陳 靖，程宏昌，吳玲玲，馮 劉，牛 森，苗 壯

?

加熱器結(jié)構(gòu)及工藝對(duì)藍(lán)寶石襯底應(yīng)力的影響研究

陳 靖1,2，程宏昌1，吳玲玲1,2，馮 劉1，牛 森1，苗 壯1

（1. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為了研究真空系統(tǒng)中被加熱的藍(lán)寶石襯底應(yīng)力的變化，利用有限元分析方法，借助ANSYS Workbench軟件仿真了溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的加熱器及加熱工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。用多圈鎢絲螺旋結(jié)構(gòu)外加拋物面釜的加熱器，并改變工作電流，將200℃下溫度差異由41.13℃降低至2.33℃，使厚度為2mm、直徑40mm的藍(lán)寶石襯底整個(gè)圓面內(nèi)的應(yīng)力差異由2.11MPa減小為1.56MPa，應(yīng)力差異減小了26.1%。結(jié)果表明，采用多圈鎢絲螺旋結(jié)構(gòu)外加拋物面釜可獲得高均勻性的加熱器溫度場(chǎng)，且當(dāng)工作電流為12A時(shí)，加熱的藍(lán)寶石襯底整個(gè)表面應(yīng)力分布均勻。并采用藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果對(duì)真空系統(tǒng)中被加熱的其它材料如GaAs、InGaAs、GaN、Si、石英玻璃等應(yīng)力分析研究具有一定的借鑒意義。

加熱器；藍(lán)寶石襯底；襯底應(yīng)力；溫度場(chǎng)均勻性；有限元；應(yīng)力仿真

0 引言

紫外探測(cè)技術(shù)逐漸成為繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后的重要的軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。美國(guó)斯坦福大學(xué)、美國(guó)西北大學(xué)、日本濱松公司的研究結(jié)果均證明基于NEA的GaN光電陰極作為紫外探測(cè)器件具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和潛力[1-3]。GaN光電陰極材料具有寬直接帶隙以及很好的穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的使用壽命[4-5]。在紫外探測(cè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

由于GaN材料在自然界中無(wú)法直接獲取，需要經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)人工合成獲得。制備GaN材料的方法很多，主要為：金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、溶劑熱法和溶膠—凝膠法[6-8]。在許多制備方法的復(fù)雜的生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)溫度都是對(duì)最終材料的質(zhì)量起決定作用的關(guān)鍵參數(shù)[6-8]。不同的加熱方式的溫度場(chǎng)均勻性是有差異的，加熱的不均勻會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力增大，熱應(yīng)力增加會(huì)導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底中的應(yīng)力發(fā)生變化，從而影響GaN光電陰極材料質(zhì)量。有報(bào)道針對(duì)泡生法生長(zhǎng)過程的晶體中的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，并針對(duì)某一生長(zhǎng)階段討論了加熱器位置及坩堝形狀對(duì)晶體中熱應(yīng)力的影響，為生長(zhǎng)高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體提供優(yōu)化指導(dǎo)[9]。但是制備GaN光電陰極時(shí)藍(lán)寶石襯底在真空系統(tǒng)加熱過程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布及變化情況研究至今尚未見公開報(bào)道。本文擬采用有限元分析方法，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的加熱器和工作電流進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬研究，獲得了溫度分布均勻的加熱器及加熱工藝，為降低藍(lán)寶石襯底加熱過程中的應(yīng)力提供技術(shù)支撐。

1 兩種結(jié)構(gòu)的加熱器

兩種結(jié)構(gòu)的加熱器分別如圖1和圖2所示。A加熱器的釜是直筒結(jié)構(gòu)，底部?jī)?nèi)外圓角半徑均為10mm。釜上放置一個(gè)材料同為鉭的環(huán)狀支撐架，材質(zhì)為鎢的環(huán)形電阻絲伸入釜內(nèi)，該加熱器加工工藝簡(jiǎn)單。通過給電阻絲通電生熱，當(dāng)真空度達(dá)到＝1×10－8Pa時(shí)，內(nèi)部分子極少，熱傳遞的方式?jīng)]有對(duì)流，只有輻射和傳導(dǎo)。

圖1 A加熱器的整體結(jié)構(gòu)示意圖

B加熱器如圖2所示，釜內(nèi)底為拋物面結(jié)構(gòu)，電阻絲繞制為盤狀，置于拋物面的焦平面上。其材質(zhì)、長(zhǎng)度、加熱方式、使用環(huán)境等均與A加熱器相同。

