第二章晶体生长的基本规律
结晶矿物学 02-晶体生长
第二章 晶体生长理论
2-3 晶体生长模型 2. 螺旋生长理论模型 (screw growth)
Frank 等人（1949，1951）的实验证实：气相结晶时，1%的过饱和度即 可。另外，发现实际晶体总是存在台阶位错。
第二章 晶体生长理论
2-4 晶面的发育
1. 布拉维法则
晶体上的实际晶面平行于面网密度大的面网，这就是 布拉维法则 (law of Bravais)。
第二章 晶体生长理论
1.层生长理论模型 (layer growth)
层生长理论示意图
第二章 晶体生长理论
1.层生长理论模型 (layer growth)
证据：
（a）晶体表面的几何形态 （b）环带结构（zoning） （c）砂钟构造 （d）面角恒等 （e）晶面阶梯状生长纹
第二章 晶体生长理论
第二章 晶体生长理论
2-5 影响晶体生长的外部因素
2. 温度
温度的变化直接导致过饱和度或过冷却度的变化，从而 改变了晶面的比表面自由能及不同晶面间的相对生长速 度，所以会形成不同的晶体形态。
第二章 晶体生长理论
2-5 影响晶体生长的外部因素
第二章 晶体生长理论
3. 杂质
溶液中杂质的存在，可以改 变晶体不同面网的表面能， 所以其相对生长速度也会 随只变化而影响晶体的形 态。
4. 粘度
粘度的加大，会防碍涡流的 产生，溶质的供给只能一 扩散的方式来进行，造成 物质供给不足。产生骸晶。
5.结晶速度
结晶速度大，则结晶中心增多，晶体长的细小，且往往 长成针状、树枝状。反之，结晶速度小，晶体长得粗大。
第二章 晶体生长理论
第二章 晶体生长理论
2-3 晶体生长模型
结晶学与矿物学 第二章 晶体生长模型
第五节 晶簇与几何淘汰率
Ⅲ
生长速度最大方向与基底平面垂 直的晶体继续生长
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ Ⅰ Ⅰ
2-14
第六节
歪晶和面角守恒定律
1. 歪晶 distorted crystal
r
z
m
m
r
z
m
r
r
m z
m
石英的理想晶体
歪晶
2-15
2.面角恒等定理
law of constancy of angle
b
c
d
e
f
螺旋生长模型
2-8
第三节 晶面发育的二个理论 布拉维法则和周期键链理论
何种面网发育成晶面？
1.布拉维法则
--法国结晶学家A.bravis 提出：实际晶体的面网常 常是由晶体格子构造中面网密度大的面网发育成的。
2-9
晶面生长速度与面网密度关系
3 A a 1 B
面网密度小
A
C
B
2
生长速度
如火山喷气，雪花等
2. 液相---固相
熔体中结晶，如岩浆岩，金属晶体 溶液中结晶，如温度降低，水分蒸发，化学反应
2-2
第一节
晶体生长的途径
3 固相----晶体
非晶体—晶体 晶体—晶体：同质多相、固溶体分离、再结晶
2-3
第二节
晶体的层生长和螺旋生长
晶体生长的二个重要理论，晶体生长模型
1.层生长理论 layer growth --W.Kossel—I.N.Stranski二维成核理论 质点优先进入顺序： （1）1 ＞ 2 ＞ 3
3
晶体生长原理
晶体生长原理晶体是由原子、离子或分子排列成有序的三维结构，具有特定的形状和大小。
晶体结构的形成是一个复杂的过程，需要满足一定的条件和原则。
晶体生长原理是研究晶体形成过程的基本原理和规律。
晶体生长的基本原理是在液态或气态中，原子、离子或分子以一定的方式排列形成有序的晶体结构。
晶体生长的过程可以分为三个阶段：核心形成、生长与成长。
在核心形成阶段，原子、离子或分子聚集形成一个小晶核，其大小和形状取决于物质的浓度、温度和晶体的种类等因素。
在生长阶段，晶体的生长速度与溶液中的物质浓度、温度、压力、扰动等因素有关。
在成长阶段，晶体形态和大小基本稳定，晶体内部结构和晶面的形态也基本固定。
晶体生长的原则包括热力学原则、动力学原则和几何原则。
热力学原则是指晶体生长遵循平衡态热力学规律，物质从高浓度区域向低浓度区域扩散，同时热力学稳定性越高的结构越容易形成。
动力学原则是指晶体生长遵循非平衡态动力学规律，物质的扩散速率受到流体动力学、传质、传热等因素的影响。
几何原则是指晶体生长遵循几何学原则，晶体的形态受晶面对称性和界面能等因素的影响，晶体的生长方向和晶面的生长速度也受到相应的限制。
晶体生长的条件包括物质的浓度、温度、压力、流体动力学等因素。
物质的浓度是晶体生长的基本条件之一，过高或过低的浓度都会影响晶体的生长。
温度也是影响晶体生长的重要因素，温度过高或过低都会影响晶体生长。
压力是晶体生长的另一个重要因素，高压下晶体生长速度更快，而低压下晶体生长速度较慢。
流体动力学是晶体生长过程中的另一个重要因素，流体动力学的扰动可以影响晶体生长的方向和速度。
晶体生长的研究对于材料科学、化学、生物学等领域具有重要意义。
通过对晶体生长的深入研究，可以探索材料的性质和结构，研究生命体系的基本规律，提高生产效率，开发新的材料和技术。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。
晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域，对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。
晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识，在实际应用中也有着广泛的应用价值。
晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面：1. 原子或分子的扩散。
晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。
这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。
