晶体材料基础晶体生长方法学习教案

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1、会计学1晶体晶体(jngt)材料基础材料基础 晶体晶体(jngt)生长方法生长方法第一页，共140页。g)(3) 气相生气相生长长(shngzhng)(4) 固相生固相生长长(shngzhng)晶体生长方法晶体生长方法(fngf)：2第1页/共139页第二页，共140页。溶液法：方法简单，生长速度慢，晶体应力小，均匀性好溶液法：方法简单，生长速度慢，晶体应力小，均匀性好 降温法降温法 恒温蒸发恒温蒸发(zhngf)(zhngf)法法 循环流动法循环流动法 温差水热法温差水热法 助熔剂法助熔剂法熔体法：生长熔体法：生长(shngzhng)(shngzhng)速度快，晶体的纯度及完整性高速度快，晶

2、体的纯度及完整性高凝固析晶法凝固析晶法坩埚下降法坩埚下降法提拉法提拉法泡生法泡生法浮区法浮区法焰熔法焰熔法 导模法导模法气相法：生长速度慢，晶体纯度高、完整性好，宜于薄膜生长气相法：生长速度慢，晶体纯度高、完整性好，宜于薄膜生长 升华法升华法 反应反应(fnyng)(fnyng)法法 热解法热解法固相法：主要靠固体材料中的扩散使非晶或多晶转变为单晶，由于扩散速度小，不宜于生长大块晶体固相法：主要靠固体材料中的扩散使非晶或多晶转变为单晶，由于扩散速度小，不宜于生长大块晶体 高压法、再结晶法高压法、再结晶法3第2页/共139页第三页，共140页。分分类类水溶液生长水溶液生长(shngzhng)水热

3、法水热法 高温溶液法高温溶液法 （助熔剂法、熔盐法）（助熔剂法、熔盐法）生长条件生长条件压力压力温度温度溶剂溶剂水溶液生长水溶液生长常压常压低温低温( TATC缺点缺点：设备复杂，温度梯度和流量调节不好控制。：设备复杂，温度梯度和流量调节不好控制。l优点优点：生长速度快，可生长出：生长速度快，可生长出大尺寸的晶体。如大尺寸的晶体。如KDP晶体的晶体的尺寸可达到尺寸可达到 53 54 55 cm3。速速度达度达2mm/d.33第32页/共139页第三十三页，共140页。山东大学山东大学(shn dn d xu)独创的独创的“四槽流动法四槽流动法”晶体生长装置晶体生长装置大KDP晶体(jngt)3

4、4第33页/共139页第三十四页，共140页。35第34页/共139页第三十五页，共140页。3、溶剂、溶剂(rngj)蒸发法蒸发法流动法流动法溶剂蒸发法溶剂蒸发法T不变不变T不变不变补充溶质补充溶质减少溶剂减少溶剂36第35页/共139页第三十六页，共140页。2022-6-19蒸发法生长蒸发法生长(shngzhng)晶体的装置晶体的装置育晶器（密封(mfng)）上方：冷凝器溶剂（溶液表面）水蒸汽冷凝器（凝结）水（杯中）虹吸管移去（按控制量）37第36页/共139页第三十七页，共140页。在一定的温度和压力条件在一定的温度和压力条件(tiojin)下，靠溶剂的不断蒸下，靠溶剂的不断蒸发，使溶

5、液达到过饱和状态，发，使溶液达到过饱和状态，以析出晶体。这种方法适合于以析出晶体。这种方法适合于生长溶解度较大而溶解度温度生长溶解度较大而溶解度温度系数又很小的物质。系数又很小的物质。关键：需要仔细控制蒸发关键：需要仔细控制蒸发量，使溶液始终处于亚稳量，使溶液始终处于亚稳过饱和，并维持一定的过过饱和，并维持一定的过饱和度，使析出的溶质不饱和度，使析出的溶质不断在籽晶上长成单晶由断在籽晶上长成单晶由于温度于温度(wnd)保持恒定，保持恒定，晶体的应力较小。晶体的应力较小。38第37页/共139页第三十八页，共140页。适宜于蒸发适宜于蒸发(zhngf)法生长的法生长的几种材料几种材料39第38页

6、/共139页第三十九页，共140页。NdPP在焦磷酸在焦磷酸 (H4P2O7) 中有较大的溶解度，所以不会从溶液中析出中有较大的溶解度，所以不会从溶液中析出。当温度升至。当温度升至300度以上，焦磷酸逐渐脱水，形成多聚偏磷酸，度以上，焦磷酸逐渐脱水，形成多聚偏磷酸， NdPP在其中溶解度很小，在升温和蒸发过程中，由于焦磷酸浓度降低而使在其中溶解度很小，在升温和蒸发过程中，由于焦磷酸浓度降低而使NdPP 在溶液中到达在溶液中到达(dod)过饱和而结晶出来。过饱和而结晶出来。在一定温度下，控制在一定温度下，控制(kngzh)水的蒸发速率，就可以生长出质量较好的水的蒸发速率，就可以生长出质量较好的N

7、dPP的晶体。的晶体。40第39页/共139页第四十页，共140页。凝胶法 类型(lixng)复分解(fnji)化学反应法络合分解法氧化还原反应法络合合成法溶解度降低法41第40页/共139页第四十一页，共140页。CaCl2+H2C4H4O6+4H2O CaC4H4O6.4H2O+2HClCaCl2浓溶液浓溶液(rngy)含酒石酸的凝胶含酒石酸的凝胶长成长成(chn chn)的酒石酸钙的酒石酸钙晶体晶体(a)(b)酒石酸浓溶液酒石酸浓溶液(rngy)凝胶凝胶酒石酸钙晶体生长酒石酸钙晶体生长42第41页/共139页第四十二页，共140页。四、影响水溶液生长晶体质量四、影响水溶液生长晶体质量(z

8、hling)的因素及常见缺陷的因素及常见缺陷培养培养(piyng)籽晶籽晶从已有的大晶体切取籽晶从已有的大晶体切取籽晶2、溶液的处理、溶液的处理 目的：溶液高度纯净、减少有害杂质的污染、提高其稳定性。目的：溶液高度纯净、减少有害杂质的污染、提高其稳定性。 方法：原料提纯（重结晶）、溶液过滤。方法：原料提纯（重结晶）、溶液过滤。3、介质对晶体生长的影响、介质对晶体生长的影响 杂质、杂质、H+浓度浓度(pH值）、温度、过饱和度等。值）、温度、过饱和度等。43第42页/共139页第四十三页，共140页。水溶性晶体在生长过程中，由于外部条件的变化（水溶性晶体在生长过程中，由于外部条件的变化（如温度波动

