微波化学气相沉积腔内等离子体特性及反应过程数值模拟
发布时间：2021-07-26 09:30
微波等离子体化学气相沉积技术（Chemical Vapor Deposition）是近几十年来发展起来的用于制备碳材料的新技术,并且相比于其它的CVD技术,微波等离子CVD技术具有沉积质量高、沉积面积大、沉积过程稳定等优点。现阶段微波等离子体CVD技术是合成高品质碳材料的最佳方法,但是其瓶颈在于沉积速率偏低,该设备的沉积速率范围一般在0.1～34?m/h,并且现在人们对该技术的沉积机制的认识还在探索中。本文针对工艺参数对微波等离子体特征的影响规律和沉积腔内的化学反应动力学过程进行了研究,为解决微波CVD技术的瓶颈问题奠定一些基础。首先本文针对微波等离子体构建了一个耦合的多物理场模型,涉及到了电场、等离子体以及温度场,不同的物理场之间通过传递相关的物理量实现耦合。电磁场激发产生的等离子体的特征通过:电场强度、电子密度、气体温度和电子温度来进行表征。通过研究发现,不同的特征量对工艺参数的敏感程度不同,电场强度和电子密度受微波功率的影响较大,而气体温度和电子温度受沉积压力的影响较大。并且等离子体球的体积随着微波功率的增加而增大,随着沉积压力的增加又有所缩小,所以要想在保证等离子球大小不变的前...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种CVD技术的原理图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-出电子温度，最后再将电子温度耦合到气体的传热方程中去，实现自洽耦合。国内北京科技大学的研究团队在MPCVD沉积装置模拟方面开展了较多工作[21,22]。他们从所要获得的重要物理参数出发（电场场强、电子密度、气体温度）提出了一种简化的计算模型，即从微波电场的求解模块、等离子体的求解模块、气体温度分布的求解模块入手，获得三个偏微分程，并将偏微分方程联立求解，即可以获得待求的物理量。20()0rrEkE=222e(D)evreaeienRnRn=REn桢(1-2)()ghkT=Q其中r和r分别为介质的相对磁导率和相对介电常数；0k是微波在真空中传播的波数；eD是双极扩散系数；vrR、aR和iR分别指的是电子与离子、中性分子、气体分子之间碰撞的复合、吸附和电离的速率常数；hQ为等离子体吸收微波的功率密度。图1-2微波激发产生的等离子体[18]上述都是主要从等离子体模拟的角度出发，接下来从化学气相沉积的角度来描述近些年来国内外的研究现状。在1989年Harris[23]提出了一种涉及10种反应物质，20个化学反应过程的动力学模型。研究了热丝化学气相沉积的过程中各种中性基团的分布，重点探究了沉积过程中的主要物质H、CH3和C2H2等的分布。研究发现H原子在化学气相沉积过程中不仅仅起到优先刻蚀石墨的作用，还起到对抑制气相中芳香族物质的产生起到重要作用。在2005年Lombardi[24]针对钟罩式微波化学沉积设备如下图1-3-a所示，建立了一个一维模型，描述了等离子体球内径向传热、传质和化学反应过程的耦
肿⑵?绞娇梢越?粱?俣忍岣?0%，均匀性以及质量都较好；而第三种注入方式却导致沉积速度降低了40%，沉积所得材料的均匀性质量都比较差。Mesbahi通过数值模拟进一步解释了该现象，其通过数值模拟计算得到第二种注气方式衬底周围CH3的浓度分布达到了最大。已有研究表明，碳材料的沉积速度与沉底表面的CH3的浓度呈现正相关，所以从沉积表面附近注入CH4更有利CH4进入高温区域生成CH3，而且通入的CH4的流量很低，此时物质的输运主要靠扩散进行，即保证了材料的均匀性。(a)钟罩式设备[26](b)第二代SEKI式设备图1-3两种微波等离子体化学气相沉积设备简图1.2.2国内外文献综述的简析MPCVD沉积腔中等离子体数值模拟以及关于气相沉积的研究已经开展了将近30年，至今仍然还有许多问题值得去探讨和研究。早期德国的M.Füner开发的唯象线性模型，只是简单的将电场强度与电子密度联系起来，而影响电子密度的其它因素例如沉积功率、沉积压力以及等离子体本身的存在对电场的影响，都进行了很大的简化。最简单的来讲，由于等离子体的趋肤深度的存在，高频电磁波无法深入到等离子体的核心区域，所以说等离子体的中心位置不会与电磁场的中心位置完全吻合，然而在线性模型中无法体现出这一点。虽然线性模型非常简单，但是从设计MPCVD谐振腔的角度来说，M.Füner所提出的模型仍然是简单而有效的，并且椭球型谐振腔的研制成功也印证了这一点。之后的日本的Yamada在M.Füner的研究基础上提出了一些改进，并提高了模型的准确性。法国的K.Hassouni选择一种最为复杂，但是从理论上来讲最为准确的方法，其是基于等离子体中的粒子碰撞过程和化学反应来进行研究，涉及各种粒子之间的碰撞、电离、激发等，并将等离子体中
