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直拉法晶体生长

[拼音]:zhilafa jingti shengzhang

[外文]:crystal growth by vertical pulling method

利用籽晶从熔体拉出单晶的方法。电子学和光学等现代技术所用的单晶,如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、红宝石、白宝石、钇铝石榴石、尖晶石,以及某些碱金属和碱土金属的卤化物等单晶都可以用直拉法生长 (图1)。将原料装在坩蜗内加热熔化。将一个切成特定晶向的细单晶(称为籽晶)的端部,浸入溶体并使其略有熔化。然后,控制温度,缓慢地将籽晶垂直提升,拉出的液体固化为单晶。调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。

直拉法又称丘克拉斯基法,是J.丘克拉斯基在1916年首创。优点是晶体被拉出液面不与器壁接触,不受容器限制,因此晶体中应力小,同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核,因而可以得到有一定晶向生长的单晶。直拉法制成的单晶完整性好,直径和长度都可以很大,生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此,一些化学性活泼或熔点极高的材料,由于没有合适的坩埚,而不能用此法制备单晶体,而要改用区熔法晶体生长或其他方法。

直拉法晶体生长设备的炉体,一般由金属(如不锈钢)制成。利用籽晶杆和坩埚杆分别夹持籽晶和支承坩埚,并能旋转和上下移动,坩埚一般用电阻或高频感应加热。制备半导体和金属时,用石英、石墨和氮化硼等作为坩埚材料;而对于氧化物或碱金属、碱土金属的卤化物,则用铂、铱或石墨等作坩埚材料。炉内气氛可以是惰性气体也可以是真空。使用惰性气体时压力一般是一个大气压,也有用减压的(如5~50毫托)。对于高蒸气压材料则用高压(几十个大气压)。

对于在高温下易于分解且其组成元素容易挥发的材料(如GaP,InP),一般使用“液封技术”,即将熔体表面覆盖一层不与熔体和坩埚反应而且比熔体轻的液体(如拉制GaAs单晶时用B2O3),再在高气压下拉晶,借以抑制分解和挥发。

为了控制和改变材料性质,拉晶时往往需要加入一定量的特定杂质,如在半导体硅中加入磷或硼,以得到所需的导电类型(N型或P型)和各种电阻率。此外,熔体内还有来自原料本身的或来自坩埚的杂质沾污。这些杂质在熔体中的分布比较均匀,但在结晶时就会出现分凝效应(见区熔法晶体生长)。如果在拉晶时不往坩埚里补充原料,从杂质分凝来说,拉晶就相当于正常凝固。不同分凝系数的杂质经正常分凝后杂质浓度的分布如图2。由图可见,分凝系数在接近于1的杂质,其分布是比较均匀的。K 远小于1或远大于1的杂质,其分布很不均匀(即早凝固部分与后凝固部分所含杂质量相差很大)。连续加料拉晶法可以克服这种不均匀性。如果所需单晶体含某杂质的浓度为c,则在坩埚中首先熔化含杂质为c/K 的多晶料。在拉单晶的同时向坩埚内补充等量的、含杂浓度为c的原料。这样,坩埚内杂质浓度和单晶内杂质量都不会变化,从而可以得到宏观轴向杂质分布均匀的单晶。例如,使用有内外两层的坩埚。内层、外层中熔体杂质浓度分别为c/K 和c。单晶自内坩埚拉出,其杂质浓度为c。内外层之间有一细管连通,因而内坩埚的熔体减少可以由外坩埚补充。补充的熔体杂质浓度是c,所以内坩埚熔体浓度保持不变。双层坩埚法可得到宏观轴向杂质分布均匀的单晶。

对于单晶除了要求纯度高和掺杂剂分布均匀以外,往往还要求有良好的晶体完整性。例如,半导体器件制造中常要求有低位错或无位错硅单晶。无位错直拉单晶是靠“细颈”技术达到的。即使是用无位错单晶作籽晶浸入熔体后,由于热冲击和表面张力效应也会产生新的位错。因此制作无位错单晶时,需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2~4毫米),并加快提拉速度。由于细颈处应力小,不足以产生新位错,也不足以推动籽晶中原有的位错迅速移动。这样,晶体生长速度超过了位错运动速度,与生长轴斜交的位错就被中止在晶体表面上,从而可以生长出无位错单晶。无位错硅单晶的直径生长粗大后,尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。

直拉单晶炉还需要有直径自动控制装置。

有一种单晶炉是利用外加一磁场,称为磁拉法。在普通直拉炉中总是存在着热对流现象,因而不稳定。利用外加磁场可以抑制热对流而使热场稳定。磁拉法已用于硅和其他半导体材料的单晶制备,可提高单晶的质量。

一般直拉法生长的晶体是接近圆柱形的。另有一种方法是用模具使拉制出的单晶直接具有某种形状。

参考书目张克从、张乐潓主编,《晶体生长》,科学出版社,北京,1981。

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