9、、溶质如温度波动、溶质(rngzh)供应不均匀等）容易供应不均匀等）容易引起晶面上呈现各种类型的花纹。引起晶面上呈现各种类型的花纹。若花纹不断发展、加深，会造成母液包藏。若花纹不断发展、加深，会造成母液包藏。ZCTC晶体晶体(jngt)中开裂中开裂弥散的泡状溶液包裹体弥散的泡状溶液包裹体44第43页/共139页第四十四页，共140页。固体固体(gt)包裹体包裹体帽区溶液帽区溶液(rngy)包裹体（负晶）包裹体（负晶）45第44页/共139页第四十五页，共140页。46第45页/共139页第四十六页，共140页。B、温差、温差(wnch)水热法水热法利用利用(lyng)温度差产生过饱和温度差产生

10、过饱和溶液的一种方法。利用溶液的一种方法。利用(lyng)溶剂在高温高压下会增加对溶质溶剂在高温高压下会增加对溶质的溶解度和反应速度的特性，用的溶解度和反应速度的特性，用来生长常温常压下不易溶解的晶来生长常温常压下不易溶解的晶体。体。这种方法可以用来生长：红宝石这种方法可以用来生长：红宝石、氧化锌、方解石、水晶以及、氧化锌、方解石、水晶以及(yj)一系列硅酸盐、钨酸盐和石一系列硅酸盐、钨酸盐和石榴石等上百种晶体。榴石等上百种晶体。典型条件：典型条件：300400oC；500-3000 atm.水热法晶体生长装置示意图47第46页/共139页第四十七页，共140页。水热法生长过程的特点：水热法生

11、长过程的特点：过程是在压力过程是在压力(yl)与气氛可以控制的封闭系统中进行的；与气氛可以控制的封闭系统中进行的；生长温度比熔融法和熔盐法低很多；生长温度比熔融法和熔盐法低很多；生长区基本处于恒温和等浓度状态，温度梯度小；生长区基本处于恒温和等浓度状态，温度梯度小；属于稀薄相生长，溶液黏度低。属于稀薄相生长，溶液黏度低。水热法生长(shngzhng)的KTiOPO4 (KTP)48第47页/共139页第四十八页，共140页。水热法生长(shngzhng)的GaPO4 49第48页/共139页第四十九页，共140页。水热法生长水热法生长(shngzhng)的的ZnO 50第49页/共139页第五

12、十页，共140页。ZnO晶体生长工艺晶体生长工艺(gngy)51第50页/共139页第五十一页，共140页。水热法的优点：水热法的优点：由于由于(yuy)存在相变（如存在相变（如SiO2）或会形成玻璃体（如由于）或会形成玻璃体（如由于(yuy)粘滞度很高而使结晶过程进行得很慢的一些硅酸盐），在熔点时不稳定的结晶相；粘滞度很高而使结晶过程进行得很慢的一些硅酸盐），在熔点时不稳定的结晶相；在接近熔点时，蒸气压高的材料（如氧化锌）或要分解的材料（如在接近熔点时，蒸气压高的材料（如氧化锌）或要分解的材料（如VO2）；）；要求比熔体生长的晶体有较高完整性的优质大晶体，或在理想配比困难时，要更好地控制成分

13、的材料。要求比熔体生长的晶体有较高完整性的优质大晶体，或在理想配比困难时，要更好地控制成分的材料。缺点：缺点：需要特殊的高压釜和安全防护措施；需要特殊的高压釜和安全防护措施；需要适当大小的优质籽晶；需要适当大小的优质籽晶；整个整个(zhngg)过程不能观察。过程不能观察。52第51页/共139页第五十二页，共140页。C、助熔剂、助熔剂(rngj)法法 助熔剂法也叫高温溶液（约在助熔剂法也叫高温溶液（约在300300以上）法，该方法生以上）法，该方法生长长(shngzhng)(shngzhng)晶体，十分类似于低温溶液法，它是将晶体晶体，十分类似于低温溶液法，它是将晶体的原成分在高温下熔解于助

14、溶剂中，形成均匀的饱和熔液，的原成分在高温下熔解于助溶剂中，形成均匀的饱和熔液，晶体是在过饱和的熔液中生长晶体是在过饱和的熔液中生长(shngzhng)(shngzhng)。助熔剂(rngj)法生长的KTP53第52页/共139页第五十三页，共140页。优点优点(yudin)(yudin)：54加入助熔剂，降低熔融温度，而在较低温度上生长的层状晶体(jngt)的点缺陷浓度和位错密度都较低，化学计量和掺质均匀性较好，因而在结晶学上比熔体法生长的晶体(jngt)更为优良。第53页/共139页第五十四页，共140页。55第54页/共139页第五十五页，共140页。56第55页/共139页第五十六页，

15、共140页。缺点缺点(qudin)(qudin)：该方法适宜于以下几种(j zhn)材料的制备：(1)高熔点材料；(2)低温下存在相变的材料；(3)组分中存在高蒸气压的成分。 57第56页/共139页第五十七页，共140页。58第57页/共139页第五十八页，共140页。lGaPO4：Ga2O3，NH4H2PO4，Li2CO3+MoO3助熔剂助熔剂(rngj)；lKTiPO3：K3PO4+TiO2, K4P2O7或或K5P3O10或或K6P4O13作助作助熔剂熔剂(rngj) 59第58页/共139页第五十九页，共140页。缓冷法晶体生长装置(zhungzh)示意图 助熔剂法中常采用缓冷法在高

16、温下，当晶体材料全部熔融于助熔剂中之后，缓慢地降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发(zf)成核并逐渐成长为晶体。 60第59页/共139页第六十页，共140页。工艺工艺(gngy)过程：过程：61第60页/共139页第六十一页，共140页。62第61页/共139页第六十二页，共140页。 许多许多(xdu)物质在常温下是固体，当温度升到熔点以上时就熔物质在常温下是固体，当温度升到熔点以上时就熔化为液体。这种常温下是固态的纯物质的液相称为熔体。化为液体。这种常温下是固态的纯物质的液相称为熔体。溶液和熔体，溶解和熔化，溶质和溶剂有时溶液和熔体，溶解和熔化，溶质和溶剂有时(yush)很难严格区分很难严格

