MOCVD反应腔中蓝宝石片温度均匀性研究

摘要 蓝宝石片高温翘曲且半透明，本文利用Comsol Multiphysics流体与传热模块耦合的有限元方法对本公司和另一常见MOCVD 反应腔体和加热器进行高温环境的稳态建模，考虑了翘曲导致的导热不均匀以及耦合了参与介质的辐射。研究了蓝宝石片表面的温度稳态情况，评估了不同腔体和加热器结构温度均匀性在±1K以内的均温效果。

关键词 MOCVD；有限元模拟；蓝宝石衬底；温度均匀性

中图分类号O613 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）83-0108-03

0 引言

随着金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 国产产业化的步伐的推进，MOCVD 设备越来越向着单炉产量扩大的方向发展，这就要求单炉所能承载的蓝宝石片数量增多或者尺寸的增大。由于良好的温度均匀性是MOCVD外延薄膜少缺陷生长的关键因素之一[1]，故关于反应腔中温度分布的研究，从仿真到实验，从小尺寸到大尺寸都进行过充分的研究[1-3]，目前关注的重点在于石墨盘表面温度的控制。但关于直接影响外延生长的蓝宝石衬底表面温度的研究报道尚未发现。同时，工艺工程师凭经验分析，石墨盘表面温度与蓝宝石衬底温度有20℃的温差，此评估急需验证。

由于MOCVD中石墨盘和蓝宝石衬底上温度的测定是靠在线测试仪测定，且目前测温结果是多点的平均值，并未区分石墨盘和蓝宝石衬底，故实验的方法暂时无法验证。然而，已经很成熟的流体传热耦合建模仿真方法可以有效的验证其温度分布并揭示其中的规律。但早期研究中只关注石墨盘表面温度的建模方式不能很好的反映蓝宝石片表面的温度情况，且蓝宝石片高温翘曲且半透明的特性需要重新考虑建模方法。本文提出考虑翘曲导致的导热不均匀以及耦合参与介质的辐射的新模型，其能够很好的反应蓝宝石片表面的温度稳态情况。同时，对比两种不同的腔体和加热器结构，能进一步验证不同结构的稳定性。

1 理论基础

由于蓝宝石片存在尺寸上的偏差、弯曲和翘曲，将影响温度的分布，同时由于其具有透光性，属于参与性介质的传热模型。

1.2 参与介质的辐射传热

2 模拟模型建立

本模型限于计算条件的影响，采用先整体后局部的计算方法。整体使用二维模型计算，将整体的温度场计算出来后，选取蓝宝石局部一定范围内的实体构建三维模型，采用整体二维模型中相应位置的温度数据作为其边界条件。这样的计算不仅大大节省计算资源，并能保证一定的计算精度。最后用薄层热阻模型模拟由于翘曲等因素导致的气体间隙的影响。

2.1 整体二维模型

2.2 局部三维模型

3 蓝宝石片表面温度分布

通过以上三组模型的建立，主要对比两种不同的腔体和加热器结构，进一步验证不同结构的稳定性。同时，考虑翘曲导致的导热不均匀以及耦合参与介质的辐射对于蓝宝石片表面的温度分布的影响。

3.2 局部三维模型下蓝宝石片表面温度分布

由图中数据可知，蓝宝石片上温度差在2.5℃以内，与所承载的石墨盘温度差为2℃，并且其一个方向上温度对称，边缘温度较片心温度低1℃左右，此数据与二维模型吻合。如果考虑蓝宝石半透明特性的研究下，关于工艺工程师凭经验分析，石墨盘表面温度与蓝宝石衬底温度有20℃的温差的疑虑在此可以排除。

3.3 考虑翘曲影响蓝宝石片表面温度分布

4 结论

由以上研究可以得出：

1）由于导热系数和表面发射率的较大差异，考虑与不考虑蓝宝石片的建模方法对于有效区域有较大影响，其中主要影响AC区边缘。同时，也反映出DBS腔体相对另一腔体有显著的均温效果；

2）石墨盘表面温度与蓝宝石衬底温度有2℃~3℃的温差，关于20℃的温差的疑虑在此可以排除；

3）蓝宝石片翘曲度改变10倍，温度变化1℃以内，翘曲与温度的关系可以忽略，但是翘曲与化学反应和晶体生长间的关系还需要进一步考虑。

关于如何更好得拓展AC区有效温度区间的研究将进一步深入，拟进行增加辅助反射板或者石墨盘上开槽等研究，并且，进一步进行实验研究。

参考文献

[1]陈倩翌，甘志银，胡少林.大尺寸MOCVD加热器的模拟仿真[J].科技传播，2011，1(上)：83 -85.

[2]钟树泉，任晓敏，王琦，等.MOCVD反应器热流场的数值模拟研究[J].人工晶体学报，2008，37(6)：1342-1348.

[3]Fotiadis D I，Kremer A M，Mckenna D R，et plex Flow Phenomena in Vertical MOCVD Reactor:Effects on Deposition Uniformity and Interface Abruptness [J].Journal of Crystal Growth，1987，85：154-164.

[4]于帆，张欣欣，高仲龙.圆筒形半透明介质内非稳态复合导热与辐射的研究[J].工程热理学报，1997，18(4)：464-468.

[5]三重气流金属有机物化学气相沉积设备反应腔体[P].中国.实用新型专利，ZL200720073747.5.2008.

[6]陆煜，程林.传热原理与分析[M].北京，科学出版社，1997：506-515.

[7]茹磊，叶宏.采用辐射热阻网络法对热光伏系统热分析[J].太阳能学报，2010，31(1)：50-55.