泡生法藍(lán)寶石晶體熱場研究分析.pdf

1、藍(lán)寶石晶體具有良好的機(jī)械性能、光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。藍(lán)寶石晶體在國防、半導(dǎo)體、集成電路等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。藍(lán)寶石晶體材料因?yàn)楝F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展提出新的要求。目前高品質(zhì)、低成本地生長大尺寸藍(lán)寶石晶體已成為科學(xué)研究新熱點(diǎn)。利用數(shù)值模擬技術(shù)獲取制備藍(lán)寶石的一些重要的信息，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定完整的藍(lán)寶石晶體生長所需求的條件，這樣可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約時(shí)間、降低成本、實(shí)現(xiàn)低能耗和提高晶體質(zhì)量的目的。
　　本文通過對(duì)多種藍(lán)寶石晶體生長方法進(jìn)行對(duì)

2、比，選擇對(duì)泡生法藍(lán)寶石晶體生長進(jìn)行重點(diǎn)研究。通過對(duì)藍(lán)寶石熱場設(shè)計(jì)，結(jié)合傳熱學(xué)和晶體生長學(xué)，構(gòu)建泡生法藍(lán)寶石晶體生長的熱場數(shù)學(xué)模型和晶體生長的物理模型，確定了晶體生長的邊界條件。通過Ansys對(duì)泡生法晶體生長的熱場溫度分布、生長工藝對(duì)晶體生長的影響、泡生法藍(lán)寶石晶體生長熱場優(yōu)化、晶體生長坩堝熱應(yīng)力分析進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體生長的熱場對(duì)藍(lán)寶石質(zhì)量有重要的影響。熱場溫度分布，確定了晶體生長溫度梯度，較大軸向溫度梯度可以

3、加快晶體生長速率，較大徑向溫度梯度有利于促進(jìn)微凸體形成，有利于晶體放肩。熱場設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致溫度梯度過大，會(huì)出現(xiàn)晶體內(nèi)熱應(yīng)力過大，出現(xiàn)晶體開裂、位錯(cuò)、粘鍋等缺陷，嚴(yán)重影響了藍(lán)寶石晶體的品質(zhì)。
　　研究還發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體生成還與生長晶體時(shí)工藝參數(shù)有關(guān)。通過對(duì)晶體生長過程中熱場進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析，對(duì)其影響因素通過控制變量法進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算得出晶體溫度分布情況。分析顯示:晶體溫度場與加熱溫度和熱交換器參數(shù)有關(guān);合理降低加熱溫度，減小熱交換器

4、液體溫度和增大換熱系數(shù)有利于晶體快速穩(wěn)定生長。
　　針對(duì)藍(lán)寶石單晶生長過程中因熱應(yīng)力集中坩堝使用壽命短問題，基于ANSYS有限元分析，對(duì)晶體熔化過程中的坩堝進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同情況下熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算得出晶體完全熔化后坩堝的熱應(yīng)力分布情況。分析顯示:最大熱應(yīng)力存在于坩堝與托盤結(jié)合處;在滿足晶體生長條件下，減緩升溫速度，減小溫度梯度，增大托桿中間空隙，改變托盤托桿材料等方法可以減小熱應(yīng)力。
　　最后，優(yōu)化了