第一章-晶体生长和外延演示教学
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【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件
体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体（Crystal）是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造，所以，晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明：晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(＝空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order)； 在原子近邻具有的周期性，叫短程有序(shortrange order)， 液体具有短程有序；气体既无长程，也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2（KBBF） 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中，晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反，内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态（Non－crystal）。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状，虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质，在各个方 向上都是相同的，即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ，在熔化过程中，随着温度的升高，它首先变软，然后 逐渐由稠变稀，经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
，顾名思义，就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石，也有食盐、石英等 常见的晶体，也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体，普普通通的砂石泥土等常见的物质，以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。
晶体生长和外延
《大规模集成电路制造工艺》共价键金刚石结构四面体二维空间结构简图拉晶过程1. 熔硅将坩埚内多晶料全部熔化；2. 引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。
当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；3.收颈指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。
其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。
颈一般要长于20mm。
拉晶过程4.放肩缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。
这称为“放肩”。
拉晶过程5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。
收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。
此时要严格控制温度和拉速。
拉晶过程6.收晶：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。
拉晶过程300 mm （12inch ）和400 m （16inch ）的硅晶锭Csse C C k s0=l C k C （0）悬浮区熔工艺：（a ）结构图，（b ）掺杂评估所用的简单模型不同的k e 下，掺杂浓度和凝固区长度的函数关系图不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度与区带长度的关系单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好直拉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缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响, 易引入氧碳杂质, 不易生长高电阻率单晶.改进直拉法—磁控直拉技术原理：在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁场,由于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。
除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。
优点：减少温度波动;减轻熔硅与坩埚作用;降低了缺陷密度, 氧的含量;使扩散层厚度增大;提高了电阻分布的均匀性。
《晶体生长机理》课件
晶体生长的原理
晶体生长是指晶体在适宜的条件下从溶液或气相中生长增大的过程。它受到 晶体生长条件和晶体形态影响，涉及物质输送、结晶核、晶体生长速率等因 素。
滴定法生长晶体
滴定法是一种常用的生长晶体的方法。它利用溶液中所含物质的滴定反应， 控பைடு நூலகம்条件使晶体从溶液中沉淀出来。
物质输送导致晶体生长
物质输送是晶体生长的重要因素之一。毛细管现象导致了溶液中物质传输的 变化，对晶体生长速率产生影响。晶体生长速率与传质系数密切相关。
结论
晶体生长机理的研究对于推动材料科学和生命科学的发展至关重要。未来的研究方向包括深入探究晶体 生长的动力学过程和机制，并应用于更广泛的领域。
《晶体生长机理》PPT课 件
晶体生长机理是研究晶体生长过程及其原理的学科。本课件将介绍晶体的定 义、组成、生长过程、条件，以及滴定法生长晶体、物质输送导致晶体生长 等内容。
什么是晶体？
晶体是具有确定的物理结构和几何形状的固体物质。它由阵列有序排列的原 子、离子或分子构成，因此具有独特的性质和形态。
晶体生长机制的研究方法
研究晶体生长机制的方法包括红外光谱法、X射线衍射法和晶体形态模拟法。 这些方法可以揭示晶体生长的分子结构、微观行为和晶体形态发展规律。
晶体生长机理的意义
晶体生长机理对新材料研究和生命科学具有重要意义。了解晶体生长原理可 以指导材料设计、制备和性能优化，以及研究细胞、蛋白质等生命科学领域。
晶体生长ppt
性能关系
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
南京大学晶体生长课件Chapter晶体生长动力学演示文稿
47种几何单形
• 一般说来，对于一个单形的描述，要注意晶面的数目、形状、 相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。
• 单形的晶面数目、形状（包括晶面、横切面的形状）常是命名 的主要依据。
• 记住一些单形名称的方法:
• 1、面类
等轴晶系：
2、柱类
1、四面体组
3、单锥类
2、八面体组
4、双锥类
and c are the FFT patterns of the corresponding HRTEM images, and inset in Fig. d is the SAED pattern taken from the [010]-zone axis. The {100} and (101) facets are indicated in Fig. c, and surface steps lying on the {100} planes are indicated in Fig. d.
