「點石成玉」：晶體生長技術需要解決的13個基本問題

晶體生長技術是利用物質(液態、固態、氣態)的物理化學性質控制相變過程，獲得具有一定結構、尺寸、形狀和性能的晶體的技術。

剛玉的天然結構(a)和人工晶體生長獲得的紅寶石(b)

圖(a)為天然的剛玉，經過熔融和人工晶體生長可以得到圖(b)所示的紅寶石。人工晶體生長的奇妙之處可見一斑，堪稱「點石成玉」的技術。

晶體生長技術的發展

人們從事晶體生長的歷史可以追溯到公元前2700年前後。那個時期，我們的祖先已掌握了從海水中獲取食鹽晶體的方法。在我國明代的著作《天工開物》中記載有「天生曰鹵，人生曰鹽」。此處的「人生」即為現在所說的人工晶體生長。我國古代的煉丹術中關於「丹砂燒之成水銀，積變又還成丹砂」的記載，其後一句即是由S和Hg合成HgS晶體的過程。然而，在漫長的歷史中，晶體生長一直只是一種憑經驗傳授的技藝。

直到20世紀初，現代科學技術的原理不斷地被用於晶體生長過程的控制，晶體生長開始了從技藝向科學的進化。特別是50年代以來，以單晶硅為代表的半導體材料的發展推動了晶體生長理論研究和技術的發展。

近年來，多種化合物半導體等電子材料、光電子材料、非線性光學材料、超導材料、鐵電材料、金屬單晶材料的發展，引出一系列理論問題，並對晶體生長技術提出了越來越複雜的要求，晶體生長原理和技術的研究顯得日益重要，成為現代科學技術的重要分支。

目前，晶體生長已逐漸形成了一系列的科學理論，並被用於晶體生長過程的控制。但這一理論體系尚未完善，仍有大量的內容依賴於經驗。因此，人們通常認為人工晶體生長是技藝和科學的結合。

晶體生長方法可以根據其母相的類型歸納為4大類，即熔體生長、溶液生長、氣相生長和固相生長。隨著控制條件的變化，這4類晶體生長方法已演變出數十種晶體生長技術。

晶體生長方法的分類

晶體生長過程的研究需要解決的基本問題

▍1.晶體生長過程能夠發生的熱力學條件分析及其生長驅動力

晶體生長過程是一個典型的相變過程，因此進行晶體生長過程設計時首先需要考慮的是該相變過程在什麼條件下可以發生、相變驅動力的大小與環境條件的關係，並以此為基礎，選擇合理的晶體生長條件。這是一個典型的熱力學問題。

▍2.晶體生長過程中的形核

晶體生長的第一步是獲得晶體結晶核心，後續的結晶過程通過該核心的長大完成。結晶核心可以是外來的，即引入籽晶，也可以直接從母相中形核獲得。該形核過程是需要嚴格控制的。理想的單晶生長過程應該精確地控制到只形成一個晶核。在後續的晶體長大過程中，防止新的晶核形成也是晶體生長過程形核研究的重要課題。

▍3.晶體生長界面的結構及其宏觀、微觀形態

在完成形核之後，晶體生長過程是通過結晶界面不斷向母相中推進進行的。結晶界面的宏觀及微觀形態與結晶過程的宏觀傳輸特性相互耦合、相互影響，並對晶體的結晶質量，特別是晶體結構缺陷與成分偏析的形成具有至關重要的影響。因此，從結晶界面彎曲特性等宏觀的形貌，到結晶界面納米到毫米尺度上的平整度等細觀形貌，直至晶面原子尺度的微觀結構都是晶體生長研究的重要課題。

▍4.結晶界面的物理化學過程

母相中的原子或分子在結晶界面上的沉積過程、堆垛方式，以及界面上的化學反應、擴散行為等是影響晶體結構完整性的重要因素。該過程決定著雜質與夾雜物的捲入、溶質的分凝、缺陷(點缺陷、位錯、孿晶等)的形成，特別是對於溶液法及化學氣相沉積法晶體生長過程顯得尤為重要。

▍5.晶體生長過程中的溶質再分配

溶質原子及摻雜在結晶界面上的分凝是由其物理化學性質決定的。分凝導致形成晶體中的成分與母相成分的不同。對於熔體法和溶液法晶體生長過程，通常採用分凝係數反映分凝特性。某特定組元在結晶界面的分凝係數ki定義為析出晶體中該組元的含量wSi與母相中該組元含wLi的比值，即，ki=wSi/wLi。

結晶界面上的溶質分凝(成分的變化)使其附近液相和晶體中形成成分梯度而引起擴散，晶體生長過程中的溶質再分配包括了界面上的分凝及固相和液相中的擴散。

▍6.晶體生長過程中的熱平衡及其傳熱過程式控制制

晶體生長過程通常是在梯度場中進行的，而結晶過程通常也包含熱效應，如結晶潛熱的釋放。傳熱過程不僅決定著結晶過程能否進行，而且傳熱方式控制是結晶界面的宏觀、微觀形貌及生長速率控制的主要手段。