原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。
2. 晶体表面的吸附和解吸。
当原子或分子到达晶体表面时，它们会发生吸附和解吸的过程。
吸附是指原子或分子附着在晶体表面，解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。
吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性，进而影响晶体生长的速率和形貌。
3. 晶体生长的动力学过程。
晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程，以及晶体内部的结构调整和排列。
这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响，对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。
4. 晶体生长的形貌控制。
晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。
在实际应用中，通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件，可以实现对晶体生长形貌的控制，获得特定形状和尺寸的晶体。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
在实际应用中，通过深入研究晶体生长的原理，可以实现对晶体生长过程的控制，获得具有特定形貌和性能的晶体材料，为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。
同时，对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律，对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体是一种具有高度有序结构的固体材料，其内部的原子、分子或离子排列呈现出一定的规律性。
晶体的生长过程是一个复杂而又精密的物理化学过程，其原理涉及到热力学、动力学、界面化学等多个领域。
本文将就晶体生长的基本原理进行探讨，以期加深对晶体生长过程的理解。
晶体生长的基本原理可以概括为以下几个方面：1. 原子或分子的聚集。
晶体生长的第一步是原子或分子的聚集。
在适当的条件下，如过饱和度、温度、溶液中的物质浓度等方面的变化，会导致原子或分子在某一特定位置聚集成固态结构的种子，从而形成晶核。
2. 晶核的生长。
晶核的形成标志着晶体生长的开始。
晶核的生长是一个动力学过程，其速度取决于溶液中物质的浓度、温度、溶液的流动情况等因素。
在晶核生长过程中，原子或分子会不断地从溶液中聚集到晶核表面，形成新的晶格，使得晶核逐渐增大。
3. 晶体的形态。
晶体的形态受到晶体生长条件的影响。
在不同的生长条件下，晶体会呈现出不同的形态。
例如，在溶液中生长的晶体往往呈现出多面体形态，而在气相中生长的晶体则更倾向于呈现出柱状或板状的形态。
晶体的形态与其生长过程中的动力学条件密切相关。
4. 晶体生长的动力学。
晶体生长的动力学过程涉及到原子或分子在晶体表面的吸附、扩散和结合等过程。
这些过程受到温度、浓度梯度、溶液流动等因素的影响。
在晶体生长的过程中，这些动力学过程相互作用，共同决定了晶体的生长速率和形态。
5. 晶体生长的热力学。
晶体生长的热力学过程主要涉及到溶液中物质的浓度、温度等因素对晶体生长的影响。
热力学条件的变化会导致晶体生长速率的变化，从而影响晶体的形态和尺寸。
总之，晶体生长是一个受到多种因素影响的复杂过程，其原理涉及到热力学、动力学、界面化学等多个领域。
对晶体生长原理的深入理解有助于我们更好地控制晶体的生长过程，从而制备出具有特定形态和性能的晶体材料，为材料科学和工程技术的发展提供有力支持。
晶体生长的基本原理与规律
晶体生长的基本原理与规律晶体生长是一种自组装的过程，是物质形态的重要方面。
晶体生长涉及到多种物理过程和化学因素，其基本原理与规律关系到物质科学的许多方面。
晶体是原子、分子或离子的有序排列，构成了空间中确定的结构。
晶体生长是原子、分子或离子从溶液、气相或熔体中组装成确定结构的过程。
晶体生长过程中的物理、化学特性也决定了晶体的形成及晶体的结构特征。
1. 晶体生长的基本原理晶体生长的基本原理与物质的组成、物态、温度、压力、溶液浓度等有关系。
晶体生长的过程中，原子、分子或离子从半无序的状态演化到了高度有序的状态，具有以下几个方面的基本原理：1. 相变物质的相变包括固化、融化、凝固、冷凝等过程，在相变过程中，原子、分子或离子的能量、热力学状态也在变化。
2. 核形成晶体的核形成是晶体生长的最初阶段。
在合适条件下，原子、分子或离子在溶液中或气相中形成临界尺寸的核，然后继续向外生长直到形成晶体。
晶体的核形成涉及到物理因素、化学物质、温度、压力等因素的影响。
3. 晶体生长晶体的生长过程是晶体从核心开始向外扩展，进而变成完整晶体的过程。
晶体生长过程中，原子、分子或离子按照规律排列，逐渐形成完整的晶体。
2. 晶体生长的规律物质状态、热力学、流体力学等多种因素影响晶体生长的规律，晶体生长的规律可以从以下几个方面来说明：1. 晶体的结构决定生长方向晶体结构的不同影响碰撞方向和原子、分子或离子的排布。
晶体结构对生长方向也有重要的影响，不同性质的物质晶体生长方向并不相同。
2. 生长速率与晶体结构有关不同晶体结构形成生长速率也不相同，各自有自己的生长速率规律。
晶面生长速率决定了晶面形貌的缺陷和微观结构的特殊性质。
晶体生长速率的控制是制备高质量晶体的基本问题。
3. 溶液浓度和温度的影响晶体生长在特定温度下发生，温度改变会使溶液饱和度变化，从而影响晶体生长速度和晶体结构的形态。
溶液浓度也是影响晶体生长的重要因素，浓度越高，晶体的生长速率越快。
晶体的生长机理讲解
