Υπολογιστική ανάλυση της χημικής απόθεσης από ατμό υμενίων οξειδίου του κασσιτέρου

Γιαννικόπουλος, Ιωάννης; Giannikopoulos, Ioannis

dc.contributor.author	Γιαννικόπουλος, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Giannikopoulos, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2018-07-18T10:06:09Z
dc.date.available	2018-07-18T10:06:09Z
dc.date.issued	2018-07-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47334
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15684
dc.rights	Default License
dc.subject	Λεπτά υμένια	el
dc.subject	Χημική απόθεση από ατμό	el
dc.subject	Οξείδιο του κασσιτέρου	el
dc.subject	Ρυθμός απόθεσης υμενίου	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Computational fluid dynamics (CFD)	en
dc.subject	ANSYS Fluent	en
dc.subject	Chemical vapor deposition (CVD)	en
dc.subject	Thin films	en
dc.subject	Tin Oxide (SnO2)	en
dc.subject	Film deposition rate	en
dc.title	Υπολογιστική ανάλυση της χημικής απόθεσης από ατμό υμενίων οξειδίου του κασσιτέρου	el
dc.title	Computational Analysis of Tin Oxide Film Chemical Vapor Deposition	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-04
heal.abstract	Η Χημική Απόθεση από Ατμό (ΧΑΑ) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος απόθεσης λεπτών υμενίων για βιομηχανικούς, εμπορικούς και ερευνητικούς σκοπούς. Οι διεργασίες αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας (πίεση, θερμοκρασία τοιχωμάτων αντιδραστήρα, θερμοκρασία υποστρωμάτων, παροχή), οι οποίες και έχουν επίδραση στο πάχος και τη μορφολογία των παραγόμενων υμενίων. Τα υμένια χρησιμοποιούνται σε πολλούς τεχνολογικούς τομείς, με κύριες εφαρμογές στην μικρο-ηλεκτρονική, σε ενεργειακές εφαρμογές και σε επικαλύψεις επιφανειών. Οι ιδιότητες των υμενίων εξαρτώνται άμεσα από την εφαρμογή που προορίζονται, ωστόσο η ομοιομορφία είναι ένα χαρακτηριστικό που είναι επιθυμητό στις περισσότερες εφαρμογές. Για τη μελέτη της ΧΑΑ είναι απαραίτητη η γνώση των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στον αντιδραστήρα, των μηχανισμών των χημικών αντιδράσεων στο υπόστρωμα αλλά και να γίνουν κατανοητές οι επιπτώσεις του είδους της ροής και των συνθηκών λειτουργίας στην απόθεση των υμενίων. Με τη χρήση υπολογιστών, έχει γίνει δυνατή η προσομοίωση των διεργασιών αυτών με στόχο την πρόβλεψη του πάχους και της μορφής των παραγόμενων υμενίων. Η διαδικασία αυτή αποτελεί ένα εργαλείο που αποσκοπεί στη μείωση των πειραματικών μετρήσεων που είναι χρονοβόρες και, σε πολλές περιπτώσεις, κοστίζουν ακριβά. Η προσομοίωση των διεργασιών αυτών μπορούν να πραγματοποιηθούν με κώδικες υπολογιστικής ρευστοδυναμικής που είναι εμπορικά διαθέσιμοι. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε υπολογιστική μελέτη της απόθεσης υμενίων οξειδίου του κασσιτέρου με τον εμπορικό κώδικα ρευστοδυναμικής ANSYS Fluent. Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες ψυχρών τοιχωμάτων: έναν οριζόντιο ατμοσφαιρικής πίεσης και έναν κατακόρυφο. Η διπλωματική έχει ως στόχο την πρόβλεψη, κυρίως, της μορφής των παραγόμενων υμενίων και τη μεταβολή που παρουσιάζεται στη μορφή και στο ρυθμό απόθεσης σε διάφορες θερμοκρασίας του φορέα των υποστρωμάτων. Επιπλέον, μελετάται το είδος της ροής, η κατανομή των αερίων και η κατανομή της θερμοκρασίας στους αντιδραστήρες. Αρχικά, πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική μελέτη σχετικά με τη ΧΑΑ και την αποτιθέμενη ένωση. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της διεργασίας και αποτελούν το υπολογιστικό της μοντέλο. Παράλληλα, γίνεται βιβλιογραφική επισκόπηση των χημικών αντιδράσεων προς παραγωγή οξειδίου του κασσιτέρου. Το επόμενο βήμα είναι η ανάλυση του φυσικού προβλήματος και η εισαγωγή του σε υπολογιστικό περιβάλλον. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της υπολογιστικής ανάλυσης τα οποία περιλαμβάνουν, εκτός από τη μορφή και έναν ενδεικτικό ρυθμό απόθεσης υμενίου του οξειδίου του κασσιτέρου, χαρακτηριστικά της ροής, θερμοκρασιακές κατανομές στους αντιδραστήρες και κατανομή των μοριακών κλασμάτων στην περιοχή γύρω από τα υποστρώματα. