熔体中的晶体生长技术(提拉法)
晶体生长方法
晶体生长方法一、提拉法晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
二、热交换法热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。
晶体材料基础---第九讲 晶体生长方法(1)
G = -RTln(+1) 溶液生长的关键：控制溶液的过饱和度，使溶液达到过饱和 状态。 使溶液达到过饱和的途径有：
籽晶的培养：配置过饱和溶液，放置在烘箱中，过几天就可 以得到自发成核的小晶粒。
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1、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籽晶上生长。 适合于溶解度与其温度系数都较大的物质 ( 物质的溶解度温 度系数最好不低于1.5g/1000g 溶液.oC)。 合适的起始温度为60度左右。降温区间以15-20oC为宜。 40℃时，一些物质的溶解度及其温度系数
亚稳区大小可用过饱和度（或过冷度）来估计。 亚稳区的大小既与结晶物质的本性有关，也容易受外界条 件的影响，如搅拌、振动、温度、杂质等。 不同物质溶液的亚稳区差别相当大。 过饱和度的表示方式： 浓度驱动力: c = c-c* 过饱和比: s = c/c* 过饱和度 或相对过饱和度 = c /c* = s -1 ——结晶过程的驱动力
5
一、溶液和溶解度 1、溶液和溶液浓度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
溶液：
由两种或两种以上物质所组成的均匀混合体系称为溶液。
由溶质和溶剂组成。
第三章 提拉法合成宝石及其鉴定方法
第三章提拉法及其合成宝石的鉴定要点:∙晶体提拉法的原理方法∙提拉法合成宝石的鉴定提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。
这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。
2O世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。
它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。
它不仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原料，降低了生产成本。
第一节提拉法一、提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
图 3-1 提拉法合成装置(点击可进入多媒体演示)二、提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。
1.晶体提拉法的装置晶体提拉法的装置由五部分组成：（1）加热系统加热系统由加热、保温、控温三部分构成。
最常用的加热装置分为电阻加热和高频线圈加热两大类。
采用电阻加热，方法简单，容易控制。
保温装置通常采用金属材料以及耐高温材料等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温装置。
控温装置主要由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。
（2）坩埚和籽晶夹作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。
常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。
其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
提拉法
作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
籽晶用籽晶夹来装夹。籽晶要求选用无位错或位错密度低的相应宝石单晶。
（3）传动系统
生长பைடு நூலகம்点
（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中，熔体的温度控制是关键。要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，熔体的其余部分保持过热。这样，才可保证熔体中不产生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。为了保持一定的过冷度，生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动，晶体才能不断长大。另外，熔体的温度通常远远高于室温，为使熔体保持其适当的温度，还必须由加热器不断供应热量。
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
（4）气氛控制系统
不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。
（5）后加热器
后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、铂片等制成。通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在后热器中冷却至室温。后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
（2）提拉速率提拉的速率决定晶体生长速度和质量。适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。一般提拉速率为每小时6-15mm。在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。
