晶體生長(zhǎng)理論課件

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1、§4晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論一、區(qū)熔提純二、晶體生長(zhǎng)理論基礎(chǔ)1、二元合金相圖概述2、分凝現(xiàn)象與分凝系數(shù)3、區(qū)熔原理1、晶體形成的熱力學(xué)條件2、晶核的形成3、晶體長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)模型一、區(qū)熔提純1、二元合金相圖概述（1）相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相或組織狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。平衡狀態(tài):合金的成分、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。相圖用途：①研究合金的相變、組織形成及變化的規(guī)律；②制定熱加工工藝的重要工具。（2）表示方法T/℃1083℃純Cut/h冷卻曲線相圖LS①純金屬可用一條溫度軸表示出不同溫度下的相狀態(tài)。②

2、二元合金的組成相不僅與溫度有關(guān)，還與合金的成分有關(guān)。如Cu-Ni相圖：相圖分析：2個(gè)點(diǎn)、2條線、3個(gè)區(qū)。測(cè)定方法：熱分析法（最常用）。③二元合金相圖的建立——熱分析法建立相圖的過(guò)程▲配制系列成分的銅鎳合金▲測(cè)出它們的冷卻曲線，得到臨界點(diǎn)▲把這些點(diǎn)標(biāo)在T—成分坐標(biāo)上▲將具有相同意義的點(diǎn)連接成線，標(biāo)明各區(qū)域內(nèi)所存在的相，即得到Cu-Ni合金相圖2、分凝現(xiàn)象與分凝系數(shù)（1）分凝現(xiàn)象定義：含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度不同現(xiàn)象（偏析現(xiàn)象）。（2）平衡分凝系數(shù)在一定溫度T下，平衡狀態(tài)時(shí)，雜質(zhì)在固液兩相中濃度的比值A(chǔ)A（3）有效分凝系數(shù)非平衡狀態(tài)：一定的結(jié)晶速

3、度，結(jié)晶速度大于雜質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散速度雜質(zhì)在界面附近熔體中堆積，形成濃度梯度→加快向熔體內(nèi)部擴(kuò)散→達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，界面排出的雜質(zhì)量與擴(kuò)散等離開(kāi)界面的雜質(zhì)量相等，在界面薄層中濃度梯度不再改變。?為了描述界面處薄層中雜質(zhì)濃度偏離對(duì)固相中的雜質(zhì)濃度的影響,引出有效分凝系數(shù)Keff=CS/CL0Cs:固相雜質(zhì)濃度CL0:熔體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度?界面不移動(dòng)或者移動(dòng)速度→0時(shí)（無(wú)限緩慢結(jié)晶時(shí)）,CL0→CL，Keff→K0?一定速度結(jié)晶時(shí),CL0≠CL，Keff≠K0CS=KeffCL0（4）BPS公式▲描述Keff與K0關(guān)系▲雜質(zhì)在界面附近的擴(kuò)散層中，液流平穩(wěn)，雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)主要是擴(kuò)散，雜質(zhì)分布不

4、均勻，存在濃度梯度▲在熔體內(nèi)部，液流運(yùn)動(dòng)劇烈，雜質(zhì)分布均勻1、f》D/δ時(shí)，Keff→1，即固液中雜質(zhì)濃度差不多.分凝效果不明顯2、f《D/δ時(shí)，Keff→K0，分凝效果明顯為使分凝效應(yīng)顯著，應(yīng)取f＜D/δ的凝固速度（通常f＜10-3cm/s），采用電磁攪拌熔體，會(huì)使擴(kuò)散層中積累的雜質(zhì)加速輸運(yùn)到整個(gè)熔體中去，δ將變小，有助于Keff→K0。3、區(qū)熔原理（1）正常凝固○將一材料錠條全部熔化后，使其從一端向另一端逐漸凝固○三點(diǎn)假設(shè)凝固速度大于固相中擴(kuò)散速度，可忽略雜質(zhì)在固體中的擴(kuò)散。（雜質(zhì)在固體中的擴(kuò)散速度比其凝固速度慢得多，相差7-9個(gè)量級(jí)，此假設(shè)能成立）2.熔體中的擴(kuò)散速度大于凝固速度可

5、認(rèn)為雜質(zhì)在熔體中的分布是均勻的。（攪拌，可達(dá)到均勻）3.雜質(zhì)分凝系數(shù)是常數(shù)。（材料中的雜質(zhì)量原本很少）正常凝固過(guò)程中，Cs沿錠長(zhǎng)的分布由于存在分凝現(xiàn)象，正常凝固后錠條中的雜質(zhì)分布不再是均勻的，會(huì)出現(xiàn)三種情況：K＜1的雜質(zhì)，雜質(zhì)向尾部集中；K＞1的雜質(zhì)，雜質(zhì)向頭部集中；K≈1的雜質(zhì)，基本上保持原有的均勻分布的方式式中C0——為全錠熔化時(shí)的雜質(zhì)總量g——凝固長(zhǎng)度正常凝固法的缺點(diǎn)K小于1的雜質(zhì)在錠尾，K大于1的雜質(zhì)在錠頭，多次提純，每次頭尾去除，造成材料的浪費(fèi)且效率低。解決辦法區(qū)熔提純:它是把材料的一小部分熔化,并使熔區(qū)從錠條的一端移到另一端。（2）區(qū)熔提純利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的

6、熔區(qū)，并令其沿錠長(zhǎng)從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次（多次區(qū)熔）使雜質(zhì)被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純。一次區(qū)熔后錠條中的雜質(zhì)濃度Cs隨距離x變化的分布規(guī)律：式中χ——熔區(qū)已走過(guò)的距離ι——熔區(qū)長(zhǎng)度一次區(qū)熔提純與正常凝固后的雜質(zhì)濃度分布的比較圖（K0=0.01）一次區(qū)熔提純與正常凝固的效果比較▼單就一次提純的效果而言，正常凝固的效果好▼l越大，Cs越小,即熔區(qū)越寬，一次區(qū)熔提純的效果越好▼對(duì)于最后一個(gè)熔區(qū),屬于正常凝固,不服從一次區(qū)熔規(guī)律多次區(qū)熔與極限分布●一次區(qū)熔后,材料的純度仍然達(dá)不到半導(dǎo)體器件的純度要求,所以要進(jìn)行多次區(qū)熔,使得各種雜質(zhì)盡可能的趕到錠條的兩頭,使中間部分

7、達(dá)到要求的程度？對(duì)于一個(gè)有限長(zhǎng)度的錠，能否用區(qū)熔的方法無(wú)限提純多次區(qū)熔的過(guò)程○在凝固界面，對(duì)于k<1的雜質(zhì)，由于分凝作用將部分被排斥到熔區(qū)，并向后攜帶○在熔化界面，錠料的熔化帶入新的雜質(zhì)，并從熔化界面向凝固界面運(yùn)動(dòng)（雜質(zhì)倒流），其結(jié)果是使整個(gè)熔區(qū)雜質(zhì)濃度增加○隨著區(qū)熔次數(shù)的增加，尾部雜質(zhì)越來(lái)越多，濃度梯度越來(lái)越陡，雜質(zhì)倒流越嚴(yán)重極限分布○經(jīng)過(guò)多次區(qū)熔提純后,雜質(zhì)分布狀態(tài)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且不再改變的狀態(tài),這種極限狀態(tài)叫極限分布,也叫最