Modelación computacional de un sistema de deposición química de vapor de películas de diamante

Abstract

Tesis de maestría en polímeros y materiales. En el presente trabajo se desarrolla un modelo computacional en dos dimensiones del proceso de deposición química de vapor para la fabricación de películas de diamante por filamento caliente (HFCVD). En este proceso, el diamante se obtiene a partir de una mezcla diluida de metano en hidrógeno que reacciona a temperaturas superiores a 2000ºC y presión de vacío, generando radicales libres los cuales son precursores del crecimiento del diamante en un sustrato. El modelo resuelve las ecuaciones de conservación de momentum, energía, continuidad global y continuidad por especies dentro de la cámara de reacción de un reactor HFCVD. Las reacciones químicas homogéneas de la fase gaseosa se incorporan por medio de un mecanismo de reacción simplificado el cual considera 12 reacciones químicas y 9 especies. El modelo incluye la generación del radical H en la superficie del filamento, la recombinación del mismo radical en las superficies del reactor para formar H2 y la rapidez de crecimiento de película de diamante en el sustrato. El modelo se resuelve numéricamente por medio de un software comercial. La solución del modelo proporciona las distribuciones de velocidad y temperatura del gas y la concentración de especies en la fase gaseosa como función de la posición dentro de la cámara de reacción. La validación del modelo se llevó a cabo comparando sus predicciones con mediciones de temperatura del gas y concentración de radicales CH3 en la fase gaseosa reportadas en la literatura y con datos experimentales de rapidez de crecimiento obtenidos durante el presente trabajo en un reactor a nivel laboratorio. En ambos casos la concordancia de las predicciones del modelo con los valores experimentales fue satisfactoria. Una vez validado el modelo, se realizó un estudio paramétrico del proceso HFCVD. Éste consistió en estudiar el efecto del número de filamentos sobre la temperatura del gas, la concentración de radicales CH3 e H en la fase gaseosa y la rapidez de crecimiento de la película de diamante. Para lo anterior se analizaron configuraciones de uno, tres y cinco filamentos. Las predicciones del modelo indican que la temperatura del gas, la concentración de radicales CH3 y la rapidez de crecimiento de la película de diamante se incrementan al incrementarse el número de filamentos. Asimismo, la geometría del reactor, el número de filamentos y la geometría del sustrato afectan significativamente el comportamiento del sistema y por lo tanto, son factores a considerarse durante el diseño y optimización de este proceso. Los resultados del presente estudio indican que el modelo computacional es una representación razonable de los fenómenos relevantes que ocurren en la cámara de reacción del proceso HFCVD. Por lo tanto, es una herramienta útil que puede ser utilizada en el futuro con fines de diseño y optimización del proceso.