径向三重流MOCVD反应器输运过程的数值模拟研究

摘要

MOCVD技术是制备微电子和光电子包括激光和微波器件的关键技术，经过30多年的发展，它已经成为半导体技术的一项重要支柱。在CVD反应器中，存在着复杂的流体流动、传热、传质等输运过程，伴随着许多物理化学现象的发生。在CVD过程中，存在着大的温度差和浓度差，将引发自然对流和浓度扩散，它们又与气体的强迫流动以及反应器的几何尺寸和形状相互影响。此外还存在着热物性对温度的依赖性、由高温引起的热扩散以及高温衬底对壁面的热辐射等。所有这些都耦合在一起，影响薄膜生长的速率和质量。因此，深入了解CVD反应器内的输运过程，对于控制薄膜生长速率和提高薄膜生长质量，优化反应器设计，具有重要意义。 行星式反应器是近年来迅速发展的一种新型反应器，这种反应器采用二重进口、径向流动、基片作行星式旋转。二重进口有效地避免了反应粒子提前混和从而进行预反应；基片的公转和自转使反应粒子在基片上方浓度均匀，这种反应器非常适合于规模化生产。目前对行星式反应器的模拟研究都限定于特定的反应器结构和生长过程，缺少各种参数的变化对反应器的影响。本文所研究的内容，就是利用计算机二维数值方法，采用FLUENT软件，对中科院半导体所自行设计的垂直三重进口行星式MOCVD反应器的输运过程及其与外部参数的关系进行模拟研究，并提出反应器的优化方案。 在模拟计算中，分别改变流量、温度、压强等操作参数、反应器的尺寸和几何形状，分析它们对输运现象的影响。通过模拟发现，单独增大中管气体流量、降低压强、减小上下壁面的温差、反应器倒置、降低反应腔的高度等，均可削弱由于流道扩张和自然对流所产生的涡旋。衬底高速旋转则更容易产生涡旋。通过对反应器形状和尺寸进行优化，使其趋向于流线的形状，可以大大地削弱甚至消除由流道扩张引起的涡旋。模拟还发现：在影响热对流涡旋的几何参数中，反应腔的高度H起主要作用，而反应器的直径D影响较小。在衬底同一位置处，较均匀的流场对应的反应物浓度较高。热扩散则使TMGa在衬底处的浓度变得更低。文章最后还模拟了MOCVD反应器内的Benard对流，发现发生Benard对流的临界Ra数大于理论预期值，其原因可能是由于模拟条件并非纯自然对流，反应腔内强迫对流依然发挥一定作用的缘故。

目录

文摘

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第一章概述

1.1化学气相沉积的原理和应用

1.1.1化学气相沉积的原理

1.1.2化学气相沉积的分类和应用

1.1.3金属有机化学气相沉积

1.2 MOCVD反应器设计

1.2.1 MOCVD反应器设计要求

1.2.2垂直式反应器

1.2.3水平式反应器

1.2.4行星式反应器

1.3化学气相沉积反应器内的输运过程

1.3.1 CVD反应器内的对流涡旋

1.3.2 CVD反应器内的扩散过程

1.4本论文的研究目的和主要工作

第二章MOCVD反应器数学模型的建立

2.1几何模型

2.2基本假设

2.3控制方程

2.4边界条件

2.5气体热物性参数

2.6小结

第三章数值模拟方法

3.1控制方程的离散

3.2网格划分

3.3数值求解流程

3.4收敛条件

3.5 FLUENT软件简介

3.6小结

第四章模拟结果一：操作参数和反应器几何因素对输运现象的影响

4.1操作参数对反应器输运现象的影响

4.1.1低压强的影响

4.1.2微重力的影响

4.1.3三重进口气体流量的影响

4.1.4上壁面温度的影响

4.1.5基片公转的影响

4.2反应器几何因素的影响

4.2.1反应器几何形状和尺寸的影响

4.2.2 临界值判断

4.3小结

第五章模拟结果二：反应器的优化

5.1上壁面倾斜反应器的优化

5.2上壁面水平反应器的优化

5.3小结

6.2压强对浓度场的影响

6.3流场对浓度场的影响

6.4小结

第七章模拟结果四：Benard对流

7.1 Benard对流概述

7.2 MOCVD反应器内Benard对流的模拟

7.3小结

第八章结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