晶体生长方法(新)
晶体生长方法
1）提拉法（Czochralski,CZ
晶体提拉法的创始人是J. Czochralskj他的论文发表于
1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要
的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得
到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，
LEC,如图1,能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP
等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体
（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的
籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机
构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩
肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生
长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方
法的主要优点是：（a）在生长过程中，可以
图1提拉法晶体生长装置结构示意图方便地观察晶体的生长情况；（b）晶体在熔体的自由表面处
生长，
而不与坩埚相接触，这样能显
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与缩颈”
工艺，得
到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以
较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不
得不改用其它生长方法。
2) 热交换法(Heat Exchange Method, HEM )
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：（1）热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作
为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；（2）固
液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；（3） HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；（4） HEM 可用于生长具有特定形状要求的晶体。
由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如①30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长, 体价格昂贵，所以长晶成本很高。
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图2 HEM晶体生长装置结构示意图
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3) 温梯法(Temperature Gradient Technique, TGT)
导向温度梯度法(TGT)是中国科学院上海光学精密机械研究所的专利技术。其结晶原理与上述热交换法相似，也是采用石墨发热体、Mo保温屏、Mo坩埚，氩气保护气氛。温梯法和热交换法的主要不同在于前者采用水冷却技术而后者采用
He气
冷却；而且TGT的温场主要靠调整石墨发热体、Mo保温屏、Mo坩埚的形状和位置，发热体的功率以及循环冷却水的流量来调节，使之自下向上形
成一个合适的温度梯度。温梯法整个生长装置处于相对稳定的状态，坩埚和籽晶都不转动，这样坩埚中既没有因熔体密度引起的自然对流，又没有因机
械搅拌引起的强迫对流，固液界面不受干扰，具有
更稳定的热场。
4) 坩埚下降法(垂直布里奇曼法，Vertical Bridgman method, VB)
坩埚下降法又称为布里奇曼-斯托克巴格法，是
从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件容易掌握，易于实现程序化、自动化。典型的晶体生长炉的结构如图4所示。
该方法的缺点是不适于生长在结晶时体积增大的晶体，生长的晶体通常有较大的内应力。同时在晶体生长过程中也难于直接观察，生长周期比较长。r I
Furnace wall
/
-Thermal shield
-Heater
Crucible
Insulator
Electrode
Susceptor Support rod Thermal shield
图3 TGT晶体生长装置结构示意图
5) 水平布里奇曼法(Horizontal Bridgman method, HB )
水平布里奇曼法是由Barllacapob研制成
功的一种制备大面积定型薄片状晶体的方法。其结晶原理
如图5所示，将原料置于舟型坩埚中，使坩埚水平通过加
热区，原料熔化并结晶。为了能够生长有严格取向的晶体，
可以在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶来诱导生长。该方法
具有以下一些特点：（1）开放式的坩埚便于观察晶体的
生长情况；（2）由于熔体的高度远小于其表面尺寸，有利
于去除挥发性杂
质，另外还有利于降低对流强度，提高结晶过程的稳定性；
（3）开放式的熔体表面使在结晶的任
意阶段向熔体中添加激活离子成为可能；（4）通过多次
结晶的方法，可以对原料进行化学提纯。
6) 激光加热基座法(Laser-Heated Pedestal Growth, LHPG)
图6 LHPG晶体生长装置结构示意图
用提拉法生长晶体主要的缺点之一是坩埚对熔体的污染，而在坩埚内结晶成型的方法如下降法等又存在附加应力和寄生成核的问题，另外，生长晶体的品种也受坩埚熔点的限制，于是基座法就应运而生。它是把大直径的晶体原料局部熔化，用籽晶从熔化区域引晶生长，实际上就是无坩埚引上法。它不存在坩埚的污染，生长温度也不受坩埚熔点的限制。由于加热的范围
