单晶材料的制备 PPT
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材料的制备方法课件
材料的制备方法
14
电弧蒸发装置
工作原理：
在电弧蒸发壮装置中，使 用欲蒸发的材料制成放电 的电极。在薄膜沉积时， 依靠调节真空室内电极间 距的方法来点燃电弧，而 瞬间的高温电弧将使电极 端部产生蒸发从而实现物 质的沉积。控制电弧的点 燃次数或时间就可以沉积 出一定厚度的薄膜
材料的制备方法
15
激光蒸发装置
无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足 够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生 高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。
通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热， 使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子发射使碰撞电离及 阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导 电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下 降，有强烈光辉。
材料的制备方法
21
射频溅射装置
特点： •交流电源的频率低于50kHz，通常使用频率区 间为5-30kHz •适用于各种金属和非金属材料的溅射
材料的制备方法
22
磁控溅射装置
溅射法的缺点： •溅射方法沉积薄膜的沉积速率较低 •溅射所需要的工作气压较高，否则电子的平均 自由程太长，放电现象不易维持
磁控溅射的特点：
按照物质的结晶状态来划分：
• 单晶态 • 多晶态 • 非晶态
按照物质的尺寸来划分：
• 体材料 • 薄膜材料
材料的制备方法
1
单晶材料的制备方法
• 直拉法 • 区熔法 • 布里奇曼法
材料的制备方法
2
多晶材料的制备方法
熔炼（合金） 电弧，感应线圈，激光束
烧结（氧化物）
硅单晶的制备课件PPT
详细描述
真空电弧熔炼法是一种利用高温电弧产生的高能量将硅原料熔化，并在真空条件下结晶 成单晶硅的方法。该方法可以在较低的温度和压力下进行，因此可以减少杂质的挥发和 引入。同时，真空电弧熔炼法还可以通过控制熔炼参数和结晶条件，提高单晶硅的纯度
和质量。
04
单晶硅的缺陷与杂质
单晶硅的缺陷
微缺陷
微缺陷是指晶体中微小的局部结构缺 陷，如空位、间隙原子等。这些缺陷 可能会影响单晶硅的电学和光学性能 。
05
单晶硅的应用领域
微电子领域
01
02
03
集成电路
硅单晶是集成电路的主要 材料，用于制造各种电子 器件，如微处理器、存储 器、逻辑门等。
微电子机械系统
硅单晶在微电子机械系统 （MEMS）中也有广泛应 用，如传感器、执行器等。
集成电路封装
硅单晶还可以用于集成电 路的封装，以提高其可靠 性和稳定性。
技术进步推动发展
单晶硅制备技术的不断进步和创 新，将为行业发展提供有力支撑， 推动单晶硅行业持续发展。
环保要求促进绿色
发展
随着环保要求的提高，绿色生产 成为单晶硅行业的发展趋势，将 促进企业加强环保投入和技术创 新，推动行业可持续发展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
其他领域
医学领域
硅单晶可以用于制造医疗设备，如医学成像设备、手 术器械等。
航空航天领域
硅单晶具有高强度、高硬度和耐高温等特点，因此可用 于制造航空航天器零部件。
06
单晶硅的未来发展与挑 战
单晶硅的发展趋势
高效能化
随着光伏、半导体等领域的快速 发展，对单晶硅材料性能要求越 来越高，高效能化成为发展趋势。
真空电弧熔炼法是一种利用高温电弧产生的高能量将硅原料熔化，并在真空条件下结晶 成单晶硅的方法。该方法可以在较低的温度和压力下进行，因此可以减少杂质的挥发和 引入。同时，真空电弧熔炼法还可以通过控制熔炼参数和结晶条件，提高单晶硅的纯度
和质量。
04
单晶硅的缺陷与杂质
单晶硅的缺陷
微缺陷
微缺陷是指晶体中微小的局部结构缺 陷，如空位、间隙原子等。这些缺陷 可能会影响单晶硅的电学和光学性能 。
05
单晶硅的应用领域
微电子领域
01
02
03
集成电路
硅单晶是集成电路的主要 材料，用于制造各种电子 器件，如微处理器、存储 器、逻辑门等。
微电子机械系统
硅单晶在微电子机械系统 （MEMS）中也有广泛应 用，如传感器、执行器等。
集成电路封装
硅单晶还可以用于集成电 路的封装，以提高其可靠 性和稳定性。
技术进步推动发展
单晶硅制备技术的不断进步和创 新，将为行业发展提供有力支撑， 推动单晶硅行业持续发展。
环保要求促进绿色
发展
随着环保要求的提高，绿色生产 成为单晶硅行业的发展趋势，将 促进企业加强环保投入和技术创 新，推动行业可持续发展。
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其他领域
医学领域
硅单晶可以用于制造医疗设备，如医学成像设备、手 术器械等。
航空航天领域
硅单晶具有高强度、高硬度和耐高温等特点，因此可用 于制造航空航天器零部件。
06
单晶硅的未来发展与挑 战
单晶硅的发展趋势
高效能化
随着光伏、半导体等领域的快速 发展，对单晶硅材料性能要求越 来越高，高效能化成为发展趋势。
硅加工工艺PPT课件
43
硅加工工艺
3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。
44
硅加工工艺
4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
58
硅加工工艺
6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对
准。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
59
硅加工工艺