【参考文献】：
期刊论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[2]温度对MPCVD法同质外延单晶金刚石缺陷的影响[J]. 丁康俊,马志斌,宋修曦,夏禹豪,耿传文. 金刚石与磨料磨具工程. 2018(02)
[3]金刚石薄膜的制备研究综述[J]. 黄磊,王陶,唐永炳. 集成技术. 2017(04)
[4]大气压放电等离子体研究进展综述[J]. 李和平,于达仁,孙文廷,刘定新,李杰,韩先伟,李增耀,孙冰,吴云. 高电压技术. 2016(12)
[5]MPCVD金刚石膜装置的研究进展[J]. 刘繁,翁俊,汪建华,王秋良,孙祁. 真空与低温. 2016(03)
[6]CVD金刚石膜反应器内气相化学的理论研究进展[J]. 安希忠,李长兴,刘国权,沈峰满,李友清. 中南大学学报(自然科学版). 2010(03)
博士论文
[1]基于同轴腔体的微波等离子体技术研究[D]. 王瑶瑶.中国科学技术大学 2019
[2]基于时域有限差分方法的等离子体鞘套与电磁波相互作用的研究[D]. 孙浩宇.西安电子科技大学 2018
[3]金刚石/石墨复合纳米片的外延生长与电化学性能研究[D]. 王曙光.哈尔滨工业大学 2018
[4]新型高功率MPCVD装置研制与金刚石膜高效沉积[D]. 李义锋.北京科技大学 2015
[5]新型MPCVD装置的设计及金刚石膜的制备与介电性能研究[D]. 苏静杰.北京科技大学 2015
[6]纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯性能的第一原理研究[D]. 王春.吉林大学 2009
[7]碰撞等离子体的产生及其性质研究[D]. 欧阳亮.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]微波诱导焦炭放电及无烟煤点火强化研究[D]. 刘明君.哈尔滨工业大学 2019
[2]高气压MPCVD法制备高质量金刚石的研究[D]. 梁天.武汉工程大学 2018
[3]MPCVD法外延生长单晶金刚石的研究[D]. 熊刚.武汉工程大学 2018
[4]基于COMSOL软件的双腔室射频感性耦合氩等离子体源的二维流体力学模拟[D]. 刘阳.大连理工大学 2017
[5]微波等离子体化学气相沉积法制备高质量石墨烯的研究[D]. 方利平.西南科技大学 2016
[6]CVD金刚石膜可控性生长的研究[D]. 苏帆.武汉工程大学 2014
[7]基于COMSOL的MPT离子化源等离子体建模仿真[D]. 任昊.浙江大学 2014
[8]新型MPCVD装置制备大面积金刚石膜的研究[D]. 翁俊.武汉工程大学 2011
本文编号：3303303
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种CVD技术的原理图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-出电子温度，最后再将电子温度耦合到气体的传热方程中去，实现自洽耦合。国内北京科技大学的研究团队在MPCVD沉积装置模拟方面开展了较多工作[21,22]。他们从所要获得的重要物理参数出发（电场场强、电子密度、气体温度）提出了一种简化的计算模型，即从微波电场的求解模块、等离子体的求解模块、气体温度分布的求解模块入手，获得三个偏微分程，并将偏微分方程联立求解，即可以获得待求的物理量。20()0rrEkE=222e(D)evreaeienRnRn=REn桢(1-2)()ghkT=Q其中r和r分别为介质的相对磁导率和相对介电常数；0k是微波在真空中传播的波数；eD是双极扩散系数；vrR、aR和iR分别指的是电子与离子、中性分子、气体分子之间碰撞的复合、吸附和电离的速率常数；hQ为等离子体吸收微波的功率密度。图1-2微波激发产生的等离子体[18]上述都是主要从等离子体模拟的角度出发，接下来从化学气相沉积的角度来描述近些年来国内外的研究现状。在1989年Harris[23]提出了一种涉及10种反应物质，20个化学反应过程的动力学模型。研究了热丝化学气相沉积的过程中各种中性基团的分布，重点探究了沉积过程中的主要物质H、CH3和C2H2等的分布。研究发现H原子在化学气相沉积过程中不仅仅起到优先刻蚀石墨的作用，还起到对抑制气相中芳香族物质的产生起到重要作用。在2005年Lombardi[24]针对钟罩式微波化学沉积设备如下图1-3-a所示，建立了一个一维模型，描述了等离子体球内径向传热、传质和化学反应过程的耦