Pulling up
图5水平布里奇曼法生长装置原理图
Single crystal
小，可以用高功率弧光灯聚焦加热，也可以用激光加热，如图新型晶体的重要手段。
7) 泡生法(Kyropoulos, KY)
该方法的创始人是Kyropoulos，他的论文
发表于1926年。这种方法是将一要受冷的籽晶与
熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶
开始生长。为了使晶体不断长大，就需要逐渐降
低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温
度分布。也可以缓慢的(或分阶段的) 上提晶体，
以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时
不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力。
不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生
较大的热冲击。70年代以后，该方法已较少用于
生长同成分熔化的化合物，而多用于含某种过量
组分的体系，可认为目前常用的高温溶液顶部籽
晶法是该方法的改良和发展。6。它是目前拉制晶体纤维和试制
Vditer-cMJingwd
图7泡生法生长装置结构示意图
低，许多难熔的化合物和在熔点极易挥发或
由于变价而分解释放出气体的材料， 以及非 同成分熔融化合物，直接从其熔液中常常不可能生长完整的单晶，而助熔剂法却显示出独特的 能力。只要采用适当的措施，用此法生长出的晶体可以比熔体生长的晶体热应力更小、更均匀 完整。这种方法的缺点是许多助熔剂都有不同程度的毒性，其挥发物还常常腐蚀或污染炉体; 晶体生长的速度较慢、生长周期长、晶体一般较小。
助熔剂法（早期称为熔盐法）生长晶体 十分类似于溶液生长法。 因为这种方法的生 长温度较
高，故一般地也称作高温溶液生长 法。它是将晶体的原成分在高温下溶解于低 熔点助熔剂内，形成均匀的饱和溶液， 然后 通过缓慢降温或其他办法， 形成过饱和溶液， 使晶体析出。助熔剂法生长晶体有许多突出 的特点，和其他生长晶体的方法相比，
这种
方法的适用性很强，几乎对所有的材料，都 能够找到一些适当的助熔剂， 从中将其单晶 生长出来。这对于研究工作特别有用，因为 许多工作希望在单晶体上进行，
而并不一定
要求单晶体的尺寸很大。 助熔剂法生长温度 pulling shaft (water cooled)
observing window
gas inlet seed
growing crystal cmctoie themiocoupte crucible holder
heating elements
pas outlet
图8顶部籽晶助熔剂法装置结构示意
A
晶体生长方法
晶体生长方法 一、提拉法 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能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与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 二、热交换法
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。 三、坩埚下降法 坩埚下降法又称为布里奇曼－斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件
Bridgman的晶体生长技术
Bridgman的晶体生长技术
Bridgman的晶体生长技术 1.Bridgeman法晶体生长技术简介 Bridgman法是由Bridgman于１９２５年提出的。传统Bridgman法晶体生长的基本原理如图.1所示。将晶体生长的原料装入合适的容器中，在具有单向温度梯度的Bridgman长晶炉内进行生长。Bridgman长晶炉通常采用管式结构，并分为３个区域，即加热区、梯度区和冷却区。加热区的温度高于晶体的熔点，冷却区低于晶体熔点，梯度区的温度逐渐由加热区温度过渡到冷却区温度，形成一维的温度梯度。首先将坩埚置于加热区进行熔化，并在一定的过热度下恒温一段时间，获得均匀的过热熔体。然后通过炉体的运动或坩埚的移动使坩埚由加热区穿过梯度区向冷却区运动。坩埚进入梯度区后熔体发生定向冷却，首先达到低于熔点温度的部分发生结晶，并随着坩埚的连续运动而冷却，结晶界面沿着与其运动相反的方向定向生长，实现晶体生长过程的连续进行。 图１Bridgman法晶体生长的基本原理 （ａ）基本结构；（ｂ）温度分布。 图１.所示坩埚轴线与重力场方向平行，高温区在上方，低温区在下方，坩埚从上向下移动，实现晶体生长。该方法是最常见的Bridgman法，称为垂直Bridgman法。除此之外，另一种应用较为普遍的是的水平Bridgman法其温度梯度（坩埚轴线）方向垂直于重力场。垂直
Bridgman法利于获得圆周方向对称的温度场和对流模式，从而使所生长的晶体具有轴对称的性质；而水平Bridgman法的控制系统相对简单，并能够在结晶界面前沿获得较强的对流，进行晶体生长行为控制。同时，水平Bridgman法还有利于控制炉膛与坩埚之间的对流换热，获得更高的温度梯度。此外，也有人采用坩埚轴线与重力场成一定角度的倾斜Bridgman法进行晶体生长。而垂直Bridgman法也可采用从上向下生长的方式。 2.Bridgman法的结构组成 典型垂直Bridgman法晶体生长设备包括执行单元和控制单元。其中执行单元的结构，由炉体、机械传动系统和支撑结构３个部分构成。炉体部分采用管式炉，通过多温区的结构设计实现一维的温度分布，获得晶体生长的温度场。生长晶体的坩埚通过一个支撑杆放置在炉膛内的一维温度场中，如图１所示。机械传动部分包括电机和减速机构。减速机构将电机的转动转换为平移运动，控制坩埚与温度场的相对运动。可以采取控制炉体的上升或坩埚的下降两种方式实现晶体生长速率的控制。通常Bridgman生长设备还包括坩埚旋转机构，通过另外一个电机驱动坩埚支撑杆转动，控制坩埚在炉膛内按照设定的方式和速率转动，进行温度场和对流控制。支撑结构提供一个稳定的平台，用于固定炉体和机械传动系统，实现其相对定位。在支撑结构中设计位置调节结构和减震结构，保证晶体生长速率的稳定性。控制单元包括温度控制和机械传动控制。