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一、晶体生长二、过冷度三、晶向与界面四、晶界结构生长界面结构决定了晶体生长机制。界面的稳定性关系到晶体生长的完整性。晶体的生长形态取决于各个晶面的相对生长速率。对于晶体生长而言：固液界面在宏观上是凸形、凹形还是平坦面，在界面上有无小界面出现、流体中对流的大小、体系的热稳定性等。随着对非平衡态下生长的晶体的形貌研究的深入，枝晶则普遍用于指有明显主干的树枝状晶体。枝晶是单向凝固界面形态最典型的结构特征，胞晶可看作枝晶的特例。这些复杂的界面形态都是在平界面失去稳定性的条件下，经历一个与时间相关的非稳态过程，最后形成稳态的枝晶形态。枝晶通过硅锭侧面大晶粒方向可以辨认大部分走向为垂直于底部生长。表明目前生长界面可以控制形成微凸，侧壁晶粒的数目减少。可以有效减少光生载流子在斜向晶界处的复合。液体固体物质从液体转变为晶体的过程叫做结晶。每一种物质都有一定的平衡结晶温度或者成为理论结晶温度。实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象成为过冷现象。两者的温度差值被称为过冷度固相的自由能较低,而液相自由能与固相自由能之差就是使晶体生长过程得以进行的驱动力。当压力和熔体成分恒定时,这种自由能之差就表现为熔体的过冷度,也就是熔体偏离其平衡状态结晶温度的程度。•但是实际上，要冷却到比相变温度更低的某一温度例如C，(气-液)和E(液-固)点时才能发生相变，即凝结出液相或析出固相。这种在理论上应发生相变而实际上不能发生相转变的区域(如图所示的阴影区)称为亚稳区。•亚稳区的特征：(1)亚稳区具有不平衡状态的特征，是物相在理论上不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；(2)在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新相，必然要越过亚稳区，这就是过冷却的原因；(3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。单元系统相变过程图如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。1、冷却速度越快，材料的过冷度也会相应的增加，可以通俗的理解为随着冷却速度的增加，材料的结晶形核过程会有相应的时间滞后性，就会造成过冷度增加。2、随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。3、过冷度增大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。晶面指标为（hkl）表示该晶面族中，离坐标原点最近的晶面与坐标轴a,b和c的截距分别为1/h,1/k和1/l，如图2.7的晶面指标hkl为（134）。如果某个晶面指标为0，则表示该晶面与相应晶轴的截距为0，即平行于该晶轴。例如，（100）、（010）和（001）晶面分别平行于bc、ac和ab轴。图2.8示意了沿c轴方向投影的若干平面点阵的取向。各晶面的各生长速度不同，面密度大的晶面，面间距也大，晶面间原子的吸引力小，形成新的晶面困难，因此生成这种晶面需要的动力—过冷度大些。由于原子的面密度大，间距小，原子之间吸引力大，晶面的横向生长速度快，放出的结晶潜热多。只有比较大的纵向温度梯度才能及时散掉这些热量，达到温度平衡。直拉法生长单晶硅的热场，沿[111]晶向生长的纵向温度梯度大于沿[110]晶向生长的纵向温度梯度，沿[100]晶向生长的纵向温度梯度最小。多晶硅片不同位置的X射线衍射结果表明：刚开始生长时，111晶向由于表面能低占据优势；要想得到其它晶面占尤的硅锭，需改变晶体生长过程的过冷度。晶核形成速度快，晶体生长速度慢：晶核数目多，最终易形成小晶粒；晶核形成速度慢，晶体生长速度快：晶核数目少，最终易形成大晶粒；•(1)反应体系的温度要控制得均匀一致，以防止局部过冷或过热，影响晶体的成核和生长；•(2)结晶过程要尽可能地慢，以防止自发成核的出现，因为一旦出现自发的晶核，就会生成许多细小晶体，阻碍晶体长大；•(3)使降温速度与晶体成核、生长速度相配匹，使晶体生长得均匀、晶体中没有浓度梯度、组成不偏离化学整比性。a过冷度：过冷度越大，越容易成核。b外来物质表面结构：θ越小越有利。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差。非均匀成核晶体缺陷分类及特征：[1]点缺陷（pointdefect）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。[2]线缺陷（linedefect）：特征是在两个方向上尺寸很小,另外一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。[3]面缺陷（planardefect）：特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。热平衡缺陷(thermalequilibriumdefects)：晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，形成点缺陷，造成点阵畸变。空位的种类:肖脱基空位（Schottkyvacancies）弗兰克尔缺陷（Frenkeldefects）过饱和点缺陷(supersaturatedpointdefects)：淬火、冷变形、高能粒子使晶体中的点缺陷数量超过其平衡浓度。点缺陷点缺陷引起晶格畸变（distortionoflattice）,能量升高，结构不稳定，易发生转变。晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）位错（dislocation）是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区,长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距。位错的类型：螺型位错（screwdislocation）混合位错（mixeddislocation）刃型位错（edgedislocation）不同取向晶粒拉伸变形的形变位错组织面缺陷类型：表面(surface)：指固体材料与气体或液体的分界面。内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错。