一种源炉热场分布分析方法、装置、电子设备和存储介质

技术领域

本发明涉及热场分析领域，具体涉及一种源炉热场分布分析方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

分子束外延工艺中，源炉的温度分布会直接影响蒸发源的蒸发效果和向衬底沉积的薄膜质量，而在使用不同蒸发源时，对源炉内的温度要求也不相同，往往需要根据使用需求对加热丝分布方式及加热功率进行调整，现有的方式一般是利用传感器实测源炉内各个位置的温度，进而得到源炉内的温度分布，根据实测的温度分布结果再对加热丝进行调整，经过反复监测和调整后才能确定加热丝合适的分布方式及加热功率，显然这种方式的测试效率低下，且基于现实的实验下进行实时监测和实时调整，以至于每次实验都伴随大量的资源浪费和高昂的实验成本。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种源炉热场分布分析方法、装置、电子设备和存储介质，以模拟实验的方式替代实测，确保获得准确的实验结果同时大大减少实验过程的资源浪费和实验成本。

第一方面，本申请提供一种源炉热场分布分析方法，包括以下步骤：

S1.根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；

S2.将所述二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个所述部件的制作材料设定材料参数；

S3.设定各个所述部件的传热类型；

S4.设定温度条件；

S5.计算分析得到所述源炉的热场分布图像。

本申请从复杂的源炉实体中提取关键部件参数以构建出更简化的仿真模型，通过设定准确的相关参数模拟出真实的热场分布，模型和参数在软件更易于调整，调整和模拟过程无需耗费过多资源和成本。

进一步的，所述部件包括：坩埚、加热丝、热屏蔽层和水冷壁，且所述水冷壁位于所述二维轴对称简化模型的最外层；

步骤S1中的具体步骤包括：

S11.将所述坩埚的结构参数设置为：外径为19.5mm、厚度为0.6mm、直筒段长度为106mm、锅口半径为9mm；

S12.将所述加热丝的结构参数设置为：厚度为0.8mm、下温区加热丝长度为76mm、上温区加热丝长度为32.5mm；

S13.将所述热屏蔽层的结构参数设置为：与所述加热丝的距离为3mm；所述热屏蔽层包括三层，每层厚度为0.1mm且任意相邻两层之间的间距为0.1 mm -0.2mm；

S14.将所述水冷壁的结构参数设置为：与所述二维轴对称简化模型的对称轴的距离为35mm。

有利于减少多余部件和结构参数对实验结果的影响，有效降低软件运算量，有利于实现减少单次实验的耗时，缩短获取最优方案的周期。

进一步的，步骤S2中的具体步骤包括：

S21.将所述坩埚的制作材料设置为热解氮化硼，所述坩埚的材料参数设置为：表面辐射率为0.9、热导率为50W/(m·K)；

S22.将所述加热丝和所述热屏蔽层的制作材料均设置为钽金属，所述加热丝和所述热屏蔽层的材料参数均设置为：表面辐射率为0.95；

S23.将所述水冷壁的材料参数设置为：传热系数为1000W/(m²·K)。

进一步减少多余材料参数对实验结果的影响，进一步降低软件运算量，有利于进一步减少单次实验的耗时，进一步缩短获取最优方案的周期。

进一步的，所述传热类型包括固体传热和表面辐射传热；

步骤S3中的具体步骤包括：

S31.将所述坩埚与所述加热丝之间的所述传热类型设置为固体传热；

S32.将所述坩埚的内表面、所述坩埚的外表面、所述加热丝的表面、所述热屏蔽层的表面和所述水冷壁的表面之间的所述传热类型均设置为表面辐射传热。

准确设定源炉工作时所存在的多种物理场，有利于确保实验结果的准确性。

进一步的，步骤S4中的具体步骤包括：

S41.将所述温度条件设置为：内部初始温度为300K、所述上温区加热丝温度为1100K、所述下温区加热丝温度为1000K、外部温度恒定为300K。

进一步的，步骤S5中的具体步骤包括：

S51.将所述二维轴对称简化模型剖分为多个网格；

S52.分别计算各个所述网格的温度，得到所述热场分布图像。

进一步的，步骤S5之前还包括步骤：

S6.设定所述源炉的上下表面热对流系数为4W/(m²·K)。

第二方面，本发明还提供了一种源炉热场分布分析装置，所述源炉热场分布分析装置包括：

构建模块，用于根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；

第一设定模块，用于将所述二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个所述部件的制作材料设定材料参数；

