加熱器結構及工藝對藍寶石襯底應力的影響研究

陳 靖，程宏昌，吳玲玲，馮 劉，牛 森，苗 壯

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加熱器結構及工藝對藍寶石襯底應力的影響研究

陳 靖1,2，程宏昌1，吳玲玲1,2，馮 劉1，牛 森1，苗 壯1

（1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 西安工業大學光電工程學院，陜西 西安 710021）

為了研究真空系統中被加熱的藍寶石襯底應力的變化，利用有限元分析方法，借助ANSYS Workbench軟件仿真了溫度場以及應力場，對兩種不同結構的加熱器及加熱工藝參數進行了分析。用多圈鎢絲螺旋結構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的藍寶石襯底整個圓面內的應力差異由2.11MPa減小為1.56MPa，應力差異減小了26.1%。結果表明，采用多圈鎢絲螺旋結構外加拋物面釜可獲得高均勻性的加熱器溫度場，且當工作電流為12A時，加熱的藍寶石襯底整個表面應力分布均勻。并采用藍寶石襯底的應力檢測結果進行了驗證。研究結果對真空系統中被加熱的其它材料如GaAs、InGaAs、GaN、Si、石英玻璃等應力分析研究具有一定的借鑒意義。

加熱器；藍寶石襯底；襯底應力；溫度場均勻性；有限元；應力仿真

0 引言

紫外探測技術逐漸成為繼紅外和激光探測技術之后的重要的軍民兩用光電探測技術。美國斯坦福大學、美國西北大學、日本濱松公司的研究結果均證明基于NEA的GaN光電陰極作為紫外探測器件具有明顯的應用優勢和潛力[1-3]。GaN光電陰極材料具有寬直接帶隙以及很好的穩定性、較長的使用壽命[4-5]。在紫外探測領域已得到廣泛的應用。

由于GaN材料在自然界中無法直接獲取，需要經過一系列的物理、化學反應人工合成獲得。制備GaN材料的方法很多，主要為：金屬有機化學氣相沉積法（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雜的生長過程中，生長溫度都是對最終材料的質量起決定作用的關鍵參數[6-8]。不同的加熱方式的溫度場均勻性是有差異的，加熱的不均勻會導致熱應力增大，熱應力增加會導致藍寶石襯底中的應力發生變化，從而影響GaN光電陰極材料質量。有報道針對泡生法生長過程的晶體中的熱應力進行了分析，并針對某一生長階段討論了加熱器位置及坩堝形狀對晶體中熱應力的影響，為生長高質量的藍寶石晶體提供優化指導[9]。但是制備GaN光電陰極時藍寶石襯底在真空系統加熱過程中產生的應力分布及變化情況研究至今尚未見公開報道。本文擬采用有限元分析方法，對兩種不同結構的加熱器和工作電流進行溫度場和應力場的模擬研究，獲得了溫度分布均勻的加熱器及加熱工藝，為降低藍寶石襯底加熱過程中的應力提供技術支撐。

1 兩種結構的加熱器

兩種結構的加熱器分別如圖1和圖2所示。A加熱器的釜是直筒結構，底部內外圓角半徑均為10mm。釜上放置一個材料同為鉭的環狀支撐架，材質為鎢的環形電阻絲伸入釜內，該加熱器加工工藝簡單。通過給電阻絲通電生熱，當真空度達到＝1×10－8Pa時，內部分子極少，熱傳遞的方式沒有對流，只有輻射和傳導。

圖1 A加熱器的整體結構示意圖

B加熱器如圖2所示，釜內底為拋物面結構，電阻絲繞制為盤狀，置于拋物面的焦平面上。其材質、長度、加熱方式、使用環境等均與A加熱器相同。

圖2 B加熱器的整體結構示意圖

藍寶石襯底被加熱時，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發生的熱傳遞很小，為簡化仿真計算，只考慮加熱器對藍寶石產生的熱輻射。

2 溫度場的計算

上述兩種結構加熱器的溫度分布和熱流量隨時間變化，需要對結構進行瞬態熱學分析。首先，需要計算對電阻絲通電后產生的熱量。因歐姆效應產生的熱能為：

式中：為電流；為電阻絲的長度；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，通過對結構參數的計算得到＝145.45mm，最終計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仿真

分別用上述兩種加熱器對藍寶石襯底加熱過程的溫度場分布進行仿真。仿真時，首先將在SolidWorks中設計好的結構導入ANSYS Workbench中，再將計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、長度＝145.45mm及鎢絲電阻率＝0.0532W×m等加載到結構中，得到的溫度場分布如圖3所示。

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

圖3 兩種加熱器中藍寶石襯底的溫度場分布

圖3中的灰度柱狀圖表示藍寶石晶元的溫度變化范圍。可以看出：A加熱器中的電阻絲通電30s后，藍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41.13℃；B加熱器中電阻絲通電僅需4.85s，藍寶石襯底的溫度就已經達到了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℃，獲得的溫度場的均勻性相比A加熱器有顯著改善，為下一步提高應力場的均勻性提供了基礎。

