第四章 熔体中的晶体生长技术(提拉法)

晶体生长方法一、提拉法晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。

提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。

近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。

所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。

这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。

提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。

提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。

二、热交换法热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。

其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。

特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。

晶体生长方法单晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。

实际上人工晶体多半由熔体达到一定的过冷或溶液达到一定的过饱和而得。

晶体生长是用一定的方法和技术，使单晶体由液态或气态结晶成长。

由液态结晶又可以分成熔体生长或溶液生长两大类。

熔体生长法这类方法是最常用的，主要有提拉法（又称丘克拉斯基法）、坩埚下降法、区熔法、焰熔法（又称维尔纳叶法）等。

提拉法此法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法，被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。

坩埚可以由高频感应或电阻加热。

半导体锗、硅、氧化物单晶如钇铝石榴石、钆镓石榴石、铌酸锂等均用此方法生长而得。

应用此方法时控制晶体品质的主要因素是固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应等。

坩埚下降法将盛满材料的坩埚置放在竖直的炉内,炉分上下两部分，中间以挡板隔开，上部温度较高，能使坩埚内的材料维持熔融状态，下部则温度较低，当坩埚在炉内由上缓缓下降到炉内下部位置时，材料熔体就开始结晶。

坩埚的底部形状多半是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球形状的以便于籽晶生长。

晶体的形状与坩埚的形状是一致的，大的碱卤化合物及氟化物等光学晶体是用这种方法生长的。

区熔法将一个多晶材料棒，通过一个狭窄的高温区，使材料形成一个狭窄的熔区，移动材料棒或加热体，使熔区移动而结晶，最后材料棒就形成了单晶棒。

这方法可以使单晶材料在结晶过程中纯度提得很高，并且也能使掺质掺得很均匀。

图3为区熔法的原理图。

区熔技术有水平法和依靠表面张力的浮区熔炼两种。

焰熔法这个方法的原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使材料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部。

由于火焰在炉内形成一定的温度梯度，粉料熔体落在一个结晶杆上就能结晶。

小锤敲击料筒震动粉料，经筛网及料斗而落下，氧氢各自经入口在喷口处，混合燃烧，结晶杆上端插有籽晶，通过结晶杆下降，使落下的粉料熔体能保持同一高温水平而结晶。

人工晶体制备方法——提拉法提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。

这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。

20世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。

它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。

它不仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原料，降低了生产成本。

生长要点（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中，熔体的温度控制是关键。

要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，熔体的其余部分保持过热。

这样，才可保证熔体中不产生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。

为了保持一定的过冷度，生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动，晶体才能不断长大。

另外，熔体的温度通常远远高于室温，为使熔体保持其适当的温度，还必须由加热器不断供应热量。

（2）提拉速率提拉的速率决定晶体生长速度和质量。

适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。

一般提拉速率为每小时6-15mm。

在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。

这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。

来源：中科院上海硅酸盐研究所。

编辑：SARS。

晶体生长----提拉法人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多像的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等。

具体方法很多，例如水热法，提拉法，焰熔法。

水热法这是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中培养晶体的方法。

用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、石榴子石及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体。

焰熔法这是一种用氢氧火焰熔化粉料并使之结晶的方法。

下面主要介绍下提拉法。

一．提拉法的基本原理：提拉法是将构成晶体的原料压缩成圆棒，置于四个加热灯的焦点处加热熔化，在原料下面接籽晶，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随着改变加热灯的焦点位置使其降温逐渐凝固而生长出单晶体。

二．生长要点（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中是关键。

可以通过调节加热灯的功率来改变温度，保持在适合晶体生长的温度。

（2）提拉的速率决定晶体生长速度和质量。

适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。

一般提拉速率为每小时6-15mm。

在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。

这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。

三．提拉法与其它晶体生长方法相比有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得所需取向的晶体；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体位错密度低，光学均一性高。

