（热能工程专业论文）新型多喷淋头式mocvd反应器的数值模拟及优化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 是制备l e d 、半导体激光器和大功率电 子器件的关键技术。在m o c v d 反应器中，存在着由于大的温度差引发的强烈 的自然对流，由浓度差引起的浓度扩散，由高温引起的气相和表面化学反应，由 高温引起的热扩散以及高温衬底对壁面的热辐射等。它们与反应器的形状和几何 尺寸等因素耦合在一起，影响薄膜生长的速率和质量。因此，深入了解m o c v d 反应器内的薄膜生长过程，对于优化反应器设计、控制薄膜生长速率和提高薄膜 生长质量，具有重要意义。 随着l e d 产业的迅猛发展，在保证薄膜生长质量的基础上，实现m o c v d 反应 器的扩容是未来发展的趋势。本论文设计了一款适合于多片生长的多喷淋头式 m o c v d 反应器：反应气体从衬底上方的多个喷淋头喷向晶片，反应后的尾气从 各个导流筒的周围向上返回，最后从位于托盘上方的出口排出。每个基片的生长 环境只取决于单个基片上方的气流分布，与其他基片无关，从而在整体上消除了 反应物浓度沿托盘径向的不均匀性，达到薄膜均匀生长的目的。 为了验证这种新型反应器的性能，利用f l u e n t 和c v d s i m 软件，对其薄 膜生长过程及其与外部参数的关系进行了计算机数值模拟，并提出了反应器的优 化方案。在此过程中，分别对考虑热辐射和化学反应的二维轴对称模型进行了数 值模拟。通过变化反应器几何参数和操作参数，验证了设计方案的可行性。研究 发现：衬底表面大部分区域具有均匀的温度场和良好的滞止流。适当的增大反应 器高度和降低压强有利于衬底表面t m g a 的浓度分布。综合考虑c v d s i m 中g a n 生长的化学反应后，显示该模型中m m g a 是薄膜生长的主要反应前体，衬底表 面g a n 生长速率均匀，源气体的利用率较高但导流筒壁面的寄生沉积速率普 遍偏高。通过优化设计，抑制了导流筒壁面的寄生沉积。 论文最后分析了化学反应动力学模型，提出了十步气相反应和四步表面反 应，结果显示利用该化学反应模型模拟的g a n 沉积速率沿基片径向均匀性较好， 且与c v d s i m 的模拟结果在同一数量级。 关键词：m o c v d 反应器，薄膜生长，辐射，化学反应，数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( m o c v d ) i sak e yt e c h n i q u ei nt h e m a n u f a c t u r i n go fl e d ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n dh i g h - p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s i n m o c v dr e a c t o r st h e r ee x i s tl a r g et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nd i f f e r e n c e s ，w h i c h w i l ll e a dt oi n t e n s en a t u r a lc o n v e c t i o na n dc o n c e n t r a t i o nd i f f u s i o nt h a ti n t e r a c tw i t l l f o r c e dc o n v e c t i o na n dc o m p l e xr e a c t o rg e o m e t r i e s i na d d i t i o n ，t h e r ea r ec h e m i c a l r e a c t i o n so fg a sp h a s ea n ds u r f a c e ，t h e r m a ld i f f u s i o nc a u s e db y l a r g et h e r m a lg r a d i e n t a n dt h er a d i a t i o nh e a t e x c h a n g ef r o ms u b s t r a t et ow a l l a l lt h e s ep h e n o m e n aa r e c o u p l e dt o g e t h e ra n da f f e c tf i l mg r o w t hr a t ea n dq u a l i t y t h u s ，t oo p t i m i z et h er e a c t o r g e o m e t r y , c o n t r o lt h ef i l mg r o w t hr a t ea n di m p r o v et h ef i l mq u a l i t y , i ti se s s e n t i a lt o h a v ead e t a i l e du n d