D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.02.017 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 大面积金刚石膜生长环境气氛的计算机模拟 黄天斌唐伟忠 吕反修张维敬 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要建立了直流电弧等离子体喷射CVD大面积金刚石沉积数学模型.对衬底上方等离子 体中的化学环境进行了模拟计算，并与在相同条件下对等离子体的光谱结果进行对比，发现计 算结果与实验结果基本上吻合，在棋拟条件下CH基团可能是促使金刚石生长的主要活化基 团.模拟结果显示CH基团沿径向的均匀分布对大面积金刚石膜生长有较大的意义， 关键词数学模型：金刚石膜；大面积；直流电弧等离子体喷射 分类号Q242.1;TB43 高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc 石膜沉积示意图，等离子体炬由杆状阴极和环 Plasma Jet)CVD由于可以在很大的面积上获得 状阳极组成，Ar和H2从等离子体炬的上部引入， 很高的金刚石膜沉积速率，同时又可以兼顾金 在流经等离子体放电通道时被在阴极和阳极之 刚石膜的质量，因此是目前最有希望的CVD金 间维持的电弧所加热，形成高温高速的气流从 刚石膜沉积工艺之一.但是，获得高功率直流电 阳极喷口喷出.甲烷（或其他碳源气体）一般从 弧等离子体炬的技术十分复杂，金刚石膜沉积 炬的下部引入.基片设置在等离子体炬下方适 过程受到许多彼此相关的工艺因素的影响，而 当位置，用水强制冷却、喷出.甲烷（或其他碳源 唯有对高温电弧等离子体的性质，特别是对基 气体)一般从炬的下部引入.基片设置在等离子 片上方金刚石膜生长表面附近的等离子体参数 体炬下方适当位置，用水强制冷却， 和化学环境的了解才能够有助于增进对金刚石 DC源 膜沉积机理的认识.除采用各种诊断技术对等 Ar+H: 离子体性质进行研究外，采用数学的方法对等 冷却水 离子体性质及其在空间范围的分布的模拟计算 也是一个有效的途径，然而，迄今为止研究大都 甲烷 局限于小喷口尺寸的超音速炬的模拟计算 对于可用于大面积金刚石膜沉积的柔性电弧等 等离子喷射 离子体炬的数学计算的报道尚不多见.本文针 基体 对我们最近研究开发成功的100kW级高功率 磁场控制和流体动力学控制的大口径直流电弧 等离子体炬B.,采用流体动力学计算和局部热 力学计算相结合的方法，对大面积高温等离子 冷却水 体性质进行了初步的模拟计算，并对计算结果 图1直流电弧等离子体喷射CVD示意图 进行了讨论 Fig.1 Diagram of DC arc plasma jet 1模型的建立 实际应用的高功率直流电弧等离子体炬结 构十分复杂，在等离子体炬内部发生的各种物 1.1直流电弧等离子体喷射CVD 理、化学过程也很难用数学模型加以描述.因此 图1为直流电弧等离子体喷射CVD金刚 己有的关于等离子体炬的数学模型都不考虑炬 内部的过程，而仅仅只从阳极喷口位置开始，模 1999-12-30收稿黄天斌男，28岁，博士 *国家“863”高科技资助项目(No.715-002-Z030) 拟等离子体炬产生的高温等离子体射流.