大尺寸MOCVD加热器的模拟仿真

大尺寸MOCVD加热器的模拟仿真

摘要 本文运用流体与热场耦合的有限元方法对BDS（缓冲分布喷射式）腔体结构、大尺寸石墨盘、电阻片式加热器的MOCVD反应腔体进行高温环境的稳态建模仿真，得到石墨盘表面的温度分布，通过对仿真曲线及云图的分析，对加热器进行了改进和优化设计，提出一种改动小、容易实现的改进方法，使温度均匀性在±1K以的温度有效区域显著扩大。还模拟了此种加热器在不同温度段对石墨盘表面加热的均匀性。并对通过改变入口气体流量模拟多种不同的流场环境，验证了改进后的加热器只需调整各区的加热功率就可以大范围的适应不同流场环境，给不同的晶体生长工艺提供均匀的温度边界条件。

关键词 MOCVD；温度；有限元模拟；有效区域

0 引言

目前由于金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术具有薄膜生长厚度精确可控、均匀性好、界面陡峭、生产效率高等优点，广泛应用与各种半导体化合物薄膜外延生长领域。如半导体激光器件、太阳能电池板、射频器件及LED芯片等。尤其是近年来LED产业的迅猛发展，作为LED芯片制造关键设备的MOCVD设备也越来越受到重视。目前，国内生产型MOCVD设备完全依赖进口，严重制约了国内LED产业尤其是上游产业的发展，国内相关研究所及企业也在加速推进 自主生产型MOCVD设备的发展，目前也取得一些重要进展[1]。

MOCVD外延生长机制复杂，影响参数较多，如反应腔体内的气体流动状态、气体浓度、气体压力及温度场等。研究及实验表明[2]，石墨盘表面温度的均匀性直接影响了外延生长薄膜的一致性和均匀性。小尺寸石墨盘表面容易得到均匀的温度场，但是LED产业化的发展需要MOCVD设备具有较高的生产效率，石墨盘的大小又在很大程度决定了单个腔体的生产效率，因此如何在大尺寸石墨盘表面获得均匀的温度场显得尤为重要。

目前，国内对于MOCVD加热器的研究主要为小腔体尺寸的实验型设备，本文将通过热场与流体耦合的有限元方法建立模型，模拟仿真大尺寸MOCVD腔体中石墨盘表面的温度分布，从而为高产量生产型MOCVD设备加热器设计提供依据。

1 理论基础

将热传导模型与流体模型进行耦合计算。由于加热器为电阻片式加热，高温下辐射换热占比例很大，因此其中加入了表面辐射换热模型。又由于反应在低压下进行，腔体内气体稀薄，忽略气体辐射吸收，只考虑表面间的辐射换热。方程使用COMSOL Multiphysics自带流体与热传导方程[3，4]。

热传导方程：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/khhx.html