由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面， 在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅 栅自对准。
13
硅加工工艺
离子注入的基本原理
14
硅加工工艺
离子注入设备
15
硅加工工艺
16
硅加工工艺
17
硅加工工艺
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
18
硅加工工艺
8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到 栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表 面生长另一层二氧化硅。
SiO2
多晶 硅
Si P-
SiO2
硅加工工艺
3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。
44
硅加工工艺
4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
58
硅加工工艺
6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对
准。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
59
硅加工工艺
由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面， 在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅 栅自对准。
13
硅加工工艺
离子注入的基本原理
14
硅加工工艺
离子注入设备
15
硅加工工艺
16
硅加工工艺
17
硅加工工艺
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
18
硅加工工艺
8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到 栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表 面生长另一层二氧化硅。
SiO2
多晶 硅
Si P-
SiO2
单晶材料的制备
2.初始退火后，在较低温度下回复退火，以 减少晶粒数目，并帮助晶粒在后期退火时更
3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s， 并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品 还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再通过一温度梯 度退火，然后加热至640℃，可得到约1m长的晶体。
4.采用交替施加应变和退火的方法，可得到宽 2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变缺乏以使新晶 粒成核，退火温度为650℃。
晶体生长的目的之一是制备成分准确，尽可能无杂质、无缺陷(包括 晶体缺陷)的单晶体。
晶体生长是一种技艺，也是一门正在迅速开展的科学。
国际上——结晶学 萌芽于17世纪 丹麦学者 晶面角守恒定律
晶体生长大局部工作是从20世纪初期才开始的 1902年 焰熔法 1905年 水热法 1917年 提拉法 1952年 Pfann 开展了区熔技术
四、烧结生长
烧结这个词通常仅用于非金属中晶粒的长大。 烧结就是加热压实的多晶体。
烧结时晶粒长大的推动力主要是由以下因素引 起的：
(1)剩余应变。 (2)取向效应。 (3)晶粒维度效应。〔即利用晶粒大小的差作为
实例：应变退火法制备铝单晶
背景
用应变退火法仔细制备的单晶缺陷较少。由于 铝的堆垛层错能和孪晶晶界能都高，应变退火 法有助于制备无孪生的晶体。取向差小的铝晶 体一般是用应变退火法制备的。
应变退火法制备铝单晶的工艺
1.先在550℃使纯度为99.6%的铝退火，以消 除应变的影响并提供大小符合要求的晶粒， 再使无应变的晶粒较细的铝变形以产生 1%~2%d 的应变，然后将温度从450℃升至 550 ℃ ，按25/d的速度退火。最后在600℃ 退火1h。〔假设初始的晶粒尺寸在0.1mm时， 效果特别好。〕
1、固—固生长方法
3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s， 并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品 还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再通过一温度梯 度退火，然后加热至640℃，可得到约1m长的晶体。
4.采用交替施加应变和退火的方法，可得到宽 2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变缺乏以使新晶 粒成核，退火温度为650℃。
晶体生长的目的之一是制备成分准确，尽可能无杂质、无缺陷(包括 晶体缺陷)的单晶体。
晶体生长是一种技艺，也是一门正在迅速开展的科学。
国际上——结晶学 萌芽于17世纪 丹麦学者 晶面角守恒定律
晶体生长大局部工作是从20世纪初期才开始的 1902年 焰熔法 1905年 水热法 1917年 提拉法 1952年 Pfann 开展了区熔技术
四、烧结生长
烧结这个词通常仅用于非金属中晶粒的长大。 烧结就是加热压实的多晶体。
烧结时晶粒长大的推动力主要是由以下因素引 起的：
(1)剩余应变。 (2)取向效应。 (3)晶粒维度效应。〔即利用晶粒大小的差作为
实例：应变退火法制备铝单晶
背景
用应变退火法仔细制备的单晶缺陷较少。由于 铝的堆垛层错能和孪晶晶界能都高，应变退火 法有助于制备无孪生的晶体。取向差小的铝晶 体一般是用应变退火法制备的。
应变退火法制备铝单晶的工艺
1.先在550℃使纯度为99.6%的铝退火，以消 除应变的影响并提供大小符合要求的晶粒， 再使无应变的晶粒较细的铝变形以产生 1%~2%d 的应变，然后将温度从450℃升至 550 ℃ ，按25/d的速度退火。最后在600℃ 退火1h。〔假设初始的晶粒尺寸在0.1mm时， 效果特别好。〕
