藍崇文臺灣大學：化學工程學研究所王亮程Wang, Liang-ChengLiang-ChengWang2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52109此研究目的是在垂直布氏法中加入振動與加速坩鍋旋轉，藉由外力的方式所引起的對流效應去做分析研究，熔湯的對流與固液界面的形狀是兩個極為重要的因子，因為這兩個因素很可能會造成我們生長晶體組成分佈上的不均勻性，而藉由外力影響對流型態是最好的控制方式，過去有人利用磁場控制流動，但是受限於只能用在導電的物質，所以我們研究動機是希望藉由引入振動與加速坩鍋旋轉的方式去減少軸向與徑向晶體組成不均勻性，進而得到組成更為均勻之晶體。 於是本研究中我們將此技術應用到鍺合金的晶體生長，生長完成後的晶體取出後，在縱剖後經研磨、拋光、蝕刻後可觀察其生長時的界面形狀或生長條紋，並以四點探針或是電子微探測分析儀(EPMA)進行軸、徑向濃度分佈量測，並且討論我們所引入的震動與加速坩堝旋轉對於界面形狀、生長條紋、濃度分佈的影響。The aim of the investigations presented here is to analyze experimentally the effect of convection cause by angular vibration technique (AVT) and accelerated crucible rotate technique (ACRT) during the vertical Bridgman method. The convection pattern in the melt and the shape of the solid-liquid interface are two crucial internal parameters that may cause the inhomogeneities in the grown crystal. An external force added in the experiment is the best method to restrain the inhomogeneities in the grown crystal. In the past, there are some group apply electromagnetic field to control the flow pattern. But this method is restricted at electric materials only. So our motivation is that, we expect to reduce the inhomogeneities in axial and radial direction by applying angular vibration technique (AVT) and accelerated crucible rotate technique (ACRT) method. Further, we can obtain a more uniform doping crystal. In this thesis, we apply this technique to germanium alloys. After take out the grown crystal, we cut the slice along the axial direction. And then we will etch the slice to see the interfaces or striations after lapped and polished. And then, we use Four-Point Probe or Electron Probe X-Ray Micro-Analyzer (EPMA) to measure the concentration profile in axial and radial direction. Finally, we will discuss effects of interface shapes, striations, and concentration distribution after adding angular vibration technique (AVT) and accelerated crucible rotate technique (ACRT) method.目錄 中文摘要 ...…………………………………………………………………...............I Abstract …………………………………………………………………………….....II 目錄 ………………………………………………………………………………....III 圖目錄 …………………………………………………………………………….…V 表目錄 …………………………………………………………………………….VIII 第一章 緒論 …………………………………………………………………..……..1 1.1 簡介 ………………………………………………………………………..….1 1.2 研究動機 …………………………………………………………………..….2 1.3 文獻回顧 ………………………………………………………………..…….3 第二章 實驗系統與流程 ………………………………………………………..…..5 2.1 實驗藥品 ………………………………………………………………..