基于CFD的CVD布氣裝置模擬與優(yōu)化設(shè)計

王 毅，楊曉輝，白龍騰

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

化學(xué)氣相沉積 (chemical vapor deposition，CVD)工藝能夠在較低溫度下完成材料制備，并能實現(xiàn)材料在微觀尺度上按照設(shè)定的化學(xué)成分計量比進行生長，廣泛應(yīng)用于功能材料的制備領(lǐng)域。采用CVD工藝制備的SiC陶瓷和C/SiC復(fù)合材料在高溫下強度和韌性高、耐腐蝕性好、密度低，是高溫結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-6]。

CVD工藝參數(shù)有：氣流場、溫度場、壓力、流速、預(yù)制體形狀、預(yù)制體擺放位置等，其中CVD反應(yīng)器內(nèi)部流場的均勻性對CVD沉積產(chǎn)物表面質(zhì)量和最終形態(tài)影響較大。本文利用CFD技術(shù)模擬計算布氣裝置對CVD反應(yīng)器內(nèi)流場的影響，根據(jù)模擬計算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計用于CVD設(shè)備的布氣裝置。

1 建立布氣系統(tǒng)氣流分布數(shù)學(xué)模型

1.1 建立模型

CVD工藝過程化學(xué)、物理變化比較復(fù)雜，基本化學(xué)反應(yīng)過程是載氣 (H2)通過“鼓泡”的方式將液態(tài)先驅(qū)體一甲基三氯硅烷 (CH3SiCl3，MTS)，帶入到反應(yīng)器內(nèi)，同時通入平衡氣體Ar，在一定的工藝條件下MTS在預(yù)制體表面發(fā)生(1)式所示的化學(xué)反應(yīng)，由此在預(yù)制體表面沉積生成SiC層。

實際應(yīng)用的CVD反應(yīng)器的反應(yīng)過程和流體環(huán)境比較復(fù)雜，為了確定布氣系統(tǒng)氣流分布數(shù)學(xué)模型的邊界條件，必須對真實的CVD反應(yīng)器進行理想化處理，理想的CVD反應(yīng)器應(yīng)具備以下條件：1)反應(yīng)物氣體邊界層均勻，各處沉積速度和沉積厚度一致；2)不存在回流，控制氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，減少非理想產(chǎn)物的形成；3)氣流在預(yù)制體表面形成層流，氣體在預(yù)制體孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)擴散傳質(zhì)[3,7-10]。

反應(yīng)器內(nèi)部的氣體流動狀態(tài)比較復(fù)雜，屬于典型的層流現(xiàn)象，其中還包括多種氣體混合、反應(yīng)氣體和生成氣體的擴散與對流、相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象。建模時需要做以下假設(shè)：1)反應(yīng)器中的混合氣體看作是一種理想氣體；2)氣體流動為定常不可壓縮流，即CVD過程為穩(wěn)態(tài)過程，氣流狀態(tài)與時間無關(guān)；3)忽略化學(xué)反應(yīng)、濃度變化以及濃度變化所引起的自然對流和重力變化；4)不考慮氣體在構(gòu)件內(nèi)部的擴散問題，即氣體僅在反應(yīng)器中流動，把構(gòu)件假定成沒有氣體通過的實心體；5)反應(yīng)器為圓柱型，在流場中異型構(gòu)件為軸對稱幾何形狀，考慮到計算的準確性和ANSYS-Fluent軟件的適用性，對模型進行二維簡化。根據(jù)上述假設(shè)，反應(yīng)器中二維不可壓縮流的連續(xù)性方程和運動方程如下[11-12]：

式中：u和v為混合氣體在y方向上的速度分量；p為壓力；ρ為混合氣體密度；μ為混合氣體的粘度系數(shù)。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

CVD反應(yīng)器模型如圖1所示。反應(yīng)氣體從進氣口 (gas inlet)進入緩沖腔 (buffer chamer)，通過布氣板 (gas distributor)將反應(yīng)氣體均勻地送入沉積區(qū)，在預(yù)制體表面 (懸空于腔體內(nèi)，未在圖中標(biāo)出)反應(yīng)得到涂層，未反應(yīng)的氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物通過出氣孔 (gas outlet)排出反應(yīng)器外。

圖1 沉積反應(yīng)器立體模型Fig.1 Stereo model of deposition reactor

模型為軸對稱形狀，為簡化計算，可計算經(jīng)過入口-出口截面的流場，該截面可反映出模型流場分布情況。對反應(yīng)室內(nèi)計算區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并定義邊界。對流場內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)梯度變化較大的地方如布氣板附近、沉積基體附近等區(qū)域，利用網(wǎng)格自適應(yīng)功能進行局部加密。其截面網(wǎng)格劃分如圖2所示。

