第三章晶体生长 3-1晶体生长的理论基础
第三章 晶体生长 3-1 晶体生长的理论基础
1晶体生长的一般方法(掌握) 晶体是在物相转变的情况下形成的 物相有三种,即气相、液相和固相 由气相、液相→固相时形成晶体, ■固相之间也可以直接产生转变。 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
1.晶体生长的一般方法(掌握) ◼ 晶体是在物相转变的情况下形成的。 ◼ 物相有三种，即气相、液相和固相。 ◼ 由气相、液相固相时形成晶体， ◼ 固相之间也可以直接产生转变。 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
(1)固相生长:固体→固体 在具有固相转变的材料中进行 石墨→>金刚石 通过热处理或激光照射等手段,将一部 分结构不完整的晶体转变为较为完整的 晶体 微晶硅→单晶硅薄膜
(1)固相生长:固体→固体 ◼ 在具有固相转变的材料中进行 石墨→金刚石 ◼ 通过热处理或激光照射等手段，将一部 分结构不完整的晶体转变为较为完整的 晶体 微晶硅→单晶硅薄膜
(2)液相生长:液体与固体 溶液中生长 从溶液中结晶当溶液达到过饱和时,才能析出晶体 可在低于材料的熔点温度下生长晶体,因此它们特别适合于 制取那些熔点高,蒸汽压大,用熔体法不易生长的晶体和薄膜; 如GaAs液相外延(LPE- liquid phase epitaxy) 熔体中生长 从熔体中结晶当温度低于熔点时,晶体开始析出,也就是 说,只有当熔体过冷却时晶体才能发生。 如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰;金属熔体冷却到熔 点以下结晶成金属晶体。 可生长纯度高,体积大,完整性好的单晶体,而且生长速 度快,是制取大直径半导体单晶最主要的方法 我国首台12英寸单晶炉研制成功(070615),所制备的硅单晶主要 用于集成电路元件和太阳能电池
(2)液相生长:液体→固体 ◼ 溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体. 可在低于材料的熔点温度下生长晶体，因此它们特别适合于 制取那些熔点高，蒸汽压大，用熔体法不易生长的晶体和薄膜； 如GaAs液相外延(LPE-liquid phase epitaxy) ◼ 熔体中生长 从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是 说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。 如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔 点以下结晶成金属晶体。 可生长纯度高，体积大，完整性好的单晶体，而且生长速 度快，是制取大直径半导体单晶最主要的方法 我国首台12英寸单晶炉研制成功(070615),所制备的硅单晶主要 用于集成电路元件和太阳能电池
(3)气相生长:气体→固体 从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 例子: 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 气体凝华:物质从气态直接变成固体 (气体升华?固态→气态) 化学气相沉积(CVD)
(3)气相生长:气体→固体 ◼ 从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 例子: ◼ 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 ◼ 气体凝华:物质从气态直接变成固体 (气体升华?固态→气态) ◼ 化学气相沉积(CVD)
2晶体形成的热力学条件(掌握) 1.气固相转变 定义a=p1/p为饱和比,即初态压强/末态压强 A=-1过饱和比, 相变条件 p1>po或者a>1 (即有一定的过饱和度)
2.晶体形成的热力学条件(掌握) 1.气固相转变 定义=p1 /p0 为饱和比, 即初态压强/末态压强 = -1 过饱和比, 相变条件: p1p0,或者 1 (即有一定的过饱和度)
2液固相转变过程 (1)溶液中生长 C1>Co,相变发生有一定的过饱和度 C1:一定温度T,压力P,溶质浓度 Co:一定温度T,压力P饱和溶液浓度 (2)熔体中生长 △T<0,相变发生,有一定的过冷度 过冷现象:熔体材料冷却到理论结晶温度以下,并不是立即就 形成晶体,材料处在应该转变的理论温度以下,还保留原来状 态,这种现象称为过冷。 过冷度:为了表述材料过冷的程度,将理论转变温度与实际所 处在的温度之差称为过冷度。AT=Tm-T(T理论凝固温度)
2.液固相转变过程 (1)溶液中生长 C1 CO,相变发生,有一定的过饱和度 C1: 一定温度T,压力P,溶质浓度 CO:一定温度T,压力P,饱和溶液浓度 (2)熔体中生长 △T0,相变发生,有一定的过冷度 过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就 形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状 态，这种现象称为过冷。 过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所 处在的温度之差称为过冷度 。 ΔT = Tm － T (Tm理论凝固温度)
相变时能量的转化 ■固体与晶体的转化:转变潜热 ■固体与液体的转化:熔解潜热 ■液体与气体的转化:蒸发潜热 ■固体与气体的转化:升华潜热 ■任一潜热L都与系统压力、体积、温度等条件 有关
相变时能量的转化 ◼ 固体与晶体的转化：转变潜热 ◼ 固体与液体的转化：熔解潜热 ◼ 液体与气体的转化：蒸发潜热 ◼ 固体与气体的转化：升华潜热 ◼ 任一潜热L都与系统压力、体积、温度等条件 有关
3晶核的形成(理解) 热力学条件满足后,晶体开始生长 晶体生长的一般过程是先形成晶核,然后 再逐渐长大 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
3.晶核的形成(理解) ◼ 热力学条件满足后,晶体开始生长 ◼ 晶体生长的一般过程是先形成晶核,然后 再逐渐长大. ◼ 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
般规律 ■晶核形成速度快,晶体生长速度慢 晶核数目多,最终易形成小晶粒 ■晶核形成速度慢,晶体生长速度快 晶核数目少,最终易形成大晶粒 ■注意:整个晶化过程,体系处于动态变 化状态
一般规律 ◼ 晶核形成速度快，晶体生长速度慢 ◼ 晶核数目多，最终易形成小晶粒 ◼ 晶核形成速度慢，晶体生长速度快 ◼ 晶核数目少，最终易形成大晶粒 ◼ 注意：整个晶化过程，体系处于动态变 化状态