半导体材料第4讲-晶体生长
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质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最 大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与 新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是 能量上最有利的位置， 即结合成键时成键数目最 多，放出能量最大的位置。
此模型假定晶体是理想完整的，并且界面 在原子层次上没有凹凸不平的现象，固相 与流体相之间是突变的，这显然是一种非 常简单的理想化界面，与实际晶体生长情 况往往有很大的差距
实际上晶体在生长过程中，真正理想的 晶体生长条件是不存在的，总会不同程度 的受到复杂外界 条件的影响，而不能严格 地按照理想发育。
晶体长大的动力学模型
完整突变光滑面模型
层生长理论(Kossel W., 1927)：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。
晶体。
夏威夷火山
火山口生长的硫(S)晶体
2. 由液相转变为固相：
1.从熔体中结晶,Βιβλιοθήκη Baidu熔体过冷却时发生结晶现象 ，出现晶体；
2.从溶液中结晶,即溶液达到过饱和时，析出晶 体；
3.水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结 晶出来；通过化学反应生成难溶物质。
天然盐湖卤水蒸发
珍珠岩
3．由固相变为固相：
气相中的均匀成核
晶胚有两种发展趋势： 1、继续长大，形成稳定的晶核； 2、重新拆散，分开为单个的分子
。
液相中的均匀成核
晶体熔化后的液态结构是长程无 序的，但在短程范围内却存在着 不稳定的接近于有序的原子集团 ，它们此消彼长，出现结构起伏 或叫相起伏。
液相中的均匀成核
当温度降到结晶温度时，这些原子 集团就可能成为均匀形核的“胚芽” ，称为晶胚；其原子呈晶态的规则 排列，这就是晶核。
半导体材料第4讲-晶体生长
第三章 晶体生长
制造半导体器件的材料，绝大部分 是单晶体，包括体单晶和薄膜单晶 ，因此，晶体生长问题对于半导体 材料研制，是一个极为重要的问题 。
本章主要内容：
1、晶体生长的基本理论
2、熔体中生长单晶的主要规律
3、单晶的生长技术
晶体生长理论基础
晶体的形成方式： 晶体是在物相转变的情况下形成的
从图上直接说 明气-固相、 固-液相转变 的条件。
晶体形成的热力学条件
从图可直接看出： 气-固相转变条件：
温度不变，物质的分压 大于其饱和蒸汽压。 压力不变，物质的温度 低于其凝华点。
晶体形成的热力学条件
从可直接看出： 固-液相转变的条件：
对熔体，压力不变， 物质的温度低于其熔点 不能看出的条件： 液-固相，对溶液，物质 的浓度大于其溶解度。
。物相有三种，即气相、液相和固相 。 由气相、液相转变成固相可形成晶体 ，固相之间也可以直接产生转变。 晶体生长方式分三大类： 固相生长 液相生长，包括溶液生长和熔体生长
天然晶体的生长
1．由气相转变为固相：
从气相转变为固相的条件是要有足够 低的蒸气压。在火山口附近常由火山喷 气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪 花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的
晶体生长 的一般过程是先生成晶核，而后再长大 。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； ③生长阶段。
关于晶体生长的有两个理论：1.层生长理 论；2.螺旋生长理论。
当晶体生长不受外界任何因素的影响时， 晶体将长成理想晶体，它的内部结构严格 的服从空间格子规律，外形应为规则的几 何多面体，面平、棱直，同一单形的晶面 同形长大。
如图：
K为曲折面，有三角 面凹入角，是最有力 的生长部位；
S是阶梯面，具有二 面凹入角的位置；
A是最不利于生长的 部位。
•所以晶体在理想情况下生长时，先长一条行列 ，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。晶面是平行向外推移而生 长的。
层生长理论的局限： 按层生长理论，晶体在气相或在溶液中
生长时，过饱和度要达到25%以才能生 长，而且生长不一定会连续 实际上，某些生长体系，过饱和度仅为 2%时，晶体就能顺利生长
晶核的形成
非均匀形核：若新相优先在母相 某些区域中存在的异质处形核， 即依附于液相中的杂质或外来表 面形核，则称为非均匀形核。又 称异质形核或非自发形核
气相中的均匀成核
在气-固相体系中，气体分子不停的做无 规则的运动，
能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种 碰撞类似于弹性碰撞，
而某些能量低的分子，可能在碰撞后就 连接在一起，形成一些几个分子(多为2个) 组成的“小集团”，称为“晶胚”。
4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直 于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延 展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；
5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速 冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃 经过千百年以上的长 时间以后，可逐渐转变为结 晶质。
晶体形成的热力学条件
概括来说，
气－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过饱和蒸气压。
液－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过饱和度。
固－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过冷度。
Ø详见课本3－1－1
晶核的形成
研究发现，结晶过程是由形核与长大两 个过程所组成。
结晶时首先在液体中形成具有某一尺寸 （临界尺寸）的晶核，然后这些晶核不 断凝聚液体中的原子而长大。形核过程 和长大过程紧密联系但又有所区别。
1).同质多相转变， 某种晶体在热力学条件改变 的时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体 ；
2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成 的石灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗 粒方解石组成的大理岩；
细粒方解石
大理岩
3．由固相变为固相：
3). 固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成 为几种独立矿物；
晶核的形成
在母相中形成等于或超过一定临界大小 的新相晶核的过程称为“形核”