通过参观晶体生长实验室，让我学到了很多东西，获益良多。

从原料配比，压缩成原料棒，到加热融化与籽晶连接到一起开始生长，让我看到了晶体生长实验的严谨，与艰辛。

而且整个晶体生长的过程需要很多小时甚至几天的时间，觉得科研工作者在其工作中默默地付出劳动与汗水，值得我们敬佩与学习。

材料常用制备方法一．晶体生长技术1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶）1.1 提拉法特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体b.生长速度快，单晶质量好c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产1.2 坩埚下降法特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。

1.3 区熔法特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单晶棒c.有时也会固定加热器而移动原料棒1.4 焰熔法特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m）b.适用于制备高熔点的氧化物c.缺点是生长的晶体内应力很大1.5 液相外延法优点：a.生长设备比较简单；b.生长速率快；c.外延材料纯度比较高；d.掺杂剂选择范围较广泛；e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；操作安全。

缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。

2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶)2.1 水溶液法原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶2.2 水热法【Hydrothermal Method】特点：a. 在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体b. 利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相变引起的物理缺陷2.3 高温溶液生长法（熔盐法）特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂b.常用溶剂：液态金属液态Ga（溶解As）Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs）KF（溶解BaTiO3）Na2B4O7（溶解Fe2O3）c.典型温度在1000 C左右d.利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点，能生长其他方法不易制备的高熔点化合物，如钛酸钡BaTiO3二．气相沉积法1. 物理气相沉积法(PVD)【Physical Vapor Deposition】1.1 真空蒸镀【Evaporation Deposition】特点：a.真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面；b.常用镀膜技术之一；c.用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；d.具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜分类：电阻加热法、电子轰击法1.2 阴极溅射法（溅镀）【Sputtering Deposition】原理：利用高能粒子轰击固体表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片（工件）的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。

晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的论文发表于1918年。

提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。

近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。

所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。

这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。

提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。

提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。

图1 提拉法晶体生长装置结构示意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和F.Schmid于1974年发明的一种长晶方法。

其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。

特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有图2HEM晶体生长装置结构示意图特定形状要求的晶体。

1、温场设计温场设计对晶体生长产生直接的影响,在晶体生长过程中,径向和纵向温度分布是温场设计的重点。

直接调整相对于感应线圈的柑竭位臵的高低(锅位),就可以调整纵向温度分布。

底盘的厚度、下保温系统的厚度、保温砂的粒度主要影响熔体表面对流和径向温度分布。

上保温系统的高度、观察窗口的大小、高低将影响作为热传输介质的保护气体的对流状态。

温场设计时既要考虑热量的导出,又要保证热场的均匀性和稳定性。

纵向温度分布、径向温度分布和保护气体的传热对流这三者是密切联系的。

根据柑祸的纵横比、感应线圈的尺寸、线圈中增锅的位臵来改进和优化温场。

2、保护气氛根据热传递原理，在高温生长室腔体中，因为较高气压的氮气氛必然加速气体对流,并易于把热是从腔体内传递到腔体外,从而有利于建立大温度梯度的沮场分布,保证了晶体正常生长,如果对生长室进行抽气,使之变成真空状态,此时在腔体内对流传热消失,而由于;胜体内壁的辐射,促使了腔体内温度更快趋于平衡。

这些都有利于在腔体内建立小梯度的温场分布,从而满足了晶体生长后冷却退火时对温场的要求。

3、晶体生长提拉法生长热量是由增祸传到熔体中的,因此在增祸壁附近的熔体温度较高、熔体密度较小,而远离祸壁的熔体中心则温度相对较低、熔体密度较大,在这种密度差造成的浮力差的作用下,熔体就会从祸壁处向中心处流动,形成自然对流。

另一方面,在实际的晶体生长过程中,生长的晶体不停的旋转(有时增祸也同时旋转),从而对熔体产生搅拌作用。

在这种搅拌力的作用下,熔体内会形成一股与自然对流近乎相反的液流,这就是强迫对流。

因此在晶体生长过程中,增锅内的熔体液流便有了三种状态,即自然对流占主导的状态(凸界面),自然对流与强迫对流平衡的状态(平界面)和强迫对流占主导的状态(凹界面),如下图所示。