1．层生长理论模型（科赛尔-斯兰特斯基理论加以发展的晶体的 层生长理论 这一模型要讨论 的关键问题是：在一个正在 生长的晶面上寻找出最佳生 长位置，有平坦面、两面凹 角位、三面凹角位。其中平 坦面只有一个方向成键，两 面凹角有两个方向成键，三 面凹角有三个方向成键，见 图：
综合控制机理
晶体生长事实上是极为复杂的过程 , 特别是自溶液中的生长 ,一般情况下 ,控 制晶体生长的机理都不止一种 ,而是由单 核层机理、 多核层机理和扩散控制生长 机理的综合作用 ,控制着晶体的生长。
四、晶体的生长模型
晶体生长的三个阶段：首先是介质达到 过饱和、过冷却阶段；其次是成核阶段，即 晶核形成阶段；最后是晶体的生长阶段。 一旦晶核形成后，就形成了晶－液界面， 在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、 离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形 成晶体。
二、晶体生长的基本过程
从宏观角度看 ,晶体生长过程是晶体 — 环境相(蒸 气、 溶液、 熔体)界面向环境相中不断推移的过程 , 也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高 度有序晶相的转变。 从微观角度来看 ,晶体生长过程可以看作一个 “基 元” 过程 ,所谓 “基元” 是指结晶过程中最基本 的结构单元 ,从广义上说 , 可以是原子、 分子 ,也 可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体。
因此，最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹角
位，最不容易生长的位置是平坦面。
这样，最理想的晶体生长方式就是:先在三面凹角上生长 成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质 点，以形成三面凹角，再生长一行，重复下去。但是，实际 晶体生长不可能达到这么理想的情况，也可能一层还没有完 全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长，后可在晶 面上留下生长层纹或生长阶梯。
晶体生长原理
晶体生长原理引言晶体是固态物质中结晶形成的有序排列的原子、分子或离子的集合体。
晶体的生长是指原子、分子或离子在固态物质中逐渐聚集、排列有序并形成结晶体的过程。
晶体生长原理是研究晶体生长的基本规律和机制，对于生长高质量晶体具有重要的指导意义。
温度对晶体生长的影响温度是晶体生长过程中影响晶体形成和生长速率的重要因素之一。
通常情况下，随着温度的升高，晶体生长速率也会增加。
这是因为温度的升高会使晶体物质的扩散速率增加，进而促进晶体结晶的发生。
然而，超过一定温度范围后，温度升高会导致晶体生长过饱和，晶体生长速率反而下降。
溶液浓度对晶体生长的影响溶液浓度也是影响晶体生长的重要因素之一。
在一定温度范围内，溶液浓度的升高通常会导致晶体生长速率的增加。
这是因为溶液浓度的增加会增加晶体生长过程中原料物质的供应，进而促进晶体的形成。
然而，当溶液浓度过高时，过高的浓度会导致晶体物质聚集过于密集，晶体生长也会受到限制。
模板晶体生长原理模板晶体生长是一种利用已有的晶体作为模板来生长新的晶体的方法。
在模板晶体生长中，已有的晶体作为晶核，新的晶体会在其表面逐渐生长。
模板晶体生长常用于制备特定形貌和结构的晶体，具有良好的选择性。
模板晶体生长的原理基于以下几个方面： 1. 模板晶体表面具有特定的结构和活性位点，能够吸附和定向排列新的晶体生长物种，从而引发新的晶体生长。
2. 模板晶体能够提供晶体生长所需的有序环境和立体位阻，促进新的晶体在特定方向上生长并控制晶体形貌。
3. 模板晶体和生长物种之间的相互作用会导致新的晶体在模板表面特定取向上生长，从而形成具有预定结构和形貌的晶体。
晶体生长的步骤晶体生长的过程可以分为以下几个步骤： 1. 溶质分散：在溶液中，晶体物质的分散度决定了晶体生长的速率和质量。
在晶体生长过程中，晶体物质会从溶液中以原子、分子或离子的形式逐渐聚集。
2. 溶质扩散：晶体物质在溶液中扩散是晶体生长的关键步骤之一。
结晶学 第二章 晶体生长简介
总之，是设计出一些方法让晶体生长得完好。每个晶体所适 合的方法不同。
四、决定晶体生长形态的内因
1．布拉维法则(law of Bravais)： 晶体上的实际晶面往往平行于面网密度大的面网 。 为什么？ 面网密度大—面网间距大—对生长质点吸引力小—生 长速度慢 生长速度慢—在晶形上保留— 生长速度快—尖灭
层生长过程
但是，实际晶体生长不可能达到这么理想的情况，也可能 一层还没有完全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长， 最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
总之，层生长理论的中心思想是：晶体生长过程是晶面层 层外推的过程。 但是，层生长理论有一个缺陷：当将这一界面上的所有 最佳生长位置都生长完后，如果晶体还要继续生长，就必须在 这一平坦面上先生长一个质点，由此来提供最佳生长位置。这 个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核，形成这个二 维核需要较大的过饱和度，但许多晶体在过饱和度很低的条件 下也能生长，为了解决这一理论模型与实验的差异，弗兰克 (Frank)于1949年提出了螺旋位错生长机制。
有什么现象可证明这两个生长模型？
环状构造、砂钟构造、晶面的层状阶梯、螺旋纹
三、晶体生长实验方法
水热法—高温高压生长（高压釜）：晶体原料溶在高温 高压水溶液（溶剂）中； 提拉法—高温常压生长：没有溶剂，也没有助熔剂 ； 低温溶液生长------低温常压水溶液生长：即常见的从溶 液中结晶出来； 高温熔液生长-------高温常压在助熔剂生长：没有溶剂， 但有助熔剂 （晶体原料熔在另外一种成分的物质中，但 无水）。