圖2 B加熱器的整體結(jié)構(gòu)示意圖

藍(lán)寶石襯底被加熱時(shí)，放置在釜的開口上，并與釜上的支撐架沿有寬度為0.25mm的接觸。由于襯底與支撐架間由傳導(dǎo)發(fā)生的熱傳遞很小，為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，只考慮加熱器對(duì)藍(lán)寶石產(chǎn)生的熱輻射。

2 溫度場(chǎng)的計(jì)算

上述兩種結(jié)構(gòu)加熱器的溫度分布和熱流量隨時(shí)間變化，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)熱學(xué)分析。首先，需要計(jì)算對(duì)電阻絲通電后產(chǎn)生的熱量。因歐姆效應(yīng)產(chǎn)生的熱能為：

式中：為電流；為電阻絲的長(zhǎng)度；為電阻絲的半徑，＝0.15mm；為電阻絲的電阻值，＝/，其中為電阻絲截面積。已知承載電流＝15A，電阻絲材料為鎢，通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算得到＝145.45mm，最終計(jì)算得到電阻絲的熱能為1.69×108W/mm3。

3 用兩種加熱器加熱得到的襯底溫度場(chǎng)仿真

分別用上述兩種加熱器對(duì)藍(lán)寶石襯底加熱過程的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。仿真時(shí)，首先將在SolidWorks中設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS Workbench中，再將計(jì)算得到的電阻絲的熱能1.69×108W/mm3及釜直徑55mm、鎢絲半徑＝0.15mm、長(zhǎng)度＝145.45mm及鎢絲電阻率＝0.0532W×m等加載到結(jié)構(gòu)中，得到的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。

為了驗(yàn)證加熱器輻射溫度場(chǎng)分布，在其上方放置直徑為40mm、厚度為2mm的藍(lán)寶石晶元，并采用晶元的溫度場(chǎng)分布來表征，得到的溫度分布如圖3所示。

圖3 兩種加熱器中藍(lán)寶石襯底的溫度場(chǎng)分布

圖3中的灰度柱狀圖表示藍(lán)寶石晶元的溫度變化范圍?？梢钥闯觯篈加熱器中的電阻絲通電30s后，藍(lán)寶石襯底最高溫度與最低溫度分別為223.59℃和182.46℃，溫差高達(dá)41.13℃；B加熱器中電阻絲通電僅需4.85s，藍(lán)寶石襯底的溫度就已經(jīng)達(dá)到了200℃左右，加熱速度明顯提高。最高溫度和最低溫度分別為220.88℃和218.5℃，溫差很小，僅為2.38℃，獲得的溫度場(chǎng)的均勻性相比A加熱器有顯著改善，為下一步提高應(yīng)力場(chǎng)的均勻性提供了基礎(chǔ)。

4 用兩種加熱器加熱得到的襯底應(yīng)力仿真

襯底應(yīng)力的分布通常用熱-應(yīng)力耦合場(chǎng)的分布進(jìn)行表征。熱-應(yīng)力耦合場(chǎng)能夠反映溫度的不同對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。因此，溫度場(chǎng)仿真分析之后，需要將獲得的溫度場(chǎng)進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合，才能獲得藍(lán)寶石襯底在不同的加熱方式下、不同的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)下的應(yīng)力分布[8]。

將圖3所示的兩種加熱結(jié)構(gòu)獲得的溫度場(chǎng)進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合，分別獲得兩種情況下藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力分布的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 兩種加熱器中藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力場(chǎng)分布

圖4中的灰度柱狀圖表示藍(lán)寶石晶元的應(yīng)力變化范圍。由圖4可知，在通電電流均為15A的條件下，用A加熱器加熱30s后，藍(lán)寶石襯底應(yīng)力最大約為2.13MPa，最小約為0.02MPa，應(yīng)力分布的差值約為2.11MPa；用B加熱器加熱4.85s后，藍(lán)寶石襯底應(yīng)力最大約為2.31MPa，最小約為0.31MPa，應(yīng)力分布的差值約為2.00MPa。與A加熱器加熱后的藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力場(chǎng)相比，藍(lán)寶石襯底的最大、最小應(yīng)力值都略大，但是應(yīng)力分布的差異減小了5.2%。即最大和最小應(yīng)力值略有增大，但應(yīng)力場(chǎng)均勻性有所改善。經(jīng)過分析，B加熱器的加熱速度非常快，僅僅4.85s就達(dá)到了初始結(jié)構(gòu)30s的加熱效果。溫度場(chǎng)分布雖然均勻，但是急劇升溫造成藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力值整體偏大。因此，在用B加熱器對(duì)襯底進(jìn)行加熱時(shí)，應(yīng)延緩加熱過程，降低襯底整體均勻升溫的速度。這樣，就可以減小襯底整體的應(yīng)力值，并在均勻溫度場(chǎng)的作用下獲得均勻的應(yīng)力場(chǎng)。

