藍(lán)寶石晶體生長中氣泡及熱應(yīng)力的數(shù)值模擬研究.pdf

1、高質(zhì)量的藍(lán)寶石單晶廣泛應(yīng)用于光學(xué)和微電子領(lǐng)域,尤其是用作高亮度GaN基發(fā)光二極管(LED)的外延基片材料。LED市場的迅猛發(fā)展,要求生長出大尺寸、高質(zhì)量、性能穩(wěn)定的藍(lán)寶石晶體,這就對藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)提出了更高要求。由于傳統(tǒng)的長晶實(shí)驗(yàn)周期長、成本高,因此計算機(jī)模擬成為了解和改進(jìn)晶體生長技術(shù)的重要工具,為實(shí)驗(yàn)研究提供了有效的指導(dǎo)與補(bǔ)充。
　　 本文結(jié)合傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基本方程,建立了直拉法、泡生法及坩堝下降法藍(lán)寶石單晶生長的數(shù)學(xué)

2、物理模型,并利用CGSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬研究了不同生長參數(shù)及幾何參數(shù)對晶體中的熱應(yīng)力及熔體對流的影響,并分析了晶體開裂和氣泡等宏觀缺陷的產(chǎn)生及相應(yīng)的解決措施,得出以下結(jié)論:
　　 (1)在直拉法藍(lán)寶石生長中,采用后加熱器及增加頂部保溫層厚度會對晶體中的熱應(yīng)力分布及熔體對流產(chǎn)生影響。模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用后加熱器后,晶體頭部的熱應(yīng)力降低,熔體對流形態(tài)發(fā)生變化,由兩個方向相反的旋渦,變?yōu)橹淮嬖谝粋€沿坩堝側(cè)壁向上,并在坩堝中心向

3、下的大旋渦,有利于將氣泡或雜質(zhì)帶至邊緣排出;而隨著頂部保溫層厚度的增加,晶體頭部的熱應(yīng)力降低,熔體中靠近固/液界面處新出現(xiàn)了一個小旋渦,造成氣泡或雜質(zhì)被再次帶進(jìn)熔體。
　　 (2)對泡生法藍(lán)寶石生長各階段進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn),晶體中最大熱應(yīng)力總是位于靠近固/液界面的晶體邊緣,其次位于籽晶與新生晶體交界處。對于某一特定生長階段,晶體中的熱應(yīng)力和固/液界面形狀受加熱器位置和坩堝形狀的影響顯著。隨著加熱器與坩堝高度中心的相對距離L的增加,晶

4、體中沿固/液界面的熱應(yīng)力先減后增,存在一個加熱器的最佳位置,此時熱應(yīng)力最小;隨著坩堝底部倒角半徑R的增加,晶體中沿固/液界面的熱應(yīng)力增加,固/液界面凸出度減小,有利于晶體中氣泡及雜質(zhì)等的排出。
　　 (3)在坩堝下降法藍(lán)寶石生長中,晶體與熔體中的溫度分布、熔體對流及固/液界面形狀受坩堝底部錐角θ的影響很大。隨著坩堝底部錐角的減小,熔體對流變得有序,固/液界面中心部位變得平坦而在邊緣部位略向下凸,避免了氣泡與雜質(zhì)在此富集,同時晶體