多片式襯底HFCVD 系統(tǒng)沉積金剛石顆粒物理場(chǎng)的仿真優(yōu)化

楊海霞　伏明將　羅健　張韜

關(guān)鍵詞 熱絲化學(xué)氣相沉積法；FLUENT 仿真軟件；優(yōu)化模型；金剛石顆粒均勻生長(zhǎng)

中圖分類號(hào) TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）06-0735-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031

收稿日期 2023-02-20 修回日期 2023-03-19

金剛石微粉通常指粒度尺寸在0.1～54.0 μm 的金剛石顆粒，其主要用于工件表面的超精密光整加工?研磨及拋光工序中，也可直接制成研磨膏應(yīng)用于玻璃、陶瓷、寶石等硬脆材料中[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外制備金剛石微粉的方法普遍為機(jī)械粉碎法。機(jī)械粉碎法制備工藝煩瑣，制得的顆粒形狀比較雜亂，且超細(xì)的微粒較難制造，難以完全滿足精密產(chǎn)品的拋光要求[3]。

熱絲化學(xué)氣相沉積法（ chemical vapor deposition，CVD）合成的單晶金剛石具有晶形完整、表面光潔、品級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，且制備工藝簡(jiǎn)單易控[4]，使高品級(jí)單晶微粉制備成為可能。然而，采用HFCVD 方法沉積顆粒的產(chǎn)量極大依賴于沉積基體的面積，使得其尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[5]。本文在熱絲化學(xué)氣相沉積法制備無籽晶金剛石顆粒的基礎(chǔ)上，采用新型多片式矩形柵狀襯底，與傳統(tǒng)平片式襯底相比，其具有高比表面積的優(yōu)勢(shì)，單晶顆粒在襯底的兩側(cè)面均可進(jìn)行生長(zhǎng)，有利于金剛石顆粒單次沉積產(chǎn)量的提高，但如何保證金剛石顆粒在多片式柵狀襯底各處生長(zhǎng)的均質(zhì)性，是亟待解決的難點(diǎn)之一。

BARBOSA 等[6] 基于單根熱絲， 通過CFX 軟件對(duì)HFCVD 生長(zhǎng)金剛石過程中的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的可行性。鄧福銘等[7]在熱輻射作用下，采用ANSYS 軟件，模擬了不同熱絲的數(shù)量和間距以及不同熱絲/基體間距對(duì)基體表面溫度場(chǎng)的影響。李建國(guó)等[8] 建立二維溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和密度場(chǎng)的耦合模型，研究了沉積參數(shù)對(duì)空間場(chǎng)的影響，得出氣體進(jìn)口速度對(duì)密度的均勻性影響較大。張韜[9] 采用耦合熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的有限體積法，建立更接近實(shí)際沉積系統(tǒng)的三維模型，對(duì)影響襯底物理場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，顯著減小了仿真結(jié)果與實(shí)際情況的偏差。

因顆粒生長(zhǎng)的均勻性與HFCVD 系統(tǒng)進(jìn)出氣口的排布方式密切相關(guān)，本文將沿用上述方法，針對(duì)不同的進(jìn)出氣口排布方式，利用FLUENT 軟件對(duì)多片式柵狀襯底沉積金剛石顆粒的物理場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，尋找最優(yōu)進(jìn)出氣口排布方式，優(yōu)化金剛石顆粒沉積時(shí)氣體流速、溫度和密度場(chǎng)的均勻性，以期實(shí)現(xiàn)各顆粒質(zhì)量及晶粒尺寸的均勻生長(zhǎng)，從而高效地獲得品質(zhì)性能優(yōu)良的單晶金剛石顆粒，并提高工件的研磨拋光精度及效率。

1 模型與仿真

1.1 模型的建立

借助FLUENT 對(duì)HFCVD 系統(tǒng)的溫度、氣體密度及流速場(chǎng)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。為簡(jiǎn)化仿真， 做以下假設(shè)：（1）反應(yīng)室內(nèi)的壓力為恒定值；（2）仿真中的模擬氣體僅為氫氣（因?qū)嶋H沉積過程中甲烷的體積分?jǐn)?shù)極低，僅為1%～2%，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在仿真中不予考慮）；（3）反應(yīng)室內(nèi)無任何化學(xué)放熱反應(yīng)發(fā)生[9-10]。

