从熔体中生长单晶体.doc

晶体生长方法599 单晶体生长方法 生晶体有各种不同的方法，至于采用哪一种方法更合适些，可根据结晶物质的物理化学性质来选择下面我们仅就利用熔体、溶液、汽拥和高温高压等方法生长单晶体作简要的介绍o91 从熔体中生长单晶体 从熔体中生长单晶体是最早研究方法之一也是研究得最为广泛的一种技艺，它对现代科学技术的发展起着关键性的作用光学、半导体、激光技术、非线性光学等所需要的单晶材料，大多数是从熔体中生长出来的诸如：碱卤化物晶体、硅(Si)、锗(Ge)、砷化稼(GaA s)、掺钕亿铝石榴石(Nd3： YAG)、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)晶体等 当结晶物质的温度高于熔点时，它就熔化为熔体当熔休的温度低于凝固点时熔体就转变为结晶固体因此，晶体从熔体中生长，只涉及到固液相变过程熔体生长单晶首先要在熔体中引入籽晶，控制单晶成核，然后在籽晶与熔体相界面上进行相变，使其逐渐长大为了促进晶体不断长大，在相界面处的熔体必须过冷，而熔体的其余部分则必须处于过热状态，使其不能自发结晶 从熔休中生长单晶体的最大优点在于：熔体生长速率大多是快于溶液生长 标准的熔体生长速度范围从l毫米/小时、时至若干毫米分，而溶液生长速度范围则从1微米/小时至几个毫米天，两者数量的差别从10一1000倍在熔体生长过程中，生长体系的温度分布与热量输运将起着支配作用另外，杂质分凝效应、相界而的稳定性、流体动力学效应等问题对晶体生长质量均有重要的影响 从溶体中生长单晶体的典型方法，大致有下述几种 (1提拉法 提拉法又称丘克拉斯基(cz)方法，这种方法是在熔体生长中应用最广泛的方法，研究的也比较深入和比较成熟该方法如图925研示 提拉法技术操作要点如下： (i)晶体要同成分地熔化而不分解结晶物质不得与周围环境气氛起反应 (ii)籽晶预热，然后将旋转着的杆晶引入焙体，微熔，再缓慢地提拉 (iii)降低坩埚温度，不断提拉，使籽晶直径变大(即放肩阶段)当坩埚温度达到恒定时，晶体直径不变(等径生长阶段)。要建立起满足提拉速度与生长体系的温度梯度及合理的组合条件 (iv)当晶体已经生长达到所需要的长度后，升高坩埚温度使晶体直径减小，直到晶体与熔体拉脱为止，或者将晶体提出脱离熔体界面 (v)晶体退火 近些年来，由于激光技术的发展，对晶体的质量要求越来越高，从而促进了对提拉法的改进例如：晶体等径生长的自动控制技术、液封技术和导模等技术的应用这些技术的应用对改善晶体质量和提高晶体的有效利用率都是根有帮助的 (2)泡生法 泡生法又称凯罗泡洛斯)法，如图9.26所示这种方法的技术操作要点如下： (i)将籽晶浸入盛放于合适坩埚内的熔体中，当籽晶微熔后，然后降低炉温，或者通过冷却籽晶杆的办法，使籽晶附近熔体过冷，晶体开始生长 (ii)熔休保持一定的温度晶体继续生长，当晶体生长到一定大小后。熔体已将耗尽，将晶体提起液面，然后再缓慢降温，使晶体退火 一般常用这种方法生氏碱卤化合物等光学晶体 (3)坩埚下降法 坩埚下降法又称布里奇曼斯托克巴杰法，如图9-27所尔 用这种方法生长晶体的要求如下： (i)要有与生长晶体、生长气氛和温度相适应的具有一定几何形状的坩埚容器 (ii)加热器能够满足所严格要求的温度梯度 (iii)要有符合要求的测温和控温以及坩埚下降设备有时还需要温度程序化的设备 (iv)熔体要事先进行过热处理，然后将温度降低到稍高于熔化温度，使下降坩埚的尖端进入低温区。此刻晶体生长开始，经过多晶生长淘汰，使在坩埚尖端部分，变为单晶体然后以维持单晶体的正常生长，随着坩埚通过挡板到低温度区，晶体长大。熔体逐渐减少，直到熔体耗尽，晶体生长结束晶体在炉内退火后，即可从坩埚中取出 这种方法操作简便，生长的晶体尺寸也可很大，生长的晶体品种也很多，同时也是培育晶体的一种常用的方法 (4)浮区熔化法 这种方法的装置原理如图928所示 这种方法最大的优点是不需要坩埚，从而避免了坩埚对晶体造成的污染 由于该方法加热温度不受坩埚熔点的限制，因此可用来生长高熔点的晶体，如钨单晶(3400度)等一般常用来生长硅单晶 这种方法的技术操作要点如下： (i)将多晶料棒靠紧籽晶 (ii)射频感应加热，使造成一个熔化区，开始使籽晶微熔而后移动感应加热器 (iii)将熔化区缓慢地向下移动，单晶逐渐长大，稳定的熔区依靠其表面张力与地心重力来维持 (5)焰熔法 这种方法又称为维尔纳叶(vcmeuil)法，这种方法的示意图如图929所示这种方法的设备以及技术上的安排如下： (i)火焰器的精密设计 (ii)粉末料的制备与输运 (iii)籽晶