单晶水平定向凝固法
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( Center fo r Com posite M ateria ls, H arbin Institute of T echnolo gy , H arbin 150001)
Abstract
Ho rizontal Br idgman metho d is the main metho d of manufacturing sing le cry stal of low dislocatio n,
E - mail: hanjc@ ho pe. hit. edu. cn
单晶水平定向凝固法 / 韩杰才等
在半导体材 料 的技 术 研究 方 面 国际 趋 势 日益 显 著 , 并 以 Br idg man - St ockbar ger 法为发 展的 分界 线 , 对 于 那些 重 要 的半 导体材料 , 根据 G aA s、 GaP 、 InP 和 CdT e 所需的物 理化学性 质 , 要求生长出的 晶体 满足 少 于 102 cm - 2 位错 密 度或 者根 本 就没 有。 Si 晶体通常的晶 体生长 方法是 Czo chr aski 法和 浮区 法 [ 5] 。 但是 , Czo chr aski 法具有很 大的温 梯度 且没 有合 适的 液封 面能 够覆盖液面。相对而言 , 水平定 向凝固法 中只有 大约 3/ 5 的熔 体和晶体与坩埚接触 , 因此熔体的上表面具有很大的自 由表面 , 生长出的晶体的位错密度就小。 相对而言 , 晶体定向凝固法 和 Czo chr alski 法是重要 的晶体 生长方法。但是对于许多材料 , Czochralski 法是不适合的 , 许多 材料的生长过程具有很高的 蒸气压 , 由此 单晶只 能生长 在密闭 容器管中 , 而定向凝固 法提供 了这些 材料的 生长优势。 图 2 所 示为定向生长法使用的不同类型 坩埚的 示意图 ( ( a) ~ ( d) 为垂 直生长类型 , ( e) 和 ( f) 为水平生长类型 ) 。
图 2 定向凝固法不同类型坩埚的示意图 [ 6] FiΒιβλιοθήκη Baidu. 2 Schemetic sketches of different types of crucibles used in Brigman crystal growth[ 6] 水平生长半导 体单晶最开 始可追溯 到 1955 年 , K ro eger 和 De No bel 在水平的三区加热炉中生长 CdT e 单晶。早 期水平定 向凝固的氧化物晶体的数据 很少 , 主要是 Bag dasar ov 等 [ 9, 11~ 13] 在相关的文章及专利 中提及。通 过提拉 法 ( Czo chr alski 法 ) 、 焰 熔法等方法成功获得了 A l2 O3 和 Y A G, 为了 有效地 挥发杂 质 , 并采用技术控制炉腔温度分布。 Bag dasar ov 在专 利中描述了采 用贵金属的料 舟高 温 熔融 A l2 O 3 和 Y A G 定 向 凝固 的 制 备方 法。 水平定向凝固法不只是 一项琐 碎的技术 , 相 对于垂直 定向 凝固 , 晶 体更难以生 长 , 特 别是制备晶 体生长的 料舟 , 调节和控 制温度曲线方面也特别 困难。另外 , 晶体 横截面 在形状 上为梯 形或半圆形 , 因此在制作过程中更难以掌握 。 水平定向凝固 法生 长 CdZnT e, 相对 于垂 直定 向凝 固 法来 说 , 可以 生长出更高 产量的单 晶基片 , 且具有较 低的位错 密度。 No bel 在 1959 年采用水平定向凝固 单晶炉生长 CdT e 作为主要 的研究并首次发表。随着对生长过程中实验和物理输运现象认 识的提高 , 总结出平固液界面是此种晶体生长 的成功范例 [ 3] 。 现今的半导体工业需要 高质量 的单晶材 料 , 诸如为了 加工 芯片 GaA s 、 G e、 Si, 使半导体晶体的位错密度降到最低是非常重 要的 , Jor dan 等 认为 在 晶 体内 有 超 量 的热 应 力 , 造成 了 位 错。 Greg or y L . Y ong 等观察到在熔点和单晶 炉的冷 区之间 的温度
and its advantag es and disadv antag es ar e r eview ed. Its character istics, temperatur e distr ibutio n and numer ical simulat ion are also repor ted.
