Введение к работе
з
Актуальность работы
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), позволившее получить сверхпроводящие соединения с критической температурой выше точки кипения жидкого азота, вызвало существенное увеличение вложений в прикладные исследования по ВТСП, направленные на создание криоэлектронных устройств нового поколения. Результатом этого явилось резкое ускорение темпов разработок, приведших в настоящее время к появлению образцов материалов со свойствами, удовлетворяющими основным требованиям оптического и электронного приборостроения. Однако создание на основе этих материалов промышленных сверхпроводящих устройств требует разработки технологических процессов, обеспечивающих высокую точность и воспроизводимость требуемых характеристик материала. Отладка такого рода процессов сводится к проведению большого числа дорогостоящих лабораторных и натурных экспериментов, поэтому на данной стадии особое значение приобретают методы математического моделирования. Позволяя сделать определенные предсказания о ходе процесса и оптимизировать его, эти методы дают возможность существенно снизить затраты на экспериментальные исследования.
В настоящее время наиболее перспективной технологией получения ВТСП материалов считается химическое газофазное осаждение (Chemical Vapour Deposition, CVD) пленочных структур из летучих металлоорганических соединений (Metal Organic, МО). Методы математического моделирования ранее хорошо зарекомендовали себя при исследовании многих CVD-процессов получения пленок и покрытий различного состава, и, в первую очередь, полупроводниковых структур. Однако применительно к ВТСП пленкам опыт использования данных методов в настоящее время практически отсутствует. В этой связи тема диссертационной работы, посвященной математическому моделированию MOCVD-процесса синтеза ВТСП пленок и его применению для анализа и оптимизации технологического процесса, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель и задачи работы
Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и профаммного обеспечения для математического моделирования газовой динамики и тепломассопереноса в технологических установках для получения ВТСП пленок MOCVD-методом, направленного на количественное описание технологического про-
цесса и его оптимизацию. Указанная цель достигается постановкой и решением следующих задач:
-
Разработка физико-химической и математической моделей, описывающих макроскопические процессы переноса в реагирующей газовой смеси при химическом газофазном осаждении ВТСП пленок из летучих МО соединений и их численная реализация.
-
Создание программного обеспечения для моделирования, оценки эффективности и оптимизации различных узлов технологических установок синтеза ВТСП пленок MOCVD-методом.
-
Анализ различных режимов газофазного осаждения и выработка рекомендаций по оптимизации технологического процесса на основе проведения численных экспериментов.
-
Модификация метода Лифшица-Слезова для моделирования процессов формирования структуры пленки на ранних стадиях ее осаждения из газовой фазы.
Методы исследования
В работе использовались конечно-разностные алгоритмы расчета существенно дозвуковых течений реагирующих газовых смесей,, методы планирования эксперимента и аналитические методы теории конденсации.
Научная новизна работы
На основе проведенного исследования впервые получены следующие результаты:
-
Предложена макроскопическая модель процессов переноса при MOCVD-синтезе ВТСП пленок.
-
Проведены серия вычислительных экспериментов, моделирующих работу различных технологических узлов типовых экспериментальных установок в различных режимах, и анализ их функционирования.
-
На основе метода Лифшица-Слезова предложен подход для моделирования процессов формирования структуры пленки на ранней стадии ее осаждения из газовой фазы.
Защищаемые положения
На защиту выносятся следующие защищаемые положения:
-
Макроскопическая физико-химическая модель процессов переноса при MOCVD-процессе получения ВТСП пленки.
-
Количественная оценка эффективности процессов смешения исходных МО-соединений во входном статическом смесителе.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию характеристик осаждения ВТСП соединений в горизонтальном прямоугольном реакторе и в вертикальном цилиндрическом реакторе с застойной зоной в различных технологических режимах.
-
Оптимизация процесса получения ВТСП пленок в вертикальном цилиндрическом реакторе с застойной зоной и холодными стенками.
-
Методика применения метода Лифшица-Слезова для моделирования процессов формирования структуры простой пленки на ранней стадии осаждения.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обусловлена применением математических моделей и методов, корректность использования которых подтверждается сравнением результатов проведенных вычислительных экспериментов с известными аналитическими решениями, экспериментальными данными, с результатами решений, полученных другими авторами, а также данными тестирования разработанных программ на решениях известных модельных задач.
Практические результаты
-
Разработано программное обеспечение для моделирования работы различных узлов технологических установок MOCVD-синтеза ВТСП пленок, для оценки их эффективности и оптимизации.
-
Рассчитаны характеристики осаждения ВТСП пленок в реакторах различных конфигураций при различных режимах.
-
Проведена оптимизация MOCVD-синтеза ВТСП пленок в вертикальном цилиндрическом реакторе с застойней зоной и холодными стенками.
-
Рассчитаны режимы формирования структуры простой пленки на ранней стадии осаждения из газовой фазы.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в С.-Петербургском государственном электротехническом университете, в Научно-исследовательском и технологическом институте оптического материаловедения ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова, С.-Петербург.
Апробация работы
По результатам работы сделаны доклады на международной конференции "14th International Cryogenic Engineering and International Cryogenic Materials Conference (ICEC&ICMC92)", Киев, 1992; на международной конференции "International Congress on Computer Systems and Applied Mathematics (CSAM'93)", С.-Петербург, 1993; на семинаре лаборатории Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, С.-Петербург; на семинаре кафедры компьютерных технологий
спгитмо.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и библиографического списка из 114 наименований, содержит 134 страницы основного текста, 44 рисунка и 3 таблицы.