温度控制主要进行不同加热段加热功率的调节，形成恒定的温度场。通常通过热电偶等测温元件提供温度信息，进行实时控制。机械传动控制部分进行电机转速控制，从而实现坩埚或炉体移动速度的控制，以及坩埚的旋转。 3.坩埚的选材与结构设计 坩埚是直接与所生长的晶体及其熔体接触的，并且对晶体生长过程的传热特性具有重要的影响。因此，坩埚材料的选择是晶体生长过程能否实现以及晶体结晶质量优劣的控制因素之一。坩埚材料的选择是由所生长的晶体及其在熔融状态下的性质决定的。对于给定的晶体材料，所选坩埚材料应该满足以下物理化学性质： （１）有较高的化学稳定性，不与晶体或熔体发生化学反应。 （２）具有足够高的纯度，不会在晶体生长过程中释放出对晶体有害的杂质、污染晶体材料，或与晶体发生粘连。 （３）具有较高的熔点和高温强度，在晶体生长温度下仍保持足够高的强度，并且在高温下不会发生分解、氧化等。 （４）具有一定的导热能力，便于在加热区对熔体加热或在冷却区进行晶体的冷却。
SiC晶体生长工艺装备
SiC晶体生长工艺装备 一、SiC晶体生长工艺装备发展现状 由于SiC具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等特点，使得它在军用和航天领域的高温、高频、大功率光电器件方面具有优越的应用价值。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。 目前SIC半导体材料发展十分迅速，总的发展趋势是晶体大直径、大尺寸化，向高纯无缺陷发展。6H和4H单晶片实现了商品化，3英寸（直径≥76.2mm）是主流产品，4英寸也有少量供应。4H-SiC 上的微管缺陷密度显著减小，n型4H-SiC的极低微管缺陷晶片上微管密度可接近0cm-2。 SiC材料的生长需要特殊的工艺装备。目前这些工艺装备的技术主要掌握在美日欧三方手中。这些发达国家和地区已对SiC 生长设备进行了持续的研究，积累了宝贵的经验。特别是美国，技术最成熟，凭借着先进的技术，不断研制基于SiC基的新军事电子产品，目前在航空、航天、军舰、卫星、深海等方面都得到了实际的应用，得以使其继续在全球军事电子领域保持领先地位。欧盟和日本也紧随其后，投入大量的人力和财力进行追赶。
美国Cree公司是世界上能够商业化提供SiC 产品最大的公司，占全球市场90%以上，其在工艺装备方面的技术先进、成熟稳定，领先世界水平，但受政策影响，技术处于绝对保密之中。 欧洲SiC晶体生长工艺装备的设备制造商集中在德国、瑞典和英国，目前主要生产以3“直径为主的工艺装备，但为了追赶世界先进水平，已开始进行4” SiC晶圆工艺装备的研发。 无论是美国、欧洲还是日本，其晶体生长工艺装备都是军方在三代半导体方面要重点发展的方向之一，长期得到国家的支持和投入，如美国海军、陆军、空军、美国国家航空航天局（NASA ）、弹道导弹防卫局和国防预研局、几乎美国国防部所有部门都将SiC技术研究列入了各自军事系统发展规划。其中SiC晶体生长工艺装备是重要的组成部分，美军正是凭借其在碳化硅装备方面的强大实力，在军事电子方面继续拉大与其他国家的距离。 国内碳化硅研究始于2000年前后，基本都是在Si晶圆研究的基础上进行一些理论性的研究，工艺装备也是在原有的Si晶圆的工艺装备基础上进行了部分改造，研究进展缓慢，装备的缺乏已成为国内SiC项目研究的瓶径。近些年有些研究机构通过各种渠道引进了部分国外发达国家的工艺装备，但价格高昂，所引进设备的技术也不属于前沿技术，并且在引进过程中，对引进单位也有条款上的种种制约，限制了SiC项目在国内的研究。尽管起步早，但目前研究水平还处于初级阶段。 总之，国内SIC项目的研究以进口晶片为主，昂贵的晶片价格，
晶体生长计算与模拟软件之FEMAG
晶体生长计算软件FEMAG 20世纪80年代中期，鲁汶大学Fran?ois Dupret教授带领其团队，开始晶体生长的研究，经过10多年的行业研发及应用，Fran?ois Dupret教授于2003年成立了FEMAGSoft公司（总部设在比利时Louvain-la-Neuve市），正式推出晶体生长数值仿真软件FEMAG。如今，FEMAG软件已成为全球行业用户高度认可的数值仿真工具，在晶体生长数值模拟领域处于国际领先地位。 FEMAG Soft擅长所有类型晶体材料生长方面的工艺模拟专业技术，比如：?直拉法（Czochralski） ?区熔法（Floating Zone） ?适用于铸锭定向凝固过程工艺（DS），Bridgman法 ?物理气相传输法（PVT） 产品模块 1.FEMAG/CZ-Czochralski (CZ) Process 适用于Czochralski直拉法生长工艺和Kyropoulos生长工艺 2.FEMAG/DS-Directional Solidification (DS) Process 适用于铸锭定向凝固过程工艺 3.FEMAG/FZ-Float Zone Process (FZ) 适用于区熔法生长工艺
主要功能 1.全局热传递分析 “全局性”即包涵所有拉晶要素在内，并考虑传热模式的耦合。全局热传递模拟分析，主要考虑:炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析。 2.热应力分析 按照经验，一般情况下，晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以进行三维的非轴对称和非各向同性温度场热应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。 “位错”的产生是由于在晶体生长过程中,热剪应力超越临界水平,被称为CRSS(临界分剪应力)，而导致的塑性变形。 3.点缺陷预报 该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷(自裂缝和空缺),该仿真可以很好的预测在晶体生长过程中点缺陷的分布。 4.动态仿真 动态仿真提供了对复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分,布动态仿真尤其是不可或缺的。 5.固液界面跟踪 在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的柑祸旋转速度和不同的提拉高度,其固液界面是不同的。 6.加热器功率预测 利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
