有哪些因素会影响单晶硅晶体生长

晶体生长的形态主要是由晶体内部的结构决定的，因此晶体结构是决定晶体生长形态的内因，但是晶体在生长过程中所处的外界环境条件，也会对晶体的形态产生一定的影响。下面我们对影响晶体生长的几种主要外部因素分析如下。

1.涡流和生长介质的流动方向

在晶体的生长过程中，随着晶体周围溶液中的溶质向晶体上的粘附以及晶体生长释放出来的热量增加，晶体周围的溶液密度减小温度升高而在重力作用下上升，从而使远离晶体的冷的重溶液向晶体方向流动，从而形成涡流。涡流使晶体生长的物质供给不均匀，悬浮在溶液中的晶体下部易得到溶质的供应，而贴着基底的晶体底部得不到溶质的供给，因而造成晶体的形态特征不同。生长介质流动方向对晶体生长的影响与此类似：面对介质来源方向的晶面生长速度快而其相反方向生长较慢

2.温度

在不同的温度条件下，同一种晶体的不同晶面，其相对生长速度会有所改变，从而影响其生长形态。如方解石（CaCO3）在较高温度下常形成扁平状的层解石，而在常温的地表水溶液中多生成细长晶体。许多链状结构矿物如辉锑矿、锡石、角闪石的晶体生长与温度的关系均如此（图2-10）。其成因是高温条件下强键对质点的获取优势不甚明显而低温时则十分突出。

3.杂质与酸碱度

溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能，从而使其相对生长速度也随之变化，进而影响晶体的形态。例如，在纯净水中石盐常结晶出立方体晶形，而在溶液中有少量硼酸存在时则出现立方体和八面体聚形。

晶体不同方向面网的性质可以有明显差异，有的适合在碱性条件下生长而有的适合在酸性条件下生长，故溶液的酸碱度也能影响晶体的形态。

4.黏度

在黏度较大的情况下，溶液中质点的供给主要以扩散的方式进行。在这种情况下，晶体上容易接受溶质的棱、角部分生长较快，而晶面的中心部分生长较慢，甚至不生长。许多矿物的树枝状晶和骸晶（图2-11）常常是在高黏度溶液中生成的。

5.结晶速度

结晶速度越快，则形成的结晶中心越多，在围绕多个结晶中心生长的情况下，晶体不易长大，因此形成的晶体多为细粒状。反之，结晶速度越慢，体系中结晶中心的数量越少，越有利于晶体的长大，晶体多呈粗粒状。例如，岩浆在地下深处缓慢结晶时，形成的矿物晶体粗大，如花岗岩中的石英、长石矿物晶体等；同样的岩浆在地表快速结晶时，则形成细粒矿物晶体，如流纹岩中的石英、长石晶体等。

图2-11 自然铜的树枝状晶和自然硫的骸晶

（a.中国地质大学（北京）博物馆收藏；b.据陈光远等，1988）

此外，快速生长时晶体也能偏离其平衡态，从而形成骸晶（图2-12）和树枝晶。

6.生长顺序与生长空间

晶体生长的空间对晶体的生长形态影响较大，早期析出的晶体，具有较多的自由生长空间，晶形完整，自形程度较高；后期析出的晶体，只能在已形成的晶体残留的空间中生长，因此其晶形一般不完整，常呈半自形晶或他形晶。例如，在花岗岩中早期结晶形成的长石晶形自形程度总是高于晚期形成的石英。

7.应力作用

此外，对于在固相中形成的晶体形态而言，外部应力的作用十分重要：一般垂直于压应力轴的晶面较大；在剪切应力作用下形成的晶体可呈不对称椭球状或丝状。这对应力作用方向的判别有重要意义。

电阻率对单晶硅是非常重要的，它是影响单晶硅耐压和功率的重要因素。一个好的单晶硅，各部位的电阻率大小应该是相同的，分布应该是均匀的，可实际上，大多数单晶硅的电阻率大小是不同的，分布是不均匀的。

一根单晶硅棒的纵向（也就是它的头部与尾部）的电阻率是不同的。影响单晶硅纵向均匀性的因素主要有以下几个。

① 直拉法生产单晶硅是一个正常凝固的过程，杂质在硅中的分凝作用将影响纵向电阻率的均匀性。

以多晶硅中掺杂拉制N型单晶硅为例，随着晶体的不断生长，杂质磷逐渐地由晶体向多晶硅熔液中聚积，使得石英坩埚内剩余的多晶硅熔液中的杂质浓度越来越大，从而晶体尾部的杂质浓度就会随之增加，电阻率随之变小。

使得整个单晶硅棒的头部电阻率大于尾部。

② 在单晶硅拉制过程中，石墨器件和石英坩埚中的碳、氧杂质会不断向硅液中扩散，随时间增长，多晶硅熔液中碳、氧杂质也会不断增多，而影响单晶硅棒的纵向均匀性。

③ 杂质元素磷的不断蒸发，会使多晶硅熔液中的磷减少，也会影响单晶硅棒的纵向电阻率变化。