Optimization of bubbler design in metalorganic chemical vapor deposition processes

Abstract

H παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε σε στενή και συνεχή συνεργασία με την OSRAM Opto Semiconductors στο Ρεγκενσμπουρκ της Γερμανίας και είχε ως σκοπό την βελτιστοποίηση διάταξης παραγωγής φυσσαλίδων - bubbler. Προς την κατεύθυνση αυτή χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS FLUENT όπου προσομοιώθηκαν οι διεργασίες εξάτμισης και συμπύκνωσης με την μέθοδο Volume Of Fluid (VOF). Επιλύθηκαν οι εξισώσεις φαινομένων μεταφοράς με κατάλληλους όρους πηγής εφαρμοζόμενους στην διεπιφάνεια των δύο φάσεων (υγρής-αέριας). Το μοντέλο επικυρώθηκε με την εφαρμογή του στο πρόβλημα Stefan, γνωστής αναλυτικής λύσης. Η βελτιστοποίηση της διάταξης περιλαμβάνει την εξέταση διαφορετικών γεωμετριών σε συνδυασμό με διαφορετικές τιμές ρυθμού ροής εισόδου, και στάθμης υγρού μέσα στον bubbler. Τα βασικά κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των περιπτώσεων που εξετάστηκαν συνδέονται με τα ακόλουθα μεγέθη: το μέσο γραμμομοριακό κλάσμα του ατμού στον όγκο του αερίου και στην έξοδο, ο χρόνος παραμονής συσχετιζόμενος με την ποσότητα του αερίου που υπάρχει μέσα στο υγρό (gas hold up) και προκαλεί άνοδο της στάθμης του υγρού μέσα στον bubbler και την μέση τιμή της θερμοκρασίας σε ολόκληρη την διάταξη. Τα βασικά συμπεράσματα της εργασίας είναι τα εξής: • Η παρατηρούμενη συμπύκνωση στον σωλήνα τροφοδοσίας επηρεάζει την τιμή εξόδου του κλάσματος ατμού, η οποία ταυτίζεται με αυτήν της τιμής της ισορροπίας στην έξοδο του bubbler . • Ο αυξανόμενος ρυθμός εισόδου τροφοδοσίας δεν επηρεάζει το κλάσμα ατμού στην έξοδο, όπου επιτυγχάνεται σταθερή ένδειξη, η οποία είναι σε ικανοποιητική συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις. • Η διάταξη bubbler μεγαλύτερης διαμέτρου παρουσιάζει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά όσον αφορά την τιμή του κλάσματος ατμού (τιμή ισορροπίας) και τον χρόνο παραμονής (μεγάλο). Ωστόσο, στην διάταξη αυτή χρησιμοποιείται μεγαλύτερος όγκος υγρού (Trimethylgallium, TMG) το οποίο είναι ακριβό και επιβαρύνει το κόστος χρήσης. • Η διάταξη bubbler μικρότερου ύψους μειώνει το μέσο κλάσμα ατμού στον όγκο του αερίου και στην έξοδο και μειώνει τον χρόνο παραμονής του αερίου στον όγκο του υγρού. • Η διάταξη bubbler η οποία παρουσιάζει τα καλύτερα τεχνικά χαρακτηριστικά είναι αυτή όπου προστίθεται μια νέα σειρά πτερυγίων και κλείνεται μια οπή στην πλάκα διανομής του αερίου καθώς αυτό εισέρχεται και διανέμεται στον όγκο του υγρού. Η διάταξη αυτή συνδυάζει την τιμή ισορροπίας για το κλάσμα ατμού με τον μεγάλο χρόνο παραμονής καθώς επίσης διατηρεί σταθερό το κόστος του χρησιμοποιούμενου υγρού TMG.

In this computational study, the optimization of a bubbler design, including evaporation and condensation processes, were investigated using the Volume-Of-Fluid model (VOF) in the ANSYS FLUENT code. Mass transfer contributions were calculated and source terms at the interface were accordingly incorporated in the continuity, energy and species equations. The model was validated by Stefan’s problem. Different geometries in combination with different values of inlet flow rates and liquid filling degrees were studied. The main optimization criteria used to analyze the results were the average vapor mole fraction in the gas and at the outlet, the residence time associated with the gas hold up and the average temperature in the flow domain. The key findings of this work are the following: - Reaching equilibrium at the bubbler outlet is significantly affected by the condensation at the feed pipe during the filling process - Even at high inlet flow rates, a constant source flow is generated at the outlet, in accordance with the experimental results - Wider bubblers are advantageous since they yield average mole fraction closer to equilibrium and higher residence time. However, they imply storage of an expensive liquid (such as Trimethylgallium, TMG) - Reducing bubbler height increases average mole fraction in the gas and at the outlet, and reduces residence time - Modified bubblers with an addition of internals and closing a particular hole close to the feed pipe brings the system faster to equilibrium and increases the residence time. This design comes out to be the optimum in the range of the examined design modifications.