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1、11晶体生长原理晶体生长原理半导体材料制备概述半导体材料制备概述2晶体生长作为一种相变过程大体分为晶体生长作为一种相变过程大体分为3 3类类:(1)(1)固相生长：即物态没有变更，仅有晶格结构发生变更的固相生长：即物态没有变更，仅有晶格结构发生变更的相变过程。譬如，离子注入后变成非晶态的注入层在退相变过程。譬如，离子注入后变成非晶态的注入层在退火过程中再结晶的过程，具有两种以上同质异构体的晶火过程中再结晶的过程，具有两种以上同质异构体的晶体在适当条件下的晶型转变过程等等。体在适当条件下的晶型转变过程等等。(2)液相生长液相生长:伴随在液伴随在液-固相变过程中的结晶过程，包括从固相变过程中的结晶
2、过程，包括从溶液中生长晶体溶液中生长晶体(通常是薄层通常是薄层)的液相外延过程和从熔体中的液相外延过程和从熔体中生长晶体的正常凝固过程和区域熔炼过程。例如。生长晶体的正常凝固过程和区域熔炼过程。例如。GaAs衬衬底上的底上的GaAlAs液相外延和用直拉法生长硅单晶等。液相外延和用直拉法生长硅单晶等。(3)气相生长气相生长:伴随在气伴随在气-固相变过程中的结晶过程，包括晶固相变过程中的结晶过程，包括晶体薄膜的气相外延生长过程和利用升华法生长难熔晶体的体薄膜的气相外延生长过程和利用升华法生长难熔晶体的过程。例如，过程。例如，SiH4生长硅薄膜的外延过程和碳化硅块状晶生长硅薄膜的外延过程和碳化硅块状
3、晶体的生长过程等。体的生长过程等。34Chapter Outline o8.1.1 结晶的条件和一般过程结晶的条件和一般过程o8.1.2 晶核的形成晶核的形成(Nucleation)o8.1.3 晶体的长大晶体的长大(Growth)o8.1.4 晶粒大小及其限制晶粒大小及其限制物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是指物质状态的变更，并不考虑固态的结构。只有物质从液态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属（晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一次结晶，后者称为二次结晶
4、或重结晶。它们都属相变过程。5o热分析法通过测定温度与时间的关系热分析法通过测定温度与时间的关系冷却曲线分析。冷却曲线分析。o在结晶过程中，由于结晶潜热的释放，补充了甚至超过了在结晶过程中，由于结晶潜热的释放，补充了甚至超过了容器的散热量，从而在冷却曲线上出现温度下降缓慢，或容器的散热量，从而在冷却曲线上出现温度下降缓慢，或保持不变甚至还有回升的现。由此确定结晶起先和结晶终保持不变甚至还有回升的现。由此确定结晶起先和结晶终了的温度和时间。了的温度和时间。o金属熔点或凝固点，就是结晶的理论温度金属熔点或凝固点，就是结晶的理论温度Tm。实际起先。实际起先结晶的温度结晶的温度Tn，总是低于，总是低于
5、Tm，称为过冷现象。过冷度，称为过冷现象。过冷度T=Tm-Tn。冷却速度越大。则过冷度越大，即实际结。冷却速度越大。则过冷度越大，即实际结晶温度越低。晶温度越低。o过冷度有一最小的临界过冷度，若过冷度小于此值结晶过过冷度有一最小的临界过冷度，若过冷度小于此值结晶过程就不能进行。程就不能进行。Section 结晶的条件和一般过程结晶的条件和一般过程冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷(undercooling)现象现象6Figure(a)Cooling curve for a pure metal that has not been well inoculated.Liquid cools as spe
6、cific heat is removed(betweens points A and B).Undercooling is thus necessary(between points B and C).As the nucleation begins(point C),latent heat of fusion is released causing an increase in the temperature of the liquid.This process is known as recalescence(point C to point D).Metal continues to
