藍(lán)寶石晶體生長方法概論-課程小論(編輯修改稿)
2025-02-04 10:45 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 不可克服，易產(chǎn)生晶體缺陷； 5) 機(jī)械擾動在生長大直徑晶體時(shí)容易使晶體產(chǎn)生缺陷。 導(dǎo)模法 (Edgedefined Filmfed Growth, EFG) 導(dǎo)模法 [6]生長晶體的原理如圖 8所示。將原料置于銥坩堝中，由射頻感應(yīng)加熱線圈加熱原料使之熔化，于坩堝中間放置一銥制 模具，利用毛細(xì)作用讓熔湯攤平于銥制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶種使之碰觸到薄膜，于是薄膜在晶種的端面上結(jié)晶成與晶種相同結(jié)構(gòu)的單晶。晶種再緩慢往上拉升，逐漸生長單晶。同時(shí)由坩堝中供應(yīng)熔湯補(bǔ)充薄膜，由于此薄膜之邊緣受到銥?zāi)Ｋ薅?，并扮演持續(xù)喂料以供晶體生長之用。 根據(jù)設(shè)備復(fù)雜程度、結(jié)晶裝置設(shè)計(jì)及自動過程控制，又可以把導(dǎo)模法細(xì)分為 3 類：用于拉制絲、棒、管等形狀藍(lán)寶石單晶的傳統(tǒng)導(dǎo)模法，用于生長具有旋轉(zhuǎn)軸且復(fù)雜空心狀藍(lán)寶石單晶的改進(jìn)導(dǎo)模法 (local dynamic shaping， LDS)技術(shù)以及用于生長超大 藍(lán)寶石窗口的導(dǎo)模法 [13]。導(dǎo)模法可直接從熔體中生長出片、絲、管、棒、板狀等晶體 。 7 圖 8 導(dǎo)模法 原理示意圖 熱交換法 (Heat Exchanger Method) 簡稱 HEM 法 [6]。熱交換法是一種為了生長大尺寸藍(lán)寶石而發(fā)明的晶體生長技術(shù)。 1970 年 Schmid 和 Viechnicki 首先運(yùn)用熱交換法生長出大塊的藍(lán)寶石晶體。其原理是利用熱交換器來帶走熱量，使得晶體生長區(qū)內(nèi)形成一下冷上熱的縱向溫度梯度，同時(shí)再藉由控制熱交換器內(nèi)氣體流量 (He 冷卻源 )的大小以及改變加熱功率的高低來控制此溫度梯度，借此 達(dá)成坩堝內(nèi)熔湯由下慢慢向上凝固成晶體 之目的，圖 9 a 所示為熱交換器法之原理示意圖。該方法主要特點(diǎn)： 1) 溫度梯度分布與重力場相反，坩堝、晶體和熱交換器皆不移動，晶體生長界面穩(wěn)定、無機(jī)械擾動、浮力對流小，消除了由于機(jī)械運(yùn)動而造成的晶體缺陷； 2) 晶體生長后仍保持在熱區(qū)，控制氦氣流量可使溫度由結(jié)晶溫度緩慢均勻降低，實(shí)現(xiàn)原位退火，減少晶體的熱應(yīng)力及由此產(chǎn)生的晶體開裂和位錯(cuò)等缺陷； 3) 固液界面處在熔體包裹中，熱擾動在到達(dá)固液界面之前可以被減小乃至排除，界面上可獲得均勻的溫度梯度； 4) 熱交換法最適合生長各種形狀和尺寸的藍(lán)寶石晶體 ； 5) 設(shè)備條件要求高，整個(gè)工藝復(fù)雜，晶體生長周期長、需要大量氦氣作冷卻劑，成本高。 熱交換法主要在美國得到應(yīng)用和發(fā)展，該工藝為美國 Crystal Systems 公司8 的專利技術(shù)。 Crystal Systems 公司用熱交換法生長藍(lán)寶石晶體已有 30 多年的歷史，代表了國際最高水平。 Chandra 等人利用熱交換先后生長出了直徑為￠200mm、￠ 340mm 和￠ 380mm 徑高比為 2:1 的高質(zhì)量晶體，如圖 9b、 c 所示，并希望最終能夠生長出直徑為￠ 750mm 的光學(xué)級藍(lán)寶石晶體。 (a) 單晶爐示意圖； (b) 藍(lán)寶石晶 體 ￠ 380mm； (c) 藍(lán)寶石晶體 ￠ 340mm 圖 9 熱交換法 溫度梯度法 溫度梯度法 (Temperature gradient technique, TGT)是由我國 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 周永宗等 [7]于 1980 年首先實(shí)現(xiàn)的一種以定向籽晶誘導(dǎo)單晶生長的垂直溫度梯度法。 溫度梯度法 是以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體單結(jié)晶方法。包括放置在簡單鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的坩堝、發(fā)熱體和屏蔽裝置，圖 10 是裝置簡圖。本裝置采用镅坩堝、石墨發(fā)熱體。坩堝底部中心有一籽晶槽，避免耔晶在化料時(shí)被熔化掉。為了增加坩堝穩(wěn)定性，籽 晶槽固定在定位棒的圓形凹槽內(nèi)。溫場由石墨發(fā)熱體和冷卻裝置共同提供。發(fā)熱體為被上下槽割成矩形波狀的板條通電回路的圓筒，整個(gè)圓筒安裝在與水冷電極相連的石墨電極板上。板條上半部按一定規(guī)律打孔，以調(diào)節(jié)發(fā)熱電阻使其通電后自上而下造成近乎線性溫差。而發(fā)熱體下半9 部溫差通過石墨發(fā)熱體與水冷電極板的傳導(dǎo)來創(chuàng)造。籽晶附近的溫場還要依靠與水冷坩堝桿的熱傳導(dǎo)共同提供。 1. Heat shields； 2. Heat element； 3. Crucibl
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