. Значение этого параметра равно значению индекса Миллера. Параметры PH, BO и AS являются значениями начальных концентраций фосфора, бора и мышьяка в базовой подложке. Эти значения должны задаваться в единицах см–3 (как наиболее употребительных).

Функционирование программного сегмента OXID (OX, TC, POX, TM, TAU, U0) определяется значением 6 параметров:

  • OX — тип оксидирования;
  • TC — температура процесса (град. Цельсия);
  • POX — давление оксиданта (атм);
  • TM — время процесса (мин);
  • TAU — начальный временной шаг (мин);
  • U0 — начальная толщина пленки оксида (нм).

В настоящее время сегмент обеспечивает возможность моделирования оксидирования кремния различных типов: сухое оксидирование в кислороде O2 или влажное оксидирование в парах воды H2O (соответствующие значения управляющего параметра OX = 1 или OX = 2).

Параметр TC, температура (град. Цельсия) процесса, может принимать любые неотрицательные значения. В настоящее время используются температуры от 300°C (очень медленное, но весьма равномерное оксидирование) до 1400°C (быстрое оксидирование).

Параметр POX, давление (атм) оксиданта, может принимать любые неотрицательные значения. В техпроцессах используется давление от 0.5 атм до 1.5 атм. В некоторых технологиях используются высокие давления, до 10 атм и иногда выше. При этом возможно существенное уменьшение температуры процесса.

Параметр TM, время (мин) оксидирования, может принимать любые неотрицательные значения. Стандартный интервал изменения этого параметра: от 1 мин до 30 мин (определяется технологической картой).

Вычислительный алгоритм стартует с начальным значением временного шага TAU и в дальнейшем счете автоматически корректирует его (без участия пользователя) в зависимости от динамики протекающего процесса для обеспечения заданно точности решения.

Программный комплекс позволяет проводить произвольное число операций оксидирования. Для этого следует инициировать OXID требуемое число раз в необходимых местах вычислительного сценария.

6. Выходная информация

После решения задачи автоматически, без участия пользователя, формируются страницы цифровой и графической информации.

Страница цифровой информации (рис. 7) содержит несколько таблиц, в которых размещаются исходные данные задачи (физические и алгоритмические параметры) и данные, полученные в результате решения. Эти данные сведены (в настоящее время) в 4 таблицы: матрицы материалов и значений концентраций легирующих примесей (фосфора, бора и мышьяка) в расчетной области (в узлах сетки).

Для комфорта восприятия данных значения в этих таблицах выводятся на экран монитора или на печать с некоторым интервалом выборки значений из узлов расчетной сетки. Шаг выборки (интервал) определяется пользователем. Интервал, равный 1, означает полный вывод информации.

Все цифровые данные снабжены необходимыми текстовыми комментариями.

Графическая информация (рис. 8) является визуализацией цифровых данных — у каждой из четырех таблиц имеются графические аналоги, двумерные картины распределения материалов и концентраций примесей в них.

В частности, в следующем пункте приводятся (в дискретной цветовой гамме) матрицы материалов. Каждая из этих матриц содержит только 2 субстанции — кремний (снизу, темный тон) и диоксид кремния (сверху, светлый тон).

7. Иллюстрация расчета процесса оксидирования: влияние основных параметров

Рассмотрим задачу оксидирования пластины кремния с планарной поверхностью. Воздействие оксиданта генерирует возникновение слоя оксида (также с планарной поверхностью), толщина которого зависит от ряда физических факторов.

В вычислительном аспекте решение задачи оксидирования определяется многопараметрической системой входных данных: физических (тип оксиданта, его давление и температура, время процесса) и алгоритмических (временной шаг и начальная толщина оксида).


Рис. 9. Влажное оксидирование кремния. Температура 1200°C, давление оксиданта 1.3 атм. Динамика процесса во времени: 1 мин (а), 3 мин (б) и 5 мин (в)

Кратко проиллюстрируем результаты вычислений, без проведения физического анализа. На рис. 9–11 представлены результаты групп расчетов. В каждой из этих групп варьировался только 1 основной параметр, при фиксированных остальных. Такой подход позволяет просканировать область изменения параметров в поисках их набора, оптимального для поставленных целей технологического процесса.