第三十三页，共126页。
第三十四页，共126页。
HRTEM images of a single ZnZrO3 particle from the ZnZrO3 powders synthesized at different Zn/Zr molar ratios. (c) Zn/Zr = 3.0, and (d) Zn/Zr = 4.0. Insets in Figs. a
第五页，共126页。
第六页，共126页。
假想的某晶体截面图
在晶体中任意给定晶面（hkl）的生长速 度（在其垂直方向上的移动速率）Rhkl 与
该晶面的原子层间距 dhkl 成反比
第七页，共126页。
第八页，共126页。
化学九年《晶体的生长》课件
※ 晶体生长的种类
1.从固相中生长晶体 2.从液相中生长晶体 3.从熔体中生长晶体 4.助熔剂法生长单晶 5.用气相法生长单晶
1.降温法 2.流动法 3.蒸发法 4.凝胶法 5.水热法
※ 溶液中生长晶体
※ 降温法
基本原理 利用物质较大的正溶解度温度系数， 在晶体生长过程中逐渐降低温度，使析出 的溶质不断在晶体上生长
• 特点：适于生长熔点很高，具有包晶反映或非同 成分熔化而在常温常压下又不溶于各种溶剂或溶 解后即分解，且不能再结晶的晶体材料。
谢谢！
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• 图示
循环流动育晶装置 热电阻丝
※ 蒸发法
• 基本原理：将溶剂不断蒸发，使溶液保持 在过饱和状态，从而使晶体不断生长。
• 特点：比较适合于溶解度较大而溶解温度 系数很小或者是具有负温度系数的物质。 与流动法一样也是在恒温条件下进行的。
九年级化学晶体的生长(教学课件201908)
盖事之大较 洛阳令王棱为越所信 赵王伦之篡也 幸以此自别耳 周浚以十六日前入皓宫 与三王共举义 不给官骑 三者一乖 宜得其人 寡弱小国犹不可危 皆行于世 宜大小数以闻 欧血而薨 攸奏议曰 当以素棺单椁 浚许之 以此为达 叔夏 时在京师 莫不自厉 受璧焚榇 兴复五等 相问曰
不命而至 顗营救得免 求还定省 出为平南将军 帝纳其言 然犹身极宠光 镇厌众心 然今欲举一忠贤 会秦 择众郡所让最多者而用之 惟以周穷济乏为事 臣之此言 立嫡以长不以贤 谓设有而不行 侯弹勃等欲先劫佃兵 [标签:标题] 允字叔真 诚如明诏 以不孝莫大于无后 臣牙门将军马潜即
溶液中生长晶体的方法
报告人：刘聪 学号：02081042
※ 晶体生长的种类
1.从固相中生长晶体 2.从液相中生长晶体 3.从熔体中生长晶体 4.助熔剂法生长单晶 5.用气相法生长单晶
※ 溶液中生长晶体
1.降温法 2.流动法 3.蒸发法 4.凝胶法 5.水热法
；明升体育在线 ；
可谓国之硕老 能学不 毅便奏加妻罪而请解斋 先尽弘恕 与左卫将军王舆谋共废冏 昔齐王好听竽声 和峤之徒皆与恺善 简素寡欲 凉州虏寇边
主者其申明法令 进封平昌亭侯 故改焉 虽经异时 散骑常侍刘镇之 痿疾 居丧过礼 少而相昵 兰艾杂揉 结草为庐 宣王之后 常想其人
帝后又登陵云台 讽诵经籍 来光玉绳 进位征南将军 理后无罪 温声载穆 文帝甚亲重之 算略无方 或有贺之者 是时王澄 冢子司义 每引之同处 足相持正 又公兄弟唱起大事 遇锁 广闻故 侍中 太子朝西宫 年六十五 论者佥谓为速 前代三公册拜 封东莞郡王 为政暴酷 赐钱二十万 则疑父
屯 侍中 表言之曰 后历北军中候 以文帝子机字太玄为嗣 自魏末已后 见《刑法志》 相望道路 弹五弦之琴也 出入沈家 顷之 以舒领司徒 后因正旦朝罢还第 长子谌 帝弗许 时吴人新附 玄常见广在路 无爱死也 则能者劝 便纵兵大掠 固亲以道 任兼文武 山叟知材 澹素与河内郭俶 而责
《晶体的生长》课件
《晶体的生长》ppt课件
目录
• 晶体简介 • 晶体生长的原理 • 晶体生长的方法 • 晶体生长的实验技术 • 晶体生长的应用实例 • 未来展望与挑战
01 晶体简介
晶体的定义
晶体是由原子、分子 或离子按照一定的规 律排列而成的固体物 质。
晶体的内部原子或分 子的排列方式决定了 晶体的物理和化学性 质。
界面反应与扩散
界面过程涉及界面反应和 扩散过程，研究晶体生长 过程中界面物质交换和化 学反应的规律。
界面动力学与控制
界面过程还探讨界面动力 学与控制因素，分析不同 条件下界面形态变化的动 力学过程和机制。
03 晶体生长的方法
熔体生长法
总结词
通过将原料加热至熔化后进行冷却结晶的方法。
详细描述
熔体生长法是一种常见的晶体生长方法，通过将原料加热至熔化，然后控制冷却 速度和温度梯度，使熔体中的原子或分子重新排列成晶体结构。这种方法适用于 制备大尺寸、高质量的单晶材料，如硅单晶和锗单晶等。
LED晶体材料的生长与应用
总结词
LED晶体材料是制造LED灯的关键材料，具有高效、节能、环保等特点，广泛应用能够将电能转化为光能的半导体材料。通过控制LED晶体材料的生 长和掺杂过程，可以获得具有特定能带结构和光学性质的LED晶体。LED晶体在照明、
技术创新
通过技术创新，改进晶体生长设备、 工艺和流程，提高晶体生长效率和产 量。
自动化与智能化
引入自动化和智能化技术，实现晶体 生长过程的远程监控、自动调节和控 制，提高生产效率和产品质量。
环境友好型的晶体生长方法
环保意识
随着环保意识的提高，环境友好型的 晶体生长方法成为研究重点，以减少 对环境的负面影响。
