Моделирование кинетики испарения летучего компонента из конденсированной фазы

Актуальность темы

В настоящее время электронные приборы играют важную роль в повседневной жизни каждого человека. Более того, многие из них являются средством развития науки и общества (например, компьютеры, средства связи). С каждым годом к таким приборам и их компонентам предъявляются все более высокие требования. Они должны быть компактными, но высокопроизводительными. В то же время, появляются и новые возможности, усовершенствуются технологии производства полупроводниковых приборов. В первую очередь это связано с применением компьютеров при разработке приборов, при контроле технологических процессов и т. д. В связи с этим появляется высокая потребность в моделях, которые описывают всю совокупность процессов в производстве приборов микроэлектроники.

В настоящей диссертации рассматривается процесс испарения летучего вещества из раствора в нелетучем растворителе. Этот процесс присутствует во многих технологических операциях полупроводникового производства. В одних случаях это основной, полезный процесс (например, при жидкофазной эпитаксии соединений АгВ в других — это вредный побочный процесс. Но в каждом из этих случаев важно контролировать его. Для этого необходима модель, описывающая процесс испарения.

Испарение летучего вещества из раствора не может существовать само по себе. Оно связано с другими элементарными процессами теплои массопереноса. Сюда входят такие явления, как диффузия, конвекция, термокинетика и другие. В диссертации предложена макроскопическая модель испарения мономеров и димеров летучего вещества с учетом влияния гравитационного поля, которая позволяет прогнозировать течение технологических процессов, при создании приборов различных классов, например, приборов квантовой электроники.

Научная новизна диссертации состоит в следующем,.

1. Разработана новая макроскопическая модель испарения атомов и двухатомных молекул летучего вещества из раствора в нелетучем растворителе с учетом влияния гравитационного поля.

2. Получены безразмерные параметры системы, полностью описывающие кинетику процесса испарения.

3. Установлены области значений параметров системы, в которых лимитирующим скорость испарения процессом является диффузия в растворе или массоперенос через гетерофазную границу.

4. Проведена оценка степени влияния гравитационного поля на скорость испарения летучего вещества из раствора в нелетучем растворителе.

Цель работы.

1. Разработать и исследовать макроскопическую модель процесса испарения летучего компонента из плоского слоя слабого атомарного раствора в г нелетучем растворителе с учетом влияния внешнего поля.

2. Выявить закономерности процесса испарения летучего вещества из раствора.

3. Оценить степень и характер влияния гравитационного поля на скорость массопереноса и испарения.

4. Получить параметры системы, совокупность которых полностью описывает кинетику процесса испарения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Сформулированы новые кинетические модели процесса испарения мономеров и димеров летучего вещества при учете влияния гравитационного поля.

2. Найдены безразмерные параметры системы {А, В, у, т), совокупность которых позволяет полностью описать макроскопическим образом процесс испарения как атомов, так и димеров летучего компонента раствора в газовую фазу или вакуум.

3. Установлено, что при т> скорость испарения лимитируется скоростью диффузии летучего вещества в растворе. 4 л V2.

При т < лимитирующим процессом является массоперенос летучего компонента через гетерофазную границу. Д.

4 При <1 процесс испарения завершается ко времени т 1 + Д.

1+ В, При д.

— - >1 процесс испарения завершается ко времени т~1, что соответствует.

1 + В, максимальной скорости обеднения раствора. 5. При Уд£>1 гравитационное поле увеличивает скорость испарения, т.к. диффузионный и дрейфовый потоки направлены в одну сторону. При дрейфовый поток летучего компонента, вызванный внешним полем направлен против диффузионного и, следовательно, скорость испарения уменьшается. Случай, когда у/^О, соответствует отсутствию влияния внешнего поля на процесс испарения.

