晶体材料制备原理与技术
【2019年整理】单晶制备方法
区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的 固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为 cL,结晶出来的固体中的浓度为cs，则称K=cL/cs为该杂质在此材料中的分凝系 数。K的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。K＜1时，则开始结晶的 头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K＞1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质 而尾部杂质量少。
图：直拉法工艺流程
1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中。 掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定。 2、熔化 当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围 内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度（1420℃），使多晶 硅和掺杂物熔化。 3、引晶 当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中（籽晶 在硅熔体中也会被熔化），然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于 轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的 固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶。 4、缩径 当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面 张力作用，会使籽晶晶格产生大量位错，这些位错可利用缩径工艺使之消失。即
分布的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。 水平区熔法 将原料放入一长舟之中，其应采用不沾污熔体的材料制成，如石 英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉， 也可使用高频炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到 纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且 不易制得完整性高的大直径单晶。 垂直浮带区熔法 用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状 多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张 力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动（图 3）。这种方法不用坩埚， 能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为 3400℃ 的钨），也可采用此法进行区熔。大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型” 感应线圈实现的。为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为 2～3 毫米、长约 10～20 毫米的细颈单晶，以消除位错。此外,区熔硅的生长速 度超过约 5～6 毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成(图 4)。 多晶硅区熔制硅单晶时，对多晶硅质量的要求比直拉法高： （1） 直径要均匀，上下直径一致 （2） 表面结晶细腻、光滑 （3） 内部结构无裂纹 （4） 纯度要高 Note2：区熔前要对多晶硅材料进行以下处理： ( 1 ) 滚磨 （2） 造型 （3） 去油、腐蚀、纯水浸泡、干燥
化工结晶过程原理及应用
化工结晶过程原理及应用化工结晶是指物质由溶液或熔融状态转变为晶体状态的过程。
结晶过程在化工生产中具有广泛的应用，可以用于分离纯化物质、提纯产品、制备晶体材料等。
本文将从结晶原理、结晶过程和结晶应用三个方面来介绍化工结晶的相关知识。
一、结晶原理。