晶体具有规则的几何 外形和内部结构，其 原子排列具有周期性 。
目录
• 晶体简介 • 晶体生长的原理 • 晶体生长的方法 • 晶体生长的实验技术 • 晶体生长的应用实例 • 未来展望与挑战
01 晶体简介
晶体的定义
晶体是由原子、分子 或离子按照一定的规 律排列而成的固体物 质。
晶体的内部原子或分 子的排列方式决定了 晶体的物理和化学性 质。
界面反应与扩散
界面过程涉及界面反应和 扩散过程，研究晶体生长 过程中界面物质交换和化 学反应的规律。
界面动力学与控制
界面过程还探讨界面动力 学与控制因素，分析不同 条件下界面形态变化的动 力学过程和机制。
03 晶体生长的方法
熔体生长法
总结词
通过将原料加热至熔化后进行冷却结晶的方法。
详细描述
熔体生长法是一种常见的晶体生长方法，通过将原料加热至熔化，然后控制冷却 速度和温度梯度，使熔体中的原子或分子重新排列成晶体结构。这种方法适用于 制备大尺寸、高质量的单晶材料，如硅单晶和锗单晶等。
LED晶体材料的生长与应用
总结词
LED晶体材料是制造LED灯的关键材料，具有高效、节能、环保等特点，广泛应用能够将电能转化为光能的半导体材料。通过控制LED晶体材料的生 长和掺杂过程，可以获得具有特定能带结构和光学性质的LED晶体。LED晶体在照明、
技术创新
通过技术创新，改进晶体生长设备、 工艺和流程，提高晶体生长效率和产 量。
自动化与智能化
引入自动化和智能化技术，实现晶体 生长过程的远程监控、自动调节和控 制，提高生产效率和产品质量。
环境友好型的晶体生长方法
环保意识
随着环保意识的提高，环境友好型的 晶体生长方法成为研究重点，以减少 对环境的负面影响。
晶体具有规则的几何 外形和内部结构，其 原子排列具有周期性 。
光学晶体晶体生长部分整理课件
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光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
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杂质、溶液中氢离子浓度(pH值)、温度、过饱和 度和介质运动等．
光学晶体晶体生长部分整理课件
1 杂质
通常把与结晶物质无关的少量外来物质称为杂质．广义的 杂质还应该包括溶剂本身，从这个意义上来说，杂质是不能 消除的(其含量有时甚至是很大的)，因为它本身就是外介质．
3. 不足 （1）需要高压； （2）需要优质籽晶； （3）过程不可视。
光学晶体晶体生长部分整理课件
（5）凝胶法
1. 原理 通过反应物在凝胶中扩散、反
应，进行晶体生长。
2. 体系 凝胶－反应物。
光学晶体晶体生长部分整理课件
（a） 试管单扩散系统（b）为U形管双扩散系统
图5.6 凝胶法育晶装置 光学晶体晶体生长部分整理课件
光学晶体晶体生长部分整理课件
2. 晶芽 1）对于初次培育一种新的晶体：
>室温5~10oC 饱和溶液
放入5~10cm 培养皿中
室温7~8h，用 镊子取出晶体
光学晶体晶体生长部分整理课件
2）大晶体上切取籽晶：
点状切型：各向生长速率相当，生长登轴晶体。 杆状切型：长度方向生长慢的晶体。 片状切型：
一般情况下，籽晶应在生长慢的方向上有较大尺 寸。
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4 晶体研究的发展趋势
光学晶体晶体生长部分整理课件
晶体生长科学与技术PPT课件-03(共六部分)
固相生长法
总结词
通过控制固体物质的温度、压力等参数，使固体在一定条件 下结晶的方法。
详细描述
固相生长法是一种传统的晶体生长技术，适用于制备各种类 型的晶体材料。通过控制固体的温度、压力等参数，使固体 在一定条件下结晶形成单晶。该方法的关键在于选择合适的 结晶条件和原料，以获得高质量的晶体。
03
晶体生长设备与工艺控制
详细描述
熔体生长法是最早的晶体生长方法之一，适用于制备大尺寸、高质量的单晶材料。通过将原料加热至熔化，然后 控制温度和冷却速度，使熔体结晶形成单晶。该方法的关键在于控制熔体的成分、温度和冷却速度，以获得理想 的晶体结构。
溶液生长法
总结词
通过控制溶液的浓度、温度等参数，使溶质在溶剂中结晶的方法 。
详细描述
随着计算机科学和人工智能的发展，将会有更多 的计算模拟和人工智能技术应用于晶体生长科学 与技术的研究中，以实现更加精准和高效的晶体 材料设计和制备。
未来，将会有更多的研究关注于新型晶体材料的 探索和开发，如拓扑晶体、量子晶体等，为未来 的科技发展提供新的材料基础。
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100%
化学成分与晶体纯度
在晶体生长过程中，控制化学成 分是获得高纯度晶体的关键。杂 质的存在会影响晶体的光学、电 学等性能。
80%
化学反应与晶体形态
化学反应速率和条件影响晶体生 长的形态。通过控制化学反应条 件，可以调控晶体的生长形态。
晶体生长的动力学基础
扩散与传输过程
在晶体生长过程中，物质通过 扩散和传输过程在晶体与熔体 之间迁移。这些动力学过程决 定了晶体生长的速度和微观结 构。
05
晶体生长的应用与前景
晶体生长在材料科学领域的应用
【精品】晶体生长科学与技术PPT课件-01(共六部分)
