Υπολογιστική ανάλυση της χημικής απόθεσης από ατμό υμενίων οξειδίου του κασσιτέρου - Γιαννικόπουλος, Ιωάννης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ), 2018)
Η Χημική Απόθεση από Ατμό (ΧΑΑ) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος απόθεσης λεπτών υμενίων για βιομηχανικούς, εμπορικούς και ερευνητικούς σκοπούς. Οι διεργασίες αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας (πίεση, θερμοκρασία τοιχωμάτων αντιδραστήρα, θερμοκρασία υποστρωμάτων, παροχή), οι οποίες και έχουν επίδραση στο πάχος και τη μορφολογία των παραγόμενων υμενίων. Τα υμένια χρησιμοποιούνται σε πολλούς τεχνολογικούς τομείς, με κύριες εφαρμογές στην μικρο-ηλεκτρονική, σε ενεργειακές εφαρμογές και σε επικαλύψεις επιφανειών. Οι ιδιότητες των υμενίων εξαρτώνται άμεσα από την εφαρμογή που προορίζονται, ωστόσο η ομοιομορφία είναι ένα χαρακτηριστικό που είναι επιθυμητό στις περισσότερες εφαρμογές. Για τη μελέτη της ΧΑΑ είναι απαραίτητη η γνώση των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στον αντιδραστήρα, των μηχανισμών των χημικών αντιδράσεων στο υπόστρωμα αλλά και να γίνουν κατανοητές οι επιπτώσεις του είδους της ροής και των συνθηκών λειτουργίας στην απόθεση των υμενίων. Με τη χρήση υπολογιστών, έχει γίνει δυνατή η προσομοίωση των διεργασιών αυτών με στόχο την πρόβλεψη του πάχους και της μορφής των παραγόμενων υμενίων. Η διαδικασία αυτή αποτελεί ένα εργαλείο που αποσκοπεί στη μείωση των πειραματικών μετρήσεων που είναι χρονοβόρες και, σε πολλές περιπτώσεις, κοστίζουν ακριβά. Η προσομοίωση των διεργασιών αυτών μπορούν να πραγματοποιηθούν με κώδικες υπολογιστικής ρευστοδυναμικής που είναι εμπορικά διαθέσιμοι. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε υπολογιστική μελέτη της απόθεσης υμενίων οξειδίου του κασσιτέρου με τον εμπορικό κώδικα ρευστοδυναμικής ANSYS Fluent. Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες ψυχρών τοιχωμάτων: έναν οριζόντιο ατμοσφαιρικής πίεσης και έναν κατακόρυφο. Η διπλωματική έχει ως στόχο την πρόβλεψη, κυρίως, της μορφής των παραγόμενων υμενίων και τη μεταβολή που παρουσιάζεται στη μορφή και στο ρυθμό απόθεσης σε διάφορες θερμοκρασίας του φορέα των υποστρωμάτων. Επιπλέον, μελετάται το είδος της ροής, η κατανομή των αερίων και η κατανομή της θερμοκρασίας στους αντιδραστήρες. Αρχικά, πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική μελέτη σχετικά με τη ΧΑΑ και την αποτιθέμενη ένωση. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της διεργασίας και αποτελούν το υπολογιστικό της μοντέλο. Παράλληλα, γίνεται βιβλιογραφική επισκόπηση των χημικών αντιδράσεων προς παραγωγή οξειδίου του κασσιτέρου. Το επόμενο βήμα είναι η ανάλυση του φυσικού προβλήματος και η εισαγωγή του σε υπολογιστικό περιβάλλον. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της υπολογιστικής ανάλυσης τα οποία περιλαμβάνουν, εκτός από τη μορφή και έναν ενδεικτικό ρυθμό απόθεσης υμενίου του οξειδίου του κασσιτέρου, χαρακτηριστικά της ροής, θερμοκρασιακές κατανομές στους αντιδραστήρες και κατανομή των μοριακών κλασμάτων στην περιοχή γύρω από τα υποστρώματα. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής μελέτης διαφοροποιούνται για τους δύο αντιδραστήρες. Στον οριζόντιο αντιδραστήρα, η αύξηση της θερμοκρασίας του φορέα των υποστρωμάτων οδηγεί σε σημαντική αύξηση του ρυθμού απόθεσης, αλλά όχι σε σημαντική μεταβολή της μορφής των παραγόμενων υμενίων. Αντίθετα, στον κατακόρυφο αντιδραστήρα, με την αύξηση της θερμοκρασίας του φορέα, δεν προκαλείται σημαντική μεταβολή στο ρυθμό απόθεσης και η μορφή των αποτιθέμενων υμενίων είναι πανομοιότυπη.