朱黎明，龚 伟，敬 瑀，崔开放

（西南科技大学制造科学与工程学院，西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳 621000）

1 引言

金属有机物化学气相沉积是制备金属薄膜的一种重要途径，所制备的金属薄膜在半导体、电子、航天、军工等领域有广泛的应用[1]，然而化学气相沉积是一种对参数要求十分精密的技术，否则会对成膜的质量产生一定的影响。影响化学气相沉积过程最主要的因素是气体的流动与传热，内部气体各参数的热力学差异促进了气体的流动[2]，比如温度差、压力差、浓度差等。这种差异促进了分子的流动、对流与扩散，不仅对沉积过程产生影响，反应机理和沉积效果也会受到影响。

抗高温烧蚀涂层在航空航天与军工领域具有广泛的应用，由于航天器的推力室与枪管的炮膛承受很高的温度，因此对抗高温涂层提出了很高的要求。Re 涂层是一种抗高温涂层[3-5]，现阶段，Re 的化学气相沉积主要采用ReCl5热分解或ReF6氢气还原法沉积，但是存在沉积温度太高，Re 的成本太高，产生环境不友好气体等问题[6-7]。课题组采用沉积Co-Re 合金涂层的方式，不仅降低了生产成本，而且提高了涂层的抗烧蚀性和抗氧化性，为开发出新型抗烧蚀涂层提供了可能。采用CFD 流体力学软件对课题组设计Co-Re 化学气相沉积设备反应室进行数值模拟，真实的再现内部气体流动规律，为生产高质量Co-Re 合金涂层提供可能，同时也为进一步优化设备提供支撑。

2 Co-Re 化学气相沉积反应室及计算区域网格划分

Co-Re 化学气相沉积反应室结构简图，如图1 所示。因为计算的是Co-Re 化学气相沉积设备内部气体流动情况，因此只需对内部流动部分建模即可，模型的入口半径为5mm，模型整体直径25mm，长度200mm 两端三维进口和出口均为直径和高分别为3mm、5mm，内部垫板直径24mm，能够自由调节高度，每个垫板上面由六个小孔组成，上下两个圆柱体组成，大圆柱体直径为25mm，小圆柱体内径24mm，内部由三个工字垫板与钢基体组成，基体尺寸（15×15×5）mm。对以下四种不同条件进行分析。

图1 化学气相沉积反应室结构简图Fig.1 Structure Diagram of Chemical Vapor Deposition Reaction Chamber

（1）首先考察不同的进口形状对流场影响[9]，其他参数保持一致（2）采用上面分析得出最佳喷头，考察基底位置高低不同带来影响，其他参数保持一致（3）采用得出最佳喷头以及最佳位置，讨论流量大小对基底附近镀层影响，其他参数保持一致（4）采用最佳喷头和最佳位置以及最适流量作为统一条件，讨论不同压力对基底附近流量场影响，其他参数保持不变。进气流量分别为150mL/min、300mL/min、450mL/min，进气速率分别为 0.127m/s、0.254m/s、0.384m/s，进口温度为 170℃，反应室温度为 400℃，压力大小分别为100Pa、1000Pa、10000Pa，在这里主要运载气体为氢气，前驱体为Co（acac）2和Re2（CO）10，由于前驱体量很少，且是慢慢升华，故在模拟中忽略前驱体量，近似考虑混合气体为氢气，计算气体雷诺数Re=vd/γ 得出气体为层流。结合反应室内实际情况，近似认为气体满足理想气体状态方程和连续性流体假设。由于计算的是内部气流的流动，在做前处理模型时，只对设备内部空间进行建模。结合反应室内的实际流动状况，认为反应室内气体满足连续流体假设和理想气体状态方程，忽略化学反应放热对过程的影响，气体控制方程有能量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程、能够用一种通用形式来表示[10]：

式中：φ—因变量；ρ—流体密度；u—流体速度；γφ—广义扩散系数；Sφ—源项。

采用CFD 软件FLUENT15.0 前处理软件ICEM 对计算区域进行处理，包括定义计算区域性质与边界，然后进行网格划分，文章采用非结构化网格有限容积法来划分网格，因为非结构化网格能够随意布置节点和和网格，所以能够对复杂的边界和求解带来一定的适应于灵活性，网格总数为1401105，节点数为238068，经网格无关性检验后，网格致密度符合要求。

3 结果与讨论

3.1 不同进气口形状对计算结果影响

该次仿真首先对进气口形状进行模拟，挑选出三种进气口形状，分别为直型喷头、锥型喷头、螺旋型喷头，分别模拟在不同喷头型号条件下，反应室流场分布情况，其中，喷头形状为变量，其他实验条件为常量。模拟的其他条件分别为进气口速度0.127m/s，进气口温度170℃，入口附近操作压力为100Pa，基底下表面距离入口距离L 为100mm，模拟结果，如图2 所示。图2 中a、b、c 分别为直型、锥型、螺旋型。可以看出，直喷口产生气流场速度明显大于另外两种，而基底涂层能够成长基本条件就是表面有足够的气流流过，因此在三个喷头模拟结果当中，直型喷头效果最好。