17、区分。如：如：KNO3在少量水的存在下，在远低于其熔点的温度下可化为液在少量水的存在下，在远低于其熔点的温度下可化为液体，这样形成的液体很难判断是溶液还是熔体。体，这样形成的液体很难判断是溶液还是熔体。如把它看成如把它看成KNO3溶于水的溶液时，溶剂太少；溶于水的溶液时，溶剂太少；如称为水在如称为水在KNO3中的溶液时不符合习惯的叫法。中的溶液时不符合习惯的叫法。通常称该体系为熔体，即通常称该体系为熔体，即KNO3“熔化熔化”在少量的水中。在少量的水中。63第62页/共139页第六十三页，共140页。 从熔体中生长从熔体中生长(shngzhng)晶体是制备大单晶和特定形状的晶体是制备大单晶和特

18、定形状的单晶最常用和最重要的一种方法。电子学、光学等现代技术应单晶最常用和最重要的一种方法。电子学、光学等现代技术应用中所需的单晶材料，大部分是用熔体生长用中所需的单晶材料，大部分是用熔体生长(shngzhng)方法方法制备的。制备的。 如：如：Si、Ge、GaAs、LiNbO3、Nd:YAG、Al2O3等。等。 硅单晶年产量约硅单晶年产量约1x108Kg（即（即1万吨，万吨，1997年）年）64第63页/共139页第六十四页，共140页。从熔体中生长：从熔体中生长：熔体生长方法主要熔体生长方法主要(zhyo)是通过改变结晶物质所处温场的温度是通过改变结晶物质所处温场的温度，以及调整温度梯度，

19、从而实现熔体向结晶固体的转变；，以及调整温度梯度，从而实现熔体向结晶固体的转变；主要主要(zhyo)采用的方法有：焰熔法、直拉法、区熔法、坩埚下采用的方法有：焰熔法、直拉法、区熔法、坩埚下降法、喂膜定边生长法、冷坩埚法等；降法、喂膜定边生长法、冷坩埚法等；65第64页/共139页第六十五页，共140页。 焰熔法：是最早的人工晶体生长方法，由法国科学家维尔纳叶焰熔法：是最早的人工晶体生长方法，由法国科学家维尔纳叶(A. Verneuil)1890年提出，目前仍然是工业上大规模生产红宝石的主要方法年提出，目前仍然是工业上大规模生产红宝石的主要方法：生长红宝石的原料是一种非常疏松的生长红宝石的原料是

20、一种非常疏松的型型Al2O3;料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置，落到位置6处，由入口处，由入口4和入口和入口5进入的氢气氧气形成氢氧焰，将粉料熔进入的氢气氧气形成氢氧焰，将粉料熔融；融；熔体掉到籽晶熔体掉到籽晶7上，由于炉腔内上，由于炉腔内有一定有一定(ydng)的温度梯度分布，所以滴落在籽的温度梯度分布，所以滴落在籽晶上的液滴就会结晶；晶上的液滴就会结晶；籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长，最后得到一根红宝石棒，使用此方最后得到一根红宝石棒，使用此方法生长的晶体可

21、长达法生长的晶体可长达1m；66第65页/共139页第六十六页，共140页。 优点：优点：此方法生长不需要坩埚，因此除节约了做坩埚的耐高温材料，也避免了此方法生长不需要坩埚，因此除节约了做坩埚的耐高温材料，也避免了晶体生长过程中坩埚的污染；晶体生长过程中坩埚的污染；氢氧焰温度高达氢氧焰温度高达2800oC，所以只要是不挥发、不氧化的高熔点单晶体都，所以只要是不挥发、不氧化的高熔点单晶体都可以用这个方法制备；可以用这个方法制备；生长速度快，适于工业化生产；生长速度快，适于工业化生产；用此法可生长出较大晶体，例如杆状红宝石直径可达到用此法可生长出较大晶体，例如杆状红宝石直径可达到(d do)20

22、mm，长度为长度为1000mm； 缺点：缺点：火焰温度梯度大，所以结晶层纵向和横向温度梯度均较大，生长晶体的火焰温度梯度大，所以结晶层纵向和横向温度梯度均较大，生长晶体的光学均匀性欠佳；光学均匀性欠佳；由于生长速度较快，利用该法生长的红宝石晶体应力较大由于生长速度较快，利用该法生长的红宝石晶体应力较大, 位错密度较高位错密度较高，只适合做手表轴承等机械性能方面；，只适合做手表轴承等机械性能方面；对易挥发或被氧化的材料，不宜用此方法生长；对易挥发或被氧化的材料，不宜用此方法生长；生长过程中，一部分原料在撒落过程中，并没有掉到籽晶，约生长过程中，一部分原料在撒落过程中，并没有掉到籽晶，约30%的原

23、的原料会损失掉，所以不适合贵重稀少材料的生长；料会损失掉，所以不适合贵重稀少材料的生长；67第66页/共139页第六十七页，共140页。68第67页/共139页第六十八页，共140页。69第68页/共139页第六十九页，共140页。70提拉炉实物图提拉炉实物图 提拉杆(lgn)温控系统(xtng)炉体70第69页/共139页第七十页，共140页。71第70页/共139页第七十一页，共140页。基本过程：基本过程： 硅石硅石粗硅粗硅高纯多晶硅高纯多晶硅单晶硅；单晶硅；粗硅的制备：粗硅，又称工业硅和冶金粗硅的制备：粗硅，又称工业硅和冶金(yjn)级硅，纯度在级硅，纯度在9599的硅的硅； 反应温度

24、：反应温度：16001800 反应方程：反应方程： SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g) 粗硅中杂质多，可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯；粗硅中杂质多，可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯；多晶硅的制备：由粗硅合成多晶硅的制备：由粗硅合成SiHCl3或或SiCl4或或SiH4中间体，精馏提纯后，用氢中间体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅，其中气还原或热分解而制得多晶硅，其中SiHCl3法产量大、质量高、成本低，是法产量大、质量高、成本低，是当前制取多晶硅的主要方法：当前制取多晶硅的主要方法： SiHCl3的制备：粗硅与干燥氯化氢在的制备：粗硅与干燥氯化氢在

25、200以上反应以上反应 Si+3HCl=SiHCl3+H2 实际反应极复杂，除生成实际反应极复杂，除生成SiHCl3外，还可能生成外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是：等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是： 2Si+7HClSiHCl3十十SiCl4十十3H2；72第71页/共139页第七十二页，共140页。SiHCl3的提纯：精馏，利用杂质和的提纯：精馏，利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯；沸点不同用精馏的方法分离提纯；多晶硅的制备：精馏提纯后的多晶硅的制备：精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅：用高纯氢