▍7.晶體結構缺陷的形成與控制

晶體中的主要缺陷可在結晶過程中直接形成，也可以在結晶結束後的保溫過程中形成。合理地控制晶體的熱過程，可以改變缺陷的密度與分布，實現晶體的改性。

▍8.晶體材料原料的提純

在半導體等電子、光電子材料及各種功能晶體材料中，微量的雜質可能會對其性能造成災難性的影響。精確控制材料中的雜質含量，實現材料的高純度是至關重要的。因此，材料的提純成為晶體生長研究必不可少的環節。材料的提純技術包括化學方法及區熔法等物理方法。在晶體生長過程中還要進行全過程式控制制，防止材料的二次污染。

▍9.化合物晶體材料合成過程的化學反應熱力學及動力學

對於化合物晶體材料，需要首先進行原料的合成。合成過程可以採用高純原料直接合成，也可以藉助中間化合物間的化學反應合成。在採用高純原料合成過程中通常會遇到不同的技術難題：單質材料通常熔點較低，而形成化合物後熔點很高，形成的固態化合物會阻斷反應的通道，為了維持反應的繼續進行，需要進一步提高溫度。但提高反應溫度又會遇到高蒸汽壓、雜質污染等技術問題。藉助於中間化合物進行化學合成的過程中，需要維持反應充分進行，並使其他副產物能夠從晶體材料中排除，從而保證晶體的純度。

▍10.晶體材料結構、缺陷與組織的分析與表徵

晶體結構、缺陷及組織分析是評價結晶質量的基本環節。該環節獲得的信息將對改進和完善晶體生長工藝提供重要的信息。從傳統的光學顯微分析到X射線衍射技術，透射電鏡、掃描電鏡等電子顯微分析技術，都已成為晶體結構分析的重要手段。同時，藉助於吸收光譜、光致發光譜等分析技術也能間接獲得晶體結構與缺陷的信息。

▍11.晶體材料的力學、物理、化學等性能表徵

晶體材料的力學、物理、化學性質的分析是考查材料使用性能的依據。材料使用性能的要求不同，所需要檢測的性能指標也不同。

▍12.晶體生長過程溫度、氣氛、真空度等環境條件的控制

晶體生長過程的環境控制主要包括：溫度控制，即升溫與保溫過程；溫度場的控制，即溫度場的分布及溫度梯度；真空度的控制；氣氛控制，即環境介質中氣相的成分及不同氣體的蒸汽分壓；自然對流及溶液、氣相生長過程中流體流動場的控制；晶體生長的坩堝材料選擇，其主要依據是室溫及高溫強度、工作溫度、熱穩定性及化學穩定性。由於需要防止坩堝材料與晶體材料之間發生化學反應，對於不同的晶體需要選用不同的坩堝材料。

▍13.晶體生長設備機械傳動系統的控制

晶體生長設備通常包括大量的傳動系統，如拉晶過程中的抽拉速度控制、晶體及坩堝的旋轉、氣相生長系統中樣品的移動。這些傳輸過程通常對低速及長時間的穩定性、平穩性、位置的精確控制等有很高的要求，是先進的機電一體化技術。

上述問題涉及的學科領域包括物理學、化學、化學工程、材料科學、應用數學、機電工程等學科領域，並且與工程熱物理、地礦學、測試技術、電子信息、計算機等學科交叉。因此，晶體生長作為應用性的學科，具有綜合性、交叉性的特點，需要綜合相關學科領域的知識，並進行創造性的運用。

初版於2010年9月的《晶體生長原理與技術》系統地反映近代晶體生長理論和技術的發展歷程、現狀和研究成果，得到業內同行的關注，先後兩次印刷，兩年前已售完。隨著現代科學技術，特別是電子與光電子技術的快速發展，新的晶體材料層出不窮，晶體生長技術也不斷出新。為反映這些進展，同時吸納國內外同行提出的諸多建議，2018年對此書進行了一次較大的修訂，第二版重點對第1篇和第3篇的內容進行了修改和增補，增補內容共38處，並對其他個別地方作了文字修改。

本文摘編自《晶體生長原理與技術（第二版）》（介萬奇 編著. 北京：科學出版社，2019.01）一書「第1章 導論」，有刪減，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-058998-9

責任編輯：吳凡潔

本書分4篇探討晶體生長的原理與技術。第一篇為晶體生長的基本原理，分5章對晶體生長的熱力學原理、動力學原理、界面過程、生長形態及晶體生長初期的形核相關原理進行論述。第二篇為晶體生長的技術基礎，分3章進行晶體生長過程的涉及傳輸行為(傳質、傳熱、對流)、化學基礎問題(材料的提純與合成問題)以及物理基礎(電、磁、力的作用原理)的綜合分析。第三篇為晶體生長技術，分4章分別對以 Bridgman法為主的熔體法晶體生長、以 Czochralski方法為主的熔體法晶體生長、溶液法晶體生長以及氣相晶體生長技術與最新發展進行介紹。第四篇分2章分別對晶體生長過程中缺陷的形成與控制和晶體的結構與性能表徵方法進行論述。

（本文編輯：劉四旦）

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