2．螺旋生长理论模型（BCF理论模型）
该模型认为晶面上存在 螺旋位错露头点可以作为 晶体生长的台阶源,可以对 平坦面的生长起着催化作用， 这种台阶源永不消失，因此 不需要形成二维核，这样便 成功地解释了晶体在很低过 饱和度下仍能生长这一实验 现象。
晶体生长的三个阶段
文档标题：晶体生长三部曲：从胚胎到成熟的全过程正文：哎哟，说起晶体生长，这事儿可有意思了。
咱们平时看到的那些亮晶晶的宝石、晶莹剔透的盐粒，其实都是晶体。
它们是怎么从无到有，从小到大的呢？今天我就用大白话给大家讲讲晶体生长的三个阶段，保证让你听得明明白白。
第一阶段：胚胎期，也就是晶核形成阶段咱们都知道，种瓜得瓜，种豆得豆，晶体生长也得有个“种子”，这个“种子”就叫晶核。
晶核的形成，就像是个宝宝刚开始在妈妈肚子里扎根一样。
在这个阶段，溶液里的分子、原子或者离子，它们开始不安分了，互相拉拉扯扯，抱团取暖，慢慢就形成了一个个小团体，这就是晶核。
这个过程可不容易，得有合适的温度、压力和环境，才能让这些小家伙们安心成长。
第二阶段：成长期，也就是晶粒长大的阶段晶核一旦形成，接下来就是疯狂长大的阶段了。
这就像小孩子长个儿一样，蹭蹭蹭地往上窜。
在这个阶段，溶液里的分子、原子或者离子，它们看到晶核这么热闹，也都纷纷跑过来加入，一个接一个地贴在晶核上，让晶体越来越大。
这个过程叫做“沉积”，听起来高大上，其实说白了就是一层层往上堆。
但是，这个堆的过程有讲究，得按照一定的规律来，不然长出来的晶体就不完美了。
第三阶段：成熟期，也就是晶体完善的阶段晶体长到一定程度，就像人到了成年，得开始注重内在修养了。
这时候，晶体生长的速度会慢下来，开始调整自己的内部结构，把那些长得不规矩的地方慢慢修正，让自己变得越来越完美。
这个阶段，晶体的形状、大小基本定型，但内部还在不断优化，就像人锻炼身体，让自己更健康一样。
总的来说，晶体生长这三个阶段，就像人的一生，从出生到成长，再到成熟。
每个阶段都有它的特点和重要性，缺一不可。
而且，这个过程还得小心翼翼的，稍微有点风吹草动，比如温度、压力变化，都可能影响晶体的生长，让它们长歪了或者长得不完美。
所以说，晶体生长这事儿，看着简单，其实里面的门道多了去了。
下次当你看到那些漂亮的晶体时，别忘了它们可是经历了千辛万苦，才长成现在这个样子的哦。
结晶学多媒体2
二、科塞尔原理（晶体的层生长理论） 科塞尔原理（晶体的层生长理论） 该理论由科塞尔（ 加以发展的晶体的 该理论由科塞尔（Kossel, 1927）首先提出，后经 ）首先提出，后经Stranski加以发展的晶体的 加以发展的 层生长理论，故又称为Kosse-stranski理论，解释如下： 理论， 层生长理论，故又称为 理论 解释如下： 如图所示：假设晶格为同一种原子所组成的立方晶格，其相邻原子的间距为 。 如图所示：假设晶格为同一种原子所组成的立方晶格，其相邻原子的间距为a。 在晶体形成过程中，主要存在三种可能不同的位置。 在晶体形成过程中，主要存在三种可能不同的位置。 位置1： 三面凹角，引力最大，最先充填； 位置 ：为三面凹角，引力最大，最先充填； 充填 位置2： 两面凹角，引力较小，其次充填； 位置 ：为两面凹角，引力较小，其次充填； 充填 位置3：一般位置，引力最小，最后选择充填。 位置 ：一般位置，引力最小，最后选择充填。 选择充填 因此，晶体理想的结晶情况是：先长一条 因此，晶体理想的结晶情况是： 行列，然后长相邻的行列，在长满一层面网后， 行列，然后长相邻的行列，在长满一层面网后， 再开始长第二层面网，晶面（最外层面网） 再开始长第二层面网，晶面（最外层面网）是 平行向外推移生长的。这就是晶体的层生长理论。 平行向外推移生长的。这就是晶体的层生长理论
解释： 解释：
1. 晶面生长速度与实际晶面的关系？ 晶面生长速度与实际晶面的关系？ 显示： 图10显示：生长速度快的面网在生长过程中消失。 显示 生长速度快的面网在生长过程中消失。 晶面生长速度是指：单位时间内晶面沿其法线方向所增长的厚度； 晶面生长速度是指：单位时间内晶面沿其法线方向所增长的厚度； 是指 沿其法线方向所增长的厚度 2.晶面生长速度与面网密度的关系？ 晶面生长速度与面网密度的关系？ 晶面生长速度与面网密度的关系 表示晶体的一个截面上垂直于图面的4个面网 图11表示晶体的一个截面上垂直于图面的 个面网，其面网密度之相对大小 表示晶体的一个截面上垂直于图面的 个面网， 依次为：AB=AD>BC>CD； 依次为： ； 从物理和几何原理已知：质点间的吸引力与它们之间距离的平方成反比； 从物理和几何原理已知：质点间的吸引力与它们之间距离的平方成反比； 吸引力与它们之间距离的平方成反比 因此，上述 个面网对新增质点的吸引力之相对大小依次为 个面网对新增质点的吸引力之相对大小依次为： 因此，上述4个面网对新增质点的吸引力之相对大小依次为： CD>BC>AD=AB 所以，晶面的生长速度与其面网密度成反比。 所以，晶面的生长速度与其面网密度成反比。 生长速度与其面网密度 故：实际晶体为面网密度大的晶面所包围。 实际晶体为面网密度大的晶面所包围。
第二章--晶体生长
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
二、悬浮区熔法（FZ法）
方法： 依靠熔体的表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出
的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。
优点：
实现均匀掺杂的方法:
1、采用高拉晶速率、低旋转速度生长单晶：当生长参数 v / D 的值较大时，ke的值比k0大，甚至能够接近1。 2、持续加入多晶硅生料，保持初始掺杂浓度不变。