本文第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 大面积金刚石膜生长环境气氛 的计算机模拟 黄天斌 唐伟忠 吕反修 张维敬 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 建立 了直 流 电弧等 离子体 喷射 大面 积 金 刚 石 沉积 数学 模 型 对 衬 底 上方 等 离子 体 中 的化 学环 境进行 了模拟 计算 ， 并 与在相 同条件下 对等离子 体 的光谱结果进行 对 比 ， 发现计 算结 果 与 实验 结果 基 本 上吻合 在 模 拟 条件 下 基 团可 能 是 促 使 金 刚 石 生 长 的主 要 活 化 基 团 模 拟 结 果 显 示 基 团沿 径 向的均 匀 分布 对 大面 积 金 刚石 膜生 长 有较 大 的意义 关键 词 数 学模 型 金 刚 石 膜 大 面 积 直 流 电弧等 离子 体喷射 分 类号 高 功 率 直 流 电 弧 等 离 子 体 喷 射 由于 可 以在 很 大 的面 积 上 获 得 很 高 的金 刚 石 膜 沉积 速 率 ， 同 时 又 可 以兼顾 金 刚 石 膜 的 质 量 ， 因 此 是 目前 最 有 希望 的 金 刚 石 膜沉积 工 艺 之 一 但 是 ， 获得 高 功率直流 电 弧等 离子 体 炬 的技 术十 分 复 杂 ， 金 刚 石 膜沉积 过 程 受 到 许 多彼 此相 关 的 工 艺 因 素 的 影 响 ， 而 唯 有 对 高温 电弧 等 离子 体 的性质 ， 特 别 是 对 基 片上 方 金 刚石 膜 生 长 表面 附近 的等离 子 体参数 和 化 学环 境 的 了解 才 能够 有 助 于 增 进对 金 刚 石 膜 沉积 机 理 的 认 识 除采用 各 种 诊 断技 术对 等 离 子 体性 质 进 行研 究外 ， 采 用 数 学 的方 法 对 等 离 子 体性 质 及 其在 空 间范 围的分 布 的模拟 计 算 也 是 一 个有 效 的途径 然而 ， 迄 今 为止研 究大都 局 限 于 小 喷 口 尺 寸 的超 音 速炬 的模拟 计 算 〔，， 对 于 可用 于 大面积 金 刚石 膜 沉积 的柔 性 电弧 等 离子 体 炬 的数 学 计 算 的报 道 尚不 多见 本文 针 对 我 们 最 近研 究开 发 成 功 的 级 高功 率 磁场 控制 和 流 体动 力 学 控 制 的大 口 径直流 电弧 等 离子 体 炬 〔圳 ， 采用 流体动 力 学 计 算和 局 部 热 力 学 计 算相 结 合 的方 法 ， 对 大 面 积 高温等 离子 体 性 质 进 行 了 初 步 的模拟 计 算 ， 并对 计 算 结 果 进 行 了讨 论 石 膜 沉 积 示 意 图 等 离子 体 炬 由杆 状 阴极和 环 状 阳 极 组 成 ， 和 从 等 离子 体炬 的上 部 引入 ， 在 流经 等 离子 体放 电通道 时被 在 阴极和 阳极 之 间维 持 的 电弧所 加热 ， 形 成 高温 高速 的气 流 从 阳 极 喷 口 喷 出 甲烷 或 其 他碳 源 气 体 一 般从 炬 的 下 部 引 入 基 片设 置 在等离子 体炬 下 方 适 当位 置 ， 用 水 强 制 冷却 、 喷 出 甲烷 或 其他碳源 气体 一 般 从 炬 的下 部引入 基 片 设 置 在 等离 子 体 炬下 方 适 当位 置 ， 用 水 强制 冷 却 源 迄尾 冷却水 ， 等离子喷射 基体 模型的建立 直流 电弧等离子体喷射 图 为 直 流 电弧 等离子 体 喷射 金 刚 一 一 收稿 黄天斌 男 ， 岁 ，博士 国家 “ ，， 高科技 资助 项 目 一 一 图 直 流 电弧 等离子体 喷射 示 意 图 实际应用 的高功率直 流 电弧 等 离子 体炬结 构 十 分 复 杂 在 等 离子 体炬 内部 发 生 的各 种 物 理 、 化 学过程 也 很 难用 数 学 模 型 加 以描述 因此 己有 的关 于 等 离子 体炬 的数 学模型 都 不 考虑炬 内部 的过程 ， 而 仅仅只 从 阳极喷 口 位 置 开 始 ， 模 拟 等离子 体炬产 生 的高温等 离子 体射流 本文 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．02．017