在CVD反應(yīng)器流場模型中，主要流動介質(zhì)是進入反應(yīng)器的混合氣體以及反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物?？刂品匠痰倪吔鐥l件為：1）入口處的徑向速度為0 m/s，根據(jù)管徑、流量估算值，設(shè)定其軸向速度的平均值為1 m/s；2）定義反應(yīng)器器壁、構(gòu)件邊界及其內(nèi)部擋板為無滑移邊界條件，各方向流速分量值均為0 m/s；3）出口邊界取相對壓強為0 Pa，相對于系統(tǒng)出口處的壓強為2.5 kPa（取實際CVD反應(yīng)器出口處的壓力值）。反應(yīng)器內(nèi)部混合氣體可近似看成是H2，Ar，MTS以及HCl混合成的理想氣體，其混合氣體的粘度和密度值分別為 0.507 9×10-4Pa·s和 23.82×10-3kg/m3。在等溫CVD過程中，針對MTS-H2（沉積SiC陶瓷材料）體系，反應(yīng)器[13-16]的器壁上溫度恒為工藝溫度1 273 K。根據(jù)粘度、截面平均速度、特征長度計算反應(yīng)器內(nèi)流體雷諾數(shù)Re來判斷反應(yīng)器內(nèi)流體類型，計算公式如下：

式中：ρ為流體密度；υ為平均流速；d為管道直徑；μ為動力粘性系數(shù)。結(jié)合上述密度、流速及反應(yīng)器尺寸數(shù)據(jù)計算可知，Re≈328，遠小于工程上常用的下臨界雷諾數(shù) (Recr)2 000。反應(yīng)氣體為層流，需要采用層流模型進行計算[17]。

圖2 沉積腔體界面網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of deposition reactor

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 布氣板中心開孔、入口氣體流速1m/s下對反應(yīng)器內(nèi)流場的影響

圖3為布氣板中心開孔 (直徑與入氣孔相同，為20 mm)、流速1 m/s情況下反應(yīng)器內(nèi)流場流速分布情況。由圖可見，在反應(yīng)器軸向方向反應(yīng)氣體流速明顯較快，而在預(yù)制體局部流速則明顯下降，同時出現(xiàn)流速不均、回流現(xiàn)象。

圖3 布氣板中心開20 mm孔、入口流速1 m/s情況下流速分布Fig.3 Velocity distribution of gas distributor with 20 mm pore in center and flow velocity of 1 m/s at inlet in CVD reactor

將預(yù)制體周圍局部流場放大（見圖3(b)）。由圖可見，反應(yīng)氣體快速從預(yù)制體外側(cè)靠近軸心方向通過，而在預(yù)制體內(nèi)部流速明顯下降。預(yù)制體靠近中心處流速快，反應(yīng)氣體濃度大，遠離中心區(qū)域流速下降，反應(yīng)氣體濃度較低。為了在預(yù)制體表面得到均勻致密的SiC涂層，要求反應(yīng)氣體盡可能具備穩(wěn)定、均勻的層流流動，而如果布氣板中心位置開孔，會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部軸向氣流速度過快，使預(yù)制體附近無法得到合適的反應(yīng)氣體。因此，這種流場分布不利于在預(yù)制體表面形成均勻致密的SiC涂層。

2.2 布氣板中心無孔、孔均布狀態(tài)下孔徑對內(nèi)流場流速的影響

2.2.1 孔徑5 mm，入口處氣體流速1.0 m/s

由圖4(a)可見，在布氣板中心無孔的情況下，反應(yīng)器軸心區(qū)域的反應(yīng)氣流的速度明顯較開孔狀態(tài)下下降，同邊緣區(qū)域流速差距不大，且沒有明顯回流等現(xiàn)象，提高了反應(yīng)器內(nèi)部流場的均勻性。進一步分析預(yù)制體周邊局部流速分布（見圖4(b)）可見，預(yù)制體內(nèi)部氣流流速較外部略低，在喉部存在較大的反應(yīng)氣體聚集，這與預(yù)制體的形狀相關(guān)。同中心開孔的布氣板相比，內(nèi)流場均勻性明顯提高，有利于在預(yù)制體內(nèi)外表面得到均勻致密的SiC涂層。結(jié)合實際生產(chǎn)情況來看，開孔直徑不宜過小，如果布氣板上孔徑過小，在沉積過程中通孔很容易被反應(yīng)副產(chǎn)物填充，導(dǎo)致進氣不暢，反而影響實際流場的均勻性。

