半导体材料与工艺之 晶体生长原理资料.pptVIP

完 * 1．控制过冷度（适用于小型或薄壁的铸件） 在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则比值N/G越大，因而晶粒越细小。增加过冷度的方法： 提高液态金属的冷却速度。在铸造生产中，为了提高铸件的冷却速度，可以采用金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度采用蓄热多、散热快的金属型，局部加冷铁，以及采用水冷铸型等。 采用低的浇注温度、减慢铸型温度的升高或者进行慢浇注。这样做一方面可使铸型温度不至升高太快，另一方面由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，结果即可获得细小的晶粒。 快速凝固技术制备微晶合金，强度很高。 8.1.4.4 控制晶粒度的方法 * 2．变质处理或孕育处理( 可用于较大的厚壁铸件) 变质处理（inoculation），即在浇铸时向液态金属中加入变质剂,达到细化晶粒的目的。变质剂分为两类： 一类是促进形核的物质。如向钢中加入Ti,Zr,B,Al，在铝中加入TiC, VC, WC, MoC等，它们可以作为非均匀形核的基底，增大形核率而细化晶粒。 另一类是阻碍长大的物质。如在铝硅合金中加入钠盐，钠能富集于硅的表面，降低硅的长大速度，可以有效地阻止晶粒长大而细化晶粒。 3．振动和搅拌 利用机械、电磁、超声波等方法振动和搅拌，可以促进形核。特别是促进由型壁形成的晶体脱落游离，促进枝晶的对流和破断繁殖，从而达到增加晶核，细化晶粒的作用。 8.1.4.4 控制晶粒度的方法 * 1.玻璃 快速凝固工艺（rapid solidification processing）：制备微晶（microcrystalline）合金和金属玻璃的条带和粉末。 光致变色玻璃（photochromic glass）：这是一种能随光照强弱而改变颜色的玻璃。在这些非晶材料中，有意加入一些其它材料的纳米晶，使其具有特殊的光学性能，可使玻璃具有变色的作用。 在非晶玻璃中控制形核可以用于制造被称为量子点（quantum dots）的半导体纳米晶材料。 气相沉积技术可以将气相快速冷却直接得到非晶材料（如非晶硅）。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速凝固的方法目前还无法得到非晶态。近年来，发展了许多种气相沉积非晶态硅膜的技术(真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等）。 8.1.4.5 其它控制形核的应用 * 2. 玻璃陶瓷（微晶玻璃）glass-ceramics 它是指一种以非晶态玻璃开始，以晶体陶瓷结束的具有超细晶粒的工程材料。它几乎没有气孔，具有很高的强度和热震抗力，具有玻璃的容易熔化和成型的优点。 在硅酸盐玻璃中，引入形核剂TiO2和ZrO2有助于形核。如果玻璃陶瓷晶粒保持很小的状态(~50-100nm)，它通常是透明的。含有Li2O-SiO2-Al2O3,MgO- Al2O3-SiO2和BaO-SiO2- Al2O3特定成分的玻璃可以转变为实用的玻璃陶瓷。 3.水滴的形核和冰晶体形成 人工降雨的原理是将超细的晶体注入到云层中，产生了液体水的非均匀形核。同样，滑雪胜地使用的造雪机采用了加入一种Snomax的蛋白质衍生物作为非均匀形核的形核剂的方法制造大量的雪。 8.1.4.5 其它控制形核的应用 * 1. 急冷区（Chill zone）（表面等轴细晶区） 形成原因： 较大的过冷度 型壁大量形核 晶粒不能继续长大 等轴晶区较薄，因此对铸锭的性能没有重要的影响。 Section 8.1.5 Cast Structure 铸锭组织 8.1.5.1铸锭的宏观组织 * Development of the ingot structure of a casting during solidification: (a) Nucleation begins, (b) the chill zone forms, (c) preferred growth produces the columnar zone3, and (d) additional nucleation creates the equiaxed zone 铸锭的组织的形成过程 (a) 形核开始, (b) 急冷区形成 (c) 柱状晶粒区形成 (d) 中心等轴晶粒区形核 * 2. 柱状晶区(Columnar zone) 形成原因： 对液态金属的冷却作用减缓。 以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大； 散热是沿着垂直于模壁的方向进行； 如果柱状晶一直能生长到铸锭的中心，-穿晶组织。 柱状晶区使树枝晶得不到充分的发展，树枝的分枝很少。因此结晶后的显微缩孔少，组织较致密。 当柱状晶较发达时，将使铸件在性能上呈现方向性。 当两个相互垂直方向生长的柱状晶相遇，会形成杂质聚集的脆弱界面，在锻造、轧制热加工过程中容易沿着这些界面产生开裂。 除一些低熔点、塑性好的有色金属之外，一般不希望有较多的柱状晶。 8