基于有限元的MOCVD基座不稳定温度场的研究

摘要

金属有机物化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）是制备微电子和光电子领域所需的半导体薄膜材料的最主要技术。这些领域对薄膜材料厚度的均匀性、组成的均匀性、层与层之间的界限要求非常严格，而影响材料这些属性的关键因素就是MOCVD设备反应室石墨基座上表面的温度均匀性。本文基于有限单元法利用C++编程语言开发了MOCVD石墨基座温度场的专用仿真软件，并以该软件为平台对石墨基座的加热过程进行了数值模拟，研究了石墨基座和加热器结构参数对石墨基座温度场的影响，本文的主要工作和结论如下： （1）对石墨基座和加热器的结构模型和计算模型进行了基本假设，通过对热传递和辐射换热原理的研究，确定了有内热源的二维轴对称不稳定温度场的微分方程和定解条件，提出了热物性参数的非线性问题的处理方法，推导了有限元法的不稳定温度场的求解计算过程。 （2）利用C++编程语言开发了MOCVD石墨基座温度场的专用仿真软件，改进了逐点插入的Lawson网格划分算法，研究了稀疏矩阵的二维链表存储法及矩阵方程的求解方法，通过具体的编程实现验证了网格划分算法的稳定性以及稀疏矩阵的二维链表存储法的可行性。 （3）基于本文所开发的温度场模拟软件，对石墨基座升温和降温过程的温度场进行了数值模拟，并以温度场云图、表格和温度时间曲线的方式与商业软件ABAQUS的计算结果进行了对比，证明了基于有限元法的求解温度场的数值算法和本文所开发软件的正确性。 （4）以本文开发软件为平台，研究了石墨基座和加热器结构参数对石墨基座温度场的影响并得出了一些结论和经验：石墨基座的厚度和加热圈宽度越大，石墨基座上表面的径向温度分布曲线就越平缓；对于调节加热圈功率，首先设置各个加热圈的体积功率相同，根据温度分布情况再调整最外层加热圈的功率，最终可以使得石墨基座上表面的温度分布在一定范围内均匀，该范围的描述是：从外向里数第二个层加热圈的M圆所对应的，石墨基座上表面的圆形区域。

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