基于泡生法的大尺寸蓝宝石晶体生长热场分析探讨

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论文字数:34455 论文编号:sb2022021719204643647 日期:2022-02-22 来源:硕博论文网
本文是一篇机械论文,本文研究的泡生法长晶的热场模型,采用的是简化模型,期间也对边界条件进行了理想假设,认为在整个的研究过程中,坩埚内的晶体和熔体都是处于热平衡状态,注重的是晶体的宏观和热力学条件,并没有考虑晶胞的结构变化和周围环境(如抽真空带走的热量、壳体与外界交换的热量等)对晶体生长的影响。在长晶工艺上依旧延续过去的技术,故针对泡生法长晶提出一些建议与展望。

第 1 章  绪论

1.1  引言
蓝宝石晶体并非传统意义上的装扮饰物,自人工制晶具有可行性后,它已能达成大尺寸、高质量的生产,为其在多个领域的广泛应用做了铺垫。蓝宝石晶体因其晶格稳定,较难破坏,故外在体现为极其优良的物理化学性质,可在高温高压的苛刻环境下长期使用,且极难发生物理形变或化学反应。
在光电领域,目前蓝宝石单晶主要用于 GaN 基光电器件和蓝宝石硅的激光衬底。此外也可用于军用光电设备上的观察窗口,此外,蓝宝石晶片也可用于耐磨手表面和工业轴承,如美国的苹果公司从 2014 年开始,先后就在 iPhone5S、iWatch 手表等使用蓝宝石作为玻璃屏幕,其公司正有计划地将蓝宝石,利用其更良好的密封性、抗震性和耐磨特点,投入更多的便携式移动设备中[1]。
目前市面上的多种生产大尺寸且质量优良的长晶方法,包括泡生法、冷心放肩微量提拉法(SAPMAC 法)、导模法和热交换法。本文主要针对目前占有市场率最大的长晶法(泡生法),研究生长大尺寸单晶的热场,改善影响大尺寸晶体制备质量的重要影响因素,如位错、开裂、包裹物等晶体缺陷,提高制备晶体质量和生产效率。
分析研究大重量蓝宝石晶体生长热场,一来因为晶体生长周期漫长,仿真可缩短验证时间并提供理论数据,减少不必要的前期投入,同样在后期试生产时,也可反过来验证理论数据的合理性;二来,晶体生长理论大多雷同,研究泡生法长晶热场亦可为其他材料晶体生长提供理论参考。
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1.2 蓝宝石晶体性质
观察图 1-1 形态结构示意可得,晶胞结构属于六方晶系,图中采用六角点阵表示。其中粉色圆圈代表????????????????3+,蓝色圆圈代表????????2−。晶格常数为:a=4.75Å,c=12.97 Å,c/a=2.73  Å[6](Å 为长度单位,音译为埃,尺寸约为纳米的十分之一),原子间以共价键的形式排列,从微观上来说,六角星系结构稳定,共价键键不易断裂,决定了其外在性能优异。现进行逐一详细介绍。
(1)物理性能
蓝宝石晶体硬度大,耐磨质脆。高熔点(2323.15K)、高沸点(3773.15K),可在极端高温下工作。高纯度透亮蓝宝石晶片红外全波段透光率可达 80%,高温辐照亦无可见着色。
(2)化学性能 因共价键的断裂所需能量更大,且晶胞结构稳定,故晶体较难在常温常压下与其他物质结合生成新物质,亦难实现相态转变。其只在 300℃以上可与弱酸、弱碱反应。
(3)电学性能
蓝宝石在室温下表现电绝缘性[6],电阻率可达每厘米 1011欧姆,在 60 赫兹频率下测试介电强度,被击穿时,单位厚度可承受电压为 4.8×105伏特,高温下,介电常数值还能继续增加。在蓝宝石常用晶向(r 向、c 向、a 向)检测介质损耗正切角(即为获取给定储蓄电荷所要消耗的能量),在 25℃和高频震荡(106Hz)的前提下测得,垂直于 c 向的数值为 3×10-5,平行于 c 轴的则为 8.6×10-5,介质损耗值愈小,说明绝缘性越优良。
(4)机械性能
半径为 0.127cm 的细丝的扯断强度为 2.5×104 kg/c????????2,发生单位弹性应变所需的体积应力为 4.75×106(±1%)kg/c????????2,材料压缩至破裂时,所能承受最大压缩强度为 3.15×104 kg/c????????2,承受复杂应力(即挠曲强度)的数值为 7.1×103 kg/c????????2。
机械论文参考
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第 2 章  泡生法长晶原理、晶体缺陷分析及工艺流程

