MOCVD技术是制备微电子和光电子包括激光和微波器件的关键技术,经过30多年的发展,它已经成为半导体技术的一项重要支柱。在CVD反应器中,存在着复杂的流体流动、传热、传质等输运过程,伴随着许多物理化学现象的发生。在CVD过程中,存在着大的温度差和浓度差,将引发自然对流和浓度扩散,它们又与气体的强迫流动以及反应器的几何尺寸和形状相互影响。此外还存在着热物性对温度的依赖性、由高温引起的热扩散以及高温衬底对壁面的热辐射等。所有这些都耦合在一起,影响薄膜生长的速率和质量。因此,深入了解CVD反应器内的输运过程,对于控制薄膜生长速率和提高薄膜生长质量,优化反应器设计,具有重要意义。 行星式反应器是近年来迅速发展的一种新型反应器,这种反应器采用二重进口、径向流动、基片作行星式旋转。二重进口有效地避免了反应粒子提前混和从而进行预反应;基片的公转和自转使反应粒子在基片上方浓度均匀,这种反应器非常适合于规模化生产。目前对行星式反应器的模拟研究都限定于特定的反应器结构和生长过程,缺少各种参数的变化对反应器的影响。本文所研究的内容,就是利用计算机二维数值方法,采用FLUENT软件,对中科院半导体所自行设计的垂直三重进口行星式MOCVD反应器的输运过程及其与外部参数的关系进行模拟研究,并提出反应器的优化方案。 在模拟计算中,分别改变流量、温度、压强等操作参数、反应器的尺寸和几何形状,分析它们对输运现象的影响。通过模拟发现,单独增大中管气体流量、降低压强、减小上下壁面的温差、反应器倒置、降低反应腔的高度等,均可削弱由于流道扩张和自然对流所产生的涡旋。衬底高速旋转则更容易产生涡旋。通过对反应器形状和尺寸进行优化,使其趋向于流线的形状,可以大大地削弱甚至消除由流道扩张引起的涡旋。模拟还发现:在影响热对流涡旋的几何参数中,反应腔的高度H起主要作用,而反应器的直径D影响较小。在衬底同一位置处,较均匀的流场对应的反应物浓度较高。热扩散则使TMGa在衬底处的浓度变得更低。文章最后还模拟了MOCVD反应器内的Benard对流,发现发生Benard对流的临界Ra数大于理论预期值,其原因可能是由于模拟条件并非纯自然对流,反应腔内强迫对流依然发挥一定作用的缘故。