徑向三重流MOCVD反應(yīng)器輸運(yùn)過(guò)程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、MOCVD技術(shù)是制備微電子和光電子包括激光和微波器件的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，它已經(jīng)成為半導(dǎo)體技術(shù)的一項(xiàng)重要支柱。在CVD反應(yīng)器中，存在著復(fù)雜的流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等輸運(yùn)過(guò)程，伴隨著許多物理化學(xué)現(xiàn)象的發(fā)生。在CVD過(guò)程中，存在著大的溫度差和濃度差，將引發(fā)自然對(duì)流和濃度擴(kuò)散，它們又與氣體的強(qiáng)迫流動(dòng)以及反應(yīng)器的幾何尺寸和形狀相互影響。此外還存在著熱物性對(duì)溫度的依賴性、由高溫引起的熱擴(kuò)散以及高溫襯底對(duì)壁面的熱輻射等。所有這些都耦合在一起

2、，影響薄膜生長(zhǎng)的速率和質(zhì)量。因此，深入了解CVD反應(yīng)器內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程，對(duì)于控制薄膜生長(zhǎng)速率和提高薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量，優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，具有重要意義。 行星式反應(yīng)器是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型反應(yīng)器，這種反應(yīng)器采用二重進(jìn)口、徑向流動(dòng)、基片作行星式旋轉(zhuǎn)。二重進(jìn)口有效地避免了反應(yīng)粒子提前混和從而進(jìn)行預(yù)反應(yīng)；基片的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)使反應(yīng)粒子在基片上方濃度均勻，這種反應(yīng)器非常適合于規(guī)?；a(chǎn)。目前對(duì)行星式反應(yīng)器的模擬研究都限定于特定的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)過(guò)程，

3、缺少各種參數(shù)的變化對(duì)反應(yīng)器的影響。本文所研究的內(nèi)容，就是利用計(jì)算機(jī)二維數(shù)值方法，采用FLUENT軟件，對(duì)中科院半導(dǎo)體所自行設(shè)計(jì)的垂直三重進(jìn)口行星式MOCVD反應(yīng)器的輸運(yùn)過(guò)程及其與外部參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行模擬研究，并提出反應(yīng)器的優(yōu)化方案。 在模擬計(jì)算中，分別改變流量、溫度、壓強(qiáng)等操作參數(shù)、反應(yīng)器的尺寸和幾何形狀，分析它們對(duì)輸運(yùn)現(xiàn)象的影響。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)增大中管氣體流量、降低壓強(qiáng)、減小上下壁面的溫差、反應(yīng)器倒置、降低反應(yīng)腔的高度等，均

4、可削弱由于流道擴(kuò)張和自然對(duì)流所產(chǎn)生的渦旋。襯底高速旋轉(zhuǎn)則更容易產(chǎn)生渦旋。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使其趨向于流線的形狀，可以大大地削弱甚至消除由流道擴(kuò)張引起的渦旋。模擬還發(fā)現(xiàn)：在影響熱對(duì)流渦旋的幾何參數(shù)中，反應(yīng)腔的高度H起主要作用，而反應(yīng)器的直徑D影響較小。在襯底同一位置處，較均勻的流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物濃度較高。熱擴(kuò)散則使TMGa在襯底處的濃度變得更低。文章最后還模擬了MOCVD反應(yīng)器內(nèi)的Benard對(duì)流，發(fā)現(xiàn)發(fā)生Benard對(duì)流的臨