7、solidify at a constant temperature(T melting).At point E,solidification is complete.Solid casting continues to cool from the point.(b)Cooling curve for a well inoculated,but otherwise pure metal.No undercooling is needed.Recalescence is not observed.Solidification begins at the melting temperature7o
8、等温等压下，系统总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态自发转变最小自由能原理o液态和固态的体积自由能，都随温度的上升而降低。GL随温度的变更曲线较陡，GS随温度的变更曲线较缓。液态和固态自由能相等时所对应的温度，即为理论结晶温度Tm。8.1.1.2 结晶的热力学条件结晶的热力学条件液态和固态的体积自由能随温度的变更曲线8o当T=Tm时,GL=GS，液态并无转变为固态的自发趋势。只有当T Tm时，GS GL，才有可能使自由能降低，从而自发结晶。液相和固相的体积自由能之差，构成了结晶的驱动力。o液相和固相的界面能，构成了结晶的阻力。只有依靠体积自由能的降低来补充界面能的上升，结晶过程才能进行。o
9、液、固相的体积自由能差Gv=GS-GL。Gv0(T)0。所以，上式表明，晶体的气相生长要求。所以，上式表明，晶体的气相生长要求PPPP0 0，也就是气体压强要超过该温度下晶体的饱和蒸气，也就是气体压强要超过该温度下晶体的饱和蒸气压，系统处于气压过饱和状态。这就是晶体气相生长的压，系统处于气压过饱和状态。这就是晶体气相生长的热力学条件。相反，若热力学条件。相反，若PPP0。所以，上式表明，从溶液中生。所以，上式表明，从溶液中生长晶体要求。长晶体要求。CC0即溶液的浓度要超过相同即溶液的浓度要超过相同T、P下晶下晶体溶质体溶质i的饱和溶解度，使系统处于浓度过饱和状态。这的饱和溶解度，使系统处于浓度
10、过饱和状态。这就是从溶液生长晶体的热力学条件。相反，若就是从溶液生长晶体的热力学条件。相反，若CTm 时，体积自由能与表面能都上升，整个体系的自由能必定上升，相起伏极不稳定，即现即逝。当T0）的温度分布称为正的温度梯度。对于粗糙界面，晶体的表面在显微尺度下，其外形平整。对于光滑界面，由于表面取向有时不利于降低能量，也可能沿着几个能量较低的晶面形成锯齿状的台阶型表面。当然在整体外形上还是平行于等温面。平面长大的晶体外形，是以表面能较小的密排面围成的规则形态。例如亚金属Sb,Si等和合金中的一些金属间化合物，往往具有规则的形态。晶体长大方式及其形貌晶体长大方式及其形貌液态金属中的温度分布（a）正的
11、温度梯度（b）负的温度梯度正的温度梯度晶体的长大方式(a)光滑界面(b)粗糙界面 482在负的温度梯度下的长大状况 树枝状长大dendritic growth负的温度梯度，即从晶体表面对液体内部的温度渐渐降低，过冷度渐渐增大，液相中形核条件不好时，在固相形成之前，液相必须要过冷。晶核长大时所放出的结晶潜热，使界面的温度很快上升到接近金属熔点Tm的温度，随后放出的结晶潜热就主要由已结晶的固相流向四周的液体，于是在固液界面前沿的液体中就会建立起负的温度梯度。假如有部分固相凸出长入液体，就进入过冷度较大的界面前沿的液相区域，更有利于晶体的长大。于是，固液界面不再保持平面状态，而是形成了很多伸向液体内
12、部的晶轴。晶轴接着生长，直到过冷液相温度回升至凝固温度。最终剩余的液相按平面长大方式凝固。由于这些晶轴就似乎树枝一样，就称为枝晶。晶体长大方式及其形貌晶体长大方式及其形貌49p枝晶的生长有确定的方向性。如FCC,BCC结构，枝晶平行于晶向。HCP结构的枝晶平行于 晶向。p很纯的金属凝固后，不易看到枝晶，只能看到各个晶粒的边界。p若在枝晶间富集很多杂质，在金相样品上就可看到枝晶痕迹。合金的枝晶特征更易视察。由于金相样品的磨面多与很多二次枝晶相交，因而在金相样品中看不到完整的树枝，只看到一串串由很多椭圆组成的截面形象。p倘如在结晶过程中间，在形成了一部分金属晶体之后，马上把其余的液态金属抽掉，这时
