Biểu diễn và xử lý các truy vấn trong cơ sở dữ liệu quan hệ mờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
  


PHAN ANH TUẤN


GIẢI SỐ HỆ PHƯƠNG TRÌNH KHUẾCH TÁN ĐỒNG THỜI
BỐN THÀNH PHẤN (B, As, I VÀ V) TÌM PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ
TRONG VẬT LIỆU SILIC DỰA TRÊN LÝ THUYẾT
NHIỆT ĐỘNG HỌC KHÔNG THUẬN NGHỊCH


Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô


LUẬN VĂN THẠC SĨ


Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. Đào Khắc An





HANOI - 2007

i

MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM ƠN iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v
Danh mục các bảng vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị vii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 – KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRONG
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANÔ VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI SỐ 4
1.1. Khái về mô hình hóa và mô phỏng 4
1.2. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn sử dụng cho giải số 7
Chƣơng 2 - KHÁI QUÁT VỀ KHUẾCH TÁN ĐƠN VÀ ĐA THÀNH
PHẦN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN 12
2.1. Các cơ chế khuếch tán trong bán dẫn 12
2.2. Định luật Fick I và II 14
2.3. Bài toán về quá trình khuếch tán trong vật liệu 17
2.4. Hệ số khuếch tán 21
2.5. Khuếch tán đa thành phần sử dụng lý thuyết nhiệt động học không
thuận nghịch 30
Chƣơng 3 - HỆ PHƢƠNG TRÌNH KHUẾCH TÁN ĐỒNG THỜI BỐN
THÀNH PHẦN TRONG BÁN DẪN SILIC TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
NHIỆT ĐỘNG HỌC KHÔNG THUẬN NGHỊCH 31
3.1. Khái niệm cơ bản của nhiệt động học không thuận nghịch 31
3.2. Hệ phƣơng trình khuếch tán đồng thời bốn thành phần (B, As, I và
V) trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học không thuận nghịch 33
Chƣơng 4 - GIẢI SỐ HỆ PHƢƠNG TRÌNH KHUẾCH TÁN ĐA THÀNH
PHẦN BẰNG PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN VÀ KẾT QUẢ 45

4.1. Sơ đồ giải thuật của chƣơng trình 45

ii
4.2. Các môđun chính và chức năng trong chƣơng trình 47
4.3. Các kết quả tính toán và thảo luận 48
KẾT LUẬN 53
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 55
PHỤ LỤC 59



1

MỞ ĐẦU


1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính ngày càng
được sử dụng một cách rộng rãi và không thể thiếu trong những ngành khoa học
hiện đại mũi nhọn. Sự ra đời, phát triển một cách mạnh mẽ của các linh kiện bán
dẫn phụ thuộc rất nhiều vào sự hỗ trợ của mô phỏng các quá trình thiết kế và chế
tạo linh kiện. Sự giảm kích thước của các linh kiện cần thiết phải có những mô
hình mô phỏng tiên tiến cho phép tiên đoán được những hiệu ứng có thể xảy ra
trong đó, hay đối với mô phỏng quá trình công nghệ như quá trình khuếch tán
phải tiên đoán được sự phân bố nồng độ tạp chất.
Quá trình công nghệ chế tạo linh kiện có thể phân chia đơn giản thành hai
nhóm chính [41]: (1) là quá trình tạo chế tạo các cấu trúc (như ăn mòn, lắng
đọng, tạo mặt nạ), trong quá trình này đặc trưng của các vật liệu bán dẫn được
sử dụng bị thay đổi, và (2) là quá trình xử lý nhiệt và pha tạp (nung ủ, cấy ion)

