（流体机械及工程专业论文）mocvd反应器内部气体流动过程的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 金属有机化学气相沉积( m e t a lo r g a m cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称 m o c v d ) 是制备半导体器件、金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜材料的一种 技术。该技术制备的薄膜材料主要应用于微电子和光电子领域，因此对薄膜材料 的质量、厚度的均匀性等要求非常严格，而影响其质量和厚度的一个重要的因素 是反应过程中复杂的气体流动和传热问题。由于制备薄膜的反应器中气体流动具 有复杂和不可观测的特点，国内对m o c v d 反应器内部流场和温度场的研究只处 在起步阶段。因此，对m o c v d 反应器内部流动进行数值计算，掌握其内部真实 流动规律是十分有必要的。 本文简要介绍了国内外m o c v d 研究现状，阐述了m o c v d 系统的组成及其 反应室的分类。结合行星式反应器和双气流m o c v d 反应器的特点，并根据 m o c v d 制备薄膜的基本理论，课题组设计了具有三个不同直径嵌套式进口管路 的m o c v d 反应室装置，同时考虑了调整进口与加入器表面之间相对距离和加热 器旋转等因素的影响。 根据反应器结构，建立了轴对称反应器的数学模型。应用g a m b i t 流体力学专 业软件对该m o c v d 反应器实旌网格划分，并建立了二维差分网格。借助商用c f d 软件f l u e n t 将控制方程在网格节点上进行离散化，运用压力耦合方程的半隐式算 法( s i m p l e ) 求解连续性方程，动量及能量的守恒方程。 以反应器内部压强，进口管路末端与加入器表面距离，进口管路流量，反应 器上壁面边界条件以及加热器旋转速度为五个分析参数，分别讨论了改变其中任 意一个参数的条件下流场、温度场和浓度场的最优模拟工况。模拟分析得出在低 压、进口与加热器表面距离相对较小、内两层的进口流量相同以及在一定的旋转 速度条件下的流场和温度场分布更适合制备薄膜的要求。 通过本文模拟结果与国外学者实验测量结果的对比分析，进一步验证了模拟 结果的正确性，从而为制备高质量的薄膜材料提供依据。 关键词：m o c v d 反应器，流场，温度场，c f d ，s i m p l e ，数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o c v d ( m e t a lo r g a n i c c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ) i s at e c h n i q u eo f m a n u f a c t u r i n gf i l mm a t e r i a lf o rs e m i c o n d u c t o r s ，m e t a l s ，m e t a l o x i d e s ，m e t a l - n i t r i d ee t c t h e s et h i nf i l m sa r em a i n l ya p p l i e di nm i c r o e l e c t r o n i c sa n do p t i c a l - e l e c t r o n i c sf i e l d s ， s ot h ef i l mt h i c k n e s sa n dt h ec o m p o s i t i o n s u n i f o r m i t yw h i c hi sm a i n l yi n f l u e n c e db y t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fm i x i n gg a s e si nt h er e a c t o ra r ev e r y i m p o r t a n t b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dt r a n s p o r tp r o c e s sa n di n v i s i b l ec h a r a c t e r i s t i c s ， d o m e s t i cr e s e a r c h e r sh a v ec a r r i e do u tf e we x p l o r a t i o n so ni n t e m a lf l o wa n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h em o c v dr e a c t o r s oi ti sn e c e s s a r yt om a s t e rs o m ef u n d a m e n t a l f e a t u r e so f i t si n t e r n a lf l o wt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nm o c v dr e