蓝宝石晶体热性能的各向异性对SAPMAC法晶体生长的影响
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析1、简介蓝宝石（Al2O3）是一种很重要的单晶，因其出众的物理和化学特性，有很广泛的应用。
大尺寸、高质量蓝宝石在军事窗口材料领域占有优势。
然而，众所周知，位错是蓝宝石中非常重要且很常见的一种缺陷，会对蓝宝石的生长，特性和塑性形变产生重要的影响。
迄今为止，只有少数几种方法如热交换法（HEM），温度梯度法（TGT）等能够生产出大尺寸的蓝宝石。
然而，这些方法都因其生长方式而具有固有的位错特性，在本文中，我们基于直拉法和泡生法，发明出一种新的长晶方法：冷心放肩微量提拉法（SAPMAC），并通过化学蚀刻，电子显微镜扫描和伯格- 巴雷特X射线形貌探测等方法来研究蓝宝石的位错。
2、实验2.1 SAPMAC法生长蓝宝石单晶SAPMAC法是基于直拉法和泡生法而发明的一种生长大尺寸蓝宝石单晶的方法，通过使用一种Ikal-200改进型单晶生长炉，其中包含钼制坩锅，钨发热体和钼制隔热屏等。
钨发热体设计成鸟笼状，顶端焊接在具有水冷的铜电极上，通过调整发热体的电阻和水冷系统来建立合适的温度梯度。
在长晶开始前，需要先把钼坩埚空烧至1800°数个小时，用以排除坩埚表面杂质，从而减少污染。
把准备好的氧化铝颗粒块（纯度至少99.995％）装入坩埚中，把具有一定晶相的籽晶通过籽晶夹安装在热交换器底部。
把炉内抽真空至小于1.0×10-4Pa。
加热至熔化氧化铝原料并保持恒温数个小时。
缓慢降低溶液温度，旋转并下降籽晶至其几何中心接触溶液的冷心位置，进行引晶。
引晶结束后，通过微量提拉籽晶和降温来完成晶体生长过程中的扩肩、等径、退火等过程。
一些技术参数参见Table1。
2.2 样品制备蓝宝石单晶通过SAPMAC法生长，从晶锭不同的方位垂直的截取（0001）晶相的蓝宝石样品（10mm×10mm×2mm），所有的样品表面都经机械化学抛光（CMP）处理过。
2.3化学蚀刻和位错坑观察在熔化的KOH（320°）中进行化学蚀刻，蚀刻坑的数量通过光学显微镜来计算，位错坑通过SEM（S-3400N, Hitachi)来计算。
泡生法制备大尺寸蓝宝石单晶体
第３４卷第１期人工晶体学报ｖ。
１．３４Ｎｏ．１兰塑！生兰旦！Ｑ旦垦盟垒垦Ｑ！璺兰整！旦垦旦鱼堡垦！墨坠坠！！垒翌！旦！！兰塑！泡生法制备大尺寸蓝宝石单晶体韩杰才，左洪波，孟松鹤，张明福，姚泰，李长青，许承海，汪桂根（哈尔滨工业大学复合材料研究所，哈尔滨１５０００１）ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＬａｒｇｅＳｉｚｅＳａｐｐｈｉｒｅＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌｂｙＫｙｒｏｐｏｕｌｏｓＭｅｔｈｏｄＨＡＮＪ证一ｃ舐，ｚＵｏＨｏｎｇ与ｏ，ＭＥＮＧｓｏｎｇ—ｈｅ，ｚＨＡＮＧＭ流ｇ乒，ＹＡｏＴｎｉ，Ｕｍｏ昭－ｇｉ增，ｘＵ吼ｅ昭一＾口ｉ，黝ⅣＧＧｕｉ—ｇｅｎ（ＣｅｎｔｅｒｆｏｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ７ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）（胁ｅｉ删２９№６ｅｒ２００４，∞即耙ｄ４Ｄｅｃｍｋｒ２００４）蓝宝石单晶作为光学材料在紫外、可见和红外波段有宽的透射带及高的透射率，与许多其它光学窗口材料相比，有更好的机械性能和物理性能，如高硬度、高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、机械稳定性和显著的抗热冲击性能等。
这些光学与机械性质的组合使蓝宝石材料被用于一系列高科技的光电应用中。
刚玉单晶生长的高纯净、大尺寸化一直是科研工作者的研究方向。
泡生法是Ｋｙｍｐｏｕｌｏｓ于１９２６年首先提出并用于晶体的生长，后经前苏联的Ｍｕｓａｔｏｖ改进，将此方法首次应用于蓝宝石单晶的制备。
该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小１０～２０ｍｍ的尺寸。
其中热交换器可以完成籽晶的固定、晶体的转动，以及热交换器、籽晶和熔体之间热量的交换作用，在引晶阶段通过调节热交换器中冷却物质的流量可以精确控制炉内温度梯度，进而控制结晶速度。
因此热交换器在生长单晶过程中发挥着重要作用，是最重要的部件之一。
我们采用泡生法成功制备了尺寸达咖２２０ｍｍ×１５０ｍｍ，质量为１７．５ｋｇ的大尺寸蓝宝石单晶体。
蓝宝石的生长方法
2005年，韩杰才等[22]在对泡生法和提拉法改进的基础上发明了用于生长大尺寸蓝宝石单晶的方法：冷心放肩微量提拉(sapphire growth technique withmicro-pulling and shoulder-expanding at cooled center，SAPMAC)法。SAPMAC法的原理示意图及其生长的蓝宝石单晶见图6[23–24]。
SAPMAC法生长蓝宝石单晶的过程大致可分为[22,25]：真空条件下加热原料、引晶、冷心放肩、等径提拉、收尾和退火及冷却阶段。根据蓝宝石单晶生长的不同阶段特点，结合晶体的热物性能与温度的关系，对温场进行优化，选择1.0～5.0 mm/h的生长速率和10～30℃/h的降温速率进行蓝宝石单晶的生长。
SAPMAC法是对传统泡生法的改进，与传统泡生法相比，其特点为[22,25]：1)通过在“冷心位置”(与坩埚几何中心相对偏差不大于φ= 20.0 mm)处放肩，使得在整个结晶过程中，蓝宝石单晶的晶向遗传特性良好，即可保证高质量蓝宝石单晶的生长；2)通过高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整个结晶过程中无明显的温场扰动，产生缺陷的几率明显降低；3)在整个晶体生长过程中，晶体始终处于坩埚内，即一直处于热区，可精确控制其冷却速率，减少热应力；4)材料综合利用率是传统泡生法的1.2倍以上；5)在引晶和放肩阶段引入提拉机制，并通过合理的温场设计与工艺控制，保证在熔体冷心处引晶，克服了传统泡生法只能生长大直径，但高度较小的不足；6)在降温过程中，晶体可以实现原位退火，即可降低氧缺位，并可简化程序、节省能源。采用SAPMAC法生长出的蓝宝石单晶尺寸达φ240 mm × 210 mm[24]图6。
散热参数对冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体影响的数值模拟
第25卷第6期 硅 酸 盐 通 报 Vol .25 No .6 2006年12月 BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY December,2006 散热参数对冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体影响的数值模拟许承海,孟松鹤,韩杰才,左洪波,张明福,汪桂根,G .Benik(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨 150001)摘要:利用数值模拟分析的方法,研究了冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体过程中热交换器散热参数对晶体质量的影响趋势;分析了热交换器的散热参数变化对晶体生长的固液界面凸出率和晶体内温度分布、温度梯度的影响。
结果表明,热交换器的对流换热系数和工作流体的温度变化对晶体生长的固液界面突出率和温度梯度具有相似的影响效果;且在晶体长到一定尺寸后,只靠加大热交换器的散热热能力,不足使晶体继续生长。