Рис. 10. Влажное оксидирование кремния. Давление оксиданта 1.3 атм, время процесса 5 мин. Вариация температуры среды: 1000°C (а), 1100°C (б) и 1200°C (в)

На этих рисунках показаны двухслойные пластины системы «кремний/диоксид кремния». Нижний слой — слой кремния, верхний слой — слой диоксида кремния.

В первой группе расчетов (рис. 9) варьировалось время процесса, при фиксированных температуре и давлении. Во второй группе (рис. 10) варьировалась температура при фиксированных значениях давления оксиданта и времени оксидирования. В третьей группе (рис. 11) варьировалось давление оксиданта при фиксированных температуре и времени процесса. Во всех расчетах моделировалось влажное оксидирование.


Рис. 11. Влажное оксидирование кремния. Температура 1200°C, время процесса 5 мин. Вариация давления оксиданта: 0.9 атм (а), 1.1 атм (б) и 1.3 атм (в)

Укажем, что время расчета одного варианта не превышало 20 сек.

Сравнивая эти результаты, можно, в частности, определить, при каких различных наборах значений параметров достигается один и тот же результат — одинаковая толщина оксида.

В использованных спектрах параметров можно определить оптимальный для своих целей, например, с минимальной температурой просесса.

8. Упражнения к лекции 3

1. Зайдите на сайт Центра и выполните все действия по запуску программного комплекса OXID. Просмотрите и проанализируйте решения.

2. При всех (кроме одного) заданных «по умолчанию» параметрах измените в отдельных пусках один из алгоритмических параметров:

  • число узлов сетки;
  • размер области расчета;
  • увеличивая время, контролируйте выход оксида за пределы расчетной области.

3. Измените физические параметры (тип оксиданта, температуру TC, давление POX и время TM процесса), по отдельности и/или все вместе, и проанализируйте результат (NB: здесь имеет смысл анализировать только график матрицы материалов, поскольку концентрации примесей сейчас не являются предметом моделирования и изучения).

4. По сравнению с заданными «по умолчанию» параметрами уменьшите TC до 800°C и последовательно существенно увеличивайте POX с целью добиться той же толщины оксида, как при высоких TC и низких POX.

5. Смените тип оксиданта и проведите те же исследования.

6. Составьте «двумерную» графическую базу данных с упорядоченной вариацией TC и POX. При этом учтите, что для нормальных условий температура плавления кремния 1410°C.

Список литературы

  1. Deal B.E., Grove A.S. General relationship for the thermal oxidation of silicon // Appl. Phys. 1965. V.36. P.37–70.
  2. Tarnavsky G.A. Design of semiconductor materials for electronics. Segment of the technological process: Annealing of the base substrate and formation of a nanostructure of dopants // J. Engineering Physics and Thermophysics. 2008. V.81, №5. P.1038–1048.
  3. Александров А.Л., Тарнавский Г.А., Шпак С.И., Гулидов А.С., Обрехт М.С. Численное моделирование задачи динамики роста пленки окисла в полупроводниковых подложках на основе геометрического подхода и метода Дила–Гроува // Вычислительные методы и программирование. 2001. T.2, №1. С.92–111.
  4. Тарнавский Г.А., Жибинов С.Б., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Современные информационные технологии в наноэлектронике: прямое компьютерное моделирование процессов производственного цикла создания новых полупроводниковых материалов // Инфосфера. 2007. №35. С.48–50.
  5. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Инструментарий NanoMod компьютерной поддержки проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов // Вычислительные методы и программирование. 2009. Т.10. Раздел 2. С.34–50.
  6. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Решатели процессорной системы программного комплекса NanoMod // Нано— и микросистемная техника. 2009. №4. С.6–13.

Г.А. Тарнавский, д.ф.-м.н.,
С.Б. Жибинов, исп. директор,
А.Г. Тарнавский, специалист,
С.С. Чесноков, аспирант,
А.В. Алиев, аспирант,
В.С. Анищик, аспирант

Научно-исследовательский институт прикладной информатики СибГУТИ,
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
Новосибирский государственный технический университет.

 
 
Добавить комментарий
Ваше имя: *
Ваш e-mail: *
Введите код с картинки: *
 
Введите комментарий: *
Календарь мероприятий