Co-Re MOCVD 設備反應室流場的CFD 數值仿真

朱黎明，龔 偉，敬 瑀，崔開放

（西南科技大學制造科學與工程學院，西南科技大學 材料科學與工程學院，四川 綿陽 621000）

1 引言

金屬有機物化學氣相沉積是制備金屬薄膜的一種重要途徑，所制備的金屬薄膜在半導體、電子、航天、軍工等領域有廣泛的應用[1]，然而化學氣相沉積是一種對參數要求十分精密的技術，否則會對成膜的質量產生一定的影響。影響化學氣相沉積過程最主要的因素是氣體的流動與傳熱，內部氣體各參數的熱力學差異促進了氣體的流動[2]，比如溫度差、壓力差、濃度差等。這種差異促進了分子的流動、對流與擴散，不僅對沉積過程產生影響，反應機理和沉積效果也會受到影響。

抗高溫燒蝕涂層在航空航天與軍工領域具有廣泛的應用，由于航天器的推力室與槍管的炮膛承受很高的溫度，因此對抗高溫涂層提出了很高的要求。Re 涂層是一種抗高溫涂層[3-5]，現階段，Re 的化學氣相沉積主要采用ReCl5熱分解或ReF6氫氣還原法沉積，但是存在沉積溫度太高，Re 的成本太高，產生環境不友好氣體等問題[6-7]。課題組采用沉積Co-Re 合金涂層的方式，不僅降低了生產成本，而且提高了涂層的抗燒蝕性和抗氧化性，為開發出新型抗燒蝕涂層提供了可能。采用CFD 流體力學軟件對課題組設計Co-Re 化學氣相沉積設備反應室進行數值模擬，真實的再現內部氣體流動規律，為生產高質量Co-Re 合金涂層提供可能，同時也為進一步優化設備提供支撐。

2 Co-Re 化學氣相沉積反應室及計算區域網格劃分

Co-Re 化學氣相沉積反應室結構簡圖，如圖1 所示。因為計算的是Co-Re 化學氣相沉積設備內部氣體流動情況，因此只需對內部流動部分建模即可，模型的入口半徑為5mm，模型整體直徑25mm，長度200mm 兩端三維進口和出口均為直徑和高分別為3mm、5mm，內部墊板直徑24mm，能夠自由調節高度，每個墊板上面由六個小孔組成，上下兩個圓柱體組成，大圓柱體直徑為25mm，小圓柱體內徑24mm，內部由三個工字墊板與鋼基體組成，基體尺寸（15×15×5）mm。對以下四種不同條件進行分析。

圖1 化學氣相沉積反應室結構簡圖Fig.1 Structure Diagram of Chemical Vapor Deposition Reaction Chamber

（1）首先考察不同的進口形狀對流場影響[9]，其他參數保持一致（2）采用上面分析得出最佳噴頭，考察基底位置高低不同帶來影響，其他參數保持一致（3）采用得出最佳噴頭以及最佳位置，討論流量大小對基底附近鍍層影響，其他參數保持一致（4）采用最佳噴頭和最佳位置以及最適流量作為統一條件，討論不同壓力對基底附近流量場影響，其他參數保持不變。進氣流量分別為150mL/min、300mL/min、450mL/min，進氣速率分別為 0.127m/s、0.254m/s、0.384m/s，進口溫度為 170℃，反應室溫度為 400℃，壓力大小分別為100Pa、1000Pa、10000Pa，在這里主要運載氣體為氫氣，前驅體為Co（acac）2和Re2（CO）10，由于前驅體量很少，且是慢慢升華，故在模擬中忽略前驅體量，近似考慮混合氣體為氫氣，計算氣體雷諾數Re=vd/γ 得出氣體為層流。結合反應室內實際情況，近似認為氣體滿足理想氣體狀態方程和連續性流體假設。由于計算的是內部氣流的流動，在做前處理模型時，只對設備內部空間進行建模。結合反應室內的實際流動狀況，認為反應室內氣體滿足連續流體假設和理想氣體狀態方程，忽略化學反應放熱對過程的影響，氣體控制方程有能量守恒方程、動量守恒方程、連續性方程、能夠用一種通用形式來表示[10]：

式中：φ—因變量；ρ—流體密度；u—流體速度；γφ—廣義擴散系數；Sφ—源項。

采用CFD 軟件FLUENT15.0 前處理軟件ICEM 對計算區域進行處理，包括定義計算區域性質與邊界，然后進行網格劃分，文章采用非結構化網格有限容積法來劃分網格，因為非結構化網格能夠隨意布置節點和和網格，所以能夠對復雜的邊界和求解帶來一定的適應于靈活性，網格總數為1401105，節點數為238068，經網格無關性檢驗后，網格致密度符合要求。

3 結果與討論

3.1 不同進氣口形狀對計算結果影響

該次仿真首先對進氣口形狀進行模擬，挑選出三種進氣口形狀，分別為直型噴頭、錐型噴頭、螺旋型噴頭，分別模擬在不同噴頭型號條件下，反應室流場分布情況，其中，噴頭形狀為變量，其他實驗條件為常量。模擬的其他條件分別為進氣口速度0.127m/s，進氣口溫度170℃，入口附近操作壓力為100Pa，基底下表面距離入口距離L 為100mm，模擬結果，如圖2 所示。圖2 中a、b、c 分別為直型、錐型、螺旋型?？梢钥闯觯眹娍诋a生氣流場速度明顯大于另外兩種，而基底涂層能夠成長基本條件就是表面有足夠的氣流流過，因此在三個噴頭模擬結果當中，直型噴頭效果最好。