26、气还原得到多晶硅：SiHCl3+H2=Si+3HCl 上述反应是生成上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不能直接使用，必须经的逆反应。反应得到的多晶硅还不能直接使用，必须经过晶体生长得到单晶体或者铸造多晶体，并在晶体生长过程中过晶体生长得到单晶体或者铸造多晶体，并在晶体生长过程中“掺杂掺杂”，以获得，以获得特定性能的半导体。特定性能的半导体。电子级的多晶硅要求电子级的多晶硅要求(yoqi)含含Si 99.9999 %以上，超高纯达到以上，超高纯达到99.9999999%99.999999999%(4-11个个9)；73第72页/共139页第七十三页，共140页。这样的提纯方法

27、称为西门子法，也称三氯氢硅还原法；这样的提纯方法称为西门子法，也称三氯氢硅还原法；以以HCl（或（或Cl2、H2）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与HCl在高温下合成为在高温下合成为SiHCl3；对对SiHCl3进行化学精制提纯，接着对进行化学精制提纯，接着对SiHCl3进行多级精馏，使其纯度进行多级精馏，使其纯度达到达到9个个9以上；以上；金属杂质总含量应降到金属杂质总含量应降到0.1ppba(PPba 为十亿分之一原子比，为十亿分之一原子比，parts per. billion atoms)以下以下(yxi)；在还原炉中在在还原炉中在10

28、50的硅芯上用超高纯的氢气对的硅芯上用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原而长进行还原而长成高纯多晶硅棒；成高纯多晶硅棒；74第73页/共139页第七十四页，共140页。75第74页/共139页第七十五页，共140页。76第75页/共139页第七十六页，共140页。77第76页/共139页第七十七页，共140页。12英寸英寸(yngcn)Cz法生长设备法生长设备4-6英寸英寸Cz法生长法生长(shngzhng)设备设备78第77页/共139页第七十八页，共140页。最大优点：能够最大优点：能够(nnggu)以较快的速率生长较高质量的晶体。以较快的速率生长较高质量的晶体。优点：优点：79第78页/

29、共139页第七十九页，共140页。缺点缺点(qudin)：80第79页/共139页第八十页，共140页。可采用可采用(ciyng)(ciyng)提提拉法生长拉法生长三组分体系(tx)相图固液相图获得硼酸钙获得硼酸钙氧钆钕晶体氧钆钕晶体生长区生长区生长组分区窄确定晶体原料组分确定晶体原料组分ReCOB: ReCa4O(BO3)3第80页/共139页第八十一页，共140页。提拉炉实物图提拉炉实物图 82第81页/共139页第八十二页，共140页。单斜晶系(Monolinic) Space group: Cm非中心对称，因此(ync)具有压电效应， 电光效应及非线性倍频效应等等第82页/共139页第

30、八十三页，共140页。84Crack induced by “cleavage”Crack on shoulder NdCOBCrack along ridge NdCOB第83页/共139页第八十四页，共140页。85Y. Q. Liu, L. Wei, F. P. Yu* et.al , Cryst Eng Comm, 15, 6035 (2013)第84页/共139页第八十五页，共140页。86perpendicular to (-201)Y. Q. Liu, L. Wei, F. P. Yu* et.al , Cryst Eng Comm, 15, 6035 (2013)(a) 加强保

31、温，减小温度梯度加强保温，减小温度梯度(b) 放肩过程放肩过程(guchng)中，减小中，减小温降温降(c) 生长之后，炉体采取生长之后，炉体采取20oC每小每小时降至室温，防止温降过快引起晶时降至室温，防止温降过快引起晶体开裂体开裂工艺工艺(gngy)优化措施优化措施第85页/共139页第八十六页，共140页。TmCOB87YCOBGdCOBSmCOBNdCOBPrCOB(Gd0.8La0.2)Ca4O(BO3)3LaCOB第86页/共139页第八十七页，共140页。第87页/共139页第八十八页，共140页。泡生法晶体生长装置(zhungzh)示意图将一根冷的籽晶与熔体接触，如果将一根冷的

32、籽晶与熔体接触，如果界面温度低于凝固点，则籽晶开始界面温度低于凝固点，则籽晶开始(kish)生长。生长。泡生法泡生法 (Kyropoulos method)89泡生法的技术要点如下： （1）将籽晶浸入坩锅内的熔体(rn t)中，当籽晶微溶后，降低炉温，或者通过冷却籽晶杆的办法，使籽晶附近熔体(rn t)过冷，晶体开始生长。 （2）使熔体(rn t)保持一定的温度，晶体继续生长，当晶体长到一定的大小后，熔体(rn t)已将耗尽，将晶体提出液面，再缓慢降温，使晶体退火。 一般常用这种方法生长碱卤化物等光学晶体。第88页/共139页第八十九页，共140页。 具体工艺：具体工艺： 先将原料加热至熔点后

33、熔化形成熔体，再以单晶的籽晶先将原料加热至熔点后熔化形成熔体，再以单晶的籽晶(Seed Crystal，又称籽晶棒，又称籽晶棒)接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长与籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长与籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制(kngzh)冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固

34、，最后凝固成一整个单晶晶碇冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇 。泡生法泡生法(Kyropoulos method)原理原理(yunl)示意图示意图 90第89页/共139页第九十页，共140页。 泡生法是利用温度控制来生长晶体，它与提拉法相比，泡生法虽然在晶体生长初期存在部分提拉和放肩过程，但在等径生长时，晶身部分是靠着不断泡生法是利用温度控制来生长晶体，它与提拉法相比，泡生法虽然在晶体生长初期存在部分提拉和放肩过程，但在等径生长时，晶身部分是靠着不断(bdun)降温形成结晶动力来生长，不使用提拉技术，并在拉晶颈的同时，调整加热电压，使熔融的原料达到最合适的长晶温

35、度范围，让生长速度达到最理想化，因而长出质量最理想的蓝宝石单晶。降温形成结晶动力来生长，不使用提拉技术，并在拉晶颈的同时，调整加热电压，使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围，让生长速度达到最理想化，因而长出质量最理想的蓝宝石单晶。 泡生法生长装置示意图（泡生法生长装置示意图（1.运转运转(ynzhun)的金属杆的金属杆 2.籽晶杆籽晶杆 3.加热线圈加热线圈 4.籽晶籽晶 5.熔体熔体 6.耐高温材料耐高温材料 7.上保温层）上保温层）91第90页/共139页第九十一页，共140页。泡生法生长泡生法生长(shngzhng)晶体的一般步骤：晶体的一般步骤：1 1、前置作业、前置作业 在实验开始前

