硅晶体生长的过冷度
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
直拉单晶硅
方式称为“自然对流”。自然对流的
程度大小可由格拉斯霍夫常数来判定：
熔体
Gr agT d 3
Vk 2
对于硅而言，α=1.43×10-4℃-1，vk=3 ×10-3cm2/sec，
因此，Gr=1.56 ×104△Td3。此外，Gr的临界值为105，
而根据估计实际的Gr值高达108。除非靠其它的对流方式
籽晶
单晶硅棒
石英坩埚 水冷炉壁 绝热石墨 加热器 石墨坩埚 石墨底盘 石墨轴承 电极
在熔体结晶过程中， 温度下降时，将产生由液态 转变成固态的相变化。为什 么温度下降，会导致相变化 的产生呢？这个问题的答案 可由热力学观点来解释。
一个平衡系统将有最低的自由能，假如一个系统的自由能 G高于最低值，它将设法降低G（即△G < 0）以达到平衡 状态。因此我们可以将△G < 0视为结晶的驱动力。
判断 Bo Ra d 2g
Ma
所以在表面上较大的长晶系统
主要受自然对流控制。而表面张力对流在低重力状态（例
如太空中）及小的长晶系统，才会凸现其重要性。
思考题
1、直拉单晶炉由几大部分组成？ 2、什么叫直拉单晶炉的热场 ？ 3、直拉单晶炉的合理热场条件是什么？ 4、直拉单晶硅的工艺步骤？ 5、直拉单晶硅通常选择那些晶体生长方向，为什么？ 6、直拉单晶硅中如何实现无位错生长？ 7、直拉单晶硅中熔体的对流分哪几种情况，分别用什么 常数来判断其对流的程度？
自然对流、晶轴旋转和坩埚旋转三种方式相互作用对熔体 流动的影响。
表面张力引起的对流
由液体的温度梯度，所造成的
表面张力的差异，而引起的对流形
态，称为表面张力对流。其对流程
度大小可由Marangoni常数来判断
直拉单晶炉 温度梯度与单晶生长 热场的调整
目前的热场配置大部分为内梯形，内梯 形又有高罩和矮罩之分。保温罩绝大部分采 用高纯石墨制成，也可在第二层加一层钼薄 板。国外通常采用短平罩热场，加保温盖， 两层石墨中间放碳毡。碳毡保温性能好，节 省能源。热场组成比较简单，操作方便。
石墨托碗有平底（杯形）和半球形，目 前趋向于采用平底托碗。托碗厚薄影响热场 稳定性。厚托碗热惯性大，热场反应慢，温 度较稳定，薄托碗热惯性小，热场反应快， 温度容易调整。
（3）适当提高引晶埚位，可增加纵向温度 梯度，同时径向温度梯度稍有增加；降低 埚位，作用相反。
（4）增加保温层（石墨毡）的总厚度，可 减小熔体径向温度梯度；对温盖，会减小径向温度梯 度，而纵向上却有所增加。
（6）增加加热器的厚度会减小熔体径向温 度梯度。增加托碗的厚度亦然，但热惯性 也变大了，对升温或降温的反应也慢了。
拉<100>晶向单晶的热场用来拉<111>晶 向单晶，一般说来，晶体很难拉成单晶，即 使拉成单晶，单晶缺陷也较多。单晶各晶面 原子排列密度不同，每个晶面族的原子面密 度也不一样。
但是，晶体中原子的总数一定，面间距 比较小的面族，晶面间距短，晶面排列较密， 每个晶面上的原子少些；面间距较大的面族， 晶面间距长，晶面排列较稀，每个晶面上的 原子数目多些，这样才能保证二者原子总数 相等。总之，面间距较小的面族，原子面密 度也小；面间距较大的面族，面密度也大。
晶体的纵向温度梯度
各种不同温度梯度
dT
dy
及晶体生长情况
L
热场的调试与配制
热场配置是将加热器、保温罩、保温盖、石 墨托碗等组成一些几何形式，改变单晶炉内的温 度分布状况。主要改变熔硅和熔硅上部空间的温 度分布状况。不同的加热器、保温罩、保温盖等 器件组成不同的几何形状，形成不同热场。热场 的组合形状，通常分为内梯形罩，外梯形短平保 温罩热场。
金属结晶时的过冷和过冷度
金属结晶时的过冷和过冷度
过冷是指金属结晶过程中，温度明显低于金属的相变温度
的状态。
过冷的温度被称为过冷度。
它也可以被称为过温度或
金属结晶温度，因为存在不同的结构以及形状并且具有低温特性。
一般情况下，可以分成几种过冷程度，以便满足不同种类
的金属结晶。