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
直拉法(CZ法)生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化， 可较好控制电阻率径向均匀性
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
三、GaAs晶体生长技术
1、初始材料
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
2、晶体生长技术
液封直拉法(Czochralski法) 熔融B2O3液封，高压 (>1atm)，石墨坩埚
Bridgman法（双温区闭管法）
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
四、材料特征
1、晶片整形
去除仔晶和锭尾 外形研磨，确定晶锭直径 研磨标识面或槽，去顶晶锭的晶向和导电类型 切片 晶片研磨 晶片抛光 清洗 装入片盒
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
径向研磨 定位面研磨
微电子技术工艺原理
第二章 晶体生长
晶面定向与晶面标识
由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一 样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件： {111}面; MOS器件：{100}面。8” 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出 平边来指示晶向和导电类型。
第二章晶体生长的基本规律
第二章 晶体生长的基本规律
A、B、C指PBC键链方向 、 、 指 键链方向
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
2.4影响晶体生长的外部因素 影响晶体生长的外部因素
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
1.涡流 涡流
由于溶质的析出和结晶潜热的释放， 由于溶质的析出和结晶潜热的释放，在 生长晶体周围，溶液的密度相对下降， 生长晶体周围，溶液的密度相对下降， 导致溶液上向移动， 导致溶液上向移动，稍远处的溶液补充 进来，由此形成了涡流。 进来，由此形成了涡流。 涡流使生长晶体的物质供应不均匀。 涡流使生长晶体的物质供应不均匀。 Crystallography
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
因此，某种晶体虽然有其习见形态， 因此，某种晶体虽然有其习见形态， 但也可以出现其他形态。例如萤石， 但也可以出现其他形态。例如萤石， 可以是立方体，也可以是八面体。 可以是立方体，也可以是八面体。这 表明在不同环境下， 表明在不同环境下，立方体面网和八 面体面网的生长速度发生了变化。 面体面网的生长速度发生了变化。不 就总的定性趋势而言， 过，就总的定性趋势而言，布拉维法 则还是有一定意义的。 则还是有一定意义的。 Crystallography
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
岩浆岩的形成
How Igneous Rock Is Formed
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
天然熔体： 天然熔体：岩浆
Crystallography
第二章 晶体生长的基本规律
天然熔体： 天然熔体：岩浆
固体物理二章知识点总结
固体物理二章知识点总结固体物理第二章是关于晶体结构的内容，围绕着晶体的结晶结构、晶体点阵和基本晶胞的概念来展开讨论。
晶体是由周期性排列的原子或分子组成的，具有高度有序的结构，其结晶结构决定了晶体的性质和行为。
在这一章中，我们将从晶体的基本概念出发，逐步展开对晶体结构的探讨。
晶体的结晶结构是指晶体中原子或分子的排列方式和规律。
晶体的结晶结构包括晶体点阵和晶体的基本晶胞。
晶体点阵描述了晶体原子或分子的周期性排列方式，而晶体的基本晶胞则是由最小的重复单元构成，可以描述晶体的整体结构。
在这一部分，我们将介绍常见的晶体点阵和基本晶胞的类型以及它们之间的关系。
晶体点阵包括简单立方晶体、体心立方晶体和面心立方晶体等多种类型。
这些不同类型的晶体点阵具有不同的原子或分子排列方式和周期性，从而导致了晶体具有不同的性质和行为。
而晶体的基本晶胞则由部分晶胞和全部晶胞构成，它们决定了晶体的整体结构和周期性。
在这一章中，我们将深入探讨不同类型的晶体点阵和基本晶胞的性质和特点，并对它们进行详细的介绍和比较。
此外，我们还将介绍晶体缺陷和晶体生长的原理。
晶体缺陷是指晶体中存在的一些不规则排列的原子或分子，这些缺陷对晶体的性质和行为有着重要的影响。
晶体生长则是指晶体通过物质的沉积和积累形成有序结构的过程，它是晶体的产生和发展的基本原理。
在这一章中，我们将对晶体缺陷和晶体生长的机制和规律进行详细的阐述和分析。
总的来说，固体物理第二章是关于晶体结构的内容，围绕着晶体的结晶结构、晶体点阵和基本晶胞的概念展开讨论，同时还包括晶体缺陷和晶体生长的原理。
这些知识点对于理解固体物质的结构和性质，以及相关材料的性能和应用有着重要的意义。
在今后的学习和研究中，我们需要深入掌握这些知识点，并不断拓展和深化自己的理解，以便更好地应用和发展固体物理的相关理论和方法。
第二章晶体生长的基本规律
只有△G足够大的体系，相变才会发 生，才会形成晶核。
以溶液情况为例，说明成核作用的过程
溶液中瞬间质点聚集形成结晶微粒，此微粒是否稳定存 在与能量有关 • 设单位体积溶液本身的自由能为g液 • 从溶液中析出的单位体积结晶相自由能为g晶
(2)温度
