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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：李**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：湖北 上傳時(shí)間：2022-02-08 格式：DOC 頁數(shù)：4 大小：20.50KB 積分：15 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、反應(yīng)室的均勻布?xì)夥治?#160;    在化學(xué)氣相沉積過程中，氣體的輸運(yùn)直接影響氣相之間及氣相與固相之間的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)氣相沉積過程的結(jié)果，如沉積的厚度均勻性、沉積的速度、反應(yīng)物的利用效率等，很大程度上依賴于反應(yīng)室內(nèi)流場(chǎng)的均勻性。近年來，CFD數(shù)值仿真技術(shù)已越來越多地應(yīng)用到設(shè)備的模擬和研究中來，為各種要求均勻流場(chǎng)的設(shè)備的開發(fā)與改進(jìn)提供有利的輔助工具，如L.Kadinski等1對(duì)MOCVD反應(yīng)室進(jìn)行數(shù)值模擬，楊真清等2對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧腔均流板進(jìn)行了CFD分析并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，劉奕、楊云柯等34對(duì)MOCVD反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，徐謙5等對(duì)反向流動(dòng)垂直噴淋式MOCVD反應(yīng)

2、器進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到反應(yīng)器最佳參數(shù)組合，左然等6對(duì)行星式CVD反應(yīng)器進(jìn)行二維數(shù)值模擬。H.Caquineau等7研究流場(chǎng)對(duì)PECVD放電均勻性影響。為了研究通過勻流板氣流的不同流動(dòng)效果，本文首先應(yīng)用流體力學(xué)相關(guān)理論得出布?xì)獍鍧u變孔尺寸，然后對(duì)不同設(shè)計(jì)方式的氣流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬和分析；同時(shí)也對(duì)布?xì)獍宓暮穸?、?dǎo)流板倒角角度、進(jìn)氣口到布?xì)獍宓木嚯x、進(jìn)氣管的直徑進(jìn)行優(yōu)化。1布?xì)庀到y(tǒng)氣流分布數(shù)學(xué)模型建立1.1勻流板漸變孔尺寸推導(dǎo)如圖1所示為PECVD布?xì)庋b置的截面示意圖。圖中，1為布?xì)夤蓿?為勻流板，3為進(jìn)氣管，氣流經(jīng)過3進(jìn)入等離子化學(xué)氣相沉積室，然后經(jīng)勻流板的小孔對(duì)氣流進(jìn)行勻流。已知進(jìn)氣管管口直徑

3、最小為0.50mm，試驗(yàn)的氣流為1000sccm，氣體的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度取20.1×10-6m2/s，計(jì)算可得雷諾數(shù)Re=vd/=211.2<2320，其中v為流體速度，為運(yùn)動(dòng)粘度，d為管徑（對(duì)于非圓形斷面的管道，以當(dāng)量直徑de進(jìn)行計(jì)算）。因此流體定義為層流。勻流板一般采用等直徑孔形式，為了得到均勻的布?xì)庑Ч?，可推算出漸變孔徑尺寸，與等直徑孔進(jìn)行比較。如圖2(a)所示，其中，氣流的總流量為Q，經(jīng)直徑為d的管道流入直徑為D的反應(yīng)室中，然后通過上面均布小孔的布?xì)獍澹谝蝗π】鬃陨淼陌霃胶偷街行牡木嚯x分別為r1'和r1，依此類推。勻流板下側(cè)和上側(cè)的壓力分布為P1和P2。假設(shè)勻流板孔

4、中心位置微單元如圖2(b)所示。設(shè)L為圓柱體的長(zhǎng)度，流體為定常流動(dòng)，可得：-dvdr=(P1-P2)r2L，將式取變量分離，并進(jìn)行定積分可得：由式（1）可知?dú)怏w進(jìn)入勻流板的速度與到勻流板中心的位置r有關(guān)，當(dāng)r=R時(shí)，氣流的速度為最小值0，當(dāng)r=0時(shí)，氣流速度最大為(P1-P2)4LR2。即速度的最大值與管的半徑R2、壓力梯(P1-P2)/L成正比。為了更好地實(shí)現(xiàn)均勻鍍膜，希望經(jīng)過勻流板孔的流量相同，即要求：Qn=Q1=Q2=Qn，設(shè)孔間距相等，即：l=l1,2=l2,3=ln-1,n=10mm，板的直徑D=173mm，從而可以得到用內(nèi)向外七圈孔的直徑分別為：0.50mm,0.51mm,0.54