1、固—固生长方法
单晶硅的制备_图文
单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率 随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征 半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其 导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素， 如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。
晶体硅的金刚石结构
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或 无定形硅，然后用直拉法（Czochralski 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切
除。
硅在水平区熔法上的两个主要的问 题：
1、硅在熔融状态下有很强的化学活性，几 乎没有不与其发生反应的容器，即使高纯 石英舟或坩埚，也要和熔融硅发生化学反 应，使单晶的纯度受到限制。因此，目前 不用水平区熔法制取纯度更高的单晶硅。
2、硼、磷的分凝系数接近 1 ，仅用区熔提 纯不能除去，这也一直是限制物理法提纯 硅材料的一个关键问题
硅的纯化
人工加热石英砂和碳 SiO2 + C →Si + CO2↑
电子级硅（EGS）
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称
AMD
处理器
单晶硅太阳能电池板
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展 ，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
晶体硅的金刚石结构
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或 无定形硅，然后用直拉法（Czochralski 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切
除。
硅在水平区熔法上的两个主要的问 题：
1、硅在熔融状态下有很强的化学活性，几 乎没有不与其发生反应的容器，即使高纯 石英舟或坩埚，也要和熔融硅发生化学反 应，使单晶的纯度受到限制。因此，目前 不用水平区熔法制取纯度更高的单晶硅。
2、硼、磷的分凝系数接近 1 ，仅用区熔提 纯不能除去，这也一直是限制物理法提纯 硅材料的一个关键问题
硅的纯化
人工加热石英砂和碳 SiO2 + C →Si + CO2↑
电子级硅（EGS）
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称
AMD
处理器
单晶硅太阳能电池板
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展 ，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
07-第七章单晶材料的制备
07-第七章单晶材料的制备7-1第七章单晶材料的制备§7.1 固相-固相平衡的晶体生长§7.1.1 结晶理论§7.1.2 应变退火生长单晶§7.1.3 烧结体生长晶体§7.2 液相-固相平衡的晶体生长§7.2.1 液相晶体生长理论§7.2.2 定向凝固法§7.2.3 提拉法§7.2.4 区域熔化技术7-2随着电子技术、激光技术和一些新型陶瓷材料的迅速发展，在很多场合下需要单晶材料（材料整体只有一个晶粒）。
如单晶硅、锗、砷化镓、红宝石、钇铁石榴石、石英单晶等。
单晶体以其在电、磁、光、声、热等方面的优异性能被广泛地应用于现代高科技产业，如熟悉的单晶硅材料在半导体工业上的应用。
单晶材料的制备关键是避免多余晶核的形成，保证唯一晶核的长大，因此，要求材料纯度高，以避免非均匀形核，过冷度低以防止形成其它晶核。
单晶体的生产方法有许多种，它们的理论基础是有关的相图及相变，以及形核长大理论，目前单晶制备已发展成为一种重要的专门技术。
按照单晶材料原子的来源，可以分为液相法、气相法和固相法，其中液相法应用较多，如单晶硅的制备。
7-3对天然矿物晶体生长的研究有助于了解矿物、岩石、地质体的形成及发展历史，并为矿物资源的开发和利用提供一些有益的启发性资料。
人工合成晶体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件，更重要的是能够提供现代科学技术所急需的晶体材料。
近年来人工合成晶体实验技术迅速发展，成功地合成了大量重要的晶体材料，如激光材料、半导体材料、磁性材料、人造宝石以及其它多种现代科技所要求的具有特种功能的晶体材料。
当前人工合成晶体已成为工业主要文柱的材料科学的一个重要组成部分。
人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多相的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等。
具体方法很多，下面简要介绍几种最常用的方法。
7-4§7.1 固相-固相平衡的晶体生长是在固态条件下，使异常晶粒不断长大吞并其它小晶粒而得到单晶的方法。
定向凝固与单晶材料制备
特征：均匀性、各向异性、自限性、对称性、最小内能和最大稳定性。
② 单晶的发展历程
• 天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） • 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压
电晶体
• 50年代 单晶Ge, Si 等 • 60年代 人造红宝石Cr3+:Al2O3 • 现代 功能晶体：人工合成和生长而成，能实现电、光、声、
• 金属浴的水平面保持在 凝固的固-液界面附近处
