Μελέτη απόθεσης GaN σε αντιδραστήρα χημικής απόθεσης από ατμό με περιστρεφόμενο υπόστρωμα

Γκίνης, Παύλος; Gkinis, Pavlos

dc.contributor.author	Γκίνης, Παύλος	el
dc.contributor.author	Gkinis, Pavlos	en
dc.date.accessioned	2016-07-15T07:16:07Z
dc.date.available	2016-07-15T07:16:07Z
dc.date.issued	2016-07-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43114
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12366
dc.rights	Default License
dc.subject	ΧΑΑ	el
dc.subject	Οργανομεταλλική απόθεση από ατμό	el
dc.subject	Χημική απόθεση από ατμό	el
dc.subject	Οργανομεταλλική απόθεση από ατμό	el
dc.subject	Νιτρίδιο του Γαλλίου	el
dc.subject	Λεπτό υμένιο	el
dc.subject	Ρυθμός απόθεσης	el
dc.subject	Ομοιομορφία υμενίου	el
dc.subject	Διαγράμματα Arrhenius	el
dc.subject	Εμβολική ροή	el
dc.subject	Άνωση	el
dc.subject	Περιστρεφόμενο υπόστρωμα	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Πολλαπλότητα λύσεων	el
dc.subject	Μη γραμμικότητα	el
dc.subject	MOCVD	en
dc.subject	Gallium Nitride	en
dc.subject	GaN	en
dc.subject	Thin film	en
dc.subject	Deposition rate	en
dc.subject	Film uniformity	en
dc.subject	CVD	el
dc.subject	Arrhenius plots	en
dc.subject	Plug flow	en
dc.subject	Buoyancy	en
dc.subject	Rotated substrate	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Multiplicity solutions	en
dc.subject	Nonlinearity	en
dc.subject	ANSYS Fluent	en
dc.subject	UDFs	en
dc.subject	User Defined Functions	en
dc.subject	C/C++	en
dc.subject	Chemical Vapor Deposition	en
dc.title	Μελέτη απόθεσης GaN σε αντιδραστήρα χημικής απόθεσης από ατμό με περιστρεφόμενο υπόστρωμα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Διερεύνηση της επίδρασης των συνθηκών λειτουργίας του αντιδραστήρα Χημικής Απόθεσης από Ατμό (θερμοκρασία, πίεση, παροχή αντιδρώντων και ταχύτητα περιστροφής υποστρώματος) και των διαφορετικών ειδών ροής στο ρυθμό απόθεσης του GaN (Νιτρίδιο του Γαλλίου) και στην ομοιομορφία του παραγόμενου υμενίου.	el
heal.classification	Μηχανική των ρευστών	el
heal.classification	Ρευστοδυναμική	el
heal.classification	Transport phenomena	en
heal.classification	Computational fluid dynamics	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/ac15ae00bf02fd98b004a5b92387f8804dae2def
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/a65c1830f6a2d2beba453fb9ab7604afd4f09810
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/37e35b0619317de7194c2415b0e15cc6e73933d7
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e6ab3f6b562030c0c8396c8ff25de47e482748f3
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e6ab3f6b562030c0c8396c8ff25de47e482748f3
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unesco6/221311
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2007008173
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-01
heal.abstract	Η διεργασία της χημικής απόθεσης από ατμό (XAA) είναι μία από τις βασικότερες διεργασίες παραγωγής λεπτών στερεών υμενίων. Η απόθεση των λεπτών υμενίων πραγματοποιείται πάνω σε ειδικές επιφάνειες (υποστρώματα) οι οποίες συνήθως περιστρέφονται και θερμαίνονται. Η ΧΑΑ αποσκοπεί στην παραγωγή υμενίων προς χρήση σε μίκρο ή νάνο ηλεκτρομηχανικά συστήματα και διατάξεις, σε διατάξεις ημιαγωγών, σε σκληρές επικαλύψεις, σε κυκλώματα και σε εφαρμογές του τομέα της ενέργειας. Στις παραπάνω εφαρμογές τα παραγόμενα υμένια πρέπει να ικανοποιούν συγκεκριμένες αυστηρές προδιαγραφές όσον αφορά το πάχος, τη σύσταση και ιδιαίτερα την ομοιομορφία τους. Το πάχος και η ομοιομορφία των υμενίων επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους λειτουργίας του αντιδραστήρα (πίεση, θερμοκρασία, παροχή εισόδου, ταχύτητα περιστροφής υποστρώματος) και το πεδίο ροής που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του. Επιπροσθέτως, λόγω της μη γραμμικότητας της διεργασίας, το πεδίο ροής του αντιδραστήρα μπορεί να εμφανίσει πολλαπλές μορφές για τις ίδιες ακριβώς συνθήκες λειτουργίας και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την κατάληξη της διεργασίας σε περισσότερες από μία ευσταθείς καταστάσεις. Σημειώνεται ότι, η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας και των πολλαπλών μορφών του πεδίου ροής στη