温度的变化直接导致了过饱和度或过冷却 度的变化，相应的改变了晶面的比表面能及不 同晶面的相对生长速度，影响晶体形态。
例如，方解石（CaCO3）晶体在温度较高时，呈扁平 形态； 地表常温下则长成细长晶体。
（3）杂质
溶液中杂质常选择性的吸附在某种晶面上。杂 质的存在可以改变晶体上不同晶面的相对生长速度, 从而影响晶体形态。
1、布拉维法则 2、居里－吴里佛原理 3、周期键链理论
1．布拉维法则
早在1885年，法国结晶学家布拉维从晶体具有 空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与 空间格子构造中面网之间的关系。
布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的晶面所包围
晶面生长速度：晶面在单位时间内沿其法线方向向外 推移的距离
图释
3．周期键链(PBC)理论
从晶体结构的几何特点和质点能量两方 面来探讨晶面的生长发育。
此理论认为在晶体结构中存在一系列周 期性重复的强键链，其重复特征与晶体中质 点的周期性重复相一致，这样的强键链称为 周期键链。
F
S
K
F
S
F面：形成一个强键， 放出较少键能，生长 速度慢
S
S面：形成两个强键，
放出键能高于F面，生
• 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
晶体生长过程模拟
层生长理论缺陷：
第二章光学晶体--晶体生长部分整理
2. 晶芽 1）对于初次培育一种新的晶体：
>室温5~10oC 饱和溶液
（2）一定温度下，低熔点晶体的溶解度高于高熔点晶体的溶解度。
4. 相图 ·饱和曲线（溶解度曲线） ·不饱和区（稳定区）
过饱和区（不稳定区）： 亚稳过饱和区（晶体生长区）：
过溶解度曲线
不稳和亚稳过饱和区：1897年，Ostwald 定义，无晶核存在条件下，能够自发 析出固相的过饱和溶液称为不稳过饱 和溶液；把不能够自发析出固相的过 饱和溶液称为亚稳过饱和溶液。
乳胶管的另一端套到掣晶杆 上．“点”状籽晶生长过程恢 复区很小，不利的“遗传”因 素较易消除，晶体紧包住乳胶 管生长，降低了掣晶杆与晶体
2 “杆”状籽晶
TGS(硫酸三甘氨 酸-热释电-红外） 晶体Z向生长慢， 采用平行于Z轴的 “杆”状籽晶是合 适的．由于在X， Y方向上生长较快， 长出的晶体趋于各 向匀称，这就提高 了晶体产率和利用
3. 影响溶解度的因素： 浓度、温度
其中温度对溶解度的影响：
d ln x H dT RT 2
式中：x溶质的摩尔分数，H固体摩尔溶解热，T为绝对温度， R为气体常数，上式可化为：
log
x
H 2.303R
1 T
1 T0
a T
b
（1）大多数晶体溶解过程是吸热，H为正，温度升高，溶解度增大； 反之，溶解度减小；
第二章 晶体生长模型与面角守恒定律
第五节 晶簇与几何淘汰率
生长速度最大方向与基底平面垂直的晶体继续生长
2-13
第二章 晶体生长模型与面角守恒 定律
第五节 晶簇与几何淘汰率
Ⅲ
生长速度最大方向与基底平面垂 直的晶体继续生长
Ⅱ
Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅰ
2-14
第二章 晶体生长模型与面角守恒定律
第六节
歪晶和面角守恒定律
1. 歪晶 distorted crystal
a
b
c
d
e
f
螺旋生长模型
2-8
第二章 晶体生长模型与面角守恒定律
第三节 晶面发育的二个理论 布拉维法则和周期键链理论
何种面网发育成晶面？
1.布拉维法则
--法国结晶学家A.bravis 提出：实际晶体的面网常 常是由晶体格子构造中面网密度大的面网发育成的。
2-9
晶面生长速度与面网密度关系
3
2 1 1
二面凹角
一般位置
三 面 凹 角
（2）质点
行列
面网
（3）层层向外 2-4
1. 层生长理论
Ⅴ Ⅳ
Ⅲ Ⅱ Ⅰ
3m m
石英的环带结构
0
2-5
2. 螺旋生长理论
晶面上的螺旋纹
2-6
2. 螺旋生长理论 spiral growth
螺旋位错
F.C.Frank,W.K.Burton 等人提出。
位错—凹角—行列—螺 旋生长 凹角 2-7
2-16
第二章 晶体生长模型与面角守恒定律
第六节
r
歪晶和面角守恒定律
层生长
几种典型的晶体生长方法.
遇到的主要问题是：
如何有效地控制成核数目和成核位臵； 如何提高溶质的扩散速度和晶体的生长 速度； 如何提高溶质的溶解度和加大晶体的生 长尺寸； 如何控制晶体的成分和掺质的均匀性。
⑹ 水热法 基本原理：
使用特殊设计的装臵，人为地创造一个高 温高压环境，由于高温高压下水的解离常数 增大、黏度大大降低、水分子和离子的活动 性增加，可使那些在通常条件下不溶或难溶 于水的物质溶解度、水解程度极大提高，从 而快速反应合成新的产物。 可分为温差法、等温法和降温法等。
助熔剂提拉法
自发成核的缓冷生长法
Tb3
Sm3
Nd 3
Er 3
Gd 3
Eu 3
Dy 3
Na5 RE WO4 4 系列基质发光晶体
助熔剂法的特点及不足简单，适应性强，特别适用于新材料的探 索和研究； 生长温度低，特别适宜生长难熔化合物、在熔 点处极易挥发、变价或相变的材料，以及非同 成分熔融化合物； 只要采取适当的措施，可生长比熔体法生长的 晶体热应力更小、更均匀和完整； 生长速度慢，生长周期较长，晶体尺寸较小； 助熔剂往往带有腐蚀性或毒性； 由于采用的助熔剂往往是多种组分的，各组分 间的相互干扰和污染是很难避免的。
⑸ 高温溶液法
将晶体的原成分在常压高温下溶解于低熔 点助熔剂溶液内，形成均匀的饱和溶液；然后 通过缓慢降温或其他方法，形成过饱和溶液而 使晶体析出。 良好的助熔剂需要具备下述物理化学性质： • 应具有足够强的溶解能力，在生长温度范围内， 溶解度要有足够大的变化； • 在尽可能宽的范围内，所要的晶体是唯一的稳 定相。最好选取与晶体具有相同离子的助熔剂， 而避免选取性质与晶体成分相近的其他化合物；
切割好的籽晶
籽晶培养
晶体生长动力学..