圖2 三種噴頭仿真截面圖Fig.2 Three Kinds of Nozzle Simulation Section Diagram

3.2 基底不同位置對涂層附近流場影響

根據上面實驗結果，利用直型噴頭作為本次模擬對象，以基底的位置作為變量，分別討論L（基底下表面距離進氣口距離）大小對基底附近流場的影響，這里模擬條件取L 分別為50mm、100mm、150mm，對應圖3 中三條曲線a、b、c，其他條件為常量，分別為入口操作壓力為100Pa，入口溫度為170℃，反應室加熱溫度為400℃。都取基底正上方3mm 位置處圓形平面作為觀察面，然后取該面上一條直徑線段作為觀察線，模擬結果，如圖3 所示。從圖3 中可以看出b 圓心的速度最低，約為0.0004m/s，同時間流過第二種情況反應物較少，那么鍍層沉積的合金涂層相應地也較薄，因此圖3 中b 效果不如圖3 中a 和圖3中c 好，圖3 中a 最大速度明顯大于圖3 中c 最大速度，可以得出結論圖3 中c 速度差別比較小，進而形成涂層質量就較圖3 中a 有所提高，綜上分析，可以看出當L 為150mm 時，涂層表面分布最均勻涂層質量效果最好，而L 為100mm 時，涂層效果質量較差。

圖3 不同位置基底上方速度對比圖Fig.3 The Velocity Contrast Diagram Above the Base of Different Positions

3.3 不同流量大小對基底附近速度場影響

根據上面實驗結果，采取最優的模擬結果，即該次模擬采用直型噴頭，入口距離到基底下底面距離L 為150mm 為模擬條件，其他條件保持不變，分別為入口操作壓力為100Pa，入口溫度為170℃，反應室加熱溫度為400℃。還是取基底上表面3mm 處為觀察平面，然后取平面上同一條直徑作為觀察線段，查看該線上速度變化情況，流量大小為變量，分別對應150mL/min、300mL/min、450mL/min。多次模擬結果，如圖4 所示。從圖像可以看出隨著流量的增大，整體速度都是在增大，而且速度的最高點也就是基底邊緣上方速度增加較為明顯，從0.0026m/s 增加到0.0078m/s，而中心增加幅度并不明顯，從0.0004m/s 增加到0.0012m/s，因此當進氣流量為150mL/min 速度差值是最小的，也就是說涂層沉積最為均勻。因此從涂層表面均勻度來看，為了提高涂層表面質量，選擇進氣流量為150mL/min 為宜。

3.4 不同壓力對基底附近流場影響

依據上面擬結果，選用最優的一組模擬條件，即進口采用直型噴頭，入口到基底下表面的距離L 為150mm，其他條件仍然保持不變，即入口操作壓力為100Pa、1000Pa、10000Pa，分別對應a、b、c 入口溫度為170℃，反應室加熱溫度為400℃，入口流量為150mL/min。取反應室壓力大小為變量，分別為100Pa、1000Pa，10000pa。還是取基底正上方3mm 處為觀察平面，該平面內一條直徑作為參考線。該線取100 個點，分析這100 個點速度變化，如圖5 所示。明顯看出速度最大最小值差別變化不大，那么可以認定為基底附近流場受壓力影響不。

圖5 不同壓力基底上方速度對比圖Fig.5 Velocity Contrast Diagram Above Different Pressure Bases

4 實驗

Co-Re 化學氣相沉積設備，如圖6 所示。采用的實驗參數，如表1 所示。實驗流程為：首先往升華室和反應室通入氫氣，空氣排除干凈后，對反應室進行抽真空處理，然后開啟加熱系統，使升華室加熱到一定溫度，然后打開不銹鋼高溫閥，將混合氣體通入反應室，之后往反應室注入氫氣，為了維持前驅體分壓不變，然后反應120min，反應結束后注入惰性氣體，待反應室恢復常壓，取出樣品。經測試，能夠制備出表面良好的涂層。

圖6 Co-Re CVD 一體化系統實物圖Fig.6 Co-Re CVD Integrated System Physical Map

Co-Re 化學氣相沉積系統實驗參數表，如表1 所示。經開機實驗，能夠沉積出質量相對均勻的涂層。

表1 Co-Re 化學氣相沉積系統實驗參數表Tab.1 Experimental Parameters of Co-Re Chemical Vapor Deposition System

5 結論

（1）以化學氣相制備Co-Re 合金涂層為對象，建立了反應室內部的數學模型，通過建立反應室內部氣體流動模型，運用ICEM劃分網格，網格總數為1401105，節點數為238068，導入到fluent建立求解器。討論不同工況下基體附近流場情況，達到提高基體附近涂層均勻度以及表面質量的目的。（2）采用定性與定量分析結合方式，首先以提高涂層表面均勻度以及質量為目的，確定了反應室進口噴頭形狀、基底位置、進氣流量大小、反應室壓力大小四個變量，然后分別模擬，結果表明：噴頭形狀直觀以及數據來看，直型噴頭效果最好；進氣口和基底下底面距離L 分別為50mm、100mm、150mm，當L為150mm 時，涂層表面分布最均勻，涂層質量效果最好，而L 為100mm 時，涂層效果質量最差；進氣流量大小分別為150mL/min、300mL/min、450mL/min，當進氣流量為150mL/min 涂層沉積最為均勻；反應室壓力變量分別為101Pa、102Pa、103Pa，壓力的變化對涂層沉積效果無明顯影響。（3）工藝參數對實驗影響作用很大，通過對工藝參數調整，達到優化實驗過程以及節省成本目的，表明CFD是優化設備結構以及工藝參數重要手段。