Etude d'un mélange gazeux CH4/H2 lors de déposition dans les procédés HWCVD

Abstract

La technique de dépôt chimique en phase vapeur à filament chaud (HFCVD ou Hot Wire CVD) est très utilisée dans différents domaines industriels et technologiques. Ce travail est une étude sur la déposition d'une couche de diamant ou de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H), à partir d'un mélange gazeux CH4/H2 par un procédé HWCVD dans un réacteur contenant ‘n’ filaments coplanaires chauds. En plus, les différentes espèces considérées dans les calculs sont neuf espèces (CH3, H, C2H5, C2H6, C2H4, C2H2 et C2H3) dans le volume du réacteur; le nombre de réactions chimiques considérées est treize. Nous avons proposé un modèle numérique pour le calcul la distribution des températures et des vitesses et des concentrations des espèces. Nous avons utilisé le modèle fluide : l'équation de la chaleur pour le calcul de la température, l'équation de continuité et les équations de Navier Stockes pour le calcul de la vitesse et l'équation de diffusion pour calculer les concentrations des espèces. Pour la résolution numérique, un programme en langage FORTRAN a été développé pour le calcul des différentes distributions en coordonnées cartésiennes en 2D. Nous avons utilisé la Méthode des Volumes Finis (MVF) et l'algorithme itératif de Gauss-Seidel. Pour un mélange gazeux (05% CH4, 95% H2), une pression à l’entrée P0 = 1000 Pa, une température à l’entrée T0= 300 K, une température des filaments chauds Tfil = 2100K et une température du substrat Tsub = 1173 K, pour n = 3 et pour n = 4, les calculs montrent que la température est maximale près des filaments chauds et elle est minimale entre les filaments chauds. Les distributions de températures, de vitesses et des concentrations de toutes les espèces sont symétriques et les configurations sont périodiques aux niveaux des filaments et entre filaments. Les concentrations de C2H6, C2H4 et C2H5 sont très élevées. Nous avons également noté une augmentation de la production de radicaux CH3 et C2H5 près de la surface ; elles sont de l’ordre de 2 % et 3 % respectivement. Les effets de la température du substrat, de la pression du gaz et de la composition du mélange gazeux sur les concentrations et le taux de croissance ont été étudiés. Les résultats sont comparés aux résultats d’autres auteurs.

The Hot Wire Chemical Vapor Deposition (HFCVD or Hot Wire CVD) technique is widely used in various industrial and technological fields. This work is a study on the deposition of diamond or hydrogenated amorphous carbon (a-C:H)film, from a mixture of (CH4/H2) in a reactor with ‘n’ hot filaments of a HWCVD process. In addition, the various species considered in the calculations are nine species (CH3, H, C2H5, C2H6, C2H4, C2H2 and C2H3) in the volume of the reactor; the number of chemical reactions considered is thirteen. We have proposed a numerical model to calculate the distributions of temperature, velocity and species concentrations. We used the fluid model: The equations of heat to calculate temperature, the momentum and the Navier-Stockes equations to calculate velocity, and the diffusion equation to calculate the concentrations. For the numerical resolution, a program in FORTRAN language was developed for the calculation of the different distributions in 2D cartesian coordinates. We used the Finite Volumes Method (MVF) and the iterative Gauss-Seidel algorithm. For a gas mixture (05% CH4, 95% H2), an inlet pressure P0 = 1000 Pa, an inlet temperature T0 = 300 K, a temperature of the hot filaments Tfil = 2100K and a substrate temperature Tsub =1173 K, for n = 3 and for n = 4, the calculations show that the temperature is maximum near the hot filaments and it is minimum between the hot filaments. The distributions of temperatures, velocities and concentrations of all species are symmetrical and the configurations are periodic at the filament levels and between filaments. The concentrations of C2H6, C2H4 and C2H5 are very high. We also noted an increase in the production of CH3 and C2H5 radicals near the surface; they are of the order of 2 % and 3 % respectively. The effects of substrate temperature, gas pressure and gas mixture composition on the concentrations and growth rate we reinvestigated. The results are compared with the results of other authors.

تستخدم تقنية ترسيب الكيميائي في الطور البخاري بالفتيل الساخن (HFCVD) على نطاق واسع في مختلف المجالات الصناعية والتكنولوجية. هذا العمل هو دراسة حول شروط ترسيب طبقة رقیقة من الألماس أو الكربون غير المتبلور المهدرج(a-C:H) ، أعدت باستعمال خلیط CH4/H2 بواسطة طريقة HFCVDداخل مفاعل يحتوي على ‘n’ فتيل ساخن. بالإضافة إلى ذلك، الجزيئات الأنواع المختلفة التي تم أخذها في الاعتبار في الحسابات هي تسعة أنواع CH3، H،C2H5، C2H6، C2H4، C2H2 وC2H3. عدد التفاعلات الكیمیائیة المعتبرة في حجم المفاعل ھوثلاثة عشرة. لقد اقترحنا نموذجًا عدديا يعتمد نموذج الموائع: معادلة الحرارة لحساب درجة الحرارة ومعادلة الاستمرارية ومعادلةNavier Stockes لحساب السرعة ومعادلة الانتشار لحساب تراكيز الجسيمات. من أجل المعالجة العددية، تم إنجاز برنامج بلغة FORTRAN لإيجاد مختلف التوزيعات داخل المفاعل في الإحداثيات الديكارتية على بعدين. كما استخدمنا طريقة الحجوم المحدود وخوارزمية قوص-سيدال(Gauss-Seidel) التكرارية. بالنسبة لخليط غازي (05% CH4, 95% H2)، وضغط عند المدخل P0 = 1000 Pa، ودرجة الحرارة عند المدخل T0=300 K، ودرجة حرارة الفتيل الساخن Tfil = 2100 Kودرجة حرارة الركيزةTsub = 1173 K ، ومن أجلn= 3 ومن أجل n= 4، تظهر الحسابات أن درجة الحرارة القصوى تكون بالقرب من الفتيل الساخن والدنيا تكون بين الفتيل الساخن. تكون توزيعات درجات الحرارة والسرعات والتراكيز لجميع الأنواع متماثلة و دورية على مستويات الفتيل وبين الفتيل.يوضح الحساب أن توزيعات تراكيز C2H6 و C2H4 و C2H5 عالية جدًا. لاحظنا أيضًا زيادة في إنتاج جذور CH3 و C2H5 بالقرب من السطح، حيث تمثل النسب 2٪ و 3٪ على التوالي. تم دراسة تأثير درجة حرارة الركيزة وضغط الغاز وتكوين خليط الغازات على التراكيز ومعدل النمو. تمت مقارنة النتائج مع نتائج مؤلفين آخرين.