由于金属通常在一定温度下结晶，所以过冷度的重要性也
就变得越来越明显了，如果过冷度被低估，将会导致金属结晶
过程出现崩解或者破坏，使得结晶性能不佳，甚至会影响到金
属的机械性能，在其它的工况也会有影响。
因此，确定一个
恰当的过冷度也就变得尤为重要。
通常情况下，常见的金属结晶，如铁，锰，钒，铝等，
过冷度为100-200℃，这是因为当金属温度较低时，如约100℃时，金属只结晶的能力有了大的增强，而且金属的微观结构也
得到了改善，这就是过冷度的重要性。
另外，在金属晶体生长过程中，由于金属的过冷度越低，
其结晶温度越低，微观结构就会更加稳定，形成更加完美的晶体，结晶性能就会更加提高，另外在这种过冷度可以保持较好
的晶界完全性，使得金属结晶产生能量场，因此过冷是金属结
晶过程中比较重要的影响因素之一。
总之，过冷度是控制金属结晶的关键。
一个合适的过冷度
不仅保证了金属结晶的稳定性，还能够提高金属的机械性能，
以及在一定程度上避免了机械性能受到破坏的可能，这样就能
更好地保证金属结晶过程中的安全性和可靠性，保证了产物的
质量和功能。
03章--硅锗晶体生长
➢概括来说， ➢气－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过饱和蒸气压。 ➢液－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过饱和度。 ➢固－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过冷度。
➢详见课本3－1－1
晶核的形成
➢ 研究发现，结晶过程是由成核与长大 两个过程所组成。
➢ 结晶时首先在液体中形成具有某一尺 寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核 不断凝聚液体中的原子而长大。形核过 程和长大过程紧密联系但又有所区别。
➢ ①介质达到过饱和、过冷却阶段； ➢ ②成核阶段； ➢ ③生长阶段。 ➢ 关于晶体生长的有两个理论：1.层生长理论；2.螺旋生长
理论。
➢ 当晶体生长不受外界任何因素的影响时，晶体将长成理想晶 体，它的内部结构严格的服从空间格子规律，外形应为规则 的几何多面体，面平、棱直，同一单形的晶面同形长大。
➢ 实际上晶体在生长过程中，真正理想的晶体生长条件是不存 在的，总会不同程度的受到复杂外界条件的影响，而不能严 格地按照理想发育。
晶体长大的动力学模型
完整突变光滑面生长模型
➢ 层生长理论(Kossel W., 1927)：在晶核的光滑表面上 生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格“座位” 的最佳位置是具有三面凹入角的位置。
➢ 质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因 为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的 晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的 位置，
➢2. 由液相转变为固相：
➢1.从熔体中结晶,即熔体过冷却时发生结晶现象，出 现晶体；
➢2.从溶液中结晶,即溶液达到过饱和时，析出晶体；
➢3.水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶 出来；通过化学反应生成难溶物质。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
无定形硅和晶体硅的转变温度
无定形硅和晶体硅的转变温度
无定形硅和晶体硅是两种常见的硅材料，它们在许多领域都有广泛的应用。
然而，它们在物理性质上存在着显著的差异。
其中一个重要的差异就是它们的转变温度。
无定形硅是一种非晶态的硅材料，具有无序的原子结构。
由于其原子之间没有规则的排列方式，无定形硅的转变温度相对较低。
