【摘要】：藍寶石是一種有著良好性能的人工晶體,在軍事光學材料、半導體襯底、智能手機上應用廣泛。泡生法是生長藍寶石晶體最主要的方法之一,本文主要運用Fluent數值模擬軟件,對泡生法生長藍寶石過程中的溫度場、流場及固液界面形狀進行模擬分析,研究了不同生產工藝及系統(tǒng)結構對晶體生長過程的影響。本文總結了藍寶石的生長理論,建立泡生法生長藍寶石過程的物理模型和數值模型,對晶體生長過程中放肩、等徑初期、等徑后期三個主要生長階段進行數值模擬研究。研究發(fā)現,在籽晶上方通水冷卻和坩堝周圍加熱器加熱作用下,三個階段系統(tǒng)內等溫線呈上高下低分布,熔體內的等溫線凸向坩堝底部分布,熔體沿坩堝壁面向上流動到固液界面中心位置后沿對稱軸中心向下流動,進而形成一個逆時針漩渦。隨著晶體生長過程的持續(xù),系統(tǒng)內的等溫線與熔體內漩渦中心向下移動,熔體內對流效應減弱,熔體內最大流速降低,晶體生長至等徑后期,熔體內最大流速的位置由對稱軸中心向坩堝側壁偏移。泡生法生長藍寶石過程中,工藝參數與熱場結構的選擇對晶體質量影響巨大。本文研究了放肩角、坩堝底部倒角半徑和側部與底部加熱器功率配比變化對于泡生法生長藍寶石系統(tǒng)內溫度場、流場、固液界面形狀的影響。研究發(fā)現:隨著放肩角度的減小,系統(tǒng)內的平均溫度降低,軸向溫度梯度增大,熔體內的最大流速減小,熔體對流效應減弱,固液界面的凸度隨之減小;隨著坩堝底部倒角半徑的增大,系統(tǒng)內的等溫線上移,熔體平均溫度升高,結晶前沿附近的最大流速降低,流場漩渦的形狀隨著坩堝底部倒角出現而變得圓滑,固液界面的凸度隨著坩堝倒角半徑的增大而減小,較小的凸度有利于保持自由界面的穩(wěn)定;減小側部與底部加熱器功率配比后,系統(tǒng)內的等溫線下移,固液界面附近的熔體徑向溫度降低,徑向溫度梯度減小,熔體內的最大流速降低,固液界面凸度增大。
[Abstract]:Sapphire is a kind of intraocular crystal with good performance, which is widely used in military optical materials, semiconductor substrates and smart phones. Bubble growth method is one of the most important methods for the growth of sapphire crystals. In this paper, the temperature field, flow field and solid-liquid interface shape of sapphire growth process are simulated and analyzed by Fluent numerical simulation software. The effects of different production processes and system structure on crystal growth were studied. In this paper, the growth theory of sapphire is summarized, and the physical and numerical models of the growth process of sapphire by bubble method are established. The three main growth stages of sapphire growth in the process of crystal growth, such as shoulder placement, initial equidiameters and late equidiameters, are studied numerically. It is found that under the action of water cooling above seed crystal and heating around crucible, the isotherms in the three stages are distributed up, down and down, and the isotherms in the melt protrude to the bottom of the crucible. The melt flows upward along the crucible wall to the center of the solid-liquid interface and then flows down along the center of the symmetry axis, thus forming an anticlockwise vortex. With the continuous growth of the crystal, the isotherm and the center of the vortex in the melt move downward, the convection effect in the melt weakens, the maximum velocity in the melt decreases, and the crystal grows to the late equidiameters. The position of the maximum velocity in the melt shifted from the center of the symmetry axis to the lateral wall of the crucible. The choice of process parameters and thermal field structure has a great influence on the crystal quality during the growth process of sapphire by bubbling method. In this paper, the effects of shoulder angle, bottom chamfer radius of crucible and power ratio of side to bottom heater on temperature field, flow field and solid-liquid interface shape of sapphire growth system are studied. It is found that with the decrease of shoulder angle, the average temperature in the system decreases, the axial temperature gradient increases, the maximum velocity in the melt decreases, the convection effect weakens, and the convexity of the solid-liquid interface decreases. With the increase of the chamfer radius at the bottom of the crucible, the isotherm of the system moves up, the average temperature of melt increases, the maximum velocity of flow near the crystallization front decreases, and the shape of the swirl becomes smooth with the appearance of the chamfer at the bottom of the crucible. The convexity of the solid-liquid interface decreases with the increase of the crucible chamfer radius, and the smaller crown is conducive to maintaining the stability of the free interface, and the isotherm line in the system moves down when the power ratio of the side part to the bottom heater is reduced. The radial temperature and radial temperature gradient of the melt near the solid-liquid interface decrease, the maximum velocity of flow in the melt decreases, and the convexity of the solid-liquid interface increases.
【學位授予單位】：河北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ164.2

【共引文獻】

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本文編號：2195413