坩锅内熔体的对流状态,直接决定着晶体生长过程中固液界面的形状:对于凹界面状态,由于固液界面处于凹界面时,晶体生长处于一种极不稳定的状态,生长出的晶体散射严重,缺陷密度大,因此是晶体生长过程中必须尽量避免的。

提拉法生产单晶的工艺过程
提拉法是一种常用的单晶生长工艺，主要用于生产硅单晶。

以下是提拉法生产单晶的工艺过程：
1. 原料准备：将高纯度的硅原料加入石英坩埚中并加热熔化，得到硅熔体。

2. 晶体种植：在石英坩埚内放入种子晶体，使其与硅熔体接触，形成晶体的初步生长。

3. 晶体提拉：将种子晶体与坩埚底部相连的拉杆慢慢向上拉升，使硅熔体慢慢提拉，晶体就会逐渐延伸。

4. 形成单晶棒：通过适当的控制拉杆的上升速度和熔体的温度，使得晶体在提拉的过程中逐渐形成单晶。

5. 控制温度和速度：在整个提拉过程中，需要严格控制熔体的温度和晶体提拉速度，以保证单晶的质量和尺寸。

6. 切割和修整：当单晶棒的长度达到一定要求后，将其切割成单个硅片，并进行修整和打磨，以得到最终的单晶硅片。

需要注意的是，提拉法生产单晶的过程需要在高真空环境下进行，以避免杂质的
污染。

此外，提拉法虽是一种常用的单晶生长工艺，但其过程控制较为复杂，需要经验丰富的技术人员进行操作。

LiNbO晶体提拉法生长3材料物理 0910278 吴纯治一、实验目的(1) 了解提拉法生长单晶的生长机制；(2) 学习LiNbO晶体的生长特性及生产工艺，熟悉设备结构与功能。

3二、实验原理当一个结晶固体的温度高于熔点时，固体就熔化为熔体，当熔体的温度低于凝固点时，熔体就凝固为固体。

单晶的生长涉及到固液相变，这个过程中，原子（或分子）的随机堆积的阵列转变为有序阵列，即结晶。

提拉法生长单晶：，将制备好的原料放进坩埚，然后把坩埚放入盛有绝热材料Al O泡沫颗粒）的加热炉中，加热炉采用中频感应线圈加热法或是电阻加热（23法。

原材料在高温下转变为熔体，提拉杆上放置一个单晶核，然后将晶核下端部分浸入熔体中。

在晶核和熔体的交界面上不断地进行分子与原子的有序排列，这样提拉杆旋转着往上提拉，单晶体就缓慢的生长出来了。

温度场：因为熔体温度高于材料熔点，而要生长单晶，籽晶浸入部分又不能融化（只能软化），所以要求温度满足低于材料熔点。

这势必要在熔体与晶核之间界面处形成一定的温度梯度，从熔体到晶体，温度以一定趋势降低。

引颈：缓慢向熔体下降，避免热冲击，降至离熔体0.5～1mm处，等待1小时，待籽晶与熔体温度相近时，开始引颈。

引颈的过程必须要进行“缩颈”，以减少籽晶的位错向晶体的扩展。

放肩：经“缩颈”一定长度后，开始缓慢放肩，要获得高品质的单晶，放肩的角度一定要小，肩型要缓，放肩角小于60度为好。

实验步骤：原料处理，装料，抽真空（对于LiNbO晶体不需要），升温，熔料，3引颈，放肩，等径，提拉。

三、实验内容（1）认知学习：学习了解晶体生长的各个设备及流程。

四、思考题1.什么叫晶体的同成分配比生长，有那些因素会影响晶体的组分？同成分配比：满足生长出的单晶成分与熔体中成分比例一致的配比。

影响因素有温度，过冷度等。

2.为防止晶体开裂，应当注意什么事项？应保证同成分，即熔体与生长出的晶体成分比例是相同的，而且要保证温度梯度要合适。