优化产业化沉积装置基体排布方式

在双基体模型的基础上，根据前述理论分析的结果，在可批量沉积多个样品的产业化沉积装置的设计过程中，首先确定了反应气体进气口采用“与红铜支承块一一对应”的分布形式，即在每个红铜支承块正上方位置接一个进气口。出气口同样采用“与红铜支承块一一对应”的分布形式，并且在各个方向上都尽量呈对称分布。在前文所述的沉积参数、支承冷却和换热条件可以确定或者在应用过程中可进行优化的前提下，产业化沉积装置中批量沉积的多个样品内孔表面的温度分布均匀性主要受到基体排布方式的影响，因此本节主要针对批量化样品的排布方式进行建模及仿真对比［126］。

本节研究中选用了外形尺寸为φ22 mm×18 mm、定径带直径为6 mm的硬质合金模具作为基体，该模具的剖面图如图4-16（a）所示。本节所设计研究的产业化沉积装置中的基本单元为双基体模具组，其具体结构如图4-16（b）所示，其中支承块材料为红铜，支承方式BL为环绕式，支承块外形尺寸BLl＝50 mm×50 mm×50 mm，支承孔孔径为22 mm，上下通孔尺寸为30 mm×14 mm。热丝材料为钽，热丝温度Tf＝2 200℃，热丝直径df＝0.64 mm，热丝长度lf＝100 mm。本节研究中设计的材料参数均参见表4-1。

图4-16　用于产业化沉积装置温度场分布研究的基体剖面图及双基体模具组模型

（a）基体模具剖面图；（b）双基体模具组

根据试验及生产经验初步设计的批量化基体排布方式分为两大类，第一类为在双基体模型组基础上的直线阵列排布方式，按照采用的辅助均热装置的不同又可细分为如下六种。①A1：双基体模具组直接沿直线阵列扩展，不采用辅助均热装置。②A2：在直线阵列A1的基础上，在不同模具组之间增加石墨隔板结构。③A3：在直线阵列A1基础上，在不同模具组之间以及模具组和水冷壁面之间均增加石墨隔板结构。④A4：在直线阵列A1基础上，在不同模具组之间以及模具组和水冷壁面之间均增加绝热隔板结构。⑤A5：在直线阵列A1基础上，在不同模具组之间增加水冷隔板结构。⑥A6：在直线阵列A1基础上，在外侧及次外侧双基体模具组下方增加隔热块结构。第二类为双基体模型基础上的圆周阵列排布方式。

如图4-17（a）所示为不采用辅助均热装置的直线阵列基体排布方式（A1）仿真模型示意图。六种不同的直线阵列排布方式中反应腔尺寸均为φ440 mm×200 mm，石墨工作台尺寸为370 mm×100 mm×10 mm。六组模具等间距（10 mm）置于石墨工作台上，每组模具正上方对应一个进气口，每组模具两侧分别对应一对对称分布的出气口，进出气口的截面直径均为10 mm。反应腔的外壳材料为不锈钢，在仿真计算过程中设置为厚度5 mm的不锈钢壁面，壁面外侧为循环水冷，石墨工作台下方同样是循环水冷室，根据前述理论研究的结果，水冷壁面的表面对流系数均设置为hw＝55 W/（m2·K）。

如图4-17（b）所示，在不采用辅助均热装置的情况下，工作台中间位置会存在热量积聚作用，致使中间模具组的温度较高，此外，两端模具组更加靠近水冷壁面，向水冷壁面的辐射散热效率也会高于中间的模具组，因此沿直线阵列A1排布的模具组会呈现出明显的“中间高、两侧低”的整体温度分布趋势，模具基体内孔表面的最大温差达到24.6℃，这就会导致批量化内孔CVD金刚石薄膜涂层制品厚度和质量的不均匀，中间两组基体内孔沉积的CVD金刚石薄膜的厚度和金刚石晶粒尺寸会大于两侧基体，并且无法保证所有基体内孔表面的温度都处在最适宜CVD金刚石薄膜生长的温度范围内。

图4-17　A1基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）A1基体排布方式仿真模型示意图；（b）基体内孔表面温度场分布云图

A2基体排布方式的仿真模型示意图如图4-18（a）所示，其中石墨隔板的尺寸为100 mm×60 mm×4 mm，热传导系数为128 W/（m·K），表面辐射率为0.9，在直线阵列基础上增加石墨隔板可起到隔绝热丝辐射的作用，稍微减弱热量的积聚作用，中间两组基体和两侧基体的温差会略有下降（从24.6℃小幅下降到23.2℃）。但是由于石墨材料自身的导热作用较好，隔热效果有限，并且仅在不同组模具之间设置的石墨隔板不会影响两端模具组向水冷壁面的辐射散热效率，因此整体的温度分布趋势基本没有变化，中间区域基体温度仍然明显高于两侧基体。具体仿真结果如图4-18（b）所示。

