bridgman的晶體生長技術(shù)

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1、Bridgman的晶體生長技術(shù)Bridgman的晶體生長技術(shù)1.Bridgeman法晶體生長技術(shù)簡介Bridgman法是由Bridgman于１９２５年提出的。傳統(tǒng)Bridgman法晶體生長的基本原理如圖.1所示。將晶體生長的原料裝入合適的容器中，在具有單向溫度梯度的Bridgman長晶爐內(nèi)進(jìn)行生長。Bridgman長晶爐通常采用管式結(jié)構(gòu)，并分為３個區(qū)域，即加熱區(qū)、梯度區(qū)和冷卻區(qū)。加熱區(qū)的溫度高于晶體的熔點(diǎn)，冷卻區(qū)低于晶體熔點(diǎn)，梯度區(qū)的溫度逐漸由加熱區(qū)溫度過渡到冷卻區(qū)溫度，形成一維的溫度梯度。首先將坩堝置于加熱區(qū)進(jìn)行熔化，并在一定的過熱度下恒溫一段時

2、間，獲得均勻的過熱熔體。然后通過爐體的運(yùn)動或坩堝的移動使坩堝由加熱區(qū)穿過梯度區(qū)向冷卻區(qū)運(yùn)動。坩堝進(jìn)入梯度區(qū)后熔體發(fā)生定向冷卻，首先達(dá)到低于熔點(diǎn)溫度的部分發(fā)生結(jié)晶，并隨著坩堝的連續(xù)運(yùn)動而冷卻，結(jié)晶界面沿著與其運(yùn)動相反的方向定向生長，實(shí)現(xiàn)晶體生長過程的連續(xù)進(jìn)行。圖１　Bridgman法晶體生長的基本原理（ａ）基本結(jié)構(gòu)；（ｂ）溫度分布?！D１.所示坩堝軸線與重力場方向平行，高溫區(qū)在上方，低溫區(qū)在下方，坩堝從上向下移動，實(shí)現(xiàn)晶體生長。該方法是最常見的Bridgman法，稱為垂直Bridgman法。除此之外，另一種應(yīng)用較為普遍的是的水平Bridgman法其溫

3、度梯度（坩堝軸線）方向垂直于重力場。垂直Bridgman法利于獲得圓周方向?qū)ΨQ的溫度場和對流模式，從而使所生長的晶體具有軸對稱的性質(zhì)；而水平Bridgman法的控制系統(tǒng)相對簡單，并能夠在結(jié)晶界面前沿獲得較強(qiáng)的對流，進(jìn)行晶體生長行為控制。同時，水平Bridgman法還有利于控制爐膛與坩堝之間的對流換熱，獲得更高的溫度梯度。此外，也有人采用坩堝軸線與重力場成一定角度的傾斜Bridgman法進(jìn)行晶體生長。而垂直Bridgman法也可采用從上向下生長的方式。2.Bridgman法的結(jié)構(gòu)組成典型垂直Bridgman法晶體生長設(shè)備包括執(zhí)行單元和控制單元。其中執(zhí)

4、行單元的結(jié)構(gòu)，由爐體、機(jī)械傳動系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)３個部分構(gòu)成。爐體部分采用管式爐，通過多溫區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一維的溫度分布，獲得晶體生長的溫度場。生長晶體的坩堝通過一個支撐桿放置在爐膛內(nèi)的一維溫度場中，如圖１所示。機(jī)械傳動部分包括電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)。減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為平移運(yùn)動，控制坩堝與溫度場的相對運(yùn)動。可以采取控制爐體的上升或坩堝的下降兩種方式實(shí)現(xiàn)晶體生長速率的控制。通常Bridgman生長設(shè)備還包括坩堝旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過另外一個電機(jī)驅(qū)動坩堝支撐桿轉(zhuǎn)動，控制坩堝在爐膛內(nèi)按照設(shè)定的方式和速率轉(zhuǎn)動，進(jìn)行溫度場和對流控制。支撐結(jié)構(gòu)提供一個穩(wěn)定的平臺，用于固定

5、爐體和機(jī)械傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其相對定位。在支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)，保證晶體生長速率的穩(wěn)定性。控制單元包括溫度控制和機(jī)械傳動控制。溫度控制主要進(jìn)行不同加熱段加熱功率的調(diào)節(jié)，形成恒定的溫度場。通常通過熱電偶等測溫元件提供溫度信息，進(jìn)行實(shí)時控制。機(jī)械傳動控制部分進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)坩堝或爐體移動速度的控制，以及坩堝的旋轉(zhuǎn)。3.坩堝的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)坩堝是直接與所生長的晶體及其熔體接觸的，并且對晶體生長過程的傳熱特性具有重要的影響。因此，坩堝材料的選擇是晶體生長過程能否實(shí)現(xiàn)以及晶體結(jié)晶質(zhì)量優(yōu)劣的控制因素之一。坩堝材料的選擇是由所生長的晶體及其

6、在熔融狀態(tài)下的性質(zhì)決定的。對于給定的晶體材料，所選坩堝材料應(yīng)該滿足以下物理化學(xué)性質(zhì)：（１）有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，不與晶體或熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（２）具有足夠高的純度，不會在晶體生長過程中釋放出對晶體有害的雜質(zhì)、污染晶體材料，或與晶體發(fā)生粘連。（３）具有較高的熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度，在晶體生長溫度下仍保持足夠高的強(qiáng)度，并且在高溫下不會發(fā)生分解、氧化等。（４）具有一定的導(dǎo)熱能力，便于在加熱區(qū)對熔體加熱或在冷卻區(qū)進(jìn)行晶體的冷卻。但導(dǎo)熱能力太強(qiáng)對晶體生長是不利的。坩堝的導(dǎo)熱特性對晶體生長過程的影響較為復(fù)雜，通過具體的傳熱計(jì)算才能準(zhǔn)確理解。（５）具有可加工性，便于根據(jù)晶

7、體生長的需要加工成不同的形狀。特別是在生長高蒸氣壓或易氧化的材料時，要進(jìn)行坩堝的焊封，對其可加工性和高溫強(qiáng)度要求更高。（６）具有與晶體材料匹配的熱膨脹特性，不會在晶體生長過程中對晶體形成較大的壓應(yīng)力，并在晶體生長結(jié)束后易于取出。4.溫度場的控制方法如圖１所示，晶體的結(jié)晶過程是在溫度梯度區(qū)內(nèi)完成的，維持一個穩(wěn)定的溫度梯度是晶體生長過程中溫度控制的關(guān)鍵。從維持平面結(jié)晶界面的角度考慮，溫度梯度應(yīng)該較大，但過大的溫度梯度可能導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)較大的應(yīng)力，對晶體結(jié)晶質(zhì)量的控制不利。同時，過大的溫度梯度也會帶來溫度控制技術(shù)上的困難。因此，實(shí)際溫度梯度應(yīng)針對具體的晶

8、體材料，綜合多個因素確定。溫度梯度的控制通常是通過控制加熱區(qū)的溫度、冷卻區(qū)的溫度及梯度區(qū)的長度實(shí)現(xiàn)的。假定加熱區(qū)的溫度恒定