2.1 引言
晶体生长理论具有共同性,除材料不同外,其内在规律总是雷同,研究晶体生长,从生产角度而言,是为了更好的服务长晶质量和尺寸的需求,亦可为更多材料的制备提供建议与参考。
从微观角度来讲,无数晶胞的堆积形成宏观上的物质。人工生产蓝宝石晶体至今已有百年,客观而言,区别只在于方法理论的迭代更替。关于长晶,已有前人从不同角度,如长晶习性、结晶习性、晶向选择、晶体缺陷、温度场分布、涡流旋向及个数、上下侧保温屏距坩埚位置及厚度、加热体距坩埚位置、保温材料等等方面,进行了分析与仿真。关于长晶,针对不同的尺寸、重量,方法也五花八门,只不过有些方法在不断优化改良,有些则经过时间和市场的选择被淘汰,也有新的理论方法不断涌现。人工制造蓝宝石晶体已是拥有较成熟的产业链,但并不代表它已经达到了无可挑剔的顶峰,随着市场需求的不断变化,对于它的要求,如尺寸、质量、重量等等,也在不断推陈出新。自然而然,对于晶体的生长理论和技术仍要继续深入探索,以期可实现降低成本、增大尺寸、提高质量的要求。
本章节会对泡生法工艺流程进行详细介绍,并指出各阶段工艺操作应当留意的注意事项,介绍常出现的晶体缺陷种类,最后简要介绍常用生长晶向,从理论角度给出改善热场环境和提高成品质量的建议。
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2.2 泡生法长晶工艺流程
结合前人大量总结和在实际操作过程中工人师傅经验,现对各阶段工艺流程进行简单介绍并提出一些实际操作建议。图 2-1 为泡生法长晶流程图。
机械论文怎么写
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2.2.1 化料及前期准备
准备工作,即前期准备,机器启动前的状态检测、长晶炉膛的彻底清洗,籽晶与籽晶杆的绑定、装料、密封炉膛、启动机器等。
使用炉体前,要对炉体各部分,包括真空系统、水冷系统、提拉系统和电源柜控制系统等,进行预防性检测。确保装置完好无损,线路连接正确,检查窥视孔玻璃是否可能清晰观察内部环境。检查保温屏使用状况,是否到达使用上限等等。在对籽晶固定于提拉杆前要使用乙醇对籽晶及其相关设备进行彻底擦洗;炉体高压开启一段时间后,要将坩埚隔热屏及其坩埚口隔热屏取出,若其上存在氧化现象,要及时更换。彻底清理炉膛内的灰尘后
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第 3 章  泡生法热场的模型建立................................... 17
3.1 晶体炉设备实物介绍....................................... 17
3.1.1 长晶室............................................ 17
3.1.2 提拉称重系统....................................... 18
第 4 章  200KG 泡生法晶体热场分析 ........................................ 27
4.1 基于 ANSYS 模拟仿真温度场 ...................................... 27
4.1.1 ANSYS 分析流程 ...................................... 27
4.1.2 建立炉体模型............................................... 27
第 5 章  工艺参数对等径初期长晶的影响................................... 35
5.1 结构工艺改变对等径初期长晶的影响.................................. 35
5.1.1 上侧保温屏厚度调整.................................... 35
5.1.2 下侧保温屏厚度调整..................................... 36