关键词:散热参数;数值模拟;蓝宝石;冷心放肩微量提拉法Num er i ca l S i m ul a ti on of Hea t D issi pa ti on Param eters πEffect onSapph i re Cryst a l Growth w ith SAP M AC M ethodXU Cheng 2hai,M EN G S ong 2he,HAN J ie 2cai,ZUO Hong 2bo,ZHAN G M ing 2fu,WAN G Gui 2gen,G .B en ik(Center for Composite Materials,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )Abstract:Nu merical analysis was used t o si m ulate the sapphire crystal gr owth p r ocess with S AP MAC method .The influences of the heat dissi pati on para meters on the convexity of the s olid 2melt interface were analyzed .Te mperature distributi on and gradient of crystal inside are studied .The results show that ther mal convecti on coefficient of ther mal exchanger and te mperature change of cooling medium have si m ilar effects on the convexity of s olid 2liquid interface and te mperature gradient .A ls o,it is concluded that it isn’t sufficient for crystal continual gr owth if only the extracti on heat capacity of heat exchanger is enlarged when the crystal gr ows t o a certain size .Key words:heat dissi pati on para meters;numerical si m ulati on;sapphire;S AP MAC method作者简介:许承海(19782),男,博士研究生.从事S AP MAC 法大尺寸蓝宝石单晶生长与数值模拟分析方面的研究.E 2mail:hitxuchenghai@sina .com 蓝宝石(α2A l 2O 3)单晶是一种性能非常优异的晶体材料[1],近年来随着集成电路、铁电薄膜、超导薄膜和红外技术的迅速发展,对蓝宝石单晶材料提出了更高的要求,即尺寸大、质量高和成本低[2～4]。
蓝宝石晶体生长技术
整理课件
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Al2O3分子结 构
蓝宝石晶体结构图 （其中黑点为氧离子，白点为铝离子）
整理课件
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基本性质
蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六方 晶系，晶格参数a=b=0.4758nm，c=1.299 1 nm，α=β=90°， γ=120°。
蓝宝石单晶的透光范围为0.14-6.0μm，覆盖真空紫外、可见、 近红外到中红外波段，且在3-5μm波段具有很高的光学透过率；具 有高硬度(仅次于金刚石)、高强度、高热导率、高抗热冲击品质因 子的力学及热学性能；具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳定化学 性能；具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。
Ti:Al2O3激光器还应用于非线性物理、太赫兹产生、时间分辨光谱 学、频标计量学、多光子显微镜及生物医学成像等基础研究方面。
Ti:Al2O3激光器在军事与工程方面也应用广泛。如激光测距、光电 干扰、红外对抗、致盲武器等军事领域，以及激光通信、海洋探测、 大气环境监测、激光手术及微加工等诸多领域。
整理课件
（1）高温超导薄膜的衬底，如Tl系薄膜TlBa2Ca2Cu3Oy、 Tl2Ba2CaCu2O8；
（2）红外光学材料的衬底，如近红外材料的碲镉汞晶体(HgCdTe)， Ⅲ-Ⅴ族化合物的砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)，Ⅱ-Ⅵ 族化合物的硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化镉(CdTe)、氧化锌 (ZnO)、SiO2及金刚石等；
这些优良的光学、力学、热学、化学及电学性能决定了它在军事 及民用领域中的重要地位和作用。
整理课件
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（1）化学稳定性：蓝宝石具有高度的化学稳定性，在绝大多数 化学反应过程中不会被腐蚀。
（2）机械特性：蓝宝石单晶因其高硬度和高强度，可以在温度 范围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗 与高度的稳定性。同时是目前已知的硬度最高的氧化物晶体材料， 仅次于金刚石达莫氏9级。
蓝宝石晶体热性能的各向异性对SAPMAC法晶体生长的影响
第36卷第6期 人 工 晶 体 学 报V o.l 36 N o .62007年12月J OURNAL O F S YNTHET I C CRY STA LS D ece m ber ,2007蓝宝石晶体热性能的各向异性对S APMAC 法晶体生长的影响许承海,杜善义,孟松鹤,韩杰才,汪桂根,左洪波,张明福(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001)摘要:采用有限元法对冷心放肩微量提拉法蓝宝石晶体生长过程中晶体内的温度、应力分布进行了模拟计算,结合实验结果讨论了蓝宝石晶体热性能的各向异性对晶体生长的影响。
研究结果表明,对于冷心放肩微量提拉蓝宝石晶体生长系统,较大的轴向热导率有利于提高晶体的生长速率和界面稳定性,而稍大的径向热导率则有利于保持微凸的生长界面。
晶体内的热应力受径向热膨胀系数的影响显著,随着径向热膨胀系数的增大而增大,最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域。
在实验中选a 轴为结晶取向,成功生长出了直径达230mm 、高质量蓝宝石晶体。
关键词:各向异性;热性能;蓝宝石;冷心放肩微量提拉法中图分类号:O 782文献标识码:A文章编号:1000 985X (2007)06 1261 05E ffect of Sapphire Thermal Performance Anisotropyon Crystal Gro w th by S APMAC M ethodXU Cheng hai ,DU Shan y i ,ME NG Song he ,HAN J ie cai ,WANG G ui gen,ZUO H ong bo ,Z HANG M i n g fu(C enter for Co m positeM at eri a l s ,H arb i n Ins tit u te ofTechnol ogy ,H arb i n 150001,Ch i na)(R e ce i ved 17M arc h 2007)收稿日期:2007 03 17作者简介:许承海(1978 ),男,黑龙江省人,博士生。
泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究_杨琳
为了求解上述热应力方程，需对整体蓝 宝 石 炉 进 行 数 值
模拟，得到蓝宝石晶体中各点的温 度分 布。本 实 验 采 用 晶 体
生长专业模拟软件 ＣＧＳｉｍ，而该软件用于泡生法 蓝宝 石单晶 的生长模拟和实验 验 证 已 被 大 量 文 献 报 道 。 ［１０—１２］ 蓝 宝 石 炉
的数学模型采用 二 维 柱 坐 标 模 型，模 拟 计 算 中 考 虑 了 晶 体、
关键词 泡生法 蓝宝石单晶 数值模拟 固液界面 热应力 中 图 分 类 号 ：Ｏ７８２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ａｔ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｓｔａｇｅｓ ｉｎ Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ
