[大尺寸MOCVD加热器的模拟仿真] 驻车加热器尺寸

　　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
　　中图分类号TK124 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0083-03
　　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：
　　流体方程：
　　上式中ρ为密度，Cp为比热，T为温度，k为材料热导率，Q为电阻发热，u为气体流速，η为气体粘度系数，p为腔体压力。
　　辐射换热模型如图1所示。假设所有参与辐射的材料均为灰体，表面辐射能量包括与本体温度有关的自身辐射和对其他表面辐射的反射：
　　上式中G为入射能量，J为发射能量，ρ为反射率， ，ε为材料表面发射率。则表面吸收的热流密度为：
　　对流换热边界：边界对流换热系数由Nu数决定：
　　上式中C’由几何形状决定，Gr为格拉霍夫数，Pr为普朗特数，h为对流换热系数，k为流体热导率，L为特征长度，n取层流时系数0.25。模拟时主要关注温度稳定时的均匀性，为减少计算量，使用稳态模型求解。
　　2 BDS反应腔体结构模型
　　由广东昭信半导体装备制造有限公司研制的具有自主知识产权的BDS反应腔体如图2所示
　　注：1. Schematic cross-section of the BDS reactor: （1）water cooling; （2） central NH3 and carrier gas;（3）central TMGa and carrier gas; （4）outside NH3 and carrier gas; （5）spray TMGa and carrier gas; （6）buffer plate; （7）showerhead injector nozzles; （8）susceptor; （9）substrate; （10） heater; and （11） exhaust.
　　腔体为轴对称结构，反应气体通过中心三路及喷淋一路进入反应腔体，尾气从石墨盘四周被抽走。
　　本文仿真模型里主要包括：腔体壁面、石墨载片台、石英整流罩、电阻片、加热器反射板，并将中心三路入口简化为一路，将密集喷淋简化为间距15mm的环形气体入口。零件全部为轴对称结构，且实际运行过程中具有石墨盘旋转运动，因此采用二维轴对称模型计算。模型结构如图3所示。其中石墨盘直径D=400mm，石墨盘距喷淋高度12mm。
　　建立几何模型后设定材料区域和属性，设定边界条件和载荷、划分网格。先进行流场分析，再将流场数据带入进行热场与流场的耦合分析。模拟时首先固定一组最典型的流体参数环境。并通过调节不同区域的加热器功率，得到需要的石墨盘表面温度分布曲线。生长GaN的最高温度范围在1 000℃~1 100℃[2，6]，因此以这个温度段为石墨盘表面的目标温度。流场边界取生长时的典型值：中心入口气体流量20L/min，喷淋气体流量60L/min，吹扫气体流量5L/min。出口压力20 000Pa。材料物理参数参考文献[7-11]。
　　3 DBS反应腔体内石墨盘表面温度分布
　　3.1 单区加热的石磨盘表面温度分布
　　假设加热器电阻片均匀分布，单电源供电，则每片电阻片发热功率相同。图4、图5给出单区加热石墨盘表面温度分布曲线及热流走向图。
　　从图中可以看出，整个石墨盘面的散热环境比较复杂，在1 350K左右的高温下，如果只是单区加热，石墨盘表面的温度非常不均匀，相差在100K以上。由于中心入口结构和气流的影响，石墨盘中心处散热较强，温度偏低。石墨盘外缘由于表面积大，辐射、对流换热均较中部强，因此温度低。
　　3.2 三区加热的石磨盘表面温度分布
　　根据上述模拟情况，将加热器分为A、B、C三个区，使用不同的电源供电，提供不同的功率密度。这样可以单独增大A、C区的功率以弥补中心和边缘过大的热量损失。尝试不同的划分区域方法，找出了一种使温度均匀性在±1K以内的区域最大的分区方式，如图6所示。图6同时给出了石墨盘表面调整后的温度分布和分别增大A区、C区功率后的温度分布。
　　由上图可见，将电阻片分为三区后，可以有目的单独增大中心与边缘区域的加热功率，补偿其过大的热量损失，显著增大了温度均匀的有效区域，使温度在±1K范围内的区域大约为45mm~159mm。由另外两条曲线可以看到，继续增大A或者C区功率后，温度峰值位于两个加热区域交界处。也就是说，相邻两个加热区对石墨盘的加热效果在交界处发生耦合，这就使A、C区功率的提高受到限制。
　　3.3 解除耦合后三区加热的石磨盘表面温度分布
　　需要增大温度均匀的有效区域面积就必须解除这种耦合作用。由于受到电阻片加工工艺以及加热器下部电极复杂结构的限制，结构上可以实现的改动有限，因此采用最简单的增大相邻两区之间间距的方法，去除相邻连个加热区之间的耦合。改进后结构如图7所示。图7同时给出改进前后，石墨盘表面温度分布对比曲线。
　　从温度分布对比曲线可以看出，改进后，温度有效区域显著扩大，±1K范围内的区域由原来的46mm~159mm扩大到25mm~176mm，具体对比数据如表1所示。比例中的总面积按照石墨盘去除倒角后平整表面面积计算，R=185，A=107 466.5mm2。
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　　3.4 不同温度段下的温度均匀性
　　分别调节各区加热器功率，使石墨盘表面温度分别在470K、770K、1 070K、1 360K保持均匀。温度分布曲线如图8所示。可以看出，此种三区加热方式，能够很好的适应各个温度段。
　　以±1K为标准，不同温度段石墨盘表面有效面积的比例如表2所示。可见，温度越低，越容易大面积的保持石墨盘表面的温度均匀性，在470K时可以使有效区达到100%，且此时整个盘面温度不均匀性在±0.2K以内。
　　3.5 不同流场环境下的温度均匀性
　　改变模拟的气体入口流量，在典型的气体入口流量附近模拟几种较典型和极端的流场环境。对比在石盘表面温度1 360K时，温度有效面积，数据如表3所示。模拟证明，在不同的流场环境下，只需要调节三区加热功率，即可在大范围的流场变化条件下，调整石墨盘表面的温度均匀，有效范围几乎没有变化。
　　4 结论
　　1）对大尺寸MOCVD设备BDS反应腔体的温度流体耦合建模仿真分析分析，尽可能多的考虑各种换热方式，使模拟结果接近真实；
　　2）拆分加热器为三个区域，模拟结果表明三区加热能平衡中心和四周过大的散热强度；
　　3）由于相邻两区加热器之间的耦合作用，使得石墨盘温度均匀区域受限，采用调整分区间距的方法去除耦合，使得温度在±1K范围内的石墨盘温度有效面积由67.7%增大到88.7%；
　　4）此种加热器结构能够很好的适应很大范围的流场变动，并且在不同温度段均有很好的表现。
　　
　　参考文献
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　　[6]罗小兵，詹少彬，徐天明，王晟，王卫星，甘志银，刘胜.MOCVD加热方式对比研究[D].第十届全国MOCVD学术会议论文集，2007.
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