a c t o n t h cd e v e l o p m e n to fm o c v di nh o m ea n da b r o a dh a sb e e ni t e r a t e d t h o s e c o m p o n e n t so ft h em o c v ds y s t e ma n dt h et y p i c a lc o n f i g u r a t i o n so ft h em o c v d r e a c t o ra r ed e s c r i b e d b a s e do nt h ep l a n e tr e a c t o ra n dt h et w o i n l e tm o c v d r e a c t o r , a n e wm o c v dr e a c t o ri s d e v e l o p e dh e r ea c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fm o c v d d e p o s i t i n gf i l m s t l l i sr e a c t o rh a st h r e ei n l e tp i p e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s t h ed i s t a n c e b e t w e e ni n l e ta n dh e a t e rc a nb ea d j u s t e d ，a n dt h e r ei sa r o t a t i n gm o v e m e n to f t h eh e a t e r a2 da x i a ls y m m e t r ym o d e lo ft h em o c v dr e a c t o rh a sb e e nb u i l tu pi nt e r m so f m o c v dr e a c t o rc o n f i g u r a t i o n t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eg a m b i ti su s e dt og e n e r a t e u n s t r u c t u r e dg r i d so ft h em o c v dr e a c t o r , a n df l u e n t ，ap o p u l a rc o m m e r c i a lc f d s o f t w a r e ，i sa p p l i e dt os o l v et h et h r e ec o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sb yu p w i n df i n i t ev o l u m e m e t h o da n ds i m p l ea l g o r i t h m f o c u s i n go nt h ef i v ea n a l y t i cp a r a m e t e r so fr e a c t o rp r e s s u r e ，d i s t a n c eb e t w e e nt h e e n do ft h ei n l e ta n dt h eh e a t e rs u r f a c e ，f l o w r a t e ，b o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h er e a c t o r s u p p e rw a l la n dr o t a t i n gs p e e do ft h eh e a t e r , t h eo p t i m a ln u m e r i c a lc o n d i t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l yb yc h a n g i n go n l ya n yo n eo ft h ef i v ep a r a m e t e r s t h eb e s t r e s u l t sa r eo b t a i n e du n d e rc o n d i t i o n so fl o w - p r e s s u r e ，s h o r t d i s t a r l c eb e t w e e ni n l e ta n d h e a t e r , c e r t a i nr o t a t i n gs p e e do f t h eh e a t e ra n du n i f o r mf l o w r a t eo f t h et w oi n n e rp i p e s t h r o u g hc o m p a r i s o nb e t w e e nt h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h i sp a p e ra n dt h er e p o r t e d m e a s u r e m e n td a