36、必须彻底检查炉体内部是否有异物或杂质，因为在晶体生长过程中，炉体内的杂质或异物会因高温而造成晶体受到污染，而影响晶体的质量，因此在实验开始之前在实验开始前必须彻底检查炉体内部是否有异物或杂质，因为在晶体生长过程中，炉体内的杂质或异物会因高温而造成晶体受到污染，而影响晶体的质量，因此在实验开始之前(zhqin)(zhqin)，必须将炉体清理干净，降低杂质析出的可能性。，必须将炉体清理干净，降低杂质析出的可能性。92第91页/共139页第九十二页，共140页。2、填充原料及架设籽晶、填充原料及架设籽晶 以电子秤量取固定重量之原料并装填到坩埚内，由块料与粉料依预定之比例组合而成。摆放时缝隙愈少愈好，

37、以达到充填以电子秤量取固定重量之原料并装填到坩埚内，由块料与粉料依预定之比例组合而成。摆放时缝隙愈少愈好，以达到充填(chn tin)致密之效果。原料填充好后，将坩埚放进炉体内加热器中央，此时必须非常小心，避免坩埚碰撞到加热器而造成加热器产生裂缝或断裂。致密之效果。原料填充好后，将坩埚放进炉体内加热器中央，此时必须非常小心，避免坩埚碰撞到加热器而造成加热器产生裂缝或断裂。 架设籽晶架设籽晶(籽晶棒，籽晶棒，Seed)是将籽晶固定在拉晶杆上，以利下籽晶或取出晶体时可用拉晶装置来控制高度，由于晶体生长过程的温度很高，所以架设籽晶时，须以耐高温之钨钼合金线来固定籽晶。是将籽晶固定在拉晶杆上，以利下籽

38、晶或取出晶体时可用拉晶装置来控制高度，由于晶体生长过程的温度很高，所以架设籽晶时，须以耐高温之钨钼合金线来固定籽晶。93第92页/共139页第九十三页，共140页。3、炉体抽真空、炉体抽真空 将炉体上盖紧密盖于炉体上方并转紧密封螺栓，启动电源，使机器运转并开始抽真空。抽真空时，先开启机械泵，于将炉体上盖紧密盖于炉体上方并转紧密封螺栓，启动电源，使机器运转并开始抽真空。抽真空时，先开启机械泵，于1小时后再启动扩散泵，当扩散泵启动小时后再启动扩散泵，当扩散泵启动12小时后，再开启炉体阀门，将炉体抽真空。需时约小时后，再开启炉体阀门，将炉体抽真空。需时约24小时，真空度达到小时，真空度达到(d do

39、)610-3Pa时，才能进入加热程序。时，才能进入加热程序。4、加热程序、加热程序 当炉内真空度抽到实验所需的压力范围时当炉内真空度抽到实验所需的压力范围时(610-3Pa)，就开始加热，以，就开始加热，以2Volt/小时的速率自动加热。下图为炉体加热时由窥视窗观察炉体内部小时的速率自动加热。下图为炉体加热时由窥视窗观察炉体内部(nib)的情况，可看见未熔化之块状原料与架设好之籽晶。的情况，可看见未熔化之块状原料与架设好之籽晶。炉体加热炉体加热(ji r)时观时观察到的炉体内部的情察到的炉体内部的情况况94第93页/共139页第九十四页，共140页。5、原料熔化、原料熔化 大约加热到电压约大约

40、加热到电压约1010.5Volt时，推估温度时，推估温度(wnd)达达2100（蓝宝石的熔点约（蓝宝石的熔点约2040），可使原料完全溶化，形成熔体。在实验过程中，以电压值来推断温度），可使原料完全溶化，形成熔体。在实验过程中，以电压值来推断温度(wnd)。氧化铝原料氧化铝原料(yunlio)熔化后形成熔体情形熔化后形成熔体情形95第94页/共139页第九十五页，共140页。6、下籽晶、下籽晶 当原料完全溶化形成熔体时，必须让熔体持温一小时，确保熔体内部温度分布均匀且温度适中，才可下籽晶，若在熔体表面有凝固浮岛存在，则需再调整电压使凝固浮岛在一段时间内消失。当原料完全溶化形成熔体时，必须让熔体

41、持温一小时，确保熔体内部温度分布均匀且温度适中，才可下籽晶，若在熔体表面有凝固浮岛存在，则需再调整电压使凝固浮岛在一段时间内消失。 在下籽晶前，必须先作净化在下籽晶前，必须先作净化(jnghu)籽晶的动作，净化籽晶的动作，净化(jnghu)籽晶是将籽晶底端熔化一部分，使预定生长晶体之籽晶表面更干净，以提高晶体生长的质量籽晶是将籽晶底端熔化一部分，使预定生长晶体之籽晶表面更干净，以提高晶体生长的质量熔体表面有凝固熔体表面有凝固(nngg)浮岛的照片浮岛的照片（a）多边形（）多边形（b）长条形）长条形 下籽晶照片下籽晶照片(zhopin) 96第95页/共139页第九十六页，共140页。7、缩颈生

42、长、缩颈生长 当籽晶接触到熔体时，此时将产生一固液接口，晶颈便从籽晶接触到熔体的固液接口处开始生长。当籽晶接触到熔体时，此时将产生一固液接口，晶颈便从籽晶接触到熔体的固液接口处开始生长。 Kyropoulos方法生长（蓝宝石）单晶，需使用拉晶装置来拉晶颈部分，这个方法生长（蓝宝石）单晶，需使用拉晶装置来拉晶颈部分，这个(zh ge)阶段主要是判断并微调生长晶体的熔体温度。若晶颈生长速度太快，表示温度过低，必须调高温度。若晶体生长速度太慢，或是籽晶有熔化现象，表示温度过高，必须调降温度。由缩颈的速度来调整温度，使晶体生长温度达到最适化。阶段主要是判断并微调生长晶体的熔体温度。若晶颈生长速度太快，