e r s t a n d i n go ff i l mg r o w t h p r o c e s s e si nm o c v d r e a c t o r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl e d i n d u s t r y , t h e r ei sa l lu r g e n tn e e df o rm e m u l t i w a f e rm o c v d r e a c t o r , w h i l ek e e p i n gt h ef i l mg r o w t hq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，a n o v e lm u l t i - s h o w e r h e a dm o c v dr e a c t o rh a sb e e np r o p o s e d t h er e a c t a n ts p r a y s o n t ot h ew a f e rs u r f a c ef r o mt h em u l t i s h o w e r h e a d so v e rt h et o po ft h es u b s t r a t e t h e e x h a u s t sa l ee x p e l l e da r o u n de a c hs h o w e r h e a da p w a r d st ot h et o po u t l e t e n v i r o n m e n t f o rt l l eg r o w t ho fe a c hw a f e rd e p e n d so n l yo nt h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o na tt h e t o po fa s i n g l ew a f e r , h a sn o t h i n gt od ow i t ht h eo t h e rw a f e r s t h e r e b yt h ec o n c e n t r a t i o n n o n - h o m o g e n e i t ya l o n gt h es u s c e p t o rr a d i u si se l i m i n a t e da n dt h ef i l mu n i f o r m i t yc a n b eg r e a t l yi m p r o v e d t ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t - s t y l e r e a c t o r , ad e t a i l e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h ef i l mg r o w t hp r o c e s so ft h i sr e a c t o ri sc a r r i e do u tw i t ht h eh e l po f f l u e n tc o d ea n dc v d s i mc o d e t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o n s i d e r sa t w o - d i m e n s i o na x i s y m m e t r i cm o d e li n c l u d i n gr a d i a t i o ne f f e c ta n dg a nc h e m i c a l r e a c t i o n s b yv a r y i n gt h eg e o m e t r ya n do p e r a t i o r lp a r a m e t e r s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e a c t o ri si n v e s t i g a t e d f r o mt h es i m u l a t i o n , f o l l o w i n gr e s u l t sa l eo b t a i n e d t h em o s tr e g i o n sh a v eu n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l da n dg o o ds t a g n a t i o nf l o w a b o v et h es u b s t r a t es u r f a c e t oa c h i e v et h eu n i 内r mc o n c e n t r a t i o no ft m g a a l o n gt h e s u s c e p t o rr a d i u s ，w ec a ni n c r e a s et h