t a , t h er e s u l t sh e r eh a v eb e e np r o v e dt ob em o r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s e e x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hc a np r o v i d eas o u n db a s i sf o rd e p o s i t i n gu n i f o r mf i l m k e yw o r d s ：m o c v dr e a c t o r , f l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，c f d s i m p l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 江苏大学硕士学位论文 符号表 v r ：反应器径向速度分量，m s匕：反应器轴向速度分量， m s p ：反应器内部压力，p a 卢：反应气体的密度，k g m 3 ：反应气体的粘度，p a sr ：理想气体常数 如：反应气体分予量 k ：热导率 t ：温度 c ：反应气体总浓度 五：源在反应气体中的扩散系数 q ：气体进口体积流量 t ：热扩散系数 c p ：反应气体的热容 _ ：某一组分气体的摩尔分数r o ：气体入口半径 ：通用因变量 l ：广义的扩散系数 i i i “：流体平均速度 s 。：源项 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，同意学位办 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。 不保密囱。 学位论文作者签名：陈丑 ) 哕年岁月5 口日 指导教师签名：罗勘乙 协，年f 月；o 日 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，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：船连 日期：2 却f 年r 月j o 日 江苏大学硕士学位论文 1 1m o c v i ) 概述 第一章绪论 金属有机化学气相沉积( 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 ) ，简称 m o c v d ，是近三十年发展起来的一项薄膜材料的制备技术，它属于化学方法，是 c v d 方法的一种，是以金属有机物为源的化学气相沉积方法。用于制备薄膜时又 称金属有机物化学气相外延生长( m o v p e ) 。m o c v d 技术是由美国洛克威尔公 司的h m m a n a s e v i t 等【1 】在1 9 6 8 年首先提出的一种剖冬化合物半导体薄层单晶膜 的方法，该技术是采用i i i 、i i 族元素的有机化合物和v 族、族元素的氢化物等 作为生长源材料，以热分解反应在衬底上进行气相外延，生长i i i v 族，i i 族化合 物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶。 m o c v d 方法制各薄膜，是将稀释于载气中的金属有机化合物导入反应器中， 在被加热的衬底上进行分解、氧化或还原等反应，反应的生成物沉积到衬底上从 而形成薄膜的一种技术。 近年来由于光通信的蓬勃发展。固体激光器、探测器及光波导的研究引起人 们极大关注，m o c v d 技术在生长多层超薄层异质结材料方面显示出它独特的优 越性。m o c v d 技术的发展大大推动了以g a a s 为主的i i i v 族半导体及其它多元 多层异质材料的生长，大大促进了新型微电子和光电子领域的发展。 此外m o c v d 在半导体器件、金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜材料的 制各和研究方面也得到广泛应用，目前各种主要类型的化合物半导体器件制作中 都用到了m o c v d 技术。异质结双极晶体管( h b t ) 、高电子迁移率晶体管( h e m t 、 m o d f e t 和h f e t ) 、太阳能电池、激光器、光探测器、场效应晶体管( r e t ) 以及发 光二极管( l e d ) 等正是当前使用m o c v d 技术进行研究、发展和生产的几种器件。 m o c v d 制备薄膜具有如下优点【2 】： ( 1 ) 可制成各种类型的材料： ( 2 ) 薄膜的组成元素均以气体形式进入反应室，通过控制载气流量和切换开 关可以容易地控制其组成： ( 3 ) 沉积速率高，重复性好，均匀性高； ( 4 ) 适合大面积成膜和批量生产； ( 5 ) 由于以金属有机物为源，使沉积温度降低，能减少系统的污染( 来自衬 底、反应器等的污染) ，提高外延层的纯度。 ( 6 ) 所有工艺参数都可以独立控制； 江苏大学硕士学位论文 ( 7 ) 薄膜的生长是以热分解方式进行的，是单温区外延生长，需要控制的参 数少，设备相对简单。通过改变反应器结构，可很方便地进行多片和大片外延生 长。非常适合高产量、低成本的工业化生产。 