• 应用较多的是锡浴 • GL可达200 ℃/cm
较广泛使用的定向凝固装置示意图
（4）晶核的控制 定向柱晶铸件的主要缺陷：
• 柱晶方向发散 • 在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”
严重恶化定向铸件的性能。 “雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状 区”）内熔体的流动有关。
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在 前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据 • 凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL
1.4.1 熔体法晶体生长 1.4.2 常温溶液法晶体生长 1.4.3 高温溶液法晶体生长 1.4.4 其它生长法
1.4.1 熔体法晶体生长 1. 基本原理
晶体生长过程使自由能降低 晶体生长速度 f
f
1
cL
Kc
dT dz
C
K
m
dT dz
m
c — 晶体密度 L — 结晶潜热
Kc、KM — 晶体、熔体的热导率
mC0 (1 k0 ) (或 T1 T2 )
② 单晶的发展历程
• 天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） • 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压
电晶体
• 50年代 单晶Ge, Si 等 • 60年代 人造红宝石Cr3+:Al2O3 • 现代 功能晶体：人工合成和生长而成，能实现电、光、声、
• 金属浴的水平面保持在 凝固的固-液界面附近处
• 应用较多的是锡浴 • GL可达200 ℃/cm
较广泛使用的定向凝固装置示意图
（4）晶核的控制 定向柱晶铸件的主要缺陷：
• 柱晶方向发散 • 在铸件上出现不利取向的晶粒或等轴晶——“雀斑”
严重恶化定向铸件的性能。 “雀斑”的形成与凝固前沿液-固共存的两相区（“糊状 区”）内熔体的流动有关。
2.19 成分过冷区进一步加宽， 成分过冷的极大值大于熔体中 非均匀形核所需过冷，从而在 前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
• 凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度GL • 固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R • GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据 • 凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T1-T2）/DL
1.4.1 熔体法晶体生长 1.4.2 常温溶液法晶体生长 1.4.3 高温溶液法晶体生长 1.4.4 其它生长法
1.4.1 熔体法晶体生长 1. 基本原理
晶体生长过程使自由能降低 晶体生长速度 f
f
1
cL
Kc
dT dz
C
K
m
dT dz
m
c — 晶体密度 L — 结晶潜热
Kc、KM — 晶体、熔体的热导率
mC0 (1 k0 ) (或 T1 T2 )
单晶材料的制备
控制提拉速率
V越大，直径越小； V越小，直径越大； 但是由于难于控制，一般不调节提拉速率
5）晶体的极限生长速率
生长速度：
说明
V ( K S GS K LGL ) / L
GS :晶体内的温度梯度 GL：熔体内的温度梯度
A：Gs恒定，GL越小，V越大； B：GL＝0，Vmax=KSGS/ρL； C：如果GL<0，熔体过冷，生长速率更大，担难于控制； D：提高GS，提高生长速率，但是温度提高，导致位错和热 应力提高；
3）晶体生长过程能量平衡 A. 能量守恒
Q1+Q2=Q3 Q1：产生的焦耳热和释放的相变热； Q2：输入的热量； Q3：温度升高所需要的热量； 稳定态温度场，温度不随时间变化，则Q3=0, Q1=-Q2
Q1=Lm L:凝固潜热； M:单位时间生长的晶体质量
-Q2=QS-QL=AKSGS-AKLGL Lm＝QS-QL=AKSGS-AKLGL
g KT0 ln(c / c0 )
令 c / c0； 1； g KT0 ln(c / c0 ) KT0 f g / s KT0 / s
σ越大，推动 力越大
熔体生长系统中相变驱动力
h TS
h(T ) TS(T )
F:指向晶体，熔化、溶解、升华 指向溶液。结晶
气相生长系统中相变驱动力
( p0 ,T0 ) 0 (T0 ) RT ln p0 ( p ,T0 ) 0 (T0 ) RT ln p0
RT ln p / p0 N0g, R N0K
g KT0 ln( p / p0 )
增加，自由能减小，晶粒自发长大；
C.半径越小，胚团越稳定
3.衬底上凹角形核：
半导体第三讲下单晶硅生长技术课件
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效 应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000）， 不利于晶体生长。
ß 对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔 体内的传输特性进行比较后发现，随着勾 形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流 动减弱，并且紊流强度也相应降低。
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 对1000 ℃、1100℃退火后的掺氮直拉硅中 氧沉淀的尺寸分布进行的研究表明，随着 退火时间的延长，小尺寸的氧沉淀逐渐减 少，而大尺寸的氧沉淀逐渐增多。氮浓度 越高或退火温度越高, 氧沉淀的熟化过程进 行得越快。
ß 因此适当控制氧析出物的含量对制备性能 优良的单晶硅材料有重大意义