采用GAMBIT 軟件對(duì)HFCVD 沉積金剛石單晶顆粒系統(tǒng)進(jìn)行建模，系統(tǒng)模型如圖1 所示：反應(yīng)腔體是直徑為150 mm，高為100 mm 的圓柱體；水冷工作臺(tái)為圓臺(tái)，其直徑為110 mm，厚度為20 mm，距離下腔10 mm，材質(zhì)為銅；水冷臺(tái)的上方均勻分布著15 片長(zhǎng)為60 mm，寬為2 mm，高為10 mm 的矩形柵狀硅片，硅片間距為5 mm；在多片式柵狀硅襯底的上方均勻分布著6 根鉭絲，鉭絲的直徑為0.8 mm，長(zhǎng)度為80 mm，鉭絲間距為16 mm，其垂直方向距離硅片5 mm；在反應(yīng)腔體的下方，分布著2 個(gè)高為5 mm，直徑為10 mm 的圓柱形氣口，2個(gè)氣口間距為120 mm。甲烷和氫氣的混合氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)，從出氣口流出。利用GAMBIT 軟件對(duì)此3D 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11]，并且將流體和固體部分單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流固體相接觸的曲面應(yīng)設(shè)定為普通接觸面。為提高計(jì)算精度，需網(wǎng)格細(xì)化柵狀襯底與熱絲周圍的計(jì)算區(qū)域（如圖2 所示）。據(jù)此得到的計(jì)算模型總的網(wǎng)格數(shù)量為1 750 890， 面網(wǎng)格數(shù)量為3 696 050。此外，其余材料屬性見表1。

1.2 仿真方法

根據(jù)HFCVD 沉積金剛石單晶顆粒的原理[12]，采用耦合熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的方法對(duì)襯底溫度、襯底表面附近的氣體溫度、密度及流速場(chǎng)的分布進(jìn)行研究。

1.3 仿真結(jié)果與分析

氣體密度場(chǎng)能反映不同位置的單位體積氣體粒子數(shù)量，氣體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，密度場(chǎng)高的位置相應(yīng)粒子供給量也較大。因此，在一定程度上，其分布反映了空間粒子的供給情況[13]。氣體流速場(chǎng)是描述氣體粒子在空間各點(diǎn)速度分布的一種矢量場(chǎng)。氣體密度及流速的大小影響金剛石的生長(zhǎng)速率，其分布的均勻性影響單晶顆粒晶形及尺寸的均勻性[13]。根據(jù)HFCVD 反應(yīng)原理，得出影響襯底表面氣體各物理場(chǎng)分布的主要因素之一為進(jìn)氣口布置方式。

因此，共設(shè)計(jì)了4 組進(jìn)氣口優(yōu)化模型，主要是通過改變進(jìn)氣口的數(shù)量和分布位置對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。在原有的出氣口數(shù)量保持不變的情況下，增加4 個(gè)進(jìn)氣口。為保證氣體的總流量恒定不變，優(yōu)化模型需減小進(jìn)氣口的面積。已知傳統(tǒng)模型的單個(gè)進(jìn)氣口直徑為10 mm，進(jìn)氣口流速為0.169 m/s， 遵循氣體流量守恒定律Q=v₁A₁₌v₂A₂，可以計(jì)算出優(yōu)化模型的單個(gè)進(jìn)氣口直徑減小為4.472 mm，如表2 所示。

1.3.1 傳統(tǒng)模型的研究

圖3 為傳統(tǒng)HFCVD 模型物理場(chǎng)分布云圖。從圖3b、圖3c 可以看出：采用傳統(tǒng)的單個(gè)進(jìn)氣口送氣，越靠近熱絲的氣體，其密度和流速則越低，大部分的混合氣體會(huì)在熱絲上方產(chǎn)生循環(huán)繞流，使得較少的氣體能夠進(jìn)入硅片與熱絲之間的區(qū)域而進(jìn)行金剛石沉積反應(yīng)。熱繞阻和熱繞流的現(xiàn)象造成金剛石的沉積速度變慢，從而影響HFCVD 金剛石單晶顆粒的生成速率[14]。從圖3d可以得出多片式柵狀襯底每塊硅片的溫度范圍。選取如圖4 所示的第2 塊、第5 塊、第8 塊、第11 塊和第14 塊具有代表性的5 塊硅片進(jìn)行論述。