13、就会看到，正在长大着的晶体的确呈树枝状。有时在金属锭的表面最终结晶终了时，由于枝晶之间缺乏液态金属去填充，结果就留下了树枝状的花纹。晶体长大方式及其形貌晶体长大方式及其形貌50纯金属中，枝晶生长只占生长方式的一小部分。其比例：式中，c是液体的比热。分子表示过冷液体吸取的热量。分母上的潜热表示在凝固中释放的总热量。当过冷度增加，更易产生枝晶生长。假如液体形核条件很好，过冷度几乎为零。以平面长大方式进行。具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，假如光滑度不太大，仍有可能形成树枝状晶体，但往往带有小平面的特征，例如锑出现带有小平面的树枝状晶体即为此例。但是负的温度梯度较小时，仍有可能长成规则的几何
14、外形。对于光滑度大的晶体来说，即使在负的温度梯度下，仍有可能长成规则形态的晶体。晶体长大方式及其形貌晶体长大方式及其形貌生长过程中晶面的扩展与消逝生长过程中晶面的扩展与消逝a密排面密排面b非密排面非密排面（a）金刚石结构）金刚石结构111密排面，外形正八面体密排面，外形正八面体（b）111籽晶。正八面体在籽晶。正八面体在(111)面上的投影，正六边形面上的投影，正六边形（c）111籽晶。籽晶旋转。三条棱线或者六条棱籽晶。籽晶旋转。三条棱线或者六条棱（d）001籽晶。籽晶旋转。四条棱线籽晶。籽晶旋转。四条棱线（e）110籽晶。籽晶旋转。二条棱线籽晶。籽晶旋转。二条棱线53晶体生长的速率取决于冷速
15、或者散热速度。高的冷速产生快速凝固并缩短凝固时间。简洁铸件完全凝固时间ts可以依据Chvorinov公式来计算：式中V是铸件的体积，表示在凝固前须要散掉的热量；A是和铸型接触的铸件的表面积，表示铸件的散热面积；n是常数（通常n=2），B是铸型常数，它取决于金属铸件、铸型的性能和起始温度。此公式说明白铸件尺寸和散热条件的关系。它表明在相同条件下，体积小、表面积较大的的铸件冷却速度更快。凝固从表面起先进行，热量通过表面释放到四周的铸型中。则铸件的凝固速度可以通过凝固表层厚度d生长状况来表示：式中t为浇铸后时间，ks是和确定铸件材料和铸型有关的常数，c1是和浇铸温度有关的常数。凝固时间和枝晶尺寸凝固
16、时间和枝晶尺寸54枝晶尺寸可以用二次枝晶臂间距（secondary dendrite arm spacing-SDAS）描述。凝固速度越快，二次枝晶臂间距越小。二次枝晶臂间距与凝固时间有关，可以表示为：SDAS=ktsm式中k和m是和材料有关的常数。二次枝晶臂间距越小，材料的强度越高，韧性越好，类似于细晶强化。快速凝固工艺可以得到超细的二次枝晶臂间距；喷射雾化（spray atomization）法可以将很细的金属液滴以104/s冷却速度，凝固成尺寸为5100m的细粉末颗粒。虽然这个冷却速度还不足以产生金属玻璃，但是可以得到很细的枝晶组织。用粉末冶金法将细粉末成型烧结，可以得到优异的性能。对很
17、多化学成分困难的合金，用喷射雾化法还可以得到成分特别匀整的粉末。对结构和性能的影响对结构和性能的影响55Figure When the temperature of the liquid is above the freezing temperature a protuberance on the solid-liquid interface will not grow,leading to maintenance of a planer interface.Latent heat is removed from the interface through the solid56Figure
18、(a)If the liquid is undercooled,a protuberance on the solid-liquid interface can grow rapidly as a dendrite.The latent heat of fusion is removed by raising the temperature of the liquid back to the freezing temperature.(b)Scanning electron micrograph of dendrites in steel(x 15)57Figure (a)The second
19、ary dendrite arm spacing(SDAS).(b)Dendrites in an aluminum alloy(x 50).(From ASM Handbook,Vol.9,Metallography and Microstructure(1985),ASM International,Materials Park,OH 44073-0002.)58Figure The effect of solidification time on the secondary dendrite arm spacings of copper,zinc and aluminum59Figure