CZ法单晶生长原理及工艺流程
CZ生长原理及工艺流程 CZ法的基本原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长与生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。 CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。 1．装料、熔料 装料、熔料阶段是CZ生长过程的第一个阶段，这一阶段看起来似乎很简单，但是这一阶段操作正确与否往往关系到生长过程的成败。大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂)都发生在或起源于这一·阶段。 2．籽晶与熔硅的熔接 当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。一般情况下，有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒的温度，在热场和拉晶工艺改变不大的情况下，上一炉的温度读数可作为参考来设定引晶温度。按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动的稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，以减少籽经与熔硅的温度差，从而减少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热后，下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中要注意观察所发生的现象来判断熔硅表面的温度是否合适，在合适的温度下，熔接后在界面处会逐渐产生由固液气三相交接处的弯月面所导致的光环(通常称为“光圈”)，并逐渐由光环的一部分变成完整的圆形光环，温度过高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。熟练的操作人员，能根据弯月面光环的宽度及明亮程度来判断熔体的温度是否合适。 3．引细颈 虽然籽晶都是采用无位错硅单晶制备的[16～19]，但是当籽晶插入熔体时，由于受到籽晶与熔硅的温度差所造成的热应力和表面张力的作用会产生位错。因此，在熔接之后应用引细颈工艺，即Dash技术，可以使位错消失，建立起无位错生长状态。 Dash的无位错生长技术的原理见7．2节。金刚石结构的硅单晶中位错的滑移面为{111}面。当以[l00]、[lll]和[ll0]晶向生长时，滑移面与生长轴的最小夹角分别为36．16°、l9．28°和0°。位错沿滑移面延伸和产生滑移，因此位错要延伸、滑移至晶体表面而消失，以[100]晶向生长最容易，以[111]晶向生长次之， 以[ll0]晶向生长情形若只存在延伸效应则位错会贯穿整根晶体。细颈工艺通
晶体生长方法(新)
晶体生长方法 1) 提拉法（Czochralski,Cz ） 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的 论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常 用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这 种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几 项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法， LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化 合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法） 生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单 晶等）。 所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装 在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中， 籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边 旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、 转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能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与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。 提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 图1 提拉法晶体生长装置结构示意图
2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM） 热交换法是由D. Viechnicki和 F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。 其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长 驱动力来自固液界面上的温度梯度。特 点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼 坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体， 熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯 度分别由发热体和热交换器（靠He作 为热交换介质）来控制，因此可独立地 控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固 液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长 过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于 静止状态，处于稳定温度场中，而且熔 体中的温度梯度与重力场方向相反，熔 体既不产生自然对流也没有强迫对流； (3) HEM法最大优点是在晶体生长结束 后，通过调节氦气流量与炉子加热功率， 实现原位退火，避免了因冷却速度而产 生的热应力；(4) HEM可用于生长具有 图2HEM晶体生长装置结构示意图 特定形状要求的晶体。 由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。