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 通过一定的工艺, 在硅片体内形成高密度的 氧沉淀, 而在硅片表面形成一定深度的无缺 陷洁净区，该区域将用于制造器件, 这就是 “内吸杂”工艺。
ß 如果氧浓度太低, 就没有 “内吸杂”作用, 反之如果氧浓度太高, 会使晶片在高温制程 中产生挠曲。
拉晶试验，结果发现平均 拉速可从0.6mm/min提高 到0.9mm/min，提升了 50%。
拉晶教程PPT课件
处理方法：降温停炉时，要将坩埚升至最高处，防止结晶时，坩埚 炸裂，胀破加热器
第20页/共23页
c. 突然停电、停水
1.瞬间停电（几秒），检查恢复停电前的工艺状态，并进行干预，使工艺恢 复正常，
2.停电时间较长，液面都快结晶，则应先关闭真空泵，并手动摇柄将坩埚 下降或转动晶升电机（注意方向），使单晶脱离液面，同时关闭氩气阀 （防止正压） 及时来电或者长时间不来电，视具体情况具体操作
处理方法：1.降低埚位（不得降过下限位），转动坩 埚，将挂边处转至热场中温 度较高的一
方（一般在两边电极的方位）
2.升高功率，让挂边处硅料迅速熔化
注意：防止“跳硅”
第19页/共23页
b. 坩埚裂缝
坩埚裂缝的具体情
况
1.熔料时发现埚裂，立即降温停炉
2..拉晶时发现埚裂，视裂纹是否深入液体情况
后果：烧坏部件，造成重大损失
直径计测值
+
直径设定值
P I D 计算
引上速度设定值 出力
2.在单晶等晶过程中具备直径控制 、拉晶速度控制的功能。本控制的 程序块图表如图2所示
引上速度平均值
+ -
引上速度设定值
P I D 计算
温度设定值出力
图2 单晶直径控制和拉速控制程序模块
第4页/共23页
2.2 拉晶工艺过程
图3 拉晶基本流程
B（硼） （铝镓铟） P（磷），Sb（锑），As（砷）
单晶在固化时出现掺杂剂的偏析现象，单晶头尾电阻率的变化趋势
降低比例视掺杂剂的分凝系数而定。（杂质浓度与电阻率反比）
B 0.8 P 0.35 d. 氧浓度
As 0.3
Sb 0.026
石英坩埚
硅溶液
第20页/共23页
c. 突然停电、停水
1.瞬间停电（几秒），检查恢复停电前的工艺状态，并进行干预，使工艺恢 复正常，
2.停电时间较长，液面都快结晶，则应先关闭真空泵，并手动摇柄将坩埚 下降或转动晶升电机（注意方向），使单晶脱离液面，同时关闭氩气阀 （防止正压） 及时来电或者长时间不来电，视具体情况具体操作
处理方法：1.降低埚位（不得降过下限位），转动坩 埚，将挂边处转至热场中温 度较高的一
方（一般在两边电极的方位）
2.升高功率，让挂边处硅料迅速熔化
注意：防止“跳硅”
第19页/共23页
b. 坩埚裂缝
坩埚裂缝的具体情
况
1.熔料时发现埚裂，立即降温停炉
2..拉晶时发现埚裂，视裂纹是否深入液体情况
后果：烧坏部件，造成重大损失
直径计测值
+
直径设定值
P I D 计算
引上速度设定值 出力
2.在单晶等晶过程中具备直径控制 、拉晶速度控制的功能。本控制的 程序块图表如图2所示
引上速度平均值
+ -
引上速度设定值
P I D 计算
温度设定值出力
图2 单晶直径控制和拉速控制程序模块
第4页/共23页
2.2 拉晶工艺过程
图3 拉晶基本流程
B（硼） （铝镓铟） P（磷），Sb（锑），As（砷）
单晶在固化时出现掺杂剂的偏析现象，单晶头尾电阻率的变化趋势
降低比例视掺杂剂的分凝系数而定。（杂质浓度与电阻率反比）
B 0.8 P 0.35 d. 氧浓度
As 0.3
Sb 0.026
石英坩埚
硅溶液
第四章 单晶材料的制备
• （2）在该过程中，原子（或分子）随机堆积的阵列直
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
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
太阳能单晶的制备及操作方法
7/30/2023
24
3.2.3 高纯氩气（见下图）
7/30/2023
25
3.2.4 籽晶（见下图）
7/30/2023
26
• 3.2.5 掺杂剂
• 3.2.6 辅助工具：用于装拆炉取晶棒的不 锈钢手推车和装拆热场用的专用工具。
7/30/2023
27
3.2.7 劳防用品（见下图）
一次性洁净塑料手套 套
7/30/2023
15
3.1.4 复拉料（见下图）
7/30/2023
16
3.1.5 边皮料（见下图）
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17
• 3.1.6 废电路片（见下图） • 3.1.7 太阳能电池废片（见下图） • 3.1.8 集成电路废片（见下图）
7/30/2023
18
3.2 辅助材料
• 3.2.1 石英坩埚（见下图）
• 5.3.1煅烧分新老石墨二种：
• 5.3.1.1 新石墨的煅烧无确定的时间，应 经过多次煅烧经确认符合使用要求后方 可投入正常使用。煅烧的具体方法，参 照专门制定的有关煅烧的操作规程。
7/30/2023
43
• 5.3.1.2 老石墨因已使用过，只因耽搁时 间过长，只需将所含水分烧尽即可，一 般只需煅烧1-2小时即可。
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53
• 5.4.1.14 装料时如发现手套破裂应及时更 换。
• 5.4.1.15 装料时一旦有料掉在外面不能再 放入埚内，以免造成沾污。
• 5.4.1.16 料装完后用吸尘器吸除装料时散 落在外面的硅屑与杂物。
• 5.4.1.17 将埚位降至最低熔料位置。
• 5.4.1.18 用丝光毛巾或无尘纸蘸少许无水 乙醇擦净炉盖，炉盖上部及隔离阀的密 封处，以保证下一步的抽空顺利进行。
单晶硅材料ppt课件
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如 硅材料熔化时体积缩小，固化是体积增大。硅材 料的硬度大，但脆性大，易破碎；作为脆性材料， 硅材料的抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温 下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅 材料由脆性材料转变为塑性材料，早外加应力的 作用下，产生滑移位错，形成塑性变形。