2 2 时，二维模式晶体生长 形态仅为 11单形； 2时，二维模式晶体生长 形态为01
2 时，二维模式晶体生长 形态仅为01单形；
当 2/2 R11 / R 01
和 11两种单形组成的聚形
同理，对于由｛001｝与｛111｝两种单形所组 成的立方晶系晶体形态，取决于（001）与 （111）两晶面的相对生长速率的比值。
T 2T 2T 2T KT K ( 2 2 2 ) t x y z (2.4)
K为热传导系数； T为熔体中的温度差值 ; t为时间
如果将熔体的物理常数随温度变化的值忽略不计， 也不考虑对流传热所引起的能量消耗，那么，熔 体的对流传热方程为：
T c pT＝KT ( 2.5) t T T T T i j k （温度梯度） x y z
例如，对于面心立方晶系
当h，k，l全为奇数或全为偶数时
d hkl a h k l
2 2 2
(2.2)
当h, k, l中有奇数也有偶数时， d hkl a 2 h k l
2 2 2
(2.3)
2、周期键链理论（periodic bond chain, PBC）
Hartman和Perdok提出 晶体形态理论 该理论认为晶体结构是由周期键链（PBC）所组成的， 晶体生长最快的方向是化学键最强的地方，晶体生长是 在没有中断的强键链存在的方向上。
PBC模型如图2.2 在图中假设晶体 中具有三种PBC矢 量； A矢量//[100] B矢量//[010] C矢量//[001]
五、环境相对晶体形态的影响
1、溶剂的影响
2、溶液PH值的影响 3、环境相成分的影响 4杂质的影响
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13
（2）非均匀成核 非均匀成核过程是由于体系中已 经存在某种不均匀性， 经存在某种不均匀性 ， 例如悬浮的杂志颗 器壁上凹凸不平等， 粒 ， 器壁上凹凸不平等 ， 他们有效地降低 了表面能成核的势垒， 了表面能成核的势垒 ， 优先在这些具有不 均匀性的地点形成晶核。 均匀性的地点形成晶核。
20
晶体层生长过程
21
（2）螺旋位错模型
螺旋位错形成示意图
22
螺旋生长过程
23
石英条带结构
碳化硅的螺旋生长纹
24
6.生长锥 6.生长锥
生长锥：就是晶体在生长过程中，晶面移动 生长锥：就是晶体在生长过程中， 的轨迹。 的轨迹。 晶面间相对生长速度的变化， 既：晶面间相对生长速度的变化，可以从晶 体生长锥的形状上反映出来。 体生长锥的形状上反映出来。 生长锥表现为，以晶核的中心为角顶， 生长锥表现为，以晶核的中心为角顶，以最 外层晶面为底的棱锥体(图2-5)。实际晶体的生长 可以根据锥体内部的颜色， 锥，可以根据锥体内部的颜色，所含杂质的分布 等方面的不同观察到。由于不同面网的性质不同， 等方面的不同观察到。由于不同面网的性质不同， 所以它吸附杂质等方面的本领也有差异。 所以它吸附杂质等方面的本领也有差异。这种差 异可以从晶体生长锥的形状上反映出来。 异可以从晶体生长锥的形状上反映出来。
9
3. 晶体的发生 晶体的形成包括两个步骤： 晶体的形成包括两个步骤：成核 和晶体长大 成核是一个相变过程 是一个相变过程， 成核是一个相变过程，即在母液相 中形 成固相胚芽。 成固相胚芽。 均匀成核和 成核可分为均匀成核 非均匀成核。 成核可分为均匀成核和非均匀成核。
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（1）均匀成核 均匀成核是指在一理想体系中 各处有相同的成核概率。 各处有相同的成核概率。这一相变过程中 体系自由能的变化为： 体系自由能的变化为： ΔG=ΔGv+ΔGs 式中△ 为新相形成时体积自由能的变化， 式中△Gv为新相形成时体积自由能的变化， 且△Gv＜0, △GS为新相形成时新相与旧相 界面的表面能， 界面的表面能，且△GS＞0。
7
2. 晶体生长的途径 由气相转变为晶体， ① 由气相转变为晶体，例如自然硫晶体 的形成，冬季玻璃上冰花的形成。 的形成，冬季玻璃上冰花的形成。 由液相转变为晶体， ② 由液相转变为晶体，例如由熔融岩浆 结晶出的橄榄石、辉石。盐湖中结晶出的食盐、 结晶出的橄榄石、辉石。盐湖中结晶出的食盐、 硼砂等矿物，工业铸锭，医用药品。 硼砂等矿物，工业铸锭，医用药品。
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9.影响晶体生长的外部因素 9.影响晶体生长的外部因素 （1）涡流和生长介质的流动方向 （2）温度 （3）杂质与酸碱度 （4）黏度 （5）结晶速度 （6）生长顺序与生长空间 （7）应力作用
32
33
25
（a） ）
（b） ）
生长锥
生长锥体视图 生长锥体视图
生长锥横切面图 生长锥横切面图
26
石英晶体的生长环带（为横切面图） 石英晶体的生长环带（为横切面图）
27
7.几何淘汰律 7.几何淘汰律
当许多晶体，在一定的有限空间内生长时， 当许多晶体，在一定的有限空间内生长时， 并不是每个晶体都能充分长大， 并不是每个晶体都能充分长大，只有那些最 大生长速度方向与基底平面垂直的晶体才能 大生长速度方向与基底平面垂直的晶体才能 继续生长。这一现象所说明的问题 所说明的问题， 继续生长。这一现象所说明的问题，就是所 谓的几何淘汰律 几何淘汰律。 谓的几何淘汰律。 由于几何淘汰律所致， 由于几何淘汰律所致，得以长大的那些晶 体，最后将使它们的最大生长速度方向相互 平行成“梳齿状” 平行成“梳齿状”。
天然晶体在生长过程中， 地要受到外界环境因素的影响。因此， 地要受到外界环境因素的影响。因此，同 种晶体在不同个体上往往表现为， 种晶体在不同个体上往往表现为，晶面数 目经常有多有少，晶面的形状，大小各异， 目经常有多有少，晶面的形状，大小各异， 导致各个个体的晶体形状迥然不同(图2-6)， 但它们都遵守面角守恒定律 面角守恒定律。 但它们都遵守面角守恒定律。 面角守恒定律是在17 17世纪下半叶总结得 面角守恒定律是在17世纪下半叶总结得 出的晶体所固有的规律。 出的晶体所固有的规律。它使人们得以根 据面角关系来恢复出晶体理想形状， 据面角关系来恢复出晶体理想形状，从而 奠定了几何结晶学的基础。 几何结晶学的基础 奠定了几何结晶学的基础。
5
实际晶体外形=成分+结构+ 实际晶体外形=成分+结构+环境
(决定晶体实际外形的三要素) 决定晶体实际外形的三要素)