4 用兩種加熱器加熱得到的襯底應力仿真

襯底應力的分布通常用熱-應力耦合場的分布進行表征。熱-應力耦合場能夠反映溫度的不同對應力場分布的影響。因此，溫度場仿真分析之后，需要將獲得的溫度場進行熱-應力耦合，才能獲得藍寶石襯底在不同的加熱方式下、不同的溫度場分布狀態下的應力分布[8]。

將圖3所示的兩種加熱結構獲得的溫度場進行熱-應力耦合，分別獲得兩種情況下藍寶石襯底的應力分布的仿真結果，如圖4所示。

圖4 兩種加熱器中藍寶石襯底的應力場分布

圖4中的灰度柱狀圖表示藍寶石晶元的應力變化范圍。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，藍寶石襯底應力最大約為2.13MPa，最小約為0.02MPa，應力分布的差值約為2.11MPa；用B加熱器加熱4.85s后，藍寶石襯底應力最大約為2.31MPa，最小約為0.31MPa，應力分布的差值約為2.00MPa。與A加熱器加熱后的藍寶石襯底的應力場相比，藍寶石襯底的最大、最小應力值都略大，但是應力分布的差異減小了5.2%。即最大和最小應力值略有增大，但應力場均勻性有所改善。經過分析，B加熱器的加熱速度非常快，僅僅4.85s就達到了初始結構30s的加熱效果。溫度場分布雖然均勻，但是急劇升溫造成藍寶石襯底的應力值整體偏大。因此，在用B加熱器對襯底進行加熱時，應延緩加熱過程，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力值，并在均勻溫度場的作用下獲得均勻的應力場。

由式(1)可以看出，加熱器中的鎢絲電加熱源產生的熱能不僅取決于鎢絲的半徑、長度等結構參數及其電阻率，還取決于工作電流。即對一個固定結構的加熱系統，加在鎢絲上的工作電流保持一定時，系統所產生的熱能一定，且整個系統將維持一個穩定的溫度分布。因此，在不改變加熱器結構參數及材料的情況下，可以通過調節工作電流來改變加熱器產生的熱能。減小工作電流，熱絲在相同時間內產生的熱能隨之減小，升溫的速度就會變慢。所以將B加熱器的工作電流減小為12A，對溫度場進行仿真，獲得如圖5所示的溫度場分布。

圖5 電流12A時B加熱器的襯底溫度場分布

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℃，溫度場較均勻。再將該溫度場進行熱-應力耦合，獲得圖6所示的襯底的應力分布的仿真結果。

圖6 電流12A時B加熱器的襯底應力場分布

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

5 驗證

由于真空系統加熱器的溫度均勻性會直接影響襯底材料的溫度均勻性，影響GaN光電陰極應力分布不均勻。為了驗證兩種不同結構加熱器仿真結果的有效性，對上述兩種結構的加熱器開展對比實驗，在其他工藝參數相同的情況下，分別采用兩種結構的加熱器加熱藍寶石晶元。利用Raman散射技術對藍寶石的應力進行了檢測，通電電流均為15A的情況下，采用A加熱器加熱樣品1，加熱時間為30s；采用B加熱器加熱樣品2，加熱時間為5s；采用B加熱器，通電電流12A，加熱樣品3，加熱時間9s，檢測結果如表1所示。

表1 樣品應力檢測結果

檢測結果與仿真結果均表明：采用B加熱器，選擇合適的通電電流和加熱時間，藍寶石襯底的應力差異分別減小了28.6%和24.5%，應力分布的不均勻性明顯改善。

6 結論

本文利用有限元分析方法，借助ANSYS Workbench仿真溫度場以及應力場的變化情況，通過對比兩種不同的加熱器結構及加熱工藝，找到了一種能得到較為均勻的溫度場分布的螺旋形加熱絲、拋物面結構釜的加熱器，并利用此加熱器優化加熱工藝使被加熱的藍寶石襯底的溫度場均勻性有顯著改善，溫度差異由41.13℃降低至2.33℃，應力差異減小了26.1%。對藍寶石襯底的應力的檢測表明：通過改進加熱器結構并選擇合適的工藝參數，藍寶石襯底的應力差異分別減小了28.6%和24.5%，應力分布的不均勻性明顯改善。仿真為獲得低應力的藍寶石襯底提供了技術指導，為在藍寶石襯底上生長高質量的GaN材料提供了技術支撐。

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

CHEN Jing1,2，CHENG Hongchang1，WU Lingling1,2，FENG 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，主要從事測試仿真方面的研究工作。

微光夜視技術重點實驗室基金項目（BJ2014004）；西安工業大學校長基金項目（01001302）。