Научная и практическая значимость диссертации. Разработанная модель полностью описывает процесс испарения летучего компонента из слоя атомарного раствора в нелетучем растворителе. При расчете с помощью этой модели можно получить такие данные о процессе испарения, распределение концентрации летучего компонента в системе, плотность потока испаряющегося вещества, количество испарившегося вещества в любой момент времени. Модель позволяет легко определить степень и характер влияния различных явлений на процесс испарения. Эта модель является гибкой и может быть легко модифицирована и расширена с целью учета дополнительных факторов, влияющих на процессы, происходящие в системе. Она также может быть использована как составляющий компонент комплексной модели. Разработан численный метод решения задач подобного типа.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на 13 международных и национальных конференциях:

3-rd International Conference on Electrotechnical Materials and Components Россия, Москва 30 ноября-2 декабря 1999 • 3-rd International Conference • «Single Crystal Growth, Strength Problems, and Heat Mass Transfer. Россия, Обнинск 2124 сентября 1999 • 5-th International Conference on Intermolecular Interactions In Matter Poland, Lublin 2−4 сентября 1999 • 39-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов Россия, Воронеж 20−24 апреля 1999 • 3-я Международная конференция «Электромеханика и электротехнологии» Россия, Клязьма 1998 • Научно-техническая конференция «Вакуум-98» Россия, Гурзуф 23−30 сентября 1998 • 6-я Российская студенческая конференция Россия, Томск 13−14 мая 1998 • 38-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов Россия, Воронеж 20−24 апреля 1998 • 2-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика-97» Россия, Зеленоград 25−26 ноября 1997 • 2-й Российский Симпозиум «Процессы Тепломассопереноса и Рост Монокристаллов и Тонкопленочных Структур» Россия, Обнинск 22−24 сентября 1997 • 4-th International Conference on Intermolecular Interactions In Matter Poland, Gdansk 10−13 сентября 1997 • 5-я Международная конференция «Термодинамика и материаловедение полупроводников» Россия, Зеленоград 30 июня-3 июля 1997 • 38-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов Россия, Воронеж 21−25 апреля 1997.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ в виде 5 статей и 13 тезисов докладов. 8.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, Общий объем диссертации составляет 129 страниц, включая оглавление, 73 рисунка, 2 таблицы и список литературы из [47] источников.

выводы.

1. Разработаны кинетические модели процессов испарения одноатомных и двухатомных молекул летучего вещества из раствора-расплава в поток индифферентного в изотермических условиях. Эти модели позволяют, полностью описать процесс испарения димеров летучего компонента из слабых атомарных растворов при диффузионном механизме массопереноса.

2. Кинетика процесса испарения полностью определяется безразмерными параметрами системы х, А,-, 5/ (/=1 при испарении атомовг=2 при испарении димеров летучего вещества).

3. Задача об испарении атомов может быть решена как численно, так и аналитическим путем. Задача об испарении двухатомных молекул может быть решена только численно.

Г л V2.

4. При х > ви скорость испарения лимитируется скоростью диффузии летучего вещества в растворе. лимитирующим процессом является массоперенос.

При х<| -4и+д.

Л-2 У летучего компонента через гетерофазную границу. Л.

При < 1 процесс испарения завершается ко времени х 1 + В^ а 1 процесс испарения завершается ко времени х~1. А V1 А При.

1 + Д.

5. Предложенная кинетическая модель может быть использована для прогнозирования течения процесса испарения летучего компонента при жидкофазной эпитаксии соединений А3В5, для определения потерь летучего вещества в различных технологических операциях и т. д.

6. Влияние гравитационного поля на скорость испарения летучего вещества из раствора в нелетучем растворителе осуществляется за счет изменения скорости транспортировки его в слое конденсированного растворе и в пограничном слое газа.

7. Если плотность летучего вещества меньше плотности растворяющей среды, то гравитационное поле способствует испарению этого вещества с верхней поверхности раствора.

8. Влияние гравитации на скорость испарения учитывается посредством безразмерных параметров у/ и у^ которые количественно и качественно описывают изменение скорости транспортировки испаряющегося вещества в слое раствора-расплава и пограничном слое газа, соответственно. Эти параметры не зависят друг от друга и могут принимать значения различных знаков.

Заключение

.

На основании проведенных исследований, мы можем сделать следующие.