多片式襯底HFCVD 系統沉積金剛石顆粒物理場的仿真優化

楊海霞　伏明將　羅健　張韜

關鍵詞 熱絲化學氣相沉積法；FLUENT 仿真軟件；優化模型；金剛石顆粒均勻生長

中圖分類號 TQ164 文獻標志碼 A文章編號 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用于玻璃、陶瓷、寶石等硬脆材料中[1-2]。目前，國內外制備金剛石微粉的方法普遍為機械粉碎法。機械粉碎法制備工藝煩瑣，制得的顆粒形狀比較雜亂，且超細的微粒較難制造，難以完全滿足精密產品的拋光要求[3]。

熱絲化學氣相沉積法（ chemical vapor deposition，CVD）合成的單晶金剛石具有晶形完整、表面光潔、品級高等優點，且制備工藝簡單易控[4]，使高品級單晶微粉制備成為可能。然而，采用HFCVD 方法沉積顆粒的產量極大依賴于沉積基體的面積，使得其尚未實現產業化[5]。本文在熱絲化學氣相沉積法制備無籽晶金剛石顆粒的基礎上，采用新型多片式矩形柵狀襯底，與傳統平片式襯底相比，其具有高比表面積的優勢，單晶顆粒在襯底的兩側面均可進行生長，有利于金剛石顆粒單次沉積產量的提高，但如何保證金剛石顆粒在多片式柵狀襯底各處生長的均質性，是亟待解決的難點之一。

BARBOSA 等[6] 基于單根熱絲， 通過CFX 軟件對HFCVD 生長金剛石過程中的溫度場和速度場分布進行仿真，并通過試驗驗證了仿真的可行性。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量和間距以及不同熱絲/基體間距對基體表面溫度場的影響。李建國等[8] 建立二維溫度場、速度場和密度場的耦合模型，研究了沉積參數對空間場的影響，得出氣體進口速度對密度的均勻性影響較大。張韜[9] 采用耦合熱輻射、熱傳導和熱對流的有限體積法，建立更接近實際沉積系統的三維模型，對影響襯底物理場的參數進行優化，顯著減小了仿真結果與實際情況的偏差。

因顆粒生長的均勻性與HFCVD 系統進出氣口的排布方式密切相關，本文將沿用上述方法，針對不同的進出氣口排布方式，利用FLUENT 軟件對多片式柵狀襯底沉積金剛石顆粒的物理場進行仿真研究，尋找最優進出氣口排布方式，優化金剛石顆粒沉積時氣體流速、溫度和密度場的均勻性，以期實現各顆粒質量及晶粒尺寸的均勻生長，從而高效地獲得品質性能優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HFCVD 系統的溫度、氣體密度及流速場進行仿真預測。為簡化仿真， 做以下假設：（1）反應室內的壓力為恒定值；（2）仿真中的模擬氣體僅為氫氣（因實際沉積過程中甲烷的體積分數極低，僅為1%～2%，為簡化計算，在仿真中不予考慮）；（3）反應室內無任何化學放熱反應發生[9-10]。

采用GAMBIT 軟件對HFCVD 沉積金剛石單晶顆粒系統進行建模，系統模型如圖1 所示：反應腔體是直徑為150 mm，高為100 mm 的圓柱體；水冷工作臺為圓臺，其直徑為110 mm，厚度為20 mm，距離下腔10 mm，材質為銅；水冷臺的上方均勻分布著15 片長為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；在反應腔體的下方，分布著2 個高為5 mm，直徑為10 mm 的圓柱形氣口，2個氣口間距為120 mm。甲烷和氫氣的混合氣體從進氣口進入反應腔內，從出氣口流出。利用GAMBIT 軟件對此3D 模型進行網格劃分[11]，并且將流體和固體部分單獨進行網格劃分，流固體相接觸的曲面應設定為普通接觸面。為提高計算精度，需網格細化柵狀襯底與熱絲周圍的計算區域（如圖2 所示）。據此得到的計算模型總的網格數量為1 750 890， 面網格數量為3 696 050。此外，其余材料屬性見表1。

1.2 仿真方法

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

1.3 仿真結果與分析

氣體密度場能反映不同位置的單位體積氣體粒子數量，氣體處于運動狀態時，密度場高的位置相應粒子供給量也較大。因此，在一定程度上，其分布反映了空間粒子的供給情況[13]。氣體流速場是描述氣體粒子在空間各點速度分布的一種矢量場。氣體密度及流速的大小影響金剛石的生長速率，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HFCVD 反應原理，得出影響襯底表面氣體各物理場分布的主要因素之一為進氣口布置方式。

因此，共設計了4 組進氣口優化模型，主要是通過改變進氣口的數量和分布位置對模型進行優化。在原有的出氣口數量保持不變的情況下，增加4 個進氣口。為保證氣體的總流量恒定不變，優化模型需減小進氣口的面積。已知傳統模型的單個進氣口直徑為10 mm，進氣口流速為0.169 m/s， 遵循氣體流量守恒定律Q=v₁A₁₌v₂A₂，可以計算出優化模型的單個進氣口直徑減小為4.472 mm，如表2 所示。

