大面积金刚石膜生长环境气氛的计算机模拟

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

2000年第2期 黄天斌等：大面积金刚石膜生长环境气氛的计算机模拟 ·157- 也不例外 流的时间平均方程就具有了与层流流动方程相 1.2控制方程 同的形式.但是，诸如粘度、扩散系数以及导热 CVD的模拟有许多方面，例如在流体动力 系数这样一些层流交换系数则需要用相应的有 学、化学动力学和表面化学模型等角度讨论了 效交换系数取代.从计算机计算的观点来看，按 CVD过程.本模型在上述过程中加入了气体电 照这种格式描述的紊流即相当于具有一个相当 离，即分别从热力学、流体动力学和气体电离等 复杂的表达式的层流.我们采用的紊流模型是 几个方面对等离子体喷射CVD过程进行考察. 双方程模型.其动能的方程模式为： 将所研究的区域划分为若干个控制容积，认为 r(pk)+div(puk)=div(D.gradk)-G-pe (3) 在一个控制容积内是热力学平衡的，运动参数 相同，电离达到平衡.由于在高温等离子体已不 式中，D.是k的扩散系数，G是紊流能量生成率，ε 是牛顿流体，必须对物性进行特殊处理.在等离 是动能的耗散率，量G一Pe是方程中的净源项. 子体与通道壁之间假设有层流边界层：并假设 等离子体射流的动量方程为： 射流中存在着均匀的电磁场.对于粘度，可用 p出-dP4R (4) Maxwell--Rayleiyh关系式近似处理，并以实验值 式中，P:为等离子体中各粒子的密度，F为各粒 修正： 子所受的外力，P为压强 .(r u (1) 对于可以忽略粘性耗散作用的稳态低速 式中，，T。为0℃时的粘度和热力学温度值. 流，能量方程可以写成： 等离子体射流的热导率由两部分组成：一 div(pvh)=div(k.grad T)+S (5) 部分是由热接触产生的热导率，另一部分是由 式中，h是比焓，k是导热系数，T是热力学温度， 扩散引起的热导率， S是单位容积的发热率.根据傅里叶热传导定律， 在本模型中忽略重力的作用，对控制容积 项div(kgrad T)代表流体中的热传导作用. 受力按统计的方法计算.将电压降落沿射流方 令m:代表化学组分i的质量分数，当存在有 向分为三部分：阴极压降、弧柱压降、阳极压降. 速度场u时，可把m的守恒表示为： 在流体动力学方面，我们考虑了连续方程、 0(pm)+div(pum+J.)=R (6) 动量方程、能量方程、组分扩散方程和电磁场方 这里，(m,)/at代表单位容积内化学组分i的变 程.在热力学方面，考虑了氢和甲烷的分解.在 化率；量pum,是组分i的对流流量密度；符号J, 气体电离方面，考虑了氩的电离. 代表扩散流量密度，它通常是由m,的梯度引起 等离子体射流的连续方程为： 的.两部分能量密度的散度构成微分方程的第二 票+-div(pw=0 (2) 项，位于方程右侧的R是单位容积的化学组分i 式中，p为密度，v为速度. 的生成率，化学组分的生成系由化学反应所致， 对于牛顿流体，控制给定方向上的动量守 以上的所有的微分方程几乎都可以写成一 恒的微分方程可以写成类似线性的形式.但是， 个通用的形式，即几乎所有的因变量都服从一 高温气体已不是牛顿流体，必须将具体的参数 个守恒原理，如果用中表示因变量，那么通用的 微分方程就是： 以实验值给出，本模型通过平均运算的方法把 不稳态的层流方程转化为对紊流流动的时间平 r()+divpu)=div(D.grad)+(7) 均方程.在进行这种平均运算的时候，可假设： 式中，D是扩散系数，S是源项.对于特定意义 紊流中存在有相对平均值的快速而随机的脉 的中，具有特定的量D和S. 动· 上述通用微分方程中的4项分别是不稳态 由平均运算所产生的附加项是所谓的雷诺 项、对流项、扩散项和源项.因变量可以代表不 应力、紊流热流密度、紊流扩散流量密度等.紊 同的物理量，如：化学组分的质量分量、焓或温 流模型的任务就是确定用流动的平均性质来表 度、速度分量、紊流动能或紊流的长度尺度等， 示这些附加量的方法， 与此相应，对于这些变量的每一个都必须给相 许多紊流模型采用紊流粘度或紊流扩散系 对应的扩散系数D以及源项赋予适当的意义， 数的概念来表示紊流应力和流量密度.结果，紊 等离子体射流的电磁场方程为：