图4-18　A2基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）A2基体排布方式仿真模型示意图；（b）基体内孔表面温度场分布云图

在A2基体排布方式的基础上，在石墨工作台两端增加两块同样尺寸的石墨隔板即构成了如A3所述的基体排布方式，其仿真模型示意图如图4-19（a）所示。两端的石墨隔板可以起到减少两侧模具对水冷壁面辐射散热的作用，因此温差继续下降（约为18.6℃）。此外，两端的石墨隔板也具有减少六组模具整体对水冷壁面辐射散热的作用，因此六组模具的温度均有所上升，整体最高温度从823.6℃上升到827℃，模具内孔表面的温度分布云图如图4-19（b）所示。

将A3基体排布方式中的石墨隔板全部替换为热传导系数为10 W/（m·K）的“绝热”隔板（表面辐射率同样设置为0.9）即为A4所述的基体排布方式，因此其仿真模型示意图与图4-19（a）所示完全一致。该排布方式下模具内孔表面的温度分布云图如图4-19（c）所示，绝热隔板可更加有效地减少两侧模具组对内侧模具组的辐射作用，同时也更加有效地减少了两侧模具组对水冷壁面的辐射散热作用，因此相对于A3而言，整体温差会继续下降（约为16.1℃）。此外，绝热隔板也更有效地起到了隔绝六组模具整体对水冷壁面的辐射散热作用，六组模具的整体温度明显上升，整体最高温度上升到836.5℃。

图4-19　A3及A4基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）A3及A4基体排布方式仿真模型示意图；（b）A3基体内孔表面温度场分布云图；（c）A4基体内孔表面温度场分布云图

将A2中的石墨隔板设置为中空水冷，将其内壁水冷壁面的表面对流系数也设置为hw＝55 W/（m2·K），即可构成如A5所述的基体排布方式，该排布方式仿真计算示意图如图4-20（a）所示。在该排布方式下，各组模具之间的水冷隔板和冷却水壁将每个模具组分离成一个独立的水冷空间，空间之间几乎不相互影响，并且各自的环境条件也比较接近，通过仿真计算得到的不同模具内孔表面的温度场分布云图如图4-20（b）所示，可见在该基体排布方式下整体温差较小（约为9.4℃）。同时由于水冷边界增加，整体温度迅速下降（最高温度下降到614.4℃），因此采用该基体排布方式会导致更多的热量通过水冷系统排出反应腔，整体热效率较低。实际应用过程中要达到所需要的热丝温度数值，可能需要大幅提高热丝功率或热丝直径，导致生产成本急剧增加，甚至会因为功率过大而频繁断丝。

A6所述的采用隔热块的基体排布方式示意图如图4-21（a）所示，在直线阵列A1基础上，在外侧及次外侧双基体模具组下方增加热传导系数较小的隔热块结构（表面辐射率同样设定为0.9），可以有效减小外侧及次外侧模具组向水冷工作台的热传递效率，从而提高外侧及次外侧基体内孔表面的温度。采用该基体排布方式时，隔热块的厚度和热传导系数会直接影响不同组基体内孔表面温度分布的均匀性，如图4-21（b）所示，当隔热块的厚度为30/15 mm（即最外侧A模具组下方隔热块厚度为30 mm，次外侧B模具组下方隔热块厚度为15 mm）、热传导系数低至10 W/（m·K）时，带隔热块的模具组向水冷工作台的热传递会显著减小，基体内孔表面温度迅速上升，整体温度分布趋势变为“两侧高、中间低”，温差高达66.6℃。(www.xing528.com)

图4-20　A5基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）A5基体排布方式仿真模型示意图；（b）基体内孔表面温度场分布云图

图4-21　A6基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）A6基体排布方式仿真模型示意图；（b）隔热块厚度为30/15 mm、热传导系数为10 W/（m·K）时基体内孔表面温度场分布云图；（c）隔热块厚度为30/15 mm、热传导系数为130 W/（m·K）时基体内孔表面温度场分布云图