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής μελέτης διαφοροποιούνται για τους δύο αντιδραστήρες. Στον οριζόντιο αντιδραστήρα, η αύξηση της θερμοκρασίας του φορέα των υποστρωμάτων οδηγεί σε σημαντική αύξηση του ρυθμού απόθεσης, αλλά όχι σε σημαντική μεταβολή της μορφής των παραγόμενων υμενίων. Αντίθετα, στον κατακόρυφο αντιδραστήρα, με την αύξηση της θερμοκρασίας του φορέα, δεν προκαλείται σημαντική μεταβολή στο ρυθμό απόθεσης και η μορφή των αποτιθέμενων υμενίων είναι πανομοιότυπη.	el
heal.abstract	Chemical Vapor Deposition (CVD) is a widely used method of thin film deposition for industrial, commercial and research purposes. CVD processes can be carried out under various operating conditions (pressure, reactor wall temperatures, substrate temperatures, flow rate), which affect the thickness and morphology of the produced films. The films are used in several technological fields, with applications in micro- electronics, energy applications and surface coatings. The properties of the films depend on the targeted application, however, uniformity is a feature desired in most applications. In order to study CVD it is necessary to have knowledge on the transport phenomena present in the reactor and the mechanisms of the chemical reactions on the substrates. Furthermore, it is important to understand the effects of the flow and the operating conditions on the deposition of the films. With the use of computers, it has become possible to simulate these processes in order to predict the thickness and shape of the produced films. These simulations are used as a tool designed to reduce experimental work that are time-consuming and, in many cases expensive. Such simulations can be performed in commercially available Computational Fluid Dynamics (CFD) software. In this thesis, the deposition of tin oxide films was studied with the use of ANSYS Fluent CFD software. This study is carried out in two different cold-wall reactors: a horizontal atmospheric reactor and a vertical one. The goal of the thesis is to predict the shape of the produced films and the change of the shape and deposition rate at different heating temperatures of the substrates. Furthermore, the type of flow, the distribution of gases and the temperature profiles resulting from the heat transport from the heated substrates are studied. Initially, a literature survey on CVD and the deposited compound is conducted. Next, the mathematical equations used to describe the process, which constitute its mathematical model, are described. Furthermore, a bibliographic overview of the chemical reactions capable of producing tin oxide is presented. The next step is the analysis of the actual problem and its computational implementation. After that, the results of the computational analysis, which include the shape and an indicative film deposition rate as well as flow characteristics, temperature profiles in the reactors and distribution of molecular fractions in the vicinity of the substrate holder, are presented. Finally, conclusions are drawn and proposals for future research are made.The results of the computational study are differentiated between the two reactors. In the horizontal reactor, an increase in the substrate holder temperature results in a significant increase in deposition rate, but not an important change in the shape of the produced films. In contrast, in the vertical reactor, with an increase in the substrate holder temperature no significant change in deposition rate is induced and the shape of the deposited films is identical.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Καραγιάννης-Μπακόλας, Αστέριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	97 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true