Моделирование кинетики испарения летучего компонента из конденсированной фазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Емельянов, Владимир Васильевич

• Емельянов, Владимир Васильевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Емельянов, Владимир Васильевич

Введение.

Глава 1. Модели поглощения и испарения летучего вещества из раствора в вакуум без учета влияния гравитационного поля.

1.1. Первые опыты по изучению процесса испарения.

1.2. Испарение одноатомного газа из раствора в нелетучем растворителе без учета пограничного слоя и влияния гравитационного поля.

1.3. Поглощение одноатомного газа раствором без учета влияния гравитационного поля.

1.4. Испарение двухатомных молекул летучего вещества в вакуум без учета пограничного слоя и влияния гравитационного поля.

Глава 2. Испарение одноатомных молекул летучего компонента из слабых растворов в нелетучем растворителе без учета влияния гравитационного поля.

2.1. Рассмотрение системы пар-раствор летучего вещества и ограничений при её моделировании.

2.2. Рассмотрение модели испарения атомов летучего вещества из раствора без учета влияния гравитационного поля.

2.3. Безразмерная реализация модели испарения атомов летучего вещества без учета влияния гравитационного поля.

2.4. Обсуждение результатов расчета по модели испарения одноатомных молекул без учета гравитационного поля.

2.5. Сравнение результатов расчета данных, полученных из эксперимента с результатами расчета по предложенной модели.

Выводы к главе

Глава 3. Испарение двухатомных молекул летучего компонента из слабых растворов при отсутствии влияния гравитационного поля.

3.1. Модель испарения двухатомных молекул в размерной форме.

3.2. Модель испарения двухатомных молекул в безразмерной форме.

3.3. Обсуждение результатов испарение двухатомных молекул при отсутствии гравитационного поля.

3.4. Общие закономерности процессов испарения атомов и димеров летучего вещества из раствора в нелетучем растворителе.

3.5. Сравнение результатов расчета данных, полученных из эксперимента с результатами расчета по предложенной модели.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Моделирование испарения летучего вещества из раствора с учетом влияния гравитационного поля.

4.1. Влияние гравитационного поля на процесс диффузии летучего компонента.

4.2. Испарение летучего вещества из раствора в присутствии гравитационного поля.

4.3. Обсуждение результатов при испарении в гравитационном поле.

4.4. Численная оценка влияния гравитационного поля на процесс испарения в реальных системах.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Применение численных методов при моделировании процесса испарения.

5.1. Метод численного расчета модели испарения летучего вещества из слоя раствора в поток инертного газа.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 тепло- и 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.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Емельянов, Владимир Васильевич

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 атомов; г=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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Емельянов, Владимир Васильевич, 2000 год

1. Е. Preston. Chi the evaporation and diffusion of volatile materials into an inert gas stream // Trans. Farad. Soc. 1933. №29.

2. Хухрянский Ю.П. Закономерности испарения летучего компонента при диффузионном перемешивании раствора // Межвуз. сб. "Получение и анализ чистых веществ" . Горький: Изд. Горьк. ун-та. 1987. С. 14-17.

3. Хухрянский Ю.П,, Ермилин В.Н., Бордаков Е.В., Сысоев О.И. Кинетика поглощения пара летучего вещества расплавами металлов // Расплавы. 1988. Т.2. Выпуск 1. С. 12-16.

4. Хухрянский Ю.П. Диффузионная модель процесса испарения летучего вещества из разбавленного раствора // Журн. физ. химии, 1992. Т.66. №10. С. 2634-2438.

5. Хухрянский Ю.П. Кинетика испарения летучего компонента идеального раствора//Журн. физ. химии, 1980, 54, №8. с.2017-2020.

6. Хухрянский Ю.П., Веремьянина Л.Н., Крылова Л.В., Сысоев О.И. Кинетика испарения мышьяка с открытой поверхности галлиевых растворов //Журн. физ. химии, 1996. Т.70. №7. С. 1340-1341.

7. Хухрянский Ю.П. Влияние ассоциации в газовой фазе на испарение летучего компонента из раствора // Электронная техника. Сер. Материалы. Выпуск 10(195). 1984. С. 15-17.

8. Хухрянский Ю.П. Механизм обмена фосфором между фазами в системе пар-раствор In-P // Журн. физ. химии, 1981. T. LV. №9. С. 2374-2377.