1 2m o c v d 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外m o c v d 技术仅有3 0 多年的历史。从常压系统到低压系统，从单片生长 反应室到多片反应室，从固定衬底托盘到旋转衬底托盘，m o c v d 设备与技术日 益提高。并从实验室研究阶段步入高产量、低成本的工业化生产时代，应用领域 几乎遍及所有的新兴微电子和光电子器件。 在反应器设备方面，目前国际上生产m o c v d 设备的厂家主要以德国 a i x t r o n 公司和美国e m c o i 也公司二家最为著名。 当今先进的m o c v d 设备有两大类，一类是行星式旋转大面积均匀生长设备， 该设备基本上是常压水平式生长结构，以德国a i x t r o n 公司的设备为代表。该 设备衬底盘可以做得很大，且缓慢均匀旋转。衬底盘上装载的衬底在生长材料过 程中，被自下而上流入的氢气流轻轻托起并匀速旋转，保证了衬底上的材料可大 面积、均匀地生长，这就是著名的气体轴承式结构。最新发展的a i x t r o n 生长 室还吸收了立式生长方式的优点，源材料气流从反应室顶部注入，再在衬底上方 变成平流方式。这样就能及时补充因材料生长过程中源材料逐渐消耗引起的不均 匀性，使得a i x t r o n 公司的设备成为优质外延片生长规模最大的设备。 另一类是高速涡轮立式生长设备，该设备基本上是低压立式结构，以美国 e m c o r e 公司的设备为代表口5 】。该设备的衬底盘转速达1 0 0 0 r m i n 或更高，基座 旋转不仅改善了温度均匀性，而且还由于固气界面粘性曳力，高速旋转的基座还 起了泵的作用，改善了基座上方温度和反应剂浓度分布均匀性，有助于获得均匀 的外延层和较高的生长速度。 此外荷兰n i j m e g e n 大学的s u c h t e l e n 等人设计了一种商效高均匀性低压脉冲 m o c v d 反应器。它由常规m o c v d 设备上配置快速电磁阀门和真空泵组成。该 系统的特点是将源气体周期性引入反应室，当气体进入反应室后，反应室的压强 会突然增大，出现一个尖峰，这是一种温度平衡现象。每一周期的过程是：首先 对气体混合室抽真空，并通过源气体砷烷( a s h 3 ) 、三甲基镓( t m g ) 等同时对 反应室抽真空。打开开关，使混合气体进入，经过反应后排出废气，生长周期结 束。在每一周期中，化学组分能任意选取，生长厚度从l 3 0 原子层任意调整。 江苏大学硕士学位论文 由于在生长过程中，源气体分子只通过扩散到达衬底表面，并不相对衬底流动， 所以克服了传统连续反应器中产生的气体”耗尽效应”。这种反应器的优点是，提高 了外延层组分和厚度的均匀性；高效率地使用源气体；能生长原予级突变界面外 延层；整个过程可用计算机控制批量生产。 法国应用物理电子学实验室的e m r r i j l i n k 设计了一种多功能大尺寸的m o c v d 反应器，可制作大面积、大批量化学组分和厚度极均匀的高纯外延层。该反应器 的特征是，利用氢气流将主衬底支持器和7 个子衬底支持器悬浮和转动的新技术， 使衬底支持器上的7 片2 英寸基片作旋转运动，避免了衬底和外延系统之间的任 何物理接触。 在m o c v d 技术方面，研究工作者从流体动力学出发，结合热量和质量传递原 理，对各种m o c v d 反应器进行了详尽的分析，建立了大量的数学和物理模型，并 进行了系统的数学模拟工作【6 - 1 1 】。1 9 7 1 年s e c r e s t 等人首先提出了模拟的c v d 模型， 以后相继出现了多种c v d 模型，这些模型由简单逐渐变为复杂，以接近真实的c v d 模型的反应机制。c o l t r i n 等人模拟了生长晶体硅的c v d 反应器，提出了该反应中 包括二十多步基本的反应机制【2 】。f o t i a d i s 等人结合实验和模拟两种方法研究了水 平反应器内部的流动和热交换，强调了该模型中热交换的重要性【1 3 】。q u a z z a n i 和 r o s e n b e r g e r 提出了三维的水平式反应器模型，并描述了热扩散和重力对反应机制 的影响1 1 4 1 。然而绝大多数模拟都是针对水平式反应器，对垂直式反应器内部的反 应机制需待进一步的研究。 1 2 2 国内研究现状 m o c v d 技术的实现主要依赖于先进、昂贵的设备和仪器。我国对于m o c v d 设备的研制起步于8 0 代初，少数单位，像中科院长春物理所、中科院西安光机所 等，已经自行设计和制造了m o c v d 设备。大多数单位则采取引进国外先进的 m o c v d 设备高起点地开展m o c v d 技术的研究和高质量外延片的批量生产工作， 像华南师范大学、上海华亿公司、北京半导体所、石家庄汇能公司等，分别从美 国、德国、德国、瑞典引进设备。时至今日，我国已有4 0 余台m o c v d 设备。 国内采用m o c v d 技术制备薄膜材料的研究已开展多年，产业化也已起步， 如国家计委立项的山东华光光电子公司产业化制备发光二极管，已处于小批量试 生产阶段。但在m o c v d 技术研究反应器内部流场和热交换方面明显落后于世界 先进水平，对反应器的设计和优化的系统研究工作，到目前为主开展的很少，因 此需要加强这方面的研究工作。 江苏大学硕士学位论文 由于在生长过程中，源气体分子只通过扩散到达衬底表面，并不相对衬底流动， 所以克服了传统连续反应器中产生的气体“耗尽效应“。