20、 The effect of the secondary dendrite arm spacing on the properties of an aluminum casting alloy60干脆表示晶粒的平均直径。干脆表示晶粒的平均直径。用单位体积中的晶粒数用单位体积中的晶粒数Zv（1/mm3），或单位截面上的晶），或单位截面上的晶粒数粒数Zs (l/mm2）表示。）表示。用晶粒度表示用晶粒度表示(N):n=2N-1 m=2N-3式中式中n为放大为放大100倍下每平方英寸（约倍下每平方英寸（约645mm）面积的平均）面积的平均晶粒数目，晶粒数目，m为不放大状况下每平方毫米面积的平均晶粒为
21、不放大状况下每平方毫米面积的平均晶粒数目，数目，N为晶粒度，晶粒度的数字越大，晶粒越细。在实为晶粒度，晶粒度的数字越大，晶粒越细。在实际工作中，将金相样品用显微镜放大际工作中，将金相样品用显微镜放大100倍，按标准级别图倍，按标准级别图比照评定。比照评定。Section 8.1.4 晶粒大小及其限制.1 .1 晶粒大小的表示法晶粒大小的表示法61单位体积的晶粒数单位体积的晶粒数 Zv=0.9(N/G)3/4 单位截面上的晶粒数单位截面上的晶粒数 Zs=1.1(N/G)1/2 在过冷度不很大时，在过冷度不很大时，N,G都随都随T的增大而增大。但形核率的增大而增大。但形核率增加得快，故增加得快，故
22、N/G的值随的值随T而增大。因此，而增大。因此，在实际结晶条在实际结晶条件下，过冷度越大，晶粒越细。件下，过冷度越大，晶粒越细。.2 晶粒大小与过冷度的关系晶粒大小与过冷度的关系62晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻力越大，所以金属晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻力越大，所以金属的强度越高。此外，晶粒越细，位错塞积造成的应力集中的强度越高。此外，晶粒越细，位错塞积造成的应力集中也小，所以金属的塑性也得到改善。这种强化方式称为细也小，所以金属的塑性也得到改善。这种强化方式称为细晶强化。在全部强化方式中，只有细晶强化可以使强度和晶强化。在全部强化方式中，只有细晶强化可以使强度和塑性同时得到改善，
23、其它方法多数在提高强度的同时而使塑性同时得到改善，其它方法多数在提高强度的同时而使塑性降低。塑性降低。晶粒大小与屈服强度的关系，有一个要要的阅历公式晶粒大小与屈服强度的关系，有一个要要的阅历公式 此式称为霍尔一配奇此式称为霍尔一配奇(Hall-Petch)公式。式中公式。式中d为晶粒平为晶粒平均直径，均直径，0 大体相当于单晶体的屈服强度（即大体相当于单晶体的屈服强度（即d时），时），K为与晶界结构有关的一个系数，表征晶界对强度影响的为与晶界结构有关的一个系数，表征晶界对强度影响的程度。程度。晶粒度对金属性能的影响晶粒度对金属性能的影响631 1限制过冷度（适用于小型或薄壁的铸件）限制过冷度（
24、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，则比值在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则比值N/GN/G越大，因而晶粒越细小。增加过冷度的方法：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，可以接受金属型或石墨型代替砂型，增加金的冷却速度，可以接受金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度接受蓄热多、散热快的金属型的厚度，降低金属型的温度接受蓄热多、散热快的金属型，局部加冷铁，以及接受水冷铸型等。属型，局部加冷铁，以及接受水冷铸型等。接受低的
25、浇注温度、减慢铸型温度的上升或者进行慢浇注。接受低的浇注温度、减慢铸型温度的上升或者进行慢浇注。这样做一方面可使铸型温度不至上升太快，另一方面由于这样做一方面可使铸型温度不至上升太快，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。小的晶粒。快速凝固技术制备微晶合金，强度很高。快速凝固技术制备微晶合金，强度很高。8.1.4.4 限制晶粒度的方法限制晶粒度的方法642 2变质处理或孕育处理变质处理或孕育处理(可用于较大的厚壁铸件可用于较大的厚壁铸件)变质处理（变质处理（inoculationinoculation），即在浇
