大尺寸方形载板MOCVD反应腔分气和薄膜沉积过程影响因素的数值模拟研究.pdf
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1、真空VACUUM大尺寸方形载板MOCVD反应腔分气和薄膜沉积过程影响因素的数值模拟研究*于大洋1,吴改2(1.武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072;2.武汉大学工业科学研究院,湖北武汉430072)摘要:介绍了适用于光伏行业砷化镓(GaAs)薄膜电池制备所需的大尺寸方形载板金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应腔的多级分气系统,以及该反应腔结构设计过程中的核心参数:喷淋盘孔尺寸、载板与喷淋盘间距(简称“腔室间距”)。基于自研的容量为 364 寸的 MOCVD 反应腔模型,应用计算流体力学(CFD)方法,同时考虑 GaAs 沉积过程中的气相反应和表面反应,对不同孔参数和腔室间距时的气流分
2、配和薄膜化学气相沉积过程进行了数值模拟。考察了跨孔压差与气流量分配均匀性的关系,以及腔室间距对反应区气体流动以及 GaAs 薄膜沉积的影响。结果表明:初级“蜘蛛”形分气盘将主进气口分配成 64 个子进气口后的分气均匀性较好,质量流量值波动幅度仅为 0.22%;增加喷淋盘孔深度可缓慢且线性提高孔压差,而缩小孔径对于压差的增加非常迅速;增加喷淋盘孔压差可提高次级分气均匀性,但提升效果趋缓;大腔室间距下的沉积速率低,且均匀性差;随着腔室间距缩小,沉积速率持续增加的同时,沉积均匀性先变好,后逐渐由于气流震荡而变差。关 键 词:金属有机化学气相沉积;砷化镓;数值模拟;气体分配中图分类号:TK72;TB4
3、3文献标识码:A文章编号:1002-0322(2024)02-0022-07doi:10.13385/ki.vacuum.2024.02.04Numerical Simulation of the Influence of Gas Distribution and Film Deposition Process inMOCVD Reactor with Large-sized Square CarrierYU Da-yang1,WU Gai2(1.School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,C
4、hina;2.The Institute of Technological Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:The multistage gas distribution system of large-sized square carrier metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD)for the preparation of gallium arsenide(GaAs)thin film in the photovoltaic industry is introd
5、uced.The core parameters in the designprocess of the reactor structure,such as the size of the showerhead hole and the spacing between the showerhead and carrier(chamber spacing)are discussed.Based on a self-developed MOCVD reactor model with a carrier of 364 inches wafers,thecomputational fluid dyn
6、amics(CFD)method and the gas reaction and surface reaction during GaAs film deposition were used tosimulate the gas distribution and chemical vapor deposition(CVD)process with different parameters and chamber spacing.Therelationship between cross-orifice pressure difference and gas flow distribution
7、 uniformity,and the effect of chamber spacing on gasflow and GaAs film deposition were investigated.The results show that after the primary spider plate divides the main gas inlet into64 sub-gas intakes,the gas distribution uniformity is better,and the fluctuation amplitude of mass flow rate value i