er e a c t o rh e i g h ta n dl o w e rt h er e a c t o rp r e s s u r e a f t e rt h es i m u l a t i o no fb o t hg a s p h a s ea n ds u r f a c er e a c t i o n s ，i ts h o w st h a tm m g ai s t h em a i nr e a c t i o np r e c u r s o r sf o r 也et h i nf i l lng r o w t h , t h er e a c t o ra l s o s h o w sa n u n i f o r mg r o w t hr a t ew i t hh i g hu t i l i z a t i o no f - e a c t a n t s b u tt h ep a r a s i t i cd e p o s i t i o n r a t e so ft h ei n n e ra n dt h eo u t e rw a l l so ft h en o z z l ea r e g e n e r a l l yh i g h a f t e rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ed o u b l en o z z l e ，t h ep a r a s i t i cd e p o s i t i o nh a sb e e ne f f e c t i v e l y d e c r e a s e d h 江苏大学硕士学位论文 a tl a s t ，b ya n a l y z i n gt h ec h e m i c a lk i n e t i cm o d e l ，t h e10 s t e pg a sp h a s er e a c t i o n s a n d f o u r - s t e ps u r f a c er e a c t i o n sa g ep r o p o s e d i ts h o w s t h a ta nu n i f o r mg a n d e p o s i t i o n a l o n gt h es u b s t r a t er a d i ii s o b t a i n e df r o mt h es i m u l a t i o no ft h i sc h e m i c a lm o d e l ， w h i c hi si nt h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d e 、析t l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nc v d s i m k e yw o r d s ：m o c v dr e a c t o r , g a n ，t h i nf i l mg r o w t h ，r a d i a t i o n ，c h e m i c a lr e a c t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l i i 江苏大学硕士学位论文 符号说明 吸收系数 气体的总浓度 导流简直径 活化能 自由度 通量 导流筒与托盘间距 反应室高度 光强 热传导系数 导流筒半间距 壁面法向量，转速，折射率 操作压强 导流简半径 径向坐标 温度 轴向坐标 定压比热容 格拉晓夫数 组分f 的热传导系数 热扩散系数 马赫数 气体的分子量 普朗特数 流量 瑞利数 雷诺数 旋转雷诺数 粘附系数 v i 口 c d e 厂 f h h 。 七 l 刀 p r r 丁 x 研 t 屯 地地一 q 勋 贴 贴 s 江苏大学硕士学位论文 表面空位 广义源项 壁面温度 轴向速度 径向速度 旋转速度 某一组分气体的摩尔分数 组分f 的质量分数 热膨胀系数 气体的密度 l j 特征长度 运动粘度 扩散系数 动力粘度 通用变量 组分f 的粘性 广义扩散系数 i s 墨瓦 q 啡 t r p 盯 y 力 痧 以0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：m 。年易具t e t 指导教师签名：左眨 f0 年6 月似1 3 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完j 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1化学气相沉积原理 第一章绪论 化学气相沉积，简称c v d ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，是制备功能材料、结构 材料、纳米材料的最重要的方法之一，可生长单晶、多晶和非晶薄膜，广泛用于 微电子器件、光电器件以及表面工程。