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1 \chapter{Simulation}
2
3   Im Folgenden soll die Implementation der Monte-Carlo-Simulation nach dem vorangegangen Modell diskutiert werden.
4   Die Simulation tr"agt den Namen {\em NLSOP}, was kurz f"ur die Schlagw"orter {\bf N}ano, {\bf L}amelle und {\bf S}elbst{\bf O}ragnisations{\bf P}rozess steht.
5   Ziel der Simulation ist die Verifizierung des Modells anhand der experimentellen Ergebnisse die in Abbildung \ref{img:xtem_img} vorliegen.
6   Die genauen Daten sind:
7   \begin{itemize}
8     \item Energie: $E=180 keV$
9     \item Dosis: $D = 4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$
10     \item Temperatur: $T = 150 ^{\circ} \mathrm{C}$
11     \item Imlantationswinkel: $\alpha = 7 ^{\circ}$
12     \item Ion/Target Kombination: $C^+ \rightarrow Si (100)$
13   \end{itemize}
14   Anzumerken ist, dass es zwei Versionen der Simulation gibt, die unterschiedliche Tiefenbereiche abdecken.
15   Diese unterscheiden sich in einigen Punkten, was den Simualtionsalgorithmus betrifft.
16   Darauf wird in einem gesonderten Abschnitt genauer eingegangen.
17   Der Simulationsalgorithmus wird erkl"art und die dazu ben"otigten Annahmen und Informationen aus {\em TRIM} Ergebnissen werden besprochen.
18   Das Kapitel schliesst mit dem Test der verwendeten Zufallszahlen und dem Ablaufschema der Simulation.
19
20   \section{Annahmen der Simulation}
21
22     \subsection{Unterteilung des Targets}
23     \label{subsection:unterteilung}
24
25     Wie in Abbildung \ref{img:sim_gitter} zu sehen ist, wird das Target in W"urfel mit Seitenl"ange $a = 3 nm$ zerlegt.
26     \begin{figure}[h]
27     \includegraphics[width=12cm]{gitter_oZ.eps}
28     \caption{Unterteilung des Targets in W"urfel mit $3 nm$ Kantenl"ange. Jedes Volumen ist entwerder amorph (rot) oder kristallin (blau) und protokolliert die lokale Kohelnstoffkonzentration}
29     \label{img:sim_gitter}
30     \end{figure}
31     Die Anzahl der W"urfel in $x$, $y$ und $z$ Richtung sind frei einstellbar.
32     Ein solches Volumen kann durch den Ortsvektor $\vec{r}(k,l,m)$, wobei $k$, $l$ und $m$ ganze Zahlen sind, addressiert werden.
33     Jeder W"urfel hat entweder den Zustand amorph (rot) oder ist kristallin (blau).
34     Die lokale Anzahl der implantierten Kohlenstoffatome wird ebenfalls protokolliert.
35
36     Die Ausdehnung des Targets in $x,y$-Richtung ist im Gegensatz zur Tiefe sehr gross und kann als unendlich ausgedehnt angenommen werden.
37     Um die Anzahl der W"urfel in diese Richtungen in der Simulation, aus Gr"unden der Rechenzeit, m"oglichst klein halten zu k"onen, werden periodische Randbedingungen in der $x,y$-Ebene verwendet.
38
39     \subsection{Amorphisierung und Rekristallisation}
40     \label{subsection:a_and_r}
41
42     Nach dem in Kapitel \ref{chapter:modell} vorgestellten Modell gibt es drei zur Amorphisierung beitragende Mechanismen.
43     Eine lokale Wahrscheinlichkeit f"ur die Aamorphisierung $p_{c \rightarrow a}$ eines beliebigen kristallinen Volumens $\vec{r}$ setzt sich aus den drei Einzelwahrscheinlichkeiten f"ur die
44     \begin{itemize}
45       \item \textcolor[rgb]{0,1,1}{ballistische}
46       \item \textcolor{red}{kohlenstoffinduzierte}
47       \item \textcolor[rgb]{0.5,0.25,0.12}{spannungsinduzierte}
48     \end{itemize}
49     Amorphisierung zusammen.
50     Sie wird wie folgt berechnet:
51     \begin{equation}
52     p_{c \rightarrow a}(\vec r) = \textcolor[rgb]{0,1,1}{p_{b}} + \textcolor{red}{p_{c} \, c_{Kohlenstoff}(\vec r)} + \textcolor[rgb]{0.5,0.25,0.12}{\sum_{amorphe \, Nachbarn} \frac{p_{s} \, c_{Kohlenstoff}(\vec{r'})}{(\vec r - \vec{r'})^2}}
53     \label{eq:p_ca_local}
54     \end{equation}
55
56     Die ballistische Amorphisierung besteht nur aus der Konstanten $p_b$.
57     Sie ist unabh"angig vom Ort und somit ein konstanter Beitrag f"ur jedes Volumen.
58     Sie hat keine Einheit.
59     Wieso dieser Beitrag in dieser Art sinnvoll ist, wird in Abschnitt \ref{subsection:parse_trim_coll} gekl"art.
60
61     Die Wahrscheinlichkeit f"ur die kohlenstoffinduzierte Amorphisierung wird proportional zur lokalen Kohlenstoffkonzentration $c_{Kohlenstoff}$ angenommen.