trong quá trình này phân bố của tạp chất được điều khiển. Tuy nhiên có một số
quá trình công nghệ không thể phân loại một cách rõ ràng ví dụ như epitaxy
chùm phân tử được sử dụng như phương pháp lắng đọng để chế tạo các màng
mỏng. Bằng cách thêm vào các tạp chất trong chùm phân tử nhằm pha tạp cho
các lớp màng mỏng để có được những tính chất mong muốn. Các phương pháp
mô phỏng quá trình công nghệ thường bao gồm các quá trình như quang khắc,
ăn mòn và lắng đọng, cấy ion, ủ nhiệt và ôxy hóa. Trong luận văn này tôi chỉ đề
cập đến quá trình khuếch tán bằng ủ nhiệt mà không đề cập tới các quá trình
khác. Khuếch tán các tạp chất là phần vô cùng quan trọng trong quá trình công
nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện.
Hiện nay, hướng nghiên cứu về quá trình khuếch tán được nghiên cứu rất
mạnh mẽ trên thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam có rất ít các cơ sở nghiên cứu trong
lĩnh vực này. Các hội nghị, hội thảo khoa học chuyên đề về khuếch tán được tổ
chức liên tục hàng năm là nơi để các nhà khoa học có thể trao đổi kinh nghiệm,
hợp tác và công bố những công trình khoa học mới. Có thể kể ra như Hội nghị
quốc tế về khuếch tán trong vật liệu (DIMAT – DIffusion in MATerials), Hội
nghị quốc tế về khuếch tán trong chất rắn và chất lỏng (DSL – Diffusion in
Solids and Liquids), diễn đàn về sai hỏng và khuếch tán (DDF – Defect and
Diffusion Forum) trên trang web về khoa học vật liệu ,
và các tiểu ban chuyên đề trong các hội nghị, hội thảo trong nước và quốc tế về
công nghệ nanô và các tạp chí khoa học quốc tế khác.

2
Các chuyên đề được đề cập như cơ sở của quá trình khuếch tán (sai hỏng,
tính toán nguyên lý ban đầu, bước nhảy nguyên tử, lý thuyết bước ngẫu nhiên,
các hiện tượng hay hiệu ứng…); các công cụ cho nghiên cứu khuếch tán (các
phương pháp mô phỏng, công cụ thực nghiệm, cơ sở dữ liệu, phần mềm…);
Khuếch tán trong các loại vật liệu khác nhau (kim loại và hợp kim, bán dẫn, giả
tinh thể, polyme, vô định hình, gốm,…); các quá trình điều khiển khuếch tán;
khuếch tán ở kích thước nanô (hiện tượng luận, vận chuyển ở kích thước nanô,

khuếch tán trong nanô điện tử và vật liệu nanô…);…
Ở Việt Nam nhóm nghiên cứu của GS. TSKH. Đào Khắc An tại Viện Khoa
học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam đã quan tâm nghiên cứu về
khuếch tán từ lâu có nhiều đề tài khoa học cơ bản cấp nhà nước trong các giai
đoạn khác nhau. Vấn đề chúng tôi quan tâm nghiên cứu là mô phỏng, giải số bài
toán pha tạp đa thành phần trên cơ sở hệ phương trình khuếch tán được thiết lập
dựa trên lý thuyết nhiệt động học không thuận. Vấn đề khuếch tán đồng thời rất
được quan tâm nghiên cứu trên thế giới [xem phụ lục], cho đến nay đã có bốn
học viên cao học quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này, và cũng có nhiều
công trình khoa học đã được xuất bản trên các tạp chí và trên các hội nghị trong
nước và quốc tế [1, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 29, 45].
Tuy nhiên, đề tài mà luận văn nghiên cứu là giải số bài toán khuếch tán pha
tạp bốn thành phần (B, As, I và V) dựa trên lý thuyết nhiệt động học không
thuận nghịch để tìm phân bố nồng độ của chúng trong bán dẫn silic. Đề tài này
là bước nghiên cứu sâu hơn so với trước đó là bài toán khuếch tán ba thành phần
(B, I và V) và một số vấn đề khác [1, 3, 45]. Vấn đề về quá trình khuếch tán đa
thành phần là vấn đề khó giải quyết và nó thực sự hấp dẫn đối với các nhà khoa
học, các hiện tượng xảy ra khi pha tạp đa thành phần có nhiều mới lạ, mang tính
tiên đoán dựa trên hiện tượng luận nhiều hơn so với việc xác định bằng thực
nghiệm. Đề tài này là một phần của đề tài nghiên cứu cơ bản cấp nhà nước do
GS. TSKH. Đào Khắc An chủ trì trong giai đoạn 2006-2007.
2. Mục đích, đối tượng và ý nghĩa khoa học của đề tài
Mục đích của quá trình khuếch tán nhằm đưa vào và điều khiển nồng độ
tạp chất trong các vật liệu bán dẫn để tạo thành các vùng tích cực của các linh
kiện bán dẫn, nồng độ tạp chất có thể thay đổi vài bậc độ lớn. Nói chung, có ba
cách thông thường để tạo phân bố nồng độ của tạp chất: (1) khuếch tán từ nguồn
bay hơi hóa học, (2) khuếch tán từ các lớp vật liệu được pha tạp, đặc biệt là
khuếch tán ngoài từ lớp silicide hoặc lớp đa tinh thể silic là hướng quan trọng rất
được quan tâm, và (3) khuếch tán, ủ nhiệt từ một lớp đã được cấy ion. Phương