蓝宝石各种生长方法
一、蓝宝石生长 1.1 蓝宝石生长方法 1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion) 最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil） 和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末 与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后 来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil） 改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方 法又被称为维尔纳叶法。 1）基本原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在 通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种 晶上固结逐渐生长形成晶体。 2）合成装置与条件、过程 焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生 高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在 一个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备 简图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一 定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过 筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。 氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。 焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。 A.供料系统 原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O 粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化 3 二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有
溶液法晶体生长
溶液法晶体生长技术 专业：材料学姓名：贾进前学号：21111711031 摘要：在本篇论文中讲述了溶液法晶体生长的基本原理以及溶液法应用技术的最新发展。溶液法在发展中出现了许多新技术，有高温溶液法、助溶剂法、水热法、液相电沉积法以及其他的一些方法，并且利用这些方法，一些研究者做了一系列的实验并取得了一些成果。 关键词：溶液法，高温溶液法，助溶剂法，水热法，液相电沉积法 引言： 在现在的高科技领域中，晶体在科学技术中有十分重要的用途，在基础研究方面单晶体主要用于晶体结构测定及性质研究，这部分晶体尺寸较小，它们是实验室进行探索性研究过程中合成的；而大尺寸的晶体作为重要材料用于高科技领域，它们是通过专门技术生长出来的。大多数的分子容易生长晶体，如何控制生长过程以获得具有大尺寸、高纯度和无缺陷等特征的高质量晶体是我们所面临的挑战。 晶体可以从气相、液相和固相中生长，不同的晶体又有着不同的生长方法和生长条件，加上应用对晶体质量及形貌要求有时不同，如单晶纤维、薄膜单晶和大尺寸晶体分别用于不同的目的，这导致了单晶生长方法和技术的多样性。在所有生长技术中，以液相生长（溶液和熔体生长）应用最为广泛，以气相生长发展最快。晶体生长的技术是相互渗透，不断改进和发展的。 一种晶体选择何种技术生长，取决于晶体的物化性质和应用要求。有的晶体只能用特定的技术生长；有的晶体则可以采用不同的方法生长，选择一般原则为：有利于提高晶体的完整性，严格控制晶体中的杂质和缺陷；有利于提高晶体的利用率，降低成本；有利于晶体的加工和器件化；有利于晶体生长的重复性和产业化。综合考虑上诉因素，每一种晶体都应有一种较为合适的生长方法。溶液法作为一种最古老的方法，得到了最广泛的应用。 1 溶液法晶体生长的基本原理 溶液法晶体生长是首先将晶体的组成元素（溶质）溶解在另一溶液（溶剂）中，然后通过改变温度、蒸汽压等状态参数，获得过饱和溶液，最后使溶质从溶液中析出，形成晶体的方法。掌握溶液法晶体生长原理和技术应该先从溶液分析
晶体生长原理与技术
晶体生长原理与技术课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：晶体生长原理及电化学基础 所属专业：金属材料物理学 课程性质：专业方向选修课，学位课，必修环节 学分： 4 学时： 72 （二）课程简介、目标与任务； 课程简介：本课程将在绪论中，对人工晶体生长的基本概念，研究范畴，研究历史和晶体生长 方法分类等基本概念进行简要介绍。然后分4篇进行论述。第一篇为晶体生长的基本原理，将分5 章，对晶体生长过程的热力学和动力学原理，结晶界面形貌与结构，形核与生长的动力学过程进行 描述。第二篇为晶体生长的技术基础，将分3章，对晶体生长过程的涉及的传热、传质及流体流动 原理，晶体生长过程的化学原理和晶体生长过程控制涉及的物理原理进行论述。第三篇为晶体生长 技术，将分4章对熔体生长、溶液生长、气相生长的主要方法及其控制原理进行论述。第四篇，晶 体的性能表征与缺陷，将分2章，分别对晶体的结构、性能的主要表征方法，晶体的结构缺陷形成 与控制原理进行论述。 目标与任务：掌握晶体生长的基本物理原理，学会将基本物理知识运用与晶体生长过程分析讨论。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 修完普通物理学及四大力学课程、固体物理课程后才可学习该课程，该课程向前联系基本物理知识的运用，向后衔接研究生科学研究中遇到的实际结晶学问题。 （四）教材与主要参考书。 教材两本： 《晶体生长原理与技术》，介万奇，北京：科学出版社，2010 参考书： 《晶体生长科学与技术》[上、下册]，张克从，凝聚态物理学丛书，北京：科学出版社，1997 《人工晶体：生长技术、性能与应用》，张玉龙，唐磊，化学工业出版社，2005 《晶体生长基础》，姚连增，中国科学技术大学出版社，1995
