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。

万方数据１２宝石和宝石学杂志结构，质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小，且含有助熔剂阳离子，质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性，尺寸较大。

其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化，然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却，从而生长晶体。

由于降温的受控条件不同，因此，从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。

目前，世界上主要的熔体法生长技术有４种［５￣８］：晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。

１．１晶体提拉法晶体提拉法（ｃｒｙｓｔａｌｐｕｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）由Ｊ．Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ于１９１８年发明，故又称“丘克拉斯基法”，简称Ｃｚ提拉法，是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法，能在短期内生长出高质量的单晶。

这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。

其优点是：（１）在生长的过程中，可方便地观察晶体生长的状况；（２）晶体在熔体表面处生长，不与坩埚接触，能显著地减小晶体的应力，防止坩埚壁的寄生成核；（３）可以方便地运用定向籽晶和“缩颈”工艺，使“缩颈”后籽晶的位错大大减少，降低扩肩后生长晶体的位错密度，从而提高晶体的完整性（图１）。

其主要缺点是晶体较小，直径最多达约５１～７６ｍｍ。

图１提拉法生长的蓝宝石晶体Ｆｉｇ．１Ｓ＿ａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｃｒｙｓｔａｌｐｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ（ｆｒｏｍＪＨＧｒｏｕｐＣｏ．）１．２导模法导模法（ｅｄｇｅ—ｄｅｆｉｎｅｄｆｉｌⅡ１－ｆｅｄｇｒｏｗｔｈ，ＥＦＧ）是改进型且可控制晶体形状的晶体提拉法。

其工艺特点是：在提拉的过程中生长出模具顶端形状的晶体，可按要求生长出多种形状。

如Ｓａｉｎｔ—Ｇｏｂａｉｎ公司采用该技术生长出直径达４５０～５００ｍｍ的光学晶片，日本京瓷公司改良该技术后生长出ＬＥＤ衬底使用的Ｃ面晶片并获得专利。

但该方法的设备和工艺技术难度较大，不易推广。

１．３热交换法热交换法（ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｍｅｔｈｏｄ，ＨＥＭ）的实质是控制温度，让熔体直接在坩埚内凝固结晶，其主要技术特点是以Ｈｅ为冷却源，依靠Ｈｅ的循环带走热量而使晶体生长。

第三章提拉法及其合成宝石的鉴定要点:∙晶体提拉法的原理方法∙提拉法合成宝石的鉴定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。

2O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。

第一节提拉法一、提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。

图 3-1 提拉法合成装置(点击可进入多媒体演示)二、提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。

1.晶体提拉法的装置晶体提拉法的装置由五部分组成：（1）加热系统加热系统由加热、保温、控温三部分构成。

最常用的加热装置分为电阻加热和高频线圈加热两大类。

采用电阻加热，方法简单，容易控制。

保温装置通常采用金属材料以及耐高温材料等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温装置。

控温装置主要由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。

（2）坩埚和籽晶夹作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。

常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。

其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。

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。

晶体生长方法简介不同晶体根据技术要求可采用一种或几种不同的方法生长。

这就造成了人工晶体生长方法的多样性及生长设备和生长技术的复杂性。

以下介绍现代晶体生长技术中经常使用的几种主要方法一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。

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。

焰熔法的生长原理如下，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。

最全的材料晶体生长工艺汇总提拉法提拉法又称直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，简称CZ法。

它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。

用提拉法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等多种重要的人工宝石晶体。

提拉法的原理：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶下降至接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。

提拉法的工艺步骤可以分为原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。

具体过程如示意图。

提拉法晶体生长工艺有两大应用难点：一是温度场的设置和优化；二是熔体的流动和缺陷分析。

下图为提拉法基本的温度场设置以及五种基本的熔体对流模式。

在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。

因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。

下图是不同的坩埚和晶体旋转速率下产生的复杂流动示意图。

这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。

通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是一种有效办法，利用导电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。

常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。

下图是几种不同的引入磁场类型示意图。

引入磁场可以在一定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。

晶体提拉法有以下优点：（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，获得优质取向的单晶；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体光学均一性高。

晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。

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。

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。