金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)是制备半导体器件、金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜材料的一种技术。该技术制备的薄膜材料主要应用于微电子和光电子领域,因此对薄膜材料的质量、厚度的均匀性等要求非常严格,而影响其质量和厚度的一个重要的因素是反应过程中复杂的气体流动和传热问题。由于制备薄膜的反应器中气体流动具有复杂和不可观测的特点,国内对MOCVD反应器内部流场和温度场的研究只处在起步阶段。因此,对MOCVD反应器内部流动进行数值计算,掌握其内部真实流动规律是十分有必要的。 本文简要介绍了国内外MOCVD研究现状,阐述了MOCVD系统的组成及其反应室的分类。结合行星式反应器和双气流MOCVD反应器的特点,并根据MOCVD制备薄膜的基本理论,课题组设计了具有三个不同直径嵌套式进口管路的MOCVD反应室装置,同时考虑了调整进口与加入器表面之间相对距离和加热器旋转等因素的影响。 根据反应器结构,建立了轴对称反应器的数学模型。应用Gambit流体力学专业软件对该MOCVD反应器实施网格划分,并建立了二维差分网格。借助商用CFD软件Fluent将控制方程在网格节点上进行离散化,运用压力耦合方程的半隐式算法(SIMPLE)求解连续性方程,动量及能量的守恒方程。 以反应器内部压强,进口管路末端与加入器表面距离,进口管路流量,反应器上壁面边界条件以及加热器旋转速度为五个分析参数,分别讨论了改变其中任意一个参数的条件下流场、温度场和浓度场的最优模拟工况。模拟分析得出在低压、进口与加热器表面距离相对较小、内两层的进口流量相同以及在一定的旋转速度条件下的流场和温度场分布更适合制备薄膜的要求。 通过本文模拟结果与国外学者实验测量结果的对比分析,进一步验证了模拟结果的正确性,从而为制备高质量的薄膜材料提供依据。