《各种长晶方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《各种长晶方法（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、内部文件V1.0各种蓝宝石长晶方法介绍各种蓝宝石长晶方法介绍为何使用蓝宝石当为何使用蓝宝石当 LEDLED衬底材料衬底材料 可用于LED衬底的材料主要有硅、碳化硅、蓝宝石、氮 化镓等。由于硅单晶和氮化镓晶格匹配太差无无法商业 化应用；碳化硅单晶成本价格较高，目前市价约是蓝宝 石晶体的5倍以上，且只有美国科瑞公司掌握成熟技术 ，目前占市场应用不到10%；氮化镓单晶制备更是困难 ，虽然同质外延质量最好，但价格是蓝宝石晶体的数百 倍。综上所述，预计在未来10到30年范围，蓝宝石单晶 是LED衬底材料的理想选择单晶蓝宝石长晶方法单晶蓝宝石长晶方法 蓝宝石单晶的制备工艺路线较多，其中比较典 型有以下几种
2、提拉法(CZ)坩埚下降法热交换法(HEM)泡生法(KY) 除了以上几项主流的方法外，还有温度梯度法 (TGT)、焰熔法、导模法(EFG)、水平结晶法 (HDC)等提拉法提拉法(CZ)(CZ) 柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料 加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到 熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成 过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同 晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升， 并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤 逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单 晶晶锭.坩埚上方有一根可以旋转和升
3、降的提拉杆，杆的下端有一个夹头，其上装有一根籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要熔体的温度适中，籽晶既不熔解，也不长大，然后缓慢向上提拉和转动籽晶杆，同时缓慢降低加热功率，籽晶逐渐长粗。小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个外罩里，以保证生长环境有所需要的气体和压力。提拉法生长方式示意图提拉法生长方式示意图射频线圈熔体坩埚炉内保温系统剖面图炉内保温系统剖面图有关工艺参数控制有关工艺参数控制 1) 加热方式 提拉法生长晶体的加热方法一般采用电 阻加热和高频感应加热，在无坩埚生长时可采用激光加 热、电子束加热、等离子体加热和弧光成像加热等加热 方式 电阻加热的优点是
4、成本低，可使用大电流、低电压的电 源，并可以制成各种形状的加热器；高频加热可以提供 较干净的环境，时间响应快，但成本高 2) 晶体直径的控制 提拉法生长的晶体直径的控制 方法很多，有人工直接用眼睛观察进行控制，也有自动 控制。自动控制的方法目前一般有利用弯月面的光反射 、晶体外形成像法、称重等法提拉法生长晶体的优点提拉法生长晶体的优点 1) 在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这 为控制晶体外形提供了有利条件 2) 晶体在熔体的自内表面处生长，而不与坩埚相接触 ，能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核 3) 可以方便地使用定向籽晶的和“缩颈”工艺，得到不 同取向的单晶体，降低晶体
5、中的位错密度，减少镶嵌结 构，提高晶体的完整性 提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量 的晶体。例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红 宝石相比，具有效低的位错密度，较高的光学均匀性， 也没有镶嵌结构。提拉法生长晶体的提拉法生长晶体的缺缺点点 1) 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染 2) 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难 3) 适用范围有一定的限制。例如，它不适于生长冷却 过程中存在固态相变的材料，也不适用于生长反应性较 强或熔点极高的材料，因为难以找到合适的坩埚来盛装 它们 总之，提拉法生长的晶体完整性很高，面其生长速率和 晶体尺寸也是令人满意的。设计合理
6、的生长系统、精确 面稳定的温度控制、熟练的操作技术是获得高质量晶体 的重要前提条件坩埚下降法坩埚下降法 该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年。 D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推 动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼斯托克巴杰方 法,简称B-S方法。 该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可以 垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)，如下 图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩埚里， 加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一定温度梯 度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最大的区域时， 熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块晶体。坩
7、埚下降法示意图坩埚下降法示意图坩埚下降法原理坩埚下降法原理 下降法一般采用自发成核生长晶体，其获得单晶体的依 据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下图所示。 在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A、B、C， 其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B的最大生长 速度方向与管壁平行，晶核A和C则与管壁斜交。由图中 可以看到，在生长过程中，A核和C核的成长空间因受到 B核的排挤而不断缩小，在成长一段时间以后终于完全 被B核所湮没，最终只剩下取向良好的B核占据整个熔体 而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰规律 为了充分利用几何淘汰规律，提高成 品率，人们设计了各种各样的坩埚。 如左图所示。其目的是让
8、坩埚底部通 过温度梯度最大的区域时，在底部形 成尽可能少的几个晶核，而这几个晶 核再经过几何淘汰，剩下只有取向优 异的单核发展成晶体。经验表明，坩 埚底部的形状也因晶体类型不同而有 所差异。坩埚下降法坩埚下降法的优点的优点 1) 由于可以把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的 泄漏和污染，使晶体的成分容易控制 2) 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体 品种也很多，且易实现程序化生长坩埚下降法坩埚下降法的的缺缺点点 1) 不适宜生长在冷却时体积增大的晶体 2) 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，往往会在 晶体中引入较大的内应力和较多的杂质 3) 在晶体生长过程中难于直接观察，生长周