这种反应器的优点是，提高 了外延层组分和厚度的均匀性；高效率地使用源气体；能生长原子级突变界面外 延层；整个过程可用计算机控制批量生产。 法国应用物理电子学实验室的r m ，f 两l i n k 设计了一种多功能大尺寸的m o c v d 反应器，可制作大面积、大批量化学组分和厚度极均匀的高纯外延层。该反应器 的特征是，利用氢气流将主衬底支持器和7 个子衬底支持器悬浮和转动的新技术， 使村底支持器上的7 片2 英寸基片作旋转运动，避免了衬底和外延系统之间的任 何物理接触。 在m o c v d 技术方面，研究工作者从流体动力学出发，结合热量和质量传递原 理，对各种m o c v d 反应器进行了详尽的分析，建立了大量的数学和物理模型，并 进行了系统的数学模拟工作口。”。1 9 7 1 年s e c r e s t 等人首先提出了模拟的c v d 模型， 以后相继出现了多种c v d 模型，这些模型由简单逐渐变为复杂，以接近真实的c v d 模型的反应机制。c o l t f i n 等人模拟了生长晶体硅的c v d 反应器，提出了该反应中 包括二十多步基本的反应机制旧。f o t i n d i s 等人结合实验和模拟两种方法研究了水 平反应器内部的流动和熟交换，强调了该模型中热交换的重要性u3 。q a a z z a n i 和 r o s e n b e 增e f 提出了三维的水平式反应器模型，并描述了热扩散和重力对反应机制 的影响i l “。然而绝大多数模拟都是针对水平式反应器，对垂直式反应器内部的反 应机制需待进一步的研究。 1 2 2 国内研究现状 m o c v d 技术的实现主要依赖于先进、昂贵的设备和仪器。我国对于m o c v d 设备的研制起步于8 0 代初，少数单位，像中科院长春物理所、中科院西安光机所 等，已经自行设计和制造了m o c v d 设备。大多数单位则采取引进国外先进的 m o c v d 设备高起点地开展m o c v d 技术的研究和高质量外延片的批量生产工作， 像华南师范大学、上海华亿公司、北京半导体所、石家庄汇能公司等，分别从美 国、德国、德国、瑞典引进设备。时至今日，我国已有4 0 余台m o c v d 设备。 国内采用m o c v d 技术制各薄膜材料的研究已开展多年，产业化也已起步 如国家计委立项的山东华光光电子公司产业化制备发光二极管，已处于小批量试 生产阶段。但在m o c v d 技术研究反应器内部流场和热交换方面明显落后于世界 先进水平，对反应器的设计和优化的系统研究工作，到目前为主开展的很少，因 此需要加强这方面的研究工作。 此需要加强这方面的研究工作。 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文研究的目的和意义 m o c v d 技术涉及到许多方面，主要包括热力学、动力学、流体力学、物理 化学等。因此该项课题的研究是对以上多种学科交叉的一门新兴学科技术的研究， 具有较高的学术研究价值，同时由于m o c v d 技术应用的广泛性，对发展国民产 业具有重要的实际意义。 采用m o c v d 技术所制备的薄膜材料主要应用于微电子和光电子领域，因此 对材料的质量、厚度的均匀性、组成的均匀性、层与层之间的界限要求非常严格。 在m o c v d 沉积体系中，影响薄膜质量和均匀性的一个重要的因素是反应器内部 复杂的气体流动和传热问题。在沉积过程中，气体输运的驱动力来源于系统中各 部分的热力学差异，如压力差、浓度梯度和温度梯度。这种差异驱使反应器中气 体分子通过定向流动、对流和扩散，实现气态反应物或生成物的转移，不仅对基 体沉积速度，而且对其沉积机理和沉积效果有显著的影响 1 5 - 1 6 l 。 然而在化学气相沉积系统中，由于反应器中气体流动具有复杂与不可观察的 特点，国内对反应器内部流场研究只处在起步阶段。 因此，本课题在参考中科院半导体所的实验装置的基础上设计一种新颖的 m o c v d 反应器模拟设备，并应用c f d 软件进行数值模拟，全面研究m o c v d 过 程的气体输运现象，并结合国外实验测量结果比较分析本文的模拟结果，为制备 高质量的薄膜材料提供依据。 1 4 本文研究的主要内容和方法 m o c v d 为一耦合质量、动量和能量传递过程的气相和表面化学反应过程。 反应器内的流场和温度场非常复杂。反应器的设备条件和工艺过程参数对反应器 内流场和温度场都将造成影响。 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究反应器腔体的形状和尺寸、气体入1 ：3 与衬底之间的相对位置关系对 流场和温度场的影响。 ( 2 ) 研究不同气体的入口流量、不同衬底的旋转速度以及反应器内不同压强 下的流场和温度场。 ( 3 ) 研究在特定的参数下，本文m o c v d 模型的数值模拟结果与国外实验测 量结果的比较。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 主要研究方法 ( 1 ) 参考中科院半导体所的实验装置，设计一种新颖的具有立式生长方式优 点的轴对称m o c v d 反应器的模拟装置。 ( 2 ) 利用p r o e n g i n e e r 软件对该新颖的反应器进行三维造型；应用 g a m b i t 流体力学专用软件对反应器内部进行网格划分。 ( 3 ) 应用流场计算商用软件f l u e n t 对某些工况下反应器内的流场和温度场 进行数值计算。 江苏大学硕士学位论文 第二章m o c v d 的基础理论及其数学模型的建立 2 1m o c v d 的基础理论 2 1 1m o c v d 系统的构成 因为m o c v d 生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且要生长多 组分、大面积、薄层和超薄层异质材料，因此在m o c v d 系统的设计思想上，通 常要考虑系统密封性要好，流量、温度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧 凑等。一般来说，m o c v d 设备是由源气体处理系统、反应室和加热系统、尾气 处理和控制系统等组成。 1 气体处理系统 气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并精确控制其浓度、送入 的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延 层。 送入反应室的气态源的摩尔流量直接由质量流量来控制。对于盛在鼓泡瓶中 的液态或固态m o 源，需要用载气流经鼓泡瓶携带到反应室。m o 源的摩尔流量 由下式计算： 以? d o 2 面丽p 而y m o 式中，p m o 为源的蒸汽压，p u 为鼓泡瓶内的气压压力，f 为通入源瓶的载气流量 ( m l m i n - s c c m ) 。 2 反应室和加热系统 反应室一般由石英管和石墨基座组成，也有使用不锈钢作为反应室腔体和高 纯钼等金属作为反应基座的。为了获得组分均匀、生长平整度高、界面梯度好的 外延材料，研究工作人员在反应室设计上下了很多功夫，可以说反应室是m o c v d 系统的核心，整个m o c v d 系统的质量如何最大程度地取决于反应室的设计。 石墨基座一般由高纯石墨制作，并包覆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调控温度，一般温度控制精度可达到 0 2 。c 或更低。 3 尾气处理系统 反应气体经反应室后，大部分被热分解，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，必须进行处理。目前处理的方法很多，主要有高温热 6 江苏大学硕士学位论文 解炉再一次分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理：也可把尾气直接通入装有 h 2 s 0 4 + h 2 0 2 及n a o h 溶液的吸滤瓶进行处理；也有的把尾气通入固体吸附剂中 吸附处理，以及用水淋洗尾气等。总之，要将尾气处理到符合环保要求后再排入 大气中。 4 手动和自动控制系统 一般的m o c v d 设备都具有手动和自动控制操作两种功能。由于流量控制器、 压力、温度控制器和电磁阀、气动阀的使用，m o c v d 装置的运行可通过人工控 制集中安装在电控面板上的按钮来实现。控制系统中还包括安全速锁装置，以防 止误操作可能产生的严重后果，并在事故发生时自动使系统进入保护状态，以减 轻事故的危害，保护操作人员人身安全。 2 1 2 m o c v d 反应室的分类 反应室是m o c v d 生长系统的核一t l , 部分，反应室的设计对生长的效果有至关 重要的影响。不同的m o c v d 设备的生产厂家对反应室的设计也有所不同。但是 最终的目的是相同的，即避免在反应室中出现离壁射流和湍流，保证只存在层流， 从而实现在反应室内的气流和温度的均匀分布，有利于大面积均匀生长。 a 按反应室结构形状，可分为水平式和垂直式两种。 反应室的总体结构可分为水平式和垂直式两种，大部分的其他反应室的设计 均是在这两种结构形式上进行的改进。水平式反应室是目前采用最广泛的反应室 结构，如图2 1 ( a ) 所示。在此结构的反应室中，反应管由石英制成，衬底片被放置 在水平的基座( 石墨舟) 上，反应气体从衬底上横向流过。进气区域的截面形状 成锥形，以便从小直径的进气口平稳向反应区域的较大直径过渡，以保证层流， 避免湍流的出现。基座上有凹坑以放置衬底也是基于同样的考虑。在较早的反应 室设计中，通常基座是锲形或倾斜的以补偿反应源在衬底表面的消耗对反应的均 匀性造成的影响，现在这种补偿通常是以衬底的气动旋转来进行的。 气体a 口 搀空 图2 1 ( 0 水平式反应器 图2 1 ( b ) 垂直式反应器 江苏大学硕士学位论文 气 功装置 图2 1 ( c ) 行星式反应器 图2 1 ( d ) 立式高转速转盘反应器 在这种结构基础上发展了行星式m o c v d 反应器的结构，也即德国a i x t r o n 公司的设备，如图2 1 ( c ) 所示。在这种反应器中，气体从圆柱型反应室的轴对称 中心导入，沿径向流过衬底表面。在流动方向上，一方面流动边界层逐渐增厚； 另一方面气体流速随流动截面积的增加而减小，这使得反应物的分解增加。对于 质量扩散为限制步骤的薄膜生长过程，上述因素导致生长速率沿径向降低、薄膜 的厚度和组成不均匀。为此，f r i j l i n k 设计每个薄片都自旋，有效地消除了这种 不均匀性。他还设计整个托盘绕其对称轴转动，以最大限度地平均托盘温度和反 应物流动的轴向对称性。 