图2 三种喷头仿真截面图Fig.2 Three Kinds of Nozzle Simulation Section Diagram

3.2 基底不同位置对涂层附近流场影响

根据上面实验结果，利用直型喷头作为本次模拟对象，以基底的位置作为变量，分别讨论L（基底下表面距离进气口距离）大小对基底附近流场的影响，这里模拟条件取L 分别为50mm、100mm、150mm，对应图3 中三条曲线a、b、c，其他条件为常量，分别为入口操作压力为100Pa，入口温度为170℃，反应室加热温度为400℃。都取基底正上方3mm 位置处圆形平面作为观察面，然后取该面上一条直径线段作为观察线，模拟结果，如图3 所示。从图3 中可以看出b 圆心的速度最低，约为0.0004m/s，同时间流过第二种情况反应物较少，那么镀层沉积的合金涂层相应地也较薄，因此图3 中b 效果不如图3 中a 和图3中c 好，图3 中a 最大速度明显大于图3 中c 最大速度，可以得出结论图3 中c 速度差别比较小，进而形成涂层质量就较图3 中a 有所提高，综上分析，可以看出当L 为150mm 时，涂层表面分布最均匀涂层质量效果最好，而L 为100mm 时，涂层效果质量较差。

图3 不同位置基底上方速度对比图Fig.3 The Velocity Contrast Diagram Above the Base of Different Positions

3.3 不同流量大小对基底附近速度场影响

根据上面实验结果，采取最优的模拟结果，即该次模拟采用直型喷头，入口距离到基底下底面距离L 为150mm 为模拟条件，其他条件保持不变，分别为入口操作压力为100Pa，入口温度为170℃，反应室加热温度为400℃。还是取基底上表面3mm 处为观察平面，然后取平面上同一条直径作为观察线段，查看该线上速度变化情况，流量大小为变量，分别对应150mL/min、300mL/min、450mL/min。多次模拟结果，如图4 所示。从图像可以看出随着流量的增大，整体速度都是在增大，而且速度的最高点也就是基底边缘上方速度增加较为明显，从0.0026m/s 增加到0.0078m/s，而中心增加幅度并不明显，从0.0004m/s 增加到0.0012m/s，因此当进气流量为150mL/min 速度差值是最小的，也就是说涂层沉积最为均匀。因此从涂层表面均匀度来看，为了提高涂层表面质量，选择进气流量为150mL/min 为宜。

3.4 不同压力对基底附近流场影响

依据上面拟结果，选用最优的一组模拟条件，即进口采用直型喷头，入口到基底下表面的距离L 为150mm，其他条件仍然保持不变，即入口操作压力为100Pa、1000Pa、10000Pa，分别对应a、b、c 入口温度为170℃，反应室加热温度为400℃，入口流量为150mL/min。取反应室压力大小为变量，分别为100Pa、1000Pa，10000pa。还是取基底正上方3mm 处为观察平面，该平面内一条直径作为参考线。该线取100 个点，分析这100 个点速度变化，如图5 所示。明显看出速度最大最小值差别变化不大，那么可以认定为基底附近流场受压力影响不。

图5 不同压力基底上方速度对比图Fig.5 Velocity Contrast Diagram Above Different Pressure Bases

4 实验

Co-Re 化学气相沉积设备，如图6 所示。采用的实验参数，如表1 所示。实验流程为：首先往升华室和反应室通入氢气，空气排除干净后，对反应室进行抽真空处理，然后开启加热系统，使升华室加热到一定温度，然后打开不锈钢高温阀，将混合气体通入反应室，之后往反应室注入氢气，为了维持前驱体分压不变，然后反应120min，反应结束后注入惰性气体，待反应室恢复常压，取出样品。经测试，能够制备出表面良好的涂层。

图6 Co-Re CVD 一体化系统实物图Fig.6 Co-Re CVD Integrated System Physical Map

Co-Re 化学气相沉积系统实验参数表，如表1 所示。经开机实验，能够沉积出质量相对均匀的涂层。

表1 Co-Re 化学气相沉积系统实验参数表Tab.1 Experimental Parameters of Co-Re Chemical Vapor Deposition System

5 结论

（1）以化学气相制备Co-Re 合金涂层为对象，建立了反应室内部的数学模型，通过建立反应室内部气体流动模型，运用ICEM划分网格，网格总数为1401105，节点数为238068，导入到fluent建立求解器。讨论不同工况下基体附近流场情况，达到提高基体附近涂层均匀度以及表面质量的目的。（2）采用定性与定量分析结合方式，首先以提高涂层表面均匀度以及质量为目的，确定了反应室进口喷头形状、基底位置、进气流量大小、反应室压力大小四个变量，然后分别模拟，结果表明：喷头形状直观以及数据来看，直型喷头效果最好；进气口和基底下底面距离L 分别为50mm、100mm、150mm，当L为150mm 时，涂层表面分布最均匀，涂层质量效果最好，而L 为100mm 时，涂层效果质量最差；进气流量大小分别为150mL/min、300mL/min、450mL/min，当进气流量为150mL/min 涂层沉积最为均匀；反应室压力变量分别为101Pa、102Pa、103Pa，压力的变化对涂层沉积效果无明显影响。（3）工艺参数对实验影响作用很大，通过对工艺参数调整，达到优化实验过程以及节省成本目的，表明CFD是优化设备结构以及工艺参数重要手段。