根據(jù)圖3、圖4 可以得知傳統(tǒng)模型中多片式柵狀襯底硅片的最低溫度（用T_min表示）、最高溫度（用?T_max表示）及其兩者之間的溫差（用ΔT 表示），結(jié)果見表3。

1.3.2 優(yōu)化模型的研究

通過改變傳統(tǒng)沉積金剛石單晶顆粒系統(tǒng)進(jìn)氣口的方式進(jìn)行仿真優(yōu)化，將傳統(tǒng)單個(gè)進(jìn)氣口拆分成5 個(gè)大小相等的進(jìn)氣口，保持進(jìn)氣總流量不變，減小氣體的實(shí)際流通面積；同時(shí)通過改變多個(gè)進(jìn)氣口和出氣口的相對(duì)位置，試圖對(duì)CVD 沉積過程中氣體物理場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。共設(shè)計(jì)了4 種優(yōu)化系統(tǒng)模型，如圖5 所示。

優(yōu)化模型1： 5 個(gè)進(jìn)氣口與熱絲等高，等間距分布在反應(yīng)腔體左側(cè)壁遠(yuǎn)離出氣口的位置。

優(yōu)化模型2：5 個(gè)進(jìn)氣口等間距分布在反應(yīng)腔體的頂部中間位置，此時(shí)出氣口位于反應(yīng)腔體底部的中間處。

優(yōu)化模型3： 5 個(gè)進(jìn)氣口與熱絲等高，等間距分布在反應(yīng)腔體左側(cè)壁靠近出氣口的位置，此時(shí)出氣口與進(jìn)氣口在反應(yīng)腔體同一側(cè)。

優(yōu)化模型4： 5 個(gè)進(jìn)氣口與熱絲等高，等間距分布在反應(yīng)腔體左側(cè)壁的位置，此時(shí)出氣口位于反應(yīng)腔體底部的中間處。

圖6 為4 種優(yōu)化模型的流速場(chǎng)分布。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化模型1、2、4 進(jìn)氣口排布方式在一定幅度上提高了襯底周圍的氣體流速的均勻性，特別是兩側(cè)襯底周圍的流速明顯趨于一致，這有利于襯底表面各處的金剛石顆粒生長(zhǎng)且生長(zhǎng)更加均勻。

圖7 為優(yōu)化模型氣體密度場(chǎng)分布云圖。與傳統(tǒng)仿真結(jié)果圖3 相比，圖7 中幾乎沒有任何實(shí)質(zhì)性變化，都呈現(xiàn)出明顯的熱擾流現(xiàn)象，說明改變進(jìn)出氣口的位置和數(shù)量對(duì)HFCVD 沉積金剛石生長(zhǎng)速率的影響不顯著。

優(yōu)化模型選取的5 塊硅片與傳統(tǒng)系統(tǒng)模型一樣，比較優(yōu)化前后系統(tǒng)模型的溫度場(chǎng)，如圖3d、圖8 所示。從圖3d、圖8 可知：優(yōu)化模型襯底周圍的溫度均勻性得到改善，更加適合金剛石單晶顆粒的生長(zhǎng)。通過計(jì)算，得出優(yōu)化模型之間溫度場(chǎng)的差異，如表4、圖9 所示。從表4、圖9 可以看出：優(yōu)化模型2 的溫度差最低，則表明優(yōu)化模型2 最滿足金剛石單晶顆粒在多片式硅襯底上均勻生長(zhǎng)的條件。因此，可以合理推測(cè)該系統(tǒng)獲得的金剛石單晶顆粒質(zhì)量及粒度的均勻性較優(yōu)。

2 HFCVD 沉積金剛石單晶顆粒試驗(yàn)

為驗(yàn)證改變進(jìn)氣口的數(shù)量與排布方式對(duì)沉積金剛石單晶顆粒系統(tǒng)是真實(shí)且具有優(yōu)化效果的，對(duì)此次仿真進(jìn)行試驗(yàn)。將最優(yōu)模型2 作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停? 個(gè)直徑均為4.472 mm 的圓柱形進(jìn)氣口均勻分布在反應(yīng)腔體的頂部。15 片硅片襯底， 6 根鉭絲的規(guī)格與仿真模型相同，通過測(cè)量襯底溫度，觀測(cè)金剛石單晶顆粒的生長(zhǎng)情況。