结晶是物质由无序状态向有序状态转变的过程，其原理主要包括溶解度、过饱和度和结晶核形成三个方面。
1. 溶解度。
溶解度是指在一定温度下，单位溶剂中最多能溶解的溶质的量。
当溶质的实际溶解度小于其饱和溶解度时，溶液处于不稳定状态，有结晶的倾向。
因此，通过控制温度、压力和溶剂浓度等因素，可以促使溶质从溶液中结晶出来。
2. 过饱和度。
过饱和度是指溶液中溶质的实际浓度超过了饱和浓度的程度。
当溶液处于过饱和状态时，溶质会以晶体的形式析出。
过饱和度是结晶过程中重要的物理参数，对结晶速率和晶体形态有重要影响。
3. 结晶核形成。
结晶核是晶体生长的起始点，是溶质分子在溶液中聚集形成的微小团簇。
结晶核的形成是结晶过程中的关键步骤，其数量和大小对晶体的形态和纯度有重要影响。
二、结晶过程。
结晶过程主要包括溶解、过饱和、核形成和晶体生长四个阶段。
1. 溶解。
在结晶过程开始之前，溶质先要从固体状态或其他溶剂中溶解到溶剂中形成溶液。
溶解是结晶过程中的起始阶段，也是影响结晶质量的重要环节。
2. 过饱和。
当溶液中的溶质浓度超过了饱和浓度时，溶液处于过饱和状态。
过饱和度越大，结晶核的形成速率越快，晶体生长速度也越快。
3. 核形成。
过饱和状态下，溶质分子聚集形成结晶核，是结晶过程中的关键步骤。
结晶核的形成需要克服表面张力和核形成能的影响，对结晶质量和产率有重要影响。
4. 晶体生长。
结晶核形成后，晶体开始在溶液中生长。
晶体生长的速率和方向受溶液中溶质浓度、温度、搅拌速度等因素的影响。
三、结晶应用。
结晶在化工生产中有着广泛的应用，包括分离纯化、提纯产品、制备晶体材料等方面。
1. 分离纯化。
结晶可以用于将混合物中的不同成分分离，提高产品的纯度。
化学晶体知识点梳理总结
化学晶体知识点梳理总结一、晶体概述晶体是由一定规则排列的离散的微观结构单元组成的固体材料，它们在三维空间内展现出一种规则的周期性结构。
晶体是固体材料中最有序的形式，其结构是由原子、分子或离子组成的。
晶体结构的研究对于理解物质的性质和特性具有重要意义，因此对晶体结构的研究一直是化学和材料科学中的一个重要方向。
二、晶体的结构晶体的结构是由晶格和晶体的结构单元组成的。
晶格是晶体中微观结构单元的排列方式，它具有一定的平移对称性。
结构单元是晶体的最小重复单元，可以是原子、分子或者离子。
1. 晶格晶格是晶体结构的基本特征之一，它是一种几何形状的最小占据空间，可以用点、直线、面或体积等方式来描述。
晶格的类型包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三角晶系。
晶器又分为布拉维晶格和晶胞。
布拉维晶格是由空间中任意一点（点阵）组成的无限的那种观念上的晶格，它所包含的晶胞是实际的。
2. 结构单元晶体的结构单元是晶体结构的最小重复单位，也是晶体的最小占据空间。
结构单元可以是原子、离子或分子等，它们按照一定的规则排列在晶格上。
晶体的性质和特性取决于晶体的结构单元以及它们之间的排列方式。
三、晶体的生长晶体是由无定形物质通过结晶过程形成的。
在结晶过程中，无定形物质会通过各种物理化学过程逐渐排列成有序的结构。
晶体生长的过程涉及溶液中的物质迁移、核心的形成和生长以及晶体的定向生长等过程。
晶体生长的过程对晶体的质量和性能具有重要的影响，因此晶体生长的研究对于晶体材料的制备和应用具有重要意义。
晶体生长的过程中涉及的物理化学原理包括溶解度、过饱和度、核形成、晶体的成核过程、晶体的生长方式、晶体生长的动力学过程等。
四、晶体的性质晶体的结构决定了它的性质。
晶体的性质包括晶体的形貌、晶体的物理性质、晶体的化学性质和晶体的热性质等。
1. 晶体的形貌晶体的形貌是晶体表面的形态和外形特征。
晶体的形貌对于晶体的识别和分类具有重要意义。
晶体的形貌受到晶体的结构和生长条件的影响，不同的结构和生长条件会导致不同的晶体形貌。
光子晶体的制备和应用
光子晶体的制备和应用光子晶体是一种特殊的晶体结构，它的介电常数在空间中呈周期性的分布，具有优异的光学性质。
由于其具有光学带隙结构，使得光子晶体在光学器件和传感器上具有广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体的制备方法和一些应用领域。
一、光子晶体的制备光子晶体的制备方法有多种，其中最常见的制备方法包括自组装、光刻、离子束刻蚀、电子束曝光等。
下面介绍其中几种制备方法。
（一）自组装法自组装法是目前最常用的制备光子晶体的方法。
它是将一种具有表面活性基团的分子，在水溶液中形成自组装薄膜，然后在薄膜上沉积金属，经过清洗和去除有机分子，即得到具有光子晶体结构的金属膜。
自组装法制备的光子晶体具有周期结构、厚度均匀、晶体质量好等特点。