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
单晶硅是硅材料的重要形式，包括区熔单晶 硅和直拉单晶硅。
石英砂(SiO2)
焦炭反应
金属级硅（99%左右）
三 硅氯 烷氢 热硅 分氢 解还 法原
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
*迁移率是指载流子在单位电场作
用下的平均漂移速度，即载流子 在电场作用下运动速度的量度， 运动的越快，迁移率越大；运动 得慢，迁移率下。
*迁移率和载流子浓度一起决定
4.1 硅的基本性质 4.2 太阳电池用硅材料 4.3 高纯多晶硅的制备 4.4 太阳能级多晶硅的制备 4.5 区熔单晶硅 4.6 直拉单晶硅 4.7 硅晶片加工
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
每个硅原子外层的4个未配对的电子，分别与 相邻的硅原子的一个未配对的自旋方向相反的 价电子组成共价键，共价键的键角是109°28′， 其结构如图4.2所示。
单晶材料的制备
பைடு நூலகம்
• （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
35
(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。
• （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
35
(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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枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速 。由 于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平 行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。 它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰 掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。
热流方向
综上所述，铸件中三个晶区的形成是相 互联系、彼此制约的。稳定凝固壳层的产生 决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而 阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等 轴晶区的形成。
定向凝固是制备单晶最有效的方法。
1. 传统定向凝固技术
传统定向 凝固技术
发热剂法
功率 降低法
快速 凝固法
（1）发热剂法
发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是 最原始的一种。
将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并 立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方 喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一 个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。
过冷度
过冷现象
（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理 论结晶温度的现象。
（ 2 ） 过 冷 度 ： 金 属 材 料 的 理 论 结 晶 温 度 (Tm) 与其实际结晶温度To之差 △T=Tm-To
注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在 一定的过冷度下进行。
柱状晶区的形成
紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就 直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长， 发展成由外向内生长的柱状晶区。
图 晶体生长选晶示意图
特定结构的坩埚
晶体各向异性决定了晶体不同取向 的晶体生长速率不同，生长过程中 必然形成晶体的竞争生长。
图 晶体生长的几何淘汰示意图
几何淘汰规律图解
若有许多呈不同取 向的晶核在一个基底上 生长，当晶体生长到一 定阶段后，就只有那些 生长速度最大方向与基 底平面垂直的晶体才能 继续生长。这就是所谓 的“几何淘汰律”。
过冷度
热流方向
几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶
1.柱状晶生长
柱状晶通常采用定向凝固工艺，使晶体有 控制的向着与热流方向相反的方向生长获得。
这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的 铸件上。
柱状晶生长示意图
柱状树枝晶生长示意图
获得定向凝固柱状晶的基本条件是：
合金凝固时热流方向必须是定向的。 在固—液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝 固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使径向 横向生长受到限制。 保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长 出横向新晶体。
2.单晶生长
