本案例演示利用Fluent模擬計算化學(xué)氣相沉積（CVD）過程。案例數(shù)據(jù)來自Fluent Tutorials文檔。

工程上常采用化學(xué)氣相沉積方法（chemical vapor deposition，CVD）生產(chǎn)半導(dǎo)體砷化鎵GaAs，其反應(yīng)裝置示意圖如下圖所示。

工藝氣體三甲基鎵(Ga(CH3)3)和砷化氫(AsH3)通過頂部的進(jìn)氣道以溫度293k進(jìn)入反應(yīng)器。氣體在旋轉(zhuǎn)的熱圓盤上流動，從而在圓盤上沉積薄薄的鎵和砷層。圓盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生徑向抽運效應(yīng)，迫使氣體以層流的方式流動到生長表面并向外穿過圓盤，最終從反應(yīng)器中排出。

案例涉及到的化學(xué)反應(yīng)：

入口氣體包含三甲基鎵（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15)、砷化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4）以及氫氣。入口混合物速度為0.02189 m/s，圓盤旋轉(zhuǎn)速度80 rad/s。反應(yīng)器頂部壁面（wall-1邊界）加熱至437 K，側(cè)壁面（wall-2）溫度維持在343 K，基座（wall-4）加熱至均勻溫度1023 K，下壁面（wall-6）溫度303 K。

1 啟動Fluent并導(dǎo)入網(wǎng)格

• 以3D、Double Precision方式啟動Fluent

• 利用菜單File → Read → Mesh…讀取網(wǎng)格文件surface.msh

計算網(wǎng)格如圖所示。

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點General，右側(cè)面板點擊按鈕Scale…彈出網(wǎng)格縮放對話框，如下圖所示，設(shè)置Mesh Was Created In為cm，點擊按鈕Scale縮放網(wǎng)格

• 點擊Close按鈕關(guān)閉對話框

2 模型設(shè)置

• 右鍵選擇模型樹節(jié)點Models > Energy，點擊彈出菜單項On開啟能量方程

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Models > Species彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，激活選項Species Transport，激活選項Volumetirc及Wall Surface，取消選項Heat of Surface Reactions，選中選項Mass Deposition Source，激活選項Diffusion Energy Source、Full Multicomponent Diffusion及Thermal Diffusion

3 定義材料屬性及化學(xué)反應(yīng)

1、材料庫中添加材料

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Materials > Fluid > air打開的對話框中點擊按鈕Fluent Database進(jìn)入材料數(shù)據(jù)，從Fluent材料數(shù)據(jù)庫中添加如下表所示4種材料，并修改材料屬性。

• 創(chuàng)建沉積相組分（Ga_s及As_s）及固相組分（Ga及As），其材料參數(shù)如下表所示。

注：這里沉積相固相的材料定義時按流體材料屬性定義。

2、定義混合物

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Materials > Mixture > mixture-template，彈出材料定義對話框，修改材料名稱為gaas_deposition

• 點擊Mixture右側(cè)按鈕Edit彈出設(shè)置對話框，如下圖所示選擇各種反應(yīng)組分

注：確保h2位于組分列表的最下方

3、定義化學(xué)反應(yīng)

本案例需定義兩個化學(xué)反應(yīng)：

• 鼠標(biāo)點擊Reaction右側(cè)按鈕Edit…進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)定義對話框，設(shè)置參數(shù)Total Number of Reactions為2，如下圖所示定義第1個化學(xué)反應(yīng)

• 設(shè)置ID為2，如下圖所示定義第2個化學(xué)反應(yīng)

• 點擊OK按鈕關(guān)閉對話框，返回至Create/Edit Materials對話框，點擊對話框中Mechanism右側(cè)按鈕Edit…彈出如下圖所示設(shè)置對話框

• 按圖中參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，點擊按鈕Define…彈出沉積參數(shù)對話框

• 如下圖所示設(shè)置沉積相參數(shù)

• 關(guān)閉反應(yīng)機(jī)理設(shè)置對話框，返回至Create/Edit Materials對話框，如下圖所示設(shè)置混合物材料參數(shù)

• 點擊按鈕Change/Create修改材料參數(shù)

4 邊界設(shè)置

1、velocity-inlet邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > velocity-inlet彈出速度入口設(shè)置對話框，進(jìn)入Momentum標(biāo)簽頁，設(shè)置Velocity Magnitude為0.02189 m/s

• 進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為293 K

• 進(jìn)入Species標(biāo)簽額，如下圖所示設(shè)置ash3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4，設(shè)置game3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15，設(shè)置ch3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框

2、outlet邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > outlet彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，Momentum標(biāo)簽頁保持默認(rèn)設(shè)置

• 進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為400 K

• 進(jìn)入Species標(biāo)簽額，如下圖所示設(shè)置ash3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32，設(shè)置game3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.018，設(shè)置ch3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框

3、wall-1邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > wall-1彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為473 K

4、wall 2邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > wall-2彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為473 K

5、wall-4邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > wall-4彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，設(shè)置該邊界選擇速度為80 rad/s

• 進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為473 K

• 進(jìn)入Species標(biāo)簽頁，如修圖所示，激活選項Reaction，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框

6、wall- 5邊界設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > wall-5彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，設(shè)置該邊界選擇速度為80 rad/s

• 進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為720 K，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框

7、wall 6邊界

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions > wall-6彈出設(shè)置對話框，進(jìn)入Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置Temperature為303 K，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框

5 設(shè)置操作條件

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Boundary Conditions，點擊右側(cè)面板按鈕Operating Conditions，彈出設(shè)置對話框，如下圖所示，設(shè)置Operating Pressure為10000 Pa，設(shè)置Operating Temperature為303 K

• 其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，點擊按鈕OK關(guān)閉對話框

6 計算初始化

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Initialization，右側(cè)面板激活選項Hybrid Initialization，點擊按鈕Initialize開始初始化計算

7 計算求解

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點Run Calculation，右側(cè)面板設(shè)置參數(shù)Number of Iterations為1000，點擊Calculate按鈕開始計算。

注：若計算收斂困難，可先關(guān)閉化學(xué)反應(yīng)，待計算收斂后再開啟化學(xué)反應(yīng)計算。

8 后處理

• 沉積面Wall 4上的ga沉積率

• 沉積面Wall 4上的ga_s沉積率

• z=0.07m面上溫度分布

鏈接：

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提取碼：1z64

來源：CFD界

作者：流沙CAE