水平切向噴射式MOCVD反應(yīng)器輸運(yùn)過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是制備微電子和光電器件的關(guān)鍵技術(shù)。在MOCVD反應(yīng)器中，存在著大的溫度差和濃度差，將引發(fā)強(qiáng)烈的自然對流和濃度擴(kuò)散。此外還存在著氣體的強(qiáng)迫流動(dòng)、熱物性對溫度的依賴、由高溫引起的熱擴(kuò)散以及高溫襯底對壁面的熱輻射等，它們與反應(yīng)器的形狀和幾何尺寸等因素耦合在一起，影響薄膜生長的速率和質(zhì)量。因此，深入了解MOCVD反應(yīng)器內(nèi)的輸運(yùn)過程，對于優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、控制薄膜生長速率和提高薄膜生長質(zhì)量，具有重要意義。

2、本文從高速轉(zhuǎn)盤式和改進(jìn)型水平式反應(yīng)器的原理受到啟發(fā)，提出一款結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的水平切向噴射式MOCVD反應(yīng)器：反應(yīng)氣體從均勻分布于內(nèi)壁的切向進(jìn)口噴管噴入反應(yīng)室，尾氣從位于反應(yīng)室中心的上方或下方出口排出。通過切向噴射，使氣體在反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生人工可控的螺旋流，使基片上方的氣體在水平方向逐漸旋轉(zhuǎn)與加速，從而補(bǔ)償反應(yīng)物濃度從邊緣進(jìn)口到中心出口的沿程損失，以便獲得均勻的薄膜沉積。 為了驗(yàn)證這種新型反應(yīng)器的性能，利用FLUENT軟件，對其輸運(yùn)過程

3、及其與外部參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，并提出了反應(yīng)器的優(yōu)化方案。在此過程中，分別對基本三維模型、考慮熱輻射的三維模型以及包含化學(xué)反應(yīng)的三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過變化反應(yīng)器幾何參數(shù)和操作參數(shù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：新型反應(yīng)器能夠有效抑制熱對流渦旋，進(jìn)口夾角是控制氣體在反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生不同形態(tài)的螺旋流動(dòng)的重要因素，適當(dāng)加大進(jìn)氣流量和增加噴管數(shù)目均有利于氣體的混合均勻，下出口方式對上壁寄生反應(yīng)有抑制作用等。通過模擬優(yōu)化，顯示了新

4、型反應(yīng)器基片上方均勻的濃度場、帶有較強(qiáng)水平旋轉(zhuǎn)和徑向速度遞增的均勻流場以及較大的垂直溫度梯度和水平方向較均勻的溫場。運(yùn)用離散坐標(biāo)(DO)法模擬輻射的影響，發(fā)現(xiàn)要使該反應(yīng)器壁面溫度保持在低溫，需要大約160W/m2-K的外壁面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)。綜合考慮GaN MOCVD生長的氣相和表面化學(xué)反應(yīng)后，顯示該反應(yīng)器在沉積區(qū)域生長速率均勻，且反應(yīng)物的利用率較高。 最后還對一款商用垂直噴淋式反應(yīng)器進(jìn)行了包括化學(xué)反應(yīng)的GaNMOCVD生長的全