Key words
H o rizontal Bridg man metho d, sing le cr ystal g r owt h, numer ical simulat ion imo v 也对该技术 做了 许多工 作。 1928 年 , Ka pit za 首先 应用 水 平定向单晶炉系统采 用了定向凝固法对单晶 Bi 进 行生长 , 直到 20 世纪 50 年代 , 才对金属 的定向凝固进行研究 , 如 Al 、 Ag、 A u、 Bi、 Cd 、 Cu 。在这期间 , 这项技术的发展主要是由 Chalmers 完成 的 , 水平定向单晶炉示意图如图 1 所示 , 水平定向凝固 法 ( Ho ri zontal Br idgman metho d, HB) 利用可移动加热炉和固定坩埚 , 经 常 被 称 为 Chalmers 法 [ 5, 6] , 开 始 主 要 用 来 生 长 高 掺 杂 硅 的 G aAs, 这种系统可以防止易挥发成分的挥发。 垂直定向法 和水 平定向凝固法是相对 容易生长单晶 CdT e 和 CdZnT e 的方法 [ 3] 。 近年来 , H. H ermon 采用垂直高压定向 凝固法 ( V HP B) 、 垂 直定 向凝固法 ( V B) 、 水平 定向凝 固法 ( H B) 和气 相法生 长了 Cd1- xZn x T e 晶体 , 并对晶体的均匀性和 高剂量 的 X 射线 辐照的 敏感 性等性能进 行了 深入的 研究 [ 7] 。 H iroaki M atsushita 采 用可 控 的 Se 蒸气压力下水平定向凝固法生长了 CuI nSe2 晶体 [ 8] 。
11
差与晶体的超量应力 成正比[ 14] 。 水平定向生长技 术已经成 功应用 于晶体生 长技术 , 例 如半 导体材料 CdZnT e、 GaA s 、 氧化 物 BGO ( Bi4 Ge3 O12 ) 、 Y AG 及 蓝 宝石 [ 15] 。近年来 , U . N . Ro y 采用水平定向凝固的技术 , 生长出 高质 量的无 裂纹 的 Ag GaT e2 单晶 体 [ 16] ; A tsushi Shimizu 采 用 可控的磷蒸气压下水 平定向 凝固法 生长了 InP 晶体 , 并对 熔体 成分和晶体缺陷的关 系进行了研究 [ 17] 。
[ 3]
图1 Fig. 1
水平定向生长单晶炉示意图 [ 3]
Horizontal Bridgman furnace based on the TI - JMEI crystal growth furnace[ 3]
水平定向凝固法 也称为 H or izo nt al dir ect ional so lidificat ion ( HD S) [ 9] , 有 时也 称作 料舟 法 ( Boat method) [ 10] 。 许多 国家 如 俄罗斯、 韩国、 亚美尼亚等已经 产业化采用此方法生产晶体。
[ 6]
图 3 晶体中的热 流传导 Fig. 3 Heat transportation in single crystal 水平定向凝固法 的晶体凝固是通过缓慢冷却坩埚或料舟中 的熔体。冷却方式可以 2 种形式进行 : ( 1) 移动坩埚或料舟 ; ( 2) 通过对多区加热炉的 加热区调节来移动温梯度。 水平定向凝固 法相 对于 Czo chr alski 法有 以下 优势 : ( 1) 由 于没有旋转 , 旋转条纹就可消除 ; ( 2) 整个生长过程在炉膛内中 , 晶体不直接暴露于空 气对流的环境中 ; ( 3) 晶体的尺寸和横界面 形状直接由坩埚的外 形确定 , 从籽晶 确定的 方向开 始凝固 且具 有优先的生长方向 能够用 来生长晶 体。因此 , 水平 定向凝 固法 是非常吸引人的生长 高质量晶体的一种方法 [ 18] 。 著 名 的 水 平 区 熔 法 ( Ho rizo ntal zo ne - melt ing method, H ZM ) 与水平定向凝固法类似 , 主要用于 氧化物高 温熔体生长 , 水平区熔法生长 Nd 3+ Y AG 晶体的主要缺点是难以获得 晶体 完整性 , 因此这种方法晶 体生长 是在密 闭大设 备中进行。 生长 出的晶体大概只有 5% ~ 7% ( w t) 最 后被 用来制 作激 光棒 或板 料。水平区熔法最大的特点是 料舟中的原 料在试验过 程中呈 3 种状态 : 凝固的晶体、 熔融的晶 体和初始多晶原料 [ 18] 。 水平定 向凝 固法 是 Bridgman - stockba rger 法 的改 进 , 在 真 空中 ( 10 - 3 Pa) 或在分压的气氛 中可用 来生长石 榴石晶 体 , 生长 出一种制备无裂纹 平板的 单晶体 , 适合 于宝石 级材料。此 方法 附加的优势是设备简 化和 M o 坩埚 应用 , 比 I r 坩埚成本 低。水 平定向凝固法的缺点 是 , 晶体的 底部与 M o 坩埚 接触 引起 晶体 的污染 , 并且由于接触产生残余应力。因此 , 与容器接触的部分