关于培养晶体一些理论
1 对于分子量比较大的物质（比如说普通配体），一般用极性相差较大的，比如三氯甲烷和乙醇；对于分子量较大的如杯芳烃，一般用极性相差较小的，比如三氯甲烷和甲苯2 选择的比例一般是惰性溶剂：良性溶剂＝2：1晶体是在物相转变的情况下形成的。
物相有三种，即气相、液相和固相。
只有晶体才是真正的固体。
由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。
晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。
一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；②生长阶段。
在某种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并不意味着整个体系的同时结晶。
体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。
这时由于温度或浓度的局部变化，外部撞击，或一些杂质粒子的影响，都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域，使结晶粒子的大小达到临界值以上。
这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核，称为不均匀成核作用。
均匀成核是指在一个体系内，各处的成核几宰相等，这要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷却度才能成核。
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性，例如悬浮的杂质微粒，容器壁上凹凸不平等，它们都有效地降低了表面能成核时的位垒，优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。
因之在过冷却度很小时亦能局部地成核在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。
它决定于物质的过饱和度或过冷却度。
过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。
成核速度还与介质的粘度有关，轮度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度晶核形成后，将进一步成长。
下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。
一、层生长理论科塞尔(Kossel，1927)首先提出，后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位臵是具有三面凹入角的位臵。
材料常用制备方法
材料常用制备方法一．晶体生长技术1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶）1.1 提拉法特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体b.生长速度快，单晶质量好c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产1.2 坩埚下降法特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。
1.3 区熔法特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单晶棒c.有时也会固定加热器而移动原料棒1.4 焰熔法特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m）b.适用于制备高熔点的氧化物c.缺点是生长的晶体内应力很大1.5 液相外延法优点：a.生长设备比较简单；b.生长速率快；c.外延材料纯度比较高；d.掺杂剂选择范围较广泛；e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；操作安全。
缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶)2.1 水溶液法原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶2.2 水热法【Hydrothermal Method】特点：a. 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b. 利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相变引起的物理缺陷2.3 高温溶液生长法（熔盐法）特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂b.常用溶剂：液态金属液态Ga（溶解As）Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs）KF（溶解BaTiO3）Na2B4O7（溶解Fe2O3）c.典型温度在1000 C左右d.利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点，能生长其他方法不易制备的高熔点化合物，如钛酸钡BaTiO3二．气相沉积法1. 物理气相沉积法(PVD)【Physical Vapor Deposition】1.1 真空蒸镀【Evaporation Deposition】特点：a.真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面；b.常用镀膜技术之一；c.用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；d.具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜分类：电阻加热法、电子轰击法1.2 阴极溅射法（溅镀）【Sputtering Deposition】原理：利用高能粒子轰击固体表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片（工件）的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。
