泡生法大尺寸蓝宝石单晶生长研究

发布时间：2017-09-27 17:20

  本文关键词：泡生法大尺寸蓝宝石单晶生长研究

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【摘要】：由于蓝宝石晶体(α-Al2O3)优异的物理、化学性能,使其成为LED衬底、高端手表、智能手表和可穿戴电子产品屏幕的首选材料。随着LED和消费性电子市场的快速发展,对大尺寸、高质量的蓝宝石晶体的需求越来越迫切。因此,开展对大尺寸、高质量的蓝宝石晶体生长工艺的研究具有重大的实际应用价值。本论文研究了泡生法蓝宝石晶体生长工艺,对蓝宝石单晶进行了表征。实际生产过程中发现目前采用60kg级单晶炉生长的晶体存在四个问题:开裂率高;晶体肩部、底部和中心存在气泡;晶体下部回熔多;晶体径向尺寸偏小。我们实验发现采取以下两个措施可有效解决60kg晶体下部回熔和底部云雾状气泡问题:(1)将加热体5、6号横杆下移至7号横杆位;(2)加大等径中后期晶体增长速率,减小晶体收尾阶段增长量。通过蓝宝石单晶模拟软件CGSim对60kg温场建模,分析了其容易开裂,肩部气泡,中心束状延伸气泡问题的原因:(1)60kg温场生长的晶体在放肩阶段生长角度过小,且形状不规则,不利于熔体中气泡排出;(2)放肩阶段熔体流动混乱,产生了三个漩涡,使熔体中气泡不易排出,固液结晶面温度不稳定,导致晶体开裂。基于对现有问题和市场发展趋势分析,确定了增大晶体尺寸的温场优化方向。针对以上问题我们更新设计了温场,相对于60kg温场,其温场径向尺寸增加40mm;放肩阶段固液界面所形成的生长角度为45°,熔体中心气泡易于排出;放肩阶段,熔体流动规则,有利于固液界面稳定。使用红外测温仪和铂铑丝热电偶在退火过程中对晶体进行测温,发现泡生法生长晶体降温规律,是一个前期慢,中后期逐渐变快,后期极快的过程。针对泡生法生长晶体降温特点,结合蓝宝石特性,提出三段式退火程序。有效解决了晶体应力大、易开裂等问题,缩短了晶体生长周期。正在搭建引晶观测系统,该系统可使引晶台阶得以量化分析,保证引晶质量,同时降低产业界对引晶工艺人员的依赖,简化泡生法生长晶体操作。
【关键词】：晶体学 蓝宝石晶体 泡生法 晶体生长
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O782
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 蓝宝石晶体性质10-12
• 1.2 蓝宝石晶体应用及前景12-14
• 1.2.1 LED和SOS中衬底材料12
• 1.2.2 电脑手机等可穿戴电子设备屏幕12-13
• 1.2.3 其他应用13-14
• 1.3 蓝宝石晶体生长方法简介14-18
• 1.3.1 维尔纳叶14-15
• 1.3.2 热交换法15-16
• 1.3.3 导模法16
• 1.3.4 直拉法16-17
• 1.3.5 泡生法17-18
• 第2章 晶体缺陷及检测18-21
• 2.1 开裂18-19
• 2.2 包裹物19
• 2.3 晶界19-20
• 2.4 位错20-21
• 第3章 晶体生长实验21-29
• 3.1 实验设备、材料21-23
• 3.1.1 水电气真空等环境形成21
• 3.1.2 提拉、旋转和称重等系统21-23
• 3.1.3 温场23
• 3.2 实验23-29
• 3.2.1 清洁与装配23-24
• 3.2.2 装料24
• 3.2.3 开启冷却水和真空系统24-25
• 3.2.4 升温25
• 3.2.5 引晶25-27
• 3.2.6 放肩、等径27
• 3.2.7 收尾27-28
• 3.2.8 退火28-29
• 第4章 60kg级蓝宝石单晶29-37
• 4.1 晶体加工与检测29-31
• 4.1.1 初步加工29-30
• 4.1.2 结果30-31
• 4.2 主要问题31-34
• 4.2.1 开裂31-32
• 4.2.2 气泡32-33
• 4.2.3 下部回熔33
• 4.2.4 尺寸偏小33-34
• 4.3 解决方案34-37
• 第5章 晶体生长模拟37-45
• 5.1 泡生法晶体生长的数学物理模型37-39
• 5.2 CGSim简介39
• 5.3 模拟结果分析39-42
• 5.3.1 晶体固液面分析40
• 5.3.2 熔体流动分析40-42
• 5.4 实验结果42-45
• 5.4.1 晶体加工42
• 5.4.2 性能检测42-45
• 第6章 退火研究45-49
• 6.1 红外测温45-46
• 6.2 热电偶测温46-49
• 第7章 结论与正在进行的工作49-53
• 7.1 结论49-50
• 7.2 正在进行的工作50-53
• 7.2.1 CMOS工业相机51-52
• 7.2.2 镜头52
• 7.2.3 实验52-53
• 参考文献53-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士期间的研究成果56

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本文编号：930945