自组装法的缺点是结构周期可调范围小，几何形状单一。
（二）光刻法光刻法是一种将紫外线或电子束照射在光敏性材料上，然后通过化学溶解等方式去除未经照射的区域，形成微米、纳米级别的结构的方法。
光刻法可以制备出更加复杂的结构，但成本相对较高。
同时，光刻法需要高质量的光刻模板，这也增加了制备难度。
（三）离子束刻蚀法离子束刻蚀法是利用离子束轰击材料表面的方式进行微细结构加工，一般用于制备微纳米级别的结构。
离子束刻蚀法具有加工精度高、控制性好、适用于多种材料等特点。
但相比于其他制备方法，它的制备速度较慢。
二、光子晶体的应用光子晶体具有优异的光学性质，在光学器件和传感器领域有着广泛的应用。
（一）光学器件光子晶体可以用于制备各种光学器件，如纳米结构光学器件、激光器等。
其中，纳米结构光学器件是目前应用最广泛的一种。
它可以用于制备各种反射镜、滤波器、衍射光栅等。
与传统的光学器件相比，纳米结构光学器件具有更高的分辨率和更小的体积。
（二）传感器光子晶体还可以用于制备各种传感器。
例如，通过在光子晶体膜上吸附气体分子，可以监测气体浓度。
此外，光子晶体还可以制备基于全反射原理的生物传感器，用于检测生物分子或细胞。
（三）其它应用光子晶体还有许多其它应用。
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长是一种先进的晶体生长技术，它利用激光束
对金属或合金进行局部加热，以实现晶体的有序生长。
其原理涉及
到多个方面。
首先，激光选区晶体生长利用激光的高能量密度和聚焦性质，
可以在材料表面或其内部形成局部加热的热源。
这种局部加热可以
精确控制晶体生长的位置和形状，从而实现对晶体结构的精细控制。
其次，激光选区晶体生长还涉及到材料的熔化和凝固过程。
激
光束的高能量密度可以使材料局部瞬间达到熔化温度，然后通过控
制激光束的移动和功率，可以实现局部凝固，从而形成晶体结构。
这种局部熔化和凝固的过程可以避免整个材料的大规模熔化，从而
减少了晶体生长的能耗和材料损耗。
此外，激光选区晶体生长还可以实现对晶体组织和取向的精细
控制。
通过控制激光束的参数，如功率、扫描速度和焦距等，可以
实现对晶体结构的微观调控，从而获得特定取向和组织的晶体。
总的来说，激光选区晶体生长的原理是利用激光的局部加热作
用和精细控制能力，实现对晶体生长过程的精确控制，从而获得具
有特定结构和性能的晶体材料。
这种技术在材料科学和工程领域具
有广泛的应用前景，可以用于制备高性能的晶体材料，如高温合金、光学材料和半导体材料等。
退火细化晶粒的原理
退火细化晶粒的原理
退火细化晶粒是一种常用的晶体制备技术，原理是通过热处理将晶界
的结构有序化，使晶粒尺寸大幅缩小，从而改善材料的结构和性能，
提高其应用价值。
此技术的原理基于热力学和动力学原理，即晶体的有序化和晶粒尺寸
的缩小是热力学能量降低和排斥能量增大的结果，同时也受到原位杂质、物理和化学界面反应等因素的影响。
退火细化晶粒的具体实现过程是材料在高温下经历一系列渐进的热处理，通过控制时间、温度和压力等参数的变化，不断调节晶界自由能，促进晶界迁移和重组，从而使晶粒尺寸逐渐缩小，最终形成均匀、细
小的晶体结构。
此技术的优点在于不需要添加昂贵或有害的材料，不会破坏结构或改
变材料成分，且操作简单、效果显著，广泛应用于制备金属、陶瓷、
半导体、高分子和生物材料等领域。
例如，可用于制备高强度、高韧
性的金属材料和高温陶瓷材料，以及对高分子材料的物理和化学性质
进行调控等。
总的来说，退火细化晶粒的原理是基于热力学和动力学原理，通过渐
进的热处理控制晶界自由能、促进晶界迁移和重组，从而形成均匀、细小的晶体结构，其优点在于操作简单、效果显著，可用于制备各种材料的高性能晶体结构，受到广泛关注和应用。
lec砷化镓单晶生长技术
lec砷化镓单晶生长技术
LEC砷化镓单晶生长技术是一项重要的半导体材料制备技术，具有广泛的应用前景。
该技术可以制备高质量、高晶格匹配性的砷化镓单晶材料，用于制造高性能的光电器件和微电子器件。
本文将从生长原理、生长方法和应用领域三个方面，介绍LEC砷化镓单晶生长技术的相关内容。
一、生长原理
LEC砷化镓单晶生长技术是利用液相外延的原理，通过在熔融状态下控制溶液中溶质浓度和温度梯度，使砷化镓单晶材料从溶液中生长出来。
在生长过程中，通过控制砷化镓溶液的温度和成分，可以控制生长出的单晶材料的性质和质量。
二、生长方法
LEC砷化镓单晶生长技术主要有静态法和动态法两种方法。
静态法是将砷化镓溶液放置在石英坩埚中，通过加热使溶液达到熔点后，将衬底缓慢地浸入溶液中，使砷化镓单晶逐渐生长。
动态法是将砷化镓溶液注入到石英坩埚中，通过旋转坩埚或搅拌溶液，使溶液中的溶质均匀分布，然后将衬底缓慢地浸入溶液中，使砷化镓单晶生长。
三、应用领域
