《晶体生长理论》PPT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

2、同温度下的相状态。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、3）有效分凝系数非平衡状态：一定的结晶速度，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

4、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

5、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

6、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●

7、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