晶体生长方法之溶液法
晶体生长方法简介不同晶体根据技术要求可采用一种或几种不同的方法生长。
这就造成了人工晶体生长方法的多样性及生长设备和生长技术的复杂性。
以下介绍现代晶体生长技术中经常使用的几种主要方法一熔体生长法这类方法是最常用的，主要有提拉法（又称丘克拉斯基法）、坩埚下降法、区熔法、焰熔法（又称维尔纳叶法）等。
提拉法此法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法，被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。
坩埚可以由高频感应或电阻加热。
半导体锗、硅、氧化物单晶如钇铝石榴石、钆镓石榴石、铌酸锂等均用此方法生长而得。
应用此方法时控制晶体品质的主要因素是固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应等。
坩埚下降法将盛满材料的坩埚置放在竖直的炉内炉分上下两部分，中间以挡板隔开，上部温度较高，能使坩埚内的材料维持熔融状态，下部则温度较低，当坩埚在炉内由上缓缓下降到炉内下部位置时，材料熔体就开始结晶。
坩埚的底部形状多半是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球形状的以便于籽晶生长。
晶体的形状与坩埚的形状是一致的，大的碱卤化合物及氟化物等光学晶体是用这种方法生长的。
区熔法将一个多晶材料棒，通过一个狭窄的高温区，使材料形成一个狭窄的熔区，移动材料棒或加热体，使熔区移动而结晶，最后材料棒就形成了单晶棒。
这方法可以使单晶材料在结晶过程中纯度提得很高，并且也能使掺质掺得很均匀。
区熔技术有水平法和依靠表面张力的浮区熔炼两种。
焰熔法这个方法的原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使材料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部。
由于火焰在炉内形成一定的温度梯度，粉料熔体落在一个结晶杆上就能结晶。
焰熔法的生长原理如下，小锤敲击料筒震动粉料，经筛网及料斗而落下，氧氢各自经入口在喷口处，混合燃烧，结晶杆上端插有籽晶，通过结晶杆下降，使落下的粉料熔体能保持同一高温水平而结晶。
晶体提拉法
• 采用电阻加热，方法简单，容易控制。保 温装置通常采用金属材料以及耐高温材料 等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电 阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温 装置。
• 控温装置主要由传感器、控制器等精密仪 器进行操作和控制。
2.后热器 3.坩锅
传动系统
气氛控制 系统
传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系 统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
2. 提拉法含有气体包体，且气泡分布不均 匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。
• 3. 提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、 钨或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含 有金属包体。
• 4. 提拉法生长的宝石晶体原料在高温下 加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。
• 5. 提拉法生长的宝石晶体时，由于采用 籽晶生长，生长成的晶体会带有籽晶的 痕迹。并且可能产生明显的界面位错。
极限生长速率fmax ：
对于纯材料：
fmax
Ks
l
( T z
)s
(Ks为晶体的导热率)
对于掺质的材料
f max
D[ke
(1 ke ) exp( mcl (B) ((1 ke
f
D )
c)]
(
T z
)l
4 晶体提拉法生长宝石实例
－蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石 单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作 红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
3 晶体提拉法生长工艺
A 生长过程。 B 直径自动控制。（ADC技术） C 材料挥发的控制。 D 温场的选择与控制。 E 生长速率的控制。
关于培养晶体一些理论
1对于分子量比较大的物质（比如说普通配体），一般用极性相差较大的，比如三氯甲烷和乙醇；对于分子量较大的如杯芳烃，一般用极性相差较小的，比如三氯甲烷和甲苯2选择的比例一般是惰性溶剂：良性溶剂＝2：1晶体是在物相转变的情况下形成的。
物相有三种，即气相、液相和固相。
只有晶体才是真正的固体。
由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。
晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。
