《多尺度CVD过程模型：综述与展望》学术报告

作者及机构
本文由清华大学核能与新能源技术研究院的Yu Tian、Lin Jiang、Rongzheng Liu、Bing Liu、Youlin Shao、Xu Yang及通讯作者Malin Liu，与湖南华菱湘潭钢铁有限公司的Zefan Yan共同完成，发表于2024年10月的期刊《Materials》第17卷第5131页。文章以开放获取形式发布，遵循CC BY 4.0许可协议。

研究背景与目标
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）是制备高质量薄膜和涂层的核心技术，广泛应用于半导体、光学及核燃料等领域。然而，CVD过程涉及 precursor chemistry（前驱体化学）、温度、压力、气体流动动力学等多尺度参数，优化过程极具挑战性。传统数值模拟方法（如密度泛函理论DFT、分子动力学MD、计算流体力学CFD）虽能分尺度建模，但跨尺度参数耦合仍需突破。本文旨在梳理CVD多尺度模型的研究进展，提出跨尺度耦合框架，为工艺优化提供理论支撑。

主要内容与观点

1. CVD机理与关键参数
   文章系统总结了CVD过程的六大基本步骤：
   

• 化学反应：分为均相（气相）与非均相（表面）反应，催化与非催化路径。例如，石墨烯生长中甲烷在铜基底催化下分解为CxHy物种。
  
• 吸附与扩散：前驱体分子在基底表面的吸附能（adsorption energy）及扩散系数（Ds = D0 exp(-Ed/kT)）决定成膜均匀性。
  
• 成核与生长：包括均匀/非均匀成核机制，以及层状生长（layer-by-layer）、岛状生长（island growth）等模式。
  
• 副产物去除：副产物（如气体、颗粒）需通过排气、等离子清洗等技术高效移除。
  

关键工艺参数（表1）包括：
- 温度：影响反应动力学，如850–1050°C下TiN涂层的晶向转变（Wagner等, 2024）。
- 压力：调控气体分子平均自由程，如10–38 kPa下4H-SiC沟槽填充效率提升（Ji等, 2024）。
- 前驱体性质：挥发性和纯度直接影响薄膜质量，如高纯度前驱体可制备低缺陷h-BN薄膜（Zhao等, 2024）。

1. 多尺度建模方法
   

• 纳米尺度：
  
  • DFT：计算反应能垒（如NH3在Si表面分解的活化能，Wang等, 2024）和吸附构型（如Cu表面C原子的吸附位点，Popov等, 2024）。
    
  • MD：模拟原子级动力学，如Ni基底上石墨烯的溶解-沉淀机制（Chen等, 2024）。
    
• 介观尺度：
  
  • 相场模型（PF）：预测薄膜形貌演化，如石墨烯岛状生长的雪崩动力学（Geng等, 2024）。
    
  • 动力学蒙特卡洛（KMC）：基于事件目录模拟生长速率，如Ru沉积的选择性控制（Grillo等, 2024）。
    
• 宏观尺度：
  
  • CFD：分析反应器内流场、温度场及浓度场，如优化SiC沉积的流道设计（Cao等, 2024）。
    

1. 跨尺度耦合模型
   文章重点探讨了四类耦合策略：
   

• 纳米-介观耦合：如DFT计算的扩散能用于KMC模拟石墨烯生长（Chen等, 2024）。
  
• 纳米-宏观耦合：MD获得的反应动力学参数嵌入CFD模型（Wang等, 2024）。
  
• 介观-宏观耦合：CFD输出的前驱体浓度分布驱动相场模拟（Ji等, 2024）。
  
• 全尺度耦合：MD-PF-CFD联合预测2D WSe2形貌（Momeni等, 2024）。图7展示了跨尺度信息传递的框架设计。
  

研究价值与亮点
- 科学价值：建立了从原子反应到反应器设计的全链条模型关联，填补了理论模拟与工艺实践的鸿沟。
- 应用价值：为半导体材料（如石墨烯）、硬质涂层（如TiAlSiN）的工艺优化提供多尺度调控策略。
- 创新点：
- 首次系统总结了CVD跨尺度参数的传递机制（如活化能、扩散系数）。
- 提出“变分法构建多尺度模型”的前瞻性方向，为解决尺度耦合难题提供新思路。

未来展望
作者指出，当前多尺度耦合仍面临参数传递精度不足、计算效率低的挑战，需发展高效算法（如机器学习辅助参数映射）和标准化接口工具。此外，动态过程（如等离子体增强CVD）的跨尺度建模是未来重点。

本文为CVD研究者提供了全面的方法论参考，同时推动了多尺度模拟技术在材料科学中的交叉应用。