晶体生长方法

1.1.5 热交换法Heat exchange method (HEM)

该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固。它

与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做

任何方向的移动。这是近年来生长大尺寸晶体的

又一发展。Schmid最初的生长是在一个梯度单

晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶。右图

所示的是这种方法的示意图。该梯度炉就是在真

空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换

器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在

热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置

于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底

面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被

加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。在这个过程中晶体生长的去的驱动力来自固—液界面上的温度梯度。通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。而晶体的热量可通过氦气的流量带走。因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。

这种方法的主要优点如下：

1）晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。

2）刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。

当然热交换法生长晶体的周期较长，例如，Schmid生长32cm直径的白宝石单晶约需一周左右的时间。

1.1.6水平结晶法Horizontal directional crystallization method（HDC）

其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。为了晶体品质及晶体生张结束后，方便取出晶体，坩埚应采用不沾其熔汤之材料所製，如石英、

氧化镁、氧化铝、氧化铍以及石墨等。

加热器可以使用电阻炉，也可使用高

频炉。用此方法生长单晶，设备简单，

又可得到纯度很高和杂质分布十分

均匀的晶体。但此方法所生长的晶体

与坩埚接触，难免有坩埚成分之元素

析出到晶体，且不易制得完整性高的

大直径单晶。

1.1.7 导模法Edge-defined Film-fed Growth (EFG)

导模法生长晶体的原理如下图所示。将原料置于铱坩埚中，借由高调波感应加热器加热原料使之熔化，于坩埚中间放置一铱制模具，利用毛细作用让熔汤摊平于铱制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶种使之碰触到薄膜，于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结构的单晶。晶种再緩慢往上拉升，逐渐生长单晶。同时由坩埚中供应熔汤补充薄膜。

1.1.8坩埚下降法Vertical Gradient Freeze method（VGF）

坩埚下降法是从熔体中生长晶体的一种方法。将要结晶的材料放入特定形状的坩埚内，于结晶炉内加热熔化，然后使坩埚缓慢下降，通过温度梯度较大区域，结晶从坩埚低端开始，逐渐向上推移，进行晶体生长的方法，称之为坩埚下降法或梯度炉法，该方法示意图如图所示。

下降法的特点如下：

1）晶体的形状可以随坩埚的形状而

定，适合异型晶体的生长。

2）可加籽晶定向生长单晶，也可以自

然成核，依据几何淘汰的原理生长

单晶。

3）可采用全封闭或半封闭的坩埚进

行生长。防止熔体、掺质的挥发，造成组

分偏离和掺杂浓度下降，并且可以有害物

质对周围环境的污染。

4）适合大尺寸、多数量晶体的生长。一炉可以同时生长几根或几十根不同规格尺寸的晶体。

5）操作工艺比较简单，易于实现程序化，自动化。

下降法的主要缺点如下：

A）晶体生长全过程都在坩埚内进行，不便于直接观察晶体的生长情况。但生长熔点较低的有机晶体例外，可以采用便于观察的玻璃管炉或玻璃坩埚。

B）不同种类的晶体对坩埚材料的物理、化学性能有特定的要求。特别是坩埚与结晶材料的热膨胀系数的匹配要合适，不适于生长晶体时体积膨胀的晶体材料。

C）晶体在坩埚内结晶过程中易产生坩埚对晶体的压应力和寄生成核，所以对坩埚的内表面光洁度有较高的要求。

D）坩埚下降法生长晶体时，坩埚在下降过程中一般不旋转，因此生长出来的晶体均匀性往往不如提拉法生长出来的晶体好。