0 前言
制备晶体常用的方法有溶 液生长 ( 常 温溶液 生长和 高温溶 液生长 ) 、 气相生长、 固 相生长 和熔融 生长 [ 1] 。晶体 生长又 可分 为保守的晶体生 长和 非保 守的 晶体 生长。 对于 保守 的晶 体生 长 , T hurmo nd 总结 到 : 除 去结 晶作 用外 , 既没 有原 料加入 固相 和液相中 , 也没有原料 从固相 或液相 中移走。在 正常凝 固过程 中 , 当结 晶开始时 , 全部的 原料都熔化 成熔体 , 固体是 通过过冷 熔体中一个特定表面上的凝固而生成 [ 2] 。 作为晶体生长法的一大分支 熔融法 , 与其它方 法相比 , 熔体生长具有 生长快、 晶体的 纯度高和性 好完整等 优点 , 因此 , 对于晶体生长者来说熔体生长方法是制备半导体及相关材料最 吸引人的方法。例如 , 为 了获得 高纯的、 低位 错的晶 体 , 溶 液蒸 发法生长晶体速率慢至 1mm/ d, 而熔体生长 方法生长 晶体速率 达到 1mm/ h 、 1cm/ h 甚至更快 。 熔体生长晶体的 研究 经历 了很 长的 历史 , 只是 在 20 世纪 50~ 80 年代 , 由于现代科学技术 发展的需要 使得熔体生 长工艺 和科学逐步完善起来。各种材料的单晶已被广泛地应用于电子 和光学工业 , 由于很多单晶材料能从熔体中结晶出来 , 因此定向 凝固生长法仍是一种长期制备单晶的主要方法。 P. W . Bridg man 在 1925 年的论文中提出了坩埚 移动法 , D. C. Stockbar ger 对这种方 法的 发展做 了重 要的 推动 作用。 1936 年 Stockbar ger 对炉体的设计进行了较大改动并发表论文 , 并在 1949 年进一步完善。此方法设计成由 2 个分开的加 热炉 , 保持 高于和低于生长晶体熔点温 度 , 这 个特点 具有非 加热的 绝热区 或梯度温区 , 炉内的温度分布容易控制 , 这种传统的垂直生长的 方法叫做 Br idgman - Stockba rger metho d[ 4] 。 T ammann 和 O br e * 国家 十五 预研计划 ( 41312040401) 韩杰才 : 男 , 1966 年生 , 教授 , 博导 T el: 0451 - 86412512
定向凝固法的特点 , 温度分布 , 以及水平定向凝固法的数字模拟的方面的工作 。 关键词 水平定向凝固法 单晶生长 数字模拟 中图分类号 : T B332 文献标识码 : 666. 3
Single Crystal Horizontal Bridgman Method
H A N Jiecai, L I Changqing, ZH A NG M ingfu, ZUO H ongbo, M ENG Song he, YA O T ai
1 特点
熔体生长的目的是为了获 得高质量的单晶体 , 因此 , 首先要 在熔体中引入籽晶形成单晶核 。只有晶 核附近熔体的温度低于 凝固点时 , 晶体才 能继 续生 长 , 生长 的界 面必 须处 于过 冷的 状 态。为了避免出现新的 晶核和 避免界 面的不 稳定性 , 过冷 区必 须集中于界面狭小的 范围内 , 而熔体 的其余 部分则 处于过 热状 态。如图 3, 结晶 释放出的潜热不可能通 过熔体导走 , 必须 通过 生长的晶体导走。随着界面向 着熔体发展 , 在生长过程中 , 晶体 和熔体的成分保持 恒定 , 熔点也 不变。熔体 生长方 法是在 晶体 生长时 , 全部的材料 均处 于熔 态 ( 引 入籽 晶除 外 ) , 在生 长过 程 中 , 材料体系由晶体和熔体两部分所组成 , 生长时不向熔体添加 材料 , 而是以晶体的长大和熔体的逐减而告终 [ 4] 。
10
材料导报
2006 年 7 月第 20 卷第 7 期
单晶水平定向凝固法*
韩杰才, 李长青, 张明福, 左洪波, 孟松鹤, 姚
