提拉法

一、提拉法的基本原理：提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降温逐漸凝固而生長出單晶體。下圖1是提拉法示意圖。

提拉法的生長工藝首先將待生長的晶體的原料放在耐高温的坩堝中加熱熔化，調整爐內温度場，使熔體上部處於過冷狀態；然後在籽晶杆上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔後，提拉並轉動籽晶杆，使熔體處於過冷狀態而結晶於籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。 ^[1] 

加熱系統由加熱、保温、控温三部分構成。最常用的加熱裝置分為電阻加熱和高頻線圈加熱兩大類。採用電阻加熱，方法簡單，容易控制。保温裝置通常採用金屬材料以及耐高温材料等做成的熱屏蔽罩和保温隔熱層，如用電阻爐生長釔鋁榴石、剛玉時就採用該保温裝置。控温裝置主要由傳感器、控制器等精密儀器進行操作和控制。

作坩堝的材料要求化學性質穩定、純度高，高温下機械強度高，熔點要高於原料的熔點200℃左右。常用的坩堝材料為鉑、銥、鉬、石墨、二氧化硅或其它高熔點氧化物。其中鉑、銥和鉬主要用於生長氧化物類晶體。

籽晶用籽晶夾來裝夾。籽晶要求選用無位錯或位錯密度低的相應寶石單晶 ^[2]  。

為了獲得穩定的旋轉和升降，傳動系統由籽晶杆、坩堝軸和升降系統組成。

不同晶體常需要在各種不同的氣氛裏進行生長。如釔鋁榴石和剛玉晶體需要在氬氣氣氛中進行生長。該系統由真空裝置和充氣裝置組成。

後熱器可用高熔點氧化物如氧化鋁、 陶瓷或多層金屬反射器如鉬片、鉑片等製成。通常放在坩堝的上部，生長的晶體逐漸進入後熱器，生長完畢後就在後熱器中冷卻至室温。後熱器的主要作用是調節晶體和熔體之間的温度梯度，控制晶體的直徑，避免組分過冷現象引起晶體破裂。

（1）温度控制：在晶體提拉法生長過程中，熔體的温度控制是關鍵。要求熔體中温度的分佈在固液界面處保持熔點温度，保證籽晶周圍的熔體有一定的過冷度，熔體的其餘部分保持過熱。這樣，才可保證熔體中不產生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的結構排列成單晶。為了保持一定的過冷度，生長界面必須不斷地向遠離凝固點等温面的低温方向移動，晶體才能不斷長大。另外，熔體的温度通常遠遠高於室温，為使熔體保持其適當的温度，還必須由加熱器不斷供應熱量。

（2）提拉速率：提拉的速率決定晶體生長速度和質量。適當的轉速，可對熔體產生良好的攪拌，達到減少徑向温度梯度，阻止組分過冷的目的。一般提拉速率為每小時6-15mm。在晶體提拉法生長過程中，常採用“縮頸”技術以減少晶體的位錯，即在保證籽晶和熔體充分沾潤後，旋轉並提拉籽晶，這時界面上原子或分子開始按籽晶的結構排列，然後暫停提拉，當籽晶直徑擴大至一定寬度（擴肩）後，再旋轉提拉出等徑生長的棒狀晶體。這種擴肩前的旋轉提拉使籽晶直徑縮小，故稱為“縮頸”技術。

（1）在晶體生長過程中可以直接進行測試與觀察，有利於控制生長條件；

（2）使用優質定向籽晶和“縮頸”技術，可減少晶體缺陷，獲得所需取向的晶體；

（3）晶體生長速度較快；

（4）晶體位錯密度低，光學均一性高。

（1）坩堝材料對晶體可能產生污染；

（2）熔體的液流作用、傳動裝置的振動和温度的波動都會對晶體的質量產生影響 ^[3]  。

1.合成紅寶石晶體

原料：AL₂O₃和1-3%的Cr₂O₃

加熱：高頻線圈加熱到2050℃以上；

屏蔽裝置：抽真空後充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體和壓強。

將原料裝入銥、鎢或鉬坩堝中。坩堝上方的提拉桿的下端的籽晶夾具上裝一粒定向的紅寶石籽晶。將坩堝加熱到，使原料熔化。再降低提拉桿，使籽晶插入到熔體表層。控制熔體的温度，使之略高於熔點。熔去少量籽晶以保證能在籽晶的清潔表面上開始生長。在實現籽晶與熔體充分沾潤後，緩慢向上提拉和轉動晶杆。控制好拉速和轉速，同時緩慢地降低加熱功率，籽晶直徑就逐漸擴大。小心地調節加熱功率，實現寶石晶體的縮頸-擴肩-等徑-收尾的生長全過程。

