Μελέτη απόθεσης GaN σε αντιδραστήρα χημικής απόθεσης από ατμό με περιστρεφόμενο υπόστρωμα - Γκίνης, Παύλος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ), 2016)
Η διεργασία της χημικής απόθεσης από ατμό (XAA) είναι μία από τις βασικότερες διεργασίες παραγωγής λεπτών στερεών υμενίων. Η απόθεση των λεπτών υμενίων πραγματοποιείται πάνω σε ειδικές επιφάνειες (υποστρώματα) οι οποίες συνήθως περιστρέφονται και θερμαίνονται. Η ΧΑΑ αποσκοπεί στην παραγωγή υμενίων προς χρήση σε μίκρο ή νάνο ηλεκτρομηχανικά συστήματα και διατάξεις, σε διατάξεις ημιαγωγών, σε σκληρές επικαλύψεις, σε κυκλώματα και σε εφαρμογές του τομέα της ενέργειας. Στις παραπάνω εφαρμογές τα παραγόμενα υμένια πρέπει να ικανοποιούν συγκεκριμένες αυστηρές προδιαγραφές όσον αφορά το πάχος, τη σύσταση και ιδιαίτερα την ομοιομορφία τους. Το πάχος και η ομοιομορφία των υμενίων επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους λειτουργίας του αντιδραστήρα (πίεση, θερμοκρασία, παροχή εισόδου, ταχύτητα περιστροφής υποστρώματος) και το πεδίο ροής που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του. Επιπροσθέτως, λόγω της μη γραμμικότητας της διεργασίας, το πεδίο ροής του αντιδραστήρα μπορεί να εμφανίσει πολλαπλές μορφές για τις ίδιες ακριβώς συνθήκες λειτουργίας και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την κατάληξη της διεργασίας σε περισσότερες από μία ευσταθείς καταστάσεις. Σημειώνεται ότι, η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας και των πολλαπλών μορφών του πεδίου ροής στη μεταβολή των χαρακτηριστικών (πάχος και ομοιομορφία) των υμενίων δεν έχει μελετηθεί επαρκώς, αν και η ΧΑΑ χρησιμοποιείται πολλά χρόνια στη βιομηχανία. Στόχο της εργασίας αποτελεί η μελέτη των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών των παραγόμενων υμενίων σε ένα διαδεδομένο μοντέλο αντιδραστήρα ΧΑΑ και η μεταβολή αυτών των χαρακτηριστικών για τις διάφορες τιμές των παραμέτρων λειτουργίας και τις πολλαπλές μορφές του πεδίου ροής. Το υμένιο που αναπτύσσεται είναι από Nιτρίδιο του Γαλλίου (GaN). Οι μορφές του πεδίου ροής διακρίνονται σε εμβολική ροή, ροή με επίδραση της άνωσης και ροή με επίδραση της περιστροφής του υποστρώματος. Αρχικά, παρουσιάζεται μία βιβλιογραφική επισκόπηση της διεργασίας της χημικής απόθεσης από ατμό, των διαφορετικών παραλλαγών της, των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της. Ακόμη, γίνεται μια περιγραφή των αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται στη διεργασία και ειδικότερα σε αυτή που αφορά στην ανάπτυξη υμενίων GaN σε αντιδραστήρα E300GaN Veeco Turbodisc. Έπειτα διατυπώνεται το μαθηματικό μοντέλο της διεργασίας στο οποίο βασίζεται η υπολογιστική μελέτη που υλοποιείται με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS Fluent 13.0. Αναλύονται δύο από τα επικρατέστερα διαφορετικά συστήματα χημικών αντιδράσεων που συνδέονται με την ανάπτυξη του υμενίου και χρειάζονται στους υπολογισμούς. Γίνεται ανάλυση των συναρτήσεων (User Defined Functions, γραμμένες σε γλώσσα προγραμματισμού C/C++) που θα προστεθούν στη μοντελοποίηση του συστήματος (βλ. Παράρτημα). Στη συνέχεια, πριν την παρουσίαση των αποτελεσμάτων, παρατίθεται μία περιγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αντιδραστήρα και των παραμέτρων λειτουργίας της διεργασίας. Ακολουθεί η παρουσίαση και ανάλυση παρουσιάζονται των αποτελεσμάτων της μελέτης, τα οποία ολοκληρώνουν την κατανόηση των σύνθετων φαινομένων που μπορούν να επικρατήσουν σε έναν αντιδραστήρα ΧΑΑ και να διαμορφώσουν σε μεγάλο βαθμό το τελικό προϊόν της διεργασίας. Παρουσιάζονται αποτελέσματα της διερεύνησης της επίδρασης των διαφορετικών πεδίων ροής, της πίεσης λειτουργίας, της θερμοκρασίας του υποστρώματος, της παροχής εισόδου, της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του υποστρώματος και του δεύτερου πιο λεπτομερούς μοντέλου χημικών αντιδράσεων στο ρυθμό απόθεσης GaN και την ομοιομορφία του παραγόμενου υμενίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, η εμβολική ροή και η ροή με επίδραση της περιστροφής ευνοούν την ομοιομορφία του υμενίου, σε αντίθεση με τη ροή με επίδραση της άνωσης. Η διερεύνηση επιβεβαίωσε την αύξηση του ρυθμού απόθεσης κατά την αύξηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του υποστρώματος και της πίεσης λειτουργίας. Ακόμη, προέκυψε ότι η αύξηση της παροχής εισόδου προκαλεί μία μικρή μείωση του ρυθμού απόθεσης GaN και στην περίπτωση της ροής με επίδραση της περιστροφής μία σημαντική αύξηση της παροχής οδηγεί σε εξάλειψη των ανακυκλοφοριών που δημιουργούνται λόγω περιστροφής του υποστρώματος. Επιπροσθέτως, κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας του υποστρώματος η οποία επηρεάζει σημαντικά τη ροή με επίδραση της άνωσης εμφανίζεται, σε αντίθεση με την εμβολική και τη ροή με επίδραση της περιστροφής, αύξηση του ρυθμού απόθεσης με αύξηση της θερμοκρασίας, με μικρή επίδραση στη μορφολογία του παραγόμενου υμενίου. Τέλος, στις περιοχές πολλαπλότητας του πεδίου ροής κατά τη λειτουργία στις ίδιες συνθήκες το σύστημα μπορεί να ελέγχεται είτε από τη διάχυση είτε από την κινητική των αντιδράσεων, δηλαδή αντίστοιχα ο ρυθμός απόθεσης είτε να παραμένει περίπου σταθερός ή να αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος.