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| | 虚拟仿真系统让晶片做得更好 |
MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的关键设备，同时也是制备砷化镓、磷化铟等光电子材料和器件的主流方法。随着MOCVD逐步在半导体制造业中得到广泛应用，全世界每年需要MOCVD设备约二百台。由于我国没有专门制备MOCVD设备厂家以及定型化产品，使我国在这一领域受制于国外，研制国产的MOCVD 设备已是非常迫切。“十五”期间，863计划新材料领域作出了研制适合氮化镓生产的生产型MOCVD设备的决定。二○○一年七月，中国科学院半导体研究所承担了北京市科学技术委员会新材料基地“氮化镓激光器关键技术研究”。经过科研人员两年的不断攻关，取得了关键技术的突破，通过了专家验收。与此同时，中国科学院半导体研究所于二○○二年七月承担的863计划项目“适合氮化镓材料生产的MOCVD设备和虚拟仿真系统”也取得较大的进展，顺利通过专家组的中期考核和评估。
“我们的下一步工作是要把MOCVD虚拟仿真系统加以改进，除了能分析，还要能结合分析结果提供设计方案。”清华大学航空航天学院流体力学研究所陈海昕副教授对记者说：“我们正在尝试用计算机设计一个虚拟反应室，把里面的流场调整好，根据这样的设计来做真正的反应室，可以避免走很多弯路。”
当今最先进的氮化镓材料制备技术
何谓MOCVD？陈海昕说，MOCVD用中文表达的意思是金属有机物化学气相淀积，意思是把金属有机物、化工原料通过载体气流送到高温的硅片、宝石等晶片上，在高温下，这些材料发生反应，在晶片上形成一层半导体结晶膜，这样就能做成半导体发光材料，如发光二极管等。
陈海昕所从事的项目叫做“用于GaN的生产型MOCVD设备和虚拟仿真系统”，他介绍，GaN（氮化镓）是第三代半导体材料，具有宽带隙、高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射和耐腐蚀等特性，用氮化镓制备的激光器和发光二极管还可广泛用于高密度信息存储和半导体照明。
众所周知，红、绿、蓝是三种基本色，具备这三种颜色，通过调整光谱能得到任何颜色。陈海昕告诉记者：“我国做红光、绿光二极管都比较成熟，而且产量也比较大，但是在蓝光二极管方面比较滞后。由于氮化镓这种材料能发出蓝光，因此受到研究人员的重视。‘十一五’提出要发展白光照明，将来要把日光灯、白炽灯都换成白光二极管，这里面蓝色发光材料是必不可少的。”
氮化镓材料外延生长的方法主要有气相外延（HVPE）、分子束外延（GSMBE）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）三种，其中，MOCVD是当今最先进、最重要的氮化镓材料和器件大批量制备技术，随着它的出现，蓝色发光材料的制作成本逐渐降低。记者了解到，该设备最早由日本发明，其技术受到层层专利的控制。随后，美国、德国纷纷研制出自己的产品，但同样因为技术垄断，以至市场价格非常昂贵。陈海昕说：“我国在这方面有很大市场，引进了不少MOCVD设备，但不论是购买、维修保养，费用都非常可观，因此，开发拥有自主知识产权的产品是一件很有必要的事。”他介绍道：“其实，以前我国也做过一些基本的MOCVD设备，但主要是一些简单的反应炉，用来做研究还可以，但如果作为生产型设备，还存在产量低、质量不稳定等许多问题。2002年7月，课题正式启动，希望能在国家863计划的支持下突破这个瓶颈，主要是要解决生产型设备的问题，不但要出产品，而且还要达到一定的产量和质量标准。”
流体力学仿真系统辅助开发MOCVD设备
这项课题由中电集团48所、中科院半导体所和清华大学三家单位共同承担，其中48所和半导体所主要从事设备研制。“按照合同规定，这两家单位各做一套硬件设备，48所做六片型的，半导体所做三片型的，现在设备已经基本成型。但是这项工作并不是光靠敲敲打打就能完成，其中还涉及到设计问题，为此，课题中专门加上了数值仿真系统这一项，包括承担MOCVD反应室虚拟仿真系统开发和两套设备的辅助设计分析工作，由清华大学承担。”
记者了解到，世界上最早的流体力学数值仿真系统是在1971年提出的，当时主要用涡量—流函数等较为原始、计算量小的方法在卧式反应室进行数值模拟。随着复杂的反应炉的不断出现，对数值模拟提出了新的要求，由于计算流体力学的快速发展和计算机水平的迅猛提高，实现了对三维N—S方程组的求解，人们更趋向于完全耦合的流动、换热、化学反应计算，以便尽可能真实、全面地反应各种物理现象。如今，计算流体力学仿真已经成为在国际上开发MOCVD设备必不可少的辅助手段，多种复杂结构的新型MOCVD设备的开发都是在流体力学数值仿真的结果上进行的。世界上几乎所有的半导体设备厂商，都拥有自己专门的流体力学数值仿真部门，在研究、理解和改进反应室设计，缩短设计周期，降低设计费用等方面发挥着重要作用。
仿真反应室模拟复杂流场
陈海昕说：“MOCVD设备非常复杂，但最核心地方在反应室里。反应室里温度特别高，晶片在里面被加热到一千多度的高温。金属有机物通过载体气流被送进去，遇到高温产生反应后沉积，形成晶体。这个过程中会产生复杂的流场，很容易导致生产出来的晶片不均匀，质量不过关。我们设计的反应室仿真系统，通过计算流体力学，模拟这个复杂的流场，可以提前发现这些问题，提出改进的办法。”他举例说，有次帮48所分析时，发现反应室的内壁做成直角很容易形成漩涡，于是设计成流线型，使这种现象得到了改善。
目前，清华大学已经完成了国内首套完全自行源代码级开发、基于计算流体力学的MOCVD反应室中流动、传热、反应的虚拟仿真系统，为我国MOCVD设备的研制及工艺设计提供了良好的工具。
最后，陈海昕向记者坦言当前工作中还存在很多困难。“反应室的流场很复杂，我们计算流体力学毕竟是通过模拟，需要调整很多参数，尝试很多改进方法。但因为过去这方面工作做的比较少，很少有相关数据能对我们的分析和设计进行校核，只能一步步去摸索。”尽管如此，他还是很自信的告诉记者，这项工作应该能在年底完成。 |
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