Bridgman的晶體生長技術Bridgman的晶體生長技術1.Bridgeman法晶體生長技術簡介Bridgman法是由Bridgman于年提出的。傳統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長晶爐內進行生長。Bridgman長晶爐通常采用管式結構，并分為個區域，即加熱區、梯度區和冷卻區。加熱區的溫度高于晶體的熔點，冷卻區低于晶體熔點，梯度區的溫度逐漸由加熱區溫度過渡到冷卻區溫度，形成一維的溫度梯度。首先將坩堝置于加熱區進行熔化，并在一定的過熱度下恒溫一段時間，獲得均勻的過熱熔體。然后通過爐體的運動或坩堝的移動使坩堝由加熱區穿過梯度區向冷卻區運動。坩堝進入梯度區后熔體發生定向冷卻，首先達到低于熔點溫度的部分發生結晶，并隨著坩堝的連續運動而冷卻，結晶界面沿著與其運動相反的方向定向生長，實現晶體生長過程的連續進行。 圖Bridgman法晶體生長的基本原理（）基本結構； （）溫度分布。圖.所示坩堝軸線與重力場方向平行，高溫區在上方，低溫區在下方，坩堝從上向下移動，實現晶體生長。該方法是最常見的Bridgman法，稱為垂直Bridgman法。除此之外，另一種應用較為普遍的是的水平Bridgman法其溫度梯度（坩堝軸線）方向垂直于重力場。垂直Bridgman法利于獲得圓周方向對稱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；而水平Bridgman法的控制系統相對簡單，并能夠在結晶界面前沿獲得較強的對流，進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法的結構組成典型垂直Bridgman法晶體生長設備包括執行單元和控制單元。其中執行單元的結構，由爐體、機械傳動系統和支撐結構個部分構成。爐體部分采用管式爐，通過多溫區的結構設計實現一維的溫度分布，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的一維溫度場中，如圖所示。機械傳動部分包括電機和減速機構。減速機構將電機的轉動轉換為平移運動，控制坩堝與溫度場的相對運動。可以采取控制爐體的上升或坩堝的下降兩種方式實現晶體生長速率的控制。通常Bridgman生長設備還包括坩堝旋轉機構，通過另外一個電機驅動坩堝支撐桿轉動，控制坩堝在爐膛內按照設定的方式和速率轉動，進行溫度場和對流控制。支撐結構提供一個穩定的平臺，用于固定爐體和機械傳動系統，實現其相對定位。在支撐結構中設計位置調節結構和減震結構，保證晶體生長速率的穩定性。控制單元包括溫度控制和機械傳動控制。溫度控制主要進行不同加熱段加熱功率的調節，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，進行實時控制。機械傳動控制部分進行電機轉速控制，從而實現坩堝或爐體移動速度的控制，以及坩堝的旋轉。3.坩堝的選材與結構設計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現以及晶體結晶質量優劣的控制因素之一。坩堝材料的選擇是由所生長的晶體及其在熔融狀態下的性質決定的。對于給定的晶體材料，所選坩堝材料應該滿足以下物理化學性質：（）有較高的化學穩定性，不與晶體或熔體發生化學反應。（）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、污染晶體材料，或與晶體發生粘連。（）具有較高的熔點和高溫強度，在晶體生長溫度下仍保持足夠高的強度，并且在高溫下不會發生分解、氧化等。（）具有一定的導熱能力，便于在加熱區對熔體加熱或在冷卻區進行晶體的冷卻。但導熱能力太強對晶體生長是不利的。坩堝的導熱特性對晶體生長過程的影響較為復雜，通過具體的傳熱計算才能準確理解。（）具有可加工性，便于根據晶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，要進行坩堝的焊封，對其可加工性和高溫強度要求更高。（）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力，并在晶體生長結束后易于取出。4.溫度場的控制方法如圖所示，晶體的結晶過程是在溫度梯度區內完成的，維持一個穩定的溫度梯度是晶體生長過程中溫度控制的關鍵。從維持平面結晶界面的角度考慮，溫度梯度應該較大，但過大的溫度梯度可能導致晶體中出現較大的應力，對晶體結晶質量的控制不利。同時，過大的溫度梯度也會帶來溫度控制技術上的困難。因此，實際溫度梯度應針對具體的晶體材料，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的溫度、冷卻區的溫度及梯度區的長度實現的。假定加熱區的溫度恒定為T1，冷卻區的溫度恒定為T2，梯度區的長度為L，則梯度區的平均溫度梯度為: G = (T1-T2)/L實際上，由于爐膛內的溫度分布是由傳熱原理控制的，其溫度的分布是非線性的，可以通過實際測溫或計算方法確定結晶界面附近的溫度分布及梯度。同時，值得指出的是，坩堝的存在將對溫度分布產生影響，因此需要將爐膛、坩堝以及其中的熔體和晶體作為一個整體的換熱體系進行分析計算。從晶體生長的角度考慮，希望加熱區和冷卻區的溫度分布盡可能均勻，而梯度區的爐膛最好是絕熱的，從而可以獲得理想的一維溫度場。5. 生長速率的控制方法在Bridgman法晶體生長過程中，生長速率的控制是通過控制爐體和坩堝的相對運動實現的。對于圖所示的垂直Bridgman法晶體生長過程，可以通過控制爐體均勻上行或坩堝均勻下行的速率實現，還可以同時控制爐體和坩堝同向或反向運動，控制其相對速率，坩堝與爐體的相對運動速度稱為抽拉速率，記為犞。當兩者反向運動時，抽拉速度是二者運動速率的和，可以獲得較大的生長速率；而二者同向運動時，抽拉速率是二者運動速度的差，可以獲得更低的抽拉速率。晶體的實際生長速率犚，即結晶界面的移動速率，是由抽拉速度決定的，但二者通常并不相等。Bridgman法晶體生長過程中，抽拉速率的控制是由一個高精度的機電控制系統完成的。該系統不僅要實現電機的旋轉運動向直線運動的轉換，而且由于晶體生長的低