湍流型水平式APCVD反應器傳熱和流動特性的模擬研究與探索.pdf

1、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術是制備微電子和光電器件的關鍵工藝。當操作壓強為一個大氣壓時，工藝系統(tǒng)簡單，反應速率快，成本較低，此沉積過程稱為常壓化學氣相沉積(APCVD)。隨國家節(jié)能減排政策的實施和產業(yè)化要求的提高，系統(tǒng)操作壓強會由低壓升至常壓，且CVD反應器尺寸逐漸增大，此時內部流動會由被刻意維持的“絕對穩(wěn)定”的層流態(tài)轉捩為湍流熱對流。然而，由于湍流問題的復雜性和瞬時隨機性，相對于層流型反應器而言，相關研究很少。但是，由于湍流

2、型反應器內部傳熱量等參數(shù)在一段時問內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，非常有必要對湍流型反應器內部傳熱和流動特性進行研究。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）對流場和溫度場的影響，并對湍流型反應器內部流動和傳熱相互作用機制進行了分析。主要內容及創(chuàng)新成果如下:
　　 (1)建立湍流型水平式反應器模型后，通過模擬研究，發(fā)現(xiàn)較低Ra數(shù)下，反應器內由浮力對流和強迫

3、對流相互作用形成的縱向卷筒渦胞結構規(guī)則，反應器各截面沿橫向（Y軸）傳熱量分布呈正弦曲線分布。顯然，這樣的流場和溫度場不滿足均勻性要求。
　　 (2)基于對流動和傳熱相互作用機制的分析，增大Ra數(shù)，即浮力對流強度增大時，羽流分布隨機性增強，當對流進入軟湍流區(qū)后，羽流可以完全隨機分布，反應器內部橫向傳熱量在一段時間內的平均值比較均勻，從而可以獲得理想的薄膜。此外，改變入口速度，發(fā)現(xiàn)較大的Re數(shù)對羽流的隨機分布有一定的抑制作用，這會導