一般来说，无定形硅的转变温度在500摄氏度左右。
晶体硅是一种具有有序原子结构的硅材料。
晶体硅的原子排列呈现出规则的晶格结构，因此具有更高的转变温度。
晶体硅的转变温度一般在1400摄氏度左右。
无定形硅和晶体硅的转变温度差异主要是由于它们的原子结构不同所致。
无定形硅的原子之间没有规则的排列方式，因此在较低的温度下就会发生结构的变化。
而晶体硅的原子排列呈现出规则的晶格结构，因此需要更高的温度才能引起结构的变化。
无定形硅和晶体硅的转变温度差异对于它们的应用具有重要意义。
由于无定形硅的转变温度较低，它在电子器件中的应用更为广泛。
例如，无定形硅可以用作电阻器、电容器等元件的材料。
而晶体硅由于其较高的转变温度，更适合用于高温环境下的应用，如高温传感器、高温电路等。
无定形硅和晶体硅是两种具有不同转变温度的硅材料。
无定形硅的转变温度较低，主要应用于低温环境下的电子器件。
晶体硅的转变温度较高，适用于高温环境下的应用。
了解这两种硅材料的转变温度有助于我们更好地选择合适的材料来满足不同的应用需求。
CZ硅晶生长理论
CZ硅晶生长理论.tx t爱一个人很难，恨一个人更难，又爱又恨的人最难。
爱情永远不可能是天平，想在爱情里幸福就要舍得伤心！有些烦恼是我们凭空虚构的，而我们却把它当成真实去承受。
一. CZ法晶体生长设计CZ生长炉的组成元件可以分成4部分：（1）炉体：包括石英锅，石墨三瓣锅，加热器，绝热元件，炉壁。
（2）晶棒及坩锅拉升上抬旋转机械：包括籽晶卡头，钢吊绳，拉升上抬旋转元件。
（3）气体压力控制：包括气体流量控制，真空系统，压力控制阀。
（4）控制系统：包括侦测感应器，电脑控制。
但是按照我们通熟的讲法可以认为是：（1）炉体：包括控制晶体升降旋转的电机（限位，用于控制晶体升降的极限位置），副炉室（钢吊绳，重锤），隔离板，主炉室（倒流桶，大盖板，上保温罩，主保温罩，加热器，三瓣锅，托盘，托杆，六角外螺纹石墨螺丝，内螺纹石墨螺丝，石英罩，电极，底盘），传动机械（底盘下面的）。
（2）电柜（加热，真空，球阀，温控仪，计算机，计算机风扇，真空计开关，触摸屏，液压传动开关以及各种电器电子元件）。
（3）电控机（楼下的）单晶硅的密度固态密度 2.33克/c m3 液态密度2.5克/c m3 凝固结晶的驱动力在溶液长晶过程里，随着溶液温度的下降，将产生由液态转换成固态的相变化。
为什么温度下降，会导致相变化的产生？这个问题一般我们可以用热力学的观点来解释。
对于发生在等温等压的相变化，不同相之间的相对稳定性可由自由能（G）来决定。
G = H－T×SG：自由能H：焓T：绝对温度S：乱度一个平衡系统将具有最低自由能,假如一个系统的自由能△G高于最低值,它将设法降低△G以达到平衡状态。
硅材料技术-Chap3 -1st-2014-04-18
• 注意：整个晶化过程，体系处于动态变 化状态
材料科学与工程学院
晶核的形成
• 在母相中形成等于或超过一定临界大小的新
相晶核的过程称为“形核”
形成固态晶核有两种方法，
• 1) 均匀形核，又称均质形核或自发形核。
•
2) 非均匀形核，又称异质形核或非自发形
核。
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总能量 = 表面能 + 体积自由能
=晶胚表面积×单位表面积的自由能 +
体积×单位体积的自由能 改变量
σ为单位表面积的表面能，Δgv为形成单位体积晶胚 的自由能改变量。
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4 3 G 4r r g v 3
2
结晶驱动力
结晶通常在恒温恒压下进行，这一过程 进行的方向和限度，可使用自由能判据 ，相变向自由能减小的方向进行 G 小于0，生长驱动力，反之，熔解驱动力
材料科学与工程学院
晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处 理 平衡态问题，若系统处于准平衡状态，可 使用热力学的平衡条件来处理问题
