1、&4.3&4.3提拉法生长工艺提拉法生长工艺1 1提拉法生长设备介绍提拉法生长设备介绍2 2提拉法生长工艺介绍提拉法生长工艺介绍3 3提拉法生长晶体实例稀土镓石榴石提拉法生长晶体实例稀土镓石榴石4 4 提拉法生长晶体实例提拉法生长晶体实例 蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制5 5 提拉法生长晶体实例提拉法生长晶体实例 单晶硅的缩颈工艺单晶硅的缩颈工艺6 6 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制提拉法生长晶体缺陷的形成与控制7 7提拉法生长宝石晶体的鉴别提拉法生长宝石晶体的鉴别8 8几种宝石鉴别几种宝石鉴别2022-9-30低维半导体材料及量子器件1提拉法生长仿祖母绿合成品202
2、2-9-30低维半导体材料及量子器件22022-9-30低维半导体材料及量子器件32022-9-30低维半导体材料及量子器件4提拉法生长无色蓝宝石2022-9-30低维半导体材料及量子器件52022-9-30低维半导体材料及量子器件62022-9-30低维半导体材料及量子器件72022-9-30低维半导体材料及量子器件81 提拉法提拉法生长设备生长设备介绍介绍YAG生长设备1.保温加热系统加热系统2022-9-30低维半导体材料及量子器件93.坩锅传动系统气氛控制系统2.后热器2022-9-30低维半导体材料及量子器件10后热器的主要后热器的主要作用是调节晶作用是调节晶体和熔体之间体和熔体之间
3、的温度梯度的温度梯度。2022-9-30低维半导体材料及量子器件11 2 提拉法生长工艺a a生长过程生长过程。b b直径自动控制直径自动控制。（ADCADC技术）技术）c c材料挥发的控制材料挥发的控制。d d 温场的选择与控制温场的选择与控制。e e 生长速率的控制生长速率的控制。3 提拉法生长晶体实例稀土镓石榴石（GGG）2022-9-30低维半导体材料及量子器件12a a生长过程生长过程2022-9-30低维半导体材料及量子器件132022-9-30低维半导体材料及量子器件142022-9-30低维半导体材料及量子器件15b 直径自动控制（ADC）LlL晶体等径生长时对应的弯月面角为：
4、当时，直径扩大；反之，缩小。0LL的大小取决与材料的性质，不为 的 意味着晶体与熔体之间是非完全浸润的。弯月面光反射法：back2022-9-30低维半导体材料及量子器件16 c材料挥发的控制 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学配比，造成熔体某成分的过剩，组分过冷的改变等一系列影响。因此，人们发展了液相覆盖技术和高压单晶炉覆盖技术和高压单晶炉。2022-9-30低维半导体材料及量子器件17 覆盖物质应具有以下性质：密度小于熔体的密度，透明，对熔体、坩埚和气氛是化学惰性的，能够浸润晶体、熔体和坩埚，并具有较大的粘度。目前，最好的覆盖物质是熔融的B2O3back2022-9-30低维半导体材料及量
5、子器件18 d 温场的选择与控制 为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯为防止开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度度。因此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别是界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采（特别是界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的温度梯度用小的温度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根据材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。加大温度梯度方法：缩小熔体和熔体上方空间的距离（轴向距离）减小温度梯度的方法：采用适
6、当的后热器back2022-9-30低维半导体材料及量子器件19 e 生长速率的控制 提拉速度不能超过临界值提拉速度不能超过临界值，该临界值决定于材料的性质和生长参数。例如：晶体热导率Ks较高的材料比Ks较低的材料（氧化物或者是有机物）可有较大的生长率。生长参数：界面翻转、晶体内所允许的最大热应力 fp宏观生长率fo大于晶体的提拉速率fo(R2/R2-r2)fp R和r分别为甘埚和晶体的半径。2022-9-30低维半导体材料及量子器件20max()(1)exp()()(1)eell BefD kkcTDfmckz对于掺质的材料max()()sssKKTflz为晶体的对于纯材：导热率料maxf极
