化学气相沉积ZnS过程中气体流型的多参数调控数值模拟

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0195

摘要/Abstract

摘要： 本文采用FLUENT软件对化学气相沉积（CVD）硫化锌（ZnS）过程中沉积室内的气体流型展开数值模拟研究。聚焦锌（Zn）蒸气与硫化氢（H₂S）气体的流动特性，通过构建沉积室三维物理模型，系统分析不同工艺参数协同作用下气体流场的分布规律。研究重点包括沉积室内压力及原料进气速度等参数下的沉积室气体流型分布、密度流场形态分布、速度流场及温度流场的演化，揭示气体流型对ZnS沉积速率均匀性及材料生长质量的影响机制。结果表明，随着沉积压力从3 000 Pa增至6 000 Pa、喷嘴速度同步提升，沉积室气体流型呈现“紊乱-有序-稳定-失稳”的协同演化趋势。本工作为实现高质量ZnS材料的可控生长提供理论依据与工艺优化方向，对红外光学材料制备具有重要指导价值。

关键词: ZnS; 气相沉积; 数值模拟; 气体流型; 压力调控; 入口优化; 生长速率

Abstract: Numerical simulation studies on gas flow patterns in the deposition chamber during chemical vapor deposition （CVD） of zinc sulfide （ZnS） were conducted using FLUENT software. Focusing on the flow characteristics of zinc（Zn） vapor and hydrogen sulfide （H₂S） gas， a three-dimensional physical model of the deposition chamber was established， and the distribution characteristics of the gas flow field under the synergistic effects of various process parameters were systematically analyzed. The study emphasized the distribution of gas flow patterns， density flow fields， velocity flow fields， and the evolution of temperature fields under parameters such as chamber pressure and reactant inlet velocity. It aims to reveal how gas flow patterns influence the uniformity of ZnS deposition rates and the quality of material growth. Results indicate that as the deposition pressure increases from 3 000 Pa to 6 000 Pa and the nozzle velocity synchronously increases， the gas flow patterns in the deposition chamber exhibit a synergistic evolution trend of “disordered-ordered-stable-instable”. This work provides a theoretical basis and process optimization directions for the controllable growth of high-quality ZnS materials， and offers significant guiding value for the preparation of infrared optical materials.

Key words: ZnS; vapor deposition; numerical simulation; gas flow pattern; pressure regulation; inlet optimization; growth rate

中图分类号:

O782

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图/表 11

图1 化学气相沉积炉建模正视图（a）、侧视图（b）、底板俯视图（c）

Fig.1 Chemical vapor deposition furnace modeling front view （a）， side view （b）， bottom plate top view （c）

图2 沉积室计算网格。（a）主视图；（b）侧视图及出气口网格加密；（c）沉积室底板及进气口网格加密情况

Fig.2 Computational mesh of the deposition chamber. （a） Front view；（b） side view showing the refined outlet；（c） bottom view showing the refined inlets

表1 第一次模拟参数

Table 1 First simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
3 000	6	10	670

表2 FLUENT数值模拟的残差收敛结果

Table 2 Residual convergence results of FLUENT numerical simulation

Energy	Epsilon	Continuity	K
10^-6	10^-5	10^-5	10^-5

图3 3 000 Pa+ Zn 6 m/s+ H2S 10 m/s参数下沉积室H2S喷嘴切面密度矢量图（a）、速度矢量（b）、温度矢量（c）；Zn喷嘴流型切面密度矢量图（d）、速度矢量（e）、温度矢量（f）

Fig.3 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 3 000 Pa， Zn 6 m/s， and H2S 10 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

表3 第二次模拟参数

Table 3 Second simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
4 000	8	12	670

图4 4 000 Pa+ Zn 8 m/s+ H2S 12 m/s参数下沉积室H2S喷嘴切面密度矢量图（a）、速度矢量（b）、温度矢量（c）；锌喷嘴流型切面密度矢量图（d）、速度矢量（e）、温度矢量（f）

Fig.4 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 4 000 Pa， Zn 8 m/s， and H2S 12 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

表4 第三次模拟参数

Table 4 Third simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
5 000	10	14	670

图5 5 000 Pa+ Zn 10 m/s+ H2S 14 m/s参数下沉积室H2S喷嘴切面密度矢量图（a）、速度矢量（b）、温度矢量（c）；锌喷嘴流型切面密度矢量图（d）、速度矢量（e）、温度矢量（f）

Fig.5 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 5 000 Pa， Zn 10 m/s， and H2S 14 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

表5 第四次模拟参数

Table 5 Fourth simulation parameter

Deposition pressure/Pa	Zn nozzle velocity/（m·s^-1）	H₂S nozzle velocity/（m·s^-1）	Deposition temperature/℃
6 000	12	16	670

图6 6 000 Pa+ Zn 12 m/s+ H2S 16 m/s参数下沉积室H2S喷嘴切面密度矢量图（a）、速度矢量（b）、温度矢量（c）；锌喷嘴流型切面密度矢量图（d）、速度矢量（e）、温度矢量（f）

Fig.6 Contour and vector diagrams for the deposition chamber at 6 000 Pa， Zn 12 m/s， and H2S 16 m/s： density contour （a）， velocity vectors （b） and temperature vectors （c） of the H2S nozzle section； density contour （d）， velocity vectors （e） and temperature vectors （f） of the Zn nozzle section

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