Υπολογιστική διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς σε οριζόντιους αντιδραστήρες χημικής απόθεσης από ατμό

Κούρου, Αφροδίτη; Kourou, Afroditi

dc.contributor.author	Κούρου, Αφροδίτη	el
dc.contributor.author	Kourou, Afroditi	en
dc.date.accessioned	2023-01-05T11:43:19Z
dc.date.available	2023-01-05T11:43:19Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56533
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24231
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Χημική απόθεση από ατμό	el
dc.subject	Απόθεση πυριτίου	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Φαινόμενα μεταφοράς	el
dc.subject	Συνεχές σύστημα	el
dc.subject	Chemical vapor deposition	en
dc.subject	Silicon deposition	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Transport phenomena	en
dc.subject	Continuous system	en
dc.title	Υπολογιστική διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς σε οριζόντιους αντιδραστήρες χημικής απόθεσης από ατμό	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-09-30
heal.abstract	Η χημική απόθεση από ατμό (ΧΑΑ) είναι μία ευρέως χρησιμοποιούμενη διεργασία για την παραγωγή λεπτών υμενίων, η οποία πραγματοποιείται εδώ και δεκαετίες με τεράστιο εύρος εφαρμογών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς, των μηχανισμών που καθορίζουν τον ρυθμό απόθεσης και της χημείας ενός οριζόντιου αντιδραστήρα ΧΑΑ. Συγκεκριμένα, το βασικό σύστημα που μελετάται αφορά την δημιουργία υμενίου από πυρίτιο με πρόδρομη ένωση το σιλάνιο. Η υπολογιστική μοντελοποίηση του συστήματος πραγματοποιείται με χρήση του λογισμικού COMSOL Multiphysics με σκοπό την προσομοίωση ενός διδιάστατου, ατμοσφαιρικού αντιδραστήρα ψυχρών τοιχωμάτων με ιδιαίτερο χαρακτηριστικό το κινούμενο κάτω τοίχωμα, στην επιφάνεια του οποίου πραγματοποιείται η απόθεση. Αρχικά επιλύονται συζευγμένα τα πεδία ροής και θερμοκρασίας και πραγματοποιείται επαλήθευση του συστήματος με διαθέσιμα υπολογιστικά δεδομένα. Στη συνέχεια μελετάται η χημεία του συστήματος, προσδιορίζεται ο προβλεπόμενος ρυθμός ανάπτυξης (ή ρυθμός απόθεσης) του λεπτού υμενίου με χρήση δύο διαφορετικών κινητικών μοντέλων και πραγματοποιείται επαλήθευση με πειραματικά δεδομένα. Το πρώτο κινητικό μοντέλο αποτελείται από μία συνολική επιφανειακή αντίδραση, ενώ το δεύτερο μοντέλο προβλέπει μία αντίδραση στην αέρια φάση και δύο επιφανειακές χημικές αντιδράσεις. Το δεύτερο κινητικό μοντέλο, δηλαδή αυτό των τριών αντιδράσεων, παρουσιάζει ιδιαίτερα καλά αποτελέσματα, με μέση απόκλιση του ρυθμού ανάπτυξης από τις πειραματικές τιμές ίση με 13.5 %. Στα πλαίσια διερεύνησης των φαινομένων μεταφοράς μελετάται η επίδραση της ακτινοβολίας στο σύστημα. H διερεύνηση του φαινομένου κρίνεται απολύτως αναγκαία για την ολοκληρωμένη μελέτη του θερμικού συστήματος, καθώς η χημική απόθεση από ατμό πραγματοποιείται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, καταστρώνονται τα διαγράμματα Arrhenius για τα δύο κινητικά μοντέλα, όπου γίνεται εμφανής η διάκριση μεταξύ της περιοχής ελέγχου της διεργασίας από την διάχυση και της περιοχής ελέγχου από την επιφανειακή αντίδραση. Στη συνέχεια πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση στις σημαντικότερες παραμέτρους σχεδιασμού της διεργασίας, που είναι η ταχύτητα του υποδοχέα και η παρεχόμενη θερμότητα στο σύστημα και μελετάται η μεταβολή του προβλεπόμενου ρυθμού ανάπτυξης. Τέλος, διεξάγεται μία σύντομη μελέτη της απόθεσης ενός διαφορετικού υλικού, του γραφενίου, μεταβάλλοντας όσο το δυνατόν λιγότερες παραμέτρους του συστήματος. Τα αρχικά αποτελέσματα κρίνονται ιδιαίτερα ικανοποιητικά, ενώ υπάρχει περιθώριο για εμβάθυνση και μελλοντική ερεύνα στο εν λόγω ερευνητικό πεδίο.	el
heal.abstract	Chemical vapor deposition (CVD) is a widely used technique for manufacturing thin films, which has been carried out for decades with a huge range of applications. The purpose of this study is the computational investigation of the transport phenomena, the mechanisms that determine the film growth rate and the chemistry of a horizontal CVD reactor. Specifically, the system being studied concerns the creation of a silicon film with silane being the precursor gas. The computational modeling of the system is carried out using the COMSOL Multiphysics software in order to simulate a two-dimensional, cold-wall atmospheric reactor with its particular characteristic being the moving bottom wall, where the deposition takes place. Firstly, the flow and temperature fields are coupled and solved. The system is verified with available computational data. The chemistry of the system is then studied, where the film growth rate is predicted using two different kinetic models. Verification with experimental data takes place as well. The first kinetic model considers an overall surface reaction, while the second model considers one gas phase and two surface chemical reactions. The second kinetic model, namely that of the three reactions shows particularly good results, with an average deviation of the growth rate from the experimental values equal to 13.5 %. As regards the investigation of transport phenomena, the effect of radiation on the system is studied. The investigation of the phenomenon is deemed absolutely necessary for the comprehensive study of the thermal system, as chemical vapor deposition takes place at very high temperatures. In addition, Arrhenius plots are constructed for the two kinetic models, where the distinction between the diffusion-controlled and the surface-reaction-controlled region becomes apparent. Moreover, a parametric analysis is conducted on the most crucial design parameters of the process, which are the speed of the susceptor and the heat supplied to the system. Their effect on the predicted growth rate is studied. Finally, a short study of the deposition of a different material, graphene, is carried out. To do so, as few system parameters as possible are adjusted. The initial results obtained are considered particularly satisfactory, while there is room for more detailed, future research in this field.	en
heal.advisorName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τζαμτζής, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	77 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false