第二设定模块，用于设定各个所述部件的传热类型；

第三设定模块，用于设定温度条件；

计算模块，用于计算分析得到所述源炉的热场分布图像。

基于源炉实物的关键部件构建简化的二维模型，并设定关键参数模拟热场分析实验，快速高效地得到准确的实验结果，大大减少实验过程的资源浪费，有效减低实验成本。

第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述源炉热场分布分析方法中的步骤。

第四方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述源炉热场分布分析方法中的步骤。

由上可知，本申请基于源炉的真实结构构建出对应的二维轴对称简化模型并通过COMSOL设定相关参数模拟出源炉各种情况下的热场分布，无需在现实进行实验，大大减少了资源浪费，并降低了实验成本。

附图说明

图1为本申请实施例提供的源炉热场分布分析方法的一种流程图。

图2为本申请实施例中二维轴对称简化模型的示意图。

图3为本申请实施例中二维轴对称简化模型剖分成多个网格后的示意图。

图4为本申请实施例中为源炉上下表面设定热对流系数前的源炉的热场分布图像。

图5为本申请实施例中为源炉上下表面设定热对流系数前的源炉的温度变化曲线。

图6为本申请实施例中为源炉上下表面设定热对流系数后的源炉的热场分布图像。

图7为本申请实施例中为源炉上下表面设定热对流系数后的源炉的温度变化曲线。

图8为本申请实施例提供的源炉热场分布分析装置的一种结构示意图。

图9为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了得到与真实情况一致的实验数据，人们往往会根据实物搭建出三维模型，然而实物结构过于复杂时，搭建三维模型往往需要花费大量时间和劳动力，不但导致实施过程困难重重，还严重增加实施成本；同时，复杂的三维模型在进行模拟实验时，往往也会涉及到更加复杂的参数设置和分析运算，单次实验用时较长以致获取最优方案的周期也较长。

在某些优选的实施例中，参考附图1和附图2，一种源炉热场分布分析方法，包括步骤：

S1.根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；

S2.将二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个部件的制作材料设定材料参数；

S3.设定各个部件的传热类型；

S4.设定温度条件；

S5.计算分析得到源炉的热场分布图像。

本实施例中，取源炉纵截面搭建出二维轴对称简化模型，二维化的模型只需用简单的线条即能够准确表示出源炉中各个部件之间的位置关系和连接关系，相比于搭建三维模型，其难度和计算成本更低，收敛更快。

将二维轴对称简化模型输入到COMSOL软件后，在软件中为各个部件设定材料参数和传热类型（即为各个部件对应的截面线条定义好真实的材料参数和传热类型，确保与实物一致，有利于保证后续实验数据的准确性）；最后，对于源炉热场分布的分析实验一般会有多种物理场，本实施例要求将多种物理场置于同一温度条件下进行模拟实验，避免因只考虑单一物理场而导致误差较大，能够确保实验数据更趋于真实情况。

需要说明的是，源炉热场分布的分析实验包括了考究坩埚形状和加热丝位置分布等对源炉热场分布的影响，用户使用二维轴对称简化模型能够更容易调整坩埚形状和加热丝位置分布。

在某些实施例中，参考附图2，部件包括：坩埚、加热丝、热屏蔽层和水冷壁，且水冷壁位于二维轴对称简化模型的最外层；

步骤S1中的具体步骤包括：

S11.将坩埚的结构参数设置为：外径为19.5mm、厚度为0.6mm、直筒段长度为106mm、锅口半径为9mm；

S12.将加热丝的结构参数设置为：厚度为0.8mm、下温区加热丝长度为76mm、上温区加热丝长度为32.5mm（上温区加热丝指的是设置在靠近于源炉顶部的加热丝，下温区加热丝指的是设置在靠近于源炉底部的加热丝，因加热丝设置位置不一样，在加热温度不同的情况下会形成不同的温区）；

