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      晶體生長方法

      日期:2021-10-28 04:18
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      摘要:單晶和多晶 單晶體:整塊晶體由一顆晶粒組成,或是能用一個空間點陣圖形貫穿整個晶體。單晶體是原子排列規律相同,晶格位相一致的晶體。例如:單晶硅。 多晶體:整塊晶體由大量晶粒組成,或是不能用一個空間點陣圖形貫穿整個晶體。多晶體是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒組成。例如:常用的金屬。 多晶體在宏觀上不具有各向異性(但是組成它的每一個微小的單晶體仍具有各向異性),它也有固定的熔點。

      單晶和多晶
      單晶體:整塊晶體由一顆晶粒組成,或是能用一個空間點陣圖形貫穿整個晶體。單晶體是原子排列規律相同,晶格位相一致的晶體。例如:單晶硅。
      多晶體:整塊晶體由大量晶粒組成,或是不能用一個空間點陣圖形貫穿整個晶體。多晶體是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒組成。例如:常用的金屬。
      多晶體在宏觀上不具有各向異性(但是組成它的每一個微小的單晶體仍具有各向異性),它也有固定的熔點


      單晶硅和多晶硅
      1、在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面,遠不如單晶硅明顯;
      2、在電學性質方面,多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著,甚至于幾乎沒有導電性。
      3、在化學活性方面,兩者的差異極小,一般都用多晶硅比較多。


      晶體生長的方法
      晶體生長的方法有:提拉法,坩堝下降法,泡生法,焰熔法,區熔法,弧熔法


      提拉法:提拉法又稱直拉法,簡稱CZ法。
      提拉法原理為:
      1、首先將原料在坩堝中加熱融化,調整爐內溫度場,使熔體上部處于過冷狀態;
      2、然后在籽晶桿上安放一粒籽晶,讓籽晶下降至接觸熔體表面;
      3、待籽晶表面稍熔后,提拉并轉動籽晶桿,熔體此時處于過冷狀態,就會結晶在籽晶上,并在提拉和旋轉過程中*終生長出圓柱狀大塊晶體

      熔化 → 引晶 → 頸縮 → 放肩 → 等徑生長 → 收尾


      技術難點:1.溫度場的設置和優化;2.熔體的流動和缺陷分析
      優點:
      1、生長過程可以觀察和測試,有利于控制生長調節
      2、利用縮頸技術和上等定向籽晶可以減少缺陷
      3、生長速度較快(每小時6-15mm)
      4、晶體光學均一度高


      泡生法
      泡生法又稱凱式長晶法,簡稱KY法。
      泡生法原理為:將原料加熱至熔化形成熔湯,再把籽晶接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上開始生長單晶后,晶種以極緩慢的速度拉升一段時間形成晶頸,待凝固速率穩定后,便不再拉升和旋轉,僅以控制冷卻速率的方式使單晶從上方向下逐漸凝固,*后形成單晶塊。


      泡生法與提拉法區別在于:
      1、不以提拉為主要長晶手段,只拉出晶體頭部頸部,其余部分靠溫度變化生長。
      2、泡生法生長環境比提拉法穩定,容易生長出高質量晶體。
      泡生法的優勢:整個生長過程晶體不被提出坩堝,可以控制冷卻速度,減少熱應力。
      泡生法的缺點:溫度場控制要求更高,生長效率不夠高


      區熔法

      區熔法主要用于鍺、GaAS(砷化鎵)。豎直區熔法主要用于硅(因為硅熔體溫度高,化學性質活潑,容易受異物污染,難以找到合適的舟皿,不能用水平區熔法)
      籽晶的引入和縮頸過程和提拉法類似,
      為了優化熔區溫度雜質分布,晶體上下部分通常加入逆向轉動


      布里奇曼法
      水平布里奇曼法和豎直布里奇曼法
      兩個溫區:加熱區和冷卻區
      坩堝從熱區到冷區移動,由于溫度下降,熔體在籽晶的引導下凝固結晶,結晶界面隨著坩堝的移動朝著熔體方向不斷推移
      布里奇曼法和坩堝接觸緊密,因此晶體生長質量受坩堝影響較大,但是水平布里奇曼法熔體開放面大,應力問題比垂直法??;但是水平布里奇曼法不利于生長徑向對稱的晶體。
      缺點:
      需要石英舟或者其他高溫穩定材料做出的容器
      舟皿壁對晶體生長有雜質污染
      舟皿材料要與生長材料的熱膨脹系數一致,否則會有生長應力,產生高密度的晶格缺陷。

      弧熔法
      將壓結的粉末原料裝于耐火磚槽內,插入料塊中的石墨電極放電,使料塊中心部分熔化,熔體由周圍未熔化的料塊所支持,然后降低加熱功率,使晶體自發形成核并長大
      優點:能生長熔點很高的氧化物晶體,生長方法簡單迅速
      缺點:投料多,晶體完整性差,生長過程難以控制

      焰熔法


      晶體生長共性問題
      籽晶和引晶工藝非常重要,籽晶有引導晶體生長的作用,如果籽晶質量不好,或者引晶過程操作不當引入缺陷,將會對后續過程產生毀滅性影響
      溫度場控制,溫度越低,生長越快,但是缺陷也越多,溫度過低還可能使熔體中產生新的核產生,使籽晶失去唯壹的引導作用,不能得到完整的一塊單晶。
      生長環境的波動會影響生長質量,如溫度波動,機械振動,熔體擾動,應力分布等。


      晶體生長應用
      提拉法:單晶硅、紅藍寶石、釔鋁榴石(YAG) 釔鋁榴石硬而不脆,拋光效果好,可以磨出瑞麗的邊楞,曾用作鉆石的代用品現可用于激發激光
      泡生法:藍寶石,釔鋁石榴石
      區熔法:超純單晶硅
      布里奇曼法:AgGaSe2(硒鎵銀)、CdZnTe(碲鋅鎘 CZT)、堿金屬鹵化物
      CZT廣泛用于紅外探測器和核輻射探測器
      硒鎵銀晶體可用于激光器
      堿金屬鹵化物可用于電池

      豫公網安備 41019702002438號

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