2.1 CVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗(yàn)方法

采用熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備， 對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行HFCVD 無籽晶金剛石單晶顆粒沉積試驗(yàn)。反應(yīng)氣體為丙酮、硼酸三甲酯以及氫氣，硼原子及氧原子的加入可以提高無籽晶單晶顆粒的生長(zhǎng)速率約1.2～1.7 倍[15]。多片式柵狀硅襯底需用0.5 μm 金剛石微粉研磨其表面30 s，再分別在去離子水及丙酮溶液中超聲清洗3～5min，去除表面殘余的金剛石研磨劑及雜質(zhì)，經(jīng)過上述處理后，投入HFCVD 設(shè)備中進(jìn)行沉積。具體沉積參數(shù)詳見表5。

CVD 金剛石單晶顆粒批量沉積的均勻性包括顆粒粒度、形貌、質(zhì)量3 方面，其形貌及粒度采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（ field emission scanning electron microscopy，F(xiàn)ESEM）進(jìn)行表征，其質(zhì)量采用拉曼譜儀（raman spectroscopy，RS）進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 HFCVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗(yàn)結(jié)果

圖10 為柵狀硅片不同位置單晶顆粒金剛石的FESEM 形貌圖。從圖10 可以看出：2 個(gè)位置上的單晶顆粒均呈現(xiàn)出金剛石的典型形貌特征，即立方八面體或二十面體結(jié)構(gòu)，且顆粒表面較為光滑，少有二次形核等缺陷發(fā)生。經(jīng)測(cè)量，顆粒的粒度平均尺寸均為2.5 μm左右，這說明顆粒的沉積環(huán)境均質(zhì)性較好，適宜于單晶顆粒的批量沉積。由此可推測(cè)，該單晶顆粒的生長(zhǎng)速率約為1.2 μm/h，與前期研究的傳統(tǒng)模型獲得的生長(zhǎng)速率一致[9]，這也說明了進(jìn)出氣口的排布對(duì)顆粒生長(zhǎng)速率影響不顯著。圖11 為在硅片不同位置上隨機(jī)選取的2 個(gè)單晶顆粒樣品的Micro-Raman 譜圖，得出2 個(gè)隨機(jī)樣品在1 333 cm^?1處都存在明顯的金剛石特征峰， 且500、1 200 cm^?1處存在明顯的寬峰（這是因?yàn)榕鹪右氲搅私饎偸Ц癞?dāng)中），說明在顆粒批量沉積試驗(yàn)中，CVD 金剛石單晶顆粒擁有的金剛石純度及質(zhì)量均質(zhì)性較好。由此證明，仿真優(yōu)化結(jié)果的可行性較好。

3 結(jié)論

采用新型多片式矩形柵狀襯底可提高單次沉積金剛石顆粒的質(zhì)量，影響金剛石顆粒在多片式柵狀襯底各處均質(zhì)性生長(zhǎng)的主要因素之一是進(jìn)氣口的方式，多進(jìn)氣口方式優(yōu)化傳統(tǒng)模型，可以得出結(jié)論：

（1）進(jìn)出氣口分別位于反應(yīng)腔體的頂部和底部中間時(shí)，系統(tǒng)溫度差最低，有利于金剛石單晶顆粒均勻生長(zhǎng)；優(yōu)化模型的密度場(chǎng)仍呈現(xiàn)明顯的熱擾流現(xiàn)象，說明進(jìn)出氣口的排布方式對(duì)HFCVD沉積金剛石生長(zhǎng)速率影響不顯著。

（2）采用CVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真結(jié)果可行性。

作者簡(jiǎn)介

楊海霞， 女，1976 年生， 碩士、副教授。主要研究方向：CVD 金剛石的仿真優(yōu)化。

E-mail：906075781@qq.com

通信作者： 張韜，女，1984 年生，博士、副教授。主要研究方向：CVD 金剛石的制備及應(yīng)用。

E-mail：zhangt@wxit.edu.cn

（編輯：王潔）