Bridgman的晶體生長(zhǎng)技術(shù)Bridgman的晶體生長(zhǎng)技術(shù)1.Bridgeman法晶體生長(zhǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介Bridgman法是由Bridgman于年提出的。傳統(tǒng)Bridgman法晶體生長(zhǎng)的基本原理如圖.1所示。將晶體生長(zhǎng)的原料裝入合適的容器中，在具有單向溫度梯度的Bridgman長(zhǎng)晶爐內(nèi)進(jìn)行生長(zhǎng)。Bridgman長(zhǎng)晶爐通常采用管式結(jié)構(gòu)，并分為個(gè)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(diǎn)，冷卻區(qū)低于晶體熔點(diǎn)，梯度區(qū)的溫度逐漸由加熱區(qū)溫度過(guò)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(jìn)行熔化，并在一定的過(guò)熱度下恒溫一段時(shí)間，獲得均勻的過(guò)熱熔體。然后通過(guò)爐體的運(yùn)動(dòng)或坩堝的移動(dòng)使坩堝由加熱區(qū)穿過(guò)梯度區(qū)向冷卻區(qū)運(yùn)動(dòng)。坩堝進(jìn)入梯度區(qū)后熔體發(fā)生定向冷卻，首先達(dá)到低于熔點(diǎn)溫度的部分發(fā)生結(jié)晶，并隨著坩堝的連續(xù)運(yùn)動(dòng)而冷卻，結(jié)晶界面沿著與其運(yùn)動(dòng)相反的方向定向生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行。 圖Bridgman法晶體生長(zhǎng)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(chǎng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。該方法是最常見(jiàn)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(chǎng)。垂直Bridgman法利于獲得圓周方向?qū)ΨQ的溫度場(chǎng)和對(duì)流模式，從而使所生長(zhǎng)的晶體具有軸對(duì)稱的性質(zhì)；而水平Bridgman法的控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，并能夠在結(jié)晶界面前沿獲得較強(qiáng)的對(duì)流，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)行為控制。同時(shí)，水平Bridgman法還有利于控制爐膛與坩堝之間的對(duì)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(chǎng)成一定角度的傾斜Bridgman法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。而垂直Bridgman法也可采用從上向下生長(zhǎng)的方式。2.Bridgman法的結(jié)構(gòu)組成典型垂直Bridgman法晶體生長(zhǎng)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)個(gè)部分構(gòu)成。爐體部分采用管式爐，通過(guò)多溫區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一維的溫度分布，獲得晶體生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)。生長(zhǎng)晶體的坩堝通過(guò)一個(gè)支撐桿放置在爐膛內(nèi)的一維溫度場(chǎng)中，如圖所示。機(jī)械傳動(dòng)部分包括電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)。減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平移運(yùn)動(dòng)，控制坩堝與溫度場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。可以采取控制爐體的上升或坩堝的下降兩種方式實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)速率的控制。通常Bridgman生長(zhǎng)設(shè)備還包括坩堝旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)另外一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)坩堝支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)，控制坩堝在爐膛內(nèi)按照設(shè)定的方式和速率轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行溫度場(chǎng)和對(duì)流控制。支撐結(jié)構(gòu)提供一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，用于固定爐體和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其相對(duì)定位。在支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)，保證晶體生長(zhǎng)速率的穩(wěn)定性?？刂茊卧囟瓤刂坪蜋C(jī)械傳動(dòng)控制。溫度控制主要進(jìn)行不同加熱段加熱功率的調(diào)節(jié)，形成恒定的溫度場(chǎng)。通常通過(guò)熱電偶等測(cè)溫元件提供溫度信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。機(jī)械傳動(dòng)控制部分進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)坩堝或爐體移動(dòng)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(jì)坩堝是直接與所生長(zhǎng)的晶體及其熔體接觸的，并且對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)以及晶體結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)劣的控制因素之一。坩堝材料的選擇是由所生長(zhǎng)的晶體及其在熔融狀態(tài)下的性質(zhì)決定的。對(duì)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(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中釋放出對(duì)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(diǎn)和高溫強(qiáng)度，在晶體生長(zhǎng)溫度下仍保持足夠高的強(qiáng)度，并且在高溫下不會(huì)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(duì)熔體加熱或在冷卻區(qū)進(jìn)行晶體的冷卻。但導(dǎo)熱能力太強(qiáng)對(duì)晶體生長(zhǎng)是不利的。坩堝的導(dǎo)熱特性對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的影響較為復(fù)雜，通過(guò)具體的傳熱計(jì)算才能準(zhǔn)確理解。（）具有可加工性，便于根據(jù)晶體生長(zhǎng)的需要加工成不同的形狀。特別是在生長(zhǎng)高蒸氣壓或易氧化的材料時(shí)，要進(jìn)行坩堝的焊封，對(duì)其可加工性和高溫強(qiáng)度要求更高。（）具有與晶體材料匹配的熱膨脹特性，不會(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)晶體形成較大的壓應(yīng)力，并在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后易于取出。4.溫度場(chǎng)的控制方法如圖所示，晶體的結(jié)晶過(guò)程是在溫度梯度區(qū)內(nèi)完成的，維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度是晶體生長(zhǎng)過(guò)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(guò)大的溫度梯度可能導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)較大的應(yīng)力，對(duì)晶體結(jié)晶質(zhì)量的控制不利。同時(shí)，過(guò)大的溫度梯度也會(huì)帶來(lái)溫度控制技術(shù)上的困難。因此，實(shí)際溫度梯度應(yīng)針對(duì)具體的晶體材料，綜合多個(gè)因素確定。溫度梯度的控制通常是通過(guò)控制加熱區(qū)的溫度、冷卻區(qū)的溫度及梯度區(qū)的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)的。假定加熱區(qū)的溫度恒定為T(mén)1，冷卻區(qū)的溫度恒定為T(mén)2，梯度區(qū)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則梯度區(qū)的平均溫度梯度為: G = (T1-T2)/L實(shí)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(guò)實(shí)際測(cè)溫或計(jì)算方法確定結(jié)晶界面附近的溫度分布及梯度。同時(shí)，值得指出的是，坩堝的存在將對(duì)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(gè)整體的換熱體系進(jìn)行分析計(jì)算。從晶體生長(zhǎng)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(chǎng)。5. 生長(zhǎng)速率的控制方法在Bridgman法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速率的控制是通過(guò)控制爐體和坩堝的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于圖所示的垂直Bridgman法晶體生長(zhǎng)過(guò)程，可以通過(guò)控制爐體均勻上行或坩堝均勻下行的速率實(shí)現(xiàn)，還可以同時(shí)控制爐體和坩堝同向或反向運(yùn)動(dòng)，控制其相對(duì)速率，坩堝與爐體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度稱為抽拉速率，記為犞。當(dāng)兩者反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽拉速度是二者運(yùn)動(dòng)速率的和，可以獲得較大的生長(zhǎng)速率；而二者同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽拉速率是二者運(yùn)動(dòng)速度的差，可以獲得更低的抽拉速率。晶體的實(shí)際生長(zhǎng)速率犚，即結(jié)晶界面的移動(dòng)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(zhǎng)過(guò)程中，抽拉速率的控制是由一個(gè)高精度的機(jī)電控制系統(tǒng)完成的。該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，而且由于晶體生長(zhǎng)的低