MCVD热区-沉积区分析

1/4MCVD热区-沉积区分析一、沉积原理—热泳MCVD中沉积的主要原理是热泳力的作用，热泳的基本原理是：在温度梯度的作用下，悬浮粒子沿着温度降低的方向受到净力的作用。粒子的热泳速度VT可表示如下：VT=−KvT∆T（1）其中，v是动力学粘度，T是绝对温度，K是热泳系数。K=0.9最适合MCVD中的沉积。增加热泳过程中的温差∆T可提高热泳速度。MCVD沉积效率可近似表示为[1]ε=0.8[1−(TeTr)]（2）其中，Te为加热后气流与管壁的平衡温度，Tr为反应温度。为了提高沉积效率，可改变Te和Tr。对于特定的产品，其反应温度Tr是固定的，因此，降低平衡温度可达到提高沉积效率的目的。另外，沉积效率还与气体流量、流速有关。二、MCVD氢氧焰热区分布及对应沉积区1.SUZANNER.NAGEL等人的研究结果[1]MCVD氢氧焰热区分布示意图如图1，图2为对应温度场下的微粒运动轨迹示意图。2/4图1氢氧焰加热MCVD衬管内部温度场分布示意图图2对应温度场下的微粒运动轨迹示意图2．S．JOH等人的研究结果[2]：成分条件对应微粒生成效率对应微粒沉积效率最高温度/℃流量/L·min-1SiCl416001100%61%3100%66%537%89%19001100%57%3100%65%589%69%GeCl41600145%67%345%71%524%83%1900140%63%343%65%540%65%通入衬管内气体流量的不同会带来不同的结果：气体流量过小时，反应气体充满整个衬管，衬管中部生成的微粒容易被带出衬管；气体流量大，热区上游温度低，下游温度高，氧化反应主要发生在氢氧焰附近贴近管壁的位置，因此生成的微粒不易被带出管外，沉积效率相对较高。3/43.竺逸年的研究结果[3]：图3MCVD沉积过程示意图三、MCVD沉积过程分析：（1）温度分布：MCVD制棒过程中的热量传递是通过热传导和热辐射两种方式实现的，氢氧焰的热量依次传递给衬管和管内气体。衬管受到氢氧焰的加热，随之将热量向管内传递。因此，衬管截面方向的温度由管壁到衬管中轴逐渐降低，由此产生了指向衬管中轴的温度梯度，衬管轴向的温度在氢氧焰处最高，氢氧焰左右两侧温度较低。反应气体由氢氧焰左侧流向右侧，达到温度较高的反应区，反应气体转化为细小微粒。在氢氧焰右侧，衬管壁和带有细小微粒的气流的温度都下降，衬管导热性能差，温度下降速度快，而SiO2和GeO2的生成反应是放热反应，一定程度上延缓了气流的温度下降速度，以致在某点衬管壁的温度与气流温度相等，产生了一个等温点，如图3，即公式（2）中的Te。气流继续流动，产生了一个与反应区左侧反向的温度梯度。（2）沉积过程：在未到达氢氧焰位置处时，反应气体在温度梯度的作用下向中轴区迁移，迁移过程沿着等温线的法向。气体继续沿着轴向运动，到达反应区发生氧化4/4反应。带有SiO2和GeO2微粒的气流在等温点Te右方区域受到了反向温度梯度的作用，沿着等温线法向迁移至衬管内壁，SiO2和GeO2微粒即沉积在衬管内壁。此迁移过程即为热泳，微粒迁移的驱动力即为热泳力。（3）玻璃化过程沉积在衬管内壁的细小微粒，在随后到来的氢氧焰的高温下发生玻璃化反应，形成透明的玻璃。氢氧焰结束一个行程，即完成了一层的沉积、玻璃化工艺。（4）简要模型MCVD沉积效率可表示为ε=0.8[1−(TeTr)]提高沉积效率可通过降低Te实现，那么就需要迅速降低管壁或者气流的温度。MCVD沉积时，反应气体在气流上游受到指向中轴方向的热泳力而向衬管中心迁移，到达氢氧焰热区位置，在温度达到1600℃时，几乎所有氧化反应均可在1微秒内完成。反应生成的微粒在气流在作用下被吹离热区。离开热区的气流、微粒和衬管内壁形成了一个与上游反向的温度梯度，从而使得微粒受到一个指向管壁的热泳力，在此热泳力的作用下，微粒沉积在衬管内壁，形成沉积区，宽度大概150mm，沉积区与热区的距离50mm左右，沉积速度为0.3-1.5g/min。当氢氧焰继续移动，沉积在衬管内壁的微粒在高温下玻璃化。四、参考文献[1]SUZANNER.NAGEL,J.B.MAcCHESNEY,ANDKENNETHL.WALKER,AnOverviewoftheModifiedChemicalVaporDeposition(MCVD)ProcessandPerformance,IEEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS,VOL.QE-18,NO.4,APRIL,1982[2]S.JOH,ANDR.GRIEF,TheeffectsofSiCl4andGeCl4oxidation,variableproperties,buoyancyandtuberotationonthemodifiedchemicalvapordepositionprocess,Int.J.HeatMassTransfer.VOL38,NO.10,(1995)1911-1921[3]竺逸年,光纤预制棒（MCVD法）的工艺理论研究,光通信技术，1990年第二期