Υπολογιστική διερεύνηση μη-γραμμικών φαινομένων σε αντιδραστήρα χημικής εναπόθεσης από ατμό

Lappas, Ioannis; Lappas, Ioannis

dc.contributor.author	Lappas, Ioannis	el
dc.contributor.author	Lappas, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2023-04-06T07:59:26Z
dc.date.available	2023-04-06T07:59:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57498
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25195
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπολογιστική Μηχανική,,	el
dc.subject	Προσομοιώσεις	el
dc.subject	Μη Γραμμικά Φαινόμενα	el
dc.subject	Ασυμμετρία Προϊόντος	el
dc.subject	Κρίσιμη Συχνότητα	el
dc.subject	CVD Reactions	en
dc.subject	COMSOL Multiphysics	en
dc.subject	CVD Reactors	en
dc.subject	Rotation Reversal	en
dc.subject	Average Wafer Temperature	en
dc.title	Υπολογιστική διερεύνηση μη-γραμμικών φαινομένων σε αντιδραστήρα χημικής εναπόθεσης από ατμό	el
dc.contributor.department	Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού & Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Μελέτη Περιοδικών φαινομένων και υπολογισμός Κρισιμης Συχνότητας σε διεργασίες CVD, με στόχο την κατάργηση της ταλαντωτικής συμπεριφοράς και βελτίωση της συμμετρίας του προϊόντος	el
heal.classification	Process Engineering	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-16
heal.abstract	The chemical process known as Chemical Vapor Deposition (CVD) is a technological advancement that was barely utilized at large scale production units until the later part of the 20th century. Today, it is one of the main processes and firmly established by the film industry. The thermodynamics and chemical reactions within a Chemical Vapor Deposition reactor (CVD reactor) are impacted greatly form the dynamic interaction between the air masses moving in opposite directions. This dynamic interaction results from temperature difference, as hot air masses shift upwards due to buoyancy, dispositioning colder air masses entering the reactors’ hull. The magnitude and therefore the effects of this dynamic phenomenon depend largely on the initial settings of the reactor set up by the controller. As a result of this dynamic thermodynamic situation, the process does not reach a steady state equilibrium, with different solutions occurring periodically on the heated reaction surface (wafer) when the process is simulated. Consequently, the results simulated have a degree of asymmetry. In order to reduce the observed asymmetry, research has shown that a rotating wafer can be effective at increasing the level of symmetry of results upon the reaction surface. This diploma thesis aims firstly at studying the periodic phenomena that may occur at certain operating conditions. On a second level, the goal is to compute specific parameters that define a periodic phenomenon and how the observed periodicity can be affected by the initial settings of the CVD reactor. Furthermore, we examine the critical frequency, which determines the rotating speed that the wafer requires to overpower the dynamic of the interchanging air masses and how that may benefit the solutions’ symmetry. Final goal of the thesis is to investigate if and how a reversal of the rotations’ direction could be beneficial. After the results are disclosed and analyzed, all findings deducted from the computations are grouped and summarized. Subsequently, applicable conclusions are discussed. Trying to avoid interfering with the normal flow when presenting and analyzing the results and findings of the computations and examinations, an appendix provides is provided to detail the computational steps. All data and computations presented or used in the dissertation are extracted from simulations run using COMSOL Multiphysics 5.3a software, and MS Excel as a computing tool.	en
