Μοντέλα, μεθοδολογίες και υπολογιστικά εργαλεία για την ανάλυση διεργασιών Xημικής Aπόθεσης από Aτμό: Από τις πολλαπλές κλίμακες στη συστημική ανάλυση, 19/10/2022

Περίληψη

Η διεργασία χημικής απόθεσης από ατμό (ΧΑΑ) αποτελεί μία από τις βασικές διεργασίες παραγωγής λεπτών στερεών υμενίων. Πραγματοποιείται σε αντιδραστήρες εξοπλισμένους με ειδικές επιφάνειες, τα δισκία, πάνω στις οποίες πραγματοποιούνται επιφανειακές χημικές αντιδράσεις και η απόθεση του υμενίου. Τα υμένια που παράγονται χρησιμοποιούνται σε διατάξεις ημιαγωγών, μικρο- ή νανο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα, νανο-ηλεκτρονικές διατάξεις και ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Η σύγχρονη τεχνολογία χαρακτηρίζεται από συνεχόμενη μείωση των διαστάσεων των κατασκευαζόμενων δομών και πλέον οι προδιαγραφές των παραγόμενων υμενίων αναφέρονται σε ιδιότητες μικρο-/νανο ή ακόμη και ατομικής-κλίμακας. Αν και η εξέλιξη των φυσικών/χημικών φαινομένων στις μικρο-/νανο-κλίμακες – που καθορίζουν τις ιδιότητες των υμενίων – εξαρτάται από τις (μακροσκοπικές) συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα, οι μίας-κλίμακας συμβατικές υπολογιστικές τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για την προσομοίωση διεργασιών ΧΑΑ, δεν μπορούν να “δουν” την εξέλιξη αυτή. Έτσι, καθίσταται απαραίτητη η προσομοίωση σε πολλαπλές χωρικές κλίμακες. Θα παρουσιαστούν δύο υπολογιστικά πλαίσια για την προσομοίωση πολλαπλών χωρικών κλιμάκων σε διεργασίες ΧΑΑ. Το πρώτο αφορά στη σύζευξη της μακρο-κλίμακας (τάξης cm) της αέριας φάσης του αντιδραστήρα ΧΑΑ με προσχηματισμένη μικρο-τοπογραφία (τάξης μm) στην επιφάνεια του δισκίου και το δεύτερο στη σύνδεση του κύριου όγκου του αντιδραστήρα ΧΑΑ με τη νανο-μορφολογία (τάξης nm) του αναπτυσσόμενου υμενίου.

Για την αριθμητική επίλυση των εξισώσεων που διέπουν προβλήματα φαινομένων μεταφοράς, η χρησιμοποίηση ώριμων εμπορικών κωδίκων έχει γίνει κοινή πρακτική. Παρόλη την ανάπτυξή τους, οι εμπορικοί αυτοί κώδικες, δεν είναι ικανοί να πραγματοποιήσουν επαρκή συστημική ανάλυση, δηλαδή συστηματική αναζήτηση και εντοπισμό πολλαπλών λύσεων και σημείων στροφής πάνω σε κλάδους λύσεων και να υπολογίσουν ασταθείς λύσεις μόνιμης κατάστασης συναρτήσει των μεταβαλλόμενων παραμέτρων. Έτσι, αδυνατούν να προσφέρουν “όλα τα κομμάτια από το πάζλ”, δηλαδή την εξάρτηση των λύσεων μη γραμμικών προβλημάτων από κρίσιμες παραμέτρους. Χαμένα κομμάτια μπορεί να κρύβουν σημαντική πληροφορία για τα όρια της ευστάθειας της λύσης όπως επίσης και ολόκληρους κλάδους οι οποίοι μπορεί να είναι επωφελείς για μια διεργασία. Θα παρουσιαστούν δύο υπολογιστικά πλαίσια που εφαρμόζονται σαν εξωτερικά υπολογιστικά κελύφη γύρω από ευρέος διαδεδομένους κώδικες. Ο κύριος σκοπός τους είναι να εξαναγκάσουν τους κώδικες αυτούς να συγκλίνουν σε κλάδους λύσεων μη γραμμικών προβλημάτων με συστηματικό και αποτελεσματικό τρόπο ακόμη και σε ασταθείς μόνιμες και περιοδικές καταστάσεις.

Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή

Dr. Nikolaos (Nikos) Cheimarios is a Chemical Engineer with a MEng in Chemical Engineering (2006) from the University of Patras, Department of Chemical Engineering, a MSc in “Computational Mechanics” (2008) and a PhD in Chemical Engineering both from the National Technical University of Athens (NTUA) (2012). After his PhD, he worked as a postdoctoral researcher in NTUA and Ostram Opto Semiconductor GmbH, Regensburg, Germany (2013) working on the systemic analysis of CVD processes. After his postdoctoral work he joined Scienomics SARL, Paris France, as a research scientist where he designed and developed Chameleon; a generalized connectivity altering Monte Carlo based software for tackling properties of realistic polymer systems. Then he joined the R&D department of BIOEMTECH, Athens, Greece, as senior research scientist working on the software for the in vivo molecular screening of nuclear compounds in small animals. He then got a fellowship from the State Scholarships Foundation (IKY) to work on the multiscale modeling of novel copper precursors (2021). The last 2 years is a senior research scientist in NovaMechanics Ltd Nicosia, Cyprus, working on the development of various models and software concerning physical/chemical processes. From a broad perspective, his research combines different models from multiple scales (PDEs, ballistic, MC/kMC, MD, ab initio) in an effort to understand how the physical/chemical phenomena – including their non-linear character – in engineering processes affect materials properties. Another pilar of his research is scientific software development in combination with high performance computing (HPC) in CPU/GPU. Currently he designs and is the lead developer of Apothesis, a kinetic Monte Carlo software for deposition processes. He has co—authored 21 journal publications and 3 book chapters. He has received the Best Doctoral Thesis Award in NTUA by the Sarafis foundation (2017), awarded the Best Doctoral Thesis in Computational mechanics (CFD) by the Greek Association of Computational Mechanics (GRACM) (2013) and nominated for the Best Doctoral Thesis Award by the European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS) (2013).