垂直式反应室如图2 1 ( b ) 所示，该反应源通入的方向与衬底表面垂直，反应源 直接覆盖到了整个衬底表面，避免了在水平式反应室中存在的消耗不均匀问题。 在这种反应室结构中，通常基座采用高速旋转，它的作用是产生一个类似于泵的 作用可以将反应源向下压，通过整个衬底，这对提高生长的均匀性和避免湍流的 形成有好处。 经典的立式高速转盘反应器如图2 1 ( d ) 所示，该反应室也是美国e m c o r e 公司设备的代表。衬底安置于一绕轴旋转的圆形托盘上，气流主体从反应器的顶 部导入，垂直向下流向托盘。托盘的转速非常高，一般高达数百转甚至上千转。 由于粘性的作用，靠近转盘表面的一层气体随同转盘一起转动，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盘边缘。盘上面的气体沿轴向流入转 盘表面以补偿流走的气体。转盘的旋转引起的这种气体向下的流动，破坏了托盘 与气流之间的温差引起的自然对流而产生的环流，改善了基座上方温度和反应剂 浓度分布均匀性，有助于获得均匀的外延层和较高的生长速度。 b 按沉积时系统压强的大小，又可分为常压和低压。 前者系统的压强约为1 个大气压，后者系统的压强低于1 个大气压，约为数 江苏大学硕士学位论文 百帕至数十帕。 低压m o c v d ，简称l p m o c v d ，是在产量和膜厚分布等方面考虑后，从常 压m o c v d 改进而来的。低压m o c v d 具有如下特点：( 1 ) 由于气体的压强与 扩散系数成反比，因此，低压强的工作环境有助于加速反应气体向衬底表面扩散， 不但可以减少对流，而且可以减少气体边界层的影响，从而提高了薄膜厚度的均 匀性；( 2 ) 由于反应室压力较低，使薄膜的生长速率强烈依赖于沉积温度，并受 表厩反应所控制，这对正确控制薄膜的厚度十分有利。正是由于上述的优点，目 前的m o c v d 装置多为低压m o c v d 系统。 c 按加热方式有高频感应加热和辐射加热，从反应室的反应壁来看有热壁和 冷壁，但绝大多数是高频感应加热冷壁反应室。 一 2 1 3 新型的m o c v i ) 反应室 1 9 9 0 年，n a k a m u r a 18 】等人成功设计出一种新型的双气流m o c v d 反应室系统， 如图2 2 所示。 s 口b “o v n 矿h 2 图2 2 双气流m o c v d 反应室 此反应室有两个不同的气路。主气路是反应气体t m g 、n h 3 、h 2 ，它高速、 平行于衬底通入石英管路：另一气路是辅助气体n 2 、h 2 ，它的方向垂直于衬底， 目的是改变反应气体的方向，使反应气体与衬底表面充分接触，同时高的n 2 气流 还可能有利于提高n 的渗入。实验发现辅助气流非常重要，若没有辅助气流将得 不到连续的平面，而仅仅只能得到一些不连续的岛状g a n 。 2 1 4 本文的m o c v d 系统 本论文m o c v d 反应器结合了行星式反应器( 如图2 1 c 所示) 和n a k a m u r a 等人设计的双气流m o c v d 反应器( 如图2 2 所示) 的特点，并考虑将辅助气体 9 江苏大学硕士学位论文 n 2 从第三个管路通入，设计了轴对称三气流反应器，如图2 3 所示。 支撑脚 气口旋转轴支撑柱 图2 3m o c v d 反应器的结构示意图 本文m o c v d 模拟反应器是透明的石英硅玻璃，其反应器的形状似一个倒置 的漏斗，下半部分的外径为巾2 8 0 m m ，上半部分的外径是巾3 2 m m ，壁厚是4 m m ， 反应器的高是2 0 0 r a m ，上下两部分衔接段与水平方向夹角成9 0 。该反应室由以下 几部分组成： 1 气体入口装置 气体入1 3 装置的设计，对反应器的操作过程至关重要。它直接影响反应器内 气体的流动形态，进而影响反应物在反应器的停留时间分布，以及衬底表面上的 流场、温度场和反应浓度的分布，最终影响薄膜的厚度、组成均匀性以及层间界 面的性质。设计合理的气体入口装置，必须满足下面的要求： 1 ) 气体流过入口时，不会产生涡流，流动为稳定的层流。 2 ) 反应物在到达衬底之前不会提前发生反应。 3 ) 在其他条件设计合理的情况下，在衬底表面形成稳定的层流流动。 目前，对于多组分化合物的生长，多采用分源进气，以避免反应物之间的提 前反应，有时还要采用水冷却气体入口装置，以避免反应物在气体入口处受热分 解。 本文m o c v d 反应室为三管不同直径的嵌套式三气流管路。其最内层的管路 通n h 3 ，h 2 作载气的g a ( c h ) 3 由中间管进入反应室，最外层管路通n 2 ，三种气体 分别由三个管路进入反应室可以有效的避免预反应。另外，不参与反应的最外层 气体可以起冷却和保护作用，可以迸一步实现反应室中均匀的流场和温度场。反 应室最外层管路的外径是中3 2 m m ，壁厚是4 m m ；中间管路的外径是中1 8 m m ，壁 厚是l m m ，高是2 0 0 m m ，其最下端有个半径为8 m m 的喇叭口，喇叭口的末端外 江苏大学硕士学位论文 径是中5 0 m m ：最内层管路外径是巾1 2 m m ，壁厚是l m m 。里面两层的管路可以通 过系统的法兰调节其相对高度以及和衬底之间的距离，从而观察反应器内部不同 工况下的流场问题。 对于立式的反应器，理想的气体入口流是大碾积活塞流。本文的m o c v d 反 应器三个进气管的直径都很小，离开进气管的气流是一股射流。