9、期也比较长 4) 若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在高温区既 不完全熔融，又必须使它有部分熔融以进行完全生长，是一 个比较难控制的技术问题 总之，BS法的最大优点是能够制造大直径的晶体(直径达 200mm)，其主要缺点是晶体和坩埚壁接触容易产生应力或寄 生成核。它主要用于生长碱金属和碱土金属的卤族化合物( 例如CaF2、LiF、NaI等)以及一些半导体化合物 (例如 AgGaSe2、AgGaS2、CdZnTe等)晶体热交换法热交换法(HEM)(HEM) 热交换法 Heat exchange method (HEM) 1947年美国开 始使用热交换器法来生产大直径蓝宝石单晶。 基本原理如下
10、 利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一下 冷上热纵向温度梯度。 由控制热交换器内气体流量的大小及改变加热功率的大 小来控制此一温度梯度，使坩埚內溶液由下慢慢向上凝 固成晶体。1)先加热熔化坩埚內的原料,使熔体温度保持略高于熔点510。2)坩埚底部的籽晶部分被熔化,炉体缓慢下降。3)开通He气冷却。4)熔体就被部分熔化的籽晶为核心,逐渐生长出充满整个坩埚的大块单晶。晶体生长程序晶体生长程序热交换法炉体示意图热交换法炉体示意图热交换法热交换法的优点的优点 1) 固/液界面位于坩埚内，且没有拉伸的当作，不易受 到外力干扰。 2) 能够分别控制熔化区及结晶区的温度梯度； 3）晶体自下向上生长
11、，晶体内气泡缺陷较少。 4) 温度梯度是由下向上，与重力方向相反，可减少自 然对流的影响。 5) 可直接在炉内退火，减少晶体内应力。 6) 易于生长大尺寸晶体。热交换法热交换法的的缺缺点点 1) 不适于强烈腐蚀坩埚的材料 2) 生长过程中和坩埚壁接触，晶体内会有较大内应力 。 3) 氦气价格昂贵。 4) 氦气流量难以精确控制，氦气易形成湍流，影响调 节温度梯度。泡生泡生法法( (KYKY) ) 泡生法 Kyropoulos method 由美国Kyropouls 发明 , 这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的 温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长 大，就需要逐渐降低熔体
12、的温度，同时旋转晶体，以改 善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提 晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时 不与坩埚壁接触，这就大大减少了 晶体的应力。不过 ，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲 击，其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体将晶体原料放入耐高温的坩埚中加热熔化 ,调整炉内温度场 ,使熔体上部处于稍高于熔点的状态;使籽晶杆上的籽晶接触熔融液面 ,待其表面稍熔后 ,降低表面温度至熔点 ,提拉并转动籽晶杆 ,使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上 ,在不断提拉的过程中 ,生长出圆柱状晶体泡生法生长方式示意图泡生法生长方式示意图蓝宝石晶体不同工艺优缺点比较
13、蓝宝石晶体不同工艺优缺点比较 温度梯度法温度梯度法 (TGT)(TGT) 是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。包括放置在简单 钟罩式真空电阻炉内的坩埚、发热体和屏蔽装置，下图 是装置简图。本装置采用镅坩埚、石墨发热体。坩埚底 部中心有一籽晶槽，避免籽晶在化料时被熔化掉。为了 增加坩埚稳定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。 温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上 下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安 装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半部按一 定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后白上而下造成 近乎线性温差。而发热体下半部温差通过石墨发热体与 水冷电极板的传导来创造。籽
14、晶附近的温场还要依靠与 水冷坩埚杆的热传导共同提供 温度梯度法温度梯度法示意图示意图温度梯度法温度梯度法特点特点 1) 晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、 晶体和发热体都不移动，这就避免了热对流和机械运动 产生的熔体涡流 2) 晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区。这样就 可以控制它的冷却速度，减少热应力。而热应力是产生 晶体裂纹和位错的主要因素 3) 晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中。这样 熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面以前 可被熔体减小以致消除。这对生长高质量的晶体起很重 要的作用 焰焰熔法熔法 最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil
15、）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝 石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦 红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维 尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商 业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳叶法 焰焰熔法熔法基本原理基本原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末（ 型AL2O3）在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下 落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体,. 料锤周期性地敲打装在料斗里的粉末原料，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置6处，由入口4和入口5进入的氢气氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长。使用此方法生长的晶体可长达1m。由于生长速度较快，利用该法生长的红宝石晶体应力较大, 只适合做手表轴承等机械性能方面 焰熔法生长方式示意图焰熔法生长方式示意图导模导模法法( (EFG)EFG) 导模法生长晶体的原理如左 图所示。将原料置于铱坩埚 中，借由高频感应加热器加 热原料使之熔化，于坩埚中 间放置一铱制模具，利用毛 细作用让熔汤摊平于铱制模 具的上方表面，形成一薄膜 ，放下晶种使之碰触到薄膜 ，于是薄膜在晶种的端面上 结晶成与晶种相同结构的单 晶。晶种再緩慢往上拉升， 逐渐生长单晶。同时由坩埚 中供应熔汤补充薄膜 内部文件V1.0