( 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 , 哈尔滨 150001) 摘要 水平定向凝固法是制备低位错单晶体的重要方法 , 论述了水平定向凝固法的优点和缺点 , 并报道了水平
泰
Abstract
Ho rizontal Br idgman metho d is the main metho d of manufacturing sing le cry stal of low dislocatio n,
E - mail: hanjc@ ho pe. hit. edu. cn
单晶水平定向凝固法 / 韩杰才等
在半导体材 料 的技 术 研究 方 面 国际 趋 势 日益 显 著 , 并 以 Br idg man - St ockbar ger 法为发 展的 分界 线 , 对 于 那些 重 要 的半 导体材料 , 根据 G aA s、 GaP 、 InP 和 CdT e 所需的物 理化学性 质 , 要求生长出的 晶体 满足 少 于 102 cm - 2 位错 密 度或 者根 本 就没 有。 Si 晶体通常的晶 体生长 方法是 Czo chr aski 法和 浮区 法 [ 5] 。 但是 , Czo chr aski 法具有很 大的温 梯度 且没 有合 适的 液封 面能 够覆盖液面。相对而言 , 水平定 向凝固法 中只有 大约 3/ 5 的熔 体和晶体与坩埚接触 , 因此熔体的上表面具有很大的自 由表面 , 生长出的晶体的位错密度就小。 相对而言 , 晶体定向凝固法 和 Czo chr alski 法是重要 的晶体 生长方法。但是对于许多材料 , Czochralski 法是不适合的 , 许多 材料的生长过程具有很高的 蒸气压 , 由此 单晶只 能生长 在密闭 容器管中 , 而定向凝固 法提供 了这些 材料的 生长优势。 图 2 所 示为定向生长法使用的不同类型 坩埚的 示意图 ( ( a) ~ ( d) 为垂 直生长类型 , ( e) 和 ( f) 为水平生长类型 ) 。
图 2 定向凝固法不同类型坩埚的示意图 [ 6] FiΒιβλιοθήκη Baidu. 2 Schemetic sketches of different types of crucibles used in Brigman crystal growth[ 6] 水平生长半导 体单晶最开 始可追溯 到 1955 年 , K ro eger 和 De No bel 在水平的三区加热炉中生长 CdT e 单晶。早 期水平定 向凝固的氧化物晶体的数据 很少 , 主要是 Bag dasar ov 等 [ 9, 11~ 13] 在相关的文章及专利 中提及。通 过提拉 法 ( Czo chr alski 法 ) 、 焰 熔法等方法成功获得了 A l2 O3 和 Y A G, 为了 有效地 挥发杂 质 , 并采用技术控制炉腔温度分布。 Bag dasar ov 在专 利中描述了采 用贵金属的料 舟高 温 熔融 A l2 O 3 和 Y A G 定 向 凝固 的 制 备方 法。 水平定向凝固法不只是 一项琐 碎的技术 , 相 对于垂直 定向 凝固 , 晶 体更难以生 长 , 特 别是制备晶 体生长的 料舟 , 调节和控 制温度曲线方面也特别 困难。另外 , 晶体 横截面 在形状 上为梯 形或半圆形 , 因此在制作过程中更难以掌握 。 水平定向凝固 法生 长 CdZnT e, 相对 于垂 直定 向凝 固 法来 说 , 可以 生长出更高 产量的单 晶基片 , 且具有较 低的位错 密度。 No bel 在 1959 年采用水平定向凝固 单晶炉生长 CdT e 作为主要 的研究并首次发表。随着对生长过程中实验和物理输运现象认 识的提高 , 总结出平固液界面是此种晶体生长 的成功范例 [ 3] 。 现今的半导体工业需要 高质量 的单晶材 料 , 诸如为了 加工 芯片 GaA s 、 G e、 Si, 使半导体晶体的位错密度降到最低是非常重 要的 , Jor dan 等 认为 在 晶 体内 有 超 量 的热 应 力 , 造成 了 位 错。 Greg or y L . Y ong 等观察到在熔点和单晶 炉的冷 区之间 的温度
and its advantag es and disadv antag es ar e r eview ed. Its character istics, temperatur e distr ibutio n and numer ical simulat ion are also repor ted.