LEC砷化镓单晶材料具有优异的电学和光学性能，广泛应用于光电器件和微电子器件的制造。
在光电器件方面，砷化镓单晶材料可以
制作高效的太阳能电池、高亮度LED和激光器等。
在微电子器件方面，砷化镓单晶材料可以用于制造高速、高功率的场效应晶体管和集成电路等。
总结：
通过静态法和动态法两种生长方法，LEC砷化镓单晶技术可以制备出高质量、高晶格匹配性的砷化镓单晶材料。
这种材料在光电器件和微电子器件领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，LEC砷化镓单晶生长技术将进一步推动光电子和微电子领域的发展，并为人们的生活带来更多便利和创新。
晶体生长方法简介
05
晶体生长的前沿和挑战
Chapter
晶体生长的前沿和挑战
• 晶体生长是一个复杂的过程，涉及到多个因 素和步骤。为了更好地理解和控制晶体生长 ，需要对其研究前沿和挑战有深入的认识。
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光学晶体：通过固相法可以 制备高质量的光学晶体，如 蓝宝石、石英等，用于光学 器件和激光器等领域。
功能陶瓷：利用固相法晶体 生长技术，可以制备具有特 殊功能（如压电、铁电、热 电等）的陶瓷材料。
这些应用实例体现了固相法 晶体生长在材料科学和工程 技术领域的重要性。通过不 断优化生长条件和技术手段 ，可以进一步拓展固相法晶 体生长的应用范围和提高晶 体质量。
籽晶法
通过提供一个籽晶作为生 长核，在适宜的条件下， 使晶体从籽晶开始逐渐生 长。
熔融法
将原料加热至熔融状态， 然后在控制条件下慢慢冷 却，从而在熔融固体中形 成晶体。
气相沉积法
通过气相反应在固相基底 上沉积晶体材料，进而实 现晶体的生长。
固相法晶体生长应用与实例
半导体材料：固相法晶体生 长在半导体材料制备中具有 广泛应用，如硅、锗等半导 体的单晶生长。
气相法晶体生长应用与实例
1 2
半导体工业
化学气相沉积用于生产大面积、高质量的硅、锗 等半导体材料晶体，满足电子器件的需求。
光学涂层
物理气相沉积用于制备光学薄膜和涂层，如增透 膜、高反膜等，提高光学元件的性能。
3
纳米材料合成
通过控制气相法中的生长条件，可以合成具有特 定形貌和尺寸的纳米晶体，应用于催化、生物医 学等领域。
以上这些方法各有特点，适用于不同类型的晶体 和生长条件。在实际应用中，需要根据具体需求 和条件选择合适的方法来进行晶体生长研究。
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。
晶体凝固过程
晶体凝固过程晶体凝固是一种物质由液态到固态的转变过程，它是自然界中晶体形成的基础过程。
晶体凝固过程发生在许多不同的领域，如冶金、材料科学、地质学、化学等。
本文将从晶体凝固的原理、过程和应用三个方面来详细介绍晶体凝固的相关内容。
一、晶体凝固的原理晶体凝固的原理可以归结为两个主要因素：热力学驱动力和动力学过程。
热力学驱动力指的是凝固过程中的能量差异，即液态相与固态相之间的自由能差。
当液态相的自由能高于固态相时，晶体凝固就会发生。
动力学过程则是指晶体凝固中的原子或分子在空间上有序排列的过程。
晶体在凝固过程中，原子或分子按照一定的规律有序排列，形成晶体结构。
二、晶体凝固的过程晶体凝固过程可以分为三个阶段：核化、生长和成熟。
1. 核化阶段：在液体中，当达到一定的过饱和度时，原子或分子会聚集形成小的晶核。
晶核的形成是一个热力学过程，需要克服液体的表面张力。
晶核的形成是凝固过程的起点，也是晶体生长的基础。
2. 生长阶段：晶核形成后，它们会在液体中生长。
晶体生长是一个动力学过程，晶体中的原子或分子按照一定的方向和速度有序排列。
晶体生长的速度取决于温度、过饱和度、物质的浓度等因素。
3. 成熟阶段：当晶体生长到一定大小时，晶体就会达到成熟状态。
成熟的晶体具有完整的晶体结构和形态，它们可以继续生长也可以停止生长。
三、晶体凝固的应用晶体凝固在许多领域都有广泛的应用。
1. 冶金领域：晶体凝固技术在冶金中可以用于合金的制备。
通过控制凝固过程中的温度、过饱和度和凝固速度等参数，可以得到具有特定性能的合金材料。
2. 材料科学领域：晶体凝固技术可以用于制备单晶材料，如硅单晶、镁铝合金等。
单晶材料具有优异的物理性能和化学性能，在电子器件、光学器件等领域有重要应用。
3. 地质学领域：晶体凝固是地壳中岩石形成的重要过程。
岩浆在地壳中凝固形成岩石，不同的凝固速度和条件会导致不同的岩石类型。
4. 化学领域：晶体凝固技术可以用于制备纯净的化学物质。
共晶冷冻结晶的原理
共晶冷冻结晶的原理共晶冷冻结晶是一种重要的材料制备方法，通过合适的温度控制和固溶度规律，实现材料的快速凝固和晶体生长，以得到所需的晶体结构和性能。