在化学气相沉积过程中，反应气体( 如s i i - 1 4 、 g a ( c h 3 ) 3 小m 3 ) 从气源引入反应器，利用感应加热、等离子体或激光等激活化学 反应，从而在反应器内加热的衬底表面生长单晶和多晶如s i 、g a n 等薄膜。 反应气体通常都是由载气从气源携带进入反应器的。载气可参加化学反应， 也可以不参加反应。一般用n 2 、h 2 、a r 、h e 等作为载气。c v d 法生长薄膜的 基本步骤如图1 1 所示，可归纳为以下的沉积顺序： 主气滤毯域 等应协体i 瓣 表赢埭运ll 罨嚣菱嚣锈l 解吸踏 二二二二二 叠竺垒蚴蕊二二二 江苏大学硕士学位论文 上每一个环节都要详细了解，严格控制，这样才能得到成分均匀、厚度均匀的薄 膜，实现期望的材料属性。 1 2 金属有机化学气相沉积 c v d 的一个特殊分支是m o c v d ( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ， 即金属有机化学气相沉积。m o c v d 是在1 9 6 8 年由美国洛克威尔公司的 m a n a s e v i t 和s i m p s o n 等人【2 ，3 】提出的制备化合物半导体薄膜单晶的一项新技 术，该技术采用i i i 、i i 族元素的有机化合物和v 、族的氢化物等作为生长的源 材料，利用热分解反应在衬底上进行气相外延，生长v 族、i i 族化合物半 导体以及它们的多元固溶体单晶薄膜。其反应式一般可表示为【4 】： r l m l + r 2 一m 2 一mi - - m 2 + r i r ef 其中：m l = i i i am l = i ibm l = ar l = c h 3 、c 2 h 5 m e = v am 2 = v i am 2 = v i ar e = h 、c h 3 、c 2 h 5 以生长g a n 为例，总的反应式可表示为： ( c h 3 ) 3g a ( 气) 扑m 3 ( 气) _ g a n ( 固) + 3 c i - 1 4 ( 气) m o c v d 与c v d 的差别在于m o c v d 的反应前体中至少有一个是金属有机 物，即m o 源，例如三甲基镓( t m g a ) 或三甲基铝( n 嗄a 1 ) 等。m o 源是i i i v 族或i i 族高纯金属有机化合物，纯度高达9 9 9 9 9 - - 9 9 9 9 9 9 。m o c v d 技术是生长化合物半导体薄膜的基础，是生产高亮度l e d 、红外探测器、大功 率激光器、太阳能电池等当代光电子元器件的关键。 在设计m o c v d 系统时，通常要考虑系统密封性，流量、精确的温度控制， 迅速的组分变换，紧凑的系统等。不同厂家和研究者所产生或组装的m o c v d 设备是不同的，但一般来说，如图1 2 所示，m o c v d 设备是由配气系统、反应 腔及温度控制系统、尾气处理系统等组成。 ( 1 ) 配气系统 包括i i i 族金属有机化合物、v 族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装 在特制的不锈刚的鼓泡器中，由通入的高纯h 2 携带输运到反应室。为了保证金 属有机化合物有恒定的蒸汽压，源瓶置入电子恒温器中，温度控制精度可达o 2 以下。氢化物一般是经高纯h 2 稀释到浓度5 一1 0 后，装入钢瓶中，使用时 再用高纯h 2 稀释到所需浓度后，输运到反应室。掺杂源有两类，一类是金属有 2 江苏大学硕士学位论文 机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的 输运相同。 气体的输运管都是不锈钢管道。为了防止存储效应，管内进行了电解抛光。 管道的接头用氢弧焊或v c r 及s w a g e l o k 方式连接，并进行正压检漏及s n o o p 液体或h e 泄漏检测，保证反应系统无泄漏是m o c v d 设备组装的关键之一。流 量是由不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。 在真空系统与反应室之间设有过滤器，以防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为 了迅速变化反应室内的反应气体，而且不引起反应室内压力的变化，设置“r u n 和“v e n t ”管道。 图1 2 m o c v d 系统图 ( 2 ) 反应腔和加热系统 反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构 的化合物半导体材料，各生产厂家和研究者在反应室结构的设计上下了很大功 夫，设计出了不同结构的反应室。石墨基座是由高纯石墨制成，并包裹s i c 层。 加热多采用高频感应加热，少数是辐射加热。由热电偶和温度控制器来控制温度， 一般温度控制精度可达到0 2 或更低。 ( 3 ) 尾气处理系统 反应气体经反应室后大部分热分解，但还有部分尚未完全分解，因此尾气不 能直接排放到大气中，必须先进行处理，处理方法主要有高温热解炉再一次热分 解，再用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通入装有玩h 2 s 0 4 + h 2 0 及装有n a o h 溶液的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以 江苏大学硕士学位论文 及用水淋洗尾气等。 