5、mm,0.56mm,0.62mm,0.70mm,0.86mm。1.2數(shù)學(xué)模型的建立本文對(duì)下列4種不同條件進(jìn)行模擬分析。（1）考察不同勻流板開孔模型對(duì)氣流均勻性的影響：中心不開孔漸變孔、中心開孔等直徑孔、中心不開口等直徑孔模型。（2）其它參數(shù)不做修改，考察氣流入口到布?xì)獍宓木嚯x對(duì)氣流的影響。（3）進(jìn)氣管出口端直口進(jìn)氣與喇叭口設(shè)置以及喇叭口的傾斜角對(duì)氣流的影響。（4）其它結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，反應(yīng)室中壓強(qiáng)的變化對(duì)氣體流動(dòng)的影響。由于計(jì)算的是內(nèi)部氣流的流動(dòng)，在做前處理模型時(shí)，只對(duì)設(shè)備內(nèi)部空間進(jìn)行建模。模型的氣體入口半徑為0.5mm，進(jìn)氣速率為1m/s，室內(nèi)壓強(qiáng)為133Pa，氣體的溫度為600K。結(jié)合

6、反應(yīng)室內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)狀況，認(rèn)為反應(yīng)室內(nèi)氣體滿足連續(xù)流體假設(shè)和理想氣體狀態(tài)方程。PECVD反應(yīng)室內(nèi)氣體流場(chǎng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、反應(yīng)組分的質(zhì)量守恒方程。選擇二維軸對(duì)稱幾何條件，連續(xù)方程寫成：鄣鄣t+鄣鄣x()+鄣鄣(v)+vr=Sm（2）式中，為流體的密度，t為時(shí)間，x是軸向坐標(biāo)，r是徑向坐標(biāo)，u和v分別是軸向和徑向速度分量。本文以非晶硅薄膜沉積為例，氣體是SiH4和H2混合物，所以屬于牛頓流體的范圍。同時(shí)氣體流體屬于可壓縮氣體，則氣體的能量方程可寫為：鄣鄣t(E)+鄣鄣xi(ui(E+p)=鄣鄣xiKeff鄣T鄣xi-jhjJj+ujijeff+Sh（3）式中,K

7、eff為導(dǎo)熱系數(shù)，Jj是組分j的擴(kuò)散通量，T是溫度，uj是氣體的粘度，p為靜壓。方程右邊的前三項(xiàng)分別是導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性的耗散項(xiàng)。其中E=h-p+ui22。對(duì)于理想氣體,焓定義為：其中cj為組分j的體積濃度，cj是該組分的質(zhì)量濃度。上式中左側(cè)第一項(xiàng)、第二項(xiàng)、右側(cè)第一項(xiàng)和第二項(xiàng)，分別稱為時(shí)間變化率、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)Sj，Dj為該組分的擴(kuò)散系數(shù)。動(dòng)量守恒方程的計(jì)算，對(duì)于慣性坐標(biāo)系的任意方向下，i方向的守恒方程可以寫為：公式（2）（5）描述了混合氣流在反應(yīng)室內(nèi)部流動(dòng)情況的控制方程，通過以上描述，只要給定初始條件，如入口的流體壓力、速度和出口壓力等，再加上邊界條件，就可對(duì)以上方程組來求解。1

8、.3網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定由于模型完全對(duì)稱，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可計(jì)算經(jīng)過入口、出口截面的流場(chǎng)，該平面即可反映出模型流場(chǎng)分布情況。對(duì)反應(yīng)室內(nèi)計(jì)算區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并定義邊界。對(duì)流場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)梯度變化較大的地方、靠近布?xì)獍甯浇?，利用網(wǎng)格自適應(yīng)功能進(jìn)行局部加密，其截面網(wǎng)格如圖3所示，單元數(shù)目為92740，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為46975。模擬進(jìn)氣參數(shù)：載氣為H2和SiH4，其中SiH4的含量為5%。進(jìn)氣速率1m/s，氣體進(jìn)氣的溫度300K，反應(yīng)室內(nèi)壓強(qiáng)133Pa，根據(jù)上述的工藝參數(shù)設(shè)定邊界條件如下：（1）入口邊界條件：根據(jù)質(zhì)量守恒定律和過流斷面平均流速的假設(shè)確定反應(yīng)器進(jìn)口的軸向速度，入口速度的大小由氣體流量確定。