本文将从共晶冷冻结晶的原理入手，介绍其基本概念、工作原理和应用前景。
共晶是指两种或两种以上的化学成分，在一定温度范围内形成固溶体或混合晶体结构的现象。
在共晶合金中，不同成分的原子通过固溶作用相互溶解，形成均匀的晶体结构。
当共晶合金经过快速冷却时，固溶度会发生变化，导致晶体结构的改变，从而影响材料的性能。
共晶冷冻结晶正是利用这一原理，通过合适的冷却速率和温度控制，实现共晶合金的快速凝固和晶体生长，从而得到具有特定性能的材料。
共晶冷冻结晶的原理主要包括以下几个方面：共晶合金的成分和比例是影响冷冻结晶效果的关键因素。
不同的成分和比例会影响固溶度的变化规律，从而影响晶体结构和性能。
因此，在设计共晶合金时，需要根据所需的性能要求，选择合适的成分和比例，以实现理想的冷冻结晶效果。
冷却速率是影响共晶冷冻结晶效果的重要参数。
快速冷却可以促使共晶合金在凝固过程中形成细小的晶粒，从而提高材料的强度和硬度。
慢速冷却则会导致晶体生长过程中出现大晶粒，从而影响材料的性能。
因此，在共晶冷冻结晶过程中，需要通过控制冷却速率，实现晶体结构的精确调控。
温度控制也是影响共晶冷冻结晶效果的关键因素。
在共晶合金凝固过程中，温度的变化会导致固溶度的变化，进而影响晶体结构的形成。
因此，通过精确控制凝固温度，可以实现共晶合金的快速凝固和晶体生长，从而得到理想的材料性能。
共晶冷冻结晶具有广泛的应用前景。
在材料制备领域，共晶冷冻结晶可以用于制备高强度、高硬度的合金材料，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性；在电子领域，共晶冷冻结晶可以用于制备高导电性、高热传导性的材料，提高器件的性能和稳定性；在生物医学领域，共晶冷冻结晶可以用于制备生物材料，如人工骨骼和人工器官，提高材料的生物相容性和稳定性。
共晶冷冻结晶是一种重要的材料制备方法，通过合适的温度控制和固溶度规律，实现材料的快速凝固和晶体生长，以得到所需的晶体结构和性能。
第四章 单晶材料的制备
接转变为有序阵列，这种从无对称结构到有对称性结 构的转变不是一个整体效应，而是通过固一液界面的 移动而逐渐完成的。
• （3）熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体，
为此，首先要在熔体中形成一个单晶核（引入籽晶， 或自发成核），然后，在晶核和熔体的交界面上不断 进行原子或分子的重新排列而形成单晶体，即在籽晶 与熔体相界面上进行相变，使其逐渐长大。
• 4.采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶
铝带，使用的应变不会促使新晶粒成核，退火温度为650℃。
应变退火法制备铁单晶
• 1.在550℃使铝退火，以消除应变的影响并提供大小合乎要求的
晶粒。
• 2.初始退火后，较低温度下回复退火，以减少晶粒数目，使晶粒
在后期退火时更快地长大，在320℃退火4h以得到回复，加热至 450℃，并在该温度下保温2h，可以获得15cm长，直径为1mm的丝 状单晶。
现在我国的人工水晶，人造金刚石已成为一个高技术产业。
BGO、KTP、KN、BaTiO3和各类宝石晶体均已进入国际市场 BBO、LBO、LAP等晶体也已经达到了国际水平。
我国每三年召开一次全国人工晶体生长学术交流会，就晶体 生长理论与技术，新材料晶体的研制，进行广泛的学术交流。
4.1.2 单晶体概述
(3)定向凝固技术
定向凝固方法制备材料时，各种热流能够被及时的 导出是定向凝固过程得以实现的关键，也是凝固过程成 败的关键。伴随着热流控制（不同的加热、冷却方式） 技术的发展。定向凝固经历了由传统定向凝固向新型定 向凝固技术的转变。
A 传统定向凝固技术
传统 定向 凝固 技术
液态
功率 高速
流态床
半导体芯片制造技术晶圆制备课件
4.氧含量
控制硅锭中的氧含量水平的均匀性是非常重要 的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。 少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的 沾染物。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和 电学特性。例如，氧会导致P-N结漏电流的增加，也 会增大MOS器件的漏电流。
硅中的氧含量是通过横断面来检测的，即对硅 晶体结构进行成分的分析。一片有代表性的硅被放 在环氧材料的罐里，然后研磨并抛平使其露出固体 颗粒结构。用化学腐蚀剂使要识别的特定元素发亮 或发暗。样品准备好后，使用透射电镜（TEM）描述 晶体的结构，目前硅片中的氧含量被控制在24到 33ppm。