62     $p_c$ ist die dazugeh"orige Proportionalit"atskosntante und hat demnach die Einheit $[p_c] = m^3$.
63
64     Der Beitrag der Druckspannungen setzt sich aus den einzelnen Beitr"agen amorpher Gebiete in der selben Ebene, da nur diese Spannungen aus"uben, zusammen.
65     Dabei ist der Wahrscheinlichkeitsbeitrag eines amorphen Volumens $\vec{r'}$ auf das Volumen $\vec{r}$ wieder proprtional zur lokalen Kohlenstoffkonzentration in $\vec{r'}$.
66     Dies ist offensichtlich, denn je mehr Kohlenstoff in dem Volumen, das auf Grund der Dichtereduktion in dem amoprhen Gebiet vorhanden ist, desto groesser die ausgehende Spannung auf die Umgebung.
67     Gleichzeitig ist der Beitrag indirekt proportional zum Abstandsquadrat $(\vec r - \vec{r'})^2$, da der Druck (Druck = Kraft pro Fl"ache) quadratisch mit der Entfernung abf"allt.
68     $p_s$ ist wieder Proportionalit"atskonstante und hat somit die Einheit $[p_s] = m^5$.
69
70     Die Rekristallisationswahrscheinlichkeit amorpher Gebiete $p_{a \rightarrow c}$ sollte sich genau entgegensetzt zu $p_{c \rightarrow a}$ verhalten und wird deshalb als
71     \begin{equation}
72     p_{a \rightarrow c}(\vec r) = 1 - p_{c \rightarrow a}(\vec r)
73     \label{eq:p_ac_local}
74     \end{equation}
75     angenommen.
76     Jedoch muss die direkte Nachbarschaft des Volumens ber"ucksichtigt werden.
77     F"ur die Rekristallisation ist Strukturinformation krsitalliner Nachbarschaft notwendig.
78     Mit einer zunehmenden Anzahl von amorphen Nachbarn sollte die Rekristallisationswahrscheinlichkeit also sukzessive abnehmen und ganz verschwinden wenn kein einziger kristalliner Nachabr vorhanden ist.
79     Mit der im Abschnitt \ref{subsection:unterteilung} beschriebenen Unterteilung hat ein Volumen genau sechs Angriffsfl"achen die als Rekristallisationsfront dienen k"onnen.
80     Damit kann man \eqref{eq:p_ac_local} neu schreiben und man erh"alt:
81     \begin{equation}
82     p_{a \rightarrow c}(\vec r) = (1 - p_{c \rightarrow a}(\vec r)) \Big(1 - \frac{\sum_{direkte \, Nachbarn} \delta (\vec{r'})}{6} \Big) \, \textrm{,}
83     \label{eq:p_ac_genau}
84     \end{equation}
85     mit
86     \begin{equation}
87     \delta (\vec r) = \left\{ 
88     \begin{array}{ll}
89       1 & \textrm{wenn Gebiet bei $\vec r$ amorph} \\
90       0 & \textrm{sonst} \\
91     \end{array}
92     \right.
93     \label{eq:dedltafunc}
94     \end{equation}
95
96     Die Proportionalit"atskonstanten $p_b$, $p_c$ und $p_s$ sind frei w"ahlbare Simulationsparameter.
97     Es gilt somit einen Satz von Parametern zu finden, der die gr"o"stm"oglichste "Ubereinstimmung von Simulationsergebiss und dem experimentell gefundenen Ergebniss aus Abbildung \ref{img:xtem_img} zeigt.
98     Durch Variation der gefundenen Parameter k"onnen dann die unterschiedlichen Einfl"usse der verschiedenen Amorphisierungsmechanismen untersucht und der Selbstorganisationsprozess verstanden werden.
99     
100     \subsection{Diffusion}
101
102     Weiterhin sieht das Modell die M"oglichkeit der Diffusion von Kohelnstoff aus kristallinen in umliegende amorphe Volumina vor.
103     Die Diffusion wird durch zwei weitere Parameter beschrieben.
104     In Zeitintervallen $T_{Diff}$ wird ein Anteil $d_r$ des Kohlenstoffs eines kristallinen Volumens in das benachbarte amorphe Volumen transferiert.
105     Da von einem konstanten Strahlstrom ausgegangen wird, kann die Zeit $T_{Diff}$ auf eine Anzahl von implantierten Ionen $d_v$ abgebildet werden.
106     Die Diffusion des Kohlenstoffs von amorphe in kristalline Gebiete wird also durch die zwei Parameter $d_r$ und $d_v$ gesteuert.
107     Die Parameter sind ebenfalls frei w"ahlbar.
108     Diffusion innerhalb kristalliner Gebiete sowie Diffusion innerhalb amorpher Gebiete wird ausgeschlossen.
109
110     Prinzipiell sollte man den Kohlenstoff"ubertrag abh"angig von dem bereits vorhandenen Kohlenstoff in dem amorphen Volumen bestimmen.