1.3.1 傳統模型的研究

圖3 為傳統HFCVD 模型物理場分布云圖。從圖3b、圖3c 可以看出：采用傳統的單個進氣口送氣，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在熱絲上方產生循環繞流，使得較少的氣體能夠進入硅片與熱絲之間的區域而進行金剛石沉積反應。熱繞阻和熱繞流的現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 塊硅片進行論述。

根據圖3、圖4 可以得知傳統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），結果見表3。

1.3.2 優化模型的研究

通過改變傳統沉積金剛石單晶顆粒系統進氣口的方式進行仿真優化，將傳統單個進氣口拆分成5 個大小相等的進氣口，保持進氣總流量不變，減小氣體的實際流通面積；同時通過改變多個進氣口和出氣口的相對位置，試圖對CVD 沉積過程中氣體物理場進行優化。共設計了4 種優化系統模型，如圖5 所示。

優化模型1： 5 個進氣口與熱絲等高，等間距分布在反應腔體左側壁遠離出氣口的位置。

優化模型2：5 個進氣口等間距分布在反應腔體的頂部中間位置，此時出氣口位于反應腔體底部的中間處。

優化模型3： 5 個進氣口與熱絲等高，等間距分布在反應腔體左側壁靠近出氣口的位置，此時出氣口與進氣口在反應腔體同一側。

優化模型4： 5 個進氣口與熱絲等高，等間距分布在反應腔體左側壁的位置，此時出氣口位于反應腔體底部的中間處。

圖6 為4 種優化模型的流速場分布。從圖6 可以發現：優化模型1、2、4 進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且生長更加均勻。

圖7 為優化模型氣體密度場分布云圖。與傳統仿真結果圖3 相比，圖7 中幾乎沒有任何實質性變化，都呈現出明顯的熱擾流現象，說明改變進出氣口的位置和數量對HFCVD 沉積金剛石生長速率的影響不顯著。

優化模型選取的5 塊硅片與傳統系統模型一樣，比較優化前后系統模型的溫度場，如圖3d、圖8 所示。從圖3d、圖8 可知：優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。通過計算，得出優化模型之間溫度場的差異，如表4、圖9 所示。從表4、圖9 可以看出：優化模型2 的溫度差最低，則表明優化模型2 最滿足金剛石單晶顆粒在多片式硅襯底上均勻生長的條件。因此，可以合理推測該系統獲得的金剛石單晶顆粒質量及粒度的均勻性較優。

2 HFCVD 沉積金剛石單晶顆粒試驗

為驗證改變進氣口的數量與排布方式對沉積金剛石單晶顆粒系統是真實且具有優化效果的，對此次仿真進行試驗。將最優模型2 作為試驗模型，并將5 個直徑均為4.472 mm 的圓柱形進氣口均勻分布在反應腔體的頂部。15 片硅片襯底， 6 根鉭絲的規格與仿真模型相同，通過測量襯底溫度，觀測金剛石單晶顆粒的生長情況。

2.1 CVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗方法

采用熱絲化學氣相沉積設備， 對優化模型進行HFCVD 無籽晶金剛石單晶顆粒沉積試驗。反應氣體為丙酮、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，經過上述處理后，投入HFCVD 設備中進行沉積。具體沉積參數詳見表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、質量3 方面，其形貌及粒度采用場發射掃描電鏡（ field emission scanning electron microscopy，FESEM）進行表征，其質量采用拉曼譜儀（raman spectroscopy，RS）進行檢測。

2.2 HFCVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗結果

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 個位置上的單晶顆粒均呈現出金剛石的典型形貌特征，即立方八面體或二十面體結構，且顆粒表面較為光滑，少有二次形核等缺陷發生。經測量，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境均質性較好，適宜于單晶顆粒的批量沉積。由此可推測，該單晶顆粒的生長速率約為1.2 μm/h，與前期研究的傳統模型獲得的生長速率一致[9]，這也說明了進出氣口的排布對顆粒生長速率影響不顯著。圖11 為在硅片不同位置上隨機選取的2 個單晶顆粒樣品的Micro-Raman 譜圖，得出2 個隨機樣品在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（這是因為硼原子引入到了金剛石晶格當中），說明在顆粒批量沉積試驗中，CVD 金剛石單晶顆粒擁有的金剛石純度及質量均質性較好。由此證明，仿真優化結果的可行性較好。

3 結論

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量，影響金剛石顆粒在多片式柵狀襯底各處均質性生長的主要因素之一是進氣口的方式，多進氣口方式優化傳統模型，可以得出結論：

（1）進出氣口分別位于反應腔體的頂部和底部中間時，系統溫度差最低，有利于金剛石單晶顆粒均勻生長；優化模型的密度場仍呈現明顯的熱擾流現象，說明進出氣口的排布方式對HFCVD沉積金剛石生長速率影響不顯著。

（2）采用CVD 金剛石單晶顆粒沉積試驗，驗證仿真結果可行性。

作者簡介

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 金剛石的制備及應用。

E-mail：zhangt@wxit.edu.cn

（編輯：王潔）