泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石

1、泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石的原理與應(yīng)用趙業(yè)權(quán)教授v 泡生法(kyropoulos method)于1926年由kyropoulos發(fā)明，經(jīng)過(guò)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(chǎn)大晶體的最好方法之一。v 其晶體生長(zhǎng) 的原理和技術(shù)特點(diǎn)是:將晶體原料放入耐高溫的坩堝中加熱熔化，調(diào)整爐內(nèi)溫度場(chǎng)，使熔體上部處于稍高于熔點(diǎn)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(diǎn)，提拉并轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿，使熔體頂部處于過(guò)冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，在不斷提拉的過(guò)程中，生長(zhǎng)出圓柱狀晶體。v 泡生法與提拉法生長(zhǎng)晶體在技術(shù)上的區(qū)別是: (l)晶體直徑在擴(kuò)肩時(shí)前者的晶體直徑較大，可生長(zhǎng)出200

2、mm以上直徑的藍(lán)寶石晶體，而后者則有些難度; （2）晶體方向前者對(duì)生長(zhǎng)大尺寸、有方向性的藍(lán)寶石晶體擁有更大的優(yōu)勢(shì);v( 3)晶體質(zhì)量泡生法生長(zhǎng)系統(tǒng)擁有適合藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的最佳溫度梯度。在生長(zhǎng)的過(guò)程中或結(jié)束時(shí)，晶體不與坩堝接觸，大大減少了其應(yīng)力，可獲得高質(zhì)量的大晶體，其缺陷密度低于提拉法生長(zhǎng)的晶體，v 晶體的生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)不斷的變溫過(guò)程，晶體內(nèi)的每一個(gè)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(nèi)溫度梯度的存在，熱膨脹系數(shù)的各向異性，使得晶體內(nèi)各個(gè)部分的膨脹或收縮相勻制約，不能自由的發(fā)生，導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，由經(jīng)典彈性理論，對(duì)柱狀晶體可推導(dǎo)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(nèi)的熱應(yīng)力。我們可以判定晶體熱應(yīng)力正比于熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)的各向異性，必將引起晶體內(nèi)應(yīng)力分布的不同。藍(lán)寶石晶體的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)，隨著溫度的升高，而增大，在溫度1973K時(shí)。軸向大約為9. 4x10 -6/k,A軸向大約為8. 4x10 -6/k。為便v于計(jì)算，假設(shè)藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率、彈性模量各向同性，即通過(guò)生長(zhǎng)方向的對(duì)比，分析藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)的各向異性對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，v 所示為晶體生長(zhǎng)到一定位置時(shí)，熱應(yīng)力Qm與晶體生長(zhǎng)方向的對(duì)比關(guān)系。泡生法生長(zhǎng)的晶體，在結(jié)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(yīng)力，最大熱應(yīng)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(yīng)力隨晶體生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)位置的變化關(guān)系。我們可以發(fā)現(xiàn)晶體內(nèi)的熱應(yīng)力強(qiáng)烈的依賴于晶體的生長(zhǎng)方向，隨徑向熱膨脹系數(shù)的增大而增大。熱應(yīng)力隨晶體生長(zhǎng)過(guò)程的進(jìn)行先增大，隨后逐漸減小。v 計(jì)算結(jié)果晶體中裂紋的起源位置、擴(kuò)展方向比較吻合。分析認(rèn)為，在通過(guò)調(diào)節(jié)熱交換器散熱能力進(jìn)行晶體的引晶和放肩控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。在通過(guò)調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生長(zhǎng)和冷卻控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)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(yīng)力集中，造成裂 紋萌生v 綜合藍(lán)寶石計(jì)算結(jié)果晶體

5、中裂紋的起源位置、擴(kuò)展方向比較吻合。分析認(rèn)為，在通過(guò)調(diào)節(jié)熱交換器散熱能力進(jìn)行晶體的引晶和放肩控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。在通過(guò)調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生長(zhǎng)和冷卻控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)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(yīng)力集中，造成裂 紋萌生,計(jì)算結(jié)果晶體中裂紋的起源位置、擴(kuò)展方向比較吻合。分析認(rèn)為，在通過(guò)調(diào)節(jié)熱交換器散熱能力進(jìn)行晶體的引晶和放肩控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)力隨熱交換器散熱能力的增大而增大。v 在通過(guò)調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生

6、長(zhǎng)和冷卻控制過(guò)程中，晶體內(nèi)的溫度梯度、熱應(yīng)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(yīng)力集中，造成裂 紋萌生格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)晶習(xí)性、熱性能等對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，選擇a軸為生長(zhǎng)方向。從上面的計(jì)算中我們知道。v 軸向較大的熱膨脹系數(shù)將引起較大的熱力，對(duì)提高晶體質(zhì)量，防止晶體開(kāi)裂較為不利。實(shí)驗(yàn)中嘗試通過(guò)降低晶體生長(zhǎng)、冷卻速率，減小放肩角等措施來(lái)抑制熱應(yīng)力的不利影響，取得了較好的效果v 采用泡生法生長(zhǎng)大直徑、高質(zhì)量、尤色藍(lán)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(zhuǎn)和升

7、降的提拉桿，桿的下端有一個(gè)籽晶夾具，在其上裝有一粒定向的無(wú)色藍(lán)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(diǎn)，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(zhǎng);v 4.在實(shí)現(xiàn)籽晶與熔體充分沾潤(rùn)后，使液面溫v度處于熔點(diǎn)，緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿;控制拉v速和轉(zhuǎn)速，籽晶逐漸長(zhǎng)大;v 5.小心地調(diào)節(jié)加熱功率，使液面溫度等于熔v點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)寶石晶體生長(zhǎng)的縮頸一擴(kuò)肩一等徑生長(zhǎng)v一收尾全過(guò)程。 整個(gè)晶體生長(zhǎng)裝置安放在一個(gè)外罩內(nèi)，以便抽真空后充入惰性氣體，保持生長(zhǎng)環(huán)境中需要的氣體和壓強(qiáng)。通過(guò)外罩上的窗日觀察晶體的生長(zhǎng)情況，隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度，保證生長(zhǎng)過(guò)程正常進(jìn)行。v體中的溫度梯度K，和K分別為熔體和晶體的熱導(dǎo)率;z為結(jié)晶潛熱;P為晶體密度。晶體最大生長(zhǎng)速率取決于晶體中溫度梯度的大小要提高晶體的生長(zhǎng)速率，必須加大溫度梯度。但溫度梯度過(guò)大，又會(huì)增加晶體的熱應(yīng)力，增大位錯(cuò)密度，甚至導(dǎo)致晶體開(kāi)裂。v 因此，根據(jù)無(wú)色藍(lán)寶石單晶的熱導(dǎo)率等性質(zhì)，建立合理的溫度梯度是生長(zhǎng)完整單晶的前提。