年 第 期 黄 天斌等 大 面积 金 刚 石 膜 生 长 环 境气 氛 的计 算 机模拟 一 也 不 例 外 控制方程 的模拟 有许 多方 面 ， 例 如 在 流 体 动力 学 、 化学 动 力学和 表 面 化学 模 型等 角 度 讨 论 了 过程 本模 型 在 上 述过程 中加 入 了气 体 电 离 ， 即 分 别 从热 力学 、 流体动 力学 和 气 体 电离等 几个方 面对 等 离子 体 喷射 过程进行 考察 将 所研 究 的 区域划 分 为若 干个 控制 容积 『 ， 认 为 在 一 个 控 制容积 内是 热 力 学 平衡 的 ， 运动 参 数 相 同 ， 电离达 到平 衡 由于 在 高温等 离 子体 己不 是 牛顿 流体 ， 必 须 对物性 进行特殊处 理 在 等离 子 体 与通道壁 之 间假 设 有层 流边 界层 并假设 射 流 中存 在 着 均 匀 的 电磁 场 对 于 粘度 ， 可 用 妙 关 系式近似处 理 ， 并 以实验值 修 正 流 的时 间平 均 方程就 具 有 了与层 流流 动 方 程 相 同 的形 式 但 是 ， 诸如 粘 度 、 扩 散 系数 以及 导热 系数这样 一 些层 流交 换系数则 需要 用 相 应 的有 效交换 系数取代 从计 算机计 算 的观 点来看 ， 按 照 这种 格式描 述 的紊 流 即相 当于 具 有一 个 相 当 复 杂 的表 达 式 的层 流 我们 采用 的紊 流模 型 是 双 方 程模 型 其 动 能 的方 程 模式 为 刁 ， ， 、 ， ， ， 、 ， ， ， 、 佘切 切 一户 口 丫 一 一 丫 一 一 ’ 、 一 。 一 一 ， 一 二 式 中 ， 、 是 的扩 散系数 ， 是 紊流 能量 生成 率 ， 是 动 能 的耗 散 率 ， 量 一那是 方程 中的净 源 项 等离子体 射流 的动 量 方 程 为 ， 一 一 兀石 厂十乙户 ， ’ 户 ， ‘ 上翻马 · 产。 、 ’ 式 中 ，产。 ， 为 ℃ 时 的粘 度和 热 力 学温度 值 等离子体射 流 的热 导率 由两 部分 组 成 一 部 分 是 由热 接触 产 生 的热 导 率 ， 另 一 部分 是 由 扩 散 引起 的热 导 率 在 本模 型 中忽 略重 力 的作 用 ， 对 控 制 容 积 受 力 按 统 计 的方 法 计 算 将 电压 降落 沿射 流方 向分 为三 部分 阴极压 降 、 弧柱压 降 、 阳极压 降 在 流体动 力 学方面 ， 我们 考虑 了连续方程 、 动 量方程 、 能量方程 、 组 分扩散 方程和 电磁 场方 程 在 热 力 学 方 面 ， 考 虑 了氢和 甲烷 的分 解 在 气 体 电离方 面 ， 考 虑 了氨 的 电离 等 离子 体 射 流 的连续方 程 为 鲁 ‘ 切 ·，一 ” 式 中 ， 为 密 度 ， 为速度 对 于 牛 顿流体 ， 控制 给 定方 向上 的动 量 守 恒 的微分 方程 可 以写 成 类似线 性 的形 式 但 是 ， 高温气 体 己 不 是 牛 顿流体 ， 必 须 将 具 体 的参 数 以实验 值给 出 本模 型 通 过 平 均 运 算 的方 法把 不 稳态 的层 流方 程转化 为对紊流流动 的 时 间平 均方 程 在 进行 这种 平 均运算 的 时候 ， 可 假 设 紊 流 中存 在 有 相 对 平 均 值 的 快 速 而 随 机 的 脉 动 由平 均 运算所 产 生 的 附加项 是 所谓 的雷诺 应 力 、 紊流 热 流 密度 、 紊流 扩 散流 量 密 度 等 紊 流模型 的任 务就 是确 定用流动 的平 均 性质来表 示这 些 附 加 量 的方法 许 多紊流模型 采用 紊流粘 度或紊流扩 散系 数 的概念 来表示紊流应力和 流 量密度 结 果 ， 紊 式 中 ， ， 为等离子体中各粒子 的密度 ， 只 为各粒 子所受的外 力 ， 尸 为压强 对 于 可 以 忽 略 粘 性 耗 散 作 用 的 稳 态 低 速 流 ， 能量 方程 可 以 写 成 如 · 力 又 式中 ， 是 比焙 ， 是 导热系数 ， 是热力学温度 ， 凡是单位容积的发热率 根据傅里 叶热传导 定律 ， 项 · 代表流体 中的热传 导作用 令 、代表化 学组 分 的质 量 分数 ， 当存在有 速 度 场 时 ， 可把 ， 的 守恒 表 示 为 ， 、 ， ， ， “ 一 女切 沙 切 汁 ， 口 丫 一 ‘ 一 二 一 ‘ 这里 ， 日 〕 击 代表单位容积 内化学组分 的变 化率 量 ， 是组分 