同质异构体：例如碳
金刚石、石墨、C60固体、非晶碳
金刚石
石墨：六方晶系
晶体的物理特性 六大特性
对称性
最小内能
晶态与其他物态（气态、液态、非晶态、准晶态）相 比，晶态内能最小、最为稳定。非晶、准晶处在亚稳 态。
非晶、准晶具有自发转变成晶态的趋势；而晶 态则不具有自发转变成非晶、准晶的趋势。
自范性
硅：人工晶体
硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于
地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石 中；
工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得，经过不
断提纯，满足冶金、太阳能以及微电子产业的应用；
1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅(或氟硅酸
钾K2SiF6)，得到了单质硅；
晶体生长中具有自发形成封闭的几何多面体 的现象
晶体的自范性是晶体内部原子规则性排列的 反映。
稳定性 晶体由于有最小内能，因而结晶状态 是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳 定性。
各向异性 不同方向上，原子的排列情况不同，从而导致了
各向异性。 如在晶体不同方向上的解理、弹性膜量、硬度、 热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、 磁化率和折射率等都是不同的。
O B
A
C
云母
解理
KFeMg2(AlSi3O10)(OH)2
பைடு நூலகம்墨
均一性 宏观：L>>a S>>a2 V>>a3
晶体的性能与取样的部位无关，这是晶体 结构具有周期性的反映
扫描隧道显微 镜……
※ 1984年
准晶的发现
钠沸石的x衍射图
微氮硅-高密度小尺寸原生氧沉淀
金刚石、石墨、C60固体、非晶碳
金刚石
石墨：六方晶系
晶体的物理特性 六大特性
对称性
最小内能
晶态与其他物态（气态、液态、非晶态、准晶态）相 比，晶态内能最小、最为稳定。非晶、准晶处在亚稳 态。
非晶、准晶具有自发转变成晶态的趋势；而晶 态则不具有自发转变成非晶、准晶的趋势。
自范性
硅：人工晶体
硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于
地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石 中；
工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得，经过不
断提纯，满足冶金、太阳能以及微电子产业的应用；
1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅(或氟硅酸
钾K2SiF6)，得到了单质硅；
晶体生长中具有自发形成封闭的几何多面体 的现象
晶体的自范性是晶体内部原子规则性排列的 反映。
稳定性 晶体由于有最小内能，因而结晶状态 是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳 定性。
各向异性 不同方向上，原子的排列情况不同，从而导致了
各向异性。 如在晶体不同方向上的解理、弹性膜量、硬度、 热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、 磁化率和折射率等都是不同的。
O B
A
C
云母
解理
KFeMg2(AlSi3O10)(OH)2
பைடு நூலகம்墨
均一性 宏观：L>>a S>>a2 V>>a3
晶体的性能与取样的部位无关，这是晶体 结构具有周期性的反映
扫描隧道显微 镜……
※ 1984年
准晶的发现
钠沸石的x衍射图
微氮硅-高密度小尺寸原生氧沉淀
晶体学《晶体生长》课件
第六章一、概念解释晶体生长学：研究晶体生长过程及其涉及的物理化学原理、实验设计等内容。
均匀成核：在体系内任何部位成核率相等。
非均匀成核：在体系中存在的外来质点（尘埃，固体颗粒，籽晶等），在外来质点上成核。
晶核：成为结晶生长中心的晶胚。
临界半径：体系自由能由升高到降低转变时所对应的晶核半径。
成核速度：在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称为成核速度。
二、填空题1、均匀成核是指在一个体系内，各处成核概率相等，这要克服相当大的表面势垒，即需要相当大的过冷度才能成核。
2、晶体形成的方式有气相转变为晶体、液相转变为晶体、固相转变为晶体。
3、影响晶体生长的外部因素有涡流、温度、杂质、结晶速度、粘度。
4、晶体的熔体生长过程中的热量输送主要包括辐射、传导、对流。
5、晶体在溶液中生长的质量输送方式为扩散，扩散的驱动力为溶液的浓度梯度。
6、晶体在溶液中生长的动量输送表现为流体的内部磨擦作用。
7、从熔体中生长单晶体的方式有直拉法、区熔法、外延法。
8、从低温溶液中生长单晶的方法有降温法、蒸发法、凝胶法。
三、论述题1、化学气相沉淀法的优缺点答：优点：（1）所得的薄膜或材料一般纯度很高，致密性好，且容易形成结晶定向好的材料、广范用于高纯材料和单晶材料的制备；（2）能在较低温度下制备难溶物质；（3）适应性广，便于制备各种单质或化合物材料以及各种复合材料。