由式(1)可以看出，加熱器中的鎢絲電加熱源產(chǎn)生的熱能不僅取決于鎢絲的半徑、長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及其電阻率，還取決于工作電流。即對(duì)一個(gè)固定結(jié)構(gòu)的加熱系統(tǒng)，加在鎢絲上的工作電流保持一定時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱能一定，且整個(gè)系統(tǒng)將維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布。因此，在不改變加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料的情況下，可以通過調(diào)節(jié)工作電流來改變加熱器產(chǎn)生的熱能。減小工作電流，熱絲在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱能隨之減小，升溫的速度就會(huì)變慢。所以將B加熱器的工作電流減小為12A，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，獲得如圖5所示的溫度場(chǎng)分布。

圖5 電流12A時(shí)B加熱器的襯底溫度場(chǎng)分布

由圖5可知，通電電流減小為12A的條件下，用B加熱器加熱9s后，藍(lán)寶石襯底最高溫度與最低溫度分別為221.36℃和219.03℃，溫差僅為2.33℃，溫度場(chǎng)較均勻。再將該溫度場(chǎng)進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合，獲得圖6所示的襯底的應(yīng)力分布的仿真結(jié)果。

圖6 電流12A時(shí)B加熱器的襯底應(yīng)力場(chǎng)分布

由圖6可知，藍(lán)寶石襯底應(yīng)力最大約為1.84MPa，最小約為0.28MPa，應(yīng)力分布的差值約為1.56MPa。與圖4所示的應(yīng)力場(chǎng)相比，應(yīng)力分布的差值分別由2.11MPa和2.00MPa減小至1.56MPa，應(yīng)力差異分別減小了26.1%和22.0%。應(yīng)力分布的均勻性有了顯著改善。

5 驗(yàn)證

由于真空系統(tǒng)加熱器的溫度均勻性會(huì)直接影響襯底材料的溫度均勻性，影響GaN光電陰極應(yīng)力分布不均勻。為了驗(yàn)證兩種不同結(jié)構(gòu)加熱器仿真結(jié)果的有效性，對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)的加熱器開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，分別采用兩種結(jié)構(gòu)的加熱器加熱藍(lán)寶石晶元。利用Raman散射技術(shù)對(duì)藍(lán)寶石的應(yīng)力進(jìn)行了檢測(cè)，通電電流均為15A的情況下，采用A加熱器加熱樣品1，加熱時(shí)間為30s；采用B加熱器加熱樣品2，加熱時(shí)間為5s；采用B加熱器，通電電流12A，加熱樣品3，加熱時(shí)間9s，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 樣品應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果均表明：采用B加熱器，選擇合適的通電電流和加熱時(shí)間，藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力差異分別減小了28.6%和24.5%，應(yīng)力分布的不均勻性明顯改善。

6 結(jié)論

本文利用有限元分析方法，借助ANSYS Workbench仿真溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，通過對(duì)比兩種不同的加熱器結(jié)構(gòu)及加熱工藝，找到了一種能得到較為均勻的溫度場(chǎng)分布的螺旋形加熱絲、拋物面結(jié)構(gòu)釜的加熱器，并利用此加熱器優(yōu)化加熱工藝使被加熱的藍(lán)寶石襯底的溫度場(chǎng)均勻性有顯著改善，溫度差異由41.13℃降低至2.33℃，應(yīng)力差異減小了26.1%。對(duì)藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力的檢測(cè)表明：通過改進(jìn)加熱器結(jié)構(gòu)并選擇合適的工藝參數(shù)，藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力差異分別減小了28.6%和24.5%，應(yīng)力分布的不均勻性明顯改善。仿真為獲得低應(yīng)力的藍(lán)寶石襯底提供了技術(shù)指導(dǎo)，為在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN材料提供了技術(shù)支撐。

[1] Shahedipour F S, Ulmer M P. Efficient GaN photocathodes for low-level ultraviolet signal detection [J]., 2002, 38(4): 333-335.