heal.abstract	Οι διεργασίες Χημικής Απόθεσης Ατμού, αναφερόμενες συχνά και ως διεργασίες CVD (Chemical Vapor Deposition) αποτελούν μια τεχνολογία η χρήση της οποίας μέχρι τα τέλη του 20ου αιώνα δεν ήταν διαδεδομένη, τουλάχιστον σε βιομηχανική κλίμακα. Πλέον, αποτελεί μια από τις κυριότερες διεργασίες παραγωγής υμενίων (film). Η θερμοκρασιακή κατανομή, τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και θερμοκρασίας καθώς και οι χημικές δράσεις εντός ενός αντιδραστήρα Χημικής Απόθεσης Ατμού (CVD reactor) επηρεάζονται από την δυναμική που αναπτύσσεται στο σώμα του αντιδραστήρα εξαιτίας της ροής του αέριου μίγματος που εισέρχεται στον αντιδραστήρα. Η πορεία του μίγματος αερίων είναι αρχικά καθοδική, προς την επιφάνεια αντίδρασης, και κατόπιν αντιστρέφεται με αποτέλεσμα την δημιουργία ενός δυναμικού φαινομένου μεταφοράς της αέριας μάζας. Η δυναμική αυτή οφείλεται στην διαφορά θερμοκρασίας, με τις θερμές μάζες να κινούνται ανοδικά (buoyancy), και να μετατοπίζουν τα ρεύματα αέρα που εισέρχονται στο χώρο αντίδρασης. Η ένταση και οι επιπτώσεις του φαινομένου αυτού διαμορφώνονται και από τις αρχικές συνθήκες που ορίζονται στον αντιδραστήρα από τον χειριστή. Το σύστημα που εξετάζεται εμφανίζει πλούσια δυναμική: ανάλογα με παραμέτρους όπως η πίεση εισόδου και η θερμοκρασία της επιφάνειας αντίδρασης, μπορεί να οδηγείται σε κατάσταση ισορροπίας (steady state) ή την εμφάνιση περιοδικότητας των λύσεων. Για ορισμένες τιμές συνθηκών λειτουργίας οι λύσεις στην μόνιμη κατάσταση μπορεί να είναι μοναδικές ή και πολλαπλές, ενώ είναι πιθανό να υπάρχει και ασυμμετρία λύσεων επάνω στον χώρο που σχηματίζεται το φιλμ, όπως αυτές αποτυπώνονται από προσομοιώσεις. Ένα μέτρο που έχει εφαρμοστεί ως τώρα για την καταπολέμηση της ασυμμετρίας αυτής, είναι η επιβολή περιστροφικής κίνησης της θερμαινόμενης επιφάνειας αντίδρασης. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της περιοδικότητας που εμφανίζεται, ο υπολογισμός των μεγεθών που τη χαρακτηρίζουν και πώς αυτή μπορεί να επηρεαστεί από επιλογές που μπορούν να γίνουν στις αρχικές συνθήκες του συστήματος CVD. Κατόπιν εντοπίζεται η κρίσιμη συχνότητα, δηλαδή η συχνότητα περιστροφής του υποστρώματος της αντίδρασης με την οποία υπερνικείται το δυναμικό των κινούμενων αέριων μαζών που εμποδίζει την ισορροπία του συστήματος και η θετική επίδραση που μπορεί να έχει στην συμμετρία των λύσεων. Συμπληρωματικά, διερευνάται η περίπτωση της αντιστροφής της κατεύθυνσης περιστροφής του υποστρώματος αντίδρασης και τα οφέλη που πιθανόν να φέρει. Μετά την ολοκλήρωση της παρουσίασης των αποτελεσμάτων για τα παραπάνω ζητήματα, γίνεται μια ομαδοποίηση των συμπερασμάτων που προέκυψαν και των πιθανών εφαρμογών τους στις διεργασίες CVD. Tέλος, παρατίθεται ένα Παράρτημα με μια αναλυτικότερη παρουσίαση και επεξήγηση των υπολογιστικών βημάτων που πραγματοποιήθηκαν σε ορισμένα κομμάτια της διπλωματικής εργασίας, ώστε να μην διακόπτεται η ομαλή παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Το σύνολο των δεδομένων που χρησιμοποιούνται προκύπτουν από προσομοιώσεις στο λογισμικό COMSOL Multiphysics 5.3a, και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με χρήση του υπολογιστικού εργαλείου MS Excel.	el
heal.advisorName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	78 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false