什么是直拉法晶体生长?

[拼音]：zhilafa jingti shengzhang

[外文]：crystal growth by vertical pulling method

利用籽晶从熔体拉出单晶的方法。电子学和光学等现代技术所用的单晶，如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、红宝石、白宝石、钇铝石榴石、尖晶石，以及某些碱金属和碱土金属的卤化物等单晶都可以用直拉法生长 (图1)。将原料装在坩蜗内加热熔化。将一个切成特定晶向的细单晶（称为籽晶）的端部，浸入溶体并使其略有熔化。然后，控制温度，缓慢地将籽晶垂直提升，拉出的液体固化为单晶。调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。

直拉法又称丘克拉斯基法，是J.丘克拉斯基在1916年首创。优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核，因而可以得到有一定晶向生长的单晶。直拉法制成的单晶完整性好，直径和长度都可以很大，生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此，一些化学性活泼或熔点极高的材料，由于没有合适的坩埚，而不能用此法制备单晶体，而要改用区熔法晶体生长或其他方法。

直拉法晶体生长设备的炉体，一般由金属（如不锈钢）制成。利用籽晶杆和坩埚杆分别夹持籽晶和支承坩埚，并能旋转和上下移动，坩埚一般用电阻或高频感应加热。制备半导体和金属时，用石英、石墨和氮化硼等作为坩埚材料；而对于氧化物或碱金属、碱土金属的卤化物，则用铂、铱或石墨等作坩埚材料。炉内气氛可以是惰性气体也可以是真空。使用惰性气体时压力一般是一个大气压，也有用减压的（如5～50毫托）。对于高蒸气压材料则用高压（几十个大气压）。

对于在高温下易于分解且其组成元素容易挥发的材料(如GaP，InP)，一般使用“液封技术”，即将熔体表面覆盖一层不与熔体和坩埚反应而且比熔体轻的液体（如拉制GaAs单晶时用B2O3），再在高气压下拉晶，借以抑制分解和挥发。

为了控制和改变材料性质，拉晶时往往需要加入一定量的特定杂质，如在半导体硅中加入磷或硼，以得到所需的导电类型（N型或P型）和各种电阻率。此外，熔体内还有来自原料本身的或来自坩埚的杂质沾污。这些杂质在熔体中的分布比较均匀，但在结晶时就会出现分凝效应(见区熔法晶体生长)。如果在拉晶时不往坩埚里补充原料，从杂质分凝来说，拉晶就相当于正常凝固。不同分凝系数的杂质经正常分凝后杂质浓度的分布如图2。由图可见，分凝系数在接近于1的杂质，其分布是比较均匀的。K 远小于1或远大于1的杂质，其分布很不均匀（即早凝固部分与后凝固部分所含杂质量相差很大）。连续加料拉晶法可以克服这种不均匀性。如果所需单晶体含某杂质的浓度为c，则在坩埚中首先熔化含杂质为c／K 的多晶料。在拉单晶的同时向坩埚内补充等量的、含杂浓度为c的原料。这样，坩埚内杂质浓度和单晶内杂质量都不会变化，从而可以得到宏观轴向杂质分布均匀的单晶。例如，使用有内外两层的坩埚。内层、外层中熔体杂质浓度分别为c/K 和c。单晶自内坩埚拉出，其杂质浓度为c。内外层之间有一细管连通，因而内坩埚的熔体减少可以由外坩埚补充。补充的熔体杂质浓度是c，所以内坩埚熔体浓度保持不变。双层坩埚法可得到宏观轴向杂质分布均匀的单晶。

对于单晶除了要求纯度高和掺杂剂分布均匀以外，往往还要求有良好的晶体完整性。例如，半导体器件制造中常要求有低位错或无位错硅单晶。无位错直拉单晶是靠“细颈”技术达到的。即使是用无位错单晶作籽晶浸入熔体后，由于热冲击和表面张力效应也会产生新的位错。因此制作无位错单晶时，需在引晶后先生长一段“细颈”单晶（直径2～4毫米），并加快提拉速度。由于细颈处应力小，不足以产生新位错，也不足以推动籽晶中原有的位错迅速移动。这样，晶体生长速度超过了位错运动速度，与生长轴斜交的位错就被中止在晶体表面上，从而可以生长出无位错单晶。无位错硅单晶的直径生长粗大后，尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。

直拉单晶炉还需要有直径自动控制装置。

有一种单晶炉是利用外加一磁场，称为磁拉法。在普通直拉炉中总是存在着热对流现象，因而不稳定。利用外加磁场可以抑制热对流而使热场稳定。磁拉法已用于硅和其他半导体材料的单晶制备，可提高单晶的质量。

一般直拉法生长的晶体是接近圆柱形的。另有一种方法是用模具使拉制出的单晶直接具有某种形状。

参考书目

张克从、张乐潓主编，《晶体生长》，科学出版社，北京，1981。