案例|Fluent模拟计算化学气相沉积过程

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了利用Fluent模拟计算化学气相沉积(CVD)过程的案例。案例中涉及到的化学反应包括入口气体包含三甲基镓(质量分数0.15)、砷化氢(质量分数0.4)以及氢气。反应器顶部壁面(wall-1边界)加热至437 K,侧壁面(wall-2)温度维持在343 K,基座(wall-4)加热至均匀温度1023 K,下壁面(wall-6)温度303 K。启动Fluent并导入网格，以3D、Double Precision方式启动Fluent，利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件surface.msh。鼠标双击模型树节点General ,右侧面板点击按钮Scale… 弹出网格缩放对话框，设置Mesh Was Created In 为cm ,点击按钮Scale 缩放网格。点击Close 按钮关闭对话框。右键选择模型树节点Models > Energy ,点击弹出菜单项On 开启能量方程。

本案例演示利用Fluent模拟计算化学气相沉积（CVD）过程。

工程上常采用化学气相沉积方法（chemical vapor deposition，CVD）生产半导体砷化镓GaAs，其反应装置示意图如下图所示。

工艺气体三甲基镓(Ga(CH3)3)和砷化氢(AsH3)通过顶部的进气道以温度293k进入反应器。气体在旋转的热圆盘上流动，从而在圆盘上沉积薄薄的镓和砷层。圆盘旋转产生径向抽运效应，迫使气体以层流的方式流动到生长表面并向外穿过圆盘，最终从反应器中排出。

案例涉及到的化学反应：

入口气体包含三甲基镓（质量分数0.15)、砷化氢（质量分数0.4）以及氢气。入口混合物速度为0.02189 m/s，圆盘旋转速度80 rad/s。反应器顶部壁面（wall-1边界）加热至437 K，侧壁面（wall-2）温度维持在343 K，基座（wall-4）加热至均匀温度1023 K，下壁面（wall-6）温度303 K。

以3D、Double Precision方式启动Fluent

利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件surface.msh

• 鼠标双击模型树节点General，右侧面板点击按钮Scale…弹出网格缩放对话框，如下图所示，设置Mesh Was Created In为cm，点击按钮Scale缩放网格

• 点击Close按钮关闭对话框

• 右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On开启能量方程

• 鼠标双击模型树节点Models > Species弹出设置对话框。如下图所示，激活选项Species Transport，激活选项Volumetirc及Wall Surface，取消选项Heat of Surface Reactions，选中选项Mass Deposition Source，激活选项Diffusion Energy Source、Full Multicomponent Diffusion及Thermal Diffusion。

（1）材料库中添加材料

• 鼠标双击模型树节点Materials > Fluid > air打开的对话框中点击按钮Fluent Database进入材料数据，从Fluent材料数据库中添加如下表所示4种材料，并修改材料属性。

• 创建沉积相组分（Ga_s及As_s）及固相组分（Ga及As），其材料参数如下表所示。

注：这里沉积相固相的材料定义时按流体材料属性定义。

（2）定义混合物

• 鼠标双击模型树节点Materials > Mixture > mixture-template，弹出材料定义对话框，修改材料名称为gaas_deposition

• 点击Mixture右侧按钮Edit弹出设置对话框，如下图所示选择各种反应组分

注：确保h2位于组分列表的最下方

（3）定义化学反应

本案例需定义两个化学反应：

• 鼠标点击Reaction右侧按钮Edit…进入化学反应定义对话框，设置参数Total Number of Reactions为2，如下图所示定义第1个化学反应

• 设置ID为2，如下图所示定义第2个化学反应

• 点击OK按钮关闭对话框，返回至Create/Edit Materials对话框，点击对话框中Mechani**右侧按钮Edit…弹出如下图所示设置对话框

• 按图中参数进行设置，点击按钮Define…弹出沉积参数对话框

• 如下图所示设置沉积相参数

• 关闭反应机理设置对话框，返回至Create/Edit Materials对话框，如下图所示设置混合物材料参数

• 点击按钮Change/Create修改材料参数

1、velocity-inlet边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet弹出速度入口设置对话框，进入Momentum标签页，设置Velocity Magnitude为0.02189 m/s

• 进入Thermal标签页，设置Temperature为293 K

• 进入Species标签额，如下图所示设置ash3质量分数为0.4，设置game3的质量分数为0.15，设置ch3质量分数为0，点击OK按钮关闭对话框

2、outlet边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > outlet弹出设置对话框，如下图所示，Momentum标签页保持默认设置

• 进入Thermal标签页，设置Temperature为400 K

• 进入Species标签额，如下图所示设置ash3质量分数为0.32，设置game3的质量分数为0.018，设置ch3质量分数为0.06，点击OK按钮关闭对话框

3、wall-1边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-1弹出设置对话框，如下图所示，进入Thermal标签页，设置Temperature为473 K

4、wall 2边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-2弹出设置对话框，如下图所示，进入Thermal标签页，设置Temperature为473 K

5、wall-4边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-4弹出设置对话框，如下图所示，设置该边界选择速度为80 rad/s

• 进入Thermal标签页，设置Temperature为473 K

• 进入Species标签页，如修图所示，激活选项Reaction，点击OK按钮关闭对话框

6、wall- 5边界设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-5弹出设置对话框，如下图所示，设置该边界选择速度为80 rad/s

• 进入Thermal标签页，设置Temperature为720 K，点击OK按钮关闭对话框

7、wall 6边界

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-6弹出设置对话框，进入Thermal标签页，设置Temperature为303 K，点击OK按钮关闭对话框

8、设置操作条件

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions，点击右侧面板按钮Operating Conditions，弹出设置对话框，如下图所示，设置Operating Pressure为10000 Pa，设置Operating Temperature为303 K

• 其他参数保持默认设置，点击按钮OK关闭对话框

9、计算初始化

• 鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板激活选项Hybrid Initialization，点击按钮Initialize开始初始化计算

10、计算求解

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置参数Number of Iterations为1000，点击Calculate按钮开始计算。

注：若计算收敛困难，可先关闭化学反应，待计算收敛后再开启化学反应计算。

11、后处理

• 沉积面Wall 4上的ga沉积率

• 沉积面Wall 4上的ga_s沉积率

• z=0.07m面上温度分布

作者：胡坤，仿真秀专栏作者

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