43、表示温度过低，必须调高温度。若晶体生长速度太慢，或是籽晶有熔化现象，表示温度过高，必须调降温度。由缩颈的速度来调整温度，使晶体生长温度达到最适化。晶体生长（晶体生长（a）示意图，（）示意图，（b）实际情形）实际情形(qng xing)照片颈照片颈 97第96页/共139页第九十七页，共140页。8、等径生长、等径生长 当温度调整到最适化时，就停止缩颈程序，并开始生长晶身，生长晶身时不需要靠拉晶装置往上提拉，此时只需要以自动当温度调整到最适化时，就停止缩颈程序，并开始生长晶身，生长晶身时不需要靠拉晶装置往上提拉，此时只需要以自动(zdng)方式调降电压值，使温度慢慢下降，熔体就在坩埚内从籽晶所延

44、伸出来的单晶接口上，从上往下慢慢凝固成一整个单晶晶碇。方式调降电压值，使温度慢慢下降，熔体就在坩埚内从籽晶所延伸出来的单晶接口上，从上往下慢慢凝固成一整个单晶晶碇。晶体开始生长时期晶体开始生长时期(shq)照片照片 98第97页/共139页第九十八页，共140页。9、晶体脱离坩埚程序、晶体脱离坩埚程序 从重量传感器显示的数据变化，可得知晶体是否沾黏到坩埚内壁，当熔体在坩埚中凝固形成晶体后，晶体周围会黏着坩埚内壁，必须在晶体生长完成后使晶体与坩埚内壁分离，以利后续之晶体取出。从重量传感器显示的数据变化，可得知晶体是否沾黏到坩埚内壁，当熔体在坩埚中凝固形成晶体后，晶体周围会黏着坩埚内壁，必须在晶体

45、生长完成后使晶体与坩埚内壁分离，以利后续之晶体取出。 使用的方式是瞬间加热，使黏住坩埚部份的晶体熔化，从重量传感器显示的数据可以得知晶体与坩埚是否分离，当晶体与坩埚分离后，必须继续降温，否则会使晶体重新熔化回去。使用的方式是瞬间加热，使黏住坩埚部份的晶体熔化，从重量传感器显示的数据可以得知晶体与坩埚是否分离，当晶体与坩埚分离后，必须继续降温，否则会使晶体重新熔化回去。10、退火、退火 晶体生长完毕又完成与坩埚脱离程序后，必须让晶体在炉体内缓慢的降温冷却，利用冷却过程来使晶体进行退火，以消除晶体在生长时期内部所累积的内应力，避免所残留的内部应力，造成晶体在降温时因释放应力而产生晶体生长完毕又完成

46、与坩埚脱离程序后，必须让晶体在炉体内缓慢的降温冷却，利用冷却过程来使晶体进行退火，以消除晶体在生长时期内部所累积的内应力，避免所残留的内部应力，造成晶体在降温时因释放应力而产生(chnshng)龟裂。待完成退火后，关掉加热电压，继续冷却，当炉内温度降至室温后再取出（蓝宝石）晶体以继续后续的分析程序。龟裂。待完成退火后，关掉加热电压，继续冷却，当炉内温度降至室温后再取出（蓝宝石）晶体以继续后续的分析程序。99第98页/共139页第九十九页，共140页。11、冷却、冷却 经过一整天的降温冷却，待晶体完全冷却至室温后，再打开炉盖，取出晶体。经过一整天的降温冷却，待晶体完全冷却至室温后，再打开炉盖，取

47、出晶体。12、晶体检测程序、晶体检测程序 首先以强光照射整个晶体，观察晶体内部之宏观缺陷。从晶体上切取晶片，抛光首先以强光照射整个晶体，观察晶体内部之宏观缺陷。从晶体上切取晶片，抛光(pogung)，进行微观缺陷检测，并计算单位面积所含的位错密度。，进行微观缺陷检测，并计算单位面积所含的位错密度。100第99页/共139页第一百页，共140页。泡生法主要优点：泡生法主要优点： （1）结合了传统提拉法的优点，生长速度较快（）结合了传统提拉法的优点，生长速度较快（0.1-25mm/h）；）；（2）在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。这样就可以精确控制它的冷却速度，减小热应力，避免坩

48、埚污染；）在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。这样就可以精确控制它的冷却速度，减小热应力，避免坩埚污染；（3）晶体生长时，固液界面）晶体生长时，固液界面(jimin)处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面(jimin)以前可被熔体减小以致消除；以前可被熔体减小以致消除；（4）选用软水作为热交换器内的工作流体，相对于利用氦气作冷却剂的热交换法可以有效降低成本；）选用软水作为热交换器内的工作流体，相对于利用氦气作冷却剂的热交换法可以有效降低成本；（5）可生长大尺寸、高质量单晶。）可生长大尺寸、

49、高质量单晶。 101第100页/共139页第一百零一页，共140页。泡生法主要缺点是：泡生法主要缺点是： 为获得高质量的（蓝宝石）单晶，需提高炉腔中坩埚外壁的环境温度（即炉腔中的温度），而该温度受加热元件的形态及施加在加热器上的电压和电流等因素影响，因而提高温度必将造成生长设备的严重损耗。因此需要为获得高质量的（蓝宝石）单晶，需提高炉腔中坩埚外壁的环境温度（即炉腔中的温度），而该温度受加热元件的形态及施加在加热器上的电压和电流等因素影响，因而提高温度必将造成生长设备的严重损耗。因此需要(xyo)从晶体生长质量与经济性之间有所侧重并折中考虑，方能获得最优化效果。从晶体生长质量与经济性之间有所侧重

50、并折中考虑，方能获得最优化效果。采用泡生法生长（蓝宝石）单晶具有以下的优点采用泡生法生长（蓝宝石）单晶具有以下的优点(yudin)： 1.高质量高质量(光学等级光学等级)。 2.低缺陷密度。低缺陷密度。 3.大尺寸。大尺寸。 4.较快的生长率。较快的生长率。 5.高产能。高产能。 6.较佳的成本效益。较佳的成本效益。102第101页/共139页第一百零二页，共140页。103第102页/共139页第一百零三页，共140页。 以移动坩埚的方式，使熔体内产生温度梯度，进而开始以移动坩埚的方式，使熔体内产生温度梯度，进而开始(kish)生长晶体。生长晶体。 (a)坩埚下降前，熔体坩埚下降前，熔体(r

