1、熔體生長法熔體生長法 u 分類分類 u 相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力 u 提拉法提拉法 u 布里奇曼布里奇曼斯托克巴格法（斯托克巴格法（B-SB-S法）法） u 區(qū)域熔化技術(shù)區(qū)域熔化技術(shù) 一、分類一、分類 根據(jù)熔區(qū)的特點，將熔體生長的方法分為兩大類： 正常凝固法：正常凝固法： （1）在晶體開始生長的時候，全部材料均處于熔態(tài)(引入的籽晶 除外)。 （2）在生長過程中，材料體系由晶體和熔體兩部分所組成。 區(qū)域熔化法：區(qū)域熔化法： （1）固體材料中只有一小段區(qū)域處于熔態(tài)，材料體系由晶體、熔 體和多晶原料三部分所組成。 （2）體系中存在著兩個固液界面，一個界面上發(fā)生結(jié)晶過程， 而另一個界面上發(fā)生多晶原料的熔化

2、過程。 二、相變驅(qū)動力 對于熔體生長體系，熔體溫度T低于熔點Tm，自由能之差： ( )( )h TT S T 通常，過冷度T較小， h(T) h(Tm), S(T) S(Tm). 溫度為T時，單個原子由熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w時吉布斯自由能減少量： m T Gl T 熔體生長驅(qū)動力： m Gl T F VVT 式中l(wèi)為熔化潛熱，V為單個原子的體積。 三、提拉法：丘克拉斯基（Czochralski）技術(shù) 1.1.基本原理：基本原理： 將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提 拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原 子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。 2.2.

3、生長工藝：生長工藝： l將待生長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，使熔體上部處于過冷狀態(tài)； l在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表 面稍熔后，提拉并轉(zhuǎn)動籽晶桿，使熔體處于過冷狀態(tài)而結(jié)晶于 籽晶上，在不斷提拉和旋轉(zhuǎn)過程中，生長出晶體。 3. 3. 提拉法提拉法的的裝置：裝置： （1）加熱加熱系統(tǒng)系統(tǒng)：由加熱、保 溫、控溫三部分構(gòu)成。 （2）坩堝和籽晶坩堝和籽晶夾夾 （3）傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)：由籽晶桿、坩 堝軸和升降系統(tǒng)組成。 （4）氣氛控制系統(tǒng)氣氛控制系統(tǒng)：由真空 裝置和充氣裝置組成 （5）后后加熱器加熱器：調(diào)節(jié)晶體和 熔體之間的溫度梯度，控制晶 體的直徑，

4、避免組分過冷現(xiàn)象 引起晶體破裂。 4. 4. 提拉法優(yōu)缺點：提拉法優(yōu)缺點： （1）主要優(yōu)點主要優(yōu)點： 在生長過程中，可以方便地觀察晶體的生長狀況； 晶體在熔體的自由表面處生長，顯著減小晶體的應(yīng)力并防 止坩堝壁上的寄生成核； 可以方便地使用定向籽晶和“縮頸”工藝，以得到完整的 晶體和所需取向的晶體； 能夠以較快的速率生長較高質(zhì)量的晶體。 （2 2）缺點：）缺點： u 坩堝材料對晶體可能產(chǎn)生污染； u對于那些反應(yīng)性較強或熔點極高的材料，就難以找到 合適的坩堝； u熔體的液流作用、傳動裝置的振動和溫度的波動影響 晶體的質(zhì)量。 5. 5. 晶體生長的關(guān)鍵點：晶體生長的關(guān)鍵點： n 合理控制熔體的溫度

5、n 提拉的速率：決定晶體生長速度和質(zhì)量，一般提拉速 率為每小時6-15 mm。 6.6.提拉法提拉法的改進的改進 (1)晶體直徑的自動控制技術(shù)(ADC技術(shù)) ：使生長過程的控制 實現(xiàn)了自動化，提高了晶體的質(zhì)量和成品率； (2)液相封蓋技術(shù)和高壓單晶爐(LEC技術(shù))： 可以生長那些具 有較高蒸氣壓或高離解壓的材料； (3)導(dǎo)模法(EFG技術(shù)）：可以按照所需要的形狀（片、帶、管、 纖維狀）和尺寸來生長晶體，晶體的均勻性也得到改善。 7. 單晶硅的制備單晶硅的制備 制備多晶硅放入籽晶 提取籽晶 放肩 單晶單晶SiSi制備工藝過程：制備工藝過程： （1）準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備好籽晶和多晶料。 （2）裝爐：將制

