单晶制备张成智.ppt

*第1页，共27页，星期日，2025年，2月5日按材料结晶状态分类单晶：比较完整晶粒构成的材料，如：单晶纤维、单晶硅。多晶：由多个晶粒构成的材料，其性能与晶粒大小和晶界的性质有密切的关系。非晶：由原子或分子长程无序排列的固态材料，如：玻璃，聚合物。准晶：（是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破）它是无平移同期性但有位置序的晶体，如：在急冷凝固的AlMn合金，具有五重旋转对称但并无无平移周期性。下面我们来着重讲一下单晶*第2页，共27页，星期日，2025年，2月5日单晶的发展随着电子技术、激光技术和一些新型陶瓷材料的迅速发展，在很多场合下需要单晶材料（材料整体只有一个晶粒，内部没有晶界）。单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说是由结构基元在三维空间内，呈周期排列而成的固态物质。如水晶，金刚石，钻石、宝石等。*第3页，共27页，星期日，2025年，2月5日单向有序排列决定了它具有以下特征：（1）均匀性：同一单晶不同部位的宏观性质相同；（2）各向异性：在单晶的不同方向上一般有不同的物理性质；（3）自限性：单晶在可能的情况下，有自发地形成一定规则几何多面体的趋向；（4）对称性：单晶在某些特定的方向上其外形及物理性质是相同的；（5）最小内能和最大稳定性：物质的非晶态一般能够自发地向晶态转变。*第4页，共27页，星期日，2025年，2月5日单晶是如何做出来的呢？单晶硅*第5页，共27页，星期日，2025年，2月5日单晶的生长工艺单晶材料的制备又称晶体生长，是物质的非晶态，多晶态，或能够形成该物质的反应物，通过一定的物理或化学手段转变为单晶状态的过程。单晶材料的制备关键是避免多余晶核的形成，保证唯一晶核的长大，因此，要求材料纯度高，以避免非均匀形核，过冷度低以防止形成其它晶核。*第6页，共27页，星期日，2025年，2月5日晶体生长方法*第7页，共27页，星期日，2025年，2月5日1、提拉法提拉法，又称邱克拉斯基(Czochralski)法，简称CZ法。1）同成分的结晶物质熔化，但不分解，不与周围反应。2）预热籽晶，旋转下降与熔体液面接触，待籽晶微熔后，缓慢向上提拉。3）降低坩埚温度或熔体温度梯度，不断提拉籽晶，使其变大4）保持合适温度梯度与提拉速度，使晶体等径生长。5）晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。6）退火处理，以提高晶体均匀性和消除存在的内应力。*第8页，共27页，星期日，2025年，2月5日籽晶说到籽晶，我们先说说惯习面。惯习面：结晶通常在一定晶体学平面上形成，这个平面就是惯习面。因为结晶时为了保持能量最低，所以惯习面一般是晶体结构的密排面。使用籽晶的优点：作为非均匀形核点，可以使相变在其它均匀形核点所需要的温度发生；可以使晶体生长轴沿着与结晶轴平行的方向生长。适于半导体单晶Si、Ge及大多数激光晶体。*第9页，共27页，星期日，2025年，2月5日*第10页，共27页，星期日，2025年，2月5日（a）CZ系统的主要组成（b）籽晶以及从熔体中生长晶体的示意图上下的转速一样*第11页，共27页，星期日，2025年，2月5日在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。其优点有：通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；.可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；.容易控制。提拉法的缺点是：.由于使用坩埚，因此，容易污染；.对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；.不适用于对于固态下有相变的晶体。2、提拉法的优缺点*第12页，共27页，星期日，2025年，2月5日2、坩埚下降法*第13页，共27页，星期日，2025年，2月5日2、坩埚下降法又称Bridgman-Stockbarger法，在下降坩埚的过程中，能精密测温、控温。过热处理的熔体降到稍高于凝固温度后，坩埚下降至低温区，此时该部位呈多晶生长，当某一晶粒占优势时变为单晶生长。坩埚继续下降，晶体继续生长，直至熔体全部进入低温区转变为晶体，晶体生长结束。最后进行晶体退火。这种方法操作简便，可生长很大尺寸的晶体。其原理和提拉法一样。*第14页，共