CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化

杨海霞 伏明将 罗健 张韬

杨海霞, 伏明将, 罗健, 张韬. 多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 735-742. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031
引用本文: 杨海霞, 伏明将, 罗健, 张韬. 多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 735-742. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031
YANG Haixia, FU Mingjiang, LUO Jian, ZHANG Tao. Simulation optimization of physical field of diamond particles deposited by multi-piece substrates HFCVD system[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 735-742. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031
Citation: YANG Haixia, FU Mingjiang, LUO Jian, ZHANG Tao. Simulation optimization of physical field of diamond particles deposited by multi-piece substrates HFCVD system[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 735-742. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031

多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031
基金项目: 国家青年自然科学基金(51605280);江苏省自然科学基金(BK20201142)。
详细信息
    作者简介:

    杨海霞,女,1976年生,硕士、副教授。主要研究方向:CVD金刚石的仿真优化。E-mail:906075781@qq.com

    通讯作者:

    张韬,女,1984年生,博士、副教授。主要研究方向:CVD金刚石的制备及应用。E-mail:zhangt@wxit.edu.cn

  • 中图分类号: TQ164

Simulation optimization of physical field of diamond particles deposited by multi-piece substrates HFCVD system

  • 摘要: 探索热丝化学气相沉积(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)合成高效优质的金刚石已成为研究热点。采用可提高金刚石颗粒单次沉积产量的新型多片式栅状衬底,应用FLUENT流体仿真软件,在原有单个出气口数量及进气总流量保持不变的情况下,优化传统模型,将单个进气口拆分成5个大小相等的进气口,对影响金刚石单晶颗粒均匀性的进气口数量和排布方式工艺参数进行仿真,对比分析HFCVD系统内气体的物理场。结果显示:4组优化模型均提高了衬底温度及流速的均匀性,有利于金刚石单晶颗粒的均匀生长,但对其沉积速率影响不显著;进一步分析优化模型的温度场,发现5个进气口及单个出气口分别位于反应腔体顶部和底部的中间位置时系统的温度差最低,最满足金刚石单晶颗粒在多片式硅衬底上均匀生长的条件。HFCVD金刚石单晶颗粒沉积试验验证了仿真结果的正确性。

     

  • 图  1  简化模型示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of simplified model

    图  2  HFCVD系统中衬底与热丝计算区域的三维网格计算模型

    Figure  2.  Three-dimensional grid computing model of substrate and hot filament computing regions in HFCVD system

    图  3  传统HFCVD模型物理场的分布云图

    Figure  3.  Distribution cloud image of physical field in traditional HFCVD model

    图  4  硅片序号图

    Figure  4.  Wafer serial number diagram

    图  5  HFCVD系统进气口的优化排布方案

    Figure  5.  Optimal arrangement scheme for inlet of HFCVD system

    图  6  4种优化模型的流速场分布图

    Figure  6.  Velocity field distribution diagram of four optimization models

    图  7  4种优化模型的密度场分布图

    Figure  7.  Density field distribution diagram of four optimization models

    图  8  4种优化模型的气体温度场分布图

    Figure  8.  Gas temperature field distribution diagram of four optimization models

    图  9  优化模型各衬底温度差对比数据图

    Figure  9.  Comparison data graph of temperature difference between substrates in the optimization model

    图  10  CVD金刚石颗粒的 FESEM形貌图

    Figure  10.  FESEM morphology of CVD diamond particles

    图  11  CVD金刚石颗粒的 Micro-Raman谱图

    Figure  11.  Micro-Raman spectra of CVD diamond particles

    表  1  材料属性

    Table  1.   Material properties

    材料密度 ρ /
    (kg·m−3)
    热导率 λ /
    (W·m−1·K−1)
    热容 c /
    (J·kg−1·K−1)
    H2不可压缩气体 0.167 214 283
    Si2 330149.000 0 703
    Ta(热丝)15 500 63.000 0 185
    Cu (衬底支撑台)8 978388.000 0 381
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    表  2  进出气口不同分布位置的参数设置

    Table  2.   Parameter setting of different distribution positions of the inlet and outlet

    编号 模型 进气口数量 单个进气口直径 D / mm 单个进气口流速 v /(m·s−1 进气口的分布位置 出气口的分布位置
    0 传统模型 1 10.000 0.169 反应腔体左底部 反应腔体右底部
    1 优化模型 5 4.472 0.849 反应腔体左侧壁 反应腔体右底部
    2 优化模型 5 4.472 0.849 反应腔体顶端 反应腔体底部中间
    3 优化模型 5 4.472 0.849 反应腔体左侧壁 反应腔体左底部
    4 优化模型 5 4.472 0.849 反应腔体左侧壁 反应腔体底部中间
    注:进出气口的分布位置均在xz平面内进行观测。
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    表  3  传统模型—适宜金刚石微粉生长的衬底上的温度极值

    Table  3.   Traditional model: temperature extremum on the substrate suitable for the growth of diamond powder

    硅片序号最高温度 Tmax / K最低温度 Tmin / K温差 ΔT /K
    21 191.601 127.4664.14
    51 201.821 129.0072.82
    81 198.841 129.0669.78
    111 200.641 128.2072.44
    141 186.581 123.9162.67
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    表  4  优化模型—适宜金刚石微粉生长的衬底上的温度极值

    Table  4.   Optimization model: Temperature extremum on the substrate suitable for the growth of diamond powder

    硅片序号优化模型1优化模型2优化模型3优化模型4
    最高温度
    Tmax / K
    最低温度
    Tmin / K
    温差
    ΔT / K
    最高温度
    Tmax / K
    最低温度
    Tmin / K
    温差
    T / K
    最高温度
    Tmax / K
    最低温度
    Tmin / K
    温差
    ΔT / K
    最高温度
    Tmax / K
    最低温度
    Tmin / K
    温差
    ΔT / K
    21 196.461 133.163.361 198.541 135.4163.131 199.231 135.8863.351 196.571 133.1563.42
    51 207.411 134.9272.491 209.871 137.6272.251 210.711 137.7472.971 208.001 135.0872.92
    81 205.041 135.3569.691 207.181 137.6769.511 208.41 138.1670.241 205.491 135.5469.95
    111 207.781 134.972.881 209.821 137.4372.391 210.571 137.6872.891 207.881 135.0772.81
    141 195.831 133.0262.811 198.541 136.2862.261 198.381 135.7662.621 195.631 133.1162.52
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    表  5  CVD金刚石单晶颗粒沉积参数

    Table  5.   CVD single crystal diamond particle deposition parameters

    沉积参数形核参数生长参数
    丙酮与氢气的比例1.5%2.0%
    硼碳摩尔比率 [B]/[C]gas / 10−65 0005 000
    压强 p / Pa3 0003 000
    偏流强度 B /A4.04.0
    衬底温度 $ {T}_{\mathrm{c}} $ /℃700950
    热丝温度 $ {T}_{\mathrm{r}} $ /℃2 000±2002 2 200±200
    沉积时间 t / min4080
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-20
  • 修回日期:  2023-03-19
  • 录用日期:  2023-04-07
  • 网络出版日期:  2023-11-06
  • 刊出日期:  2023-12-01

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