泡生法生長藍寶石

1、泡生法生長藍寶石的原理與應用趙業(yè)權教授v 泡生法(kyropoulos method)于1926年由kyropoulos發(fā)明，經過科研工作者八十年的不斷改造和完善，日前是解決晶體提拉法不能生產大晶體的最好方法之一。v 其晶體生長 的原理和技術特點是:將晶體原料放入耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處于稍高于熔點的狀態(tài);使籽晶桿上的籽晶接觸熔融液面，待其表面稍熔后，降低表面溫度至熔點，提拉并轉動籽晶桿，使熔體頂部處于過冷狀態(tài)而結晶于籽晶上，在不斷提拉的過程中，生長出圓柱狀晶體。v 泡生法與提拉法生長晶體在技術上的區(qū)別是: (l)晶體直徑在擴肩時前者的晶體直徑較大，可生長出200

2、mm以上直徑的藍寶石晶體，而后者則有些難度; （2）晶體方向前者對生長大尺寸、有方向性的藍寶石晶體擁有更大的優(yōu)勢;v( 3)晶體質量泡生法生長系統(tǒng)擁有適合藍寶石晶體生長的最佳溫度梯度。在生長的過程中或結束時，晶體不與坩堝接觸，大大減少了其應力，可獲得高質量的大晶體，其缺陷密度低于提拉法生長的晶體，v 晶體的生長過程是一個不斷的變溫過程，晶體內的每一個部分都將隨著溫度的升高或降低而趨于膨脹或收縮。但由于晶體內溫度梯度的存在，熱膨脹系數的各向異性，使得晶體內各個部分的膨脹或收縮相勻制約，不能自由的發(fā)生，導致熱應力的產生，由經典彈性理論，對柱狀晶體可推導出徑向，軸向的位移分量為:v 利用虎克定律，可

3、以求出晶體內的熱應力。我們可以判定晶體熱應力正比于熱膨脹系數，熱膨脹系數的各向異性，必將引起晶體內應力分布的不同。藍寶石晶體的熱膨脹系數具有各向異性的特點，隨著溫度的升高，而增大，在溫度1973K時。軸向大約為9. 4x10 -6/k,A軸向大約為8. 4x10 -6/k。為便v于計算，假設藍寶石的熱導率、彈性模量各向同性，即通過生長方向的對比，分析藍寶石熱膨脹系數的各向異性對晶體生長的影響，v 所示為晶體生長到一定位置時，熱應力Qm與晶體生長方向的對比關系。泡生法生長的晶體，在結晶界面、放肩、收尾及直徑發(fā)生突變的位置將具有較大的熱應力，最大熱應力總是出現(xiàn)在籽晶與新生晶體的界面區(qū)域。晶體最大熱

4、應力隨晶體生長方向和生長位置的變化關系。我們可以發(fā)現(xiàn)晶體內的熱應力強烈的依賴于晶體的生長方向，隨徑向熱膨脹系數的增大而增大。熱應力隨晶體生長過程的進行先增大，隨后逐漸減小。v 計算結果晶體中裂紋的起源位置、擴展方向比較吻合。分析認為，在通過調節(jié)熱交換器散熱能力進行晶體的引晶和放肩控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。在通過調節(jié)加熱溫度進行晶體等徑生長和冷卻控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨加熱溫度的降低而降低。另外，我們也可以看出，在籽晶新生晶體的界面區(qū)域，晶體外形不規(guī)則，直徑突變以及較高的缺陷濃度等也極易引起應力集中，造成裂 紋萌生v 綜合藍寶石計算結果晶體

5、中裂紋的起源位置、擴展方向比較吻合。分析認為，在通過調節(jié)熱交換器散熱能力進行晶體的引晶和放肩控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。在通過調節(jié)加熱溫度進行晶體等徑生長和冷卻控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨加熱溫度的降低而降低。v 另外，我們也可以看出，在籽晶新生晶體的界面區(qū)域，晶體外形不規(guī)則，直徑突變以及較高的缺陷濃度等也極易引起應力集中，造成裂 紋萌生,計算結果晶體中裂紋的起源位置、擴展方向比較吻合。分析認為，在通過調節(jié)熱交換器散熱能力進行晶體的引晶和放肩控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。v 在通過調節(jié)加熱溫度進行晶體等徑生

6、長和冷卻控制過程中，晶體內的溫度梯度、熱應力隨加熱溫度的降低而降低。另外，我們也可以看出，在籽晶新生晶體的界面區(qū)域，晶體外形不規(guī)則，直徑突變以及較高的缺陷濃度等也極易引起應力集中，造成裂 紋萌生格結構特點、結晶習性、熱性能等對晶體生長的影響，選擇a軸為生長方向。從上面的計算中我們知道。v 軸向較大的熱膨脹系數將引起較大的熱力，對提高晶體質量，防止晶體開裂較為不利。實驗中嘗試通過降低晶體生長、冷卻速率，減小放肩角等措施來抑制熱應力的不利影響，取得了較好的效果v 采用泡生法生長大直徑、高質量、尤色藍寶石 晶體的具體工藝如下:v 1. 將純凈的a-Al2o3 :原料裝入坩堝中。坩堝上方裝有可旋轉和升

7、降的提拉桿，桿的下端有一個籽晶夾具，在其上裝有一粒定向的無色藍寶石籽晶 v 2.將坩堝加熱到2 050以上，降低提拉桿，v使籽晶插入熔體中;v 3.控制 熔體的溫度，使液面溫度略高于熔點，v熔去少量籽晶以保證晶體能在清潔的籽晶表面上v生長;v 4.在實現(xiàn)籽晶與熔體充分沾潤后，使液面溫v度處于熔點，緩慢向上提拉和轉動籽晶桿;控制拉v速和轉速，籽晶逐漸長大;v 5.小心地調節(jié)加熱功率，使液面溫度等于熔v點，實現(xiàn)寶石晶體生長的縮頸一擴肩一等徑生長v一收尾全過程。 整個晶體生長裝置安放在一個外罩內，以便抽真空后充入惰性氣體，保持生長環(huán)境中需要的氣體和壓強。通過外罩上的窗日觀察晶體的生長情況，隨時調節(jié)溫度，保證生長過程正常進行。v體中的溫度梯度K，和K分別為熔體和晶體的熱導率;z為結晶潛熱;P為晶體密度。晶體最大生長速率取決于晶體中溫度梯度的大小要提高晶體的生長速率，必須加大溫度梯度。但溫度梯度過大，又會增加晶體的熱應力，增大位錯密度，甚至導致晶體開裂。v 因此，根據無色藍寶石單晶的熱導率等性質，建立合理的溫度梯度是生長完整單晶的前提。