圖4 布氣板中心無孔、入口流速1 m/s、孔徑5 mm、均布情況下流速分布Fig.4 Velocity distribution of gas distributor with flow velocity of 1 m/s at inlet and pore size of 5 mm,but without pore in the center

2.2.2 孔徑10 mm、入口處反應(yīng)氣體流速1.0 m/s

圖5為將布氣板上開孔直徑調(diào)整至10 mm后的內(nèi)流場分布情況。同5 mm開孔情況相比，內(nèi)流場總體上仍表現(xiàn)出較為均勻的流速分布（見圖5(a)），軸心處同其他區(qū)域流速差異并不明顯。進一步分析預(yù)制體周圍局部流速的分布情況（見圖5(b)）可見，同5 mm開孔相比，預(yù)制體周邊流速較快，但沒有明顯滯留區(qū)域，在預(yù)制體喉部反應(yīng)氣體流速加快，這與預(yù)制體在喉部呈現(xiàn)收斂的形狀有關(guān)。總體上流速保持穩(wěn)定，預(yù)制體內(nèi)外均未發(fā)現(xiàn)回流、亂流情況，說明內(nèi)流場均勻穩(wěn)定，有利于沉積出致密、均勻的SiC涂層。

圖5 布氣板中心無孔、入口流速1m/s、孔徑10 mm、均布情況下流速分布Fig.5 Velocity distribution of gas distributor with flow velocity of 1 m/s at inlet and pore size of 10 mm,but without pore in the center

2.3 布氣板結(jié)構(gòu)對SiC沉積形貌的影響

根據(jù)CFD理論計算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計了布氣板，采用優(yōu)化設(shè)計后的布氣板完成了SiC涂層沉積工藝試驗，并對布氣板改進前后所沉積的SiC涂層形貌進行了對比（見圖6所示）。

布氣板結(jié)構(gòu)改進后，SiC涂層的顯微形貌發(fā)生了較大變化。采用中心開孔的布氣板，相同工藝制備的SiC涂層中SiC涂層存在較為明顯的孔隙，顆粒粗大。而采用CFD輔助設(shè)計改進的布氣板，制備的SiC涂層，顆粒明顯光滑，且顆粒間孔隙較小，涂層致密。

圖6 改進布氣板前后同一反應(yīng)器內(nèi)SiC涂層沉積情況對比Fig.6 Deposition quality comparison in the same reactor before and after improvement of gas distributor

3 布氣板設(shè)計準則

通過CFD模擬，得到的CVD設(shè)備用布氣板設(shè)計準則是：1)布氣板中心無孔，以避免反應(yīng)器軸心氣流速度過快，工件附件反應(yīng)器流速不足，濃度下降；2)布氣板孔徑均布，孔徑應(yīng)在CFD計算基礎(chǔ)上適當(dāng)擴大，以免過細孔徑遭到堵塞；3)布氣板設(shè)計原則是必須降低反應(yīng)器內(nèi)回流現(xiàn)象，使工件表面的反應(yīng)氣體盡可能為層流，工件表面各處流速差異越小越好。圖7為布氣板結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。

圖7 布氣板(含緩沖腔)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural diagram of gas distributor with buffer chamber

4 結(jié)論

采用CFD方法，對布氣裝置開孔位置和孔徑對CVD-SiC反應(yīng)器內(nèi)流場的影響進行了有限元模擬分析，優(yōu)化設(shè)計了布氣裝置，提高了CVD設(shè)備布氣的均勻性和穩(wěn)定性。研究獲得如下結(jié)論：

1)布氣板中心開孔會導(dǎo)致反應(yīng)器軸心區(qū)域流速過快，影響預(yù)制體表面層流穩(wěn)定性及預(yù)制體表面涂層質(zhì)量。

2)在布氣板中心無孔的情況下，開孔直徑較小有助于提高反應(yīng)器內(nèi)部流場均勻性，但不宜開孔過小，過小的孔徑在沉積過程中易被沉積產(chǎn)物堵塞。開孔直徑10 mm較好。

3)采用CFD模擬計算技術(shù)，可有效模擬布氣板結(jié)構(gòu)對CVD沉積SiC的影響，因此在使用新的反應(yīng)器前，應(yīng)針對布氣板設(shè)計、工件擺放等多種情況展開CFD模擬計算，以確定最佳的反應(yīng)器設(shè)計。

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