Modelagem numérica de sistemas térmicos em reatores MWPACVD para deposição de diamante

O diamante CVD (do inglês, Chemcical Vapour Deposition) monocristalino apresenta propriedades ópticas, térmicas, químicas e eletrônicas singulares, aliadas à elevada dureza e resistência ao desgaste, que possibilitam ampla aplicação industrial e científica. Entre os métodos de obtenção do SCD (do inglês, Single Crystal Diamond), a deposição via MWPACVD (do inglês, Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) destaca-se pela capacidade de produzir filmes de alta pureza, baixa densidade de defeitos e em grandes áreas. Para alcançar tais condições, é essencial a realização do gerenciamento térmico do porta-substrato e de seu sistema de refrigeração, elementos que influenciam diretamente a homogeneidade de temperatura, a qualidade cristalina e a taxa de crescimento do SCD. Esta tese apresenta uma modelagem numérica voltada ao estudo do comportamento térmico em diferentes reatores MWPACVD utilizando-se a aplicação comercial COMSOL Multiphysics®, por meio do módulo Conjugate Heat Transfer e metodologia semiempírica para determinação do fluxo de calor incidente no porta-substrato. Também foi incluída a calibração de parâmetros relacionados ao contato térmico (σasp, Kgap, Req) entre a semente de diamante e o porta-substrato após a realização de um experimento prático de crescimento por mais de 160 horas em uma semente com dimensões iniciais de 15x15x0,5mm. Os resultados permitiram comparar a distribuição de temperaturas do porta-substrato e sementes em três geometrias de reatores distintos com modos TM011/TM021 e TM012, destacando o efeito do sistema de refrigeração e sua geometria na uniformidade térmica. As conclusões apontam diretrizes para otimização do controle de temperatura em reatores existentes e sugerem melhorias aplicáveis ao desenvolvimento de futuros sistemas MWPACVD. ABSTRACT: CVD (Chemical Vapor Deposition) diamonds exhibit unique optical, thermal, chemical, and electronic properties, combined with high hardness and wear resistance, enabling wide industrial and scientific applications. Among the methods for obtaining SCD (Single Crystal Diamond), deposition via MWPACVD (Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) stands out for its ability to produce high-purity, low-defect-density, large-area films. To achieve these conditions, thermal management of the substrate and its cooling system is essential, as these elements directly influence temperature homogeneity, crystal quality, and SCD growth rate. This thesis presents a numerical modeling approach for investigating the thermal behavior of different MWPACVD reactors using the commercial COMSOL Multiphysics® application, specifically the Conjugate Heat Transfer module combined with a semiempirical methodology for determining the heat flux boundary condition on the substrate holder. Further, the calibration of parameters related to the thermal contact (σasp, Kgap, Req) between the diamond seed and the substrate holder was also included, after a practical growth experiment of over 160 hours on a sample with initial dimensions of 15x15x0.5mm. The results allowed a comparison of the temperature distribution of the substrate holder and seeds in three different reactor geometries with TM011/TM021 e TM012 modes, highlighting the effect of the cooling system and its design over the thermal uniformity. The conclusions point to guidelines for optimizing temperature control in existing reactors and suggest improvements applicable to the development of future MWPACVD systems.