肿⑵?绞娇梢越?粱?俣忍岣?0%，均匀性以及质量都较好；而第三种注入方式却导致沉积速度降低了40%，沉积所得材料的均匀性质量都比较差。Mesbahi通过数值模拟进一步解释了该现象，其通过数值模拟计算得到第二种注气方式衬底周围CH3的浓度分布达到了最大。已有研究表明，碳材料的沉积速度与沉底表面的CH3的浓度呈现正相关，所以从沉积表面附近注入CH4更有利CH4进入高温区域生成CH3，而且通入的CH4的流量很低，此时物质的输运主要靠扩散进行，即保证了材料的均匀性。(a)钟罩式设备[26](b)第二代SEKI式设备图1-3两种微波等离子体化学气相沉积设备简图1.2.2国内外文献综述的简析MPCVD沉积腔中等离子体数值模拟以及关于气相沉积的研究已经开展了将近30年，至今仍然还有许多问题值得去探讨和研究。早期德国的M.Füner开发的唯象线性模型，只是简单的将电场强度与电子密度联系起来，而影响电子密度的其它因素例如沉积功率、沉积压力以及等离子体本身的存在对电场的影响，都进行了很大的简化。最简单的来讲，由于等离子体的趋肤深度的存在，高频电磁波无法深入到等离子体的核心区域，所以说等离子体的中心位置不会与电磁场的中心位置完全吻合，然而在线性模型中无法体现出这一点。虽然线性模型非常简单，但是从设计MPCVD谐振腔的角度来说，M.Füner所提出的模型仍然是简单而有效的，并且椭球型谐振腔的研制成功也印证了这一点。之后的日本的Yamada在M.Füner的研究基础上提出了一些改进，并提高了模型的准确性。法国的K.Hassouni选择一种最为复杂，但是从理论上来讲最为准确的方法，其是基于等离子体中的粒子碰撞过程和化学反应来进行研究，涉及各种粒子之间的碰撞、电离、激发等，并将等离子体中
【参考文献】：
期刊论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[2]温度对MPCVD法同质外延单晶金刚石缺陷的影响[J]. 丁康俊,马志斌,宋修曦,夏禹豪,耿传文. 金刚石与磨料磨具工程. 2018(02)
[3]金刚石薄膜的制备研究综述[J]. 黄磊,王陶,唐永炳. 集成技术. 2017(04)
[4]大气压放电等离子体研究进展综述[J]. 李和平,于达仁,孙文廷,刘定新,李杰,韩先伟,李增耀,孙冰,吴云. 高电压技术. 2016(12)
[5]MPCVD金刚石膜装置的研究进展[J]. 刘繁,翁俊,汪建华,王秋良,孙祁. 真空与低温. 2016(03)
[6]CVD金刚石膜反应器内气相化学的理论研究进展[J]. 安希忠,李长兴,刘国权,沈峰满,李友清. 中南大学学报(自然科学版). 2010(03)
博士论文
[1]基于同轴腔体的微波等离子体技术研究[D]. 王瑶瑶.中国科学技术大学 2019
[2]基于时域有限差分方法的等离子体鞘套与电磁波相互作用的研究[D]. 孙浩宇.西安电子科技大学 2018
[3]金刚石/石墨复合纳米片的外延生长与电化学性能研究[D]. 王曙光.哈尔滨工业大学 2018
[4]新型高功率MPCVD装置研制与金刚石膜高效沉积[D]. 李义锋.北京科技大学 2015
[5]新型MPCVD装置的设计及金刚石膜的制备与介电性能研究[D]. 苏静杰.北京科技大学 2015
[6]纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯性能的第一原理研究[D]. 王春.吉林大学 2009
[7]碰撞等离子体的产生及其性质研究[D]. 欧阳亮.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]微波诱导焦炭放电及无烟煤点火强化研究[D]. 刘明君.哈尔滨工业大学 2019
[2]高气压MPCVD法制备高质量金刚石的研究[D]. 梁天.武汉工程大学 2018
[3]MPCVD法外延生长单晶金刚石的研究[D]. 熊刚.武汉工程大学 2018
[4]基于COMSOL软件的双腔室射频感性耦合氩等离子体源的二维流体力学模拟[D]. 刘阳.大连理工大学 2017
[5]微波等离子体化学气相沉积法制备高质量石墨烯的研究[D]. 方利平.西南科技大学 2016
[6]CVD金刚石膜可控性生长的研究[D]. 苏帆.武汉工程大学 2014
[7]基于COMSOL的MPT离子化源等离子体建模仿真[D]. 任昊.浙江大学 2014
[8]新型MPCVD装置制备大面积金刚石膜的研究[D]. 翁俊.武汉工程大学 2011
本文编号：3303303
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