…….5 2.2 生長系統與設備 ………………………………………………………..…….7 2.2-1 垂直布氏法生長系統 …………………………………….…….……..7 2.2-1.1 真空封管系統 ..……………………………………………..…….8 2.2-1.2 冷卻水系統 …..………………………………………………….10 2.2-2 材料準備設備 ………………………………………………….…….11 2.2-2.1 超音波震盪機 …………………………………………….……..11 2.2-2.2 燒結設備 ………………………………………………….……..11 2.2-3 其他設備 ……………………………………………………….…….12 2.2-3.1 研磨拋光機(Struers) ……………………………………………..12 2.2-3.2研磨拋光機(Logitech) …………………………………………....12 2.2-3.3 外緣切割機 ……………………………………………………...13 2.2-3.4 內圓切割機 ……………………………………………………...14 2.2-3.5 X-ray 定向儀 ………………………………………………...….14 2.2-3.6 光學顯微鏡 ………………………………………………………15 2.2-3.7 電子微探測分析儀 ………………………………………….……15 2.2-3.8 四點探針 ………………………………………………………….16 2.3 實驗流程 ………………………………………………………………….17 2.3-1 材料的製備 …………………………………………………………..17 2.3-2 溫場量測 ……………………………………………………………..19 2.3-3 架設系統、實驗方法與流程 ………………………………………..21 2.3-3.1 真空封管與架設實驗系統 ……………………………………….21 2.3-3.2 實驗方法與流程 ………………………………………………….23 第三章 晶體生長 ………………………………………………………...………...25 3.1 子晶生長與量測 ………………………………………………...………..25 3.1-1 子晶生長 ………………………………………………………...…...25 3.1-2 子晶的定向與切割 …………………………………………...……...27 3.2 鍺摻鎵晶體生長步驟 ……………………………………………..……...29 3.3 鍺摻矽晶體生長步驟 ……………………………………….…….……...30 第四章 實驗結果與討論 …………………………………………………..……....33 4.1 軸、徑向濃度分佈 ………………………………………………..……...33 4.1-1 鍺摻鎵晶體軸、徑向濃度分佈 ……………………………..………..33 4.1-2 鍺摻矽晶體軸、徑向濃度分佈 ………………………………..……..39 4.2 界面形狀與生長條紋觀察 ……………………………………….……....42 4.2-1 鍺摻鎵晶體界面形狀觀察 ……………………………………..……..42 4.2-2 鍺摻矽晶體界面形狀與生長條紋觀察 ……………………….……...44 4.3 結果討論 ………………………………………………………….……....47 參考文獻 ……………………………………………………………………….…...51 圖目錄 圖1-1 垂直布氏法示意圖 …………………………………………………………1 圖2-1 垂直布氏法系統圖 …………………………………………………………7 圖2-2冷卻水循環機 ……………………………………………………………….8 圖2-3 真空封管圖 …………………………………………………………………9 圖2-4 機械幫浦 ……………………………………………………………………9 圖2-5 離子式真空計 ………………………………………………………………9 圖2-6 數位式壓力顯示計 …………………………………………………………9 圖2-7 石英管與真空系統連接圖 …………………………………………………9 圖2-8 真空封管火焰槍(純瓦斯) …………………………………………………..10 圖2-9 真空封管火焰槍(瓦斯+氧氣) ………...…………………………………….10 圖2-10 封管完成圖 ………………………………………………………………..10 圖2-11 冷卻線圈圖 …………………………………………………………...…...11 圖2-12 超音波震盪機 …………………………………………………………......11 圖2-13 管狀高溫爐 ……………………………………………………………......12 圖2-14 研磨拋光機(Struers) …………………………………………………..…...12 圖2-15 研磨拋光機(Logitech) ………………………………………………..……13 圖2-16 外緣切割機 ……………………………………………………………..…13 圖2-17 內緣切割機 ……………………………………………………………..…14 圖2-18 X-ray 定向儀 ……………………………………………………………....14 圖2-19 光學顯微鏡 …………………………………………………………….….15 圖2-20 電子微探測分析儀 ………………………………………………….…….15 圖2-21 四點探針 …………………………………………………………….…….16 圖2-22 燒結程序圖 …………………………………………………………….