SAPMAC法大尺寸藍寶石晶體生長的模擬分析與應用研究.pdf

1、藍寶石晶體具有優(yōu)異的光學性能、熱學性能和化學穩(wěn)定性，強度高、硬度大、耐沖刷等一系列優(yōu)良的特性，適合在惡劣條件下工作，因而在國防與民用工業(yè)的許多領域得到廣泛應用。
　　冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth technique with micro-pulling and shoulder-expanding at cooled center,SAPMAC)具有溫場擾動小，晶體內(nèi)溫差小，可原位退火和生長周期短等優(yōu)點。但晶

2、體直徑難于控制、晶體易形成氣泡與開裂等問題亟待解決。基于此背景，本文開展了以下幾方面的工作：
　　從理論和實驗兩個方面研究SAPMAC法晶體生長原理，藍寶石晶體缺陷引入原因和控制措施。結(jié)果表明：在保證H/DC<1的條件下，可以通過調(diào)控加熱溫度TI(坩堝外壁的環(huán)境溫度)、熔體的鉛直溫差TAd、熔體的水平溫差TRd實現(xiàn)對熔體流動狀態(tài)的調(diào)控、冷心的形成；SAPMAC法晶體生長關鍵的控制因素是對晶體生長系統(tǒng)內(nèi)熱量輸運過程的調(diào)控，其可以通過

3、增加系統(tǒng)散熱和降低系統(tǒng)供熱的方式來實現(xiàn)；SAPMAC法生長的藍寶石晶體內(nèi)主要含有位錯、鑲嵌結(jié)構(gòu)、色心、氣泡、包裹物及裂紋等缺陷，其引入原因可概括為晶體生長的物質(zhì)條件和工藝條件兩個方面的因素；物質(zhì)條件主要表現(xiàn)在晶體生長設備精度、有害雜質(zhì)和籽晶質(zhì)量等方面，工藝條件主要表現(xiàn)在晶體生長的溫場分布、固液界面形態(tài)與穩(wěn)定性、生長速率和冷卻速率等方面。
　　建立用于反映SAPMAC法晶體生長的數(shù)學物理模型，應用有限元法求解此模型，以晶體/熔體中的

4、溫度分布、溫度梯度、固液界面凸出率與穩(wěn)定性和生長速率等為評價指標，預報工藝參數(shù)對晶體生長的影響，進行晶體生長的溫場與工藝設計。結(jié)果表明：隨熱交換器散熱能力的增加，晶體生長速率逐漸減小，晶體/熔體中溫度梯度、固液界面凸出率隨之增大。隨加熱溫度的降低，晶體生長速率逐漸增大，加熱溫度愈接近結(jié)晶溫度，晶體生長速率變化率就愈劇烈；界面凸出率及晶體/熔體中溫度梯度隨之減小。晶體生長熱系統(tǒng)附加適當軸向和徑向溫度梯度能夠使界面位置的溫度梯度增大，晶體/

5、熔體中的溫度梯度降低；較大附加溫度梯度能夠為晶體生長速率提供更大的調(diào)控空間。依據(jù)特定的溫場設計，采用調(diào)節(jié)熱交換器散熱能力的方式進行引晶和放肩階段控制、降低加熱溫度的方式進行等徑和收尾階段控制，實施晶體生長過程的分階段控制。
　　運用負離子配位多面體生長基元理論探討熔體法藍寶石晶體的結(jié)晶習性；并從藍寶石晶體的結(jié)晶習性、晶格結(jié)構(gòu)及晶體脆性等方面研究晶體生長方向的選取原則。結(jié)果表明：熔體法藍寶石晶體各面的生長速率滿足V{0001}

6、11-23}　　根據(jù)SAPMAC法晶體生長工藝特點，研究晶體材料熱力學性能及其各向異性對晶體生長質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：固相與液相具有相同的熱傳導系數(shù)時，較小的熱傳導系數(shù)能夠有效降低晶體內(nèi)溫度梯度和界面凸出率，較大的熱傳導系數(shù)則有利于提高晶體的生長速率；固相與液相具有不同

7、的熱傳導系數(shù)時，較大的固相熱傳導系數(shù)有利于降低晶體中的溫度梯度，較小的液相熱傳導系數(shù)有利于增大熔體中的溫度梯度；晶體熱傳導系數(shù)各向異性時，較大的軸向熱傳導系數(shù)，較小的徑向熱傳導系數(shù)有利于提高晶體的生長速率和維持生長界面穩(wěn)定；而稍大的徑向熱傳導系數(shù)則有利于保持微凸的生長界面；晶體中熱應力正比于熱膨脹系數(shù)，隨熱膨脹系數(shù)的增大而增大；對于各向異性的晶體材料，尤以徑向熱膨脹系數(shù)的影響效果顯著。
　　根據(jù)SAPMAC法晶體生長工藝特點，研究

8、晶體生長工藝和溫場分布的尺寸效應。結(jié)果表明：晶體直徑愈大晶體生長愈難以控制，晶體質(zhì)量愈難以保證；生長更大直徑晶體時，工藝措施的選擇、參數(shù)的確定，設備的控制精度和穩(wěn)定性皆需更進一步；溫場設計應向增加軸向附加溫度梯度、減小徑向附加溫度梯度方向調(diào)整。
　　應用改進了的溫場設計，優(yōu)化了的工藝技術，進行晶體生長實驗。實驗表明：藍寶石晶體直徑220～240mm，重26.5～28.5kg，結(jié)晶完整，無明顯缺陷，紅外透過性良好。實驗結(jié)果驗證了本文