51、n t)较多，晶体较少。较多，晶体较少。(b)坩埚下降后，熔体坩埚下降后，熔体(rn t)较少，晶体较多较少，晶体较多104第103页/共139页第一百零四页，共140页。原理：原理：原料放入坩埚，加热融化，通过下降原料放入坩埚，加热融化，通过下降装置使坩埚在具有一定温度梯度的结装置使坩埚在具有一定温度梯度的结晶炉内缓缓下降；晶炉内缓缓下降；经过温度梯度最大的区域时，熔体便经过温度梯度最大的区域时，熔体便会在坩埚内自下而上地结晶为整块晶会在坩埚内自下而上地结晶为整块晶体；体；也可以通过结晶炉上移或者缓慢降温也可以通过结晶炉上移或者缓慢降温来实现晶体生长；来实现晶体生长；上炉膛和下炉膛的温度差可

52、通过采用上炉膛和下炉膛的温度差可通过采用(ciyng)两套温度控制系统来实现，两套温度控制系统来实现，或者在上下腔之间加一块散热板；或者在上下腔之间加一块散热板；105第104页/共139页第一百零五页，共140页。难点：难点：高温区温度高于熔体的熔点，但不能太高，导致熔体高温区温度高于熔体的熔点，但不能太高，导致熔体挥发；挥发；低温区温度低于晶体的熔点，但不能太低，导致晶体低温区温度低于晶体的熔点，但不能太低，导致晶体炸裂；炸裂；高温区和低温区内温度梯度不能过大，避免在高温区高温区和低温区内温度梯度不能过大，避免在高温区结晶或者低温区产生结晶或者低温区产生(chnshng)较大内应力；较大内

53、应力；106第105页/共139页第一百零六页，共140页。原料(yunlio)和籽晶置于坩埚中引晶: 部分(b fen)籽晶熔融生长: 通过移动加热线圈或坩埚，从而使生长界面向前(xin qin)推进107第106页/共139页第一百零七页，共140页。优点：优点：下降法利用晶体的自发形核来实现晶体生长下降法利用晶体的自发形核来实现晶体生长(可通过设计不同可通过设计不同(b tn)坩埚坩埚底部形状来控制自发形核底部形状来控制自发形核)，依据是晶体生长中的几何淘汰规律，利用晶体，依据是晶体生长中的几何淘汰规律，利用晶体各向异性导致的生长速度差异来实现；各向异性导致的生长速度差异来实现；由于原料

54、可以密封在坩埚里，减少挥发造成的影响，易于控制晶体的成分；由于原料可以密封在坩埚里，减少挥发造成的影响，易于控制晶体的成分；操作简单，易于生长大尺寸的晶体，适用范围广；操作简单，易于生长大尺寸的晶体，适用范围广；缺点：缺点：不宜生长冷却时体积增大的晶体；不宜生长冷却时体积增大的晶体；坩埚的接触导致较大内应力和杂质的产生；坩埚的接触导致较大内应力和杂质的产生；没有观察窗口，不能实时观察晶体生长过程，周期也较长；没有观察窗口，不能实时观察晶体生长过程，周期也较长；108第107页/共139页第一百零八页，共140页。水平布里奇曼法生长水平布里奇曼法生长(shngzhng)装置装置原理图原理图水平布

55、里奇曼法是由水平布里奇曼法是由BarIIacapob研制成功的一种制备大面积定型研制成功的一种制备大面积定型薄片薄片(bo pin)状晶体的方法。其状晶体的方法。其结晶原理如图所示，将原料置于结晶原理如图所示，将原料置于舟型坩埚中，使坩埚水平通过加舟型坩埚中，使坩埚水平通过加热区，原料熔化并结晶。为了能热区，原料熔化并结晶。为了能够生长有严格取向的晶体，可以够生长有严格取向的晶体，可以在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶来诱导生长。来诱导生长。109第108页/共139页第一百零九页，共140页。质，另外还有利质，另外还有利于降低对流强度，于降低对流强度，提高结晶过程的提高

56、结晶过程的稳定性稳定性n（3）开放式的）开放式的熔体表面使在结熔体表面使在结晶的任意阶段向晶的任意阶段向熔体中添加激活熔体中添加激活离子成为可能离子成为可能n（4）通过多次）通过多次结晶的方法，可结晶的方法，可以对原料进行化以对原料进行化学提纯学提纯水平水平(shupng)布里奇布里奇曼法生长的曼法生长的Nd:YAG110第109页/共139页第一百一十页，共140页。导膜法导膜法(Edge-defined Film-fed Growth，EFG) 该方法亦称该方法亦称“边缘限定薄膜供料生长边缘限定薄膜供料生长”技术，简称技术，简称“EFG”法，法，最早与最早与20世纪世纪60年代由英国的年代

57、由英国的Harold LaBella及苏联的及苏联的Stepanov独自发独自发明。导模法是提拉法的一种变形，是一种近尺寸成型技术（明。导模法是提拉法的一种变形，是一种近尺寸成型技术（near-net-shaping），即直接从熔体），即直接从熔体(rn t)中生长出所需形状的晶体毛坯。中生长出所需形状的晶体毛坯。111第110页/共139页第一百一十一页，共140页。原理：原理：EFG (Edge Defined Film Fed Growth Process)技术；技术；起源于起源于20年代，到年代，到60年代以后有较大进展；年代以后有较大进展；毛细管作用，使熔体被输送到顶部；毛细管作用，

58、使熔体被输送到顶部；控制导模顶部温度，略高于材料熔点，放入籽晶，与狭缝控制导模顶部温度，略高于材料熔点，放入籽晶，与狭缝(xi fn)中的凹液面接触；中的凹液面接触；籽晶端部熔化后，由于熔体与新生晶体的亲合力以及熔体表面张籽晶端部熔化后，由于熔体与新生晶体的亲合力以及熔体表面张力作用，狭缝力作用，狭缝(xi fn)中的熔体将在导模顶部全部覆盖，形状由中的熔体将在导模顶部全部覆盖，形状由导模顶部的外形和尺寸决定；导模顶部的外形和尺寸决定；优点：优点：符合器件所要求特殊晶体材料形状的要求，如太阳能电池用硅材符合器件所要求特殊晶体材料形状的要求，如太阳能电池用硅材料要求片状；料要求片状；避免切、磨、

59、抛工艺，减少工艺过程，降低材料损失；避免切、磨、抛工艺，减少工艺过程，降低材料损失；由于熔体在毛细管中的对流作用弱，容易得到成分均匀的掺杂晶由于熔体在毛细管中的对流作用弱，容易得到成分均匀的掺杂晶体；体；容易获得无生长条纹的均匀性良好的晶体；容易获得无生长条纹的均匀性良好的晶体；长度为长度为5.3米，厚度为米，厚度为280微米的八角形管状薄片硅已经可以被生微米的八角形管状薄片硅已经可以被生产出来；产出来；是一种快速生长方法；是一种快速生长方法；112第111页/共139页第一百一十二页，共140页。113第112页/共139页第一百一十三页，共140页。 EFG法首要的条件是要求模具材料必须能