26、铸时向液态金属中加入），即在浇铸时向液态金属中加入变质剂变质剂,达到细化晶粒的目的。变质剂分为两类：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。如向钢中加入一类是促进形核的物质。如向钢中加入Ti,Zr,B,AlTi,Zr,B,Al，在铝，在铝中加入中加入TiC,VC,WC,MoCTiC,VC,WC,MoC等，它们可以作为非匀整形核的等，它们可以作为非匀整形核的基底，增大形核率而细化晶粒。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，可以有效地阻挡能富集于硅的表面，
27、降低硅的长大速度，可以有效地阻挡晶粒长大而细化晶粒。晶粒长大而细化晶粒。3 3振动和搅拌振动和搅拌利用机械、电磁、超声波等方法振动和搅拌，可以促进形利用机械、电磁、超声波等方法振动和搅拌，可以促进形核。特殊是促进由型壁形成的晶体脱落游离，促进枝晶的核。特殊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。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 限制晶粒度的方法限制晶粒度的方法651.玻璃玻璃快速凝固工艺（快速凝固工艺（rapid solidification processing）：制备微晶）：制备微晶（microcrysta
28、lline）合金和金属玻璃的条带和粉末。）合金和金属玻璃的条带和粉末。光致变色玻璃（光致变色玻璃（photochromic glass）：这是一种能随光照强）：这是一种能随光照强弱而变更颜色的玻璃。在这些非晶材料中，有意加入一些其它弱而变更颜色的玻璃。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。的作用。在非晶玻璃中限制形核可以用于制造被称为量子点（在非晶玻璃中限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。）的半导体纳米晶材料。气相沉积技术可以将气相快速冷却
29、干脆得到非晶材料（如非晶气相沉积技术可以将气相快速冷却干脆得到非晶材料（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，发展了很多种气相沉积非晶态硅还无法得到非晶态。近年来，发展了很多种气相沉积非晶态硅膜的技术膜的技术(真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等）。真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等）。8.1.4.5 其它限制形核的应用其它限制形核的应用662.玻璃陶瓷（微晶玻璃）玻璃陶瓷（微晶玻璃）glass-ceramics它是指一种以非晶态玻璃起先，以晶体陶瓷结束的具有超细它是指一种以非晶态玻
30、璃起先，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，具有玻璃的简洁熔化和成型的优点。震抗力，具有玻璃的简洁熔化和成型的优点。在硅酸盐玻璃中，引入形核剂在硅酸盐玻璃中，引入形核剂TiO2和和ZrO2有助于形核。假有助于形核。假如玻璃陶瓷晶粒保持很小的状态如玻璃陶瓷晶粒保持很小的状态(50-100nm)，它通，它通常是透亮的。含有常是透亮的。含有Li2O-SiO2-Al2O3,MgO-Al2O3-SiO2和和BaO-SiO2-Al2O3特定成分的玻璃可以转变特定成分的玻璃可以转变为好用的玻璃陶瓷。为好用的玻璃陶
31、瓷。3.水滴的形核和冰晶体形成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，产生了液体水的非匀整形核。同样，滑雪胜地运用的造雪机接受了加水的非匀整形核。同样，滑雪胜地运用的造雪机接受了加入一种入一种Snomax的蛋白质衍生物作为非匀整形核的形核的蛋白质衍生物作为非匀整形核的形核剂的方法制造大量的雪。剂的方法制造大量的雪。8.1.4.5 其它限制形核的应用其它限制形核的应用671.急冷区（急冷区（Chill zone）（表面等轴细晶区）（表面等轴细晶区）形成缘由：形成缘由：较大的过冷度较大的过冷度型壁大量形核型壁大量形核晶粒不
