Παραμετρική ανάλυση λειτουργίας αντιδραστήρα χημικής απόθεσης πυριτίου από ατμό

Abstract

Η χημική απόθεση από ατμό ΧΑΑ, (chemical vapor deposition - CVD) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την παραγωγή στερεών λεπτών υμενίων σε ειδικά σχεδιασμένους αντιδραστήρες. Η πρόδρομη χημική ένωση, που περιλαμβάνει το συστατικό που πρόκειται να αποτεθεί, εισέρχεται στον αντιδραστήρα με φέρον αέριο και μεταφέρεται προς θερμαινόμενο υπόστρωμα. Από τις χημικές αντιδράσεις τόσο στον κύριο όγκο του αντιδραστήρα (αέρια φάση) όσο και στο υπόστρωμα παράγεται και αποτίθεται το υμένιο στο υπόστρωμα. Η γεωμετρία του αντιδραστήρα, σε συνδυασμό με τις συνθήκες λειτουργίας, όπως τη θερμοκρασία του υποστρώματος, τη σύνθεση του αερίου μείγματος, και την πίεση λειτουργίας, αποτελούν παραμέτρους σχεδιασμού, που επηρεάζουν το τελικό προϊόν, συγκεκριμένα το ρυθμό ανάπτυξης του υμενίου. Σε αυτή την εργασία προσομοιώνεται η λειτουργία αντιδραστήρα ΧΑΑ, παραγωγής υμενίων πυριτίου από σιλάνιο με φέρον αέριο άζωτο. Η προσομοίωση γίνεται με χρήση σύγχρονων εργαλείων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής τα οποία αντιμετωπίζουν την αλληλεπίδραση φαινομένων μεταφοράς και χημικής κινητικής. Οι διαφορικές εξισώσεις με μερικές παραγώγους που διατυπώνουν τη διατήρηση ορμής, μάζας, ενέργειας και χημικών συστατικών διακριτοποιούνται και επιλύονται προσεγγιστικά με τον εμπορικό κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής Ansys/Fluent. Η μη γραμμικότητα του όλου προβλήματος, που οφείλεται κυρίως στον ανταγωνισμό ελεύθερης και εξαναγκασμένης συναγωγής, οδηγεί σε πολλαπλότητα λύσεων και αλλαγή της ευστάθειας τους, για συγκεκριμένες τιμές παραμέτρων λειτουργίας του αντιδραστήρα. 5 Σε θερμοκρασία υποστρώματος 500Κ δεν προκύπτει πολλαπλότητα λύσεων, και υπολογίζεται ένας ευσταθής κλάδος. Για θερμοκρασίες 700Κ, 800Κ, 1000Κ, 1200Κ, 1400Κ, παρατηρήθηκε πολλαπλότητα λύσεων και ύπαρξη δύο ευσταθών κλάδων. Όταν κυριαρχεί η ελεύθερη συναγωγή παρατηρούνται σχετικά υψηλές θερμοκρασίες στον όγκο του αντιδραστήρα, ενώ όταν κυριαρχεί η εξαναγκασμένη συναγωγή παρατηρούνται υψηλότερες θερμοκρασίες κοντά στο υπόστρωμα. Στην περιοχή των 700Κ-800Κ παρατηρείται αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης του υμενίου με τη θερμοκρασία, επειδή η απόθεση ελέγχεται από τη χημική κινητική. Αντίθετα, στην περιοχή 1000Κ-1400Κ παρατηρείται σταθερότητα στο ρυθμό ανάπτυξης, ενδεικτικό του ότι η απόθεση ελέγχεται από τη μεταφορά (διάχυση) των αντιδρώντων συστατικών. Εκτός από το άζωτο μελετήθηκε και η περίπτωση υδρογόνου ως φέροντος αερίου. Δεν προκύπτει πολλαπλότητα λύσεων και ο υπολογιζόμενος κλάδος για συγκεκριμένη θερμοκρασία 700Κ είναι ευσταθής.

The chemical vapor deposition (CVD), is a widely used method for the production of thin solid films on specially designed reactors. The precursor compound, which includes the component to be deposited, enters the reactor with a carrier gas and is transported to a heated substrate. The film is produced and deposited on the substrate by chemical reactions in both the bulk of the reactor (gas phase) and on the substrate. Τhe geometry of the reactor, along with the operating conditions such as the substrate temperature, the composition of the gas mixture, and the operating pressure, are design parameters that affect the final product, namely the growth rate of the film. In this thesis, we simulate the operation of a CVD reactor for the production of silicon film from precursor silane by using nitrogen as carrier gas. The simulation employs modern computational fluid dynamics (CFD) tools which account for the interaction of transport phenomena and chemical kinetics. The partial differential equations of conservation of momentum, mass, energy and chemical species are discretized and solved approximately by the CFD code Ansys / Fluent. The non-linearity of the problem, due mainly to the competition of free and forced convection, leads to multiplicity of solutions and their stability change for certain values of the operating parameters of the reactor. For a substrate temperature of 500K, there is no multiplicity of solutions and a single stable branch is calculated. For temperatures 700K, 800K, 1000K, 1200K, 1400K, multiple solutions are obtained and two stable branches are calculated. When free convection dominates, it is observed relatively high temperature prevails in the reactor volume whereas, when forced convection dominates, the high temperature region is reduced in the vicinity of the substrate. In the substrate temperature region 700K-800K, 7 an increase in growth rate is observed as the temperature increases, because the deposition is controlled by the chemical kinetics. In contrast, in the region 1000K-1400K, the observed growth rate is practically independent on the temperature, indicating that the deposition is controlled by the transport (diffusion) of the reacting species. Additional computations with hydrogen as carrier gas were done; the results show that, in contrast to the nitrogen case, no multiplicity of solutions is observed at 700K.