泡生法生長藍(lán)寶石

1、泡生法生長藍(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 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，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)動籽晶桿，使熔體頂部處于過冷狀態(tài)而結(jié)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(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）晶體方向前者對生長大尺寸、有方向性的藍(lán)寶石晶體擁有更大的優(yōu)勢;v( 3)晶體質(zhì)量泡生法生長系統(tǒng)擁有適合藍(lán)寶石晶體生長的最佳溫度梯度。在生長的過程中或結(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的晶體，v 晶體的生長過程是一個(gè)不斷的變溫過程，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，即通過生長方向的對比，分析藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)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(shí)，熱應(yīng)力Qm與晶體生長方向的對比關(guān)系。泡生法生長的晶體，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)力隨晶體生長方向和生長位置的變化關(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)力隨晶體生長過程的進(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。在通過調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生長和冷卻控制過程中，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。在通過調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生長和冷卻控制過程中，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 在通過調(diào)節(jié)加熱溫度進(jìn)行晶體等徑生

6、長和冷卻控制過程中，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、熱性能等對晶體生長的影響，選擇a軸為生長方向。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，對提高晶體質(zhì)量，防止晶體開裂較為不利。實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(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;v 4.在實(shí)現(xiàn)籽晶與熔體充分沾潤后，使液面溫v度處于熔點(diǎn)，緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動籽晶桿;控制拉v速和轉(zhuǎn)速，籽晶逐漸長大;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)寶石晶體生長的縮頸一擴(kuò)肩一等徑生長v一收尾全過程。 整個(gè)晶體生長裝置安放在一個(gè)外罩內(nèi)，以便抽真空后充入惰性氣體，保持生長環(huán)境中需要的氣體和壓強(qiáng)。通過外罩上的窗日觀察晶體的生長情況，隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度，保證生長過程正常進(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(yīng)力，增大位錯密度，甚至導(dǎo)致晶體開裂。v 因此，根據(jù)無色藍(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完整單晶的前提。