7、限生长速率：back2022-9-30低维半导体材料及量子器件21 3 提拉法生长晶体实例稀土镓石榴石（GGG）石榴石主要包括的六种矿物：石榴石主要包括的六种矿物：（1）镁铝榴石（Pyrope），也叫红榴石 （2）铁铝榴石（Almandine），也叫贵榴石 （3）锰铝榴石（Spessartite）（4）钙铝榴石（Grossular），水钙铝榴石 （5）钙铁榴石（Andradite），含Cr叫翠榴石 （6）钙铬榴石（Uvarovite），也叫绿榴石2022-9-30低维半导体材料及量子器件22天然石榴石天然石榴石2022-9-30低维半导体材料及量子器件23YIGYIG2022-9-30低维半导
8、体材料及量子器件24YIGYIG2022-9-30低维半导体材料及量子器件25人工合成GGG2022-9-30低维半导体材料及量子器件26 天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐 例如：Ca3Fe2SiO4，Mn3Al2SiO43 人工研制的石榴石，如钇铁石榴石(YIGYIG)、钇铝石榴石(YAGYAG)和钆镓石榴石(GGGGGG)等.以上三大类人工石榴石，即由稀士稀士(Yt,Nd）和铁、铝、镓铁、铝、镓（Ga）分别完全取代取代天然石榴石中的金属元素和硅金属元素和硅，所形成的稀土铁石榴石、稀土铝石榴石和稀土镓石榴石 2022-9-30低维半导体材料及量子器件27 在这三类稀土石榴石中，稀土铁石榴石
9、(YIGYIG)不透明，难以用作装饰品；稀土铝石榴石(YAGYAG)存在折射率不够高，不易掺质 稀土镓石榴石(GGGGGG)由于其本身的结构特点，不但能进行多种形式的掺质，而且通过辐照还可以形成稳定的色心，使其单晶体呈现绚丽多彩的漂亮颤色，最适宜作为装饰宝石材料。常用的掺质元素为：Cr,Co,Ni等过渡族元素氧化物和稀土Nd,Er的氧化物。2022-9-30低维半导体材料及量子器件28 石榴石生长的主要方法在于原料的区别和是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以下几个方面：a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色 2022-9-30低维半导体材料及量子器件29
10、 a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化钆）经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合后经压机压紧后在1250进行固相反应，充分反应后的原料可供晶体生长使用。b保护气氛：GGG的熔点为1750摄氏度，一般采用铱坩埚，但铱坩埚存在氧化的问题。因此加入高纯氮气和2%的氩气。2022-9-30低维半导体材料及量子器件30 c生长条件：提拉速度一般在5-10mm/h范围内。若掺质或生长大直径的晶体，要放慢生长速度。生长最合适的方向为111 d 掺杂生长：掺质生长存在一个分凝问题。分凝系数有的大于1有的小于1，因此掺质的浓度也不同。e 晶体的透过率与颜色：2022-9-30低维半导体材料及量子器件3
11、1纯GGG和掺杂Cr3纯GGG和掺杂Co32022-9-30低维半导体材料及量子器件32纯GGG和掺杂Nd32022-9-30低维半导体材料及量子器件33 4提拉法生长晶体实例 蓝宝石提拉晶体的放蓝宝石提拉晶体的放肩控制肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、
12、半导体发光及集成电路的大量需要。体发光及集成电路的大量需要。2022-9-30低维半导体材料及量子器件34 原料：原料：白色合成蓝宝石碎块白色合成蓝宝石碎块TiO2+Fe2O3TiO2+Fe2O3，TiO2TiO2、Fe2O3Fe2O3配比视颜色而定。配比视颜色而定。工艺参数：工艺参数：20502050以上，转速：以上，转速：101015r/min,15r/min,提拉：提拉：1 110mm/h10mm/h2022-9-30低维半导体材料及量子器件35放肩过程中在放肩过程中在dtdt时间内凝固的晶体质量为：时间内凝固的晶体质量为：22222(2)/2/2(/)dmr dzrdrzvdz dtr
13、 dzdzrdrzzdm dtr vr d r dt式中：为高为的柱体的体积为高为 的锥环柱的体积21234exp(2)/rkk tkk解得：2022-9-30低维半导体材料及量子器件36 r表示放肩生长出晶体的半径。上面方程表明在拉速和熔体中温度梯度不变的情况下，肩部面积随时间接指数律增加。这就要求拉晶工作者在晶体直径达到预定尺寸前就要考虑到肩部自发增长的倾向，提前采取措施。21234exp(2)/rkk tkk2022-9-30低维半导体材料及量子器件37Al2O3Al2O3放肩过程中可能出现的几种情况放肩过程中可能出现的几种情况2022-9-30低维半导体材料及量子器件385 提拉法生长