3
pháp đầu tiên được dùng để tạo ra nồng độ tạp cao trên bề mặt bằng với giới hạn
hòa tan hóa học của tạp chất. Phương pháp cấy ion được sử dụng rộng rãi trong
công nghệ bán dẫn, phương pháp này cho phép điều khiển chính xác nồng độ tạp
chất trong phạm vi vài bậc độ lớn, nhưng lại có nhược điểm là gây sai hỏng tinh
thể trong quá trình cấy ion. Điều này cần có các kỹ thuật nung ủ đặc biệt giống
như gia nhiệt nhanh (Rapid thermal annealing - RTA) để đảm bảo sự dịch
chuyển nhỏ của các tạp chất và sự phục hồi trật tự mạng tinh thể.
Mục đích cuối cùng của những nghiên cứu về khuếch tán là xác định được
phân bố nồng độ tạp chất có hoạt tính điện cần thiết đáp ứng những yêu cầu đặc
biệt của linh kiện. Lý thuyết khuếch tán được phát triển theo hai hướng tiếp cận
chính: (1) lý thuyết liên tục mô tả quá trình khuếch tán theo các định luật khuếch
tán của Fick và (2) lý thuyết nguyên tử đòi hỏi tính đến các tương tác của sai
hỏng điểm và các phương trình chứa tương tác trao đổi giữa các thành phần
khuếch tán. Đối với silic ở điều kiện pha tạp thuần áp dụng lý thuyết liên tục khá
thành công nhưng chi tiết về các tương tác không được biết. Với các mô hình hệ
số khuếch tán mở rộng cũng có thể áp dụng lý thuyết liên tục cho các điều kiện
pha tạp nồng độ cao. Thật không may là có nhiều hiện tượng xuất hiện giống
như sự kết tủa hoặc các hiệu ứng tụ đám, điều đó làm hạn chế tính ứng dụng của
cách tiếp cận theo lý thuyết Fick cho các vùng pha tạp ngoại lai. Các mô hình
khuếch tán nguyên tử khác nhau bao gồm các sai hỏng trong các điều kiện cân
bằng hoặc không cân bằng đã đề cập nhiều đến hành vi khuếch tán dị thường
trong silic [5, 14, 45]. Các phương pháp đo phân bố nồng độ tạp trên phạm vi
rộng sử dụng đánh dấu tạp chất được phát triển để xác nhận cơ chế khuếch tán
tăng cường hay làm chậm đối với các thành phần khuếch tán khác nhau.
Mô phỏng khuếch tán nguyên tử và đa thành phần vẫn đang trải qua quá
trình phát triển và hoàn thiện và nó sẽ trở nên quan trọng cho thế hệ kế tiếp của
các linh kiện thu nhỏ về kích thước. Các sai hỏng trong vật liệu không chỉ thể
hiện các hiệu ứng thứ yếu mà còn làm ảnh hưởng lên dòng tạp chất (sự phân bố
nồng độ tạp chất) làm ảnh hưởng đến hoạt tính điện và do đó ảnh hưởng trực

tiếp đến tính chất của linh kiện. Chính vì những lý do đó mà nghiên cứu khuếch
tán và sai hỏng đang là chủ đề thời sự trong nghiên cứu cả về lý thuyết, thực
nghiệm và đặc biệt là mô hình hoá và mô phỏng trong công nghệ vật liệu và linh
kiện nanô.


PDF Merger
Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF
Merger! To remove this page, please
register your program!
Go to Purchase Now>>
 Merge multiple PDF files into one
 Select page range of PDF to merge
 Select specific page(s) to merge
 Extract page(s) from different PDF
files and merge into one
AnyBizSoft