晶體生長技術

晶體生長技術

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單晶體原則上可以由固態、液態（熔體或溶液）或氣態生長而得。實際上人工晶體多半由熔體達到一定的過冷或溶液達到一定的過飽和而得。晶體生長是用一定的方法和技術，使單晶體由液態或氣態結晶成長。由液態結晶又可以分成熔體生長或溶液生長兩大類。

目錄

基本內容

中文名稱：晶體生長技術

狀態：液態

類型：技術

方法：焰熔法

熔體生長法

這類方法是最常用的，主要有直拉法（又稱丘克拉斯基法）、坩堝下降法、區熔法、焰熔法（又稱維爾納葉法）等。

直拉法

此法是由熔體生長單晶的一項最主要的方法，適用於大尺寸完美晶體的批量生產。被加熱的坩堝中盛着熔融的料，籽晶杆帶着籽晶由上而下插入熔體，由於固液界面附近的熔體維持一定的過冷度、熔體沿籽晶結晶，並隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶。坩堝可以由高頻感應或電阻加熱。半導體鍺、硅、氧化物單晶如釔鋁石榴石、釓鎵石榴石、鈮酸鋰等均用此方法生長而得。應用此方法時控制晶體品質的主要因素是固液界面的溫度梯度、生長速率、晶轉速率以及熔體的流體效應等。

坩堝下降法

將盛滿材料的坩堝置放在豎直的爐內爐分上下兩部分，中間以擋板隔開，上部溫度較高，能使坩堝內的材料維持熔融狀態，下部則溫度較低，當坩堝在爐內由上緩緩下降到爐內下部位置時，材料熔體就開始結晶。坩堝的底部形狀多半是尖錐形，或帶有細頸,便於優選籽晶,也有半球形狀的以便於籽晶生長。晶體的形狀與坩堝的形狀是一致的，大的鹼鹵化合物及氟化物等光學晶體是用這種方法生長的。

區熔法

將一個多晶材料棒，通過一個狹窄的高溫區，使材料形成一個狹窄的熔區，移動材料棒或加熱體，使熔區移動而結晶，最後材料棒就形成了單晶棒。這方法可以使單晶材料在結晶過程中純度提得很高，並且也能使摻質摻得很均勻。區熔技術有水平法和依靠表面張力的浮區熔煉兩種。

焰熔法

這個方法的原理是利用氫和氧燃燒的火焰產生高溫，使材料粉末通過火焰撒下熔融，並落在一個結晶杆或籽晶的頭部。由於火焰在爐內形成一定的溫度梯度，粉料熔體落在一個結晶杆上就能結晶。焰熔法的生長原理：小錘敲擊料筒震動粉料，經篩網及料斗而落下，氧氫各自經入口在噴口處，混合燃燒，結晶杆上端插有籽晶，通過結晶杆下降，使落下的粉料熔體能保持同一高溫水平而結晶。

這個方法用來生長剛玉及紅寶石最為成熟，在全世界範圍每年生產很多噸。這個方法的優點是不用坩堝，因此材料不受容器污染，並且可以生長熔點高達2 500℃的晶體;其缺點是生長的晶體內應力很大。

溶液生長法

此法可以根據溶劑而定。廣泛的溶液生長包括水溶液、有機和其他無機溶液、熔鹽和在水熱條件下的溶液等。最普通的是由水溶液中生長晶體。從溶液中生長晶體的主要原理是使溶液達到過飽和的狀態而結晶。最普通的有下述兩個途徑：①根據溶液的溶解度曲線的特點升高或降低其溫度；②採用蒸發等辦法移去溶劑,使溶液濃度增高。當然也還有其他一些途徑,如利用某些物質的穩定相和亞穩相的溶解度差別，控制一定的溫度，使亞穩相不斷地溶解，穩定相不斷地生長等。

水溶液法

一般由水溶液中生長晶體需要一個水浴育晶裝置，它包括一個既保證密封又能自轉的掣晶杆使結晶界面周圍的溶液成分能保持均勻，在育晶器內裝有溶液，它由水浴中水的溫度來嚴格控制其溫度並達到結晶。掌握合適的降溫速度，使溶液處於亞穩態並維持適宜的過飽和度是非常必要的。

