《晶体生长理论》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4,晶体生长的热力学、动力学理论,一、区熔提纯,二、晶体生长理论基础,1,、二元合金相图概述,2,、分凝现象与分凝系数,3,、区熔原理,1,、晶体形成的热力学条件,2,、晶核的形成,3,、晶体长大的动力学模型,一、区熔提纯,1,、二元合金相图概述,（,1,）相图,（平衡图、状态图）,表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分之间关系的简明图解。,平衡状态,:,合金的成分、质量分数不再随时间而变化的一种状态。,合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。,相图用途：,研究合金的相变、组织形成及变化的规律；,制定热加工工艺的重要工具。,（,2,）表示方法,T/,1083,纯,Cu,t/h,冷却曲线,相图,L,S,纯金属可用一条温度轴表示出不同温度下的相状态。,二元合金的组成相不仅与温度有关，还与合金的成分有关。,如,Cu-Ni,相图：,相图分析：,2,个点、,2,条线、,3,个区。,测定方法：热分析法（最常用）。,二元合金相图的建立,热分析法建立相图的过程,配制系列成分的铜镍合金,测出它们的冷却曲线，得到临界点,把这些点标在,T,成分坐标上,将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所存在的相，即得到,Cu-Ni,合金相图,2,、分凝现象与分凝系数,（,1,）分凝现象,定义：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同现象（偏析现象）。,（,2,）平衡分凝系数,在一定温度,T,下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值,A,A,（,3,）有效分凝系数,非平衡状态：一定的结晶速度，结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度,杂质在界面附近熔体中堆积，形成浓度梯度,加快向熔体内部扩散,达到动态平衡：单位时间内，界面排出的杂质量与扩散等离开界面的杂质量相等，在界面薄层中浓度梯度不再改变。,为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响,引出有效分凝系数,K,eff,=C,S,/C,L0,C,s,:,固相杂质浓度,C,L0,:,熔体内部的杂质浓度,界面不移动或者移动速度,0,时（无限缓慢结晶时）,C,L0,C,L,，,K,eff,K,0,一定速度结晶时,C,L0,C,L,，,K,eff,K,0,C,S,=K,eff,C,L0,（,4,）,BPS,公式,描述,K,eff,与,K,0,关系,杂质在界面附近的扩散层中，液流平稳，杂质运动主要是扩散，杂质分布不均匀，存在浓度梯度,在熔体内部，液流运动剧烈，杂质分布均匀,1,、,f D/,时，,K,eff,1,，,即固液中杂质浓度差不多,.,分凝效果不明显,2,、,fD/,时，,K,eff,K,0,，,分凝效果明显,为使分凝效应显著，应取,f,D/,的凝固速度（通常,f,10,-3,cm/s,），采用电磁搅拌熔体，会使扩散层中积累的杂质加速输运到整个熔体中去，,将变小，有助于,K,eff,K,0,。,3,、区熔原理,（,1,）正常凝固,将一材料锭条全部熔化后，使其从一端向另一端逐渐凝固,三点假设,凝固速度大于固相中扩散速度，可忽略杂质在固体中的扩散。,（杂质在固体中的扩散速度比其凝固速度慢得多，相差,7-9,个量级，此假设能成立）,2.,熔体中的扩散速度大于凝固速度可认为,杂质在熔体中的分布是均匀的。,（搅拌，可达到均匀）,3.,杂质分凝系数是常数,。,（材料中的杂质量原本很少）,正常凝固过程中，,Cs,沿锭长的分布,由于存在分凝现象，正常凝固后锭条中的杂质分布不再是均匀的，会出现三种情况：,K,1,的杂质，杂质向尾部集中；,K,1,的杂质，杂质向头部集中；,K1,的杂质，基本上保持原有的均匀分布的方式,式中,C,0,为全锭熔化时的杂质总量,g,凝固长度,正常凝固法的缺点,K,小于,1,的杂质在锭尾，,K,大于,1,的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低。,解决办法,区熔提纯,:,它是把材料的一小部分熔化,并使熔区从锭条的一端移到另一端。,（,2,）区熔提纯,利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。,一次区熔后锭条中的杂质浓度,C,s,随距离,x,变化的分布规律：,式中,熔区已走过的距离,熔区长度,一次区熔提纯与正常凝固后的杂质浓度分布的比较图（,K,0,=0.01,）,一次区熔提纯与正常凝固的效果比较,单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好,l,越大，,Cs,越小,即熔区越宽，一次区熔提纯的效果越好,对于最后一个熔区,属于正常凝固,不服从一次区熔规律,多次区熔与极限分布,一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头,使中间部分达到要求的程度,？,对于一个有限长度的锭，能否用区熔的方法无限提纯,多次区熔的过程,在凝固界面，对于,k1,的杂质，由于分凝作用将部分被 排斥到熔区，并,向后携带,在熔化界面，锭料的熔化带入新的杂质，并从熔化界面向凝固界面运动（,杂质倒流,），其结果是使整个熔区,杂质浓度增加,随着区熔次数的增加，尾部杂质越来越多，浓度梯度越来越陡，杂质倒流越严重,极限分布,经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布,也叫最终分布,。,C,s,n,1,（,x,）,=C,s,n,（,x,）,达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式,C,S,(x)=Ae,Bx,K=Bl/(e,Bl,-1),A=C,0,BL/(e,BL,-1),C,S,(x):,极限分布时在,x,处固相中杂质浓度,K:,分凝系数,l:,熔区长度,X:,锭的任何位置,C,0,:,初始杂质浓度,L:,材料锭的长度,若知道,K,B,A,C,S,(x),多次区熔规律,:,K,越小头部杂质浓度越小,即,C,s,(x),越小,l,越小,C,s,(x),越小,K,越小,l,越小,区熔提纯效果越好,!,影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的,分凝系数,和,熔区长度,（,3,）影响区熔提纯的因数,熔区长度,一次区熔时：,C,s,=C,0,1-(1-K)e,-kx/l,l,大,C,s,小,提纯效果好,l,越大越好,极限分布时,(K,一定,),：,l,大,B,小,A,大,C,s,(x),大,提纯效果差,l,越小越好,应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。,熔区的移动速度,BPS,公式：,f,越小，,k,eff,越接近,k,0,，提纯效果好,区熔次数少,但是过低速度使得生产效率低,过快的,f,使得提纯效果差,区熔次数增多,f,与区熔次数产生矛盾,?,如何解决,对策：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔,即使,n/(f,/D),最小,实际操作中的对策,:,实际区熔速度的操作规划是选,f,/D,近似于,1,区熔次数的选择,利用右图,找到不同,K,值时锭首极限分布值,由,C,Sn,（,0,）,=k,n,C,0,计算出,n,区熔次数的经验公式,n=(11.5)L/,l,n:,区熔次数,L:,锭长,l:,熔区长度,20,次左右为宜,质量输运（质量迁移）,现象：一头增粗，一头变细,原因：熔体与固体的密度不同,对策：在水平区熔时，将锭料倾斜一个角度，（经验表明，,3-5,度）以重力作用消除输运效应。,