等离子体物理学
ｇｏ ｔ ｙＳ ＭＡ ｔｏ 刊 ，中］ ８承海（ ｒｗ ｈｂ ＡＰ Ｃ ｍｅ ｄ［ ｈ ／ 哈尔滨 工业大学 复合材料与结构研 究所 ，哈尔滨 １０ ０ ） ５ ０ １，杜 善义 ，孟 松鹤 ， 韩 杰 才 ， 汪 桂 根 ，左 洪 波 ， 张 明 福 ∥人 工 晶体 学 报 ． ２０ ， 一 ０ ７
维普资讯
２０ ０ ８年 第 １ ４卷 第 ７期
中 国学 术 期刊 文 摘
４ １
关 键 词 ：５英 寸 ： 激 光 晶体 ：强 激 光 工 程 ： 固体 热 容激 光 器 ： 生 长 界 面
０００１ ８７３５ １ ０ ・５ ４ ０
ｍｅｈ ｄ ［ ，中］ 张 嗣春 （ ｔｏ 刊 ／ 宁波大 学光 电子 功能材料重 点实验 室， 宁波 ３ ５ １） 夏海平 ， １２ ， １ 王金浩 ， 张约品 ∥人工晶体学报 ． 一
一
７７ ４～ ７７ ７
ＴＣ１水 热合成纯 金红相和锐钛相 Ｔ Ｏ ｉ３ ｉ ２纳米晶体 ：Ｐ ｒ ｕｉ ｕｅ ｒｔｅ ｌ
ｎ ａ ｄ ａ ａ ａ ｅ Ｔｉ ｎ ｏｃ ｓａ ｓ ｓ ｔ ｅｓｚ ｄ ｎ Ｔｉ ３ｓ ｌ ｔｏｎｓｕｎ ｎ ｔ ｓ Ｏ２ｎａ ｙ ｒ ｔｌ ｙｎ ｈ ｉｅ Ｉ Ｃ１ ｏ ｕ ｉ —
３ （）— ２ ～ １ ６ ６ ６ ．—１ ６１ ２ ５
采 用 有 限 元 法 对 冷 心 放 肩 微 量 提 拉 法 蓝 宝 石 晶 体 生 长 过 程 中 晶体 内的温度 、应 力分布进行 了模拟 计算 ，结合实验结 果讨 论 了蓝 宝 石 晶体 热 性 能 的 各 向异 性 对 晶 体 生 长 的 影 响 ．研 究 结 果表 明，对于冷心放肩微量 提拉蓝宝石晶体生长系统 ，较 大的 轴 向热导率有利于提高 晶体 的生 长速 率和 界面稳定性，而稍 大 的径 向热 导率 则有利 于保 持微 凸的生长 界面． 晶体 内的热 应 力 受 径 向热 膨 胀 系 数 的 影 响 显 著 ，随 着 径 向热 膨 胀 系 数 的增 大 而 增 大 ，最 大 热 应 力 总 是 出 现 在 籽 晶与 新 生 晶 体 的 界 面 区 域 ． 在实验中选 ａ轴为结晶取 向，成功生 长出了直 径达 ２ ０ ｌｌ、 ３ ｎ ｎ 高 质 量 蓝 宝 石 晶 体 ． 图 ８参 ｌ ５ 关键 词：各 向异性 ；热性能 ：蓝宝石 ；冷 心放肩微量提拉法
热交换法生长蓝宝石晶体的研究
Ｇｕ ａ ｎ ｇ Ｄ ｏ ｎ ｇ Ｓ ａ ｉ ｆ ｅ ｉ Ｓ ａ ｐ ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｏ． ， Ｌ ｔ ｄ ，Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ Ｄｏ ｎ ｇ ５ １ ４ ０ ０ ０
Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ８ ９ ７ ２ ． ２ ０ １ ３ ． １ ９ 。 Ｏ １ ３
引言
蓝 宝 石 由 于具 有 极 好 的 热导 性 ， 电气 绝 缘 性 ，透 光 性 ，化学 稳 定性 ，以及 耐 高温 ，高 强 度 ，高 硬 度等 一 系列 优 良 的 特 性 ，被 广 泛 地 应 用 于 国 防 与 民 用 工 业 的 许 多领 域 ，蓝 宝石 单 晶其 红外 波 段的 透过 率 几乎 不 随温 度 而 变化 并 具 有和 玻 璃 匹配 封接 的 膨胀 系数 ，因而 蓝 宝石 晶体 是红 外 军 用装 置 、导 弹 、潜 艇 、卫 星 空 间技 术 、探测 和 高 功率 强激光 等 的 窗 口材料 ，优 质光 学 材料 ，耐 磨 轴承 材 料 等 。
碳 化硅 衬 底 ，硅衬 底 因技 术 不成 熟 ，碳 化硅 衬 底 因成 本太 高 ，都 无 法 推广 应 用 ，蓝 宝石 衬底 应 用量 超 过 了９ ５ ％，是 应 用最 广 、工艺 最完善 的Ｌ Ｅ Ｄ 衬 底材料 。
关键 词
热 交换 法 ；蓝 宝石 晶体 ；Ｈ ｅ 气
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｐ ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ①３ ８ ｏ ｍｍ ｘ２ ５ ｏ ｍｍ ｉ ｎ ｓ ｉ ｚ ｅ ａ ｎｄ １ １ ７ ． ６ ＫＧ ｉ ｎ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｈ ａ ｄ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｙ ｇ ｒ ｏ ｗｎ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ Ａ ａ ｘ ｉ ｓ ｂ ｙ ｍｅ ｎｓ ａ ｏ ｆ Ｈｅ ａ ｔ Ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ， ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｔ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｉ ｎ ｒａ ｆ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｓ 、 Ｋｎ ｏ ｏ ｐ ｈ ａ ｒ ｄ ｎ ｅ ｓ ｓ 、ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ｏ ｆ ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ、 ｄ ｉ ｓ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ 、 ｐｅ ａ ｋ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｈ ａ ｌ ｆ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｆ ｓ ａ ｐ ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｈ ａ ｄ ｂ ｅ ｅ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ，ｉ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｓ ａ ｐ ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｈ ｏ ｍｏ ｇ ｅ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ ｎ ｏ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ，ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ａ ８ ５ ％ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｔ ｔ ａ ｎｃ ｅ ｂ ｏ ｔ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｒａ ｆ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｓ ， ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ａ ｖ ｅ ｒ ｙ ｌ ｏ ｗ ｄ ｉ ｓ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｏ ｎ ｌ ｙ ６ ７ ７ ｐ ｉ ｔ ｓ ／ ｃ ｍ２ ，ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｒ ｙ
冷心放肩微量提拉法大尺寸蓝宝石单晶生长过程的模拟分析
第35卷第5期人工晶体学报V o.l35N o.5 2006年10月J OURNAL O F S YNTH ET IC CRYSTALS O ctober,2006冷心放肩微量提拉法大尺寸蓝宝石单晶生长过程的模拟分析许承海,左洪波,孟松鹤,姚泰,汪桂根,李长青,张明福(哈尔滨工业大学复合材料研究与结构所,哈尔滨150001)摘要:利用数值模拟方法计算了冷心放肩微量提拉法(SAP M AC)蓝宝石晶体生长过程。