一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出 一个参考面，如图4-4所示。
图4-4定位面研磨
图4-5 硅片的类型标志
四、切片
单晶硅在切片时，硅片的厚度，晶向，翘曲度和 平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求 是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小，无缺损， 无裂缝，刀痕浅。
单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片 机。
图4-18 硅片变形
2.平整度
平整度是硅片最主要的参数之一，主要是因为 光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片 平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是 通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。 对一个硅片来说，如果它被完全平坦地放置，参考 面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压 力把它拉到一个清洁平坦的面上，如图4-19所示， 平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平 整度，也可以规定为整体平整度，它是在硅片表面 的固定质量面积（FQA）上整个硅片的平整度。固定 质量面积不包括硅片表面周边的无用区域。测量大 面积的平整度要比小面积难控制。
然而，晶圆具有的一个特性却限制了生产商随 意增加晶圆的尺寸，那就是在芯片生产过程中，离 晶圆中心越远就越容易出现坏点，因此从晶圆中心 向外扩展，坏点数呈上升趋势。另外更大直径晶圆 对于单晶棒生长以及芯片制造保持良好的工艺控制 都提出了更高的要求，这样我们就无法随心所欲地 增大晶圆尺寸。
5.1 晶体生长技术
KTP磷酸氧钛钾单晶 杜邦用来生长KTP晶体的装置
Chapter5 Preparation of Materials 39
Powder Preparation
粉体晶粒发育完整； 粒径很小且分布均匀； 团聚程度很轻； 易得到合适的化学计量物和晶粒形态； 可以使用较便宜的原料； 省去了高温锻烧和球磨，从而避免了杂质 和结构缺陷等。
• 晶体生长界面上螺旋位错露头点可作为晶体生长的 台阶源，促进光滑界面上的生长。
证实了螺旋生长理论
Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体
Chapter5 Preparation of Materials 17
单晶硅棒
4-inch的LiNbO3单晶
5.1.1.2 坩埚下降法
• 将盛满原料的坩埚放在竖直的炉 内，炉的上部温度较高，能使坩 埚内的材料维持熔融状态，下部 温度较低，当坩埚在炉内由上缓 缓下降到炉内下部位置时，熔体 因过冷而开始结晶。温度梯度形 成的结晶前沿过冷是维持晶体生 长的驱动力。使用尖底可以成功 得到单晶，也可以在坩埚底部放 置籽晶。 • 优点：坩埚封闭，可生产挥发性 物质的晶体。如碱金属和碱土金 属的卤化物晶体。
垂直生长阶段
晶体生长过程
径向生长阶段
开始阶段
垂直生长阶段
Chapter5 Preparation of Materials 12
• 控制晶体品质的主要因素：
– – – – 固液界面的温度梯度 生长速率 晶转速率 熔体的流体效应。
• 水热法——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。
例如：金属铁在潮湿的空气中氧化很慢，若 该氧化反应置于水热条件下就非常快：在98 MPa，400℃的水热条件下，1 h就可以完成。
4-1 结晶技术
不同
纯度不同：沉淀的纯度远低于结晶，是一种初级分离 技术。但多步沉淀操作也可制备高纯度的目标产物。 结构不同：沉淀是无规则排列的无定形粒子 速度不同：结晶和沉淀相比应当是一个缓慢的过程， 必须有适合的晶核
应用广泛性：沉淀广泛应用于蛋白质等生物产物的分 离，蛋白质沉淀是不定形颗粒，不是结晶。
（1）剪切力成核，一个变n个
（2）接触成核，两个变一个
晶核的成核速度 定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目。
是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；
成核速度大：导致细小晶体生成 因此，需要避免过量晶核的产生
3.