的对流流量密度 符号 必 代表扩 散流量 密度 ， 它通常是 由 ， 的梯度 引起 的 两 部 分能量密度的散度构成微分方程 的第二 项 位于方程右侧 的 ， 是单位容积 的化学组分 的生成率 化学组分 的生成系 由化学反应所致 以上 的所有 的微分方程 儿 乎 都可 以写成 一 个通 用 的形 式 ， 即 几 乎 所有 的 因 变 量 都服 从 一 个 守恒 原 理 如 果 用价表示 因 变 量 ， 那 么 通用 的 微 分 方 程 就 是 刁 ， 、 ‘ ， ， 、 ， ， 一 ， 、 一 亩钟 帅 一 · 价 式 中 ， 是扩散系数 ， 是源项 对于特定意义 的价 ， 具有特定 的量 和 上 述通用 微 分 方程 中的 项 分 别 是 不 稳 态 项 、 对 流 项 、 扩 散项 和 源 项 因 变 量 可 以代表 不 同 的物 理 量 ， 如 化 学组 分 的质 量 分 量 、 焙 或 温 度 、 速度 分量 、 紊 流 动 能或紊 流 的长度尺 度等 与此相 应 ， 对 于 这 些变量 的每 一 个都 必 须 给相 对应 的扩 散系 数 以及源 项 赋 予 适 当 的意义 等离 子 体射流 的 电磁场 方 程 为

·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

2000年第2期 黄天斌等：大面积金刚石膜生长环境气氛的计算机模拟 ·159· 匀分布.C基团和CH基团摩尔分数很低，沿径 结果.可见CH谱线的确是各种含碳基团中最 向下降趋势明显.CH,和CH基团摩尔分数非常 强的谱线，说明本文的模拟结果与实验基本是 低，在图4中已和横坐标重叠.因此从本文的模 吻合的. 拟结果可以得出结论，在我们给出的实验条件下 CH基团浓度的径向均匀性显然对大面积 CH是促使金刚石生长的主要含碳活化基团，图 金刚石膜沉积非常有利.更进一步的研究工作 5为在模拟条件下对等离子体进行光谱诊断的 仍在进行之中， 一” 0.10 飞 -。-C --Ar 100 一-CH5 -+一H -◆-CH 批 一x一H2 0.01 -CH 一m一CH4 0.001E 07M Y.MhM 0 0.6 1.2 1.8 2.43.0 400 440 480520 560600 轴向距离/cm nm 图4组分分布与轴向距离的关系 图5在模拟条件下的等离子体发射光谱 Fig.4 Relation between axial distance and constituent distribution Fig.5 Plasma optical emission spectrum in simulation conditions 4结论 参考文献 1 Hirata A,Yoshikawa M.Application of Diamond Films 本文将局部的热力学平衡和电离平衡的假 and Related Materials.NIST Special Publication,1995, 设应用于整体的非平衡射流，用宏观的方法了 885:417 解等离子体的一些微观状态，据此建立了处理 2 Addona T,AL ET.Silica Decomposition in a Transferred 直流电弧等离子体CVD金刚石膜沉积的数学 Arc Reactor.In:C K Wu,ed.13th International Symposium 模型.应用上述模型对大面积金刚石膜沉积的 on Plasma Chemistry.Beijing:Peking University Press, 1997.1590 化学环境进行了模拟，模拟结果与相同条件下 3 Lu FX,Zhong G F.A New Type of DC Arc Plasma Torch 对等离子体的光谱诊断结果基本吻合，表明在 for Low Cost Large Area Diamond Deposition.Diamond 本文的实验条件下CH基团可能是促进金刚石 and Related Materials,1998,7(6):737 膜生长的主要活化基团.它沿径向的均匀分布 4钟国钫.l00kW级DC Arc Plasma Jet CVD金刚石膜沉 对大面积金刚石膜的沉积有重要意义， 积系统研制：[博士论文]北京：北京科技大学，1997 5陶文辁.数值传热学.