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晶体生长方法

日期:2020-09-20 21:56
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摘要:单晶和多晶 单晶体:整块晶体由一颗晶粒组成,或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。单晶体是原子排列规律相同,晶格位相一致的晶体。例如:单晶硅。 多晶体:整块晶体由大量晶粒组成,或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。多晶体是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒组成。例如:常用的金属。 多晶体在宏观上不具有各向异性(但是组成它的每一个微小的单晶体仍具有各向异性),它也有固定的熔点。

单晶和多晶
单晶体:整块晶体由一颗晶粒组成,或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。单晶体是原子排列规律相同,晶格位相一致的晶体。例如:单晶硅。
多晶体:整块晶体由大量晶粒组成,或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。多晶体是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒组成。例如:常用的金属。
多晶体在宏观上不具有各向异性(但是组成它的每一个微小的单晶体仍具有各向异性),它也有固定的熔点


单晶硅和多晶硅
1、在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;
2、在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。
3、在化学活性方面,两者的差异极小,一般都用多晶硅比较多。


晶体生长的方法
晶体生长的方法有:提拉法,坩埚下降法,泡生法,焰熔法,区熔法,弧熔法


提拉法:提拉法又称直拉法,简称CZ法。
提拉法原理为:
1、首先将原料在坩埚中加热融化,调整炉内温度场,使熔体上部处于过冷状态;
2、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;
3、待籽晶表面稍熔后,提拉并转动籽晶杆,熔体此时处于过冷状态,就会结晶在籽晶上,并在提拉和旋转过程中*终生长出圆柱状大块晶体

熔化 → 引晶 → 颈缩 → 放肩 → 等径生长 → 收尾


技术难点:1.温度场的设置和优化;2.熔体的流动和缺陷分析
优点:
1、生长过程可以观察和测试,有利于控制生长调节
2、利用缩颈技术和上等定向籽晶可以减少缺陷
3、生长速度较快(每小时6-15mm)
4、晶体光学均一度高


泡生法
泡生法又称凯式长晶法,简称KY法。
泡生法原理为:将原料加热至熔化形成熔汤,再把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单晶后,晶种以极缓慢的速度拉升一段时间形成晶颈,待凝固速率稳定后,便不再拉升和旋转,仅以控制冷却速率的方式使单晶从上方向下逐渐凝固,*后形成单晶块。


泡生法与提拉法区别在于:
1、不以提拉为主要长晶手段,只拉出晶体头部颈部,其余部分靠温度变化生长。
2、泡生法生长环境比提拉法稳定,容易生长出高质量晶体。
泡生法的优势:整个生长过程晶体不被提出坩埚,可以控制冷却速度,减少热应力。
泡生法的缺点:温度场控制要求更高,生长效率不够高


区熔法

区熔法主要用于锗、GaAS(砷化镓)。竖直区熔法主要用于硅(因为硅熔体温度高,化学性质活泼,容易受异物污染,难以找到合适的舟皿,不能用水平区熔法)
籽晶的引入和缩颈过程和提拉法类似,
为了优化熔区温度杂质分布,晶体上下部分通常加入逆向转动


布里奇曼法
水平布里奇曼法和竖直布里奇曼法
两个温区:加热区和冷却区
坩埚从热区到冷区移动,由于温度下降,熔体在籽晶的引导下凝固结晶,结晶界面随着坩埚的移动朝着熔体方向不断推移
布里奇曼法和坩埚接触紧密,因此晶体生长质量受坩埚影响较大,但是水平布里奇曼法熔体开放面大,应力问题比垂直法小;但是水平布里奇曼法不利于生长径向对称的晶体。
缺点:
需要石英舟或者其他高温稳定材料做出的容器
舟皿壁对晶体生长有杂质污染
舟皿材料要与生长材料的热膨胀系数一致,否则会有生长应力,产生高密度的晶格缺陷。

弧熔法
将压结的粉末原料装于耐火砖槽内,插入料块中的石墨电极放电,使料块中心部分熔化,熔体由周围未熔化的料块所支持,然后降低加热功率,使晶体自发形成核并长大
优点:能生长熔点很高的氧化物晶体,生长方法简单迅速
缺点:投料多,晶体完整性差,生长过程难以控制

焰熔法


晶体生长共性问题
籽晶和引晶工艺非常重要,籽晶有引导晶体生长的作用,如果籽晶质量不好,或者引晶过程操作不当引入缺陷,将会对后续过程产生毁灭性影响
温度场控制,温度越低,生长越快,但是缺陷也越多,温度过低还可能使熔体中产生新的核产生,使籽晶失去唯壹的引导作用,不能得到完整的一块单晶。
生长环境的波动会影响生长质量,如温度波动,机械振动,熔体扰动,应力分布等。


晶体生长应用
提拉法:单晶硅、红蓝宝石、钇铝榴石(YAG) 钇铝榴石硬而不脆,抛光效果好,可以磨出瑞丽的边楞,曾用作钻石的代用品现可用于激发激光
泡生法:蓝宝石,钇铝石榴石
区熔法:超纯单晶硅
布里奇曼法:AgGaSe2(硒镓银)、CdZnTe(碲锌镉 CZT)、碱金属卤化物
CZT广泛用于红外探测器和核辐射探测器
硒镓银晶体可用于激光器
碱金属卤化物可用于电池

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