Bridgman的晶體生長技術(shù).docx

Bridgman的晶體生長技術(shù)Bridgman的晶體生長技術(shù)1.Bridgeman法晶體生長技術(shù)簡介Bridgman法是由Bridgman于年提出的。傳統(tǒng)Bridgman法晶體生長的基本原理如圖.1所示。將晶體生長的原料裝入合適的容器中，在具有單向溫度梯度的Bridgman長晶爐內(nèi)進行生長。Bridgman長晶爐通常采用管式結(jié)構(gòu)，并分為個區(qū)域，即加熱區(qū)、梯度區(qū)和冷卻區(qū)。加熱區(qū)的溫度高于晶體的熔點，冷卻區(qū)低于晶體熔點，梯度區(qū)的溫度逐漸由加熱區(qū)溫度過渡到冷卻區(qū)溫度，形成一維的溫度梯度。首先將坩堝置于加熱區(qū)進行熔化，并在一定的過熱度下恒溫一段時間，獲得均勻的過熱熔體。然后通過爐體的運動或坩堝的移動使坩堝由加熱區(qū)穿過梯度區(qū)向冷卻區(qū)運動。坩堝進入梯度區(qū)后熔體發(fā)生定向冷卻，首先達到低于熔點溫度的部分發(fā)生結(jié)晶，并隨著坩堝的連續(xù)運動而冷卻，結(jié)晶界面沿著與其運動相反的方向定向生長，實現(xiàn)晶體生長過程的連續(xù)進行。 圖Bridgman法晶體生長的基本原理（）基本結(jié)構(gòu)； （）溫度分布。圖.所示坩堝軸線與重力場方向平行，高溫區(qū)在上方，低溫區(qū)在下方，坩堝從上向下移動，實現(xiàn)晶體生長。該方法是最常見的Bridgman法，稱為垂直Bridgman法。除此之外，另一種應(yīng)用較為普遍的是的水平Bridgman法其溫度梯度（坩堝軸線）方向垂直于重力場。垂直Bridgman法利于獲得圓周方向?qū)ΨQ的溫度場和對流模式，從而使所生長的晶體具有軸對稱的性質(zhì)；而水平Bridgman法的控制系統(tǒng)相對簡單，并能夠在結(jié)晶界面前沿獲得較強的對流，進行晶體生長行為控制。同時，水平Bridgman法還有利于控制爐膛與坩堝之間的對流換熱，獲得更高的溫度梯度。此外，也有人采用坩堝軸線與重力場成一定角度的傾斜Bridgman法進行晶體生長。而垂直Bridgman法也可采用從上向下生長的方式。2.Bridgman法的結(jié)構(gòu)組成典型垂直Bridgman法晶體生長設(shè)備包括執(zhí)行單元和控制單元。其中執(zhí)行單元的結(jié)構(gòu)，由爐體、機械傳動系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)個部分構(gòu)成。爐體部分采用管式爐，通過多溫區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)一維的溫度分布，獲得晶體生長的溫度場。生長晶體的坩堝通過一個支撐桿放置在爐膛內(nèi)的一維溫度場中，如圖所示。機械傳動部分包括電機和減速機構(gòu)。減速機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為平移運動，控制坩堝與溫度場的相對運動。可以采取控制爐體的上升或坩堝的下降兩種方式實現(xiàn)晶體生長速率的控制。通常Bridgman生長設(shè)備還包括坩堝旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過另外一個電機驅(qū)動坩堝支撐桿轉(zhuǎn)動，控制坩堝在爐膛內(nèi)按照設(shè)定的方式和速率轉(zhuǎn)動，進行溫度場和對流控制。支撐結(jié)構(gòu)提供一個穩(wěn)定的平臺，用于固定爐體和機械傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)其相對定位。在支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)計位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)，保證晶體生長速率的穩(wěn)定性?？刂茊卧囟瓤刂坪蜋C械傳動控制。溫度控制主要進行不同加熱段加熱功率的調(diào)節(jié)，形成恒定的溫度場。通常通過熱電偶等測溫元件提供溫度信息，進行實時控制。