热丝CVD金刚石薄膜的温场和流场仿真研究

HFCVD法是成功制备金刚石薄膜最早，也是较为成熟的方法之一，具有非常突出的优点，尤其适用于大面积复杂形状沉积和批量产业化生产，因此在理论研究、试验研究和产业化应用研究方面都是使用最为广泛的CVD金刚石薄膜沉积方法。在HFCVD反应腔中，热丝是唯一的热源，以热丝为中心在HFCVD反应腔中会形成具有一定梯度的温度分布，并直接影响基体表面的沉积温度。根据理想气体状态方程，在恒压、恒定气体流量的反应腔中，温度分布会进一步影响反应腔内各位置的气体密度分布。此外，反应腔的进出气口排布方式以及反应气体流量也会对整个设备内的反应气体流动状态造成影响。在采用HFCVD法制备金刚石薄膜的反应过程中，温度场和气场（包括气体密度场和气体速度场）分布的均匀性和稳定性对于金刚石薄膜的生长速度和质量有着显著的影响，自HFCVD方法发明以来，这方面的研究就层出不穷。美国宾夕法尼亚州立大学材料研究实验室的Debroy等早在1990年就采用试验与理论计算相结合的方法研究了HFCVD金刚石薄膜沉积过程中的热量传递和气体流动状态对于金刚石薄膜沉积速率和薄膜质量的影响［73］。美国科罗拉多州立大学化学工程研究所的Dandy等则从化学反应的角度研究了热丝及反应气体温度对于基体表面原子氢摩尔分数的影响［74］。巴西国家太空研究所的Barbosa等则系统研究了衬底温度对纳米金刚石薄膜生长速率及质量的影响［75］，研究结果表明，随着衬底温度的升高，金刚石薄膜中sp2相所占的比例增加，金刚石晶粒的尺寸减小，纳米金刚石薄膜生长速率加快。经过数十年的研究积累，HFCVD反应腔内的温度场和气场分布状态对金刚石薄膜生长速度及质量的影响效果已经日趋明确，而如何测量或预测反应腔内的温度场和气场分布状态则逐渐成为一个重要的研究课题。

采用试验手段测量HFCVD真空反应腔内的温度场和气场分布状况存在很多技术困难且试验成本较高，因此，目前国内外研究学者对于HFCVD真空反应腔内温度场和气场分布的研究主要采用的是数值模拟计算和简单可行的试验测量相结合的方法。美国麻省理工学院化学工程研究所的Wolden等在只考虑热辐射效应的前提下，采用数值计算研究了平面沉积理论模型中热丝参数（如热丝直径、热丝-基体间距等）对基体温度的影响，并根据基体温度测量的结果验证了数值计算得到的温度分布及变化趋势的准确性。然而，由于该研究忽略了气体导热和对流作用对于温度场分布的影响，因此计算得到的基体温度绝对值明显小于实际测量值［76］。巴西国家太空研究所的Barbosa等则使用CFX软件对简化的平面沉积模型中温度场和气体速度场的分布进行了基础性研究，发现气体速度场对于金刚石薄膜的沉积速度的影响是可以忽略的，这一研究成果也成为进一步研究温度场和气体速度场对薄膜沉积速度及质量影响的基础［77］。

在采用数值仿真计算的方法进行HFCVD反应腔内温度场和气场分布研究方面，国内涌现出了更多且更系统的研究成果。中国科学院金属研究所的闻立时等与韩国昌原大学金属及材料科学研究所的Song等合作，在研究大面积平片基体上沉积HFCVD金刚石薄膜过程中的温度场和气场分布方面取得了系统性的成果，包括热丝参数及热丝分布对于大面积平片基体温度场和空间气体温度场的影响以及热阻塞、热绕流等热学现象对于温度场分布的影响等，并提出了根据数值仿真计算的结果，结合试验数据进行HFCVD金刚石薄膜沉积参数优化并提出HFCVD反应器结构设计的新思路、新方法，在保证薄膜质量的同时，实现HFCVD金刚石薄膜在平片基体上的大面积高速生长［78］。早期研究也仅考虑了热辐射的作用，所采用的模型多为理论化的二维模型或非常简单的三维模型，但是在后续研究中逐步考虑了传导、对流和辐射三种热传递效应的综合影响，并且也出现了部分针对较复杂模型的研究，但是大多数研究都着眼于平片沉积，在复杂形状或内孔沉积方面的研究较少。此外，南京航空航天大学的卢文壮则利用Ansys有限元计算机仿真模拟的方法系统研究了热丝参数对于基体温度的影响，尤其是其中有关接触热阻对基体温度影响的研究及其相关的高热阻镂空工作台沉积装置的设计制造极具创新性，并对刀具基体和普通的圆孔模具内孔上沉积HFCVD金刚石薄膜的温度场分布进行了初步研究，但是其中绝大部分的研究也仅考虑了沉积过程中的热辐射效应，仿真结果和测量结果之间难以避免地存在差异。此外也有研究采用Fluent软件对整体硬质合金铣刀上沉积金刚石薄膜的三维流场状态进行了仿真分析，但是尚未对温度场进行耦合分析［79］。最近几年，作者所在课题组在有关HFCVD金刚石薄膜的温度场和气场分布的仿真计算研究方面也取得了一系列的研究成果，包括在基于有限元方法（finite element method，FEM）的平片车刀基体上沉积HFCVD金刚石薄膜的基体温度场分布研究［80-82］以及基于有限体积法（finite volume method，FVM）的，综合考虑传导、对流、辐射三种不同热效应，采用了与实际的反应腔体及基体模型非常接近的物理模型的大面积平片基体上沉积HFCVD单晶金刚石颗粒，以及批量化刀具基体上沉积HFCVD金刚石薄膜的基体温度场分布研究［83-84］。(www.xing528.com)

本书在现有相关理论研究成果的基础上，将基于FVM的仿真计算方法推广应用到内孔沉积金刚石薄膜领域，根据理论研究、沉积参数优化、批量化内孔薄膜沉积装置的设计制造等不同研究内容的需要选择不同的方法和模型进行仿真分析，有助于明确内孔沉积HFCVD金刚石薄膜过程中各参数对于温度场和气场分布的影响机理，实现在小孔径、超大孔径或复杂形状内孔表面制备高质量、厚度均匀的CVD金刚石薄膜，达到内孔金刚石薄膜批量化制备的目标，推进金刚石薄膜在耐磨减摩或耐冲蚀领域的产业化应用。