….18 圖2-23 鍺鎵相圖 ……………………………………………………………….….19 圖2-24 鍺矽相圖 ………………………………………………………………..…20 圖2-25 系統溫場圖 ……………………………………………………………..…21 圖2-26 系統圖(無ACRT或AVT) ……………………………………………..…..22 圖2-27 震動示意圖 …………………………………………………………….….23 圖2-28 加速坩堝旋轉週期示意圖 …………………………………………….….24 圖3-1 子晶生長系統圖 ……………………………………………………….…...26 圖3-2 子晶外觀圖….………………………………………………………….…....26 圖3-3 子晶剖面圖(單晶) …………………………………………………………..27 圖3-4 子晶剖面圖(多晶) …………………………………………………………..27 圖3-5 子晶XRD量測結果圖 ….………………………………………………….28 圖3-6 子晶裁切過程示意圖 ………………………………………………………28 圖3-7 鍺摻鎵實驗系統圖 …………………………………………………………29 圖3-8 0Hz鍺摻鎵晶體外觀圖 ……………………………………………………..30 圖3-9 5Hz鍺摻鎵晶體外觀圖 ……………………………………………………..30 圖3-10 10Hz鍺摻鎵晶體外觀圖 …………………………………………………..30 圖3-11 30rpm ACRT鍺摻鎵晶體外觀圖 ………………………………………….30 圖3-12 60rpm ACRT鍺摻鎵晶體外觀圖 ………………………………………….30 圖3-13鍺摻矽實驗系統圖 ………………………………………………………...31 圖3-14 0Hz鍺摻矽晶體外觀圖 ……………………………………………………31 圖3-15 5Hz鍺摻矽晶體外觀圖 ……………………………………………………31 圖3-16 30rpm ACRT鍺摻矽晶體外觀圖 …………………………………….……31 圖4-1 量測觀察位置座標示意圖 …………………………………………….…...33 圖4-2 五次鍺摻鎵實驗與理論值得軸向濃度分佈圖 ……………………….…...34 圖4-3 0Hz鍺摻鎵徑向濃度分佈圖 ………………………………………….…..35 圖4-4 5Hz鍺摻鎵徑向濃度分佈圖 ………………………………………….…..36 圖4-5 10Hz鍺摻鎵徑向濃度分佈圖 ……………………………………………36 圖4-6 30rpm ACRT鍺摻鎵徑向濃度分佈圖 …………………………………..…37 圖4-7 60rpm ACRT鍺摻鎵徑向濃度分佈圖 …………………………………..…37 圖4-8三次鍺摻矽實驗與理論值的軸向濃度分佈圖 …………………………....39 圖4-9 低長速下鍺摻矽有無ACRT徑向濃度分佈圖 ……………..………….....41 圖4-10高長速下鍺摻矽有無ACRT徑向濃度分佈圖 …………………………..41 圖4-11 transition region示意圖 ………………………………………………..….40 圖4-12 0Hz鍺摻鎵實驗界面圖 …………………………………………………...42 圖4-13 5Hz鍺摻鎵實驗界面圖 …………………………………………………...43 圖4-14 10Hz鍺摻鎵實驗界面圖 ………………………………………………….43 圖4-15 30rpm ACRT鍺摻鎵實驗界面圖 …………………………………………43 圖4-16 60rpm ACRT鍺摻鎵實驗界面圖 …………………………………………43 圖4-17 0Hz鍺摻矽實驗界面圖(乾堝下移界面) ……………………………..…...44 圖4-18 0Hz鍺摻矽實驗界面圖(transition region界面) ………………………..…44 圖4-19 30rpm ACRT鍺摻矽實驗界面圖(乾堝下移界面) …………….…………..45 圖4-20 30rpm ACRT鍺摻矽實驗界面圖(transition region界面) ……….…….......45 圖4-21 5Hz鍺摻矽實驗界面圖(transition region界面) ………………………...…45 圖4-22 30rpm ACRT生長條紋圖 ………………………………………………....46 圖4-23 5Hz生長條紋圖 …………………………………………………………...46 表目錄 表3.1 五次鍺摻鎵實驗生長參數 …………………………………………………30 表3.2 三次鍺摻矽實驗生長參數 …………………………………………………32 表4-1 鍺摻鎵徑向跳動表(有無AVT) ………………………………………..……38 表4-2 鍺摻鎵徑向跳動表(有無ACRT) ……………………………………………38 表4-3 鍺摻鎵實驗結果比較表 ……………………………………………………48 表4-4 鍺摻矽實驗結果比較表 ……………………………………………………49 表4-5 ACRT與AVT對於軸、徑向偏析效果4538078 bytesapplication/pdfen-US垂直布氏法偏析vertical Bridgman methodsegregationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52109/1/ntu-96-R94524044-1.pdf