8、s only 0.22%.Increasing the hole depth of the showerhead increases the hole pressure difference slowly and linearly,while reducing the holediameter increases the pressure difference very quickly.Increasing the hole pressure difference of the showerhead can improve theuniformity of secondary gas sepa
9、ration,but the lifting effect is slow.The deposition rate is low and the uniformity is poor at largechamber spacing.With the decreasing of the spacing and the increasing of deposition rate,the deposition uniformity becomes betterat first,and then becomes worse gradually due to the turbulence of gas
10、flow.Key words:MOCVD;GaAs;numerical simulation;gas distribution收稿日期:2023-08-11作者简介:于大洋(1982-),男,山东五莲人,博士生,高级工程师。通讯作者:吴改,副研究员。第 61 卷第 2 期2024年3月Vol.61,No.2Mar.2024第 2 期于大洋,等:大尺寸方形载板 MOCVD 反应腔分气和薄膜沉积过程影响因素的数值模拟研究金属有机化学气相沉积(Metal-organic ChemicalVapor Deposition,MOCVD)是化合物半导体领域中制备异质结、量子阱等低维结构的主要手段,广泛应用
11、于砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等薄膜的 外 延 沉 积。MOCVD 反 应 腔 是 发 光 二 极 管(Light Emitting Diode,LED)、光伏、射频器件等行业最核心环节外延片生长的关键设备。目前国内商业量产 MOCVD 设备的供应商主要来自德国 AIXTRON 和美国 Vecco,市场被高度垄断。在光伏行业中,GaAs 薄膜太阳能电池具有高吸收率、材料带隙(1.42 eV)与太阳光谱匹配度高以及工作温度范围广等优势,一直是薄膜太阳能电池市场的研究热点1-3。与其他薄膜太阳能电池相比,GaAs 薄膜太阳能电池能做到更加轻薄,具有目前最高的光电转换效率,且可塑性强4-6。
12、一般来说,GaAs 薄膜电池需要制备成方形后进行矩阵式组合,以最大化利用对光能的吸收效率。但是目前包括国外在内的可以沉积GaAs 薄膜的 MOCVD 反应腔基本上都是圆形基片和圆形载板,改造成放置方形基片会造成产能的严重浪费,成本也非常高昂。此外,MOCVD作为重要的半导体设备,其国产化研究近年来越发受到重视。一直以来,计算流体力学(Computational FluidDynamics,CFD)结合反应动力学方法在 MOCVD反应腔的研发中发挥着重要作用,国内外也有大量关于 MOCVD 反应腔数值模拟研究的文献报道。左然等通过反应动力学分析与数值模拟方法研究了垂直转盘式 MOCVD 反应腔中
13、 GaN 化学反应路径的影响,对 GaN 的反应机理、影响生长的因素以及反应腔的设计等方面做了大量的研究工作7-9。Tsai 等通过数值模拟研究了行星式旋转载板 MOCVD 反应腔的温度分布10。Vecco 公司利用实验设计(Design of Experiment,DOE)方法结合 CFD 数值模拟详细设计了腔室等的关键尺寸,并对 GaN 的生长工艺参数进行了优化11-12。但是国内外针对适用于光伏行业的大尺寸方形载板 MOCVD 反应腔的相关研究还鲜有公开发表。因此,本文基于自研的大尺寸方形载板MOCVD 反 应 腔 模 型,以 及 已 有 的 相 关 工 作 基础13-14,在考虑 Ga
14、As 沉积过程中的气相反应和表面反应的基础上应用 CFD 数值模拟方法,研究了硬件设计相关的重要参数,包括分气结构、喷淋盘、载板与喷淋盘间距(以下简称“腔室间距”)等对匀气和 GaAs 薄膜沉积过程的影响。1模型简化图 1 为可以放置 364 寸方形基片载板的全尺寸 MOCVD 反应腔进气结构三维模型和经过简化后用于仿真计算的模型。MOCVD 反应腔主要结构包括腔体、进气结构、载板、加热组件和抽气结构,其中大尺寸方形载板和喷淋盘(Showerhead)需要覆盖的长度超过 860 mm。本文重点研究进气结构,其主要包括“蜘蛛”分气盘、匀气腔和喷淋盘。初级分气结构“蜘蛛”盘有 4 级流道,其逐级向
15、下扩展等分成 4 份,总共形成 256 个支路,该结构将从中心进气口均匀分成 256 个子进气口,即划分了 256 个子进气单元,接下来通过每个子进气口的气体会继续向下游注入匀气腔中扩散开,然后再穿过次级分气结构喷淋盘上数千个小而深的圆孔喷射进入反应区。考虑到整体的结构非常复杂,而且“蜘蛛”盘呈轴对称,反应腔呈现局部周期性,因此在本文的仿真中,对“蜘蛛”盘的分气研究使用 1/4 模型,对喷淋盘小孔的优化设计和腔室间距的影响研究则简化使用 1/32模型。图 1自研 MOCVD 三维几何模型:(a)1/2 实际模型,(b)仿真计算用的 1/4 模型,(c)简化后仿真计算用的 1/32 模型Fig.