m o c v d 技术的广泛应用是基于它的几个显著特点 5 】： ( 1 ) 适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体； ( 2 ) 非常适合于生长各种异质结构材料； ( 3 ) 可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡： ( 4 ) 生长易于控制； ( 5 ) 可以生长纯度很高的材料； ( 6 ) 外延层大面积均匀性良好； ( 7 ) 可以进行大规模生产。 m o c v d 以其独特的优点被广泛应用于各种领域，它的高质量、稳定性、可 重复性及规模化是其它的半导体材料生长技术所无法替代的。在近3 0 年的时间 里，m o c v d 技术得到了飞速的发展，极大地促进了光通讯、光信息处理、超级 集成电路等高技术领域的发展。利用m o c v d 技术制备的半导体发光二极管 ( l e d ) 近几年在高亮度、多色化方面已取得很大的进展。发光二极管具有体积 小、固体化、寿命长、功耗低的优点，是其它类型的显示器件所无法比拟的，可 望在本世纪成为兼具省电和环保概念的新光源。 1 3m o c v d 反应器中薄膜生长条件 1 3 1 气体输运过程 化学气相沉积涉及到化学反应理论、热力学、流体力学、传热与传质、晶体 生长等诸多领域，每一领域都对最终沉积的薄膜有很重要的影响。 m o c v d 通常发生在高温( 约1 0 0 0 ) 和常压或小负压( 0 1 a t m l a t i n ) 下， 在此情况下，表面化学反应速率大大高于反应粒子的输运速率。因此，薄膜生长 速率主要取决于反应粒子输运到生长表面的速率，即该生长过程为输运过程控制 【6 】。深入了解反应器内部的输运过程，对控制薄膜的生长速率和提高薄膜生长 质量，优化反应器设计，都具有很重要的意义。 在c v d 系统中，有两种宏观的流动，一是外部压力造成的压力梯度使气体 从压力高的地方向压力低的地方流动，即气体的强迫对流。二是气体温度的不均 匀性导致产生密度差异，从而引起高温气体上升、低温气体下沉的流动，即气体 的自然对流，也称为热对流。气体的强迫对流判据一般用无量纲数雷诺数r e ( = 4 江苏大学硕士学位论文 u l v ) 来表示，在典型的c v d 系统中，气体的流速较低，因此r e 数也较低， 一般不超过1 0 0 ，流动为层流。紊流也会出现在大尺寸的旋转盘式反应器中，这 时的旋转雷诺数r e r ( = 伽p ) 可能会较大。对于自然对流，一般用无量纲数 格拉晓夫数g r ( = g t 3 , s a t v 2 ) 或者是瑞利数r a ( , - - - g t 3 f l a t v o ：) 来表示。由 于r a - - p r * g r ，在c v d 系统中，普朗特数p r ( = d a ) 一般为o 7 左右，所以 二者可以交互使用，关键是看用哪一个更适宜。在m o c v d 反应器中，被加热 的反应器衬底与相对的壁面之间通常存在几百度甚至上千度的温差，热对流很强 烈。热对流与强迫对流相耦合，形成较复杂的混合对流。混合对流对薄膜厚度、 组分均匀性和纯度都有很大的影响。 a b 图1 3 热扩散对金属有机物浓度的影响( 乱包含热扩散；b 忽略热扩散) 在c v d 过程中，衬底表面附近存在着流动性很差的浓度边界层。反应气体 里的各种组分只有经过扩散过程通过边界层，才能参与薄膜表面的沉积过程。同 样，反应的产物也必须经扩散过程通过边界层，才能离开薄膜表面。因此，扩散 是薄膜沉积中的一个很重要的环节。当系统中化学组分的浓度存在不均匀性时， 将引起相应组分扩散。在c v d 过程中，除了由于浓度梯度而引起的质量扩散外， 还存在着由于温度梯度而产生的热扩散【7 】，热扩散效应一方面使玷污粒子远离 薄膜生长区，提高了薄膜的生长质量；另一方面，却也使金属有机物远离了薄膜 生长区域，使衬底附近的浓度值降低，从而使薄膜生长速率在衬底前沿附近降低 了约3 0 【8 ，9 】。图1 3 显示了包含热扩散和忽略热扩散时的金属有机物的质量 百分比图。从中可以看出，带有热扩散的情况下，金属有机物的质量分数在靠近 上壁( 冷壁) 的地方逐渐增加，在极限的地方，包含热扩散的质量分数比没有包 含热扩散的质量分数多了约4 0 。 压强对于流动模式和薄膜生长也有着很重要的影响。一般用g r r e z 来表示自 江苏走学硕士学位论文 然对流与强迫对流的相对大小【1 0 】。质量流速为常数时- r e 数不变，而g r 数与 压强的平方成正比。因此，当压强降低时，g r f r e 2 的值减小，自然对流相对减弱 了，流动的情况都有很大的改善，对提高薄膜的均匀性很有好处，但是，生长速 率却相应的也减小了。 总之- 在c v d 反应器中，存在着复杂的流体流动、传热、传质等输运过程， 同时还伴随着许多物理化学现象的发生。在c v d 过程中存在着大的温度差和 浓度差，它们将引发自然对流和浓度扩散，这些义与反应器内的气体流动以及反 应器的几何尺寸和形状相互影响。