晶体生长方法
1.1.5 热交换法Heat exchange method (HEM) 该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固。它 与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做 任何方向的移动。这是近年来生长大尺寸晶体的 又一发展。Schmid最初的生长是在一个梯度单 晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶。右图 所示的是这种方法的示意图。该梯度炉就是在真 空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换 器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在 热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置 于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底 面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被 加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。在这个过程中晶体生长的去的驱动力来自固—液界面上的温度梯度。通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。而晶体的热量可通过氦气的流量带走。因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。 这种方法的主要优点如下： 1）晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。 2）刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。 当然热交换法生长晶体的周期较长，例如，Schmid生长32cm直径的白宝石单晶约需一周左右的时间。 1.1.6水平结晶法Horizontal directional crystallization method（HDC） 其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。为了晶体品质及晶体生张结束后，方便取出晶体，坩埚应采用不沾其熔汤之材料所製，如石英、
晶体生长仿真软件FEMAG
晶体生长仿真软件FEMAG F 产品与服务 FEMAG Soft 擅长所有类型晶体材料生长方面的工艺模拟专业技术，比如： ? 直拉法（Czochralski ） ? 区熔法（Floating Zone ） ? 适用于铸锭定向凝固过程工艺（DS ），Bridgman 法 ? 物理气相传输法（PVT ） 产品模块 1. FEMAG/CZ-Czochralski (CZ) Process 适用于Czochralski 直拉法生长工艺和Kyropoulos 生长工艺 2. FEMAG/DS-Directional Solidification (DS) Process 适用于铸锭定向凝固过程工艺 3. FEMAG/FZ-Float Zone Process (FZ) 适用于区熔法生长工艺 FEMAG 软件是由比利时鲁汶大学研 发的晶体生长数值仿真软件。20世纪80 年代中期，鲁汶大学Fran?ois Dupret 教 授带领其团队，开始晶体生长的研究，经 过10多年的行业研发及应用，Fran?ois Dupret 教授于2003年成立了FEMAG S.A.（总部设在比利时Louvain-la-Neuve 市），正式推出晶体生长数值仿真软件 FEMAG 。如今，FEMAG 软件已成为全球 行业用户高度认可的数值仿真工具，在晶 体生长数值模拟领域处于国际领先地位。
主要功能 1. 全局热传递分析 “全局性”即包涵所有拉晶要素在内，并考虑传热模式的耦合。全局热传递模拟分析，主要考虑:炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析。 2. 热应力分析 按照经验，一般情况下，晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以进行三维的非轴对称和非各向同性温度场热应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。 “位错”的产生是由于在晶体生长过程中,热剪应力超越临界水平,被称为CRSS(临界分剪应力)，而导致的塑性变形。 3. 点缺陷预报 该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷(自裂缝和空缺),该仿真可以很好的预测在晶体生长过程中点缺陷的分布。 4. 动态仿真 动态仿真提供了对复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分,布动态仿真尤其是不可或缺的。 5. 固液界面跟踪 在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的柑祸旋转速度和不同的提拉高度,其固液界面是不同的。 6. 加热器功率预测 利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。 7. 绘制温度梯度 通过仿真,固液交界面的温度梯度可以很方便的计算出来。这一结果对于理论缺陷的预报是非常有用的。 技术特色 1. 全局建模（Global modeling）——将熔炉分为宏观单元（macro