9、（2）出口邊界條件：由于反應(yīng)器出口離加熱器的距離較遠(yuǎn)，因而在氣體的出口處氣流達(dá)到完全發(fā)散，所以設(shè)置時(shí)采用壓力出口邊界條件。（3）壁面邊界條件：反應(yīng)器壁面邊界處于壁面的阻擋和摩擦，因而使用無滑移條件，即任何方向速度均為0。本文采用控制容積積分法得到控制方程的差分方程，運(yùn)用SIMPLE求解耦合的動(dòng)量、能量及反應(yīng)組分的質(zhì)量輸運(yùn)方程。2仿真結(jié)果及分析2.1勻流板氣流模擬結(jié)果及對(duì)比分析模擬分析等直徑孔（中心開孔、中心不開孔）與漸變孔勻流板的不同氣流效果。首先由圖4可以看進(jìn)口量為0.204725kg/s，出口流量為-0.20488kg/s，近似滿足流量守恒的原則，因此計(jì)算結(jié)果收斂。圖5(a)為勻流板中間開

10、孔情況下的模擬結(jié)果。勻流板正對(duì)進(jìn)氣口布孔，氣流的最大速度達(dá)到了0.5m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍的氣流速度，因此必然對(duì)沉積薄膜造成沖擊，大大影響氣流的均勻性。不僅如此，中間氣流過大也會(huì)造成周圍的氣流速度降低，這對(duì)均勻沉積薄膜十分不利，而且中間開孔位置襯底處的薄膜，會(huì)因?yàn)榭椎臍饬鬟^大，受到氣流沖擊而影響質(zhì)量。由圖5(b)可知，漸變孔開孔使得氣流的入口氣流很小，可解決氣流對(duì)薄膜的沖擊問題；而且遠(yuǎn)離中心處氣流速度明顯比圖5(a)中的氣流速度大，所以在相同的入口氣流的情況下，漸變孔的設(shè)計(jì)很好地彌補(bǔ)了氣流分布的不均勻。圖5(c)是現(xiàn)有裝備中使用的直徑相同且中間不開孔氣流場(chǎng)模擬效果圖。這種開孔方式，在一定程度上也

11、能達(dá)到氣體的均勻性，但是在徑向上由于沒有氣流補(bǔ)償，均勻布?xì)饷娣e受到一定限制。圖5(d)是三種布?xì)夥绞降某隹跉饬髑€比較分析圖，曲線1代表的是中心開孔的布?xì)夥绞?，曲線2是代表中心不開孔等直徑孔的布?xì)夥绞?，曲線3則是漸變孔的布?xì)夥绞??？梢钥闯觯€3能保證更大面積上的布?xì)饩鶆蛐浴?.2入口距離對(duì)氣流均勻性的影響計(jì)算參數(shù)采用小孔直徑d=0.5mm，等間距l(xiāng)=10mm，中間無開孔，入口直徑到布?xì)獍寰嚯x為L(zhǎng)，氣流為（H2=60sccm，SiH4=5sccm），p=133Pa，T=180+273=453K，入口距離分別采用L=1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm。部分模擬結(jié)果如圖6所

12、示。由于L=1.5mm與L=2.5mm模擬結(jié)果變化不大，所以圖6中只列出后4種情況。由圖中可以看出，進(jìn)氣入口到布?xì)獍宓木嚯x越近，則與布?xì)獍遄矒魰r(shí)，處于射流剛度比較大的位置，這樣就使靠近進(jìn)氣口的氣流速度比較大。但是如果進(jìn)氣口距離板的距離過大，如圖6(d)中L=5.5mm時(shí)，此時(shí)氣流與布?xì)庋b置相遇時(shí)，由于進(jìn)氣速率過小，反而會(huì)造成中間位置的成膜速率過小。為了更方便觀察回流現(xiàn)象，可參考圖7，可以看出，隨著入口距離的增加，最大速度逐漸減小，相對(duì)成膜速率也會(huì)減小。其主要原因是隨著入口距離的增加，回流現(xiàn)象越來越小。由于L=2.5mm與L=3.5mm模擬結(jié)果變化不大，所以這里只分析后3種情況。在L=3.5mm

