SAPMAC法大尺寸藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的模擬分析與應(yīng)用研究.pdf

1、藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的光學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)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(guó)防與民用工業(yè)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(chǎng)擾動(dòng)小，晶體內(nèi)溫差小，可原位退火和生長(zhǎng)周期短等優(yōu)點(diǎn)。但晶

2、體直徑難于控制、晶體易形成氣泡與開(kāi)裂等問(wèn)題亟待解決。基于此背景，本文開(kāi)展了以下幾方面的工作：
　　從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究SAPMAC法晶體生長(zhǎng)原理，藍(lán)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)熔體流動(dòng)狀態(tài)的調(diào)控、冷心的形成；SAPMAC法晶體生長(zhǎng)關(guān)鍵的控制因素是對(duì)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)熱量輸運(yùn)過(guò)程的調(diào)控，其可以通過(guò)

3、增加系統(tǒng)散熱和降低系統(tǒng)供熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；SAPMAC法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體內(nèi)主要含有位錯(cuò)、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(zhǎng)的物質(zhì)條件和工藝條件兩個(gè)方面的因素；物質(zhì)條件主要表現(xiàn)在晶體生長(zhǎng)設(shè)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(zhǎng)的溫場(chǎng)分布、固液界面形態(tài)與穩(wěn)定性、生長(zhǎng)速率和冷卻速率等方面。
　　建立用于反映SAPMAC法晶體生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)物理模型，應(yīng)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(zhǎng)速率等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，預(yù)報(bào)工藝參數(shù)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的溫場(chǎng)與工藝設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：隨熱交換器散熱能力的增加，晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)速率逐漸增大，加熱溫度愈接近結(jié)晶溫度，晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)熱系統(tǒng)附加適當(dāng)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?yàn)榫w生長(zhǎng)速率提供更大的調(diào)控空間。依據(jù)特定的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)，采用調(diào)節(jié)熱交換器散熱能力的方式進(jìn)行引晶和放肩階段控制、降低加熱溫度的方式進(jìn)行等徑和收尾階段控制，實(shí)施晶體生長(zhǎng)過(guò)程的分階段控制。
　　運(yùn)用負(fù)離子配位多面體生長(zhǎng)基元理論探討熔體法藍(lán)寶石晶體的結(jié)晶習(xí)性；并從藍(lán)寶石晶體的結(jié)晶習(xí)性、晶格結(jié)構(gòu)及晶體脆性等方面研究晶體生長(zhǎng)方向的選取原則。結(jié)果表明：熔體法藍(lán)寶石晶體各面的生長(zhǎng)速率滿足V{0001}

6、11-23}　　根據(jù)SAPMAC法晶體生長(zhǎng)工藝特點(diǎn)，研究晶體材料熱力學(xué)性能及其各向異性對(duì)晶體生長(zhǎng)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(dǎo)系數(shù)時(shí)，較小的熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)則有利于提高晶體的生長(zhǎng)速率；固相與液相具有不同

7、的熱傳導(dǎo)系數(shù)時(shí)，較大的固相熱傳導(dǎo)系數(shù)有利于降低晶體中的溫度梯度，較小的液相熱傳導(dǎo)系數(shù)有利于增大熔體中的溫度梯度；晶體熱傳導(dǎo)系數(shù)各向異性時(shí)，較大的軸向熱傳導(dǎo)系數(shù)，較小的徑向熱傳導(dǎo)系數(shù)有利于提高晶體的生長(zhǎng)速率和維持生長(zhǎng)界面穩(wěn)定；而稍大的徑向熱傳導(dǎo)系數(shù)則有利于保持微凸的生長(zhǎng)界面；晶體中熱應(yīng)力正比于熱膨脹系數(shù)，隨熱膨脹系數(shù)的增大而增大；對(duì)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(zhǎng)工藝特點(diǎn)，研究

8、晶體生長(zhǎng)工藝和溫場(chǎng)分布的尺寸效應(yīng)。結(jié)果表明：晶體直徑愈大晶體生長(zhǎng)愈難以控制，晶體質(zhì)量愈難以保證；生長(zhǎng)更大直徑晶體時(shí)，工藝措施的選擇、參數(shù)的確定，設(shè)備的控制精度和穩(wěn)定性皆需更進(jìn)一步；溫場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)用改進(jìn)了的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了的工藝技術(shù)，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：藍(lán)寶石晶體直徑220～240mm，重26.5～28.5kg，結(jié)晶完整，無(wú)明顯缺陷，紅外透過(guò)性良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文