晶体的成长
晶体成长速度大大超过晶核生成速度,过饱和度主要用 来使晶体成长, 得到粗大而有规则晶体;
特点：
优点：构造简单，生产能力大，操作控制较容易。
缺点：必须使用蒸汽，冷凝耗水量较大，操作费用和能 耗较高。
名词
晶浆：在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液 (或熔液)所构成的混悬物。 母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液(或熔液)。 晶习： 一定环境中，结晶的外部形态。 结晶过程中，含有杂质的母液(或熔液)会以表面粘 附和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。
3. 结晶操作的特点
多数情况下，只有同类分子或离子才能排列成晶体，因 此结晶过程有良好的选择性。
结晶
真空浓缩结晶锅主要用于味精结晶
冷却盘式结晶器
八
提高纯度
结晶过程的预测与改善
提高产率：提高起始浓度，降低溶解度, 杂质的存在原因： a 母液带入; b 杂质包埋; c 单晶中包含母液; d 杂质取代晶格分子 改善晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度 进程 控制过滤速度：大晶体与窄的粒径分布过滤效果好 避免结垢：晶体沉积在容器中
诱导结晶技术原理
诱导结晶技术原理诱导结晶技术是一种通过外界的调控手段，控制晶种生成、晶体生长和晶体形状的技术。
该技术主要应用于材料制备、药物制备、生物化学和食品工业等领域，旨在控制晶体的尺寸、形态、纯度和晶型等关键性能，提高产品质量和增加生产效率。
诱导结晶技术的原理是基于先导结晶过程中晶种生成和晶体生长过程的控制，并且通过调整溶液条件和添加适当的添加剂，使得晶体在不同的结晶过程中具有特定的形状和尺寸。
晶种生成是诱导结晶的第一步，也是最重要的一步。
晶种的产生通常通过两种方式实现：一种是自然晶种的生成，即通过在溶液中添加一小部分的样品晶体，利用其作为引发剂，诱导和加速晶种增殖；另一种是人工晶种的生成，即通过溶液中添加特定的添加剂或改变反应条件，使溶液中的晶种快速生成。
晶体生长是指晶体的体积逐渐扩大和形态的变化过程。
晶体生长是一个动力学过程，主要受到晶种的密度、界面扩散速率和过饱和度等因素的影响。
通过控制溶液的温度、pH值、浓度和搅拌强度等参数，可以调节晶体生长速率和晶体形态，实现对晶体的控制。
在诱导结晶技术中，除了调节溶液条件外，添加剂的选择也是非常关键的。
添加剂可以通过改变溶液的物化性质，如表面张力、溶度和溶解度等，进而影响晶种产生和晶体生长过程。
添加剂可以是溶剂、络合剂、界面活性剂等，通过与溶质分子的作用，调节晶体的形态和尺寸。
诱导结晶技术的成功实施需要深入理解晶体生长的动力学机制和晶体形态的形成规律。
通常通过实验数据和理论模型的分析，探究晶体生长和形态调控的规律。
此外，诱导结晶技术也借鉴了计算机模拟、晶体学、表征分析等领域的研究方法和手段，为晶体生长和形态调控提供了更全面的理论基础和技术支持。
综上所述，诱导结晶技术通过控制晶种生成、晶体生长和晶体形态的方式，实现对晶体尺寸、形态、纯度和晶型等关键性能的控制。
通过调节溶液条件和添加适当的添加剂，可以实现对晶体生长和形态的调控。
诱导结晶技术在材料制备、药物制备等领域具有广泛的应用前景，并为探索晶体生长机制和形态调控提供了新的研究思路和技术手段。
单晶材料的制备
• （8）另一方面，熔体的温度通常远高于室温，为了使熔
体保持适当的温度，必须由加热器不断供应热量。
材料制备技术
29
• 上述的热传输过程在生长系统中建立起一定的温度场
（或者说形成一系列等温面），并决定了固一液界面 的形状。因此，在熔体生长过程中，热量的传输问题 将起着支配的作用。
• 此外，对于那些掺质的或非同成分熔化的化合物，在
果在平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸 起，也会由于过热的环境将其熔化而继续保持平面 界面。 而当界面前沿存在成分过冷时，界面前沿由于
不稳定因素而形成的凸起会因为处于过冷区而发展，
平界面失稳，导致树枝晶的形成。
材料制备技术
25
4.熔体生长过程的特点:
• （1）通常，当一个结晶固体的温度高于熔点时，固体
材料制备技术
6
• 我国——现代人工晶体材料的研究
开创于上世纪50年代中期
领域的研究从无到有，从零星的实验室研究发展到初具 规模的产业，进展相当迅速。 现在我国的人工水晶，人造金刚石已成为一个高技术产业。
BGO、KTP、KN、BaTiO3和各类宝石晶体均已进入国际市场
BBO、LBO、LAP等晶体也已经达到了国际水平。 我国每三年召开一次全国人工晶体生长学术交流会，就晶体 生长理论与技术，新材料晶体的研制，进行广泛的学术交流。
在凝固过程中采用强制手段，在凝 固金属和凝固熔体中建立起特定方
向的温度梯度，从而使熔体沿着与
热流相反的方向凝固，获得具有特 定取向柱状晶的技术。
材料制备技术