111     Da die implantierte Dosis maximal die St"ochiometridosis und der Parameter $d_r$ gro"s genug gew"ahlt ist, kommt es nicht zur "Ubers"attigung.
112     Der Kohlenstoff in kristallinen Gebieten ist also immer bestrebt in amorphe Gebiete zu diffundieren um die sehr viel geringere S"attigung im Kristallinen zu reduzieren.
113
114     \subsection{Sputtern}
115
116     Es wird von einer, "uber der Oberfl"ache gleichm"assig verteilten und w"ahrend des Implantationsvorgangs konstanten Sputterrate ausgegangen.
117     Auf Grund der Unterteilung des Targets in W"urfel mit Seitenl"ange $3 nm$ muss diese Sputterrate in der Dosis, welche $3 nm$ sputtert, angegeben werden.
118     Jedesmal, nachdem das Programm diese Dosis durchlaufen hat, wird die Sputter-Routine aufgerufen, welche die oberste Targetebene abtr"agt.
119
120   \section{Auswertung von {\em TRIM} Ergebnissen}
121
122   Da bereits Programme wie {\em TRIM} die Wechelswirkung der Ionen mit dem Target simulieren und somit ein geeignetes Bremskraft- und Implantationsprofil sowie eine genaue Buchf"uhrung "uber die Sto"skaskaden bereitstellen, wird auf diese Schritte in der Simulation aus Zeitgr"unden verzichtet.
123   Stattdessen werden die von {\em TRIM} erzeugten Statistiken verwendet.
124   Durch die Abbildung von Zufallszahlen auf die so erhaltenen Verteilungen, k"onnen die eigentlichen physikalischen Abl"aufe sehr schnell und einfach behandelt werden.
125   Im Folgenden wird auf die Ermittlung einiger, f"ur {\em NLSOP}  wichtige, Statistiken eingegangen.
126
127     \subsection{Implantationsprofil und nukleare Bremskraft}
128
129     \begin{figure}[h]
130     \includegraphics[width=12cm]{2pTRIM180C.eps}
131     \caption{Von {\em TRIM} ermittelte Reichweitenverteilung und tiefenabh"angige Bremskr"afte f"ur $180 keV$ $C^+ \rightarrow Si$}
132     \label{img:bk_impl_p}
133     \end{figure}
134     Abbildung \ref{img:bk_impl_p} zeigt die von {\em TRIM} ermittelte nukleare und elektronische Bremskraft sowie das Kohlenstoffkonzentrationsprofil f"ur die in dieser Arbeit verwendeten Parameter.
135     Die gestrichelte Linie markiert das Implantationsmaximum.
136     Sputtereffekte und Abweichungne auf Grund der kontinuierlich ver"anderten Targetzusammensetzung w"ahrend der Hochdosisimplantation werden hier allerdings nicht ber"ucksichtigt.
137     
138     Die Profile werden von {\em TRIM} selbst in seperate Dateien geschrieben.
139     Tauscht man die Kommata (Trennung von Ganzzahl und Kommastelle) durch Punkte aus, so kann {\em NLSOP} diese Dateien auslesen und die Profile extrahieren.
140     
141     \subsection{Durchschnittliche Anzahl der St"o"se der Ionen und Energieabgabe}
142     \label{subsection:parse_trim_coll}
143
144     Weiterhin legt {\em TRIM} eine Datei Namens {\em COLLISION.TXT} an, in der s"amtliche durch jedes Ion verursachte Sto"skaskaden protokolliert sind.
145     Zu jedem Sto"s sind Koordinaten und Energie"ubertrag angegeben.
146     Mit einem zur {\em NLSOP} Suite geh"orendem Programm kann diese Datei ausgewertet werden.
147     Die Daraus gewonnen Ekenntnisse sollen im Folgenden diskutiert werden.
148
149     \begin{figure}[h]
150     \includegraphics[width=12cm]{trim_coll.eps}
151     \caption{Auf das Maximum 1 skalierte tiefenabh"angige Energieabgabe (blau) und Anzahl der Kollisionen (rot)}
152     \label{img:trim_coll}
153     \end{figure}
154     Abbildung \ref{img:trim_coll} zeigt die Energieabgabe und Anzahl der St"o"se von Ionen und Recoils in Abh"angigkeit der Tiefe.
155     Beide Graphen wurden auf das selbe Maximum skaliert.
156     Man erkennt, dass diese nahezu identisch sind.
157     Die durchschnittliche Energieabgabe durch einen Sto"s ist also ungef"ahr konstant und unabh"angig von der Tiefe.
158     Dies ist der Grund f"ur die Wahl eines konstanten Beitrags der ballistischen Amorphisierung in Abschnitt \ref{subsection:a_and_r}.
159     Jeder Sto"s "ubertr"agt durchschnittlich einen konstanten Energiebetrag im Falle einer Kollision, und tr"agt somit einen konstanten Anteil zur Amoprhisierungswahrscheinlichkeit bei.