此外还孝在着热物性对温度的依赖性、由高温 引起的热扩散以及商温衬底对壁面的热辐射等。所有这些都耦舍在一起，影响薄 膜生长的速率和质量。 132 化学反应过程 生长g a n 的完接化学反应过程比较复杂。一般柬说，可以看成两部分；反 应室空间的气相反应和基片表丽的沉积反应。 1 3 2 1 气相反应过程 h i r a k o 等陆续给出了气相反应的完整历程玎1 ，1 2 。目前比较一致的理论认为 存在两条相互竞争的路径，即如圈14 所示的上路径和下路径 1 3 l 。 馘 。u “1 加：“严咐 。上。 鸭( a h 赳h e ：- h“。毗 、c 如“一* 心- 一毒 jii 图1 ag a n 生长化学反应路径( 包括上路径和下路径来示出n h ，的分解) 上路径可称为加合物( a d d u e t ) 形成路径，其原理为t m g a 和n h 3 首先在低 温条件下通过l e w i s 酸一l e w i s 碱中和，形成加合物t m g a ：n h s ；然后t m g a ：n i - 1 3 丢失一个甲烷c h 4 ，形成新的加合物d m g a ：n h 2 ；进一步三个d m g a ：n h 2 构成 三聚物( d m g a ：n h 2 ) s ；此三聚物最终在表面友生化学反应，生成g a n 薄膜。下 江苏大学硕士学位论文 路径即t m g a 热分解路径。t m g a 在热激发下，直接分解为d m g a 和m m g a ， 每次丢失一个甲基c h 3 ，最后在表面给出g a 原子。 其中，上路径被认为是主要的气相反应路径，其原因是t m g a 为价电子对接 受型分子( l e w i s 酸) ，很容易从施主分子n h 3 接受一个价电子对，与n h 3 结合 变成加合物。形成加合物所需的激活能远远小于t m g a 热解所需的激活能。 最近，c r e i g h t o n 1 4 等通过实验过程找到了可逆加合物t m g a ：n h 3 分解的证 据，并且提出，为促使加合物d m g a ：n h 2 的生成，则温度必须高于6 0 0 ，但当 温度高于6 0 0 c 时，t m g a 的热解速率则明显超过了生成d m g a ：n h 2 的速率。实 验观察到温度在6 0 0 , 7 0 0 时，在热边界层内会产生纳米粒子。 1 3 2 2 表面反应过程 s e n g u p m 等分析了g a n 表面沉积反应的历程认为反应前驱物一到达加热的 表面立即分解，形成大量的活性g a 原子和活性n 原子【1 5 】。b a r t r a m 等发现，在g a n 生长的化学反应过程中，还伴随着h 、n 的同位素之间的转化，是相当复杂的一个 过程【1 6 】。 表面沉积反应的主要步骤为：气相粒子吸附到s 代表的基片表面空位，形成 表面活性粒子( b u l k ) 。它可以自由移动到表面势垒最低处【1 7 】，通过晶格匹配( 形 成化学键) 与基片上的表面原子结合到一起，由此完成衬底表面的薄膜生长。 图1 5 为g a n 在基片表面的沉积： 图1 5g a n 在基片表面的沉积示意图 在上述表面反应中，吸附的速率由两方面决定，气相产物粒子与表面的碰撞 的快慢频率以及到达表面的粒子有多少被吸附。如式( 1 3 ) 所示： 置= 巧j ( 1 - 3 ) 其中，足代表i 种粒子的吸附速率，s 为粘附系数，代表打在表面上的粒子的吸 附几率，大小在o 1 之间。f 代表到达表面的i 种粒子的通量，由h e r z k n u d s e n 7 江苏大学硕士学位论文 方程决定：f2 西南嘎，这里的p 为反应压强，m 为1 种粒子的分子量 r 为气体常数，茏为i 种粒子的摩尔分数。 1 4m o c v d 反应器分类 m o c v d 反应器可以根据主气流相对于基片的流动方向分为两大类：主气流 平行于基片方向的水平式反应器( 大多数m o c v d 中的基片都是水平放置) 和 主气流垂直于基片方向的垂直式反应器。图1 6 示出常用的四种m o c v d 反应器 类型。其中行星式( p l a n e t a r y ) 可看作水平式( h o r i z o n t a l ) 的改进形式；垂直式 ( v e r t i c a l ) 可分为垂直喷淋式( s h o w e r h e a d ) 和高速转盘式( r d r ) 。 i a j 水乎式 l c ) 行 l b l 垂直式 ( r 出口 l d i 垂直喷淋式 图1 6 常用的四种m o c v d 反应器类型 无论是何种反应器，根据m o c v d 过程薄膜生长的基本要求，都应符合以 下五条m o c v d 反应器的最佳输运过程条件【1 8 】：即均匀浓度边界层、均匀速度 边界层、均匀温度边界层、分隔进口但反应前混合均匀、以及迅速排出尾气不再 发生混合。 8 热 扣 江苏大学硕士学位论文 另外，现代的m o c v d 反应器 1 9 】还要求加热的基片表面温差极小( 约士1 温差) 、加热系统热惯性小、气体可瞬时切换、反应器内流动的死区应最小化、 低的反应气体消耗( 高生长效率) 、生长速率快、生长过程具备高度可重复性、 一次可生长多片等。显然，m o c v d 反应器是一种多学科交叉、技术密集型的高 科技产品。 