16、13D geometric model of the self-developed MOCVD reactor:(a)half actual model of the reactor;(b)one-fourth fluid model of thereactor;(c)simplified one in thirty-two fluid model of the reactor2数值计算方法及设置2.1控制方程与反应动力学模型本研究中建立的输运和反应动力学模型是 23真空VACUUM第 61 卷基于一组非线性的、耦合的组分输运方程,这些方程考虑了具有温度依赖性的可压缩气体中的质量、力矩、热量和
17、质量传递。连续性和动量守恒方程如下:()v =0(1)()v v =v+()v T-23()v I-p+g(2)式中:为密度;v 为气体流动速度;p为压力;g为重力加速度;T 为温度。流动计算中的能量方程如下:Cp()v T=()T+hJi+Sh(3)式中:Cp为定压比热容;为热导率;h和Ji分别为焓和质量通量;Sh为热源项。认为包含载气和反应源气的混合气体符合理 想 气 体 定 律。利 用 动 力 学 理 论 和 Chapman-Enskog 拟合计算各组分的黏度、热导率和质量扩散率15。表 1 所示仿真使用的 Lennard-Jones 参数来源于 CHEMKIN 数据库和 Reid 等给
18、出的经验关系16。表1仿真使用的Lenard-Jones参数Table 1Lenard-Jones parameters used in the simulation组分Ga(CH3)3Ga(CH3)2GaCH3AsH3AsH2AsHH2N2(/k)/K378.2675.8972.7259.8229.6199.338.097.5/5.525.224.924.154.184.222.923.62由于本研究的目的是通过对各种硬件参数的敏感性分析来指导和优化硬件设计,因此使用了简化的 GaAs 化学反应沉积模型。假设工艺气体被均匀地分解成中间体,然后中间体在表面反应形成固体薄膜。采用的三种气相反应和
19、六种表面反应模型如表 2 所示17。应用 Arrhenius 公式的层流有限速率模型计算组分输运方程中的化学源项,忽略湍流波动的影 响。作 为 源 项 的 化 学 反 应 速 率 k 可 以 用Arrhenius 方程计算:表2仿真使用的化学反应模型Table 2Chemistry reaction model used in the simulation化学反应式气相反应表面反应Ga(CH3)3Ga(CH3)2+CH3Ga(CH3)2GaCH3+CH3CH3+AsH3AsH2+CH4Ga(CH3)3+SG GaCH3*+2CH3Ga(CH3)2+SG GaCH3*+CH3GaCH3+SG G
20、aCH3*AsH3+SA AsH*+H2AsH2+SA AsH*+HGaCH3*+AsH*GaAs+CH4+SA+SGA/s-13.5 10158.7 1073.9 10101 10148.0 1027Ea/(kJ mol-1)2.47 1051.481056.9103401.2104k=Aexp(-EaRT)(4)式中:A 为指前因子常数;Ea为活化能;R为普适气体常数;T为基片温度。TMGa 分解速率的指前因子参考了 Sugiyama等18的测量结果。TMGa 和 AsH3生长 GaAs 的反应路径借鉴了 Mountziaris 等19提出的模型。2.2典型工况、边界条件设置及网格利用计算
21、流体动力学软件 ANSYS FLUENT 对上述化学反应模型的控制方程进行求解。在具有周期性的反应腔仿真中,1/32 模型的两侧设置周期边界,其他壁面假设温度分布均匀,分别给定不同温度。由于腔室预混合进气,整个进气结构由水冷控温用于抑制源气之间的预反应。基于实测经验,仿真时设置喷淋盘的温度为 200,且中心进气口处各组分浓度是均匀的。采用典型参数工况对标准模型进行验证和对比分析,标准模型的喷淋盘孔深度(h2)是 10 mm,孔直径(d)是 1 mm,孔间距是 10 mm。表 3 列出了仿真的边界条件和参数。表3典型工况下的仿真边界条件和参数Table 3Simulation boundary
22、conditions and parameterson typical condition边界条件H2流量(稀释)AsH3流量H2流量(TMGa载气)工艺压力腔室间距孔深度孔直径基片温度参数q1/SLMq2/SLMq3/SLMp/Pah1/mmh2/mmd/mmT1/数值10810.81.210 00010101750 24第 2 期于大洋,等:大尺寸方形载板 MOCVD 反应腔分气和薄膜沉积过程影响因素的数值模拟研究本研究使用的部分计算网格如图 2 所示,主要使用了混合网格,并且对基片表面的边界层和小孔处的网格进行了加密,用于捕捉该区域的流动。不断提升整体网格密度的同时,监测孔匀气和表面沉积
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- 尺寸 方形 MOCVD 反应 腔分气 薄膜 沉积 过程 影响 因素 数值 模拟 研究
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