对于同种晶体而言，其外形虽可千 对于同种晶体而言， 差万别， 差万别，但对应晶面的夹角则始终 保持不变（图2-1示），即遵守面角 守恒定律
6
图2-1不同形态的正长石晶体其对应晶面夹角恒定的图示 上图-体视图，下图-切面图） （上图-体视图，下图-切面图）
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（a） （a） ） ）
(b) (b)
天然生长的晶体
烧杯中生长晶体
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8.面角守恒定律 8.面角守恒定律
根据对大量实际晶体测量的结果， 根据对大量实际晶体测量的结果，1669 年丹麦学者发现并从中总结出了一条规律。 年丹麦学者发现并从中总结出了一条规律。 面角恒等定律：同种晶体之间， 面角恒等定律：同种晶体之间，其对应 晶面间夹角恒等（见图22 22晶面间夹角恒等（见图22-1）。 面角：晶面法线间的夹角， 面角：晶面法线间的夹角，其数值等于 相应晶面间实际夹角的补角。 相应晶面间实际夹角的补角。实际夹角守 面角当然守恒。 恒，面角当然守恒。
8
③ 由固相转变为晶体，包括： 由固相转变为晶体，包括： 非晶体→晶体， 非晶体→晶体，例如火山玻璃转变为石 英 晶体→另一种晶体，包括： 晶体→另一种晶体，包括： 同质多相转变， 同质多相转变，例如石英高温转 变 固溶体分解，例如闪锌矿和黄铜 固溶体分解， 矿的固溶 再结晶作用， 再结晶作用，例如方解石的再结 晶作用
人
工
晶
体
Artificial Crystal
吉林大学材料科学与工程学院 2011.9.15
1
第二章 晶体的生长基本规律
1.概述 1.概述 2.晶体生长的途径 2.晶体生长的途径 3.晶体的发生 3.晶体的发生 4.晶体生长过程和形态 4.晶体生长过程和形态 5.晶体生长的理论模型 5.晶体生长的理论模型 6.生长锥 6.生长锥 7.几何淘汰律 7.几何淘汰律 8.面角守恒定律 8.面角守恒定律 9影响晶体生长的外部因素
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5. 晶体生长的理论模型
（1）层生长理论模型（科塞尔理论模型） 层生长理论模型（科塞尔理论模型） 这一模型要讨论的是： 这一模型要讨论的是：组成晶体的质 点在一个正在生长的晶面上寻找出最佳生 长位置并稳定存在的问题。 长位置并稳定存在的问题。
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晶体生长的科塞尔理论模型 晶体生长的科塞尔理论模型
晶面消失过程示意图
所以，一般显露在外面的晶面其法向生长 速度是比较慢的。
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布拉维法则： 布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大 的晶面所包围。 的晶面所包围。 应当说明：以上的讨论， 应当说明：以上的讨论，只是从格子构造 的几何因素出发， 的几何因素出发，而根本没有考虑键力的 因素。 因素。
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如果考虑到键力因素，并基于类 如果考虑到键力因素， 似的原理，可以得出以下结论： 似的原理，可以得出以下结论： 面网内部质点间的键力很强， 面网内部质点间的键力很强，而 面网间的键力很弱的面网， 面网间的键力很弱的面网，将具有很 小的晶面生长速度。 小的晶面生长速度。 实际上，这样的面网也都是密度大 实际上， 的面网，因此， 的面网，因此，并不影响布拉维法则 得出的结论。 得出的结论。
4
●晶体生长过程中所遵循的规律，本质 晶体生长过程中所遵循的规律，
上是晶体本身内部结构上的规律性所决定 的。 但另一方面， ●但另一方面，它不可避免地要受到生 长过程中外界条件的影响， 长过程中外界条件的影响，结果导致形成 非理想的晶体。 非理想的晶体。 除了晶体外形受到影响， ●除了晶体外形受到影响，其内部结构 质点的排列也要发生一定的改变， 质点的排列也要发生一定的改变，形成所 谓的结构缺陷。 谓的结构缺陷。
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4. 晶体生长过程和形态
一旦晶核形成后，组成晶体的 一旦晶核形成后， 质点就会按照晶体结构的排列方式堆积起 来形成晶体。 来形成晶体。 AB晶面垂直晶面的 AB晶面垂直晶面的 生长速度为h1， BC晶面垂直晶面的 BC晶面垂直晶面的 生长速度为h2， 当h1 >h2时，A’B’<AB B <AB
2
1.概述 1.概述
晶体有着自己的发生 晶体有着自己的发生、成长和变 发生、 的历史。 化 的历史 。 了解和研究晶体发生和成长的 规律是认识晶体的一个重要途径， 规律是认识晶体的一个重要途径 ， 也是人 工合成晶体的基本前提 基本前提。 工合成晶体的基本前提。
3
无论天然的还是人工晶体，其 无论天然的还是人工晶体， 生长过程，就是物质从其他相转变为结晶 生长过程，就是物质从其他相转变为结晶 其他相转变为 的过程。实际上，也就是质点从不规则 相的过程。实际上，也就是质点从不规则 排列→有规则排列，从而形成格子状构造 排列→有规则排列，从而形成格子状构造 的过程。 的过程。 在此转变过程中， 在此转变过程中，质点的堆积方式是遵 循一定的规律的，这个规律就是空间格子 循一定的规律的，这个规律就是空间格子 规律。晶体的几何多面体外形 几何多面体外形便是这一规 规律。晶体的几何多面体外形便是这一规 律导致的结果。 律导致的结果。
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热力学计算表明: 热力学计算表明: r＞r0时，称为稳定晶核 r =r0时，称为临界晶核 r ＜r0时，称为胚芽
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晶核的形成是靠熔体的过冷度， 晶核的形成是靠熔体的过冷度， 造成 热运动的较大起伏克服势垒进行的过程。 热运动的较大起伏克服势垒进行的过程。 成核速度与过冷度具有一定的关系。 成核速度与过冷度具有一定的关系。