结合晶体直径变化、裂纹出现位置与延续方向、晶体透明性等实验现象,通过与提拉法、温梯法、坩埚移动法等相对比,分析了冷心放肩微量提拉法晶体生长各阶段的工艺特点,并根据模拟计算结果对晶体生长系统和晶体生长控制工艺进行了改进。
分别利用增大热交换器的散热参数、降低加热温度、改进降温曲线、调节外加轴向和径向温度梯度的方式来实现对晶体生长的引晶、放肩、等径和收尾控制。
通过实验比较证明了改进后的晶体生长系统和晶体生长控制工艺能够生长出性能较好的大尺寸蓝宝石晶体。
关键词:晶体生长;数值模拟;蓝宝石;冷心放肩微量提拉法中图分类号:O78文献标识码:A文章编号:1000-985X(2006)05-0976-08 Si m ul ati on Analysis on the S APMAC C rystal G row th Processof Large Size SapphireXU Cheng-hai,ZUO H ong-bo,ME NG Song-he,Y AO Tai,WANG Gui-gen,LI Chang-qing,Z HANG M ing-fu(C enter for Co m positeM at eri a l s,H arb i n Ins tit u te ofTechnol ogy,H arb i n150001,Ch i na)(Receive d15M ay2006)Abst ract:The SAP MAC(sapphire gro w th techn i q ue w ith m icro-pu lli n g and shoulder at coo led center) process has i n vesti g ated by num erical si m ulati o n m ethod.The characteristics o f severa l different crysta l gro w th stages have been analyzed and co m pared w ith C zochra lsk im et h od,te m perature grad ient technique and bridg m an techn i q ue etc.Base on the resu lts o f si m ulation and techniques of different crystal gro w th stages,the syste m and contr o l techn iques of crysta l gro w th w ere i m proved;the conventi o na l SAP MACf u rnace w as m od ified w ith the heat d issipati o n para m eters i n creased,the heati ng te m perature decreased,the te m perature fa lling curve i m proved,the additional ax ial and rad i a l te m perature gradient adj u sted,so the neck i n g-do w n,shou l d er-ex tending,iso-d i a m eter and ta ili n g pr ocess of the crysta l g ro w th can be contro lled.The experi m ent resu lts testified that the gro w n crysta l has better qua lity and larger size by thei m pr oved syste m of crystal g r ow th and contro l techn i q ues.K ey w ords:crystal gro w th;num erical si m u lation;sapph ire;SAP MAC m ethod收稿日期:2006-05-15基金项目:国防科研基金作者简介:许承海(1978-),男,黑龙江省人,博士研究生。
蓝宝石晶体生长方法
一、蓝宝石生长1.1 蓝宝石生长方法1.1.1 焰熔法V erneuil (flame fusion)最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。
后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。
其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）合成装置与条件、过程焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶。
下图是焰熔生长原料及设备简图。
这个方法可以简述如下。
图中锤打机构的小锤7按一定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。
粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。
炉体4设有观察窗。
可由望远镜8观看结晶状况。
为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统原料：成分因合成品的不同而变化。
原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。
如果合成红宝石，则需要Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
三氧化二铝可由铝铵矾加热获得。
料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。
料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。
不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷
收稿日期：２０１９－０４－２２ 基金项目：国家自然科学基金项目 （１１８４７１２２）；河南省科技攻关计划项目（１８２１０２３１０８９５，１９２１０２２１００２７） 作者简介：王娇（１９８５—），女，河南三门峡人，讲师，博士，主要研究方向为功能材料。 通信作者：刘少辉（１９８６—），男，河南洛阳人，副教授，主要研究方向为功能材料，Ｅｍａｉｌ：ｑｑｌｉｕｓｈａｏｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ。
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｆｅｃｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｓａｐｐｈｉｒｅｖｉａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ
ＷＡＮＧ Ｊｉａｏ，ＬＩＵＳｈａｏｈｕｉ，ＺＨＡＯ Ｌｉｍｉｎ，ＨＡＯ Ｈａｏｓｈａｎ，ＣＨＥＮＧ Ｚｅｙｕ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ）
以硅和砷化镓为代表的传统半导体材料大大推动了电子信息技术的发展，给人们的生活带来了巨大的 变化。氮化镓（ＧａＮ）半导体材料具有禁带宽度大、介电常数小、热稳定性好、导热性能好、击穿电场高等优 点［４］，被人们广泛应用于航空航天、通信卫星、新型光源、探测仪器等领域。但 ＧａＮ与 Ｓｉ衬底之间存在着巨 大的晶格失配和热失配，很难在 Ｓｉ衬底上形成高质量的 ＧａＮ材料。蓝宝石晶体衬底与 ＧａＮ晶体具有同样 的结构，目前已经在蓝宝石外延出高质量的 ＧａＮ晶体材料，而 Ｃ面（０００１）的蓝宝石晶片成为最理想的 ＧａＮ 生长的衬底材料［５］。
第 ４期
王 娇，等：不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷
·５１·
方法均存在一定的缺点和局限，难以满足生长大尺寸、高质量、低成本蓝宝石晶体的需求。随着科学技术的 高速发展，市场对蓝宝石晶体材料的尺寸、性能也提出了新的要求。然而，从熔体中生长的晶体往往含有各 种类型的微观或宏观缺陷。本课题主要针对不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷进行研究，探讨晶体位错 缺陷密度、分布与晶体生长工艺之间的关系，并对相关机制进行阐述。
各向异性与晶体结构的物理特性
各向异性与晶体结构的物理特性在物理学领域中，晶体结构的物理特性是一个重要而有趣的研究领域。
晶体是由原子、分子或离子按照规则排列而形成的固体物质，而晶体的结构决定了它的物理性质。
而在晶体结构中，各向异性则是一个引人注目的现象。
本文将介绍各向异性与晶体结构的物理特性之间的关系和其影响。
各向异性是指物质在不同方向上具有不同的物理属性或响应行为。
具体而言，在晶体中，各向异性表示晶体的物理性质在不同晶向上具有差异。
这种差异可能体现在晶体的电学、热学、光学等方面。
这种现象的存在是由于晶体的结构决定了其原子排列的对称性，而对称性的差异导致了物理性质的差异。
在电学方面，各向异性可以表现为电导率的差异。
对于各向异性晶体而言，其电导率在不同方向上可以有明显的差异。
这是由于晶体中的电子在原子间的周期性势场中运动，与晶体中的结构相互作用产生电导。
而不同晶向上晶体的结构对电子的运动产生不同的约束，从而导致电导率的异向性。
另一方面，在光学方面，各向异性可以看做是不同的折射率。
折射率是光在介质中传播速度的度量，而各向异性晶体中的光传播速度在不同晶向上也有差异。
这是由于光在晶体中的传播是受晶格结构的约束的，而不同晶向上的晶格结构对光的传播产生不同的影响，从而导致了折射率的各向异性。
此外，各向异性还可以表现在晶体材料的热学特性中。
晶体材料的热传导性质在不同方向上也可以有差异。
这是由于晶体中的原子振动有助于热的传导，而晶体结构的周期性约束限制了原子振动的传播方式。
因此，不同晶向上晶体的热传导性质也会有所差异。
综上所述，各向异性与晶体结构的物理特性之间存在密切的关系。
晶体结构的对称性决定了各向异性的存在，而各向异性则影响了晶体的物理性质，如电导率、折射率和热导率等。
研究各向异性与晶体结构的相互关系对于理解晶体物理性质的本质和应用有着重要的意义。
然而，需要注意的是，晶体的各向异性并不一定都是明显的。
一些晶体可能在某些方向上具有高度的各向异性，而在其他方向上则可能较弱或接近各向同性。
蓝宝石晶体主要生长方法和研究现状
1 蓝宝石晶体的特质蓝宝石晶体是一种理想的晶体材料，具有良好的导热性、透光性、化学稳定性，且耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度，被广泛应用于抗高压器件、耐磨损器件、红外制导、导弹整流罩等太空、军事、科研等高科技领域[1]。
由于天然蓝宝石稀少，成本高以及化学成分不纯，因而不能被工业材料广泛使用，工业上大量应用的蓝宝石是人工合成。
本文对蓝宝石晶体的主要生长方法作了较详细介绍，综述了国内外的一些研究成果并讨论了目前存在的问题。
2 蓝宝石晶体主要生长方法2.1 坩埚下降法（VGF ）坩埚下降法的基本原理如图1所示，其生长过程为：将晶体生长的原料装入坩埚内，使其通过具有单向温度梯度的生长炉（温度上高下低），随着坩埚逐渐向下的连续运动，固液界面沿着与其运动相反的方向定向生长，熔体自下而上凝固，从而实现晶体生长过程的连续性。
坩埚形状对于是否能成功获得优质的单晶具有决定性的作用，通过设计合适的坩埚尖端形状，使得只有一个晶粒长大，终止其他晶粒的生长，以成功获得单晶，也可以在坩埚底部放置加工成一定形状和取向的籽晶，以实现单晶生长。
采用坩埚下降法生长出的晶体内应力及位错密度大，但由于坩埚密封，晶体不易被污染，纯度较高。
2.2 热交换法（HEM）热交换法应用于蓝宝石晶体生长最早在1970年，由Schmid 和Viechnicki 提出[2]。
美国Crystal Systems 公司的S.Frederick 等人[3]将热交换法用于蓝宝石晶体生长已有30多年的历史。
目前热交换法所生长的晶体直径可达430mm [4]。
热交换法的长晶原理为：在电阻加热炉底部装有热交换器，内有冷却氦气流过。
装有原料的坩埚置于热交换器的上方，籽晶放于坩埚底部中心处。
当坩埚里面的原料被加热熔化后，籽晶由于底部热交换器的冷却作用并未熔化，此时加大氦气流量，从熔体中带走的热量增加，籽晶逐渐长大，最后使坩埚内的熔体全部结晶。
生长过程中，固液界面处的温度梯度是晶体生长的驱动力，熔体的温度可通过调节石墨加热器的功率来改变，而晶体的热量可以调节通过氦气的流量带走。
泡生法生长蓝宝石
泡生法生长蓝宝石晶体1 引言无色蓝宝石(α- Al2O3)属六方晶系,最高工作温度可以达到1900 ℃。
目前以其特殊的物理化学性质、价格优势和晶体尺寸而成为光电子和微电子产业中用量最大的无机氧化物晶体材料,尤其是在本世纪的固体光源革命中,以蓝宝石为衬底的GaN基蓝绿光LED产业的大力发展,不断推动着对蓝宝石生长技术和晶体质量的研究。
此外,由于蓝宝石晶体易于获得大尺寸单晶,而且其热噪音仅为石英玻璃的1.9倍,模式因子Q比石英玻璃高两个数量级,故以蓝宝石晶体作为干涉仪光学介质将极大地提高光学灵敏度。
蓝宝石晶体已经被美国国家自然科学基金委员会作为L IGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中首选的光学材料。
因此高光学质量和大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍然是产业界探索和研究的热点内容之一。
2 蓝宝石晶体的生长技术蓝宝石晶体的合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法, 其中熔体法又可分为几种。
焰熔法生长的宝石晶体尺寸较小, 具有大量的镶嵌结构, 质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小, 且含有助熔剂阳离子, 质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性, 尺寸较大。
其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化, 然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却, 从而生长晶体。
由于降温的受控条件不同, 因此, 从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。
目前, 世界上主要的熔体法生长技术有4种晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。
本文着重报道的是利用泡生法生长无色蓝宝石晶体。
2.1 晶体提拉法晶体提拉法( cr ystal pulling metho d) 由J.Czochralski 于1918 年发明, 故又称 丘克拉斯基法 , 简称Cz 提拉法, 是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法, 能在短期内生长出高质量的单晶。
这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。
各项异性对单晶蓝宝石精密研磨的作用规律
各项异性对单晶蓝宝石精密研磨的作用规律
沈锋
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2010(000)024
【摘要】沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不尽相同,由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同,这就是晶体的各向异性.各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值.本文依据现代工业对蓝宝石晶圆的加工要求,系统对单晶蓝宝石4个面同时开展了单面机械研磨的试验研究,综合各工艺参数对研磨质量的影响,系统分析各向异性对研磨的影响.