對於具有負溫度係數或其溶解度溫度係數較小的材料，可以使溶液保持恆溫，並且不斷地從育晶器中移去溶劑而使晶體生長，採用這種辦法結晶的叫蒸發法。很多功能晶體如磷酸二氫鉀、β碘酸鋰等均由水溶液法生長而得。

水熱法

在高溫高壓下，通過各種鹼性或酸性的水溶液使材料溶解而達到過飽和進而析晶的生長晶體方法叫水熱生長法。這個方法主要用來合成水晶，其他晶體如剛玉、方解石、藍石棉以及很多氧化物單晶都可以用這個方法生成。水熱法生長的關鍵設備是高壓釜，它是由耐高溫、高壓的鋼材製成。它通過自緊式或非自緊式的密封結構使水熱生長保持在200～1000°C的高溫及1000～10000大氣壓的高壓下進行。培養晶體所需的原材料放在高壓釜內溫度稍高的底部，而籽晶則懸掛在溫度稍低的上部。由於高壓釜內盛裝一定充滿度的溶液，更由於溶液上下部分的溫差，下部的飽和溶液通過對流而被帶到上部，進而由於溫度低而形成過飽和析晶於籽晶上。被析出溶質的溶液又流向下部高溫區而溶解培養料。水熱合成就是通過這樣的循環往復而生長晶體。

助熔劑法

這個方法是指在高溫下把晶體原材料溶解於能在較低溫熔融的鹽溶劑中，形成均勻的飽和溶液，故又稱熔鹽法。通過緩慢降溫或其他辦法，形成過飽和溶液而析出晶體。它類似於一般的溶液生長晶體。對很多高熔點的氧化物或具有高蒸發氣壓的材料，都可以用此方法來生長晶體。這方法的優點是生長時所需的溫度較低。此外對一些具有非同成分熔化（包晶反應）或由高溫冷卻時出現相變的材料，都可以用這方法長好晶體。BaTiO3晶體及Y3Fe5O12晶體的生長成功，都是此方法的代表性實例，使用此法要注意溶質與助熔劑之間的相平衡問題。

氣相生長法

一般可用升華、化學氣相輸運等過程來生長晶體。

升華法

這是指固體在升高溫度後直接變成氣相，而氣相到達低溫區又直接凝成晶體，整個過程不經過液態的晶體生長方式。有些元素砷、磷及化合物ZnS、CdS等,可以應用升華法而得到單晶。

化學氣相輸運

這種生長晶體的技術是指固體材料通過輸運劑的化學反應生成了有揮發性的化合物：

固體+輸運劑匑揮發性的化合物

如把所產生的化合物作為材料源，通過揮發和澱積的可逆過程，並加以控制，晶體就可以在一定區域或基片上生長出來。這種技術叫化學氣相輸運。典型的鎳的提純過程就是化學輸運過程。

外延

又名取向附生，它是指在一塊單晶片上再生長一層單晶薄層,這個薄層在結構上要與原來的晶體(稱為基片)相匹配。外延可分為同質外延和異質外延。像半導體材料的硅片再外延一層硅是屬同質外延；如果在白寶石基片上外延硅，那就是異質外延了。

外延生長的方法，主要有氣相外延和液相外延，也還有分子束外延等。外延生長在半導體材料研製方面應用很廣，磁泡材料的發展也應用了外延方法。

氣相外延 　材料在氣相狀況下沉積在單晶基片上，這種生長單晶薄膜的方法叫氣相外延法，氣相外延有開管和閉管兩種方式，半導體製備中的硅外延和砷化鎵外延，多半採用開管外延方式。

液相外延 　將用於外延的材料溶解在溶液中，使達到飽和，然後將單晶基片浸泡在這溶液中，再使溶液達到過飽和，這就導致材料不斷地在基片上析出結晶。控制結晶層的厚度得到新的單晶薄膜。這樣的工藝過程稱為液相外延。這方法的優點是操作簡單，生長溫度較低，速率也較快，但在生長過程中很難控制雜質濃度的梯度等。半導體材料砷化鎵的外延層，磁泡材料石榴石薄膜生長，多半用這種方法。