晶体生长理论课件

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1、§4晶体生长的热力学、动力学理论一、区熔提纯二、晶体生长理论基础1、二元合金相图概述2、分凝现象与分凝系数3、区熔原理1、晶体形成的热力学条件2、晶核的形成3、晶体长大的动力学模型一、区熔提纯1、二元合金相图概述（1）相图（平衡图、状态图）表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分之间关系的简明图解。平衡状态:合金的成分、质量分数不再随时间而变化的一种状态。合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。相图用途：①研究合金的相变、组织形成及变化的规律；②制定热加工工艺的重要工具。（2）表示方法T/℃1083℃纯Cut/h冷却曲线相图LS①纯金属可用一条温度轴表示出不同温度下的相状态。②

2、二元合金的组成相不仅与温度有关，还与合金的成分有关。如Cu-Ni相图：相图分析：2个点、2条线、3个区。测定方法：热分析法（最常用）。③二元合金相图的建立——热分析法建立相图的过程▲配制系列成分的铜镍合金▲测出它们的冷却曲线，得到临界点▲把这些点标在T—成分坐标上▲将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所存在的相，即得到Cu-Ni合金相图2、分凝现象与分凝系数（1）分凝现象定义：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同现象（偏析现象）。（2）平衡分凝系数在一定温度T下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值AA（3）有效分凝系数非平衡状态：一定的结晶速

3、度，结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度杂质在界面附近熔体中堆积，形成浓度梯度→加快向熔体内部扩散→达到动态平衡：单位时间内，界面排出的杂质量与扩散等离开界面的杂质量相等，在界面薄层中浓度梯度不再改变。?为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响,引出有效分凝系数Keff=CS/CL0Cs:固相杂质浓度CL0:熔体内部的杂质浓度?界面不移动或者移动速度→0时（无限缓慢结晶时）,CL0→CL，Keff→K0?一定速度结晶时,CL0≠CL，Keff≠K0CS=KeffCL0（4）BPS公式▲描述Keff与K0关系▲杂质在界面附近的扩散层中，液流平稳，杂质运动主要是扩散，杂质分布不

4、均匀，存在浓度梯度▲在熔体内部，液流运动剧烈，杂质分布均匀1、f》D/δ时，Keff→1，即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显2、f《D/δ时，Keff→K0，分凝效果明显为使分凝效应显著，应取f＜D/δ的凝固速度（通常f＜10-3cm/s），采用电磁搅拌熔体，会使扩散层中积累的杂质加速输运到整个熔体中去，δ将变小，有助于Keff→K0。3、区熔原理（1）正常凝固○将一材料锭条全部熔化后，使其从一端向另一端逐渐凝固○三点假设凝固速度大于固相中扩散速度，可忽略杂质在固体中的扩散。（杂质在固体中的扩散速度比其凝固速度慢得多，相差7-9个量级，此假设能成立）2.熔体中的扩散速度大于凝固速度可

5、认为杂质在熔体中的分布是均匀的。（搅拌，可达到均匀）3.杂质分凝系数是常数。（材料中的杂质量原本很少）正常凝固过程中，Cs沿锭长的分布由于存在分凝现象，正常凝固后锭条中的杂质分布不再是均匀的，会出现三种情况：K＜1的杂质，杂质向尾部集中；K＞1的杂质，杂质向头部集中；K≈1的杂质，基本上保持原有的均匀分布的方式式中C0——为全锭熔化时的杂质总量g——凝固长度正常凝固法的缺点K小于1的杂质在锭尾，K大于1的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低。解决办法区熔提纯:它是把材料的一小部分熔化,并使熔区从锭条的一端移到另一端。（2）区熔提纯利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的

6、熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。一次区熔后锭条中的杂质浓度Cs随距离x变化的分布规律：式中χ——熔区已走过的距离ι——熔区长度一次区熔提纯与正常凝固后的杂质浓度分布的比较图（K0=0.01）一次区熔提纯与正常凝固的效果比较▼单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好▼l越大，Cs越小,即熔区越宽，一次区熔提纯的效果越好▼对于最后一个熔区,属于正常凝固,不服从一次区熔规律多次区熔与极限分布●一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头,使中间部分

7、达到要求的程度？对于一个有限长度的锭，能否用区熔的方法无限提纯多次区熔的过程○在凝固界面，对于k<1的杂质，由于分凝作用将部分被排斥到熔区，并向后携带○在熔化界面，锭料的熔化带入新的杂质，并从熔化界面向凝固界面运动（杂质倒流），其结果是使整个熔区杂质浓度增加○随着区熔次数的增加，尾部杂质越来越多，浓度梯度越来越陡，杂质倒流越严重极限分布○经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布,也叫最