形成固态晶核有两种方法， 1) 均匀形核，又称均质形核或自发形
核。 2) 非均匀形核，又称异质形核或非自
发形核。
晶核的形成
均匀形核：当母相中各个区域出 现新相晶核的几率相同，晶核由 液相中的一些原子团直接形成， 不受杂质粒子或外来表面的影响 ，这种形核叫均匀形核，又称均 质形核或自发形核
此模型假定晶体是理想完整的，并且界面 在原子层次上没有凹凸不平的现象，固相 与流体相之间是突变的，这显然是一种非 常简单的理想化界面，与实际晶体生长情 况往往有很大的差距
实际上晶体在生长过程中，真正理想的 晶体生长条件是不存在的，总会不同程度 的受到复杂外界 条件的影响，而不能严格 地按照理想发育。
晶体长大的动力学模型
完整突变光滑面模型
层生长理论(Kossel W., 1927)：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。
晶体。
夏威夷火山
火山口生长的硫(S)晶体
2. 由液相转变为固相：
1.从熔体中结晶,Βιβλιοθήκη Baidu熔体过冷却时发生结晶现象 ，出现晶体；
2.从溶液中结晶,即溶液达到过饱和时，析出晶 体；
3.水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结 晶出来；通过化学反应生成难溶物质。
天然盐湖卤水蒸发
珍珠岩
3．由固相变为固相：
气相中的均匀成核
晶胚有两种发展趋势： 1、继续长大，形成稳定的晶核； 2、重新拆散，分开为单个的分子
。
液相中的均匀成核
晶体熔化后的液态结构是长程无 序的，但在短程范围内却存在着 不稳定的接近于有序的原子集团 ，它们此消彼长，出现结构起伏 或叫相起伏。
液相中的均匀成核
当温度降到结晶温度时，这些原子 集团就可能成为均匀形核的“胚芽” ，称为晶胚；其原子呈晶态的规则 排列，这就是晶核。
半导体材料第4讲-晶体生长
第三章 晶体生长
制造半导体器件的材料，绝大部分 是单晶体，包括体单晶和薄膜单晶 ，因此，晶体生长问题对于半导体 材料研制，是一个极为重要的问题 。
本章主要内容：
1、晶体生长的基本理论
2、熔体中生长单晶的主要规律
3、单晶的生长技术
晶体生长理论基础
晶体的形成方式： 晶体是在物相转变的情况下形成的
从图上直接说 明气-固相、 固-液相转变 的条件。
晶体形成的热力学条件
从图可直接看出： 气-固相转变条件：
温度不变，物质的分压 大于其饱和蒸汽压。 压力不变，物质的温度 低于其凝华点。
晶体形成的热力学条件
从可直接看出： 固-液相转变的条件：
对熔体，压力不变， 物质的温度低于其熔点 不能看出的条件： 液-固相，对溶液，物质 的浓度大于其溶解度。
。物相有三种，即气相、液相和固相 。 由气相、液相转变成固相可形成晶体 ，固相之间也可以直接产生转变。 晶体生长方式分三大类： 固相生长 液相生长，包括溶液生长和熔体生长
天然晶体的生长
1．由气相转变为固相：
从气相转变为固相的条件是要有足够 低的蒸气压。在火山口附近常由火山喷 气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪 花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的
晶体生长 的一般过程是先生成晶核，而后再长大 。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； ③生长阶段。
关于晶体生长的有两个理论：1.层生长理 论；2.螺旋生长理论。
当晶体生长不受外界任何因素的影响时， 晶体将长成理想晶体，它的内部结构严格 的服从空间格子规律，外形应为规则的几 何多面体，面平、棱直，同一单形的晶面 同形长大。
如图：
K为曲折面，有三角 面凹入角，是最有力 的生长部位；
S是阶梯面，具有二 面凹入角的位置；
A是最不利于生长的 部位。
•所以晶体在理想情况下生长时，先长一条行列 ，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。晶面是平行向外推移而生 长的。
层生长理论的局限： 按层生长理论，晶体在气相或在溶液中
生长时，过饱和度要达到25%以才能生 长，而且生长不一定会连续 实际上，某些生长体系，过饱和度仅为 2%时，晶体就能顺利生长
晶核的形成
非均匀形核：若新相优先在母相 某些区域中存在的异质处形核， 即依附于液相中的杂质或外来表 面形核，则称为非均匀形核。又 称异质形核或非自发形核
气相中的均匀成核
在气-固相体系中，气体分子不停的做无 规则的运动，
能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种 碰撞类似于弹性碰撞，
而某些能量低的分子，可能在碰撞后就 连接在一起，形成一些几个分子(多为2个) 组成的“小集团”，称为“晶胚”。
4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直 于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延 展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；
5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速 冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃 经过千百年以上的长 时间以后，可逐渐转变为结 晶质。
晶体形成的热力学条件
概括来说，
气－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过饱和蒸气压。
液－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过饱和度。
固－固相变过程时，要析出晶体，要 求有一定的过冷度。
Ø详见课本3－1－1
晶核的形成
研究发现，结晶过程是由形核与长大两 个过程所组成。
结晶时首先在液体中形成具有某一尺寸 （临界尺寸）的晶核，然后这些晶核不 断凝聚液体中的原子而长大。形核过程 和长大过程紧密联系但又有所区别。
1).同质多相转变， 某种晶体在热力学条件改变 的时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体 ；
2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成 的石灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗 粒方解石组成的大理岩；
细粒方解石
大理岩
3．由固相变为固相：
3). 固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成 为几种独立矿物；
晶核的形成
在母相中形成等于或超过一定临界大小 的新相晶核的过程称为“形核”
形成固态晶核有两种方法， 1) 均匀形核，又称均质形核或自发形
核。 2) 非均匀形核，又称异质形核或非自
发形核。
晶核的形成
均匀形核：当母相中各个区域出 现新相晶核的几率相同，晶核由 液相中的一些原子团直接形成， 不受杂质粒子或外来表面的影响 ，这种形核叫均匀形核，又称均 质形核或自发形核