EACVD摆动衬底空间流场有限元模拟研究

根据EACVD系统的实际几何特点和工艺参数建立了该系统的三维流场有限元模型,研究了衬底温度及摆动周期、热丝参数、进气口参数对衬底表面流场均匀性的影响.结果表明:衬底低速摆动情况下摆动周期的变化对衬底表面流场的分布没有影响,衬底温度,热丝参数,进气口参数对衬底表面流场都有一定的影响,其中,热丝的排列方式以及进气口气体流量对衬底表面流场的影响最大.最后,采用一组优化的沉积参数进行金刚石膜衬底表面流场的仿真计算,结果表明:采用优化的沉积参数可以使衬底表面气体流速和流场的均匀性都得到很大提高,此研究结果为制备高质量金刚石膜提供理论依据.     

整体硬质合金铣刀上制备CVD金刚石涂层的系统三维流场研究

本文通过建立整体硬质合金立铣刀上制备CVD金刚石涂层时CVD沉积系统流场的三维模型,研究了进气口分布对该系统流场均匀性的影响,优化了进气口的分布;在仿真的基础上开展了整体硬质合金立铣刀上制备CVD金刚石涂层的验证实验,采用SEM和Raman对制备的CVD金刚石涂层进行了分析测试.结果表明:优化后的流场可以用于制备高质量的CVD金刚石涂层,且批量制备出的在衬底不同位置上的铣刀表面CVD金刚石涂层的质量均匀一致.     

HFCVD系统中衬底接触热阻的研究

建立了热丝CVD大面积金刚石膜沉积的衬底温度场模型,对影响衬底温度场的接触热阻及其他相关沉积参数进行了模拟计算。根据实验结果,对接触热阻的计算公式进行了修正。当ζ=0.75时,计算结果和实验结果基本上吻合。在仿真条件下,考虑衬底三维热传导以及热丝温度的不均匀分布使衬底温度场的均匀性明显优于纯热辐射下的温度场。这些计算结果为制备大面积高质量的金刚石薄膜提供了理论基础。     

HFCVD系统中衬底温度场及气相空间场的数值分析

探讨了典型气氛中热丝辐射、气体热传导与对流、化学反应生热等因素对衬底温度的影响,建立了三维热丝辐射和二维热流耦合有限元模型,研究了各工艺参数对衬底温度场及气相空间场的影响.结果表明H2占主导地位的气氛中衬底表面的氢原子重组放热对衬底温度有较大影响,氩气气氛中原子重组放热对衬底温度影响很小;热丝温度对衬底温度的影响最大;进气口到衬底的距离及进气口气体流速对衬底附近的流场影响最大,适当提高进气口到衬底的距离有助于提高衬底附近流场均匀性,增大进气速度有助于突破热障提高衬底表面流速,但同时加剧了衬底附近流场的不均匀性.     

热丝化学气相法生长单晶金刚石颗粒的衬底温度场仿真及实验研究

本文使用金刚石磨料作为晶种颗粒,通过热丝化学气相法生长出单晶金刚石颗粒,并且建立三维的有限元模型,利用有限元仿真分析了生长过程中影响金刚石磨料生长速率以及沉积质量的各种因素,如热丝的排列方式,衬底的温度场,以及晶种的分布方式.通过固定在热丝CVD反应腔里的热电偶测量了实际的衬底温度分布,从而验证了仿真结果的正确性.另外,通过改变仿真模型优化了沉积单晶金刚石颗粒的工艺参数,获得适应于合成单晶金刚石颗粒的新技术,为化学气相沉积合成单晶金刚石颗粒奠定了基础,也为高温高压金刚石磨料品级的改进与提高提供了新途径.     

金刚石涂层的纳米压痕力学性能研究

用HFCVD法在硬质合金刀具上制备了CVD金刚石涂层,利用纳米压痕仪研究了CVD金刚石涂层的硬度和弹性模量等力学性能.结果表明,反应室气压、衬底温度、反应气体中CH4含量、沉积时间等参数改变了CVD金刚石膜中sp2成分含量、晶界数量及晶界上缺陷,从而影响CVD金刚石涂层的纳米硬度和弹性模量.较高或较低的衬底温度都会导致硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量降低;随着反应室气压、反应气体中CH4含量的增加,硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量降低;沉积时间低于6 h时,沉积时间对硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量影响显著,沉积时间超过6 h后,沉积时间对硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量逐渐趋向稳定.     