32、能接着长大晶粒不能接着长大等轴晶区较薄，因此对铸锭的性能没有重要的影响。等轴晶区较薄，因此对铸锭的性能没有重要的影响。Section Cast Structure 铸锭组织铸锭组织铸锭的宏观组织铸锭的宏观组织68Development 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 cre
33、ates the equiaxed zone铸锭的组织的形成过程铸锭的组织的形成过程(a)(a)形核起先形核起先,(b),(b)急冷区形成急冷区形成 (c)(c)柱状晶粒区形成柱状晶粒区形成(d)(d)中心中心等轴晶粒区形核等轴晶粒区形核692.柱状晶区柱状晶区(Columnar zone)形成缘由：形成缘由：对液态金属的冷却作用减缓。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；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；散热是沿着垂直于模壁的方向进行；假如柱状晶始终能生长到铸锭的中心，假如柱状晶始终能生长到铸锭的中心，-穿晶组织。穿晶组织。柱状晶
34、区使树枝晶得不到充分的发展，树枝的分枝很少。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。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、轧制热加工过程中简洁沿着这些界的脆弱界面，在锻造、轧制热加工过程中简洁沿着这些界面产生开裂。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。多的柱
35、状晶。铸锭的宏观组织70Figure Competitive growth of the grains in the chill zone results in only those grains with favorable orientations developing into columnar grains71Figure (a)Shrinkage can occur between the dendrite arms.(b)Small secondary dendrite arm spacings result in smaller,more evenly distributed s
36、hrinkage porosity.(c)Short primary arms can help avoid shrinkage.(d)Interdendritic shrinkage in an aluminum alloy is shown(x 80)723.等轴晶区（等轴晶区（Equiaxed zone）形成缘由：形成缘由：散热愈来愈慢，散热愈来愈慢，整个截面的温度渐渐变为匀整。整个截面的温度渐渐变为匀整。残留的液态金属中同时出现晶核而进行结晶。残留的液态金属中同时出现晶核而进行结晶。在铸锭中心散热已无方向性，在铸锭中心散热已无方向性，铸锭的中心区形成了比较粗大的等轴晶粒区。铸锭的中心区
37、形成了比较粗大的等轴晶粒区。等轴晶与柱状晶相比，因各枝晶彼此嵌入，结合得比较强固，等轴晶与柱状晶相比，因各枝晶彼此嵌入，结合得比较强固，没有柱状晶那样的脆弱界面，铸锭易于进行压力加工，铸件没有柱状晶那样的脆弱界面，铸锭易于进行压力加工，铸件性能不显方向性。性能不显方向性。树枝晶较发达，分枝较多，显微缩孔增多，使结晶后的组织树枝晶较发达，分枝较多，显微缩孔增多，使结晶后的组织不够致密，重要工件在进行热加工时应设法将疏松焊合。不够致密，重要工件在进行热加工时应设法将疏松焊合。一般高熔点的钢铁材料希望得到更多的等轴晶。一般高熔点的钢铁材料希望得到更多的等轴晶。铸锭的宏观组织731.获得等轴晶粒组织的
38、因素获得等轴晶粒组织的因素运用容量和导热系数小的铸型（如陶瓷型或砂土型）使其缓慢运用容量和导热系数小的铸型（如陶瓷型或砂土型）使其缓慢冷却或匀整散热。冷却或匀整散热。液体金属过热不大，而且浇注温度较熔化温度高出不多。液体金属过热不大，而且浇注温度较熔化温度高出不多。在冷却过程中搅拌铸型中的液体金属。在冷却过程中搅拌铸型中的液体金属。液体金属中有难熔杂质的存在。液体金属中有难熔杂质的存在。2.获得柱状晶粒的因素获得柱状晶粒的因素接受传热系数高，导热快的铸型（例如金属型和水冷却的铸型接受传热系数高，导热快的铸型（例如金属型和水冷却的铸型等）。等）。金属在熔化温度以上猛烈的过热并使液体的浇铸温度增高