160     
161     Desweiteren ist nun die Wahrscheinlichkeit f"ur eine Kollision in einer bestimmten Tiefe bekannt.
162     Sie entspricht der nuklearen Bremskraft.
163
164     \begin{figure}[h]
165     \includegraphics[width=12cm]{trim_nel.eps}
166     \caption{Durch {\em TRIM} berechneter nuklearer Energieverlust f"ur $180 keV$ $C^+ \rightarrow Si$}
167     \label{img:trim_nel}
168     \end{figure}
169     Zum Vergleich zeigt Abbildung \ref{img:trim_nel} die von {\em TRIM} selbst berechnete nukleare Bremskraft.
170     Wie zu erwarten entspricht sie ungef"ahr dem Verlauf der in Abbildung \ref{img:trim_coll} gezeigten Energieabgab.
171     Der Unterschied liegt daran, dass letzteres Profil durch eine gr"ossere Anzahl von {\em TRIM}-Simulationsschritten ermittelt wurde.
172     Dieses Profil wird f"ur {\em NLSOP} benutzt.
173
174     Ein implantiertes Ion und dadurch entstandene Recoils verursachen jedoch mehr als nur eine Kollision mit den Targetatomen bis es zur Ruhe kommt.
175     Nach dem Auswertungsprogramm hat ein Ion durchschnittlich eine Anzahl von $1088$ Kollisionen bei den gegebenen Bedingungen zur Folge.
176     Die Zahl der getroffenen W"urfel, also Volumina in denen ein Ion mindestens eine Kollision verursacht, ist sehr viel geringer.
177     Das Auswertungsprogramm z"ahlt durchschnittlich $75$ getroffene Volumina pro implantierten Ion.
178     Genauer gesagt z"ahlt das Programm die Anzahl der Ebenen mit $3 nm$ H"ohe in denen Kollisionen verursacht werden.
179     Teilchenbahnen parallel zur Targetoberfl"ache verf"alschen diese Zahl also.
180     Ausserdem werden mehrmalige Durchl"aufe der Ebenen nicht mitgez"ahlt.
181     Man sollte weiterhin beachten, dass Volumina in denen selbst nur eine Kollision stattfindet mitgez"ahlt werden, was allerdings nur sehr unwahrscheinlich zur Amorphisierung f"uhren wird.
182     Daher wird eine Trefferzahl von $h=100$ f"ur die Simulation angenommen.
183
184   \section{Simulationsalgorithmus}
185
186   Die Simulation kann in drei Abschnitte geliedert werden.
187   Die beschriebenen Prozeduren werden sequentiell abgearbeitet und beliebig oft durchlaufen.
188
189   Wenn pro Durchlauf die Anzahl der simulierten Sto"skaskaden gleich der Anzahl der getroffenen Volumina ist, entspricht ein Durchlauf genau einem implantierten Ion.
190   Im Folgenden sei die Anzahl der W"urfel in $x$, $y$ und $z$ Richtung $X$, $Y$ und $Z$.
191   Eine Anzahl von $N$ Durchl"aufen ist damit "aquivalent zur Dosis $D$, die wie folgt gegeben ist:
192   \begin{equation}
193   D = \frac{N}{XY(3 nm)^2} \, \textrm{.}
194   \end{equation}
195
196   Es wird mit einem komplett kristallinen und kohlenstofffreien Target gestartet.
197
198     \subsection{Amorphisierung und Rekristallisation}
199     \label{subsection:a_r_step}
200
201     Im ersten Schritt sollen die Kollisionen und die daraus resultierende Amorphisierung beziehungsweise Rekristallisation simuliert werden.
202     Zun"achst muss das gestossene Volumen ausgew"ahlt werden.
203     Die St"o"se sind bez"uglich der $x$ und $y$ Richtung statistisch isotrop verteilt.
204     Zun"achst werden zwei gleichverteilte Zufallszahlen $r_1 \in [0,X[$ und $r_2 \in [0,Y[$ nach \eqref{eq:gleichverteilte_r} ausgew"urfelt.
205     Diese werden auf die ganzen Zahlen $k$ und $l$ abgebildet und bestimmen die Lage des getroffenen Volumens in der $x,y$-Ebene.
206     Eine weitere, mit Hilfe der Verwerfungsmethode aus Abschnitt \ref{subsubsection:verwerf_meth} erzeugte Zufallszahl $r_3 \in [0,Z[$ entsprechend der nuklearen Bremskraft, abgebildet auf die ganze Zahl $m$, legt die Tiefe des getroffenen Volumens fest.
207     Somit hat man den Otrsvektor $\vec{r}(k,l,m)$ f"ur den Amorphisierungs- oder Rekristallisationsvorgang festgelegt.
208     Nun kann die Amorphisierungs- beziehungsweise Rekristallisationswahrscheinlichkeit nach \eqref{eq:p_ca_local} beziehungsweise \eqref{eq:p_ac_genau} berechnet werden.