機械傳動控制部分進行電機轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)坩堝或爐體移動速度的控制，以及坩堝的旋轉(zhuǎn)。3.坩堝的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計坩堝是直接與所生長的晶體及其熔體接觸的，并且對晶體生長過程的傳熱特性具有重要的影響。因此，坩堝材料的選擇是晶體生長過程能否實現(xiàn)以及晶體結(jié)晶質(zhì)量優(yōu)劣的控制因素之一。坩堝材料的選擇是由所生長的晶體及其在熔融狀態(tài)下的性質(zhì)決定的。對于給定的晶體材料，所選坩堝材料應(yīng)該滿足以下物理化學(xué)性質(zhì)：（）有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，不與晶體或熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（）具有足夠高的純度，不會在晶體生長過程中釋放出對晶體有害的雜質(zhì)、污染晶體材料，或與晶體發(fā)生粘連。（）具有較高的熔點和高溫強度，在晶體生長溫度下仍保持足夠高的強度，并且在高溫下不會發(fā)生分解、氧化等。（）具有一定的導(dǎo)熱能力，便于在加熱區(qū)對熔體加熱或在冷卻區(qū)進行晶體的冷卻。但導(dǎo)熱能力太強對晶體生長是不利的。坩堝的導(dǎo)熱特性對晶體生長過程的影響較為復(fù)雜，通過具體的傳熱計算才能準確理解。（）具有可加工性，便于根據(jù)晶體生長的需要加工成不同的形狀。特別是在生長高蒸氣壓或易氧化的材料時，要進行坩堝的焊封，對其可加工性和高溫強度要求更高。（）具有與晶體材料匹配的熱膨脹特性，不會在晶體生長過程中對晶體形成較大的壓應(yīng)力，并在晶體生長結(jié)束后易于取出。4.溫度場的控制方法如圖所示，晶體的結(jié)晶過程是在溫度梯度區(qū)內(nèi)完成的，維持一個穩(wěn)定的溫度梯度是晶體生長過程中溫度控制的關(guān)鍵。從維持平面結(jié)晶界面的角度考慮，溫度梯度應(yīng)該較大，但過大的溫度梯度可能導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)較大的應(yīng)力，對晶體結(jié)晶質(zhì)量的控制不利。同時，過大的溫度梯度也會帶來溫度控制技術(shù)上的困難。因此，實際溫度梯度應(yīng)針對具體的晶體材料，綜合多個因素確定。溫度梯度的控制通常是通過控制加熱區(qū)的溫度、冷卻區(qū)的溫度及梯度區(qū)的長度實現(xiàn)的。假定加熱區(qū)的溫度恒定為T1，冷卻區(qū)的溫度恒定為T2，梯度區(qū)的長度為L，則梯度區(qū)的平均溫度梯度為: G = (T1-T2)/L實際上，由于爐膛內(nèi)的溫度分布是由傳熱原理控制的，其溫度的分布是非線性的，可以通過實際測溫或計算方法確定結(jié)晶界面附近的溫度分布及梯度。同時，值得指出的是，坩堝的存在將對溫度分布產(chǎn)生影響，因此需要將爐膛、坩堝以及其中的熔體和晶體作為一個整體的換熱體系進行分析計算。從晶體生長的角度考慮，希望加熱區(qū)和冷卻區(qū)的溫度分布盡可能均勻，而梯度區(qū)的爐膛最好是絕熱的，從而可以獲得理想的一維溫度場。5. 生長速率的控制方法在Bridgman法晶體生長過程中，生長速率的控制是通過控制爐體和坩堝的相對運動實現(xiàn)的。對于圖所示的垂直Bridgman法晶體生長過程，可以通過控制爐體均勻上行或坩堝均勻下行的速率實現(xiàn)，還可以同時控制爐體和坩堝同向或反向運動，控制其相對速率，坩堝與爐體的相對運動速度稱為抽拉速率，記為犞。當兩者反向運動時，抽拉速度是二者運動速率的和，可以獲得較大的生長速率；而二者同向運動時，抽拉速率是二者運動速度的差，可以獲得更低的抽拉速率。晶體的實際生長速率犚，即結(jié)晶界面的移動速率，是由抽拉速度決定的，但二者通常并不相等。Bridgman法晶體生長過程中，抽拉速率的控制是由一個高精度的機電控制系統(tǒng)完成的。該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)換，而且由于晶體生長的低