亚晶界(sub–grainboundary)：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。晶界(grainboundary)：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶。相邻晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界，简称晶界。晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界。晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o，小角度晶界；10o以上，大度角晶界。晶界处原子排列紊乱，能量增高≥晶界能。（1）晶界上原子排列不规则，造成晶界结构比较疏松。（2）在多晶聚集体中，晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上富集杂质原子多，熔点低，加热时容易过烧。晶界腐蚀速度比晶内快。（3）晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷，晶界处存在大量缺陷；晶界阻碍位错运动,引起晶界强化,提高材料的强度。晶界处原子具有较高的动能，原子在晶界处扩散比晶内快得多。（4）晶界成为固态相变时优先成核区域。晶界的尺度一般在0.1µm以下。（5）晶界具有不同与晶内的物理性质。小角度晶界θ10º：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。大角度晶界θ10º：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。确定晶界位置用：(1)两晶粒的位向差θ。(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。•小角度晶界的能量是晶界上所有位错的总能量。•大角晶界的晶界能，一般实测值大约为表面能的1/3。相界（phaseboundary)：具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。按相界面上原子间匹配程度分为：共格界面、半共格界面、非共格界面。1.共格界面（coherentphaseboundary）特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。2.半共格界面（semi-coherentphaseboundary)特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度（δ）δ＝（αα－αβ）/αα3.非共格界面（noncoherentphaseboundary）特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。(1)、共格晶界:概念：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的。无应变的共格晶界(a)晶体结构相同(b)晶体结构不同（2）半共格晶界当晶界处两相晶格间距相差较大时，则两相原子在晶界处不能全部吻合，而使部分形成共格区，不吻合处形成韧位错，晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。半共格界面示意晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。孪晶（twin）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面。孪晶分类：①共格孪晶面（coherenttwinboundary）：即孪晶面，其上的原子同时位于两侧晶体点阵的节点上，为两者共有。无畸变的完全共格界面，界面能（约为普通晶界能1/10）很低很稳定。②非共格孪晶面(non-coherenttwinboundary）：孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，其上的原子只有部分为两者共有，原子错排校严重，孪晶能量相对较高，约为普通晶界的1/2。金刚石相的孪晶结构孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。依孪晶形成原因的不同，可分为“形变孪晶”、“生长孪晶”和“退火孪晶”等。正因为孪晶与层错密切相关，一般层错能高的晶体不易产生孪晶，反之亦然。堆垛层错（stackingfault）是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。层错产生的原因：固液交界面掉有固体颗粒或热应力较大，过冷度较大等都可能造成层错面缺陷的产生，当衬底表面有机械损伤、杂质、局部氧化物、高位错密度等都有可能引起层错的产生。层错可以引起杂质的不规则扩散和不均匀分布，使器件结构不规则，引起漏电流增大，局部击穿甚至短路。成功的晶界结构模型能够明确晶界结构和晶界能的关系。晶界结构的一般几何模型包括重合位置点阵(CSL)模型、O点阵、DSC点阵、结构单元模型和多面体单元模型等,但应用最广的仍为重合位置点阵模型。CSL点阵•若将两个无限延伸,具有相同点阵结构晶体中的一个,相对于另一个晶体绕某一低指数的晶轴旋转某特定的角度后,这两个晶体点阵中的某些阵点位置会有规则的重合起来。这些重合位置的阵点在空间将构成三维空间的超点阵,称为重位点阵CLS。•重位点阵阵点所占的比例定义为1/Σ。O点阵•除CSL阵点之外，设想的互相穿插的点阵中还存在两者相互适配的其他位置。这些位置构成CSL点阵的亚阵并称为O点阵。•O点阵可看作晶界两侧晶体点阵所对应的旋转操作的原点所能够选择的位置构成的阵。•某些情况下O阵点与CSL阵点重合。DSC点阵•DSC点阵：相互穿插的二晶体点阵构成CSL点阵时，若保持二点阵取向不变，使其中一个点阵平移，则CSL点阵花样重现（但可能有平移）的平移矢量构成的点阵成为DSC点阵。结构单元模型多面体单元模型在CSL模型中,由不同取向晶体中某些位置相互重合的原子组成一个新点阵,即CSL点阵,并用CSL单胞体积与晶体点阵单胞体积的比Σ来表示其数值。Σ就是重合位置密度,它表示在CSL模型中重合的点阵位置数与总共的点阵位置数比值的倒数,Σ值越小重合点阵位置就越多。立方晶体几种重合位置点阵高效多晶原理-Ʃ3晶界举例1.θ=53.10,l=[001],∑=5,n=[001]；x=2,y=1,N=1∑=