6、備的原料多晶料裝填在坩堝內(nèi)，放入提拉爐，并 用保溫材料密封。 （3）上籽晶：將籽晶裝在籽晶桿上，并將籽晶桿固定在提拉桿上。 （4）化料：將多晶料經(jīng)過一定的升溫過程升溫到特定的溫度，使 得多晶料熔融，并保持一個合適的溫場（溫度梯度）。 （5）下種：降低提拉桿使籽晶接觸熔體液面。 （6）提拉：晶體提拉過程又可以分成收頸、放肩、等徑生長、收 尾等步驟。 （7）出爐：晶體生長完成后，經(jīng)過合適的降溫步驟，爐溫降至室 溫，就可以把晶體取出。 四、布里奇曼四、布里奇曼斯托克巴格法（斯托克巴格法（B-SB-S法）法） l 基本原理基本原理： 坩堝在結(jié)晶爐中下降，通過溫度梯度較大中區(qū)域時，熔體在坩堝中自 下而上

7、結(jié)晶為整塊晶體。這個過程也可用結(jié)晶爐沿著坩堝上升，或者 坩堝和結(jié)晶爐都不動，而是通過結(jié)晶爐緩慢降溫來實現(xiàn)。 l 特點：特點： 熔體在坩堝中冷卻而凝固。坩堝可以垂直放置，也可以水平放置(使用 “舟”形坩堝)，如下圖所示。生長時，將原料放入具有特殊形狀的 坩堝里，加熱使之熔化。通過下降裝置使坩堝在具有一定溫度梯度的 結(jié)晶爐內(nèi)緩緩下降，經(jīng)過溫度梯度最大的區(qū)域時，熔體便會在坩堝內(nèi) 自下由上地結(jié)晶為整塊晶體。 B-S法示意圖 l優(yōu)點優(yōu)點： （1）成分容易控制； （2）適于生長大塊晶體，一爐同時生長幾塊晶體； （3）由于該法工藝條件容易掌握，易于實現(xiàn)程序化、自 動化。 l缺點缺點： （1）不適于生長在結(jié)晶

8、時體積增大的晶體； （2）生長的晶體通常有較大的內(nèi)應(yīng)力； （3）在晶體生長過程中，也難于直接觀察，生長周期比 較長。 CuCu單晶的制備單晶的制備 （1）準(zhǔn)備：準(zhǔn)備：純度為99. 999%的電解銅 條,分析純稀硝酸清洗處理； （2）裝爐：裝爐：將原料裝入特制的鍍碳石 英生長坩堝內(nèi)； （3） 抽抽真空：真空：至1 x10-3 Pa封結(jié)。 （4）單晶生長：單晶生長：將生長坩堝放入單晶 生長爐的高溫區(qū), 緩慢升溫至1060 度, 保溫24 h, 原料充分熔化后開始慢速 下降, 下降速度約為10 mm /h；當(dāng)生 長坩堝尖部到達熔體結(jié)晶溫度附近位 置時, 改用10 mm /d的下降速度進行 晶體生長；

9、 （5）降溫：降溫：生長完畢后關(guān)閉電源自然 降溫。 四、區(qū)熔法四、區(qū)熔法 該方法與水平B BS S方法( (坩堝下降法) )大體相同，不過熔區(qū) 被限制在一段狹窄的范圍內(nèi)，而絕大部分材料處于固態(tài)。 隨著熔區(qū)沿著料錠由一端向另一端緩慢移動，晶體的生長 過程也就逐漸完成。 優(yōu)點：減小了坩堝對熔體的污染( (減少了接觸面積) )，并降 低了加熱功率。這種區(qū)熔過程可以反復(fù)進行，從而提高了 晶體的純度。 分為水平區(qū)熔水平區(qū)熔、浮區(qū)熔浮區(qū)熔和基座區(qū)熔基座區(qū)熔三種，其中后兩種為無 坩堝技術(shù)。 結(jié)構(gòu)示意圖 五、五、熱交換熱交換法法(HEM)(HEM) 1. 1. 基本原理基本原理： 利用熱交換器來帶走熱量，使得