一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；②生长阶段。
在某种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并不意味着整个体系的同时结晶。
体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。
这时由于温度或浓度的局部变化，外部撞击，或一些杂质粒子的影响，都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域，使结晶粒子的大小达到临界值以上。
这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核，称为不均匀成核作用。
均匀成核是指在一个体系内，各处的成核几宰相等，这要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷却度才能成核。
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性，例如悬浮的杂质微粒，容器壁上凹凸不平等，它们都有效地降低了表面能成核时的位垒，优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。
因之在过冷却度很小时亦能局部地成核在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。
它决定于物质的过饱和度或过冷却度。
过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。
成核速度还与介质的粘度有关，轮度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度晶核形成后，将进一步成长。
下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。
一、层生长理论科塞尔(Kossel，1927)首先提出，后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置。
最全的材料晶体生长工艺汇总
最全的材料晶体生长工艺汇总提拉法提拉法又称直拉法，丘克拉斯基（Czochralski）法，简称CZ法。
它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。
用提拉法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等多种重要的人工宝石晶体。
提拉法的原理：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶下降至接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。
提拉法的工艺步骤可以分为原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。
具体过程如示意图。
提拉法晶体生长工艺有两大应用难点：一是温度场的设置和优化；二是熔体的流动和缺陷分析。
下图为提拉法基本的温度场设置以及五种基本的熔体对流模式。
在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。
因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。
下图是不同的坩埚和晶体旋转速率下产生的复杂流动示意图。
这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。
通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是一种有效办法，利用导电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。
常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。
下图是几种不同的引入磁场类型示意图。
引入磁场可以在一定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。
晶体提拉法有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得优质取向的单晶；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体光学均一性高。
晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
图1 提拉法晶体生长装置结构示意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和F.Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有图2HEM晶体生长装置结构示意图特定形状要求的晶体。
第四章 熔体中的晶体生长技术(熔体导模法)
（3）易于生长出无生长纹的、光学均匀性好 的晶体。 因为晶体的生长发生在模具顶端 的熔体薄膜上，处于恒定的温度状态，不 受坩埚液面变化的影响，因此固液界面温 度保持恒定，保证了晶体生长在稳定状态 下进行。
生长宝石晶体的鉴别 1，存在固态包裹体,通常不存在未熔化的 粉料包裹体，但可能存在模具金属包裹 体 2，存在籽晶，同提拉法一样。 3, 存在气态包裹体。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
导模法生长晶体的工作原理是将原料放入坩埚中加热熔化熔体沿一模具在毛细作用下上升至模具顶端在模具顶部液面上接籽晶提拉熔体使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶体
