·158 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 f=qE (8) 直流等离子体喷射CVD)都是十分重要的，但本 F=gv.B (9) 文的模拟结果至少反应了边界层上部的物理化 这里，￡为运动粒子所受的电场力，9为运动粒 学环境，因此同样具有意义， 子的电荷，E为运动粒子所在位置的电场强度， 人为运动粒子所受的磁场力，ⅴ为运动粒子的速 3计算结果与讨论 度，B为运动粒子所在位置的磁感应强度，在等 离子体中发生的化学反应相当复杂.为简化计算， 图2为计算的等离子体炬自由射流（在喷口 外)的流场，自由射流在遇到基片时改为水平流 本文只考虑了如下的反应方程： Ar-Ar'+e 动，在基片位置的流速为零，在整个区域中流动 (10) 是很平稳的，有利于大面积金刚石膜的生长， H2=2H (11) H+CH,-CH,+H: (12) 1.00 CH=CH,+H (13) CH,=CH+2H (14) 2CH-CH +H (15) 0.50 C,H=C:+H (16) 舞 C:=2C (17) 13边界条件 0.00 -250-150-0.500.501.502.50 对基片上部的等离子体环境进行了模拟计 距中心的径向距离/cm 算，工作介质为氩氢等离子体，氩氢体积比为： 图2炬外部的流场 12,甲烷占氢气的体积的1%.给定等离子体功 Fig.2 Fluid field out of the torch 率为18kW,基片的温度为850℃，工作腔压为 3kPa.等离子体炬喷口处的温度为4500(1- 图3为等离子体炬自由射流的温场，可以 (/3R))℃，其中r为空间位置距轴线的位置，R 看出中心的温度较高，这与实际观察是一致的。 为炬的半径.炬的放电电压为120V,放电电流 这会在一定程度上引起基片温度的不均匀性， 为150A. 在我们高功率磁控等离子体炬的情况下，由于 电弧的旋转，实际的温度均匀性远优于图3所 2控制方程组的数值解法 示的计算结果. 1.00 控制方程组我们无法耦合求解析解，必须 对方程进行离散.我们采用了SIMPLE(Semi-Im- plicit Method for Pressure-Linked Equations) 对等离子体喷射进行离散.其主要计算步骤是： 估计压力场，求解动量方程，解压力修正方程， 0.00 对压力进行修正：利用速度修正公式求解速度， -500-300-100100300 500 求解那些通过源项、流体物性等影响流场的物 距中.心的径向距离/cm 理量，把经过修正的压力处理成一个新的估计 图3炬外部的温度场 的压力，返回迭代过程重复全部过程，直至求得 Fig 3 Temperature field out of the torch 收敛解为止， 图4所示为在基片（村底）上方等离子体中 在算出等离子体炬喷口外高温等离子体射 各种化学基团的平衡摩尔分数的径向分布.原 流的温场和流场后，依据在村底位置的径向温 子氢摩尔分数很高，约在030.4，远远高于热丝 度分布，最后再依据方程(10)至(17).计算出在 CVD或微波等离子体CVD,且沿径向缓慢下降. 村底上方等离子体中可能存在的各种化学基团 A的径向分布均匀，摩尔分数稳定在0.4左右， 浓度及其径向分布 A是易电离的单原子气体，主要作用是维持电 在所有上述计算中，忽略了边界层在存在， 弧持续稳定放电.在各种含碳化学基团中，唯有 无疑，边界层的性质对于任何CVD过程（包括 CH摩尔分数最高，约2×10，且沿径向基本均