西安：西安交通大学出版社， 1986.123 Numerical Model for Large Area Diamond Film Deposition by DC Arc Plasma Jet Method HUANG Tianbin,TANG Weizhong,LU Fanxiu,ZHANG Weijing Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Numerical model for large area diamond film deposition by DC Arc Plasma Jet CVD method is proposed.Chemical environment over the substrate surface during diamond growth were calculated,and was compared with experiment data from optical emission spectrum obtained at similar conditions.It was found that the CH radical may be main active precursor responsible for diamond growth.The overall uniform distribution of CH radical is important for large area deposition of diamond films. KEY WORDS numerical model;diamond film deposition;large area;DC Arc Plasma Jet

年 第 期 黄天 斌 等 大 面 积 金 刚石 膜 生长环 境气氛 的计 算机模拟 匀分 布 基 团和 基 团摩 尔 分 数 很低 ， 沿 径 向下 降趋势 明 显 和 基 团摩 尔 分数 非常 低 ， 在 图 中 已 和 横 坐 标 重 叠 因 此 从本 文 的模 拟 结果 可 以得 出结 论 ，在我们 给 出 的实验 条件下 是 促 使金 刚 石 生 长 的 主 要 含 碳 活 化基 团 图 为在模 拟 条件 下 对 等 离子 体进 行 光 谱诊 断 的 结 果 可 见 谱线 的确 是各 种 含碳 基 团 中最 强 的谱线 ， 说 明本文 的模拟 结 果 与 实验 基本 是 吻 合 的 基 团浓 度 的径 向均 匀性 显 然对 大 面 积 金 刚 石 膜沉积 非 常有 利 更 进一 步 的研 究工 作 仍在进 行 之 中 ， 户 一 一 ， 一 一 早 才二二才 侧燃工 减 一 汉 一 一 一 一 一 一‘ 一 一，一 摊 一一一目洲 一 拭 一 洲 一 洲 一 一心 一 一 ， 一 二 一 一 一 一闷 二二二 二大一 ， － 甲 一 月甲一 一 ，一 甲一 ，一 ， 一 ，一 ，一 ， 皿二二二二皿二二二二 轴 向距 离 图 组 分 分 布与轴 向距 离的关 系 · 一二一」 习一 』月目硬仁皿胜 工二一三乙二‘ 二‘ ‘ 二已二二江二二』 几 图 在模拟条件下 的等离子体 发射 光谱 · 结论 本文 将局 部 的热 力 学 平 衡 和 电离平衡 的假 设 应 用 于 整 体 的非 平 衡 射 流 ， 用 宏 观 的方 法 了 解 等离子 体 的一 些微观 状态 ， 据 此 建 立 了 处 理 直 流 电弧 等 离子 体 金 刚 石 膜 沉积 的数学 模 型 应 用 上 述模 型 对 大面 积 金 刚 石 膜 沉积 的 化 学环 境 进 行 了模拟 ， 模 拟 结果 与相 同条 件 下 对 等 离子体 的光 谱诊 断 结 果 基 本 吻 合 表 明在 本 文 的实验 条 件 下 基 团可 能 是促进 金 刚 石 膜 生 长 的主 要 活 化基 团 它 沿 径 向的均 匀分 布 对 大 面 积 金 刚 石 膜 的沉积 有重 要 意 义 参 考 文 献 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 钟 国访 级 金 刚石 膜沉 积 系 统研 制 博士 论文 北 京 北 京科 技大 学 ， 陶文 轮 数 值 传 热 学 西 安 西 安 交通 大 学 出版社 ， ， 肠 ， 肛’， 乙队咬刃 肠’ 雌 ， ， ， ， 们