大尺寸电磁加热的氮化物MOCVD反应室温度场的仿真与优化

本文通过对电磁加热八英寸晶片的立式氮化物MOCVD反应室建立数学模型,利用有限元法,对传统的加热结构进行了优化.为提高晶片温度分布的均匀性,本文提出了矩形槽和圆环段形槽两种不同槽结构的基座,通过对这两种槽结构基座的优化分析发现,与传统用的基座相比,这两种槽结构的基座改变了传统基座中的传热方式和不同方向的传热速率,从而提高了晶片温度分布的均匀性,这有利于提高薄膜生长的质量.     

用热壁CVD法在SiC衬底上生长SiCGe合金的热场分析与设计

采用有限元法,对热壁CVD法SiCGe合金生长炉中加热组件的感应加热和温度分布进行了研究.分析了感应线圈匝数和石墨衬托的厚度对磁矢势和温度分布的影响,获取了感应线圈数越多感应生成焦耳热越大且越均匀的结论,得出了随石墨厚度的增加升温速率而增加,相反轴向温度均匀性而变差的设计准则.模拟结果表明选取16匝线圈和10mm左右的石墨壁厚为优化的设计参数.     

HFCVD系统中衬底温度场及气相空间场的数值分析

探讨了典型气氛中热丝辐射、气体热传导与对流、化学反应生热等因素对衬底温度的影响,建立了三维热丝辐射和二维热流耦合有限元模型,研究了各工艺参数对衬底温度场及气相空间场的影响.结果表明H2占主导地位的气氛中衬底表面的氢原子重组放热对衬底温度有较大影响,氩气气氛中原子重组放热对衬底温度影响很小;热丝温度对衬底温度的影响最大;进气口到衬底的距离及进气口气体流速对衬底附近的流场影响最大,适当提高进气口到衬底的距离有助于提高衬底附近流场均匀性,增大进气速度有助于突破热障提高衬底表面流速,但同时加剧了衬底附近流场的不均匀性.     

EACVD摆动衬底空间流场有限元模拟研究

根据EACVD系统的实际几何特点和工艺参数建立了该系统的三维流场有限元模型,研究了衬底温度及摆动周期、热丝参数、进气口参数对衬底表面流场均匀性的影响.结果表明:衬底低速摆动情况下摆动周期的变化对衬底表面流场的分布没有影响,衬底温度,热丝参数,进气口参数对衬底表面流场都有一定的影响,其中,热丝的排列方式以及进气口气体流量对衬底表面流场的影响最大.最后,采用一组优化的沉积参数进行金刚石膜衬底表面流场的仿真计算,结果表明:采用优化的沉积参数可以使衬底表面气体流速和流场的均匀性都得到很大提高,此研究结果为制备高质量金刚石膜提供理论依据.     

预制层衬底加热对Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响

本文采用二步法制备Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜,首先通过真空热蒸发制备CuZnSn (CZT)预制层,其衬底加热温度分别为20℃、50℃、75℃和100℃,然后对所制备的CZT预制层在400℃下硫化60 min,从而制备出CZTS薄膜.利用XRD、Raman、SEM、反射谱和透射谱对所制备的CZTS薄膜进行了表征,实验结果表明,预制层衬底加热温度对CZTS薄膜结构与光学特性有很大影响,在衬底加热50℃时制备预制层硫化后所得CZTS薄膜具有高的结晶度、致密均匀的薄膜表面和最佳1.5 eV光学带隙.此外,与衬底未加热制备预制层在500℃和90 min最佳硫化条件下所制备的高纯CZTS薄膜相比,在50℃预制层衬底加热条件下所制备CZTS薄膜具有更好地结晶质量、更低的硫化温度和更短的硫化时间,这种现象表明衬底加热制备金属预制层利于更高品质CZTS薄膜的制备,可有效的降低硫化温度和缩短硫化时间,当前的研究结果为在低温下实现高质量CZTS薄膜的制备提供了一种有效的途径.     

管道热丝CVD金刚石膜反应器温度场的数值计算

在热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石膜的传统管道反应器中,对不同传热机制下管道壁温度场的空间分布进行了模拟计算.结果表明,管道壁温度场在纯热辐射机制作用下的分布很不均匀;在绝热和恒温的边界条件下考虑热传导作用后,管道壁温度分布的均匀性大大提高;进一步的热对流作用仅提高管道壁的总体温度,并不显著改变管道壁温度场的均匀性分布.     

HFCVD系统中衬底接触热阻的研究

建立了热丝CVD大面积金刚石膜沉积的衬底温度场模型,对影响衬底温度场的接触热阻及其他相关沉积参数进行了模拟计算。根据实验结果,对接触热阻的计算公式进行了修正。当ζ=0.75时,计算结果和实验结果基本上吻合。在仿真条件下,考虑衬底三维热传导以及热丝温度的不均匀分布使衬底温度场的均匀性明显优于纯热辐射下的温度场。这些计算结果为制备大面积高质量的金刚石薄膜提供了理论基础。     

大尺寸HVPE反应器托盘温度的数值模拟研究

对大尺寸氢化物气相外延(HVPE)反应器的流场和温场进行二维数值模拟研究,旨在提高托盘表面温度和温度分布均匀性.基准模拟显示,靠近喷头的加热器对托盘温度的影响大于底部加热器,随着加热器功率增大,温度分布均匀性变差.在基准模拟的基础上,提出在反应器底部设置隔热钼屏的托盘升温方法.优化后的模拟显示,托盘温度升高约48 K,而温度均匀性变化不大.在使用4层钼屏的基础上,通过在石墨托盘内部开圆柱槽,显著提高了托盘温度分布均匀性,并使温度进一步提升约5K.     

径向流动MOCVD输运过程的数值模拟和反应器优化

针对三重进口径向流动行星式MOCVD反应器的输运过程进行二维数值模拟研究,探讨有关行星式反应器流道高度和托盘直径能否继续扩大,如何控制基片上方温场和浓度场为最佳分布这样一些本质问题,同时寻找反应器的优化条件.模拟结果发现:(1)通过对反应器形状进行优化,使进口处流道趋向于流线的形状,可以大大地削弱甚至消除由流道扩张引起的涡旋;(2)在影响对流涡旋的几何参数中,反应腔高度起主要作用,而反应腔直径影响较小.对于优化后的反应器,发生对流涡旋的临界高度提高到2～2.5cm,对应的反应器直径增加到40cm;(3)在相同温差、不同衬底温度的条件下,反应器内的流动形态不同.衬底温度高,对流涡旋较弱;衬底温度低,对流涡旋较强.其原因在于气体的粘滞力随温度升高从而抑制了浮升力的作用;(4)衬底上方均匀的流场对应均匀的温场和较高的反应物浓度,热扩散则使TMGa在衬底处的浓度降低.     

微波等离子CVD金刚石设备中基片加热材料的三维温度场型研究

在微波等离子CVD设备中,微波电磁场的不均匀分布将导致等离子球和基片的温度不均匀,从而降低CVD金刚石的质量,因而基片加热是需要的.材料的吸收微波能的能力同微波频率、电场强度、材料的介电常数和介电损耗及材料体积相关,材料的介电常数、介电损耗、导热率又同温度相关.基于热力学理论,本文用强吸收微波能的SiC材料作为了基片加热材料,放在微波等离子腔的基片下,研究三维轴对称温度场模型,该模型的基片加热材料的介电常数、介电损耗和体积随温度变化,获得了温度分布的解析式,计算结果显示该模型能得到直径76.2mm的均匀温度分布,温度变化少于10℃,因而可用于基片加热.