• 相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 • 热平衡条件：系统各部分温度相等 • 力学平衡条件：系统各部分压强相等
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天然晶体的生长
• 1．由气相转变为固相： 从气相转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠 的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶 体。
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三个生长阶段:
• 介质达到过饱和或者过冷却阶段 • 成核阶段nucleation(均匀成核,非均匀成 核) • 生长阶段crystal growth
过冷度计算公式
过冷度计算公式过冷度这个概念在物理学中可是相当重要的哦！它指的是实际结晶温度与理论结晶温度之间的差值。
而计算过冷度，那是有专门的公式滴。
先来说说过冷度计算公式的具体形式。
一般来说，过冷度（ΔT）可以通过理论结晶温度（T m ）减去实际结晶温度（T n ）来计算，也就是ΔT = T m - T n 。
这个公式看起来挺简单，但里面蕴含的道理可不简单。
就拿日常生活中的一个小例子来说吧。
我之前有一次观察冬天里湖水结冰的过程，那可真是让我对过冷度有了更深刻的理解。
那是一个特别寒冷的冬天，我到公园的湖边散步。
湖水表面看起来平静得很，没有一点要结冰的迹象。
按常理说，根据当时的气温，早就应该结冰了。
我就特别好奇，一直在湖边等着。
过了好久，湖水还是没有变化。
就在我以为它不会结冰的时候，突然，一小片区域开始出现了薄薄的冰层。
这让我想到了过冷度的概念。
当时的气温就相当于理论结晶温度，而湖水真正开始结冰的那个温度就是实际结晶温度。
这两者之间的差值，就是过冷度。
在这个过程中，我发现湖水在达到一定的过冷度之后，结晶过程就迅速发生了。
就好像是积累了足够的能量，一下子就爆发了。
再回到过冷度计算公式。
通过这个公式，我们可以知道，影响过冷度大小的因素主要就是理论结晶温度和实际结晶温度。
理论结晶温度通常是由物质的性质决定的，而实际结晶温度则受到很多外界因素的影响，比如冷却速度、杂质的存在等等。
比如说，如果冷却速度特别快，那么实际结晶温度就会降低，过冷度就会增大。
这就像是跑步比赛，跑得越快，到达终点的时间就越短。
同样的道理，冷却速度越快，物质达到结晶的时间就越短，实际结晶温度就越低，过冷度也就越大。
而杂质的存在呢，有时候会阻碍结晶的进行，导致实际结晶温度降低，过冷度增大。
这就好比在路上设置了一些障碍物，让前进的道路变得更加艰难。
在实际的科学研究和工业生产中，过冷度的计算和控制是非常重要的。
比如说在金属铸造过程中，如果能够准确控制过冷度，就可以得到理想的晶体结构，从而提高金属材料的性能。
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硅晶体生长的过冷度
硅晶体生长的过冷度是指在晶体生长过程中，溶液或熔体的温度
低于其平衡凝固温度的程度。过冷度是实际生长温度和平衡凝固温度
之间的温度差。
在硅晶体生长过程中，过冷度对晶体质量和生长速率都有着重要
影响。较大的过冷度可以促进晶体生长速率的提高，但也会增加晶体
缺陷的形成。较小的过冷度可以减少晶体缺陷，但会导致生长速率的
下降。
过冷度的大小取决于多个因素，包括溶液或熔体的组成、压力、
生长方法和生长条件等。在实际晶体生长中，通常会通过控制生长条
件来调节过冷度，以获得所需的晶体质量和生长速率。
需要注意的是，过冷度是一个相对概念，不同的晶体材料可能具
有不同的过冷度范围。此外，硅晶体的生长过程是一个复杂的物理化
学过程，超过我目前的知识范围。因此，对于更具体的硅晶体生长问
题，可能需要专业的材料科学或半导体工程知识来进行更深入的研究。