平行排布的六组模具具有对称性，因此我们取其中的A、B、C三组模具来研究隔热块的厚度和热传导系数对整体温度分布的影响，其中A模具组下方隔热块的厚度固定为B模具组下方隔热块厚度的两倍，研究结果如图4-22所示。当B模具组下方隔热块的厚度固定为15 mm时，如前文所述，如果隔热块的热传导系数很小［10 W/（m·K）］，A和B模具组的温度会明显上升，该温度变化同样会影响到C模具组的温度数值，因此在该情况下所有模具内孔表面的平均温度均明显高于其他隔热块热传导系数较大的情况以及不采用隔热块的情况。随着隔热块热传导系数的增加，模具组A和B的温度均会显著下降，由于B模具组下方隔热块的厚度仅有A的一半，因此热传导系数变化对于其传热效率的影响也较小，在热传导系数增加到130 W/（m·K）以上的情况下，A模具组的温度会小于B模具组。当热传导系数超过50 W/（m·K）后，热传导系数的继续变化对于C模具组温度的影响很小，但是相对于无隔热块的基体排布方式，在如图4-22所示的几种热传导系数情况下，由于A和B模具组温度的提升，C模具组的温度均略有增加。当热传导系数从10 W/（m·K）增加到130 W/（m·K）时，整体温差会从66.6℃明显下降到12℃，但是当热传导系数继续增加到170 W/（m·K）时，整体温差反而会有所提高（约为12.8℃），这说明在厚度确定的情况下，合理选取隔热块的热传导系数，可以获得较为平均的整体温度分布，其中热传导系数为130 W/（m·K）时基体内孔表面温度场分布云图如图4-21（c）所示。当隔热块的热传导系数固定为50 W/（m·K）时，隔热块厚度对于三组模具内孔表面的平均温度及整体最大温差的影响趋势如图4-22（b）所示。隔热块厚度增加的作用类似于其热传导系数的减小，当热传导系数固定时，合理选取隔热块的厚度（B隔热块厚度为6 mm），也可以获得较为平均的整体温度分布（12.5℃）。此外，合理搭配隔热块的热传导系数和厚度可以进一步减小整体温差，但是寻找导热系数适宜、在HFCVD真空反应腔内高温条件下工作又不会污染反应腔的隔热块材料非常困难。

图4-22　隔热块热传导系数及厚度对整体温度分布的影响

（a）隔热块B厚度为15 mm时其热传导系数对整体温度分布的影响；（b）隔热块热传导系数为50 W/（m·K）时其厚度对整体温度分布的影响

除直线阵列的基体排布方式外，本节中研究的另一类基体排布方式为双基体模型基础上的圆周阵列排布方式，具体可分为如下三类。①B1：辐射状排布。②B2：六边形排布。③B3：三角形排布。如图4-23（a）所示为B1基体排布方式仿真计算示意图。在三类圆周阵列排布方式中，反应腔尺寸为φ440 mm×200 mm，工作台尺寸为φ360 mm×10 mm，工作台中间孔直径为φ100 mm，模具组和一一对应的进气口均布在φ210 mm的圆周上，一一对应的出气口均布在底座φ340 mm的圆周上。另外在中间区域还设置一条环形的出气通道，以保证模具组内外两侧气流分布的均匀性，出气通道分布在φ80 mm的圆周上，宽度为5 mm。如图4-23（b）所示，辐射状的排布形式可以很好地保证各模具组相互之间温度分布的一致性，虽然热丝在内侧的分布比较集中，会导致内侧模具的温度略高于外侧模具，但是由于模具组分布较为分散，因此该温差也很小，该基体排布方式下整体最大温差仅为10.8℃，但是采用该基体排布方式时，热丝在圆周内侧的装夹不便，耗时费力，不容易保证热丝的平直性和对中性。六边形（B2）的基体排布方式仿真计算示意图如图4-24（a）所示，三角形（B3）的基体排布方式则是在此基础上去掉一半的模具组，两种情况下的仿真结果分别如图4-24（b）和（c）所示。由于B3中整体热源减少了一半，因此温度数值相对于B2会有明显减小。在两种排布方式下均获得了非常均匀的整体温度分布，整体最大温差分别为9.2℃和9.6℃。相比于辐射状（B1）的基体排布方式，采用这两种排布方式的热丝装夹较为便利，并且很容易扩展成为具有更大生产批量的产业化沉积装置，即采用正N边形的基体排布方式同时沉积2N或者4N只模具，同样可以保证各组基体内孔表面温度分布的均匀性。

图4-23　B1基体排布方式仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）B1基体排布方式仿真模型示意图；（b）基体内孔表面温度场分布云图

图4-24　B2基体排布方式仿真计算示意图及B2、B3情况下基体内孔表面温度场分布

（a）B2基体排布方式仿真计算示意图；（b）B2基体内孔表面温度场分布云图；（c）B3基体内孔表面温度场分布云图

本节中将三角形（B3）和隔板形式（A2/A4）的基体排布方案结合在一起试制了可批量生产六个金刚石薄膜涂层模具的产业化沉积装置，最终设计方案的仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布云图如图4-25所示，采用该方案获得的整体最高温差仅为8.8℃，而分离式排布方式也可以进一步提高热丝装夹的便利性。

图4-25　最终设计方案的仿真计算示意图及基体内孔表面温度场分布

（a）最终设计方案的仿真计算示意图；（b）基体内孔表面温度分布云图