熔体提拉法生长宝石晶体

Czochralski是提拉法的创始人，他的论文发表在1918。这是熔体生长最常用的方法之一。用这种方法制备了许多重要的实用晶体。近年来，对这种方法进行了几项重大改进，可以成功生长一些挥发性化合物，如GaP和含铅晶体，以及具有特殊形状的晶体，如八角形硅管和漏斗形蓝宝石晶体。

二、提拉法的原理和装置

直拉法的示意装置如图9-3-1所示。生长设备包括坩埚、熔体、籽晶、直拉法系统、加热炉、温度和气氛控制系统等。将预混合的原料放入坩埚中，加热至原料熔点以上，使其熔化成熔体；坩埚上方设有可旋转升降的拉杆，拉杆下端设有用于装载籽晶的卡盘；降低拉杆，使籽晶插入熔体中，只要温度合适，籽晶不熔化，不生长，然后慢慢拉起晶棒，旋转。同时，慢慢降低加热功率，籽晶会逐渐变厚长大(“颈缩”过程)，通过不断地、小心地调节加热功率，可以得到所需的晶体。整个生长装置放置在一个可以封闭的外壳中，以保证生长环境所需的气氛和压力。透过盖子的窗口，可以观察到晶体的生长。

图9-3-1熔体提拉法宝石生长示意图

生长装置各部分的技术要求如下:要求坩埚具有耐高温、耐熔体腐蚀、易加工、无晶体污染的特点。钼坩埚一般用于生长刚玉等宝石，铱坩埚用于生长YAG、GGG、金绿宝石。加热器，要求有稳定合理的热温场，多采用中频炉，也常采用石墨或钨电阻炉。气氛控制由两部分组成，一是炉体有水冷不锈钢外壳，用于保温；另一部分充有惰性气体，如氯气、氦气和氢气。升降旋转机械是一套精密的机械装置。

三、优缺点

这种方法的主要优点是:

(1)生长过程中便于观察晶体生长。

(2)晶体生长完整性好，生长时间短，尺寸大，应力低。

(3)定向籽晶和颈缩工艺使晶体的位错密度明显降低，提高了晶体的光学均匀性。

总之，直拉法生长的晶体质量要比火焰熔炼法好得多，但是对于那些化学活性强或者熔点极高的材料，很难找到不污染熔体的坩埚，这就限制了直拉法的适用范围。

在使用提拉法的过程中，三项技术的应用让这种方法更加锦上添花。即ADC——晶体直径制动控制技术，LEC——液体封顶和EFG——单晶炉技术和导模技术。下面将详细介绍导向模式技术(EFG技术)。

第四，人造宝石的一个例子——蓝宝石

原料:用火焰熔融法制备的掺TiO _ 2+fe2o _ 3的无色刚玉碎片。TiO _ 2和fe2o _ 3的量取决于颜色，也可以使用彩色刚玉烧结块。

坩埚:钼

加热器:石墨

设备:真空充氩拉晶炉，热温度场满足界面设计要求。

条件:2050℃以上；10 ~ 15转；铸造速度可在1到10毫米/小时之间调节。

将原料放入坩埚中，加热至2060℃使原料熔化，降下上部带有取向籽晶的拉杆，使籽晶与熔体接触，温度控制在略高于熔点。然后，慢慢的拉，旋转，小心的降低功率，让晶体变得更厚。通过调节功率，实现孕育、缩口、肩等径生长、结束的整个生长过程。生长出来的晶体往往需要后期热处理，以消除晶体生长过程中形成的热应力、位错等缺陷，有时还能消除不必要的色心，从而提高晶体的质量。

五、导模法

导模法的全称是边缘限定薄膜进料提拉生长(EFG)技术，本质上是一种控制晶体形状的提拉法。根据所需的形状和尺寸制备晶体显然具有实际意义。为此，人们进行了60多年的研究。20世纪60年代取得了巨大进步。20世纪80年代以后，为了满足太阳能电池对大尺寸硅片的需求，为了生长特殊光学应用的形状复杂的蓝宝石晶体，技术有了很大的提高。可生产1mm×84mm×170mm单晶硅片和2mm×35mm×200mm蓝宝石片状晶体。

导膜工艺是将高熔点的惰性膜放入提拉法设备的熔体中，如图9-3-2所示。熔体由于毛细作用被吸引到模具的上表面，然后随着籽晶的提拉而凝固结晶，而模具上部的边缘控制晶体的形状。这样，片状、带状、管状和纤维状晶体就生长出来了。

图9-3-2导模法晶体生长示意图