& 4.4熔体导模法生长
宝石晶体
主要内容
一、导模法生长晶体简介 二、导模法生长晶体的工艺过程 三、导模法生长晶体的工艺原理 四、导模法生长宝石晶体装置 五、导模法生长宝石晶体实例 六、导模法生长宝石晶体特点及鉴别
二、导模法生长晶体的工艺过程
a: 将籽晶浸入熔体 b: 籽晶表面回熔 c: 缩颈放肩提拉
d: 提拉使熔体 到模具顶部表 面 e: 特定形状的 晶体的生长阶 段。
三、导模法生长晶体的工艺原理。
将原料放入坩埚中加 热熔化，熔体沿一模具在 毛细作用下上升至模具顶 端，在模具顶部液面上接 籽晶提拉熔体，使籽晶在 熔体的交界面上不断进行 原子或分子的重新排列， 随降温逐渐凝固而生长出 与模具边缘形状相同的单 晶体。
熔体是通过模具的毛 细管到达模顶的。上 升的高度：
2 cos h drg
表面张力；d 熔体密度 r 毛细管半径； 润湿角
导模法生长的晶体，由于熔体无对流 搅拌，因此杂质分布主要由扩散决定。此 方法生长的晶体分凝系数是一个不变值。 这是此方法的一大优点。
5.4-晶体生长技术
提拉法
籽晶从熔体中提拉出晶
体的生长方法，亦称恰
克拉斯法或提拉法。
提拉法晶体生长设备
提拉法的主要优点是：
（1）直观：利于及时掌握生长情况，控制生长条件。 （2）晶体不与坩埚接触，没有壁寄生成核和胁迫应力。 （3）使用优质定向籽晶和缩颈技术，减少晶体缺陷。 （4）能以较快速度获得高质量优质单晶。
晶体生长设备
坩埚下降法的优点：
1. 晶体密封生长，熔体挥发少，成分容易控制；
2. 适宜生长大直径单晶，可以一次生长多根晶体；
3. 工艺条件容易掌握，易于实现自动化。
坩埚下降法的缺点：
1.不宜生长结晶时体积增大的晶体；
2.生长过程难以确定，所长晶体内应力较大。
坩埚下降法中成核问题直接关系到晶体质量和单晶化 程度。 坩埚下部温度逐渐降低后，坩埚壁局部过冷区域形成 晶核并释放结晶潜热，须将结晶潜热迅速移去晶核才能继
熔体法晶体生长的局限性：
若存在以下情形，则难以采用熔体法进行晶体生长。
（1） 材料在熔化前就分解；
（2） 非同成分熔化的材料；
（3） 材料在熔化前升华或在熔点处蒸气压太高；
（4） 存在故态相变（脱溶沉淀和共析反应），破坏性相变；
（5） 熔点太高；
（6） 生长条件和必须进入晶体的某种掺杂不相容。
5.4.1.1
空间材料科学与制备技术提供有价值的实验数据。
原料制备
配制原料 籽晶加工 坩埚制作
晶体生长
降温
安装籽晶、填装原料
出炉
（ 原料再处理）
焊封坩埚 晶体切割
晶体定向
晶体研磨 晶体抛光
上炉、升温、接种
提拉法生产单晶的工艺过程
提拉法生产单晶的工艺过程
提拉法是一种常用的单晶生长工艺，主要用于生产硅单晶。
以下是提拉法生产单晶的工艺过程：
1. 原料准备：将高纯度的硅原料加入石英坩埚中并加热熔化，得到硅熔体。
2. 晶体种植：在石英坩埚内放入种子晶体，使其与硅熔体接触，形成晶体的初步生长。
3. 晶体提拉：将种子晶体与坩埚底部相连的拉杆慢慢向上拉升，使硅熔体慢慢提拉，晶体就会逐渐延伸。
4. 形成单晶棒：通过适当的控制拉杆的上升速度和熔体的温度，使得晶体在提拉的过程中逐渐形成单晶。
5. 控制温度和速度：在整个提拉过程中，需要严格控制熔体的温度和晶体提拉速度，以保证单晶的质量和尺寸。
6. 切割和修整：当单晶棒的长度达到一定要求后，将其切割成单个硅片，并进行修整和打磨，以得到最终的单晶硅片。
需要注意的是，提拉法生产单晶的过程需要在高真空环境下进行，以避免杂质的
污染。
此外，提拉法虽是一种常用的单晶生长工艺，但其过程控制较为复杂，需要经验丰富的技术人员进行操作。
熔体中的晶体生长技术(提拉法)
提拉法也被用于制备化合物半导体材料 ，如GaAs、InP等，通过控制熔体中的 成分和晶体生长条件，可以制备出高质 量、性能优异的化合物半导体材料。
在功能陶瓷材料制备中的应用
功能陶瓷材料在电子、能源、环保等领域具有广泛应用，如压电陶瓷、热敏陶瓷 等。
提拉法也被用于制备功能陶瓷材料，通过控制熔体中的成分和晶体生长条件，可 以制备出具有优异性能的功能陶瓷材料，提高其应用性能。
在其他领域的应用实例
提拉法还被应用于制备其他材料，如金属单晶、宝石等。
通过提拉法可以制备出高质量、性能优异的晶体材料，满足不同领域的需求。
05 提拉法的挑战与未来发展
面临的挑战
晶体质量与纯度控制
提拉法在生长过程中难以完全消除杂质和缺陷，影响晶体质量。
生长速度与尺寸限制
提拉法生长速度较慢，且难以生长大尺寸晶体。
成本与效率
提拉法需要高纯度原料和精密设备，导致成本较高，效率较低。
未来发展方向与趋势
新型晶体生长技术
研究和发展新型晶体生长技术，以提高晶体质量和纯度，降低成 本和能耗。
优点 可生长大尺寸单晶体 晶体质量高，缺陷少
提拉法的优缺点
• 可通过优化生长条件获得高纯度晶体
提拉法的优缺点
缺点
对温度控制要求严格，操 作难度较大
对设备要求高，成本较高
对于某些材料，提拉法可 能不是最佳的晶体生长技 术
02 提拉法的基本流程
熔体制备
原料选择
根据所需生长的晶体种 类，选择合适的原料， 确保纯度高、杂质少。
配料与混合
将原料按照一定的比例混 合，并进行充分的搅拌， 以保证原料的均匀性。
晶体生长方法（新）
晶体⽣长⽅法（新）晶体⽣长⽅法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始⼈是J. Czochralski ，他的论⽂发表于1918年。
提拉法是熔体⽣长中最常⽤的⼀种⽅法，许多重要的实⽤晶体就是⽤这种⽅法制备的。