39、。金属在熔化温度以上猛烈的过热并使液体的浇铸温度增高。液体金属在铸型内静止冷却（在冷却时没有搅拌振动等因素）。液体金属在铸型内静止冷却（在冷却时没有搅拌振动等因素）。8.1.5.1 8.1.5.1 铸锭组织的限制铸锭组织的限制741.定向凝固（定向凝固（directional solidification-DS）涡轮叶片铸件是用涡轮叶片铸件是用Ti,Co,Ni基高温合金接受精密熔模铸造基高温合金接受精密熔模铸造法制造出来的。然而，用一般铸造方法的铸造的涡轮叶片法制造出来的。然而，用一般铸造方法的铸造的涡轮叶片为等轴晶，简洁沿晶界横向断裂。接受定向凝固生长技术为等轴晶，简洁沿晶界横向断裂。接受定
40、向凝固生长技术可以获得更高的蠕变和断裂抗力。这是因为在定向凝固中，可以获得更高的蠕变和断裂抗力。这是因为在定向凝固中，从一端加热，从另一端进行冷却，产生全部晶界全部沿零从一端加热，从另一端进行冷却，产生全部晶界全部沿零件纵向排列的柱状晶，在横向上没有晶界。件纵向排列的柱状晶，在横向上没有晶界。接受单晶（接受单晶（single crystal-SC）制备技术可以获得更好）制备技术可以获得更好的性能。柱状晶的凝固起先于一个冷端，由于螺旋状的连的性能。柱状晶的凝固起先于一个冷端，由于螺旋状的连接，只有一个柱状晶粒可以生长成为铸件。单晶铸件没有接，只有一个柱状晶粒可以生长成为铸件。单晶铸件没有晶界，所
41、以其晶面和晶向沿最佳取向定向排列。晶界，所以其晶面和晶向沿最佳取向定向排列。定向凝固、单晶生长和外延生长定向凝固、单晶生长和外延生长75Figure Controlling grain structure in turbine blades:(a)conventional equiaxed grains,(b)directionally solidified columnar grains,and(C)single crystal.涡轮叶片的晶粒限制涡轮叶片的晶粒限制:(a):(a)一般等轴晶一般等轴晶(b)(b)定向凝固的柱定向凝固的柱状晶和状晶和(C)(C)单晶单晶762.单晶生长：单晶生
42、长：多晶材料性能并不好。晶界和其它缺陷影响了电学、光学多晶材料性能并不好。晶界和其它缺陷影响了电学、光学性能。例如，为了充分利用掺杂硅的半导体的性能，必需性能。例如，为了充分利用掺杂硅的半导体的性能，必需运用高纯单晶材料。目前可以制造出直径为运用高纯单晶材料。目前可以制造出直径为250mm的大单的大单晶硅。大单晶硅可以切成几个毫米后的硅晶片。晶硅。大单晶硅可以切成几个毫米后的硅晶片。布里奇曼布里奇曼(Bridgman)法和切克劳斯基法和切克劳斯基(Czochralski)法是制造法是制造Si，GaAs，LiNbO3等单晶材料最为常用的方法。等单晶材料最为常用的方法。含有熔融材料的晶体生长炉必需
43、保持其精密和稳定的温度。含有熔融材料的晶体生长炉必需保持其精密和稳定的温度。通常，将一个预先具有某种晶体学位向的小晶体做为晶种。通常，将一个预先具有某种晶体学位向的小晶体做为晶种。限制传热以使熔融的材料结晶成单晶材料。限制传热以使熔融的材料结晶成单晶材料。定向凝固、单晶生长和外延生长定向凝固、单晶生长和外延生长77Figure (a)Silicon single crystal,(b)silicon wafer,and(c)Bridgman technique.783.外延生长（外延生长（Epitaxial Growth）限制沉积多晶材料的织构或者晶体学位向。限制沉积多晶材料的织构或者晶体学位
44、向。利用一个已知位向的基体。假如基体和薄膜之间的点阵匹利用一个已知位向的基体。假如基体和薄膜之间的点阵匹配很好，就可以高度定向生长或者单晶薄膜。这种方法叫配很好，就可以高度定向生长或者单晶薄膜。这种方法叫外延生长。外延生长。薄膜和基体材料相同的外延生长叫同质外延或均相外延薄膜和基体材料相同的外延生长叫同质外延或均相外延(Homoepitaxy)。例如在。例如在Si基体上生长掺杂基体上生长掺杂P的的Si薄膜材料。薄膜材料。当高定向的多晶或单晶薄膜材料在另外一种基体材料上面当高定向的多晶或单晶薄膜材料在另外一种基体材料上面生长，基体材料可以供应非匀整形核的位置，这种方法叫生长，基体材料可以供应非匀整形核的位置，这种方法叫叫异质外延生长（叫异质外延生长（Heteroepitaxy）。）。很多化合物半导体装置可以用液相和气相外延工艺。外延很多化合物半导体装置可以用液相和气相外延工艺。外延生长不确定确定要用凝固。同样，可以在非晶材料基体上生长不确定确定要用凝固。同样，可以在非晶材料基体上面生长高定向的很多材料。例如在玻璃上生长面生长高定向的很多材料。例如在玻璃上生长ZnO。定向凝固、单晶生长和外延生长定向凝固、单晶生长和外延生长完