Key words
H o rizontal Bridg man metho d, sing le cr ystal g r owt h, numer ical simulat ion imo v 也对该技术 做了 许多工 作。 1928 年 , Ka pit za 首先 应用 水 平定向单晶炉系统采 用了定向凝固法对单晶 Bi 进 行生长 , 直到 20 世纪 50 年代 , 才对金属 的定向凝固进行研究 , 如 Al 、 Ag、 A u、 Bi、 Cd 、 Cu 。在这期间 , 这项技术的发展主要是由 Chalmers 完成 的 , 水平定向单晶炉示意图如图 1 所示 , 水平定向凝固 法 ( Ho ri zontal Br idgman metho d, HB) 利用可移动加热炉和固定坩埚 , 经 常 被 称 为 Chalmers 法 [ 5, 6] , 开 始 主 要 用 来 生 长 高 掺 杂 硅 的 G aAs, 这种系统可以防止易挥发成分的挥发。 垂直定向法 和水 平定向凝固法是相对 容易生长单晶 CdT e 和 CdZnT e 的方法 [ 3] 。 近年来 , H. H ermon 采用垂直高压定向 凝固法 ( V HP B) 、 垂 直定 向凝固法 ( V B) 、 水平 定向凝 固法 ( H B) 和气 相法生 长了 Cd1- xZn x T e 晶体 , 并对晶体的均匀性和 高剂量 的 X 射线 辐照的 敏感 性等性能进 行了 深入的 研究 [ 7] 。 H iroaki M atsushita 采 用可 控 的 Se 蒸气压力下水平定向凝固法生长了 CuI nSe2 晶体 [ 8] 。
11
差与晶体的超量应力 成正比[ 14] 。 水平定向生长技 术已经成 功应用 于晶体生 长技术 , 例 如半 导体材料 CdZnT e、 GaA s 、 氧化 物 BGO ( Bi4 Ge3 O12 ) 、 Y AG 及 蓝 宝石 [ 15] 。近年来 , U . N . Ro y 采用水平定向凝固的技术 , 生长出 高质 量的无 裂纹 的 Ag GaT e2 单晶 体 [ 16] ; A tsushi Shimizu 采 用 可控的磷蒸气压下水 平定向 凝固法 生长了 InP 晶体 , 并对 熔体 成分和晶体缺陷的关 系进行了研究 [ 17] 。
[ 3]
图1 Fig. 1
水平定向生长单晶炉示意图 [ 3]
Horizontal Bridgman furnace based on the TI - JMEI crystal growth furnace[ 3]
水平定向凝固法 也称为 H or izo nt al dir ect ional so lidificat ion ( HD S) [ 9] , 有 时也 称作 料舟 法 ( Boat method) [ 10] 。 许多 国家 如 俄罗斯、 韩国、 亚美尼亚等已经 产业化采用此方法生产晶体。
[ 6]
图 3 晶体中的热 流传导 Fig. 3 Heat transportation in single crystal 水平定向凝固法 的晶体凝固是通过缓慢冷却坩埚或料舟中 的熔体。冷却方式可以 2 种形式进行 : ( 1) 移动坩埚或料舟 ; ( 2) 通过对多区加热炉的 加热区调节来移动温梯度。 水平定向凝固 法相 对于 Czo chr alski 法有 以下 优势 : ( 1) 由 于没有旋转 , 旋转条纹就可消除 ; ( 2) 整个生长过程在炉膛内中 , 晶体不直接暴露于空 气对流的环境中 ; ( 3) 晶体的尺寸和横界面 形状直接由坩埚的外 形确定 , 从籽晶 确定的 方向开 始凝固 且具 有优先的生长方向 能够用 来生长晶 体。因此 , 水平 定向凝 固法 是非常吸引人的生长 高质量晶体的一种方法 [ 18] 。 著 名 的 水 平 区 熔 法 ( Ho rizo ntal zo ne - melt ing method, H ZM ) 与水平定向凝固法类似 , 主要用于 氧化物高 温熔体生长 , 水平区熔法生长 Nd 3+ Y AG 晶体的主要缺点是难以获得 晶体 完整性 , 因此这种方法晶 体生长 是在密 闭大设 备中进行。 生长 出的晶体大概只有 5% ~ 7% ( w t) 最 后被 用来制 作激 光棒 或板 料。水平区熔法最大的特点是 料舟中的原 料在试验过 程中呈 3 种状态 : 凝固的晶体、 熔融的晶 体和初始多晶原料 [ 18] 。 水平定 向凝 固法 是 Bridgman - stockba rger 法 的改 进 , 在 真 空中 ( 10 - 3 Pa) 或在分压的气氛 中可用 来生长石 榴石晶 体 , 生长 出一种制备无裂纹 平板的 单晶体 , 适合 于宝石 级材料。此 方法 附加的优势是设备简 化和 M o 坩埚 应用 , 比 I r 坩埚成本 低。水 平定向凝固法的缺点 是 , 晶体的 底部与 M o 坩埚 接触 引起 晶体 的污染 , 并且由于接触产生残余应力。因此 , 与容器接触的部分