近年来，这种⽅法⼜得到了⼏项重⼤改进，如采⽤液封的⽅式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地⽣长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采⽤导模的⽅式（导模提拉法）⽣长特定形状的晶体（如管状宝⽯和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作⽤下，⼀边旋转⼀边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等⼏个⼯艺阶段，⽣长出⼏何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种⽅法的主要优点是：(a) 在⽣长过程中，可以⽅便地观察晶体的⽣长情况；(b) 晶体在熔体的⾃由表⾯处⽣长，⽽不与坩埚相接触，这样能显著减⼩晶体的应⼒并防⽌坩埚壁上的寄⽣成核；(c) 可以⽅便地使⽤定向籽晶与“缩颈”⼯艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最⼤优点在于能够以较快的速率⽣长较⾼质量的晶体。
提拉法中通常采⽤⾼温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化⽓氛，对坩埚有氧化作⽤，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极⾼的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改⽤其它⽣长⽅法。
图1 提拉法晶体⽣长装置结构⽰意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和 F.Schmid于1974年发明的⼀种长晶⽅法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体⽣长驱动⼒来⾃固液界⾯上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体⽣长中，采⽤钼坩埚，⽯墨加热体，氩⽓为保护⽓体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独⽴地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界⾯浸没于熔体表⾯，整个晶体⽣长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静⽌状态，处于稳定温度场中，⽽且熔体中的温度梯度与重⼒场⽅向相反，熔体既不产⽣⾃然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最⼤优点是在晶体⽣长结束后，通过调节氦⽓流量与炉⼦加热功率，实现原位退⽕，避免了因冷却速度⽽产⽣的热应⼒；(4) HEM可⽤于⽣长具有图2HEM晶体⽣长装置结构⽰意图特定形状要求的晶体。
单晶生长方法介绍
水浴育晶装置 1. 擎晶杆 2. 晶体 3.转动密封装置 4. 浸没式加热器 5. 搅拌器 6. 控制器 7. 温度计 8. 育晶器 9. 有孔隔板 10. 水槽
2、蒸发法生长单晶
属于溶液法，适合实验室制备单晶。
原理：将臵有晶核的高温液体体系，在蒸发冷 却器的作用下冷却，获得单晶。
特点：较简单 成本较普通降温法高 可制备规则单晶
3、物料熔融 将装料的坩埚（或料罐）在温度场中加热直至 熔融 加热方式：电阻加热、感应加热 电阻加热法：用石墨、钨等对盛有原材料的坩埚 加热，也可以做成复杂的加热器，起到盛料和 加热的两个目的。该法特点是成本低、可以使 用大电流、低电压电源。 感应加热法：利用中频或高频交流电通过线圈时 产生的交流电磁场，臵于线圈内的铱（ Ir）或 白金（ Pt）坩埚中产生涡流发热，从而融化 坩埚内的原材料。特点是可提供较干净的生长 环境，能快速改变参数而进行精密控制，但成 本费用高。
溶液法－水热法合成石英水晶
石英(水晶)有许多重要性质，它广泛地应用于国防、电 子、通讯。冶金、化学等部门。石英有正、逆压电效应。 压电石英大量用来制造各种谐振器、滤波器、超声波发生 器等。 石英谐振器是无线电子设备中非常关键的一个元件，它 具有高度的稳定性（即受温度、时间和其它外界因素的影 响极小），敏锐的选择性(即从许多信号与干扰中把有用的 信号选出来的能力很强) ，灵敏性(即微弱信号响应能力强)， 相当宽的频率范围(从几百赫到几兆频)，人造地球卫星、导 弹、飞机，电子算机等均需石英谐振器才能正常工作。
原理： 用高温高压的溶液将溶质溶解，降温，溶液 过饱和后使溶 质析出，长成单晶。 水的作用：转递压力，提高原料溶解度 1928年，德国的科学家理查德· 纳肯（Richard Nacken） 创立。主要用来生产水晶和大多数矿物。 特点： 1、高温和高压可使通常难溶或不溶的固体溶解和重结晶。 2、晶体在非受限条件下生长，晶体形态各异、大小不受限制、 结晶完好。 3、适合制备高温高压下不稳定的物相 4、水处在密闭体系中，并处于高于沸点的温度，体系处在高 压状态。
各种合成方法对比
（3）传动系统：为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
C.工艺条件
原料：合成祖母绿所使用的原料是纯净的绿柱石粉或形成祖母绿单晶所需的纯氧化物，成份为BeO、SiO2、AL2O3及微量的Cr2O3。
助熔剂：常用的有氧化钒、硼砂、钼酸盐、锂钼酸盐和钨酸盐及碳酸盐等。目前多采用锂钼酸盐和五氧化二钒混合助熔剂。
2、合成装置
水热法合成宝石采用的主要装置为高压釜，在高压釜内悬挂种晶，并充填矿化剂。
把原料先烧结或压制成棒状，然后用两个卡盘将两端固定好。将烧结棒垂直地置入保温管内，旋转并下降烧结棒(或移动加热器)。烧结棒经过加热区，使材料局部熔化。熔融区仅靠熔体表面张力支撑。当烧结棒缓慢离开加热区时，熔体逐渐缓慢冷却并发生重结晶，形成单晶体。
在浮区熔炼法装置中，将高频线圈绕在垂直安装的材料棒上。感应加热在熔区中可提供自动的电磁搅拌，揽拌的程度取决于所用的频率、线圈的实际配置和熔区的长度，还可通过检测热损耗值或材料导电率的变化来实现熔区直径的自动控制。移动原料烧结棒（或移动加热器），使烧结棒自上而下逐步被加热熔化。熔区内的温度大于原料熔化温度，熔区以外温度则小于原料熔化温度。旋转烧结棒，热源逐渐从烧结棒一端移至一端，直至整个烧结棒变成宝石单晶。重复该过程，可使晶体进一步得到精炼和提纯。
