湍流型CVD反應(yīng)器中生長(zhǎng)晶體Si的數(shù)值模擬研究與探索.pdf

1、化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)是制備化合物半導(dǎo)體光電器件，如太陽(yáng)能電池、藍(lán)光LED和大功率激光器等材料生長(zhǎng)的重要方法。隨著我國(guó)低碳環(huán)保政策的實(shí)施及產(chǎn)業(yè)化需求的提高，反應(yīng)系統(tǒng)的壓力將由低壓升至常壓，且沉積的晶片尺寸逐漸增大，這使得反應(yīng)器內(nèi)的混合流動(dòng)將由層流向湍流轉(zhuǎn)捩。但是，湍流流動(dòng)非常復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)沒(méi)有規(guī)律可循，所以相比層流型反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，在湍流型反應(yīng)器方面的研究相對(duì)較少。然而，研究表明湍流型反應(yīng)器的

2、對(duì)流換熱量等參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的平均值較為均勻，可見(jiàn)探究在湍流型反應(yīng)器內(nèi)能否生長(zhǎng)出均勻晶體就變得十分重要。本文采用數(shù)值模擬的方法，基于最簡(jiǎn)單的硅烷(SiH4)氣相沉積過(guò)程，分別研究了不同的Rayleigh數(shù)(Ra)和Reynolds數(shù)(Re)對(duì)晶體沉積速率及均勻性的影響;運(yùn)用離散坐標(biāo)(DO)輻射模型探索輻射換熱對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流動(dòng)的影響，并尋找最佳的外壁面強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，主要得到以下結(jié)論:
　　(1)通過(guò)對(duì)湍流型

3、水平式反應(yīng)器的模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ra數(shù)較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部會(huì)形成較多縱向卷筒渦胞，破壞了Si沉積速率的橫向均勻性，且沉積速率較小。增大Ra數(shù)后，自然對(duì)流相對(duì)增強(qiáng)，羽流能夠較為自由的隨機(jī)分布，使得時(shí)均沉積速率分布更加均勻，且明顯增大。
　　(2)通過(guò)改變?nèi)肟谒俣葋?lái)改變Re數(shù)的大小。當(dāng)Re數(shù)較低時(shí)，適當(dāng)增大Re數(shù)可以彌補(bǔ)反應(yīng)物的沿程損耗，明顯增大基座下游的沉積速率。但Re數(shù)的增大會(huì)使強(qiáng)制對(duì)流增強(qiáng)，抑制羽流的隨機(jī)分布，導(dǎo)致沉積速率橫向分布不均勻

4、。
　　(3)壁面輻射換熱對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)都有較大的影響，進(jìn)而破壞晶體的沉積均勻性，因此需要對(duì)壁面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。當(dāng)外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到80W/m2·K時(shí)，反應(yīng)器上、側(cè)壁面溫度分布較為均勻，在310K左右，且波動(dòng)很小，不足以影響反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，此時(shí)反應(yīng)器壁面溫度可視為恒定低溫。
　　特別需要指出的是，國(guó)內(nèi)外對(duì)湍流型反應(yīng)器的研究比較少，對(duì)在湍流型反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的研究文獻(xiàn)更是屈指可數(shù)。本文從仿真模擬的角