μεταβολή των χαρακτηριστικών (πάχος και ομοιομορφία) των υμενίων δεν έχει μελετηθεί επαρκώς, αν και η ΧΑΑ χρησιμοποιείται πολλά χρόνια στη βιομηχανία. Στόχο της εργασίας αποτελεί η μελέτη των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών των παραγόμενων υμενίων σε ένα διαδεδομένο μοντέλο αντιδραστήρα ΧΑΑ και η μεταβολή αυτών των χαρακτηριστικών για τις διάφορες τιμές των παραμέτρων λειτουργίας και τις πολλαπλές μορφές του πεδίου ροής. Το υμένιο που αναπτύσσεται είναι από Nιτρίδιο του Γαλλίου (GaN). Οι μορφές του πεδίου ροής διακρίνονται σε εμβολική ροή, ροή με επίδραση της άνωσης και ροή με επίδραση της περιστροφής του υποστρώματος. Αρχικά, παρουσιάζεται μία βιβλιογραφική επισκόπηση της διεργασίας της χημικής απόθεσης από ατμό, των διαφορετικών παραλλαγών της, των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της. Ακόμη, γίνεται μια περιγραφή των αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται στη διεργασία και ειδικότερα σε αυτή που αφορά στην ανάπτυξη υμενίων GaN σε αντιδραστήρα E300GaN Veeco Turbodisc. Έπειτα διατυπώνεται το μαθηματικό μοντέλο της διεργασίας στο οποίο βασίζεται η υπολογιστική μελέτη που υλοποιείται με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS Fluent 13.0. Αναλύονται δύο από τα επικρατέστερα διαφορετικά συστήματα χημικών αντιδράσεων που συνδέονται με την ανάπτυξη του υμενίου και χρειάζονται στους υπολογισμούς. Γίνεται ανάλυση των συναρτήσεων (User Defined Functions, γραμμένες σε γλώσσα προγραμματισμού C/C++) που θα προστεθούν στη μοντελοποίηση του συστήματος (βλ. Παράρτημα). Στη συνέχεια, πριν την παρουσίαση των αποτελεσμάτων, παρατίθεται μία περιγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αντιδραστήρα και των παραμέτρων λειτουργίας της διεργασίας. Ακολουθεί η παρουσίαση και ανάλυση παρουσιάζονται των αποτελεσμάτων της μελέτης, τα οποία ολοκληρώνουν την κατανόηση των σύνθετων φαινομένων που μπορούν να επικρατήσουν σε έναν αντιδραστήρα ΧΑΑ και να διαμορφώσουν σε μεγάλο βαθμό το τελικό προϊόν της διεργασίας. Παρουσιάζονται αποτελέσματα της διερεύνησης της επίδρασης των διαφορετικών πεδίων ροής, της πίεσης λειτουργίας, της θερμοκρασίας του υποστρώματος, της παροχής εισόδου, της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του υποστρώματος και του δεύτερου πιο λεπτομερούς μοντέλου χημικών αντιδράσεων στο ρυθμό απόθεσης GaN και την ομοιομορφία του παραγόμενου υμενίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, η εμβολική ροή και η ροή με επίδραση της περιστροφής ευνοούν την ομοιομορφία του υμενίου, σε αντίθεση με τη ροή με επίδραση της άνωσης. Η διερεύνηση επιβεβαίωσε την αύξηση του ρυθμού απόθεσης κατά την αύξηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του υποστρώματος και της πίεσης λειτουργίας. Ακόμη, προέκυψε ότι η αύξηση της παροχής εισόδου προκαλεί μία μικρή μείωση του ρυθμού απόθεσης GaN και στην περίπτωση της ροής με επίδραση της περιστροφής μία σημαντική αύξηση της παροχής οδηγεί σε εξάλειψη των ανακυκλοφοριών που δημιουργούνται λόγω περιστροφής του υποστρώματος. Επιπροσθέτως, κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας του υποστρώματος η οποία επηρεάζει σημαντικά τη ροή με επίδραση της άνωσης εμφανίζεται, σε αντίθεση με την εμβολική και τη ροή με επίδραση της περιστροφής, αύξηση του ρυθμού απόθεσης με αύξηση της θερμοκρασίας, με μικρή επίδραση στη μορφολογία του παραγόμενου υμενίου. Τέλος, στις περιοχές πολλαπλότητας του πεδίου ροής κατά τη λειτουργία στις ίδιες συνθήκες το σύστημα μπορεί να ελέγχεται είτε από τη διάχυση είτε από την κινητική των αντιδράσεων, δηλαδή αντίστοιχα ο ρυθμός απόθεσης είτε να παραμένει περίπου σταθερός ή να αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος.	el