【总页数】2页(P538,541)
【作者】沈锋
【作者单位】浙江工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TS93
【相关文献】
1.应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石
2.固结磨料研磨蓝宝石单晶过程中研磨液的作用
3.固结磨料研磨蓝宝石单晶的材料去除特性分析
4.单晶蓝宝石球罩的磁控研磨试验研究
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泡生法生长蓝宝石
❖ 晶体的生长过程是一个不断的变温过程， 晶体内的每一个部分都将随着温度的升高或 降低而趋于膨胀或收缩。但由于晶体内温度 梯度的存在，热膨胀系数的各向异性，使得 晶体内各个部分的膨胀或收缩相匀制约，不 能自由的发生，导致热应力的产生，由经典 弹性理论，对柱状晶体可推导出径向，轴向 的位移分量为:
❖ 因此，根据无色蓝宝石单晶的热导率等 性质，建立合理的温度梯度是生长完整单晶 的前提。
❖ 由此可见，选择合适的晶体生长方向是必要 ❖ 的。无色蓝宝石晶体的生长方向，结合建立的温度
梯度，生长出了高质量、大直径的单晶。
泡生法生长的高质量无色蓝宝石晶体通常可 ❖ 应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究 ❖ 领域，还可用于珠宝首饰行业。
❖ 泡生法与提拉法生长晶体在技术上的区别
是: (l)晶体直径在扩肩时前者的晶体直径较
大，可生长出200 mm以上直径的蓝宝石晶体， 而后者则有些难度; （2）晶体方向前者对生长大尺寸、有方向 性的蓝宝石晶体拥有更大的优势;
❖ ( 3)晶体质量泡生法生长系统拥有适合蓝宝石 晶体生长的最佳温度梯度。在生长的过程中 或结束时，晶体不与坩埚接触，大大减少了 其应力，可获得高质量的大晶体，其缺陷密 度低于提拉法生长的晶体，
❖ 5.小心地调节加热功率，使液面温度等于熔
❖ 点，实现宝石晶体生长的缩颈一扩肩一等径生长
❖ 一收尾全过程。 整个晶体生长装置安放在一个外罩 内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中 需要的气体和压强。通过外罩上的窗日观察晶体的 生长情况，随时调节温度，保证生长过程正常进行。
❖ 体中的温度梯度K，和K分别为熔体和晶体的 热导率;z为结晶潜热;P为晶体密度。晶体最 大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小要 提高晶体的生长速率，必须加大温度梯度。 但温度梯度过大，又会增加晶体的热应力， 增大位错密度，甚至导致晶体开裂。
泡生法蓝宝石晶体生长热场
泡生法蓝宝石晶体生长热场建立起合适的温场是泡生法生长大尺寸、高质量蓝宝石晶体的关键。
泡生法蓝宝石晶体生长系统的温场在轴向应该存在三个区域，即低温区、梯度区、高温区。
低温区：主要用于控制热量在晶体中输运的方向和快慢，同时对生长出的晶体进行退火以消除热应力，要求低温区的温度不能太低；对于大尺寸的蓝宝石晶体一般选择在对消除晶体应力、散射、缺陷最敏感的温度附近（一般选择在1700度以上）。
梯度区：是晶体生长的前沿，即固液界面所在的位置，晶体生长的驱动力就来源于该区的温度梯度造成的局部过冷，因而也是晶体生长最重要的区域。
温度梯度决定晶体的生长速度和生长界面形状，温度梯度大，热量输运速度快，晶体生长的速度快，界面稳定性好，抗扰动能力强。
高温区：主要用于原料的融化，为了保证原料的全部融化，高温区必须高于原料的熔点温度，且为了防止较大温度引起的强大对流，高温区内温差一般不大于20度，为了得到一定程度的凸界面生长，对于高温区的径向温度分布，既要有一定的径向温度梯度，又要求径向温度分布中心对称。
在生长大直径单晶时，加强低温区的保温，控制梯度区的温度梯度和高温区的过热温度，对保证晶体不开裂，生长界面温度与熔体不局部成核结晶极为重要。
热场设计是将加热体做成一定形状，隔热屏设计成一定结构，使下部发热电阻比上部发热电阻大，下部保温性能好，上部保温性能差，从而产生一个比较均匀，下高上低的轴向温度差；同时用过特殊装置控制坩埚底部散热，产生一个中间低，两侧高的径向温度差。
从35kg蓝宝石生长到50kg蓝宝石生长，投料量的增加，必然会使用直径大的热系统，以及大坩埚。
而热系统越大，其温度梯度越难控制。
所以建立新的能生长出高品质50kg蓝宝石的热场是关键。
蓝宝石生长更大程度依赖于生长炉和技术管控，当前各大长晶方式比拼的重点也在成本。
泡生法被一度卡在80kg级，并不是更大的晶体无法量产而是良率很难保证。
投入量产必将进一步降低蓝宝石厂家生产成本。
泡生法蓝宝石位错产生原因
泡生法蓝宝石位错产生原因
2011-08-07 19:41
泡生法生长的蓝宝石晶体位错密度在7. 6 × 101 ～8. 0 × 102 cm － 2 范围内，在晶体顶部(放肩位置)密度较大，在等径部位密度相对较小. 泡生法生长的蓝宝石晶体中的位错形成原因为:
1) 从籽晶继承下来的位错:在籽晶中存在的位错，可以延伸到生长的晶体中，即为位错的继承作用. 籽晶中的位错包括籽晶本身的位错，在籽晶加工时由于应力作用而产生的位错和在引晶过程中受到热冲击而产生的位错.
