反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器输运过程的数值模拟

摘要

金属有机化学气相沉积(MOCVD)是制备微电子和光电器件的关键技术。在MOCVD反应器中，存在着大的温度差和浓度差，将引发强烈的自然对流和浓度扩散。此外还存在着气体的强迫流动、热物性对温度的依赖、由高温引起的热扩散以及高温衬底对壁面的热辐射等，它们与反应器的形状和几何尺寸等因素耦合在一起，影响薄膜生长的速率和质量。因此，深入了解MOCVD反应器内的输运过程，对于优化反应器设计、控制薄膜生长速率和提高薄膜生长质量，具有重要意义。 垂直喷淋式反应器是近年来迅速发展的一种反应器。目前对垂直喷淋式反应器的研究局限在传统的“顶部喷入底部排出”式，而该结构会造成薄膜沿基片径向生长的不均匀。本论文设计了一种新型反应器，采用“顶部喷入顶部排出”的反向流动通气方式，进口管与出口管交叉排列。在该反应器中，基片上方的浓度仅在单个喷管周围变化，消除了沿径向的浓度差异。 为了验证这种新型反应器的性能，利用FLUENT软件，对其输运过程及其与外部参数的关系进行了计算机数值模拟研究，并提出了反应器的优化方案。在此过程中，分别对二维轴对称模型、三维单元体模型和包含化学反应的三维完整模型进行了数值模拟。通过变化操作参数和反应器几何参数发现，减小喷管间的中心距、降低反应室内的压强，有利于获得基片上方均匀的温度场和反应气体浓度场；加大进口处气体标准流量，有利于获得基片上方较大的温度梯度和提高生长速率。通过对比新型反应器和传统的垂直喷淋反应器还发现：新型反应器在近衬底处的反应气体浓度分布、沉积均匀性都优于传统式反应器，但沉积速率大约只有后者的1／2。 论文最后还对电晕放电影响MOCVD反应器内的流动做了实验研究。发现电晕负极发射电子，对气流有排斥作用，作用力与电压近似成正比。利用上述现象可以在反应器内抑制气体涡旋，控制气体的定向流动。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录及表目录、符号说明

学位论文版权使用授权书及独创性声明

第一章绪论

1.1化学气相沉积原理

1.2金属有机化学气相沉积

1.3CVD输运过程

1.4CVD反应器分类

1.5垂直喷淋式MOCVD反应器

1.6本论文的主要目标

第二章反向流动垂直喷淋式反应器设计与数学模型

2.1反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器设计原理

2.2对反应器建模的基本假设和模型特性

2.3控制方程和边界条件

2.4气体热物性参数

第三章数值模拟方法

3.1控制方程的离散

3.2双向坐标与单向坐标

3.3SIMPLE算法

3.4FLUENT软件简介和一些使用经验

第四章数值模拟结果与讨论

4.1二维轴对称模拟

4.1.1反应室内压强变化的影响

4.1.2出口方式的影响

4.1.3不同进口流速的影响

4.1.4喷管末端到衬底的距离变化的影响

4.1.5小结

4.2三维单元体模拟

4.2.1喷管中心距的影响

4.2.2进口处流速的影响

4.2.3反应室压强的影响

4.2.4喷管端到衬底距离的影响

4.2.5小结

4.3GaN生长的化学反应模拟

4.4三维完整反应器模拟

4.5对CVD数值模拟的深入思考

第五章利用电晕放电影响MOCVD流动的实验探索

5.1电晕原理与电晕技术

5.2电晕对流动和传热的影响

5.3电晕放电实验装置

5.4实验结果分析

5.4.1垂直式装置电晕实验结果分析

5.4.2水平式实验装置电晕实验结果分析

第六章全文总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