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(2) 定向凝固技术的工艺参数
凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL 固液界面向前推进的速度R GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。
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中国海洋大学本科生课程大纲
课程名称 晶体材料制备原理与技术(Crystal Growth and Technology) 课程代码 072504201295
课程属性 工作技能 课时/学分 32/2
课程性质 选修 实践学时 0
责任教师 吴平伟 课外学时 0
课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修
一、 课程介绍
1.课程描述：
晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试
与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，主要讲授晶体材料制备过程的基本原
理和典型的晶体材料制备技术，为学生从事晶体材料制备工作提供理论基础和技术基
础。
2.设计思路：
晶体材料是高新技术不可或缺的重要材料，晶体材料制备是材料科学与工程专业相
关的重要生产领域。作为一门以拓展学生知识面为目的的选修课程，本课程分为三大
部分：首先介绍典型的晶体材料制备方法和技术，通过课下查阅资料和课堂讨论加深
学生对常见方法和技术的理解。此部分教师讲解和学生课堂讨论并重。然后介绍晶体
材料制备过程中的一般原理，此部分主要由教师进行课堂讲授。最后，由学生自主查
阅晶体材料制备最新文献，了解晶体材料制备技术最新进展，通过课下研读、课上汇
报、讨论、教师点评等教学活动，加深学生对本课程中所学知识的理解及相关知识的
综合运用。
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3. 课程与其他课程的关系：
晶体材料制备原理与技术是综合应用物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测试
与表征等先修课程所学知识的应用型专业课程，是材料制备与合成工艺课程相关内容
的细化和深入。
二、课程目标
本课程的目标是拓宽材料科学与工程专业学生的知识面，掌握晶体材料制备一般原
理，了解晶体材料制备常见技术，加深对物理、化学、晶体化学以及材料表征等先修
课程知识的理解，加强文献检索能力，学会分析晶体材料制备中遇到的问题，提高解
决生产问题的能力，为毕业后从事晶体材料制备等生产和研究工作打下基础。
三、学习要求
晶体材料制备原理与技术是一门综合了物理、化学、物理化学、晶体化学、材料测
试与表征等多学科知识的综合性课程。为达到良好的学习效果，要求学生：及时复习
先修课程相关内容，按时上课,上课认真听讲，积极查阅资料，积极参与课堂讨论。本
课程将包含较多的资料查阅、汇报、讨论等课堂活动。
四、教学进度
序号 专题 或主题 计划课时 主要内容概述 实验实践 内容
或课外练习等
01 绪论 2 晶体材料制备一般介绍，包括生长历史，重要的工业晶
体等。
02 晶体材料制备方法 6
常见晶体材料制备方法，包
括气相生长，溶液生长，水
热生长，高温熔盐生长等。
需学生提前查阅相关资料。
03 晶体材料制备原理 12 晶体-环境相平衡理论，平衡形状理论，成核理论，生长
过程理论
04 具体晶体制备过程讨论 12 由学生前期查阅文献
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五、参考教材与主要参考书
1，Markov, Crystal Growth for Beginners, 2004
2，张克从，张乐潓，晶体生长科学与技术(第二版)，1997
六
、成绩评定
（一）考核方式 C ：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他
（二）成绩综合评分体系：该课程根据论文撰写和论文讲解的质量和表现进行评
分。
论文要求及评分标准：
评价项目 评价标准 满分
翻译质量 文字翻译准确、流畅 30
译文修改 对老师指出及未指出的问题修改完全、准确 20
报告讲解 对文献内容理解准确，概念清楚，思路清晰；表达准确；报告时间符合要求 30
答辩表现 思维敏捷，语言流畅，回答问题准确，对相关概念理解准确；仪态端庄，精神风貌好 20
七、学术诚信
学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假
行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学
校有关规定取消本课程的学习成绩。
八、大纲审核
教学院长： 院学术委员会签章：