heal.abstract	The process of chemical vapor deposition (CVD) is one of the main production processes of thin solid films. The deposition of thin films takes place on specific surfaces (substrates) which are usually rotated and heated. The process of CVD aims to produce films for use in micro or nano electromechanical systems and devices, semiconductor devices, “hard” coatings, circuits and applications in energy systems. In the above applications the uniformity, the composition and especially the thickness of the produced films must meet certain strict requirements. The thickness and uniformity of the film is significantly affected by the reactor’s operating parameters (pressure, temperature, inlet flow, substrate’s rotation speed) and the flow regime in the reactor. Additionally, due to the nonlinearity of the process, the reactor’s flow field may display multiple forms for the same values of the operating parameters, and thus the process exhibits more than one stable states. The effect of operating parameters and the multiple forms of the flow field on the characteristics (thickness and uniformity) of the film has not been sufficiently studied, even though the CVD is a process that is being used for many years in the industry. The objective of this work is the study of the abovementioned produced films’ characteristics in a popular CVD reactor model and the change of these characteristics for different values of the operating parameters and the multiple forms of the flow field. The produced film consists of Gallium Nitride (GaN). The different forms of the flow field are the plug flow, the buoyancy induced flow and the rotation induced flow (effect of the substrate’s rotation). Initially, a bibliographic survey of the chemical vapor deposition process, the different variants and the advantages and disadvantages thereof, is presented. A description is added of the reactors used in the process and in particular the process that produces films of GaN in the E300GaN Veeco Turbodisc reactor. Then is presented the mathematical model of the process, on which is based the computational study, that is implemented in computational fluid dynamics code ANSYS Fluent 13.0. An analysis of the two predominant different systems of chemical reactions follows which are associated with the development of the film and required in the computations. The analysis of the functions (User Defined Functions, written in programming language C/C++) which will be added to the system modeling (see Annex), follows. The geometric characteristics of the reactor and the operating parameters are reported in detail. The results of the study are then presented and analyzed, which completes the understanding of the complex phenomena that can prevail in a CVD reactor and significantly shape the final product of the process. The results of investigating the influence of the different flow fields, the operating pressure, the substrate’s temperature, the inlet flow, the rotational speed of the substrate and the second more detailed mode of chemical reactions in the deposition rate of GaN and the uniformity of the produced film, are presented. The results show that the plug and the rotation induced flow favor the uniformity of the produced film, unlike the buoyancy induced flow. The investigation confirmed the increase of the deposition rate by increasing the rotational speed of the substrate and the operating pressure. Moreover, it comes out that the inlet flow increase, causes a slight decrease of the deposition rate of GaN and in the case of rotation induced flow, a significant increase of the inlet flow leads to the elimination of the vortexes created by the rotation of the substrate. Also, by changing the substrate’s temperature, which significantly affects the buoyancy induced flow, causes, contrary to the plug flow and the rotation induced flow, an increase of the deposition rate by increasing the temperature, with a minor effect on the morphology of the produced film. Finally, in the flow field manifold areas, when operating in the same conditions the system may be limited either by the diffusion or by the reaction kinetics, respectively, the deposition rate either remains almost constant or increases by increasing the substrate temperature.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.advisorName	Boudouvis, Andreas	en
heal.committeeMemberName	Γρηγοροπούλου, Ελένη	el
heal.committeeMemberName	Μουτσάτσου, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	92 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true