有关单晶拉制工艺

一、晶体与非晶体

●晶体具有一定熔点

)

(晶体) （非晶体）

由图晶体在bc段熔化时温度不变，此时的温度就是晶体的熔点。

●晶体各向异性

晶体在不同方向上导热性质、力学性质、电学性质等各物理、化学性质不同，是

因为晶体各晶面格点密度的不同。

二、晶面和晶向

●晶面指数—选取x，y，z平行于晶胞的三条棱标出一个晶面，标出晶面在x，y，z

轴上的截距，然后取截距的倒数，若倒数为分数，则乘上它们的最小公倍数，便

有h，k，l的形式，而（h，k，l）即为晶面指数。

z z z

x

(111)面（110）面（100）面

●晶向—通过坐标原点作一直线平行于晶面法线方向，根据晶胞棱长决定此直线点

坐标，把坐标化成整数，用[ ]括起来表示。

注：对于硅单晶生长，{100}晶面族的法向生长速度最快，{111}族最慢。（拉速）

三、晶体的熔化和凝固

●晶体熔化和凝固与时间关系对应曲线上出现“温度平台”是因为熔化过程中，晶

体由固态向液态变化一过程需吸收一定的热量（熔化热），使晶体内原子有足够的

能量冲破晶格束缚，破坏固态结构。反之，凝固时过程会释放一定的结晶潜热。

四、结晶过程的宏观特性

●曲线表明凝固时必须有一定的过冷度ΔT结晶才能进行。即结晶只能在过冷熔体中

进行。

●所谓“过冷度”，指实际结晶温度与其熔点的差值，ΔT=液体实际凝固温度—熔点

温度。

●结晶潜热的释放和逸散是影响结晶过程的重要因素：

a.结晶潜热的释放和逸散相等，结晶温度保持恒定，液体完全结晶后温度才下降。

b.表示由于熔体冷却略快或其他原因结晶在较大的过冷度下进行，结晶较快，释放

的结晶潜热大于热的逸散，温度逐渐回升，一直到二者相等，此后，结晶在恒

温下进行，一直到结晶过程结束温度才开始下降。

c.结晶在很大的过冷度下进行，结晶潜热的释放始终小于热的逸散，结晶在连续降

温过程中进行。

五、晶核的自发形成

●判断结晶能否自发形成就看固态自由能Z固和液态自由能Z液的变化关系。哪一

物态自由能小，过程将趋于该物态。自由能越小，相应物态越稳定。

Z固

Z液

Z固=Z液处固液平衡状态

1)晶体的固态和液态结构比较，液态时原子间结合力弱，远程规律排列受破坏，近

程却仍维持动态规则排列的小集团（晶胚），晶胚与晶胚间的位错密度大。

2)相起伏——熔体中瞬时排列和拆散的变化。（相起伏必然伴随着能量起伏）

3)凡大于晶胚的临界半径r c的晶胚称为晶核。r c与过冷度ΔT成反比，当ΔT过小

（温度偏高）时，晶胚中的最大尺寸小于临界半径，熔体难以成核。当ΔT适当（大

于亚稳态极限ΔT0）时，结晶一定进行。

注：临界尺寸的晶胚变成晶核需原子的跳动，而跳动是要激活的，当ΔT过大时，

由于原子活动能力差，不利于成核。

六、实际结晶过程的非自发成核

●晶核借助于外来固态物质的帮助在熔体中的固相界面上或容器表面上生成，称之为

非自发成核。（半导体材料生长多数采用加入同种固相物质起晶核作用）

1)制备单晶时，在熔体中加入晶种，在晶种上生成非自发晶核，这样形成非自发晶

核所做的功少，熔体结晶时的过冷度自然小，自发晶核难以生成，自然容易生成

单晶。（制备单晶时应使过冷度尽量小）

2)熔体中如存在其它固体杂质，容易以该杂质为基底形非自发晶核，不易长成单晶，

直拉硅单晶生长时，坩埚边结晶与炉臂掉渣变多晶就属于这种情况。

3)晶胚的临界半径r c与熔体过冷度密切相关,过冷度又影响晶体与熔体之间界面比表

面能,当然也影响晶体与熔体接触角θ，通常θ角可反映过冷度，当θ角等于零时，

熔体不过冷，易生成单晶。控制合适过冷度通过观察晶体周围光圈即θ角变化来

实现。

七、晶体长大

●熔体中生成晶核后，熔体开始结晶。

内部因素：晶体界面的曲率因素（凸形界面、凹形界面）晶体生成的因素

外部因素：生长界面附近的温度分布状况（结晶潜热释放

速度、逸散条件）

八、直拉单晶炉热场

●

（一定距离内，某方向的温度相差越大，单位距离内的温度变化越大，梯度就大。）

静态热场——熔硅后引晶时的温度分布

（由加热器、保温系统、坩埚位置等因素决定）

●热场

动态热场——拉晶时的热场

（由结晶潜热、液面下降、固体表面积增加等因素决定）

●热场分布示意

(纵向温度分布) (径向温度分布)

●单晶生产时，热场中存在晶体(固体)和熔体两种形态，因此温度梯度也有两种：

a.晶体的纵向、径向梯度

b.熔体的纵向、径向梯度

但最能影响单晶生长的是生长界面的温度梯度。

1.晶体生长时，晶体的纵向温度梯度大于零，即离结晶面越远，梯度温度越低。

注：要有足够大的晶体纵向温度梯度才能长出稳定的单晶，足够大的纵向梯

度使单晶生长时产生的潜热和熔体传给晶体的热量带走，保持结晶界面的温

度平衡。但晶体纵向温度梯度过大会使熔体表面过冷度加大，可能产生新的

晶核，使单晶变多晶。

2.晶体生长时，熔体温度分布离液面越远温度越高。晶体生长要稳定，必须有

较大的熔体纵向温度梯度。

3.径向温度梯度：a晶体径向温度梯度

b熔体径向温度梯度

c生长界面径向温度梯度

eg：晶体生长时径向梯度示意

界面凸向熔体界面凹向熔体

x

小结：合理的热场分布应使纵向温度梯度尽可能大，使单晶生长有足够动力；但不能过大，以防生成新晶核变多晶。径向温度梯度尽量接近0或等于0，

保证结晶界面平坦。

内梯形

热场配置外梯形

短平罩

注：石墨坩埚的厚薄影响热场稳定性，厚度大热惯量大，热场对温度变化反应慢，热场较稳定；薄坩埚热惯量小，热场对温度变化反应快，

热场易变化，但热场温度容易调整。

拉晶过程中易晶变纵向温度梯度过小的可能性很大，而增大纵向温

度梯度的方法是提高坩埚位置，也可适当降低保温罩高度或增大保

温盖孔。

a.石墨件老化会引起纵向温度梯度的减小。

b.气氛条件下拉晶可增大纵向温度梯度。