10、晶體生長區(qū)內(nèi)形成一下 冷上熱縱向溫度梯度。 由控制熱交換器內(nèi)氣體流量的大小及改變加熱功率的大 小來控制此一溫度梯度，使坩堝內(nèi)溶液由下慢慢向上凝 固成晶體。 （1)先加熱熔化坩堝內(nèi)的原料,使 熔體溫度保持略高于熔點5-10。 （2)坩堝底部的籽晶部分被熔化, 爐體緩慢下降。 （3)開通He氣冷卻。 （4)熔體就被部分熔化的籽晶為核 心,逐漸生長出充滿整個坩堝的大 塊單晶。 2. 2. 晶體晶體的的生長生長 熱交換法爐體示意圖 3.3.熱交換熱交換法法的優(yōu)點的優(yōu)點 （1) 固/液界面位于坩堝內(nèi)，且沒有拉伸的操作，不易受 到外力干擾； （2) 能夠分別控制熔化區(qū)及結(jié)晶區(qū)的溫度梯度； （3）晶體自下向

11、上生長，晶體內(nèi)氣泡缺陷較少； （4) 溫度梯度是由下向上，與重力方向相反，可減少自 然對流的影響； （5) 可直接在爐內(nèi)退火，減少晶體內(nèi)應(yīng)力； （6) 易于生長大尺寸晶體。 4.4.熱交換熱交換法法的的缺缺點點 （1) 不適于強烈腐蝕坩堝的材料 （2) 生長過程中和坩堝壁接觸，晶體內(nèi)會有較大內(nèi)應(yīng)力。 （3) 氦氣價格昂貴。 （4) 氦氣流量難以精確控制，氦氣易形成湍流，影響調(diào) 節(jié)溫度梯度。 六、六、泡泡生法生法(KY)(KY) u泡生法 Kyropoulos method 由美國Kyropouls 發(fā)明。 u將一根受冷的籽晶與熔體接觸，如果界面的溫度低于凝 固點，則籽晶開始生長，為了使晶體不斷

12、長大，就需要 逐漸降低熔體的溫度，同時旋轉(zhuǎn)晶體，以改善熔體的溫 度分布。也可以緩慢的（或分階段的）上提晶體，以擴 大散熱面。 u晶體在生長過程中或生長結(jié)束時不與坩堝壁接觸，這就 大大減少了 晶體的應(yīng)力。當(dāng)晶體與剩余的熔體脫離時， 通常會產(chǎn)生較大的熱沖擊，其產(chǎn)出晶體缺陷密度遠低于 提拉法生長的晶體。 u將晶體原料放入耐高溫的坩 堝中加熱熔化 ,調(diào)整爐內(nèi)溫度 場 ,使熔體上部處于稍高于熔 點的狀態(tài); u使籽晶桿上的籽晶接觸熔融 液面 ,待其表面稍熔后 ,降低 表面溫度至熔點 ,提拉并轉(zhuǎn)動 籽晶桿 ,使熔體頂部處于過冷 狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上 ,在不斷 提拉的過程中 ,生長出晶體。 泡生法生長示意圖 七、溫度梯度七、溫度梯度法法 (TGT)(TGT) p 以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體單結(jié)晶方法。 p 溫度梯度法溫度梯度法特點特點： （1) 晶體生長時溫度梯度與重力方向相反，并且坩堝、 晶體和發(fā)熱體都不移動，避免了熱對流和機械運動產(chǎn)生 的熔體渦流； （2) 晶體生長以后，由熔體包圍，仍處于熱區(qū)?？梢钥?制它的冷卻速度，減少熱應(yīng)力； （3) 晶體