根据流体力学原 理，自由射流的扩张角为1 2 1 4 。，而进气管距衬底表面的距离只有l t o c m 之 间，如不安装任何气体入口分布装置，且不考虑自然对流的影响，则到达衬底表 面时的扩散面积很小，因此在中间层管路的末端加个喇叭口，可以有效的实现扩 散的目的。 2 托盘的加热方式 托盘加热方式，对衬底表面的温度分布有至关重要的影响。一般来说，m o c v d 生长薄膜的过程，要求托盘和衬底的温度变化范围很小。由于所采用的衬底以及 要生长的材料的不同，托盘被加热到的温度也不同，所必须采取的加热方式也不 同。目前采用的托盘的加热方式有：石墨辐射加热；红外灯加热；电阻丝或板加 热。一般采用热电偶测温及控温。 本文的加热装置是外径为巾2 2 0 圆盘形的石墨辐射加热器。加热器下方与其他 装置相连的部件用保温材料进行隔热，以免热量传递到其他部件中，影响其他部 件的性能。 3 反应器内部的压力 由于反应器内部制备薄膜的温度一般都较高，在衬底与反应器壁之间存在着 极大的温度梯度，由此产生自然对流，引发涡流，影响生长薄膜的组成和厚度均 匀性。特别是对于m o c v d 反应器的腔体内空间较大，器壁没有任何保温，温度 较低的工况下，自然对流引发的紊流强度很大，难于形成均匀的流场和温度场。 大量的资料表明，常压下进入反应器的气体不能到达衬底表面，而全部在器壁及 反应器内的有关结构部件上分解沉积。研究表明，降低反应器中的压力，可有效 降低衬底上方自然对流的强度，在极低的压力下，甚至可完全消除自然对流。 本文也在低压下进行计算，其压力为o 1 大气压，由机械真空泵和针形阀等组 成压力控制系统进行控制。 4 反应器内部的传动机构 大量的资料表明，反应器内部衬底的旋转不仅改善了温度均匀性，而且还由 于固气界面粘滞力，高速旋转的托盘还起了泵的作用，改善了衬底上方温度和反 应剂浓度分布均匀性，有助于获得均匀的外延层和较高的生长速度。 江苏大学硕士学位论文 由于以上的特点，本模型设计了托盘的旋转机构。由永磁无刷直流电机通过 连轴器带动反应器内部的传动轴旋转，从而实现托盘的旋转。在加热器附近由于 温度较高，利用隔热材料保护传动轴，以免影响传动轴的性能。 2 2m o c v d 系统中的动力学分析 m o c v d 的动力学过程与反应体系和反应室结构紧密相关。反应气体在衬底 上方作定向运动，此外，气体还因为反应室的几何形状和反应室内存在的温度梯 度而产生热对流和扩散，结果导致反应室内气体运动十分复杂，它们给质量输运 带来较大的影响。为解决m o c v d 这样的开管系统外延生长动力学问题，一些研 究者将流体力学的边界层理论与化学动力学原理结合起来，为生长工艺的优化和 反应室的设计提供了有益的指导。 2 2 1m o c v d 沉积的基本过程 金属有机化学气相沉积反应的过程需要多个连续的步骤完成，其主要步骤如 下： ( 1 ) 反应剂( 或被惰性气体稀释的反应剂) 气体以合理的流速被输送到反应 室内，气体从入口进入反应室，经过主气流区流向出口区域，其气体流速是不变 的。 ( 2 ) 反应刘从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面，边界层是主气 流区与衬底表面之间气流速度受到扰动的气流薄层。 ( 3 ) 反应剂被吸附在村底的表面，成为吸附原子( 分子) 。 ( 4 ) 吸附原子( 分子) 在衬底表面发生化学反应，生成薄膜的基本元素并沉 积成薄膜。 ( 5 ) 化学反应的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面，进入主气流区 被排除系统。 要完成薄膜的沉积，m o c v d 的化学反应还必须满足以下几个条件： ( 1 ) 在沉积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸汽压。 ( 2 ) 除沉积物外，反应的其他产物必须是挥发性的。 ( 3 ) 沉积物本身必须具有足够低的蒸汽压。这样才能保证在整个沉积过程种， 薄膜能够始终留在衬底表面上。 ( 4 ) 薄膜沉积所用的时间应该尽量短以满足高效率和低成本的要求。 ( 5 ) 沉积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响。 ( 6 ) m o c v d 不允许化学反应的气体副产物进入薄膜中( 尽管在一些情况下 1 2 江苏大学硕士学位论文 是不可避免的) 。 2 , 2 2 边界层理论 在反应室中，当粘滞流体以速度v o 从一平板( 基座和衬底) 上方流过时，由 于流体与平板问存在摩擦力，致使紧贴基座表面的流体流速降为零。其上方的流 体也因流体间的粘滞作用而逐步降低速度。离基座越近，流速越小。远离基座的 地方仍为v o 。这样在接近基座表面的流体中就出现一个速度受到干扰的薄层，称 为边界层，也称为覆面层或停滞层。通常把边界层的厚度6 定义为由基座表面到 流速为o 9 9v o 处的距离。 边界层的速度分布和厚度分别为： 掣= 狰一挣，o y 6 占：占( x ) ：a 丝 vp v o 其中x ，y 分别为反应室气流方向坐标和垂直气流方向的纵坐标，a 为常数一般在 2 3 - - 5 之间，u 为流体粘滞系数，p 为流体密度。 在化学气相沉积过程中，由于边界层的存在，气体处于一种流动性很低的状 态，而反应物和反应产物都需要经过扩散过程通过边界层，因此边界层的存在限 制了沉积的速度。提高气