通過屏蔽裝置的窗口可以觀察生長過程，還可利用紅外傳感器測量固-液界面的亮光環温度，實現控制生長過程。

2.合成變石晶體

原料：AL₂O₃和BeO的粉末按1:1混合，加入致色劑Cr₂O₃和V₂O₅。

加熱：高頻線圈加熱到1870℃以上，使原料熔化。保温l小時均化熔體，然後降温30-50℃，接籽晶。

屏蔽裝置：抽真空後充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體、壓強。

通過觀察測試，控制和調節晶體生長。

3.人造釔鋁榴石

原料：Y₂O₃：AL₂O₃=3：5

提拉爐：中頻線圈加熱

坩堝：銥

氣氛：N²⁺Ar

熔點：1950℃

生長速度：每小時6mm以下。

因晶體生長的週期很長，一般需要1~2個月時間才能完成一次完整的工業級晶體生長，但良品率不高，一般只有50%。造成失敗的原因有多個方面，可能是提升速率不對，可能是温度控制不對。若採用數值仿真技術，通過計算機模擬，提前預測晶體的生長狀態，對成品率的提高會有較大的幫助，對晶體爐的研發也具有重要的 現實意義。

晶體生長的仿真，因涉及多種物理場（熔化物與氣體的傳熱、傳質，湍流，熱輻射相互作用，顯著影響晶體的缺陷形成），多空間尺度（在熔化物與氣體中存在急劇擴散、粘性、輻射、熱邊界層，伴有複雜的缺陷邊界層）以及多時間尺度（晶體生長過程很慢，而熔體流動通過縮短時間常數來控制），非常複雜，通用型仿真軟件，無法完全考慮以上這些因素。

比利時魯汶大學的François Dupret教授，1990年發表在《J. of Heat and Mass Transfer》的一篇文章：Global modelling of heat transfer in crystal growth furnaces，詳細闡述瞭如何建立一個晶體生長爐中全局的熱傳控制模型，並以鍺和砷化鎵爐作為模擬實例，驗證了這一全局模型的準確性與效率。

藉助Dupret François教授此篇文獻的理論，世面上出現了幾款專業的晶體生長模擬軟件，例如比利時的FEMAG，俄羅斯的CGSIM，德國的CrysMas。

其中，FEMAG軟件有專業的用於提拉法的模塊：FEMAG/CZ，在提拉法仿真方面，具有如下的優點：

1、熱傳遞分析：綜合考慮爐內的輻射和傳導、熔體對流和爐內氣體流量分析

2、熱應力分析：晶體位錯的產生與晶體生長過程中熱應力的變化有着密切的關係。該軟件可以靜心三維的非軸對稱和各向異性温度場應力分析計算，可以提出對晶體總的剪切力預估。“位錯”的產生是由於晶體生長過程中，熱剪應力超越臨界水平而導致的塑性變形。

3、點缺陷預報：該軟件可以預知在晶體生長過程中的點缺陷（自裂縫和空缺），該仿真可以很好的預測在晶體生長過沖中點缺陷的分佈。

4、動態仿真：動態仿真提供了複雜幾何形狀對於時間演變的預測。該預測把發生在晶體生長和冷卻過程中所有瞬時的影響因素都考慮在內。為了準確地預報晶體點缺陷和氧分，動態仿真尤其是不可或缺的。

5、固液界面跟蹤：在拉晶的過程中準確預測固液界面同樣是一個關鍵問題。對於不同的坩堝旋轉速度和不同的提拉高度，其固液界面是不同的。

6、加熱器功率預測：利用軟件動態仿真反算加熱功率對於生長合格晶體也是非常必要的。

7、繪製温度梯度：通過仿真，固液交界面的温度梯度可以很方便的計算出來。這一結果對於理論缺陷的預報是非常有用的 ^[2]  。