自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。
主要设备
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天然石榴石低维半导体材料及量子器件
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YIG
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YIG
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人工合成GGG
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天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐
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边界层 厚度的 起伏
温场对称 晶体旋转
温场不对称
生长层的形成
生长 速率 起伏
机械振动
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6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制
晶体在生长(或降温)过程中所以会产生缺陷， 大体上是由以下几个方面的因素造成的： a 物质条件； b 热力学因素； c 分凝和组分过冷； d 温度分布和温度波动．
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• a物质条件：
包括生长设备的稳定性，有害杂质的影响， 籽晶。
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石榴石生长的主要方法在于原料的区别和 是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以 下几个方面：
a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色
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• a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化 钆）经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合 后经压机压紧后在1250℃进行固相反应，充 分反应后的原料可供晶体生长使用。
• e 晶体的透过率与颜色：
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纯GGG和掺杂Cr3＋
纯GGG和掺杂Co3＋
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纯GGG和掺杂Nd3＋
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4提拉法生长晶体实例
－蓝宝石提拉晶体的放肩控制
蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石单 晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作红 外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
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在这三类稀土石榴石中，稀土铁石榴石 (YIG)不透明，难以用作装饰品；
稀土铝石榴石(YAG)存在折射率不够高，不 易掺质．
稀土镓石榴石(GGG)由于其本身的结构特 点，不但能进行多种形式的掺质，而且通过辐照 还可以形成稳定的色心，使其单晶体呈现绚丽多 彩的漂亮颤色，最适宜作为装饰宝石材料。常用 的掺质元素为：Cr,Co,Ni等过渡族元素氧化物和 稀土Nd,Er的氧化物。
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• d 温场的选择与控制
为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止 开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度。因 此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。
一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别 是界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的 温度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根 据材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。
•
由于位错往往与生长轴成一个
夹角，如果以（100）和（111）
晶向生长时，其滑移面与其生长方
向成36.16度和19.28度。故需长出
足够长的晶体或通过反复进行的缩
颈工艺，能使位错沿着滑移面延伸
至晶体表面而消失，从而可生长出
无位错单晶体。缩颈工艺通常是采
用快拉,将晶体直径缩小到大约为
3mm左右.