60、为熔体所润湿，并且彼此间又不发生化学作用。在润湿角法首要的条件是要求模具材料必须能为熔体所润湿，并且彼此间又不发生化学作用。在润湿角满足满足090的条件下，使得熔体在毛细管作用下（虹吸现象）能上升到模具的顶部，并能在顶部的模具截面上扩展到模具的边缘而形成一个薄膜熔体层，晶体的截面形状和尺寸则严格地为模具顶部边缘的形状和尺寸所决定的条件下，使得熔体在毛细管作用下（虹吸现象）能上升到模具的顶部，并能在顶部的模具截面上扩展到模具的边缘而形成一个薄膜熔体层，晶体的截面形状和尺寸则严格地为模具顶部边缘的形状和尺寸所决定(judng)，而不是由毛细管狭缝决定，而不是由毛细管狭缝决定(judng)。 因此，

61、因此，EFG法能生长出各种片、棒、管、丝及其他特殊形状的晶体，具有直接从熔体中控制生长定型晶体的能力。法能生长出各种片、棒、管、丝及其他特殊形状的晶体，具有直接从熔体中控制生长定型晶体的能力。 所以，此法生产的产品可免除对宝石晶体加工所带来的繁重切割、成型的机械加工程序，同时大大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而大大降低产品成本。由此可见其优越性。所以，此法生产的产品可免除对宝石晶体加工所带来的繁重切割、成型的机械加工程序，同时大大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而大大降低产品成本。由此可见其优越性。114第113页/共139页第一百一十四页，共140页。 将晶体材料在高温坩锅

62、中加热熔化，并将能被熔体所润湿的材料支撑带有毛细管的模具放置在熔体中，熔体沿着毛细管涌升至模具顶端。将籽晶浸渍到熔体中，待籽晶表面回熔后，逐渐提拉上引。将晶体材料在高温坩锅中加热熔化，并将能被熔体所润湿的材料支撑带有毛细管的模具放置在熔体中，熔体沿着毛细管涌升至模具顶端。将籽晶浸渍到熔体中，待籽晶表面回熔后，逐渐提拉上引。 为了减少位错和内应力，可先升高炉温使晶体长成为了减少位错和内应力，可先升高炉温使晶体长成(chn chn)窄型，过一段时间再进行放肩，向上提拉使熔体到达模具顶部的表面。此时，熔体在模具顶部的截面上扩展到边缘时中止。窄型，过一段时间再进行放肩，向上提拉使熔体到达模具顶部的表面

63、。此时，熔体在模具顶部的截面上扩展到边缘时中止。 随后，再进行提拉，可使晶体进入等径生长阶段。晶体的形状将由模具顶部截面形状所确定的尺寸决定，晶体按尺寸和形状连续地生长。随后，再进行提拉，可使晶体进入等径生长阶段。晶体的形状将由模具顶部截面形状所确定的尺寸决定，晶体按尺寸和形状连续地生长。115导膜法生长导膜法生长(shngzhng)晶晶体的工艺过程体的工艺过程第114页/共139页第一百一十五页，共140页。模具顶部熔体模具顶部熔体(rn t)薄膜的形成于发展过程示意图薄膜的形成于发展过程示意图 116第115页/共139页第一百一十六页，共140页。导膜法生长晶体的工艺原理导膜法生长晶体的

64、工艺原理 导膜法生长的原理如下图所示。当带毛细管或狭缝的模具浸入熔体后，能润湿模具材料毛细管的熔体就会沿着毛细管上升。上升的高度导膜法生长的原理如下图所示。当带毛细管或狭缝的模具浸入熔体后，能润湿模具材料毛细管的熔体就会沿着毛细管上升。上升的高度(god)可用下式表示：可用下式表示： 式中式中 表面张力表面张力/ (10-5N/cm)； d熔体熔体(rn t)密度密度/（g/cm3）；）； r毛细管半径毛细管半径/ cm； g重力加速度重力加速度/（cm/s2）；）； 润湿角。润湿角。117第116页/共139页第一百一十七页，共140页。例如，熔融例如，熔融Al2O3的表面张力对钼的表面张力

65、对钼(Mo)为为(36040)10-5N/cm，对钨，对钨(W)为为(680100)105N/cm，有时此数值还要高一些。，有时此数值还要高一些。 当毛细管孔径为当毛细管孔径为0.75mm时，时， Al2O3熔体的爬升高度可达熔体的爬升高度可达11cm。从图中可以看到，随着晶体不断生长，液面不断下降，。从图中可以看到，随着晶体不断生长，液面不断下降，h1不断增大不断增大(zn d)。 当当h1h，则熔体无法涌到模顶，晶体就不能生长。，则熔体无法涌到模顶，晶体就不能生长。导膜法生长导膜法生长(shngzhng)晶体示意图晶体示意图 118第117页/共139页第一百一十八页，共140页。导膜法生

66、长导膜法生长(shngzhng)装置装置 导膜法生长导膜法生长(shngzhng)装置示意图装置示意图 119第118页/共139页第一百一十九页，共140页。 导膜法的晶体生长装置与提拉法的基本相同，所不同的是导膜法是将一个金属钼制的毛细管模具垂直地安装在坩埚底部，籽晶将通过毛细管口与熔体相接触，然后按模具顶端截面形状被提拉出各种形状的晶体。而晶体提拉法只能获得圆柱状的晶体。导膜法的晶体生长装置与提拉法的基本相同，所不同的是导膜法是将一个金属钼制的毛细管模具垂直地安装在坩埚底部，籽晶将通过毛细管口与熔体相接触，然后按模具顶端截面形状被提拉出各种形状的晶体。而晶体提拉法只能获得圆柱状的晶体。 图中，钼坩埚中放有钼制的模具。钼坩埚被放置在石墨受热器内，用钨棒进行图中，钼坩埚中放有钼制的模具。钼坩埚被放置在石墨受热器内，用钨棒进行(jnxng)连接定位，坩埚下边用坩埚托托住。石墨受热器外用石墨毡保温。坩埚的上方装有籽晶杆和籽晶，有一组反射器和后热器对熔体和晶体进行连接定位，坩埚下边用坩埚托托住。石墨受热器外用石墨毡保温。坩埚的上方装有籽晶杆和籽晶，有一组反射器和后热器对熔体和晶体进行(jn