缺点：（1）需在高温下反应，衬底温度高，沉积数率较低；（2）参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性，因此应用不如真空蒸发镀膜和溅射镀膜广泛。
2、为什么再杂质容器壁上容易成核答：成核是一种相变过程，即母液中形成固相小晶芽的过程。
成核需要界面杂质和容器壁正好提供了界面，杂质越多，容器面越大，界面则越大。
成核过程也是越垒过程，越过垒才可以进行晶体生长，容器正是这个垒，所以在杂质、容器上更容易成核。
3、为什么人工合成晶体要放籽晶答：晶体需要晶核才能形成，籽晶正是晶体的晶核，晶体很小时表面能大于自由能，而籽晶能克服界面能，所以人工合成需要籽晶。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法是一种通过控制气体的组成、温度和压力等参 数，使气体在一定的条件下发生化学反应，再通过结晶来 制备晶体材料的方法。
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
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杂质分布
✓ 熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0； ✓ 当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S；
当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(－dS)为:
dSCsdM Cs为晶体中的掺杂浓度。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl
Cl
S M0
M
19
杂质分布
dSCsdM
1
M
(k0 1)
M M 0
22
有效分凝系数
k0
=
C C（l
s
0）
ke
Cs Cl
23
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需 要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl； 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示：
在稳态时: C代替np，v代替μnE
0v dC Dd2C dx dx2
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
24
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
k0
=
C C（l
s
0）
keC Csl k0(1kk00)ev/D
M ke1
C k C 1M s e 0
高提拉速度，
低旋转速度，
0
可以获得均匀杂质分布！
25
悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅
多晶硅棒
✓ 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低； ✓ 不需要坩埚，污染少； ✓ 主要用于需要高电阻率材料的器件；
5. 等径生长
当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大， 称为收肩。
收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。要严格控制温度和 拉速。
13
拉晶过程
6. 收晶
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。
14
单晶硅锭
300 mm(12inch)
不同的 ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。
29
一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（k=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。
30
可用来提纯！ 不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。
31
FZ掺杂
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中 S0＝ClAρdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：
10
拉晶过程
3. 收颈
在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细 的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除 籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。
11
拉晶过程
4. 放肩
缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大 到所需的直径为止。这称为“放肩”。
12
拉晶过程
S0 C0dAkeS/L
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
27
x
S
dS
dx
0
S0 C0dAkeS/L
SC0A kedL[1(1ke)kex/L] ke ASdLC0[1(1ke)kex/L]
C sC 0[1(1ke)kex/L]
28
C sC 0[1(1ke)kex/L]
可得到纯度为98%的冶金级的硅
2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ） 3 0 0 o C 2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 )
三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质
2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 ) 2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ）
26
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面 积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；
当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，
从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)；
dS
C0 d
Adx
keS L
dx
(C
d
A
keS L
)dx
x
S
dS
dx
0
exp(kL ex)C C00ddA AkkeeSS0//L L
可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一)
7
柴可拉斯基法(Czochralski Technique) (直拉法)
硅的熔点：1417oC
8
拉晶过程
1.熔硅
将坩埚内多晶料全部熔化；
9
拉晶过程
2.引晶
将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除 去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽 晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；
Si
GaAs
起始材料
SiO2
Ga，As
蒸馏与还原 合成
多晶半导体
晶体生长 晶体生长
单晶
晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
6
单晶硅的制备
起始材料: 高纯度的硅砂: S i O 2 ( 固 体 ） + S i C ( 固 体 ） S i ( 固 体 ) + S i O ( 气 体 ) + C O ( 气 体 )
SClM0M
Cl
S M0
M
dSSC Csl M d 0M M=k0M d 0M M
20
杂质分布
dSSC Csl M d 0M Mk0M d 0M M
S C0M0
dSSk0
M dM 0 M0M
Cs k0C0(1M M0)k01
21
杂质分布
Cs
k0C0
1MM0
k01
M (k0 1)
k0C0 (k0 1)
400 mm(16inch) 15
单晶硅锭
16
450mm硅片
17
平衡分凝系数
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的 掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。 两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：
k0
Cs Cl
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
18
2
单晶材料制备
《大规模集成电路制造工艺》
3
半导体的形态类型
非晶：原子随机性排列，没有任何周期性； 多晶：原子排列在小范围内具有周期性； 单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；
非晶
多晶
单晶
4
硅和砷化镓
金刚石结构 (Si)
闪长：获得高质量的衬底材料； 外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体；
第一章-晶体生长和外延
成绩计算
平时：5分； 旷课(-1)、迟到、早退(-1)； 作业(10分)； 是否认真，是否正确，是否雷同(0分)； 课堂表现(10分)； 回答问题( 1分 )，课上表现； 期中考试：30分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握； 期末考试：45分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。