最全的材料晶體生長(zhǎng)工藝匯總.pdf

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1、最全的材料晶體生長(zhǎng)工藝匯總提拉法提拉法又稱直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，簡(jiǎn)稱CZ法。它是一種直接從熔體中拉制出晶體的生長(zhǎng)技術(shù)。用提拉法能夠生長(zhǎng)無(wú)色藍(lán)寶石、紅寶石、釔鋁榴石、釓鎵榴石、變石和尖晶石等多種重要的人工寶石晶體。提拉法的原理：首先將待生長(zhǎng)的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調(diào)整爐內(nèi)溫度場(chǎng)，使熔體上部處于過冷狀態(tài)；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，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿，使熔體處于過冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，并在不斷提拉和旋轉(zhuǎn)過程中，最終生長(zhǎng)出圓柱狀的大塊單晶體。提拉法的工藝步驟可以分為

2、原料熔化、引晶、頸縮、放肩、等徑生長(zhǎng)、收尾等幾個(gè)階段。具體過程如示意圖。提拉法晶體生長(zhǎng)工藝有兩大應(yīng)用難點(diǎn)：一是溫度場(chǎng)的設(shè)置和優(yōu)化；二是熔體的流動(dòng)和缺陷分析。下圖為提拉法基本的溫度場(chǎng)設(shè)置以及五種基本的熔體對(duì)流模式。在復(fù)雜的工藝條件下，實(shí)際生產(chǎn)需要調(diào)整的參數(shù)很多，例如坩堝和晶體的旋轉(zhuǎn)速率，提拉速率等。因此實(shí)際中熔體的溫度場(chǎng)和流動(dòng)模式也更復(fù)雜。下圖是不同的坩堝和晶體旋轉(zhuǎn)速率下產(chǎn)生的復(fù)雜流動(dòng)示意圖。這兩大應(yīng)用難點(diǎn)對(duì)晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量和效率都有很大影響，是應(yīng)用和科研領(lǐng)域中最關(guān)心的兩個(gè)問題。通常情況下為了減弱熔體對(duì)流，人為地引入外部磁場(chǎng)是一種有效辦法，利用導(dǎo)

3、電流體在磁場(chǎng)中感生的洛倫茲力可以抑制熔體的對(duì)流。常用的磁場(chǎng)有橫向磁場(chǎng)、尖端磁場(chǎng)等。下圖是幾種不同的引入磁場(chǎng)類型示意圖。引入磁場(chǎng)可以在一定程度上減弱對(duì)流，但同時(shí)磁場(chǎng)的引入也加大了仿真模擬的難度，使得生長(zhǎng)質(zhì)量預(yù)測(cè)變的更難，因此需要專業(yè)的晶體生長(zhǎng)軟件才能提供可靠的仿真數(shù)據(jù)。晶體提拉法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在晶體生長(zhǎng)過程中可以直接進(jìn)行測(cè)試與觀察，有利于控制生長(zhǎng)條件；（2）使用優(yōu)質(zhì)定向籽晶和“縮頸”技術(shù)，可減少晶體缺陷，獲得優(yōu)質(zhì)取向的單晶；（3）晶體生長(zhǎng)速度較快；（4）晶體光學(xué)均一性高。晶體提拉法的不足之處在于：（1）坩堝材料對(duì)晶體可能產(chǎn)生污染；（2）熔體

4、的液流作用、傳動(dòng)裝置的振動(dòng)和溫度的波動(dòng)都會(huì)對(duì)晶體的質(zhì)量產(chǎn)生影響。泡生法泡生法又稱為凱氏長(zhǎng)晶法(Kyropoulos?method),簡(jiǎn)稱KY法。其原理與直拉法類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再把單晶種(SeedCrystal，又稱籽晶)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長(zhǎng)和晶種具有相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后整體凝固成一個(gè)單晶晶碇。下圖是泡生法的設(shè)備裝置

5、示意圖。泡生法與提拉法最大的區(qū)別是，泡生法不以提拉為主要的長(zhǎng)晶手段，泡生法在晶體生長(zhǎng)過程中只拉出晶體頭部頸部，晶體其余部分依靠溫度變化來(lái)生長(zhǎng)，通過設(shè)置溫度梯度使得熔體結(jié)晶逐步往下進(jìn)行，結(jié)晶界面始終在熔體中推移和擴(kuò)展。下圖左邊是泡生法的生長(zhǎng)過程示意圖，右邊是生長(zhǎng)開始和生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)候的示意圖?？梢娕萆ㄉL(zhǎng)環(huán)境比提拉法穩(wěn)定，容易生產(chǎn)出高質(zhì)量晶體。泡生法技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1）在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)?？梢钥刂评鋮s速度，減小熱應(yīng)力；2）晶體生長(zhǎng)時(shí)，固液界面處于熔體包圍中，生長(zhǎng)穩(wěn)定，熱應(yīng)力小，缺陷少；3）可以選用軟水作為熱交換器內(nèi)的工作

6、流體，裝置成本低，效果好；缺點(diǎn)：1）生長(zhǎng)難點(diǎn)是溫度場(chǎng)的控制比提拉法要求更高。容易受到機(jī)械振動(dòng)影響。2）生長(zhǎng)速度比提拉法低，效率不夠高。區(qū)熔法區(qū)熔法可以分為水平區(qū)熔法和豎直區(qū)熔法，原理相似，都是通過控制熔區(qū)移動(dòng)來(lái)生長(zhǎng)晶體的工藝，只是晶料取向不同，兩種方法的原理示意圖如下。水平區(qū)熔法使用坩堝等舟皿來(lái)盛裝原料，左邊接籽晶，熔區(qū)從左端開始右移，結(jié)晶也從左邊開始，結(jié)晶直接在坩堝或者舟皿中進(jìn)行。豎直區(qū)熔法又稱為懸浮區(qū)熔法，F(xiàn)loat?ZoneMethod，簡(jiǎn)稱FZ法，是因熔區(qū)懸浮而得名，這種方法不需要使用坩堝。它是利用熱能在半導(dǎo)體棒料的底端產(chǎn)生熔區(qū)，調(diào)節(jié)

7、溫度區(qū)域使熔區(qū)緩慢地向棒的上端移動(dòng)，使結(jié)晶區(qū)域也向上移動(dòng)，最后通過整根棒料，使原料生長(zhǎng)成一根完整單晶棒的晶體生長(zhǎng)方法。對(duì)于兩種不同的區(qū)熔法，水平區(qū)熔法和豎直懸浮區(qū)熔法，前者主要用于鍺、GaAs等。后者主要用于硅。這是由于硅熔體的溫度高，化學(xué)性能活潑，容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，因此不能采用水平區(qū)熔法。下面以豎直區(qū)熔法為例，裝置示意圖如下。熔區(qū)的加熱用感應(yīng)線圈來(lái)進(jìn)行。為了優(yōu)化熔區(qū)溫度雜質(zhì)分布，晶體上下部分通常還要加入逆向的轉(zhuǎn)動(dòng)。晶體生長(zhǎng)工藝流程如下，熔區(qū)從下往上推移，這可以通過原料棒下移，或者加熱線圈上移來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了生產(chǎn)單晶，籽晶的

8、引入和縮頸過程跟提拉法類似。豎直區(qū)熔法的熔區(qū)范圍比較窄，溫度梯度比較大，此外不需要使用坩堝，熔體直接懸浮進(jìn)行晶體生長(zhǎng)是它最大的特點(diǎn)，可以減少晶體與坩堝之間的雜質(zhì)污染