0 前言
制备晶体常用的方法有溶 液生长 ( 常 温溶液 生长和 高温溶 液生长 ) 、 气相生长、 固 相生长 和熔融 生长 [ 1] 。晶体 生长又 可分 为保守的晶体生 长和 非保 守的 晶体 生长。 对于 保守 的晶 体生 长 , T hurmo nd 总结 到 : 除 去结 晶作 用外 , 既没 有原 料加入 固相 和液相中 , 也没有原料 从固相 或液相 中移走。在 正常凝 固过程 中 , 当结 晶开始时 , 全部的 原料都熔化 成熔体 , 固体是 通过过冷 熔体中一个特定表面上的凝固而生成 [ 2] 。 作为晶体生长法的一大分支 熔融法 , 与其它方 法相比 , 熔体生长具有 生长快、 晶体的 纯度高和性 好完整等 优点 , 因此 , 对于晶体生长者来说熔体生长方法是制备半导体及相关材料最 吸引人的方法。例如 , 为 了获得 高纯的、 低位 错的晶 体 , 溶 液蒸 发法生长晶体速率慢至 1mm/ d, 而熔体生长 方法生长 晶体速率 达到 1mm/ h 、 1cm/ h 甚至更快 。 熔体生长晶体的 研究 经历 了很 长的 历史 , 只是 在 20 世纪 50~ 80 年代 , 由于现代科学技术 发展的需要 使得熔体生 长工艺 和科学逐步完善起来。各种材料的单晶已被广泛地应用于电子 和光学工业 , 由于很多单晶材料能从熔体中结晶出来 , 因此定向 凝固生长法仍是一种长期制备单晶的主要方法。 P. W . Bridg man 在 1925 年的论文中提出了坩埚 移动法 , D. C. Stockbar ger 对这种方 法的 发展做 了重 要的 推动 作用。 1936 年 Stockbar ger 对炉体的设计进行了较大改动并发表论文 , 并在 1949 年进一步完善。此方法设计成由 2 个分开的加 热炉 , 保持 高于和低于生长晶体熔点温 度 , 这 个特点 具有非 加热的 绝热区 或梯度温区 , 炉内的温度分布容易控制 , 这种传统的垂直生长的 方法叫做 Br idgman - Stockba rger metho d[ 4] 。 T ammann 和 O br e * 国家 十五 预研计划 ( 41312040401) 韩杰才 : 男 , 1966 年生 , 教授 , 博导 T el: 0451 - 86412512
定向凝固法的特点 , 温度分布 , 以及水平定向凝固法的数字模拟的方面的工作 。 关键词 水平定向凝固法 单晶生长 数字模拟 中图分类号 : T B332 文献标识码 : 666. 3
Single Crystal Horizontal Bridgman Method
H A N Jiecai, L I Changqing, ZH A NG M ingfu, ZUO H ongbo, M ENG Song he, YA O T ai
1 特点
熔体生长的目的是为了获 得高质量的单晶体 , 因此 , 首先要 在熔体中引入籽晶形成单晶核 。只有晶 核附近熔体的温度低于 凝固点时 , 晶体才 能继 续生 长 , 生长 的界 面必 须处 于过 冷的 状 态。为了避免出现新的 晶核和 避免界 面的不 稳定性 , 过冷 区必 须集中于界面狭小的 范围内 , 而熔体 的其余 部分则 处于过 热状 态。如图 3, 结晶 释放出的潜热不可能通 过熔体导走 , 必须 通过 生长的晶体导走。随着界面向 着熔体发展 , 在生长过程中 , 晶体 和熔体的成分保持 恒定 , 熔点也 不变。熔体 生长方 法是在 晶体 生长时 , 全部的材料 均处 于熔 态 ( 引 入籽 晶除 外 ) , 在生 长过 程 中 , 材料体系由晶体和熔体两部分所组成 , 生长时不向熔体添加 材料 , 而是以晶体的长大和熔体的逐减而告终 [ 4] 。
10
材料导报
2006 年 7 月第 20 卷第 7 期
单晶水平定向凝固法*
韩杰才, 李长青, 张明福, 左洪波, 孟松鹤, 姚
( 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 , 哈尔滨 150001) 摘要 水平定向凝固法是制备低位错单晶体的重要方法 , 论述了水平定向凝固法的优点和缺点 , 并报道了水平
泰