9. Жуковицкий A.A., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия. 1976. 542 с.

10. Хухрянский Ю.П. Эпитаксия пленок из многокомпонентных растворов-расплавов при изотермическом испарении растворителя /У Кристаллография. 1992. Т.37. Вып.5. С. 1275-1280.

11. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. М.: Радио и связь. 1991. 528 с.

12. F. Hirose, Н. Sakamoto Prediction of concentration profile for P doping in Si gas-source molecular beam epitaxy // J.Cryst.Growth 196 (1999)

13. Уфимцев В.Б., Акчурин P.X. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии. М,: Металлургия, 1983. 224 с.

14. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. М.: Сов. радио, 1975. 328с.

15. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука. 1976. -584с.18,Ожегов П.И., Мерзляков А.В., Кунин Л.Л. Отклонение давления пара от равновесного в эффузионной камере // Неорг. материалы. 1972. Т.8. №3.

16. Несмеянов А.Н., Хандамирова Н.Э. Влияние коэффициента Ленгмюра и молекулярного состава пара на результаты измерения давления пара // Успехи химии. 1959. Т.28. № 2.

17. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. Под ред. Ченга Л., Плога К. М.: Мир. 1989. 582с.

18. Ю.П. Хухрянский, В.А.Савченко, В.В.Емельянов, В.Н. Ермилин Изотермическая жидкофазовая эпитаксия соединений А~В5 при избыточном давлении пара компонента кристаллизующегося вещества // Кристаллография, 2000, том 45, №1, с. 163-166.

19. Khukhryansky Yu.P, Emelianov V.V.: Evaporation of volatile component from lamina of solution in the presence of gravitational field // J. Cryst. Growth v.207 3 1999.

20. Емельянов В.В., Лютиков А.Р., Хухрянский Ю.П.: Поглощение летучего вещества растворителем в гравитационном поле /У Известия высших учебных заведений. "Материалы электронной техники" №1 2000.

21. В.В.Емельянов, А.Р. Лютиков: Влияние гравитации на процесс испарения летучего компонента из конденсированной фазы: Тез.Докл. VI Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела. Тезисы докладов. Томск, 13-14 мая 1998г.

22. Yu.P. Khukhriansky V.V. Emelianov: "Simulation Of Equilibrium Achievement Kinetics In A System Vapour-Solution Of A Volatile Component": Тез.Докл. 5th International Conference "Intermolecular Interactions In Matter", Gdansk, Poland, 2-4 September 1999

23. Емельянов В.В., Лютиков А.Р., Хухрянский Ю.П. Влияние гравитации на процесс испарения летучего компонента из раствора-расплава: Тез.Докл. Вестник ВГТУ, сер. "Материаловедение", вып. 1.3,1998 г.

24. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д.: Технология материалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой технологии: Тез.Докл. Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. -М.:"МИСИС". 1995. -493 .с.

25. М. Борн. Атомная физика.: Пер. с англ. -М.: Мир. 1965. -483

26. Хухрянский Ю.П., Ермилин В.И., Бордаков Е.В. Сысоев О.И. Кинетика поглощения пара летучего вещества расплавами металлов. // Расплавы, 1988, т.2, вып.1. с.12-16.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика. Т. 10. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 527с.

28. Росадо Л.: Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с испан. -М.: Высш. шк., 1991, -351с.

29. Эмсли Дж.: Элементы: Пер. с англ. М.: Мир, 1993. -256с.

30. Физические величины: Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991.-1232

31. А.Н. Тихонов, A.A. Самарский, Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. 736с.

32. Л.И. Турчак Основы численных методов: Учеб. пособие. М: Наука. Гл. ред. физ. -мат. лит., 1987. - 320с.

33. Л.В. Канторович, В.И. Крылов Приближенные методы высшего анализа. Изд. 4-е. М: Государственное издание технико-теоретической литературы. 1952

34. В.А. Троицкий, И.М. Иванова, И.А. Старостин, В.Д. Шелест Инженерные расчеты на ЭВМ: Справочное пособие / Под ред. В.А. Троицкого. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1979, 288с. Ил.

35. Г.М. Прусаков Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ. -М.: Физматлит, 1993. 144с.