Metodi avanzati di Laser Annealing, dai materiali complessi al trasporto su nanoscala

It is crucial to forecast how the laser beam will modify materials and structures in nano-electronic applications and device manufacture. The lack of accurate and complete Laser Annealing (LA) simulators (including material calibration) in commercial Technology Computer Aided Design (TCAD) tools is currently the main barrier to broad LA application in micro- and nano-electronics. LA, in any case, induces a non-equilibrium kinetics in the irradiated materials, and the difficulties in process control outweigh the benefits of this nonequilibrium phenomenon. Many of these non-equilibrium events require atomistic modeling approaches like Molecular Dynamics or Kinetic Monte Carlo simulations that cannot always describe the complete process time scale (including the quenching stage and the pulse to pulse time in multi-pulse mode). As a result, continuum modeling, along with more accurate atomistic simulation findings, is crucial for predicting and managing the LA process. Our study will focus on the current state-of-the-art in continuum modeling of laser annealing (LA), leveraging the main characteristics contained in the core of LIAB, a tool that we developed in partnership with LASSE, a leading company in laser annealer development. By utilizing this method, we can forecast the ultra-rapid evolution of average fields that are related to the microstructural and atomicistic evolution of processed systems. The thesis will primarily focus on the LA modeling of structures and materials pertinent to nanoelectronics. In any case, modeling approaches are frequently applicable to a variety of LArelated technical applications, which is a great development. The first chapter discusses state-of-the-art simulations performed in LIAB, including phase transitions, which are a driving factor behind laser annealing, particularly when dopants and alloys are present in the simulated device. The second chapter discusses the significance of SiGe in modern technology and the optical calibration of SiGe. We begin with simple examples of current calibration in blanket devices and progress to more complicated simulations; our results are compared to experimental data and results from other simulation techniques. The third chapter is primarily concerned with nanoscale corrections to thermal transport at the nanoscale; we begin by implementing the model and then compare our ”jump approach” in LIAB to experimental results on Si nanowires 1 and the NEMD model for stationary heating. After that, we transfer to a laser annealing setup to work with increasingly complicated structures. The final chapter discusses the application of the current one-dimensional explosive crystallization algorithm to two-dimensional geometries, emphasizing its advantages and robustness for such a highly difficult nonlinear problem.

È fondamentale prevedere come l'interazione con i laser laser modificherà i materiali e le strutture nelle applicazioni nanoelettroniche e nella produzione di dispositivi. La mancanza di simulatori di Laser Annealing (LA) accurati e completi (compresa la calibrazione del materiale) negli strumenti commerciali di Technology Computer Aided Design (TCAD) è attualmente l'ostacolo principale all'ampia applicazione di LA nella micro e nanoelettronica. Il LA, in ogni caso, induce una cinetica di non equilibrio nei materiali irradiati e le difficoltà nel controllo del processo superano i benefici di questo fenomeno di non equilibrio. Molti di questi eventi di non equilibrio richiedono approcci di modellazione atomistica come la dinamica molecolare o le simulazioni Monte Carlo cinetiche che non possono sempre descrivere la scala temporale completa del processo (inclusa la fase di spegnimento e il tempo da impulso a impulso in modalità multi-impulso). Come risultato, la modellazione al continuo, insieme a una simulazione atomistica più accurata risultati, è fondamentale per la previsione e la gestione del processo di LA. Il nostro studio si concentrerà sullo stato dell'arte attuale nella modellazione del continuo di Laser Annealing (LA), sfruttando le principali caratteristiche contenute nel core di LIAB, uno strumento che abbiamo sviluppato in collaborazione con LASSE, azienda leader nello sviluppo di tecnologie di LA. Utilizzando questo metodo, possiamo prevedere l' evoluzione ultrarapida dei campi medi e l'evoluzione atomica dei sistemi elaborati. La tesi si concentrerà principalmente sulla modellazione LA di strutture e materiali relativi alla nanoelettronica. In ogni caso, gli approcci di modellazione sono spesso applicabili a una varietà di applicazioni tecniche relative a LA, il che è un grande sviluppo. Il primo capitolo discute le simulazioni all'avanguardia eseguite in LIAB, comprese le transizioni di fase, che sono un fattore trainante dietroil LA, in particolare quando nel dispositivo simulato sono presenti droganti e leghe. Il secondo capitolo discute il significato di SiGe nella tecnologia moderna e la calibrazione ottica di SiGe. Iniziamo con semplici esempi di calibrazione in dispositivi e passiamo a simulazioni più complicate; i nostri i risultati vengono confrontati con dati sperimentali e risultati di altre simulazioni tecniche. Il terzo capitolo riguarda principalmente le correzioni del trasporto termico su scala nanometrica; iniziamo implementando il modello e poi confrontare il nostro "approccio di salto" in LIAB con i risultati sperimentali su nanofili di Si e il modello NEMD per il riscaldamento stazionario. Successivamente, ci trasferiamo su simulazioni di vero e proprio LA per lavorare con strutture sempre più complicate. Il capitolo finale discute la generalizzazione dell'attuale algoritmo unidimensionale di cristallizzazione esplosiva a geometrie bidimensionali, sottolineando i suoi vantaggi e robustezza per un problema non lineare così difficile.