13、和L=4.5mm時(shí)候均發(fā)生回流現(xiàn)象，但后者相對(duì)回流小，L=5.5mm時(shí)則基本沒有回流產(chǎn)生，但是這時(shí)由于入口氣流速度過小，造成氣體較大面積的波動(dòng)。從上面分析可知，隨著氣體入口到布?xì)獍寰嚯x的增加，中間位置處的流速逐漸下降。由于在PECVD設(shè)備中，進(jìn)氣流速度較小，為了使氣流在徑向上保證均勻，必須設(shè)法提高中間氣流的速度，所以進(jìn)氣距離不能過大。但如果進(jìn)氣口到布?xì)獍寰嚯x過小，則中間氣流的速度會(huì)過大，容易形成回流，增加了氣流的不穩(wěn)定性。所以選擇距離4.5mm為最佳。2.3入口形狀對(duì)氣流均勻性的影響進(jìn)氣管入口形狀主要是指入口氣流進(jìn)氣角度，進(jìn)氣角度的不同，對(duì)氣流的均勻性擴(kuò)散起關(guān)鍵作用。氣體流經(jīng)直徑5mm的管道，

14、從管道流出后則成為一股射流，射流與布?xì)獍遄矒艉罂赡苄纬苫亓?，而回流則會(huì)增加氣體流動(dòng)的不穩(wěn)定性。設(shè)備參數(shù)如下：小孔直徑d=0.5mm，等間距l(xiāng)=10mm，中間無開孔，入口直徑到布?xì)獍寰嚯x為L(zhǎng)=4.5mm，進(jìn)氣速度為v=65sccm（H2=60sccm，SiH4=5sccm），p=133Pa，T=180+273=453K。圖8中(a)、(b)、(c)分別為直口進(jìn)氣方式、入口角度45°進(jìn)氣方式、入口角度60°進(jìn)氣方式出口曲線圖和氣流流動(dòng)效果圖。由圖中可以看出：氣體垂直進(jìn)氣方式回流較小，隨著進(jìn)氣角度的增加，氣體回流越來越嚴(yán)重，影響氣體均勻性，因此選擇垂直進(jìn)氣方式。直口垂直進(jìn)氣可以相

15、對(duì)提高出氣速度，現(xiàn)在設(shè)備中為了保證鍍膜的均勻效果，進(jìn)氣速度都比較低。從圖8(a)、(b)、(c)的出口曲線速率比較中也可以看出，后兩種的回流較嚴(yán)重，主要原因是采用喇叭口使得氣流的初始速度降低。由于PECVD設(shè)備中氣流速度相對(duì)很小，當(dāng)采用喇叭口進(jìn)氣時(shí)，氣流的速度過低，會(huì)出現(xiàn)大面積的回流現(xiàn)象?；亓鞯漠a(chǎn)生會(huì)使速度的波動(dòng)程度更大，因此如果設(shè)備中的氣流速度較大時(shí)，可以考慮喇叭口進(jìn)氣的方式。2.4壓強(qiáng)對(duì)氣流均勻性的影響本節(jié)分析其它結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，反應(yīng)室中壓強(qiáng)的變化對(duì)氣體流動(dòng)的影響。參數(shù)設(shè)置為：小孔直徑d=0.5mm，等間距l(xiāng)=10mm，中間無開孔，入口直徑到布?xì)獍寰嚯x為L(zhǎng)=4.5mm，氣流為（H2=60sccm，SiH4=5sccm），T=180+273=453K。為了研究壓強(qiáng)對(duì)氣流均勻性的影響效果，采用將系統(tǒng)中的壓力倍數(shù)增大的形式，分析出口氣流速率的變化。壓強(qiáng)p分別為133Pa,266Pa,399Pa，1000Pa時(shí)，出口氣流的速度曲線如圖9所示。由圖可以看出，相對(duì)來說，壓強(qiáng)對(duì)氣流均勻性的影響不是很明顯，隨著壓強(qiáng)的增加，氣流的波動(dòng)會(huì)略有增加，主要是由于回流現(xiàn)象變得嚴(yán)重。所以在鍍膜過程中，應(yīng)盡量減小壓強(qiáng)，在