209     Eine weitere Zufallszahl $r_4 \in [0,1[$ entscheidet dann "uber einen eventuellen Statuswechsel des Volumens.
210     Es gibt folgende M"oglichkeiten:
211     \begin{enumerate}
212     \item Volumen $\vec{r}(k,l,m)$ ist kristallin.\\
213           Wenn $r_4$ kleiner gleich $p_{c \rightarrow a}$ ist, wechselt der Status zu Amorph.
214           Ansonsten bleibt der Status unver"andert.
215     \item Volumen $\vec{r}(k,l,m)$ ist amorph.\\
216           Wenn $r_4$ kleiner gleich $p_{a \rightarrow c}$ ist, wechselt der Status zu Kristallin.
217           Ansonsten bleibt der Status unver"andert.
218     \end{enumerate}
219
220     Der Amorphisierungs- und Rekristallisationsschritt wird f"ur die Anzahl der getroffenen Volumina pro implantierten Ion $h$ wiederholt.
221
222     \subsection{Einbau des implantierten Kohlenstoffs ins Target}
223
224     Nachdem das Ion die Sto"sprozesse beendet hat, kommt es im Target zur Ruhe.
225     Die Wahl des Volumens in dem das passiert ist analog zur Wahl des getroffenen Volumens.
226     Jedoch wird die Tiefe durch eine Zufallszahl, deren Wahrscheinlichkeitsverteilung der Reichweitenverteilung entspricht, bestimmt.
227     Zur Erzeugung der Zufallszahl wird wieder die in \ref{subsubsection:verwerf_meth} beschriebene Verwerfungsmethode benutzt.
228
229     In dem ausgew"ahlten W"urfel $\vec{r}(k,l,m)$ wird der Z"ahler f"ur den Kohlenstoff um eins erh"oht.
230
231     \subsection{Diffusion und Sputtern}
232
233     Die Diffusions-Routine ist wie folgt realisiert.
234     Die Simulation geht der Reihe nach alle Volumina durch.
235     Im Falle eines amorphen Volumens werden aus direkt anliegenden kristallinen Volumen der Anteil $d_r$ des Kohlenstoffs abgezogen und zu dem amorphen Volumen addiert.
236     Da nur ganze Atome "ubertragen werden k"onnen wird der Betrag auf die n"achst kleinere ganze Zahl abgerundet.
237     Dieser Diffusionsvorgang wird alle $d_v$ Schritte ausgef"uhrt.
238
239     Die Sputter-Routine wird nach der Dosis, die einem Abtrag von $3 nm$ enstpricht ausgef"uhrt.
240     Der Zusammenhang zwischen Sputterrate $S$ und Anzahl der Simulationsdurchl"aufe $n$ ist demnach wie folgt gegeben:
241     \begin{equation}
242     S = \frac{(3 nm)^3 XY }{n} \quad \textrm{.}
243     \end{equation}
244     Nach $n$ Simulationsdurchl"aufen wird eine kohlenstofffreie, kristalline Ebene von unten her eingeschoben.
245     Dies geschieht wie folgt.
246     Der Inhalt der Eben $i$ wrd auf die Ebene $i-1$ (f"ur $i = Z, Z-1, \ldots, 2$) "uberschrieben.
247     Die Information der obersten Ebene $i=1$ geht dabei verloren.
248     Diese entspricht der abgetragenen Ebene.
249     Die Ebene $i=Z$ erh"alt kristallinen Status und die Kohlenstoffkonzentration Null.
250
251     Dies macht allerdings nur Sinn wenn das Implantationsprofil und die nukleare Bremskraft f"ur die Ebenen tiefer $Z$ auf Null abgefallen ist, um kristalline, kohlenstofffreie Ebenen zu garantieren.
252
253     Die Sputterrate kann durch {\em TRIM} bestimmt werden.
254     Bei den gegebenen Bedingungen werden ungef"ahr $50 nm$ des Targets bei einer Dosis von $4,3 \times 10^{-17} cm^{-2}$ abgetragen.
255
256   \section{Simulierte Tiefenbereiche}
257
258   Wie bereits erw"ahnt gibt es zwei verschiedene Versionen des Programms, die verschiedene Tiefenbereiche, im Folgenden Simulationsfenster genannt, simulieren.
259
260   Da in erster Linie der Selbstorganisationsprozess der lamellaren Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache der amorphen $SiC_x$-Schicht simuliert werden soll, ist der Tiefenbereich der ersten Version gerade bis zu Beginn der durchgehenden Schicht.
261   Dies entspricht einer Tiefe von ungef"ahr $300 nm$, und somit einer Anzahl von $Z=100$ W"urfeln in $z$-Richtung.
262
263   Wie in \ref{img:bk_impl_p} gut zu erkennen ist, kann in diesem Tiefenbereich sowohl die Reichweitenverteilung als auch die nukleare Bremskraft durch eine von der Tiefe linear abh"angige Funktion gen"ahert werden.
264   Daher ergeben sich "Anderungen zu den im vorigen Abschnitt erkl"arten Methoden zur Wahl des Volumens in dem ein Sto"sprozess beziehungsweise eine Kohlenstofferh"ohung stattfindet.