14、晶体实例单晶硅的缩颈和收尾工艺单晶硅的缩颈和收尾工艺 实验发现，如果籽晶的质量不好，那么实验发现，如果籽晶的质量不好，那么籽晶中的继承性缺陷（如位错、晶界）会引申到籽晶中的继承性缺陷（如位错、晶界）会引申到晶体中。因此，为了获得高品质无位错单晶体，晶体中。因此，为了获得高品质无位错单晶体，籽晶的选择和处理格外严格。籽晶的选择和处理格外严格。首先：首先：尽量选择完整性好的晶体做籽晶尽量选择完整性好的晶体做籽晶 其次：其次：将所有的加工损伤、污染物以及残余将所有的加工损伤、污染物以及残余应力去应力去 除。可采用侵蚀的方法除去加工损伤和污除。可采用侵蚀的方法除去加工损伤和污染物，采用长时间退化消除应
15、力。染物，采用长时间退化消除应力。2022-9-30低维半导体材料及量子器件39 最后最后：缩颈工艺，将缩颈工艺，将熔体充分加热，使籽晶熔体充分加热，使籽晶适当回熔一部分，然后适当回熔一部分，然后通过加大提拉速度，使通过加大提拉速度，使得籽晶的直径尽可能缩得籽晶的直径尽可能缩小，当晶体生长出一段小，当晶体生长出一段明显变细的长度后，可明显变细的长度后，可让晶体的直径增大。我让晶体的直径增大。我们把这样一过程称为缩们把这样一过程称为缩颈。颈。反复的缩颈工艺2022-9-30低维半导体材料及量子器件40 由于位错往往与生长轴成一个夹角，如果以（100）和（111）晶向生长时，其滑移面与其生长方向成
16、36.16度和19.28度。故需长出足够长的晶体或通过反复进行的缩颈工艺，能使位错沿着滑移面延伸至晶体表面而消失，从而可生长出无位错单晶体。缩颈工艺通常是采用快拉,将晶体直径缩小到大约为3mm左右.lD其缩颈最小长度 于晶体直径 之间有如下关系：Dtgl2022-9-30低维半导体材料及量子器件411 10lddD在籽晶能充分承受质量的前提下，长出的缩颈晶体需有足够的长度，即缩颈晶体应尽可能细而长，一般缩颈长度（）与直径（）之比约为：。但又会由于缩颈后的直径过小，可能无法支撑晶体质量而断裂。故缩颈后的支撑晶体质量的最小直径 与晶体直径 及晶体长度L之间的关系为：31/21.608 10dDL2
17、022-9-30低维半导体材料及量子器件42 收尾：晶体生长后期，主要防止发生界面翻转和位错的反延，因此当晶体生长的长度达到预定要求时，应该逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开熔体液面，这就是晶体生长的收尾阶段。2022-9-30低维半导体材料及量子器件436 提拉法生长晶体缺陷的形成与控制 晶体在生长(或降温)过程中所以会产生缺陷，大体上是由以下几个方面的因素造成的：a 物质条件；b 热力学因素；c 分凝和组分过冷；d 温度分布和温度波动2022-9-30低维半导体材料及量子器件44 a物质条件：包括生长设备的稳定性，有害杂质的影响，籽晶。生长设备的稳定性：生长设备的稳定性：生长
18、界面的稳定性控制、生生长界面的稳定性控制、生长温度的稳定性控制、中心对称性控制。长温度的稳定性控制、中心对称性控制。有害杂质：有害杂质：指的是不纯杂质和配比引起的杂质指的是不纯杂质和配比引起的杂质 籽晶：籽晶：选用优质籽晶和采用缩颈工艺选用优质籽晶和采用缩颈工艺2022-9-30低维半导体材料及量子器件45 b 热力学因素 1、应力：晶体中的应力一般由三种情况产生，热应力，化学应力和结构应力，当应变超过了晶体材料本身塑性形变的屈服极限时，晶体将发生开裂，一般沿着解理面开裂。热应力:冷却速度不一致引起的 化学应力：杂质在晶体内部分布不均匀引起的 结构应力：由于相变的发生引起的 2、脱溶和共析反应
19、（较快的生长速率和较大的温度梯度（界面处）2022-9-30低维半导体材料及量子器件46 c 分凝和组分过冷 在适当的范围内，调整G和V是克服组分过冷的最有效，也是最简单的方法。可先采用较大的G来克服组分过冷，然后再用长时间的高温退火来消除GL大而产生的热应力。2022-9-30低维半导体材料及量子器件47 d 温度波动和生长层 产生温度波动波动的原因有二 i熔体本身的热流不稳定性造成温度的起伏和振荡。ii生长条件的变化 我们把在晶体中溶质浓度的不均匀层称为生长层（条纹）。生长层是晶体生长，特别是熔体生长过程中经常出现的微观缺陷之一。2022-9-30低维半导体材料及量子器件48生长层的形成边
20、界层厚度的起伏生长速率起伏压力引起凝固点的起伏机械振动籽晶杆蠕动温度起伏晶体旋转熔体非稳流动加热功率起伏热损耗起伏温场对称温场不对称浮力干扰湍流2022-9-30低维半导体材料及量子器件49 7 7 提拉法生长宝石晶体的鉴别提拉法生长宝石晶体的鉴别 1.1.提拉法生长的宝石晶体，由于提拉和提拉法生长的宝石晶体，由于提拉和旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹。旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹。或者由于固液界面产生的振动或者由于固液界面产生的振动或温度的波动，可使晶体的溶质浓度分布或温度的波动，可使晶体的溶质浓度分布不均，因而形成晶体不均匀的生长条纹。不均，因而形成晶体不均匀的生长条纹。2022-9-