第 5 章  工艺参数对等径初期长晶的影响

5.1 结构工艺改变对等径初期长晶的影响
结构工艺的改变多是在炉体设计阶段,结构的改变相比于工艺参数的调节,对晶体生长的影响更为显著,通过改变热场部件的形状就可实现温度场分布的调整。目前改变方式包括改变坩埚形状、加热器编织形式、移动加热器、保温屏距坩埚位置、更换保温屏材质等几种方式。
本文将讨论保温屏对晶体生长的影响,保温屏在炉体内的作用更多是提供附加温度梯度,加热功率的改变影响内温度分布,而保温屏可延缓温度改变对长晶的影响,减少固-液界面处温度波冲击,从而避免热应力集中。对于通过分别改变上、下、侧面的保温屏厚度来对比影响程度,可为大型炉体设计提供建议。在改变结构尺寸时,要满足晶体最底端温度不得超过凝固温度值(2323 K),否则高温会使得晶体回熔,故在针对 L-B200 型泡生炉进行的结构尺寸改变,只能是微量调整。
5.1.1 上侧保温屏厚度调整
上侧保温屏放置于钨坩埚之上,以厚度为 2~3mm 的钨圆盘隔开,阻隔高温氧化产生的污染。在实际使用过程中,薄片钼盘(厚度为 1~1.5mm)可堆积成圆柱形或同心但内部开口直径均匀降低的形状(其剖面成梯形)。在热场仿真时因叠加间隙过小,故常忽略不计薄片与薄片间热反射产生的热量,而将其视作一个整体来考虑。
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第 6 章  结论与展望

6.1 结论
(1)从物理、化学、机械和电能等方面详细描述了蓝宝石晶体的性质;详细列举了现有的制备大型晶体的方法并简要总结该方法的优缺点;介绍了目前蓝宝石在市场上的主流应用。
(2)从宏观和微观的角度对泡生法蓝宝石晶体的长晶原理、生长过程中可能存在的晶体缺陷和工艺流程进行阐述。展示蓝宝石晶体微观的晶元细胞,因其各向异性和材料“基元”堆积特性,总结出最适宜生长晶向;结合工人师傅经验和大量文献资料,阐述了泡生法长晶流程、不同阶段的长晶特点、各阶段因操作不当易出现的晶体缺陷;针对晶体缺陷,总结有代表性的解决措施。
(3)针对 LJ-B200 型泡生法晶体炉,简单枚举了设备各系统的技术参数(包括真空系统、水冷系统、长晶室、电源柜和提拉称重系统),从数学角度描述了炉体模型和温度场边界条件;在不影响主体计算结果的原则前提,忽略炉体真空、水冷、电控和提拉系统,简化炉体模型,并从热量传播的角度介绍真空密闭环境下,长晶室内各部件之间的热传递方式;根据 AutoCAD 给出的二维模型,使用Solidworks 软件搭建三维炉体模型;并推导温度场数学模型,给出热场边界的数学公式,并对仿真的晶体炉设备进行介绍,列举出主要材料的热物理属性。仿真针对 LJ-B200 型泡生炉,根据热场能量守恒、动量守恒和质量守恒三大定律推算出泡生炉热场的数学模型,并由具体的边界布置,给出热边界方程式;文中借鉴了 Brandon 等人在所研究范畴中采用的材料参数,列出了主要材料的热物理参数值。
(4)基于 ANSYS Workbench 软件对长晶室模型加载边界条件,给出引晶、等径初期的温度云图、流场图和融化凝固云图。使用 Solidworks 搭建炉体模型,使用 Geometry 模块搭建炉体的二维模型,划分网格并导入 fluid flow(Fluent)进行进一步分析,涉及到的模块包括能量模块、DO 辐射模块、融化凝固模块和重力模块;由仿真结果可得在任意长晶阶段,温度场满足坩埚中心温度低,外壁温度高,上侧温度低,下侧温度高的特点时,且坩埚直径大于熔液高度的情况下,在任意二维水平面均能形成流向相反沿坩埚中心自下而上的涡流环;引晶阶段因熔液在湍流状态激烈且温度高的情况下与晶棒接触易致使位错蔓延,进入等径生长阶段易发生温度高致界面翻转和温度低致长晶过快的情况。
参考文献(略)

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