265
266   Die Zufallszahl $z$, die auf die Tiefen-Koordinate $m$ abgebildet wird, muss der Verteilung $p(z)dz = (sz + s_0)dz$ gen"ugen.
267   Dabei sind $s$ unnd $s_0$ die linear gen"aherte nukleare Bremskraft beschreibende Simulationsparameter.
268   Die Transformation wird wie in Abschnitt \ref{subsubsection:lin_g_p} beschrieben durchgef"uhrt.
269   Dasselbe betrifft die Wahl der Tiefen-Koordinate f"ur den Einbau des Kohlenstoffatoms.
270   Anstatt der Wahrscheinlichkeitsverteilung der nuklearen Bremskraft entsprechend wird das linear gen"aherte Implantationsprofil verwendet.
271   Ausserdem wird nicht nach jedem Durchlauf ein Ion im Simulationsbereich zur Ruhe kommen.
272   Da das Maximum der Reichweitenverteilung sehr viel tiefer liegt werden die meisten Ionen ausserhalb des Simulationsfensters stehen bleiben.
273   Daher wird immer nur dann ein Ion eingebaut, wenn der im Simulationsbereich vorhandene Kohlenstoff $n_c$ kleiner als die Anzahl der Durchl"aufe $n$ multipliziert mit dem Verh"altnis der Fl"ache der Implantationskurve $I(x)$ bis $300 nm$ zur Fl"ache der gesamten Implantationskurve ist.
274   \begin{equation}
275   n_c < n \frac{\int_0^{300 nm} I(x) dx}{\int_0^{\infty} I(x) dx}
276   \end{equation}
277
278   Da sowohl die Reichweitenverteilung als auch die nukleare Bremskraft in Ebenen gr"osser $Z$ ungleich Null ist kann Sputtern nicht beachtet werden.
279   Der Diffusionsprozess ist uneingeschr"ankt "moglich.
280
281   In der zweiten Version wird die gesamte Implantationstiefe simuliert.
282   Das Simulationsfenster geht von $0-700 nm$.
283   Dies entspricht einer Anzahl $Z=233$ von W"urfeln in $z$-Richtung.
284
285   Die Tiefen-Koordinaten f"ur den Sto"sprozess und die Kohelnstoffinkorporation werden wie in Abschnitt \ref{subsection:a_r_step} beschrieben nach der Verwerfungsmethode entsprechend dem nuklearen Bremskraftprofil und der Reichweitenverteilung gewonnen.
286
287    Da sowohl der nukleare Energieverlust und die Kohlenstoffkonzentration in Ebenen gr"osser $Z$ auf Null abgesunken ist, kann die Sputterroutine ausgef"uhrt werden.
288    Der Diffusionsprozess ist ebenfalls uneingeschr"ankt m"oglich.
289
290   \section{Test der Zufallszahlen}
291
292   F"ur vern"unftige Ergebnisse muss die Qualit"at der Zufallszahlen gesichert sein.
293   Es gibt viele statistische Tests eine Zahlenfolge auf ihre Verteilung beziehungsweise Zuf"alligkeit zu "uberpr"ufen.
294
295   Im Folgenden soll nur kontrolliert werden, dass f"ur gleichverteilte Zufallszahlen keine lokalen Anh"aufungen von Zahlen existieren.
296   Desweiteren werden die Methoden zur Erzeugung spezieller Wahrscheinlichkeitsverteilungen durch Vergleich der H"aufigkeit auftretender Zufallszahlen mit dem gew"unschten Verlauf "uberpr"uft.
297
298   Dazu werden f"ur die unterschiedlichen Verteilungen jeweils 10 Millionen Zufallszahlen zwischen $0$ und $232$ erzeugt und auf die n"achst kleinere ganze Zahl abgerundet.
299   Ein einfaches Script-Programm z"ahlt die H"aufigkeit der einzelnen Zufallszahlen der Zufallszahlensequenz.
300
301   \begin{figure}[h]
302   \includegraphics[width=12cm]{random.eps}
303   \caption{H"aufigkeit ganzzahliger Zufallszahlen unterschiedlicher Wahrscheinlichkeitsverteilungen. F"ur jede Verteilung wurden 10 Millionen Zufallszahlen ausgew"urfelt.}
304   \label{img:random_distrib}
305   \end{figure}
306   Abbildung \ref{img:random_distrib} zeigt die H"aufigkeit von Zufallszahlen zwischen $0$ und $232$, abgerundet auf die n"achst kleinere ganze Zahl, f"ur unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen.
307   
308   Die blauen Punkte zeigen die Gleichverteilung nach \eqref{eq:gleichverteilte_r}.
309   Man erkennt keine lokalen Anh"aufungen.
310
311   Die roten Punkte zeigen die H"aufigkeit der Zufallszahlen bei Verwendung einer linear steigenden Wahrscheinlichkeitsverteilung wie in Abschnitt \ref{subsubsection:lin_g_p} beschrieben.