21、30低维半导体材料及量子器件50旋转引起条纹2022-9-30低维半导体材料及量子器件51生长纹往往深浅不一 2022-9-30低维半导体材料及量子器件52生长条纹显微结构2022-9-30低维半导体材料及量子器件53天然蓝宝石六边形生长纹2022-9-30低维半导体材料及量子器件542022-9-30低维半导体材料及量子器件55 人造蓝宝石是在高温熔炉中生成的，结晶时间很短，没有时间沿六边形的晶形方向规则地排列，而是一层一层地增添在弧形（圆柱体的表面）宝石的表面上，并逐步形成了弯曲的“圆弧形生长线”。凡是有这种圆弧形生长线或圆环形色带的蓝宝石，就一定是人造品。2022-9-30低维半导体材料
22、及量子器件56 2.2.提拉法含有气体包体，且气泡分布不均提拉法含有气体包体，且气泡分布不均匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。2022-9-30低维半导体材料及量子器件57 3.3.提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含有金或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含有金属包体。属包体。2022-9-30低维半导体材料及量子器件582022-9-30低维半导体材料及量子器件59 4.提拉法生长的宝石晶体原料在高温下加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。2022-9-30低维半导体材料及量子器件602022-9
23、-30低维半导体材料及量子器件61 5.提拉法生长的宝石晶体时，由于采用籽晶生长，生长成的晶体会带有籽晶的痕迹。并且可能产生明显的界面位错。2022-9-30低维半导体材料及量子器件622022-9-30低维半导体材料及量子器件63 主要优点如下：主要优点如下：(1)(1)可方便地观察晶体的生长状况，有利于及时可方便地观察晶体的生长状况，有利于及时掌掌 握生长情况，控制生长条件。握生长情况，控制生长条件。(2)(2)生长晶体不与坩埚接触，没有坩埚壁的寄生生长晶体不与坩埚接触，没有坩埚壁的寄生成核成核 (3)(3)可以方便地使用定向籽晶和可以方便地使用定向籽晶和“缩颈缩颈”工艺工艺 总之，提拉法
24、生长的晶体，其完整性很总之，提拉法生长的晶体，其完整性很高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意例如，提拉高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有较法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有较低的位错密度，较高的光学均匀性低的位错密度，较高的光学均匀性 2022-9-30低维半导体材料及量子器件64 主要缺点如下：主要缺点如下：高温下，坩埚及其他材料对晶体的污染容易高温下，坩埚及其他材料对晶体的污染容易发生。发生。熔体中复杂的液流对晶体的影响难以克服熔体中复杂的液流对晶体的影响难以克服 机械传动装置的振动和温度的波动，会一定机械传动装置的振动和温度的
25、波动，会一定程度上影响晶体的质量。程度上影响晶体的质量。2022-9-30低维半导体材料及量子器件65钇铝榴石的鉴别 钇铝榴石是人造宝石，可根据其物理性质和光学性质将其与相似宝石区分开：成分：Y 3AL5O12 晶系：等轴晶系 密度：4.58g/cm 摩氏硬度：8-8.5 折射率：1.83 色散:0.028 内含物：弯曲生长纹和拉长气泡 致色元素：紫-Nd；蓝-Co；绿-Ti（+Fe）；红-Mn；其他：某些绿色、蓝色钇铝榴石在强光照射下显强红色，即显示红光效应红光效应。2022-9-30低维半导体材料及量子器件66GGG RI：2（1.970.06系统宝石学中的数据）色散：0.045 H:6.5 在太阳暴晒时易变成黄棕色2022-9-30低维半导体材料及量子器件67 提拉法合成金绿宝石的鉴别 1.合成金绿宝石可见弯曲的生长纹和拉长的气泡。2.宝石中偶尔可见未熔化的原料粉末。3.在暗域照明和斜向照明下，偶尔可见板条状的杂质包体和针状包体。4.合成金绿宝石的折射率（1.740-1.745）稍微偏低。5.用电子探针和X射线荧光分析法，可检测宝石晶体中的铱或钼金属包体。2022-9-30低维半导体材料及量子器件68The end2010.11.22022-9-30低维半导体材料及量子器件69
