基于ANSYS的MOCVD反应室有限元分析

论文摘要

GaN,作为第三代半导体材料,因其优越的特性,日益成为研究的重点,在微电子和光电子领域具有十分广阔的应用优势和发展前景。但是,目前国内用于制备GaN的MOCVD反应室的研究明显落后于世界先进水平,反应室的制备仅局限于若干研究单位用于实验室研究,对于反应室的设计和优化等研究工作开展的很少。因此,很有必要研究和分析MOCVD反应室内的物理环境。本论文利用ANSYS软件模拟了反应室的电磁场、温度场和气流场的分布,并对其输入参数和结构进行了优化。对影响反应室内电磁场、温度场分布的感应加热条件,如电流强度、电流频率、线圈匝数等进行分析和讨论。研究结果表明：1.电流强度的改变不影响电磁场的分布,焦耳热的数值大小随着电流强度的增大而增大；2.电流频率的增加会使加热效率提高。但是集肤深度会随之降低,综合考虑,本文确定了合适的频率范围；3.随着线圈匝数的增多,磁矢势方向向石墨基座方向移动,加热效率得到了提高。同时为了提高石墨基座上的温度均匀性,通过对焦耳热分布图的比较分析,优化了线圈的位置和间距。最后对优化后模型的电磁场、温度场和气流场进行了整体模拟和分析。分析结果表明：优化后的模型石墨基座上表面的温度均匀性是完全满足材料生长要求的,而其上表面气流速度分布对于生长材料的厚度均匀性有一定的改善作用。本文模拟结果与经验公式的计算结果基本一致,优化后的模型完全满足工艺的要求,表明本文的模拟方法是可靠的,并对实际生产有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GAN材料的发展及应用
• 1.1.1 GaN材料概述
• 1.1.2 GaN材料的发展历程
• 1.2 MOCVD设备
• 1.2.1 MOCVD概述
• 1.2.2 MOCVD国内外研究现状
• 1.2.3 MOCVD的技术的基本原理
• 1.3 研究目的和主要内容
• 第二章 感应加热
• 2.1 感应加热概述
• 2.2 感应加热原理
• 2.2.1 电磁感应
• 2.2.2 集肤效应
• 2.2.3 透入深度
• 2.2.4 邻近效应和圆环效应
• 2.3 感应加热计算中的一些问题
• 2.4 传统感应加热工程计算中的不足之处
• 2.5 电磁场计算方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 MOCVD反应室有限元计算模型
• 3.1 有限元方法简介
• 3.1.1 有限元方法概况
• 3.1.2 有限元解题的思路
• 3.1.3 有限元计算软件
• 3.2 电磁场有限元数学模型
• 3.3 温度场有限元数学模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 MOCVD反应室有限元分析
• 4.1 ANSYS的有限元分析过程
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 几何模型的简化和建立
• 4.2.2 分析单元的选择
• 4.2.3 网格的划分
• 4.3 MOCVD反应室有限元分析计算的几个问题
• 4.3.1 线圈与被加热导体感生电流相互影响的处理
• 4.3.2 材料的物理参数随温度变化的处理
• 4.3.3 电磁场和温度场耦合的实现
• 4.4 电磁场和温度场模拟结果
• 4.4.1 电流强度对电磁场和温度场的影响
• 4.4.2 电流频率对电磁场和温度场的影响
• 4.4.3 线圈匝数对电磁场和温度场的影响
• 4.4.4 线圈位置的确定
• 4.4.5 线圈间距的确定
• 4.4.6 反应室总体分析结果
• 4.5 气流场的模拟
• 4.5.1 反应室气流场模型的建立和网格的划分
• 4.5.2 反应室气流场的模拟与结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果