1 4 1 水平式反应器 在水平式反应器中，气体从基片的一侧流向另一侧。传统的水平式反应器结 构简单，但是存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，因此造成薄膜厚度不 均匀，需要复杂的方法来加以改进。一般是将衬底以一定的角度倾斜放覆 9 】( 见 图1 7 ( a ) ) 或将反应器的上壁面设计为非水平而呈一定角度( 见图1 7 ( b ) ) 。这在 一定程度上可以消除薄膜的不均匀性。也有将基片放在反应器的上壁面 2 0 ，2 1 ， 此时由于高温区域在上部，减小了热对流的影响，流场、温场等情况好一些，操 作起来却不方便。这种传统类型的反应器结构简单，但是存在冷侧壁( 或热侧壁) 所带来的不利影响，而且通常一次只能沉积l 至2 片的基片，生长效率不高，无 法进行大规模的生产，只适用于实验室研究。 专纵 气体入 排空 排笙 ( b ) 图1 7 两种改进型水平式反应器 在1 9 8 0 年代，w e s t p h a l d 等研究了水平式反应器中的对流传输现象，用激光 多普勒风速仪展示了晶体表面附近的流动模式细节，并提出数值模拟是研究这类 问题的另一个方法【2 2 】。9 0 年代初，j e n s e n 等系统地描述了水平式反应器的输运 细节，做了流动可视化实验并建立了反应器内传热传质的数学模型。用该模型， 9 江苏大学硕士学位论文 他们得到了不同顶壁温度条件下反应气体等温线的“冷手指效应 【8 】。c h i u 等 人对水平式反应器作了二维模拟，指出了影响沉积质量的因素和水平式反应器的 局限。由于沿着气流流动方向反应气体在耗散，所以不可避免带来基片沿主气流 方向沉积的不均匀 2 3 】。h o l s t e i n 等人研究了冷壁水平式反应器，指出热扩散是 质量传输过程中最重要的影响因素，生长速率对基片温度非常敏感【9 】。 1 4 2 行星式反应器 行星式反应器的原理最早由法国的f r i j l i n k 提出【2 0 ，德国a i x t r o n 公司 将其产业化 2 1 ，2 2 。这种反应器属于水平式反应器的变化形式( 图1 6 c ) ，除去 了传统水平式反应器的冷侧壁( 或热侧壁) 的消极作用，只有顶壁( 也称顶棚) ， 而且顶壁的温度是可控制的，可消除顶壁的不利影响。它采用垂直多重进口，有 效避免了反应粒子提前混合发生气相反应；由中心向外圆的放射状径向流动没有 了侧壁引起的流动滞止和寄生反应；通过托盘公转与基片自转来获得沿托盘周向 的均匀性与基片周向的均匀浓度混合。行星式反应器一次可沉积多达几十个晶 片，并有较均匀的薄膜生长。 上世纪九十年代，德国a i x t r o n 公司的j u r g e n s e n 和s t r 公司的t a l a l a e v 等 2 3 ， 2 4 分别针对特定的行星式反应器结构分别对g a a s 和g a n 生长的输运过程进行 了计算机数值模拟，并与实际测得的数据进行了对比，得到了很好的一致性。近 年来，国内的左然、张红等人 2 5 2 7 在行星式反应器的几何尺寸和操作参数对输 运过程的影响上做了大量的研究，通过优化消除了行星式反应器中同样存在着的 两种类型涡旋由自然对流引起的涡旋和由流道截面突变引起的涡旋。 1 4 3 垂直式反应器 在垂直式反应器中，气体从基片的上方进入反应器，在基片的阻挡下折转9 0 度横穿基片，从反应器侧面或底部排出。垂直式反应器有两大特点：一是可以利 用射流冲击在基片上方产生滞止流( s t a g n a t i o nf l o w ) 2 8 2 9 ；二是可以利用基 片旋转产生一种吸引上方气体的泵效应( v o nk a r m a np u m p ) 3 0 3 1 。二者都可 以产生二维轴对称流动，抑制热对流涡旋，特别是在基片上方形成较均匀的速度、 温度和浓度边界层。因此垂直式反应器比水平式反应器可获得更好的薄膜沉积。 1 9 8 9 年，m a k a r o v 等人用数值模拟的方法研究了垂直喷射式反应器中的强迫 对流和自然对流的影响区域，说明流动结构的改善对薄膜厚度的均匀性至关重要 江苏大学硕士学位论文 【3 2 。s h i n 等人 2 9 】模拟了g a n 在垂直式反应器中的m o c v d 生长，指出加大载 气( h 2 ) 的进1 2 1 流速能改进沿基片径向的沉积均匀性；g a n 的沉积速率对反应器上 壁的倾斜度很敏感，在上壁与水平面成5 6 0 时沉积速率最大。 为了消除垂直反应器存在的对流涡胞、在基片上方产生均匀浓度、减少气体 的驻留时间、以及获得均匀混合，传统的垂直反应器演变成两种现代类型：垂直 喷淋式( s h o w e r h e a d ) 反应器和高速转盘式( i m r ) 反应器，这两种反应器的商 用类型目前分别由德国的a i x t r o n 公司和美国的v e e c o 公司生产。 1 4 3 1 垂直喷淋式 垂直喷淋式( 图1 6 d ) 的主要特点是采用喷淋头和近距离喷口【3 3 ，即利用 大量密布的微小喷口( 喷口直径为0 5 m m 量级) 将反应气体从很近的距离内喷 向基片。喷淋头将反应气体均匀分配到基片上方，从而使到达基片上方( 边界层 之外) 各点的反应气体浓度基本相同。