S13.将热屏蔽层的结构参数设置为：与加热丝的距离为3mm；热屏蔽层包括三层，每层厚度为0.1mm且任意相邻两层之间的间距为0.1 mm -0.2mm；

S14.将水冷壁的结构参数设置为：与二维轴对称简化模型的对称轴的距离为35mm。

实际应用时，坩埚、加热丝、热屏蔽层和水冷壁的设置对源炉的热场分布影响较大，本实施例提取出源炉中的较关键的部件搭建成二维轴对称简化模型，并针对各个部件的关键结构参数进行了设置，仅考究重点部件的重点结构参数对源炉的热场分布的影响，剔除了其他无关或影响较小的部件和结构参数，确保足够反映出真实情况的前提下，减少多余部件和结构参数对实验结果的影响，有效降低软件运算量，有利于实现减少单次实验的耗时，缩短获取最优方案的周期。

在某些实施例中，步骤S2中的具体步骤包括：

S21.将坩埚的制作材料设置为热解氮化硼，坩埚的材料参数设置为：表面辐射率为0.9、热导率为50W/(m·K)；

S22.将加热丝和热屏蔽层的制作材料均设置为钽金属，加热丝和热屏蔽层的材料参数均设置为：表面辐射率为0.95；

S23.将水冷壁的材料参数设置为：传热系数为1000W/(m²·K)。

本实施例针对源炉中的较关键的部件对关键材料参数进行了设置，仅考究重点部件的重点材料参数对源炉的热场分布的影响，剔除了其他无关或影响较小的材料参数，确保足够反映出真实情况的前提下，进一步减少多余材料参数对实验结果的影响，进一步降低软件运算量，有利于进一步减少单次实验的耗时，进一步缩短获取最优方案的周期。

在某些实施例中，传热类型包括固体传热和表面辐射传热；

步骤S3中的具体步骤包括：

S31.将坩埚与加热丝之间的传热类型设置为固体传热；

S32.将坩埚的内表面、坩埚的外表面、加热丝的表面、热屏蔽层的表面和水冷壁的表面之间的传热类型均设置为表面辐射传热。

本实施例中，坩埚和加热丝为主要考究的传热对象，基于其为固体的属性，必然存在固体传热这一种物理场；而加热丝发热后，也必然会以辐射的方式进行传热，各个部件的表面受热后也同样会在一定程度上向外相互辐射热量，因此也必然存在表面辐射传热这一种物理场，准确设定源炉工作时所存在的多种物理场并基于多种物理场下进行分析有利于确保实验结果的准确性。

在某些实施例中，步骤S4中的具体步骤包括：

S41.将温度条件设置为：内部初始温度为300K、上温区加热丝温度为1100K、下温区加热丝温度为1000K、外部温度恒定为300K（内部指的是源炉内，外部指的是源炉外）。

本实施例中，通过在软件中能够直接设定内外温度条件，相比于传统的现有技术，无需等待源炉升温，模拟的实验方式免除了等待时间，能够更快地获得实验结果，减少实验步骤之间的空闲时间，使得实验过程更加紧凑高效。

在某些实施例中，参考附图3，步骤S5中的具体步骤包括：

S51.将二维轴对称简化模型剖分为多个网格；

S52.分别计算各个网格的温度，得到热场分布图像。

本实施例中通过将二维轴对称简化模型剖分为多个网格并分别对各个网格单独进行温度计算，能够准确计算出整个二维轴对称简化模型各个位置的温度，相比于以整个二维轴对称简化模型计算的方式，能够有效减少整体的温度误差（若个别网格温度有误差，但因整体被剖分成多个网格，局部的误差对整体影响显得更小），大大提高了实验结果的准确性。

需要说明的是，各个网格的温度计算均由COMSOL软件自动执行，在此不再赘述。

在某些实施例中，参考附图4、附图5、附图6和附图7，步骤S5之前还包括步骤：

S6.设定源炉的上下表面热对流系数为4W/(m²·K)。

本实施例中，考虑到源炉上下表面处一般会存在一定的热量损耗，通过为源炉的上下表面设定热对流系数，使实验条件更符合客观真实情况，进一步提高实验结果的准确性。

需要说明的是，本实施例经过模拟实验验证发现，坩埚轴线（坩埚轴线指的是平行于坩埚高度方向的中轴线）上的温度变化是坩埚内部的温度分布中最具代表性的，因此能够以坩埚轴线上的温度变化（参考附图5和附图7，坩埚轴线的起点为坩埚的底面，坩埚轴线的终点为坩埚的顶面，附图中横坐标为坩埚轴线长度，纵坐标为温度，反映的是坩埚中沿轴线方向上各个位置对应的温度值，也可以理解为坩埚中各个高度位置对应的温度值）代表坩埚内部的温度分布，而进一步设定热对流系数后，发现坩锅口处的温度发生大幅下降，以此确定源炉上下表面处的热对流系数对源炉的热场分布也存在较大影响，因此本实施例设定热对流系数能够进一步提高实验结果的准确性。