312   Dabei wurde $a=1$, $b=0$ und $Z=233$ gew"ahlt.
313   Wie erwartet zeigen die Punkte einen linearen Verlauf.
314
315   Die H"aufigkeit der mit der Verwerfungsmethode erzeugten Zufallszahlen entsprechend der nuklearen Bremskraft (gr"un) und dem Implantationsprofil (schwarz) stimmen sehr gut mit den Profilen in Abbildung \ref{img:bk_impl_p} "uberein.
316
317   \section{Ablaufschema}
318
319   Das Ablaufshema ist aus Platzgr"unden in zwei Teile gegliedert.
320   Abbildung \ref{img:flowchart1} zeigt das Ablaufshema des Amorphisierungs- und Rekristallisationsvorgangs.
321   In Abbildung \ref{img:flowchart2} wird der Kohlenstoffeinbau sowie Diffusion und Sputtern behandelt.
322
323   \begin{figure}[h]
324   \begin{pspicture}(0,0)(12,18)
325
326     \rput(6,18){\rnode{start}{\psframebox{{\em NLSOP} Start}}}
327
328     \rput(6,16){\rnode{random1}{\psframebox{\parbox{7.5cm}{
329       Ausw"urfeln der Zufallszahlen:\\
330       $R_1$, $R_2$, $R_3$ entsprechend nuklearer Bremskraft\\
331       $R_4 \in [0,1[$
332     }}}}
333     \ncline[]{->}{start}{random1}
334
335     \rput(6,14){\rnode{koord_wahl}{\psframebox{\parbox{7.5cm}{
336       Bestimmung von $\vec{r}(k,l,m)$ durch Abbildung von $R_1$, $R_2$ und $R_3$ auf $k$, $l$ und $m$
337     }}}}
338     \ncline[]{->}{random1}{koord_wahl}
339
340     \rput(6,11){\rnode{berechnung_pca}{\psframebox{\parbox{12cm}{
341       Berechnung von $p_{c \rightarrow a}(\vec{r})$ und $p_{a \rightarrow c}(\vec{r})$:
342       \[
343       \begin{array}{lll}
344       p_{c \rightarrow a}(\vec r) & = & p_{b} + p_{c} \, c_{Kohlenstoff}(\vec r) + \sum_{amorphe \, Nachbarn} \frac{p_{s} \, c_{Kohlenstoff}(\vec{r'})}{(\vec r - \vec{r'})^2} \\
345       p_{a \rightarrow c}(\vec r) & = & (1 - p_{c \rightarrow a}(\vec r)) \Big(1 - \frac{\sum_{direkte \, Nachbarn} \delta (\vec{r'})}{6} \Big)
346       \end{array}
347       \]
348       \[
349       \delta (\vec r) = \left\{
350         \begin{array}{ll}
351         1 & \textrm{wenn Gebiet bei $\vec r$ amorph} \\
352         0 & \textrm{sonst} \\
353         \end{array}
354       \right.
355       \]
356     }}}}
357     \ncline[]{->}{koord_wahl}{berechnung_pca}
358
359     \rput(6,8){\rnode{status}{\psframebox{Volumen $\vec{r}(k,l,m)$ amorph?}}}
360     \ncline[]{->}{berechnung_pca}{status}
361
362     \rput(3,6){\rnode{cryst}{\psframebox[linestyle=solid,linecolor=blue]{$R_4 \le p_{c \rightarrow a}$?}}}
363     \rput(9,6){\rnode{amorph}{\psframebox[linestyle=solid,linecolor=red]{$R_4 \le p_{a \rightarrow c}$?}}}
364     \ncline[]{->}{status}{cryst}
365     \lput*{0}{nein}
366
367     \ncline[]{->}{status}{amorph}
368     \lput*{0}{ja}
369
370     \rput(3,4){\rnode{do_amorph}{\psframebox[linestyle=solid,linecolor=red]{Setze Volumen amorph}}}
371     \ncline[]{->}{cryst}{do_amorph}
372     \lput*{0}{ja}
373
374     \rput(9,4){\rnode{do_cryst}{\psframebox[linestyle=solid,linecolor=blue]{Setze Volumen kristallin}}}
375     \ncline[]{->}{amorph}{do_cryst}
376     \lput*{0}{ja}
377
378     \rput(6,3){\rnode{check_h}{\psframebox{Anzahl der Durchl"aufe gleich Anzahl der Treffer pro Ion?}}}
379
380     \rput(6,6){\pnode{h_2}}
381     \ncline[]{amorph}{h_2}
382     \ncline[]{->}{h_2}{check_h}
383     \lput*{0}{nein}
384
385     \rput(6,6){\pnode{h_3}}
386     \ncline[]{cryst}{h_3}
387     \ncline[]{->}{h_3}{check_h}
388     \lput*{0}{nein}
389
390     \rput(13,3){\pnode{h_4}}
391     \rput(13,16){\pnode{h_5}}
392     \ncline[]{check_h}{h_4}
393     \ncline[]{h_4}{h_5}
394     \lput*{0}{nein}
395     \ncline[]{->}{h_5}{random1}
396
397     \ncline[]{->}{do_cryst}{check_h}
398     \ncline[]{->}{do_amorph}{check_h}
399
400     \rput(6,1){\rnode{weiter_1}{\psframebox{$\bigotimes$}}}
401     \ncline[]{->}{check_h}{weiter_1}
402     \lput*{0}{ja}