定向凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到 高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单 晶核：可引入籽晶成自发形核，而在晶核和熔体界 面不断生长出单晶体。
（2）功率降低法（PD法）
铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，其 底部采用水冷激冷板。当模壳内建立起所要求的温度场时， 铸入过热的合金液，切断下部电源，上部继续加热，通过调 节上部感应圈的功率，使之产生一个轴向的温度梯度，以此 控制晶体生长。
优点
可以根据预定的冷却曲线来控制凝固速率，可以 获得较大的冷却速率。
(2)柱状晶带，特点 是晶粒都是垂直于型 壁排列，且平行于热 流方向，在这个方向 上的晶轴长大尺寸远 比其它方向长。
(3)粗大等轴晶区， 位于铸锭中心区。
表面激冷区
表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的 细等轴晶。
根据传统理论，当液态金属浇入温度较 低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈 的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均 质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并 互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等 轴晶组织，称为“激冷晶”。
单晶材料的制备１ 固相-固来自平衡的晶体生长 ２ 液相-固相平衡的晶体生长 ３ 气相-固相平衡的晶体生长
2 液相-固相平衡的晶体生长
✓定向凝固法 ✓提拉法 ✓区域熔化技术 ✓水溶液生长法
定向凝固法
凝固
金属由液态转变为固态的过 程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列 的液态转变为原子规则排列
的晶体状态的过程。
定向凝固技术的设备：
①特定结构的坩埚； ②热梯度炉体； ③程序控温设备； ④坩埚传动设备。
热梯度炉体和程序控温设备
缺点
1、凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允 许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。
2、设备相对复杂，且能耗大，限制了该法的应用。
（3）快速凝固法（HRS）
快速凝固法是对功率降低法的进一步改进，是在借鉴 Brindgman晶体生长技术特点的基础上发展起来的。它与功 率降低法的主要区别是：铸型加热器始终被加热，凝固是 铸件与加热器相对移动。
故这种生长单晶的方法又称Bridgman—Stockbarger方 法，简称B—S方法。
定向凝固技术原理：
B-S方法的构思是在一个温度梯度场内生 长结晶，在单一固-液界面上成核。待结晶的 材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，使坩埚 下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚 上升。
定向凝固技术制备方法：
结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。 （2）描述结晶进程的两个参数
形核率：单位时间、单位体积液体中形 成的晶核数量。
长大速度：晶核生长过程中，液固界面 在垂直界面方向上单位时间内迁移的距 离。
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
典型铸锭形貌
(1)激冷带，位于铸 锭的最外层，由细小 等轴晶粒所组成。
在热区底部使用辐射挡板和水冷套，从而在挡板附近 产生较大的温度梯度。
主要特点：
铸型以一定速度从炉中一处，或者炉子以一定速度移 离铸件，并采用空冷方式。
定向凝固技术
1925年： 布里奇曼（Bridgman）提出通过控制过冷度定向凝固 以获得单晶的方法；
1949年： 斯托克巴格（Stockbarger）进一步发展了这种方法；
定向凝固技术的设备：
①特定结构的坩埚； ②热梯度炉体； ③程序控温设备； ④坩埚传动设备。
制作坩埚的材料
派拉克斯（Pyrex）玻璃、 外科尔（Vycor）玻璃、 石英玻璃、 氧化铝、 贵金属、 石墨材料
特定结构的坩埚
晶体生长过 程中通过合理设 计坩埚选晶段， 实现晶体竞争生 长，通过晶体淘 汰，形成高品种 单晶。
热流方向
综上所述，铸件中三个晶区的形成是相 互联系、彼此制约的。稳定凝固壳层的产生 决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而 阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等 轴晶区的形成。
定向凝固是制备单晶最有效的方法。
1. 传统定向凝固技术
传统定向 凝固技术
发热剂法
功率 降低法
快速 凝固法
（1）发热剂法
发热剂法是定向凝固技术发展的起始阶段，是 最原始的一种。
将铸型预热到一定温度后迅速放到激冷板上并 立即进行浇注，冒口上方覆盖发热剂，激冷板下方 喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一 个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。
过冷度
过冷现象
（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理 论结晶温度的现象。
（ 2 ） 过 冷 度 ： 金 属 材 料 的 理 论 结 晶 温 度 (Tm) 与其实际结晶温度To之差 △T=Tm-To
注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在 一定的过冷度下进行。
柱状晶区的形成
紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就 直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长， 发展成由外向内生长的柱状晶区。