每个小喷口下方产生一个滞止流，从而使 托盘面积可以放大，以利于多片生长 3 4 1 。这种反应器一次可以沉积多个晶片， 得到高质量的薄膜生长。 传统的喷淋式由于中心处的生成物尾气不能及时排出，因此，这种反应器的 浓度分布本质上仍是不均匀的【3 4 】。最近，左然和徐谦提出一种垂直喷淋式 m o c v d 反应器的改进形式 3 5 】，即将反应器的出口和进口同时置于托盘的上方， 出口与进口交叉排布，使得从每个小喷口喷出的反应气体在到达表面后，折转 1 8 0 度从小喷管周边返回，避免了反应物从托盘中心到边缘的径向浓度变化，使 得浓度分布变为沿每个小喷管的周期性波动。但工艺上有待进一步的细化。 1 4 3 2 高速转盘式反应器 前述的垂直式反应器( 图1 6 b ) 可以利用托盘高速旋转产生的泵效应来抑制 对流涡旋，产生与半径无关的均匀的速度、温度和浓度边界层。商用的高速转盘 式( r d r ) 反应器即采用这种原理，托盘转速必须很高，通常在1 0 0 0 r p m 以上。 这种反应器可以通过基片的旋转来平衡反应物的径向耗尽 3 0 ，3 1 】。当转速较大 时，由于离心力的作用，气体在转动的同时不断地沿径向被抛向基片的边缘。基 片上面的气体沿轴向流入基片表面以补偿流走的气体，产生所谓泵效应，从而抵 消热对流产生的涡旋，得到基片上方平滑的层流流场。结合对层流流场控制和粒 子浓度均匀分布的控制，垂直式反应器能够沉积高质量的半导体薄膜。但是这种 反应器的生产效率低，一次通常只能沉积一个晶片。 江苏大学硕士学位论走 b r e i l a n d 等a 3 6 根据试验总结对高速转盘式的稳定性条什进行了总结，图 i8 为高速转盘式反应器在底部加热、托盘旋转时的流场可视化照片，图中显示： 增大温差不利于流场的稳定，增大转速则有利于流场的稳定( 指在图中小于 1 0 0 0 r d m 范围，但转速过高将会造成流动失稳，在侧壁附近引发新的漩涡) 。流 场出稳定向不稳定过渡的判据由混合对流数m c p ( m i x e dc o n v e c t i o np a r a m e t e r ) 来判断： 一参2 紫 m ：， 其中，g r 为格拉晓夫数，g ，= 趔。学：r e 为旋转雷诺数，r e = 百, n 。 m c p 数代表浮力对流强度与旋转对流强度之比。 o o o0 0 6 - - 。 。o ：o ：。o ：z ：。：oo o o ：z ：。： 善i 一 0 s p h r 山( 帅嘶 圉】8 高速转盘式反廊器流场可视化照片及其流动稳定性条件 佐圉中空心圆代表不稳定流动区域，星号代表稳定流动区域卉上削为不稳定的流动，矗 f 1 鲁j 为稳定且具有确定路径的流动。从不稳定流到稳定流的转变由前述的m c p 数判断。1 15 现有m o c v d 反应器存在的问题 对照前文中m o c v d 反应器应满足的最佳薄膜生长过程：水平式反应器由于 存在反应物浓度的沿程损耗、热对流涡旋和侧壁效血，容易造成基片沿横向和纵 向的厚度和浓度不均，因此只适于实验室应用。垂直式反应器通过高速旋转或近 距离喷射，可以抻制热对流涡旋。并均匀分配反应物浓度，因此更具有商用价值。 但垂直反应器仍存在反应后的尾气不能及时排出，从而沿径向浓度不均，造成基 涸 啪 咐 稍 狮 一z一2ile 江苏大学硕士学位论文 片沿径向的厚度和浓度的波动。如何使反应后的尾气不再与新鲜反应来流重新混 合，这是垂直式反应器进一步改进的难点。垂直喷淋式的密布小喷口和近距离喷 射，高速转盘式的托盘高速旋转和磁流体密封等，都增加了制造和维护( 包括清 洗和冷却) 的困难。 综上所述，现有的m o c v d 反应器，无论是水平式反应器还是行星式反应器， 无论是垂直喷淋式还是高速转盘式，当托盘直径进一步扩大，或转速过大等等时， 都将面临以下共同问题： ( 1 ) 从托盘中心和托盘边缘喷入的反应气体流经距离明显不同，中心处尾 气不能及时排出，导致基片沿径向仍存在浓度不均，即垂直反应器的浓度分布本 质上仍不均匀。 ( 2 ) 随着半径增大，气体沿流动路径被加热，平行流会变为自然对流，层 流会变为紊流，造成生长质量下降； ( 3 ) 随着半径增大，气体驻留时间增加，气相寄生反应加剧，造成生长效 率下降。 ( 4 ) 随着半径增大，气体沿程损耗增加，浓度不均加剧，造成生长厚度更 加不均。 为满足最佳薄膜生长条件，m o c v d 反应器还有很大的改进余地，现今仍对 高效的新型反应器有需求。 1 6 本论文的主要目标 1 设计一种新型的多喷淋头式m o c v d 反应器。目前的m o c v d 反应器大多 只考虑进口气体的均匀性，尾气仍需流到托盘边缘排出，另外之前的改进较 难适应大直径托盘的多片式生长。本文将要设计一种新型的多喷淋头式 m o c v d 反应器，并申报国家发明专利。 2 对自主设计的新型多喷淋头式m o c v d 反应器建立数学模型。根据反应器具 体的工作情况，对模型进行了假设和简化，并设定了模型的边界条件，如进 口气体的种类、温度、流量，壁面和衬底的材料、温度，出口压强等。 3 对新型m o c v d 反应器的二维轴对称模型进行数值模拟，并对模拟结果进行 了分析和讨论。 4 综合考虑g a nm