2) 热弹性应力场中的位错成核与增殖:SAPMAC 大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过控制系统内热量输运来控制整个晶体的生长过程，为了保证晶体能够稳定地生长，热场设计必须要具有适当的轴向和径向温度梯度，即保证适当的相变过冷度和热量输运条件. 温度梯度的存在必然会使晶体内部产生热应力，如果热应力值超过晶体材料的临界应力，位错将成核、增殖和延伸.
3) 渗透力作用下的位错成核与增殖:在高温下蓝宝石晶体的空位浓度很高，随着温度的下降，点缺陷的平衡浓度按指数律迅速下降. 如果晶体中没有足够的点缺陷尾闾，或是降温速率太快，就在晶体内形成过饱和点空位. 过饱和的点空位有聚集成片以降低系统吉布斯自由能的趋势. 当晶体中的空位片足够大时，两边晶体塌陷下来，在周围形成位错环.
4) 在SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石晶体过程中，固液界面浸没于熔体之中，各晶面受到的约束比较松弛，外界的轻微热波动或机械波动都会引起结晶过程中原子的错误排列，造成晶格畸变，形成位错源.。
蓝宝石晶体简介介绍
05
CATALOGUE
蓝宝石晶体发展趋势与挑战
蓝宝石晶体发展趋势与挑战
• 蓝宝石晶体是一种高硬度、高熔点的晶体材料，具有优异的物 理、化学和机械性能，被广泛应用于光学、电子、机械等领域 。
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镀膜
在蓝宝石晶体表面覆盖一层或多层金属或非金属薄膜，以改变其光学性能、增 强硬度或提高耐久性。镀膜可以提高蓝宝石晶体的附加值和应用范围。 状进行切割，以获得所需的外形 和光学性能。切割可以提高蓝宝 石晶体的利用率和附加值。
研磨
通过机械或化学方法，将蓝宝石 晶体表面磨削至所需形状和精度 。研磨可以提高蓝宝石晶体的光 学性能和外观质量。
蓝宝石晶体简介介 绍
目录
• 蓝宝石晶体概述 • 蓝宝石晶体生长 • 蓝宝石晶体加工与处理 • 蓝宝石晶体性能检测与评估 • 蓝宝石晶体发展趋势与挑战
01
CATALOGUE
蓝宝石晶体概述
蓝宝石晶体的定义
01
蓝宝石晶体是一种氧化铝(Al2O3) 的单晶体，也称为刚玉晶体。
02
蓝宝石晶体是由氧化铝单晶在一 定的物理化学条件下，经过长时 间的高温高压过程生长而成的。
质量。
热应力
由于温度变化引起的热应力可能会 使晶体产生裂纹或变形。
熔体流动
熔体流动可能会影响晶体的形状和 结构。
03
CATALOGUE
蓝宝石晶体加工与处理
蓝宝石晶体加工工艺
提拉法
将熔融的蓝宝石在籽晶上结晶， 通过控制温度和拉力，使晶体缓 慢生长。该方法可以生产高质量 、大尺寸的蓝宝石晶体，但成本
蓝宝石晶体质量评估
表面质量评估
通过观察蓝宝石晶体的表面质量，如是否有划痕、裂纹、杂质等， 可以对其质量进行评估。表面质量越好，晶体质量越高。
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第３６卷第６期 ２００７年１２月
人 工 晶 体 学报。
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＳＹＮＴＨＥ７ｎＣ ＣＲＹＳ７ｎ～ＬＳ
Ｖ０１．３６ Ｎｏ．６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００７
蓝宝石晶体热性能的各向异性对 ＳＡＰＭＡＣ法晶体生长的影响一
许承海，杜善义，孟松鹤，韩杰才，汪桂根，左洪波，张明福
（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨１５０００１）
（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １７肘ｎ砌２００７）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ
ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｕｒｉｎｇ ｉｔｓ ｇｒｏｗｔｈ ｗｉｔｈ ＳＡＰＭＡＣ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｅ ｔｈｅｒｍａｌ
长速率十分缓慢，晶体生长系统近似为稳态系统，在生长界面存在着热量平衡，即从熔体传人界面的热量与结
晶潜热之和等于由晶体传出的热量，晶体／熔体不同的热导率引起温度梯度在界面处发生突变。
图４所示为界面凸出率随晶体轴向、径向热导率
的变化关系。如图４所示，固液界面形状随晶体轴向
热导率的增大，逐渐由凹界面转变为凸界面；界面凸出
ｃｏｎｖｅｘｉｔｙ ｇｒｏｗｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＳＡＰＭＡＣ ｍｅｔｈｏｄ．％ｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｎｏｔａｂｌｙ ｂｙ ｒａｄｉａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｔ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｌｗａｙｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗｂｏｒｎ ｃｒｖｓｔａｌ．Ｉｎ ｔｈｅ
·
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ；ｔｈｅｒｍｏ—ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓａｐｐｈｉｒｅ；ＳＡＰＭＡＣ ｍｅｔｈｏｄ
收稿日期：２００７－０３—１７ 作者简介：许承海（１９７８－），男，黑龙江省人，博士生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｉｔｘｕｅｈｅｎｇｈａｉ＠ｓｉｎａ．ｅｏｌｌｌ 通讯作者：张明福，副教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｆｚｈａｎｇｌ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｅｎ
散热能力增强，晶体生长速率随之增大。在整个生长过程中，晶体不被提出坩埚，坩埚内壁以辐射的方式向晶
体内传输热量，成为晶体的热源；当晶体径向热导率较大时，将有更多的热量传递到晶体内部，降低了晶体的生
长速率。如图３所示，系统内的轴向温度梯度随轴向热导率Ａ。：的增加而增大，随径向热导率Ａ。。的增加而减
小。当晶体／熔体热导率不相同时，系统内的轴向温度梯度在界面处发生跃迁。其原因在于ＳＡＰＭＡＣ法晶体生
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｈｏｓｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ２３０ｒａｍ Ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ
ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａ ａｘｉｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．
ｏｎ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ＳＡＰＭＡＣ Ｍｅｔｈｏｄ
ＸＵ Ｃｈｅｎｇ—ｈａｉ，ＤＵ Ｓｈａｎ－ｙｉ，ＭＥＮＧ Ｓｏｎｇ—ｈｅ，ＨＡＮ Ｊｉｅ—ｃａｉ，ＷＡＮＧ Ｇｕｉ－ｇｅｎ，
ＺＵＯ Ｈｏｎｇ—ｂｏ，ＺＨＡＮＧ胧，皤缸
（Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃ，ｅ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｏｎ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ。Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｉｇｇｅｒ ａｘｉａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｌａｒｇｅｒ ｒａｄｉａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｓｌｉｇｈｔ
当温度高于１２７３Ｋ时，其热导率随温度变化较平缓，并且略有回升。当温度高于１２７３Ｋ时蓝宝石的热导率入
大约在３．５～６．５ Ｗ·ｍ～·Ｋ一范围，ｏ轴向略大于ｃ轴向。在本文计算中分别假设轴向或径向的热导率
为定值，即Ａ。：＝５．０ Ｗ·ｍ～·Ｋ－１或Ａ。。＝５．０ Ｗ·ｍ～·Ｋ～，分析另一方向热导率变化对晶体生长的影
ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ
的增大，界面中心区域的生长速率逐渐增大，界面也逐渐由凹界面转变为凸界面。当晶体径向热导率较大
时，将有更多的热量传递到界面中心区域，降低了该区域的生长速率，界面凸出率也随之降低。
３．２晶体热膨胀系数的各向异性
晶体的生长过程是一个不断的变温过程，晶体内的每一个部分都将随着温度的升高或降低而趋于膨胀
础上自行研制的，晶体生长系统简图如图１所示。
ＳＡＰＭＡＣ法的主要工艺流程为：将经过严格定向、低缺
陷密度的柱状蓝宝石籽晶利用籽晶夹固定于热交换器
底部；将纯度为５级的高纯氧化铝粉经预处理后，置于
坩埚内；系统密封抽真空至１０。Ｐａ，升温至熔化温度
２３２３Ｋ以上进行化料，保温２～５ｈ，以确保原料完全熔
化，熔体内的气泡完全驱除。温场稳定后，下降籽晶使 其末端与冷心接触。通过一定的工艺措施控制晶体生 长的引晶、放肩、等径、收尾和退火及冷却过程，实现晶 体生长。具体的工艺措施见参考文献［８］。依据文献
或收缩。但由于晶体内温度梯度的存在，热膨胀系数的各向异性，使得晶体内各个部分的膨胀或收缩相互制
万方数据
１２６４
人工晶体学报
第３６卷
约，不能自由的发生，导致热应力的产生。
由经典弹性理论［１１｜，对柱状晶体可推导出径向、轴向的位移分量为：
２—１百一’石 ａ２配 １ ａｕ Ｍ ａ２ｕ
１
ａｅ ２（１＋钉）
图１ 冷心放肩微量提拉法系统简图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｒｙｓｔＭ ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ＳＡＰＭＡＣ ｍｅｔｈｏｄ‘
［８］所述的晶体生长工艺，建立相应的数学模型∽ｏ。利用有限元法计算求解。
３ 结果与讨论
３．１热导率的各向异性
蓝宝石晶体是一种导热性能很好的晶体材料，其热导率随温度、晶向的变化而变化。Ｈａｒｒｉｓ¨刨根据其收
Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｍ
０．２０
Ｏ．２５
图２系统内的轴向温度分布
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｗｔｈ ｓｙｓｔｅｍ
图３系统内的轴向温度梯度分布
Ｔｈｅ Ｆｉｇ．３
ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｅｓ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｗｔｈ ｓｙｓｔｅｍ
通过调整热交换器的散热能力和加热系统所能提供的 坩埚外壁环境温度的方式控制。晶体轴向热导率较 小，界面中心区域的热量不易从已结晶的晶体释放，生 长速率较小，引起晶体凹界面生长；随晶体轴向热导率
图４界面凸出率随热导率的变化关系 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｘｉｔｙ
蓝宝石晶体结构为六方晶胞，物理化学性质稳定，表现为各向异性，其热导率、热膨胀系数，强度等性能 随温度、晶向的变化而变化。本文将根据冷心放肩微量提拉法蓝宝石晶体生长技术特点，探讨蓝宝石晶体各 向异性对晶体生长的影响，对晶体生长方向的选择，生长工艺、温场的设计具有重要的指导意义。
２ 过程分析与方法
本实验采用的实验设备是在Ｉｋａｌ－２２０型单晶炉基
万方数据
１２６２
人工晶体学报
第３６卷
１引
言
蓝宝石（仅一Ａ１：Ｏ，）又称白宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。其具有优异的光学性能、机 械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近２００００Ｃ高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用 于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料¨’２Ｊ。此外，其还可用于半导体ＧａＮ／Ａ１：Ｏ。二极管 （ＬＥＤ和ＬＤ）衬底材料，大规模集成电路Ｓ０１和ＳＯＳ的衬底材料及超导衬底材料，特种光学元器件材料，高 压材料等∞＇４］。近年来随红外技术、微电子、光电子技术的迅速发展，对蓝宝石单晶材料提出了更高的要求， 即大尺寸、高质量和低成本。目前能够用来生长光学级大尺寸蓝宝石晶体的方法仅有热交换法、温梯法和泡 生法等有限的几种，但是其晶体生长周期长，成本高，生长工艺较复杂＂’６１。本实验室早期主要从事泡生法 生长蓝宝石的研究，后在对泡生法和提拉法改进基础上发展了冷心放肩微量提拉法（ｓａｐｐｈｉｒｅ ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏ—ｐｕｌｌｉｎｇ ａｎａ ｓｈｏｕｌｄｅ卜ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ａｔ ｃｏｏｌｅｄ ｃｅｎｔｅｒ，ＳＡＰＭＡＣ）＂弗Ｊ。此方法主要特点是：冷心 放肩，保证了大尺寸晶体生长，晶向遗传特性良好；微量提拉，减少了温场扰动，使温场更均匀；晶体不被提拉 出坩埚，晶体内温差小，能够有效的减小热应力；选用水作为热交换器内的工作流体，晶体可以实现原位退 火。较其它方法更易保证晶体质量，缩短实验周期、降低成本。
力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域。在实验中选ａ轴为结晶取向，成功生长出了直径达２３０ｍｍ、高质量蓝 宝石晶体。