最全的材料晶体生长工艺汇总.pdf

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1、最全的材料晶体生长工艺汇总提拉法提拉法又称直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，简称CZ法。它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。用提拉法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等多种重要的人工宝石晶体。提拉法的原理：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶下降至接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。提拉法的工艺步骤可以分为

2、原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。具体过程如示意图。提拉法晶体生长工艺有两大应用难点：一是温度场的设置和优化；二是熔体的流动和缺陷分析。下图为提拉法基本的温度场设置以及五种基本的熔体对流模式。在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。下图是不同的坩埚和晶体旋转速率下产生的复杂流动示意图。这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是一种有效办法，利用导

3、电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。下图是几种不同的引入磁场类型示意图。引入磁场可以在一定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。晶体提拉法有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得优质取向的单晶；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体光学均一性高。晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体

4、的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。泡生法泡生法又称为凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法。其原理与直拉法类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再把单晶种(SeedCrystal，又称籽晶)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种具有相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后整体凝固成一个单晶晶碇。下图是泡生法的设备装置

5、示意图。泡生法与提拉法最大的区别是，泡生法不以提拉为主要的长晶手段，泡生法在晶体生长过程中只拉出晶体头部颈部，晶体其余部分依靠温度变化来生长，通过设置温度梯度使得熔体结晶逐步往下进行，结晶界面始终在熔体中推移和扩展。下图左边是泡生法的生长过程示意图，右边是生长开始和生长结束时候的示意图。可见泡生法生长环境比提拉法稳定，容易生产出高质量晶体。泡生法技术优势：1）在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。可以控制冷却速度，减小热应力；2）晶体生长时，固液界面处于熔体包围中，生长稳定，热应力小，缺陷少；3）可以选用软水作为热交换器内的工作

6、流体，装置成本低，效果好；缺点：1）生长难点是温度场的控制比提拉法要求更高。容易受到机械振动影响。2）生长速度比提拉法低，效率不够高。区熔法区熔法可以分为水平区熔法和竖直区熔法，原理相似，都是通过控制熔区移动来生长晶体的工艺，只是晶料取向不同，两种方法的原理示意图如下。水平区熔法使用坩埚等舟皿来盛装原料，左边接籽晶，熔区从左端开始右移，结晶也从左边开始，结晶直接在坩埚或者舟皿中进行。竖直区熔法又称为悬浮区熔法，Float ZoneMethod，简称FZ法，是因熔区悬浮而得名，这种方法不需要使用坩埚。它是利用热能在半导体棒料的底端产生熔区，调节

7、温度区域使熔区缓慢地向棒的上端移动，使结晶区域也向上移动，最后通过整根棒料，使原料生长成一根完整单晶棒的晶体生长方法。对于两种不同的区熔法，水平区熔法和竖直悬浮区熔法，前者主要用于锗、GaAs等。后者主要用于硅。这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，因此不能采用水平区熔法。下面以竖直区熔法为例，装置示意图如下。熔区的加热用感应线圈来进行。为了优化熔区温度杂质分布，晶体上下部分通常还要加入逆向的转动。晶体生长工艺流程如下，熔区从下往上推移，这可以通过原料棒下移，或者加热线圈上移来实现。为了生产单晶，籽晶的

8、引入和缩颈过程跟提拉法类似。竖直区熔法的熔区范围比较窄，温度梯度比较大，此外不需要使用坩埚，熔体直接悬浮进行晶体生长是它最大的特点，可以减少晶体与坩埚之间的杂质污染