[2] Du Yujie, Chang Benkang, Fu Xiaoqian, et al. Effects of NEA GaN photocathode performance parameters on quantum efficiency[J]., 2012, 123(9): 800-803.

[3] 郭向陽(yáng), 常本康, 喬建良, 等. GaN與GaAs NEA光電陰極穩(wěn)定性的比較[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(2): 117-120.

GUO Xiang-yang, CHANG Ben-kang, QIAO Jian-liang, et al. Comparison of Stability of GaN and GaAs Photocathode[J].,2010, 32(2): 117-120.

[4] 喬建良. 反射式NEA GaN光電陰極激活與評(píng)估研究[D].南京: 南京理工大學(xué), 2010.

QIAO Jian-liang. Research on activation and evaluation of reflection-mode NEA GaN photocathode[D]. Nanjing: Nanjing University of Science& Technology, 2010.

[5] 李向陽(yáng), 許金通, 湯英文, 等. GaN 基紫外探測(cè)器及其研究進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(3): 276-280.

LI Xiang-yang, XU Jing-tong, TANG Ying-wen, et al. GaN based ultraviolet detectors and its recent development[J]., 2006, 35(3): 276-280.

[6] 喬建良, 常本康, 高有堂, 等. GaN NEA光電陰極的制備及其應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(9): 524-527.

QIAO Jian-liang, CHANG Ben-kang, GAO You-tang, et al. Preparation of NEA GaN Photocathode and It's Application[J]., 2007, 29(9): 524-527.

[7] 郎佳紅, 顧彪, 徐茵, 等. 標(biāo)準(zhǔn)溫度和襯底分步清洗對(duì)GaN初始生長(zhǎng)影響RHEED研究[J]. 紅外技術(shù), 2003, 25(6): 64-68.

LANG Jia-hong, GU Biao , XU Yin, et al. Study of ECR-Plasma Cleaning of Sapphire Substrate Using RHEED[J]., 2003, 25(6): 64-68.

[8] 彭冬生, 馮玉春, 王文欣, 等. 一種外延生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜的新方法[J]. 物理學(xué)報(bào), 2006, 55(7): 3606-3610.

Peng Dong-Sheng,Feng Yu-Chun,Wang Wen-Xin, et al. A new method to grow high quality GaN film by MOCVD[J]., 2006, 55(7): 3606-3610.

[9] 楊琳, 左然, 蘇文佳, 等. 泡生法藍(lán)寶石不同生長(zhǎng)階段熱應(yīng)力的數(shù)值模擬研究[J].材料導(dǎo)報(bào)B：研究篇, 2012, 26(11): 134-137.

YANU Lin，ZUO Ran，SU Wen-jia, et al. Study on Numerical Simulation of Thermal Stress at Different Stages in Kyropoulos Sapphire Crystal Growth[J]., 2012, 26(11): 134-137.

Influence of Heater Structure and Heating Technological Parameter on Stress in Sapphire Substrate

CHEN Jing1,2，CHENG Hongchang1，WU Lingling1,2，F(xiàn)ENG Liu1，NIU Sen1，MIAO Zhuang1

(1.,710065,; 2.,710021,)

In order to research the stress change in Sapphire substrate in vacuum system, two different structures of the heaters and the heating technological parameters were analyzed through simulation of the temperature and stress fields by means of finite element method with ANSYS Workbench. By choosing the heater including loopy spiral tungsten and crucible with paraboloid inner bottom and changing the current value, the temperature difference was reduced from 41.13℃ to 2.33℃ and the stress difference within whole area in Sapphire substrate with diameter of 40mm and thickness of 2mm decreased by 26.1% from 2.11MPa to 1.56MPa. The results indicate that the high uniformity temperature field could be obtained by using the heater including loopy spiral tungsten and crucible with paraboloid inner bottom and the stress distribution in whole area of heated Sapphire was even when current value was 12A. The result was proved by test result of stress of substrates. The result is helpful to stress analysis in other heated materials in vacuum system such as GaAs、InGaAs、GaN、Si、quartz glass etc.

heater，sapphiresubstrate，substratestress，temperature field uniformity，finite element analysis，simulation

TN104

A

1001-8891(2017)01-0036-04

2016-03-14；

2016-11-07.

陳靖（1976-），男，江西南康人，講師，主要從事測(cè)試仿真方面的研究工作。

微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（BJ2014004）；西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目（01001302）。