403
404   \end{pspicture}
405   \caption{{\em NLSOP} Ablaufshema Teil1: Amorphisierung und Rekristallisation.}
406   \label{img:flowchart1}
407   \end{figure}
408
409   \begin{figure}[h]
410   \begin{pspicture}(0,0)(12,18)
411
412     \rput(6,18){\rnode{weiter_2}{\psframebox{$\bigotimes$}}}
413
414     \rput(6,16){\rnode{random2}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=green]{\parbox{7.5cm}{
415       Ausw"urfeln der Zufallszahlen:\\
416       $R_5$, $R_6$, $R_7$ entsprechend Reichweitenverteilung
417     }}}}
418     \ncline[]{->}{weiter_2}{random2}
419
420     \rput(2,14){\rnode{koord_wahl_i}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=green]{\parbox{7cm}{
421       Bestimmung von $\vec{r}(k,l,m)$ durch Abbildung von $R_5$, $R_6$ und $R_7$ auf $k$, $l$ und $m$
422     }}}}
423     \ncbar[angleA=180,angleB=180]{->}{random2}{koord_wahl_i}
424
425     \rput(10,14){\rnode{inc_c}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=green]{\parbox{7cm}{
426       Erh"ohung des Kohlenstoffs im Volumen $\vec{r}(k,l,m)$
427     }}}}
428     \ncline[]{->}{koord_wahl_i}{inc_c}
429
430     \rput(10,12){\rnode{is_d}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Durchlauf vielfaches von $d_v$?}}}
431     \ncline[]{->}{inc_c}{is_d}
432
433     \rput(2,12){\rnode{is_s}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=red]{Durchlauf vielfaches von $n$?}}}
434     \ncline[]{->}{is_d}{is_s}
435     \lput*{0}{nein}
436
437     \rput(10,10){\rnode{loop_d}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Gehe alle/verbleibende Volumina durch?}}}
438     \ncline[]{->}{is_d}{loop_d}
439     \lput*{0}{ja}
440
441     \rput(10,9){\rnode{d_is_amorph}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Volumen $\vec{r}(k,l,m)$ amorph?}}}
442     \ncline[]{->}{loop_d}{d_is_amorph}
443
444     \rput(10,7){\rnode{loop_dn}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{\parbox{4cm}{
445       Gehe alle/verbleibende\\
446       direkte Nachbarn durch
447     }}}}
448     \ncline[]{->}{d_is_amorph}{loop_dn}
449     \lput*{0}{ja}
450
451     \rput(10,6){\rnode{is_cryst}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Nachbarvolumen kristallin?}}}
452     \ncline[]{->}{loop_dn}{is_cryst}
453
454     \rput(11,4){\rnode{transfer}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{\parbox{3.5cm}{
455       "Ubertrage den Anteil $d_r$ des Kohlenstoffs
456     }}}}
457     \ncline[]{->}{is_cryst}{transfer}
458     \lput*{0}{ja}
459
460     \rput(10,3){\rnode{check_dn}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Alle Nachbarn durch?}}}
461     \ncline[]{->}{transfer}{check_dn}
462     \rput(8.5,5){\pnode{h1}}
463     \ncline[]{is_cryst}{h1}
464     \rput(8.5,3.2){\pnode{h2}}
465     \ncline[]{->}{h1}{h2}
466     \lput*{0}{nein}
467     \rput(13,3){\pnode{h3}}
468     \ncline[]{check_dn}{h3}
469     \rput(13,7){\pnode{h4}}
470     \ncline[]{h3}{h4}
471     \lput*{0}{nein}
472     \ncline[]{->}{h4}{loop_dn}
473
474     \rput(10,1){\rnode{check_d}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=yellow]{Alle Volumina durch?}}}
475     \ncline[]{->}{check_dn}{check_d}
476     \lput*{0}{ja}
477     \rput(13.5,1){\pnode{h5}}
478     \ncline[]{check_d}{h5}
479     \rput(13.5,10){\pnode{h6}}
480     \ncline[]{h5}{h6}
481     \lput*{0}{nein}
482     \ncline[]{->}{h6}{loop_d}
483     \rput(6,1){\pnode{h7}}
484     \ncline[]{check_d}{h7}
485     \lput*{0}{ja}
486     \rput(6,11){\pnode{h8}}
487     \ncline[]{h7}{h8}
488     \rput(4.4,11.9){\pnode{h9}}
489     \ncline[]{->}{h8}{h9}
490
491
492
493
494
495   \end{pspicture}
496   \caption{{\em NLSOP} Ablaufshema Teil2: Kohlenstoffeinbau (gr"un), Diffusion (gelb) und Sputtervorgang (rot).}
497   \label{img:flowchart2}
498   \end{figure}
499