垂直式MOCVD反应器中关于射流的数值模拟

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金属有机化学气相沉积(MOCVD)是用于制备LED、薄膜太阳电池和大功率微电子器件的关键工艺。垂直式MOCVD反应器中反应气体在输运过程中形成射流,射流对衬底上方形成均匀分层的速度、温度、浓度边界层有巨大的影响。因此,研究垂直式MOCVD中的射流影响的一般性规律有重要意义。  本文首先综述了MOCVD的有关射流的研究现状和存在问题。在总结前人研究的基础上,结合射流力学理论与CFD数值模拟技术,详细探讨了几何参数和操作参数对反应器内的流场、温场、浓度场随上述参数的变化,阐明了垂直式MOCVD反应器内射流影响的一般规律;在考虑热辐射的条件下,分析讨论上述参数对衬底上温场的影响,并与无辐射情形作对比;并总结狭缝喷口反应器射流规律的特点。具体工作如下:  (1)针对垂直喷淋式MOCVD反应器中的射流进行数值模拟研究,分别改变反应腔高度,喷孔间距,射流速度以及托盘转速,分析衬底上方射流流场、温场、TMGa浓度的变化。通过分析模拟结果发现,喷口下方的射流速度和浓度分布,呈现中间大、两头小、波浪型变化的特点。增加反应腔高度,缩小喷口间距,减小喷口速度,以及增加托盘转速,有利于使衬底上方的射流轴向速度和反应前体浓度沿径向的分布趋于平缓。  (2)针对狭缝喷口反应器,发现平面自由射流未得到充分发展时,增大反应器高度不利于轴向速度的平缓;射流喷口缝隙较细时,狭缝喷口下的速度分布呈现波浪起伏的特点,比圆孔喷口下的速度分布均匀,衬底上的TMGa分布区域较大;喷口缝隙较粗时,此时两种反应腔中的流场、温场、浓度场没有明显区别,狭缝喷口反应器衬底上方的温度场、浓度场比圆孔喷口衬底上的更均匀。  (3)针对上文中有关射流的数值模拟,考虑辐射换热,发现反应器衬底上方大部分区域具有均匀的温度场。适当的增大反应器高度、托盘转速、减小喷口速度有利于衬底表面径向温度均匀分布,减小喷口间距有利于降低衬底表面的温度;考虑辐射换热比未考虑辐射换热时,反应器内部高温区域大,衬底表面径向温度分布更均匀。
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