W18Cr4V高速钢衬底CVD金刚石涂层沉积技术研究

研究了通过热丝CVD法在施加了Ni-P/Cu复合中间过渡层的W18Cr4V高速钢衬底表面进行金刚石涂层的沉积技术以及不同压力条件对沉积出的CVD金刚石涂层质量的影响.最后通过扫描电镜分别对Cu、Ni-P以及不同反应压力下沉积的金刚石涂层的表面形貌进行了检测分析,通过XRD、拉曼光谱仪、洛氏硬度仪对金刚石涂层性能进行检测分析.结果表明:Ni-P/Cu复合中间过渡层可以明显的抑制Fe、Co的催石墨化作用.在此基础上通过沉积参数的优化,在W18Cr4V高速钢衬底表面成功沉积出高质量的CVD金刚石涂层.压力为4 kPa条件下沉积的CVD金刚石涂层较5 kPa的金刚石颗粒晶型明显、分布致密.     

面向微机械应用的CVD金刚石微齿轮的制备

以电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺制备单晶硅微齿轮陈列模具,采用热丝法化学气相沉积(HFCVD)制备出结构精细的金刚石微齿轮,其齿顶圆直径约1.55 mm、齿轮厚度10μm.应用扫描电镜分别观察了ICP刻蚀的硅微齿轮模具及CVD金刚石微齿轮,表明齿轮微结构形貌精细,金刚石微齿轮较好地复制了硅微细结构;Raman光谱分析表明微齿轮的金刚石质量较高.此工艺可以实现金刚石薄膜的精细图形化,为面向微机械应用的金刚石器件的经济批量制备提供了一种途径.     

热丝辅助MW ECR CVD技术高速沉积高质量氢化非晶硅薄膜

氢化非晶硅薄膜具有优异的光电特性,在制备薄膜太阳能电池中有重要的应用.本文采用热丝辅助MWECR CVD技术,通过调整各种工艺参数,制备了高沉积速率(DR＞2.5nm/s)及高光敏性(σph/σD＞105)的氢化非晶硅薄膜.实验表明,在衬底表面温度的分布中,热丝辐射和离子轰击引起的温度对薄膜的光敏性影响较大;在薄膜沉积的最后几分钟适当加大H2稀释率,有利于薄膜光电特性的改善.     

微/纳米CVD金刚石涂层沉积工艺参数优化

通过正交实验设计工艺参数,利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)制备金刚石涂层,采用扫描电镜、洛氏硬度计、X射线衍射仪等对金刚石涂层进行性能表征,同时进行切削试验,从而确定微米层和纳米层最佳的碳源浓度、沉积气压、热丝与基体间距.结果表明:最优微米金刚石涂层沉积工艺参数为碳源浓度2;,沉积气压3 kPa,热丝/基体间距5 mm.最优纳米金刚石涂层沉积工艺参数为碳源浓度5;,沉积气压5 kPa,热丝/基体间距8 mm.     

HFCVD法沉积金刚石薄膜中热丝优化方法

本文探讨了在HFCVD(hot filament chemical vapor deposition)沉积金刚石薄膜中热丝数量、位置等几何参数对温度场和辐射场的影响.利用系统热传递模型和计算机辅助的数值解方法得到了该方法沉积大面积金刚石薄膜中衬底表面温度分布和热辐射能量密度分布.发现金刚石薄膜的均匀性受热辐射能量密度分布影响较大.进一步给出了沉积面积为100mm×100mm的金刚石薄膜的最佳参数.     

辅助方法对热丝CVD金刚石生长速率的影响

在热丝化学气相沉积金刚石系统中,通过双灯丝间的热阴极放电产生等离子体,对衬底施加正负偏压形成电子促进,比较分析了它们及其组合的各种辅助方法对金刚石生长速率的影响.结果表明,在以丙酮为碳源、灯丝总功率不变的情况下,等离子体可明显增强金刚石的生长,其生长速率约为纯热丝法的三倍;而正偏压对等离子体辅助沉积金刚石不仅没有增强形核作用,而且抑制金刚石的生长;电子促进法可以显著提高金刚石的成核密度,但并不能提高金刚石生长速率.     