其缩颈最小长度l于晶体直径D之间有如下关系：
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• 原料：
白色合成蓝宝石碎块＋TiO2+Fe2O3， TiO2、Fe2O3配比视颜色而定。
• 工艺参数：2050℃以上，转速：10－ 15r/min ,提拉：1－10mm/h
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放肩过程中在dt时间内凝固的晶体质量为：
• r表示放肩生长出晶体的半径。上面方程表 明在拉速和熔体中温度梯度不变的情况下， 肩部面积随时间接指数律增加。
• 这就要求拉晶工作者在晶体直径达到预定尺 寸前就要考虑到肩部自发增长的倾向，提前 采取措施。
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Al2O3放肩过程中可能出现的几种情况
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• 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG）
石榴石主要包括的六种矿物： （1）镁铝榴石（Pyrope） ，也叫红榴石 （2）铁铝榴石（Almandine） ，也叫贵榴石 （3）锰铝榴石（Spessartite） （4）钙铝榴石（Grossular）， 水钙铝榴石 （5）钙铁榴石（Andradite），含Cr叫翠榴石 （6）钙铬榴石（Uvarovite） ，也叫绿榴石
d 1.608103 DL1/2
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• 收尾：晶体生长后期，主 要防止发生界面翻转和位 错的反延，因此当晶体生 长的长度达到预定要求时， 应该逐渐缩小晶体的直径， 直至最后缩小成为一个点 而离开熔体液面，这就是 晶体生长的收尾阶段。
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• b保护气氛：GGG的熔点为1750摄氏度，一 般采用铱坩埚，但铱坩埚存在氧化的问题。 因此加入高纯氮气和2%的氩气。
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• c生长条件：提拉速度一般在5-10mm/h范 围内。若掺质或生长大直径的晶体，要放 慢生长速度。生长最合适的方向为＜111＞
• d 掺杂生长：掺质生长存在一个分凝问题。 分凝系数有的大于1有的小于1，因此掺质 的浓度也不同。
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• d 温度波动和生长层
产生温度波动波动的原因有二
i熔体本身的热流不稳定性造成温度的起伏和振荡。
ii生长条件的变化
我们把在晶体中溶质浓度的不均匀层称为生 长层（条纹）。生长层是晶体生长，特别是熔体 生长过程中经常出现的微观缺陷之一。
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• 热应力:冷却速度不一致引起的
• 化学应力：杂质在晶体内部分布不均匀引起的
• 结构应力：由于相变的发生引起的
• 2、脱溶和共析反应（较快的生长速率和较大的温 度梯度（界面处））
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• c 分凝和组分过冷
• 在适当的范围内，调整G和V是克服组分过 冷的最有效，也是最简单的方法。可先采 用较大的G来克服组分过冷，然后再用长时 间的高温退火来消除GL大而产生的热应力。
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5 提拉法生长晶体实例－单晶硅的缩颈和收尾工艺 实验发现，如果籽晶的质量不好，那么籽晶
中的继承性缺陷（如位错、晶界）会引申到晶体 中。因此，为了获得高品质无位错单晶体，籽晶 的选择和处理格外严格。
首先：尽量选择完整性好的晶体做籽晶 其次：将所有的加工损伤、污染物以及残余应力 去 除。可采用侵蚀的方法除去加工损伤和污染物， 采用长时间退化消除应力。
例如：Ca3Fe2[SiO4] ，Mn3Al2[SiO4]3． 人工研制的石榴石，如钇铁石榴石(YIG)、
钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等.
以上三大类人工石榴石，即由稀士(Yt,Nd） 和铁、铝、镓（Ga）分别完全取代天然石榴石 中的金属元素和硅，所形成的稀土铁石榴石、稀 土铝石榴石和稀土镓石榴石．
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• c材料挥发的控制
• 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学配 比，造成熔体某成分的过剩，组分过冷的 改变等一系列影响。因此，人们发展了液 相覆盖技术和高压单晶炉。
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低维半导体材料ห้องสมุดไป่ตู้量子器件
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• 覆盖物质应具有以 下性质：密度小于 熔体的密度，透明， 对熔体、坩埚和气 氛是化学惰性的， 能够浸润晶体、熔 体和坩埚，并具有 较大的粘度。目前， 最好的覆盖物质是 熔融的B2O3
R和r分别为甘埚和晶体的半径。
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极限生长速率fmax ：
对于纯材料：
fmax
Ks
l
( T z
)s (Ks为晶体的导热率)
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对于掺质的材料
fmax
D[ke
(1
ke
)
exp(
f D
c)]
(
T
mcl(B) ((1 ke )
z
)l
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1 提拉法生长设备介绍
1.保温
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YAG生长设备
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加热系统
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2.后热器 3.坩锅
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传动系统
气氛控制 系统
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后热器的主要 作用是调节晶 体和熔体之间 的温度梯度。
dm ( r2dz 2 rdrz )
v dz / dt
式中： r2dz为高为dz的柱体的体积 2 rdrz为高为z的锥环柱的体积
dm / dt r2v 2 r(d 2r / dt 2 )