晶体生长方法(新)
晶体生长方法 1）提拉法（Czochralski,CZ 晶体提拉法的创始人是J. Czochralskj他的论文发表于 1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要 的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得 到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法， LEC,如图1,能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体 （如管状宝石和带状硅单晶等）。 所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的 籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机 构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩 肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生 长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方 法的主要优点是：（a）在生长过程中，可以 图1提拉法晶体生长装置结构示意图方便地观察晶体的生长情况；（b）晶体在熔体的自由表面处 生长， 而不与坩埚相接触，这样能显 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与缩颈” 工艺，得 到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以 较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不 得不改用其它生长方法。
2) 热交换法(Heat Exchange Method, HEM ) 热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：（1）热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作 为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；（2）固 液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；（3） HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；（4） HEM 可用于生长具有特定形状要求的晶体。 由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如①30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长, 体价格昂贵，所以长晶成本很高。 悶Wliry； 图2 HEM晶体生长装置结构示意图 He气 In別加口 "—. / Power ! Crumble H i： jinl ? Heatrngi c hm衍 B pump Heat Hdum
晶体生长机理研究综述
晶体生长机理研究综述 摘要 晶体生长机理是研究金属材料的基础，它本质上就是理解晶体内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态之间的关系。通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的形成从而改善和提高晶体的质量和性能使材料的强度大大增强开发材料的使用潜能。本文主要介绍了晶体生长的基本过程和生长机理，晶体生长理论研究的技术和手段，控制晶体生长的途径以及控制晶体生长的途径。 关键词：晶体结构晶界晶须扩散成核 一、晶体生长基本过程 从宏观角度看，晶体生长过程是晶体-环境相、蒸气、溶液、熔体、界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个基元过程，所谓基元是指结晶过程中最基本的结构单元，从广义上说，基元可以是原子、分子，也可以是具有一定几何构型的原子分子聚集体所谓的基元过程包括以下主要步骤：（1）基元的形成：在一定的生长条件下，环境相中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失（2）基元在生长界面的吸附：由于对流~热力学无规则的运动或原子间的吸引力，基元运动到界面上并被吸附 （3）基元在界面的运动：基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动 （4）基元在界面上结晶或脱附：在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面某一适当的位置结晶并长入固相，或者脱附而重新回到环境相中。 晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的基元过程。环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中；而不同结构的生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态。对于同一晶体，不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元，最终形成不同形态的晶体。同种晶体可能有多种结构的物相，即同质异相体，这也是由于生长条件不同基元过程不同而导致的结果，生长机理如下: 1.1扩散控制机理从溶液相中生长出晶体，首要的问题是溶质必须从过饱和溶液中运送到晶体表面，并按照晶体结构重排。若这种运送受速率控制，则扩散和对流将会起重要作用。当晶体粒度不大于1Oum时，在正常重力场或搅拌速率很低的情况下，晶体的生长机理为扩散控制机理。 1.2 成核控制机理在晶体生长过程中，成核控制远不如扩散控制那么常见但对于很小的晶体，可能不存在位错或其它缺陷。生长是由分子或离子一层一层