微波等离子CVD金刚石设备中基片加热材料的三维温度场型研究

在微波等离子CVD设备中,微波电磁场的不均匀分布将导致等离子球和基片的温度不均匀,从而降低CVD金刚石的质量,因而基片加热是需要的.材料的吸收微波能的能力同微波频率、电场强度、材料的介电常数和介电损耗及材料体积相关,材料的介电常数、介电损耗、导热率又同温度相关.基于热力学理论,本文用强吸收微波能的SiC材料作为了基片加热材料,放在微波等离子腔的基片下,研究三维轴对称温度场模型,该模型的基片加热材料的介电常数、介电损耗和体积随温度变化,获得了温度分布的解析式,计算结果显示该模型能得到直径76.2mm的均匀温度分布,温度变化少于10℃,因而可用于基片加热.     

Simulation of temperature and gas density field distribution in diamond films growth on silicon wafer by hot filament CVD

In the present study, the temperature and gas density field inside the hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) reactor, which play a determinate role on the growth rate and quality of as-deposited diamond films, are simulated using the finite volume method, and the influence of the size and arrangement of filaments and inlets are investigated. Firstly, the correctness of the simulation model is verified by comparing the temperature data obtained from the simulation with that measured in an actual depositing process, and the results show that the error between them is less than 3%. Thereafter, the deposition parameters are optimized using this model as N(filament number)=6, r(filament radius)=0.4 mm, D(filament separation)=16–18 mm, H(substrate–filament distance)=8–9 mm, and 25 inlets. Finally, diamond films are deposited on silicon (100) wafers using above parameters and the results of characterization by SEM and Raman spectrum exhibit that the deposited diamond films appear homogeneous surface with fine-faceted crystals.     

Uniformity analysis of temperature distribution in an industrial MOCVD reactor

Three‐dimensional models, coupling fluid flow and heat transfer, have been adopted to analyze influences of the process parameters on the temperature uniformity in an industrial MOCVD reactor. Important factors, such as the inlet gas flow, the susceptor rotation, the heater power, the distance between the heat shield and the susceptor (d₁), as well as the distance between the heater and the susceptor (d₂), have been investigated carefully. The system heating condition is characterized by temperature uniformity denoted as the standard deviation of temperature, and by thermal efficiency expressed as a combination parameter of the dissipated energy. The results reveal that decrease of the gas flow and the rotation rate, as well as increase of the distance d₁, could monotonically enhance the temperature uniformity. The results also show that decrease of the above three parameters could improve the thermal efficiency. Furthermore, increase of the distance d₂ enhances the temperature uniformity, and reduces the thermal efficiency slightly. The influences of the parameters on the uniformity vary at the different locations of the susceptor as divided into Zone A, Zone B and Zone C. The conclusions help the growth engineer optimize the system design and process conditions of the reactor.     

不同工艺参数及喷淋板结构下PECVD热流场分析

建立了PECVD腔室的连续流体和传热模型,通过仿真实验来分析工艺参数和喷淋板结构对PECVD腔室热流场的影响.在典型工艺的基础上,根据单变量原则设计不同的仿真实验来研究工艺参数对晶圆片上方流速、压力及温度分布的影响,结果显示在不同的工艺参数下,流速分布都能够保持线性分布;温度分布波动很小,表现良好的稳定性;压力随径向近似抛物线分布,中心压力高边缘压力低.另外本文设计了两组仿真实验,研究喷淋板不同的流阻分布对热流场的影响,结果显示喷淋板流阻的分布对流速分布有明显的影响,在不同的流阻分布下,加热盘边缘处的流速保持不变,但是流速分布存在一个拐点,拐点前和拐点后流速都近似于直线分布;结果说明能够通过改变喷淋板流阻的分布来调控晶圆上方流速的分布从而获得更高的薄膜工艺均匀性.     

金刚石膜热沉金属化Ti/Ni/Au体系的研究

利用电子束蒸镀实现了Ti/Ni/Au多层膜在CVD金刚石膜上的金属化,并研究了预处理和后处理工艺对多层膜在基底上结合的影响,发现高温预处理对多层膜和基底的结合有明显的改善.参照国标GJB 126-86进行了热循环试验,未发现多层膜从金刚石膜脱落.利用背散射谱研究了Ti/Ni/Au金属化体系在真空中分别加热400℃和500℃,60 min 金属层的热稳定性.结果发现:优化工艺金刚石膜和金属层间的良好结合和稳定性满足金刚石膜热沉应用的要求.