湍流型水平式APCVD反應(yīng)器傳熱和流動(dòng)特性的模擬研究與探索.pdf

1、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)是制備微電子和光電器件的關(guān)鍵工藝。當(dāng)操作壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓時(shí)，工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速率快，成本較低，此沉積過(guò)程稱(chēng)為常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)。隨國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施和產(chǎn)業(yè)化要求的提高，系統(tǒng)操作壓強(qiáng)會(huì)由低壓升至常壓，且CVD反應(yīng)器尺寸逐漸增大，此時(shí)內(nèi)部流動(dòng)會(huì)由被刻意維持的“絕對(duì)穩(wěn)定”的層流態(tài)轉(zhuǎn)捩為湍流熱對(duì)流。然而，由于湍流問(wèn)題的復(fù)雜性和瞬時(shí)隨機(jī)性，相對(duì)于層流型反應(yīng)器而言，相關(guān)研究很少。但是，由于湍流

2、型反應(yīng)器內(nèi)部傳熱量等參數(shù)在一段時(shí)問(wèn)內(nèi)的平均值可能趨于均勻，同樣可以生成比較均勻的薄膜，所以，非常有必要對(duì)湍流型反應(yīng)器內(nèi)部傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同Reynolds數(shù)（Re）和Rayleigh數(shù)（Ra）對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，并對(duì)湍流型反應(yīng)器內(nèi)部流動(dòng)和傳熱相互作用機(jī)制進(jìn)行了分析。主要內(nèi)容及創(chuàng)新成果如下:
　　 (1)建立湍流型水平式反應(yīng)器模型后，通過(guò)模擬研究，發(fā)現(xiàn)較低Ra數(shù)下，反應(yīng)器內(nèi)由浮力對(duì)流和強(qiáng)迫

3、對(duì)流相互作用形成的縱向卷筒渦胞結(jié)構(gòu)規(guī)則，反應(yīng)器各截面沿橫向（Y軸）傳熱量分布呈正弦曲線(xiàn)分布。顯然，這樣的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不滿(mǎn)足均勻性要求。
　　 (2)基于對(duì)流動(dòng)和傳熱相互作用機(jī)制的分析，增大Ra數(shù)，即浮力對(duì)流強(qiáng)度增大時(shí)，羽流分布隨機(jī)性增強(qiáng)，當(dāng)對(duì)流進(jìn)入軟湍流區(qū)后，羽流可以完全隨機(jī)分布，反應(yīng)器內(nèi)部橫向傳熱量在一段時(shí)間內(nèi)的平均值比較均勻，從而可以獲得理想的薄膜。此外，改變?nèi)肟谒俣?，發(fā)現(xiàn)較大的Re數(shù)對(duì)羽流的隨機(jī)分布有一定的抑制作用，這會(huì)導(dǎo)