藍(lán)寶石晶體生長方法概論-課程小論-文庫吧
2024-12-24 10:45 本頁面
【正文】 碳酸鹽等晶體的制備與研究。上世紀(jì)六七十年代，經(jīng)前蘇聯(lián)的 Musatov改進(jìn)，將此方法應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶的制備。該方法生長的單晶，外型通常為梨形，晶體直徑可以生長到比坩鍋內(nèi)徑小 10～ 30mm的尺寸。其原理與 提拉 法 (Czochralski method)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種（ Seed Crystal，又稱籽晶棒）接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界 面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇，圖 6即為泡生法 (Kyropoulos method)的原理示意圖。 圖 6 泡生法 (Kyropoulos method)原理示意圖 泡生法是利用溫度控制來生長晶體，它與 提 拉 法最大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫度變化來生長，少了拉升及旋轉(zhuǎn)的干擾，比較好控制 過 程，并在拉晶頸的同時(shí)，調(diào)整加熱器功率，使熔融的原料達(dá)到最合適的長晶溫度范圍，讓生長速度達(dá)到最理想化，因而長出品質(zhì)最理想的藍(lán)寶 石單晶。 在晶體生長過程中，合理調(diào)節(jié)籽晶熱交換器的冷卻強(qiáng)度，謹(jǐn)慎操控維持功率下降速度是藍(lán)寶石單晶生長成敗的關(guān)鍵 [4]。 該方法 制備藍(lán)寶石的 主要特點(diǎn)： 5 1) 在整個(gè)晶體生長過程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)。這樣就可以精確控制它的冷卻速度，減小熱應(yīng)力； 2) 晶體生長時(shí)，固液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固液界面以前可被熔體減小以致消除； 3) 選用軟水作為熱交換器內(nèi)的工作流體，相對于利用氦氣作冷卻劑的熱交換法可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本； 4) 晶體生長過程中存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響。 提拉法 簡稱 CZ 法 [5]。從熔體中提拉生長晶體的方法為 Czochralski 于 1918 年首創(chuàng)，自 1964 年 Poladino 和 Rotter 首先應(yīng)用到藍(lán)寶石單晶的生長中，成功生長出質(zhì)量較高的藍(lán)寶石晶體，晶體生長示意圖如圖 7 所示。 圖 7 提拉法 (Czochralski method)原理示意圖 先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn) 速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對稱的單晶晶棒。在拉升的過程中，透過控制拉升速度的快慢的調(diào)配，分別生長晶頸 (Neck)，晶冠 (Shoulder)，晶身 (Body)以及晶尾。每個(gè)部份都有其用意，生長晶頸主要是用來消除差排。因?yàn)殚L晶過程復(fù)雜，差排產(chǎn)生量不易支配，所以大部分的晶體生長過程，都以消除差排為主要選擇。長完晶頸后，需放6 慢拉升速度，使晶體直徑增大到所需的尺寸，此步驟為晶冠生長。當(dāng)晶體直徑增大到所需尺寸時(shí)，就以等速的速度來拉升，此部分的晶體直徑是固定的，也就是晶身部分 。此部分就是要作為工業(yè)用基板材料的部份，所以生長時(shí)，需格外小心。當(dāng)晶身長完時(shí)，就要使晶棒離開熔湯，此時(shí)拉升的速度會(huì)變快，使晶棒的直徑縮小，直到變成點(diǎn)狀時(shí)，再從熔湯中分開。此步驟為晶尾生長，其目的是要避免晶棒與熔湯快速分離時(shí)，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，若在分離時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力，此熱應(yīng)力將使晶棒產(chǎn)生差排及滑移線等缺陷。在現(xiàn)在的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中， CZ 法是最常見到的晶體生長法，由于能生長出較大直徑之晶體，所以大約 85％的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都使用CZ 法來生長單晶棒。該方法主要特點(diǎn)： 1) 在晶體生長過程中，可以方便的觀察晶體的生長情況； 2) 晶體在自由液面生長，不受坩堝的強(qiáng)制作用，可降低晶體的應(yīng)力； 3) 可以方便的使用所需取向籽晶和 ―縮頸 ‖工藝，有助于以比較快的速率生長較高質(zhì)量的晶體，晶體完整性較好； 4) 晶體、坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)引起的強(qiáng)制對流和重力作用引起的自然對流相互作用，使復(fù)雜液流作用
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