图 晶体生长选晶示意图
特定结构的坩埚
晶体各向异性决定了晶体不同取向 的晶体生长速率不同，生长过程中 必然形成晶体的竞争生长。
图 晶体生长的几何淘汰示意图
几何淘汰规律图解
若有许多呈不同取 向的晶核在一个基底上 生长，当晶体生长到一 定阶段后，就只有那些 生长速度最大方向与基 底平面垂直的晶体才能 继续生长。这就是所谓 的“几何淘汰律”。
过冷度
热流方向
几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶
1.柱状晶生长
柱状晶通常采用定向凝固工艺，使晶体有 控制的向着与热流方向相反的方向生长获得。
这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的 铸件上。
柱状晶生长示意图
柱状树枝晶生长示意图
获得定向凝固柱状晶的基本条件是：
合金凝固时热流方向必须是定向的。 在固—液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝 固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使径向 横向生长受到限制。 保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长 出横向新晶体。
2.单晶生长
定向凝固是制备单晶最有效的方法。为了得到 高质量的单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单 晶核：可引入籽晶成自发形核，而在晶核和熔体界 面不断生长出单晶体。
（2）功率降低法（PD法）
铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动，其 底部采用水冷激冷板。当模壳内建立起所要求的温度场时， 铸入过热的合金液，切断下部电源，上部继续加热，通过调 节上部感应圈的功率，使之产生一个轴向的温度梯度，以此 控制晶体生长。
优点
可以根据预定的冷却曲线来控制凝固速率，可以 获得较大的冷却速率。
(2)柱状晶带，特点 是晶粒都是垂直于型 壁排列，且平行于热 流方向，在这个方向 上的晶轴长大尺寸远 比其它方向长。
(3)粗大等轴晶区， 位于铸锭中心区。
表面激冷区
表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的 细等轴晶。
根据传统理论，当液态金属浇入温度较 低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈 的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均 质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并 互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等 轴晶组织，称为“激冷晶”。
单晶材料的制备１ 固相-固来自平衡的晶体生长 ２ 液相-固相平衡的晶体生长 ３ 气相-固相平衡的晶体生长
2 液相-固相平衡的晶体生长
✓定向凝固法 ✓提拉法 ✓区域熔化技术 ✓水溶液生长法
定向凝固法
凝固
金属由液态转变为固态的过 程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列 的液态转变为原子规则排列
的晶体状态的过程。
定向凝固技术的设备：
①特定结构的坩埚； ②热梯度炉体； ③程序控温设备； ④坩埚传动设备。
热梯度炉体和程序控温设备
缺点
1、凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允 许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。
2、设备相对复杂，且能耗大，限制了该法的应用。
（3）快速凝固法（HRS）
快速凝固法是对功率降低法的进一步改进，是在借鉴 Brindgman晶体生长技术特点的基础上发展起来的。它与功 率降低法的主要区别是：铸型加热器始终被加热，凝固是 铸件与加热器相对移动。
故这种生长单晶的方法又称Bridgman—Stockbarger方 法，简称B—S方法。
定向凝固技术原理：
B-S方法的构思是在一个温度梯度场内生 长结晶，在单一固-液界面上成核。待结晶的 材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，使坩埚 下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚 上升。
定向凝固技术制备方法：
结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。 （2）描述结晶进程的两个参数
形核率：单位时间、单位体积液体中形 成的晶核数量。
长大速度：晶核生长过程中，液固界面 在垂直界面方向上单位时间内迁移的距 离。
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
典型铸锭形貌
(1)激冷带，位于铸 锭的最外层，由细小 等轴晶粒所组成。
在热区底部使用辐射挡板和水冷套，从而在挡板附近 产生较大的温度梯度。
主要特点：
铸型以一定速度从炉中一处，或者炉子以一定速度移 离铸件，并采用空冷方式。
定向凝固技术
1925年： 布里奇曼（Bridgman）提出通过控制过冷度定向凝固 以获得单晶的方法；
1949年： 斯托克巴格（Stockbarger）进一步发展了这种方法；
定向凝固技术的设备：
①特定结构的坩埚； ②热梯度炉体； ③程序控温设备； ④坩埚传动设备。
制作坩埚的材料
派拉克斯（Pyrex）玻璃、 外科尔（Vycor）玻璃、 石英玻璃、 氧化铝、 贵金属、 石墨材料
特定结构的坩埚
晶体生长过 程中通过合理设 计坩埚选晶段， 实现晶体竞争生 长，通过晶体淘 汰，形成高品种 单晶。