请参照图8，图8是本申请一些实施例中的一种源炉热场分布分析装置，该源炉热场分布分析装置以计算机程序的形式集成在该源炉热场分布分析装置的后端控制设备中，该源炉热场分布分析装置包括：

构建模块100，用于根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；

第一设定模块200，用于将二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个部件的制作材料设定材料参数；

第二设定模块300，用于设定各个部件的传热类型；

第三设定模块400，用于设定温度条件；

计算模块500，用于计算分析得到源炉的热场分布图像。

在某些实施例中，部件包括：坩埚、加热丝、热屏蔽层和水冷壁，且水冷壁位于二维轴对称简化模型的最外层；

在第一设定模块200用于根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型的时候执行：

S11.将坩埚的结构参数设置为：外径为19.5mm、厚度为0.6mm、直筒段长度为106mm、锅口半径为9mm；

S12.将加热丝的结构参数设置为：厚度为0.8mm、下温区加热丝长度为76mm、上温区加热丝长度为32.5mm；

S13.将热屏蔽层的结构参数设置为：与加热丝的距离为3mm；热屏蔽层包括三层，每层厚度为0.1mm且任意相邻两层之间的间距为0.1 mm -0.2mm；

S14.将水冷壁的结构参数设置为：与二维轴对称简化模型的对称轴的距离为35mm。

在某些实施例中，在第一设定模块200用于将二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个部件的制作材料设定材料参数的时候执行：

S21.将坩埚的制作材料设置为热解氮化硼，坩埚的材料参数设置为：表面辐射率为0.9、热导率为50W/(m·K)；

S22.将加热丝和热屏蔽层的制作材料均设置为钽金属，加热丝和热屏蔽层的材料参数均设置为：表面辐射率为0.95；

S23.将水冷壁的材料参数设置为：传热系数为1000W/(m²·K)。

在某些实施例中，传热类型包括固体传热和表面辐射传热；

在第二设定模块300用于设定各个部件的传热类型的时候执行：

S31.将坩埚与加热丝之间的传热类型设置为固体传热；

S32.将坩埚的内表面、坩埚的外表面、加热丝的表面、热屏蔽层的表面和水冷壁的表面之间的传热类型均设置为表面辐射传热。

在某些实施例中，在第三设定模块400用于设定温度条件的时候执行：

S41.将温度条件设置为：内部初始温度为300K、上温区加热丝温度为1100K、下温区加热丝温度为1000K、外部温度恒定为300K。

在某些实施例中，在计算模块500用于计算分析得到源炉的热场分布图像的时候执行：

S51.将二维轴对称简化模型剖分为多个网格；

S52.分别计算各个网格的温度，得到热场分布图像。

在某些实施例中，在计算模块500用于计算分析得到源炉的热场分布图像之前执行：

S6.设定源炉的上下表面热对流系数为4W/(m²·K)。

请参照图9，图9为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备，包括：处理器1301和存储器1302，处理器1301和存储器1302通过通信总线1303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器1302存储有处理器1301可执行的计算机可读取指令，当电子设备运行时，处理器1301执行该计算机可读取指令，以执行上述第一方面的实施例的任一可选的实现方式中的源炉热场分布分析方法，以实现以下功能：根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；将二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个部件的制作材料设定材料参数；设定各个部件的传热类型；设定温度条件；计算分析得到源炉的热场分布图像。

本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述第一方面的实施例的任一可选的实现方式中的源炉热场分布分析方法，以实现以下功能：根据源炉中各个部件的结构参数建立二维轴对称简化模型；将二维轴对称简化模型导入COMSOL软件中，并根据各个部件的制作材料设定材料参数；设定各个部件的传热类型；设定温度条件；计算分析得到源炉的热场分布图像。

其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-OnlyMemory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。