CrystalGrowth-生长技术.ppt

PhysicalFundamentalsofCrystalGrowth
晶体生长的物理基础Contents熔体生长法一、熔体生长的特点

温场的分布，热量、质量的传输，分凝对晶体生长起着支配作用。
1、熔体生长的过程是通过固液界面的移动来完成的，即：熔体生长，S-L界面，是受控条件下的定向凝固过程。
2、晶体生长的两种类型：
（1）同成分生长：单元系,Tm(凝固点)不变；生长速率较高；可生长高质量晶体；
（2）非同成分生长：二元or多元系，Tm随成分变化；大多数形成有限固溶体，有沉淀物、共晶or胞晶等，生长质量较难控制；3、存在S-L、S-V、L-V平衡问题
有较高蒸汽压or离解压的材料（例如GGG、GaAs等），存在挥发，偏离成分，会增加生长技术上的困难。
4、生长结束后，降温中可能存在相变
如：脱溶沉淀、共析反应等。

结论：
只有那些没有破坏性的相变，又有较低的蒸汽压或离解压的同成分熔化的化合物或纯元素才是熔体生长的理想材料，可以获得高质量的单晶体。正常凝固法熔体生长方法（2）生长工艺（3）主要设备

单晶炉：国产型号较多，有高压、低压之分
加热器：有石墨和碳硅棒、硅钼棒等
控制器：主要为精密数字控温仪，例如欧陆表，REX、FP控温仪等
坩埚：石英、铂、铱、钼、石墨等。

坩埚材料对熔体生长关系重大，坩埚材料的选择应遵从如下原则：坩埚材料选择的基本原则：

（a）不溶或仅微溶于熔体；
（b）尽可能地不含有能运输到熔体中去的杂支；
（c）容易清洗，表面杂质都能除去；
（d）在正常使用条件下，有高强度和物理稳定性；
（e）有低的孔隙率以利于排气；
（f）易于加工或者制成所需形状的坩埚。（4）主要优缺点
（a）可以直接观察晶体的生长状况，为控制晶体外形提供了有利条件。
（b）晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核。
（c）可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺，得到不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度，减少嵌镶结构，提高晶体的完整性。
最大优点：较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法的缺点是：
（a）一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染。
（b）当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难。
（c）适用范围有一定的限制。
设计合理的生长系统，精确而稳定的温度控制，熟练的操作技术，是获得高质量晶体的重要前提条件。（5）改进技术
近年来，提拉法进行了以下几项重大改进：
（a）晶体直径的自动控制技术——ADC技术。这种技术不仅使生长过程的控制实现了自动化，而且提高了晶体的质量和成品率。
（b）液相封盖技术和高压单晶炉——LEC技术。用这种技术可以生长那些具有较高蒸汽压或高离解压的材料。（c）磁场提拉法——MCZ技术。在提拉法中加一磁场，可以使单晶中氧的含量和电阻率分布得到控制和趋于均匀，这项技术已成功用于硅单晶的生长。
（d）导模法——E.F.G技术。用这种技术可以按照所需要的形状和尺寸来生长晶体，晶体的均匀性也得到改善。（2）坩埚移动法（B-S方法，1925）（3）晶体泡生法（1926）（4）弧熔法2、逐区熔化法（溶质非保守系）
特点：
体系由晶体、熔体和多晶原料三部分所组成；
体系中存在着两个固—液界面，一个界面上发生结晶过程，而另一个界面上发生多晶原料方向的熔化过程，熔区向多晶原料方向移动；
熔区体积不变，不断的向熔区中添加材料；
生长以晶体的长大和多晶原料的耗尽而结束。
包括：水平区熔法、浮区法、基座法和焰熔法。（1）水平区熔法（1952）ultra-puresiliconThegeneralsetupofthefloating-zoneprocessisshowninfig.2-1:Asmallfreemelt(orsolution)volume,heldonlybysurfacetensionandadhesion,issuspe-ndedbetweenthegrowingsinglecrystalandapolycr-ystallinefeedrod.
Underearthconditions,hy-drostaticpressureduetogravitycausethecharacteristicbottleshapeofthezone.Crystalgrowthisachiecedbyarelativemovementofthecrystalandfeedrodversusthemeltzone,i.e.theheater.(3)基座法（4）焰熔法(1902)焰熔法，又称Verneuil法，是在1890年由法国科学家Verneuil发明的，用于生长人工宝石。

料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置6处，由入口4和入口5