提拉法又稱丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年發明的從熔體中提拉生長高質量單晶的方法。這種方法能夠生長無色藍寶石、紅寶石、釔鋁榴石、釓鎵榴石、變石和尖晶石等重要的寶石晶體。20世紀60年代，提拉法進一步發展為一種更為先進的定型晶體生長方法——熔體導模法。它是控制晶體形狀的提拉法，即直接從熔體中拉制出具有各種截面形狀晶體的生長技術。它不僅免除了工業生產中對人造晶體所帶來的繁重的機械加工，還有效的節約了原料，降低了生產成本。
基本介紹
- 中文名：提拉法
- 外文名：Czochralski method
- 原料：AL2O3和1-3%的Cr2O3
- 加熱：高頻線圈加熱到2050℃以上
- 原料：AL2O3和BeO的粉末按l
基本原理,方法裝置,生長要點,優點缺點,寶石品種,提拉法數值模擬,
基本原理
一、提拉法的基本原理：提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。下圖是提拉法示意圖。
提拉法合成裝置提拉法的生長工藝首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處於過冷狀態；然後在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔後，提拉並轉動籽晶桿，使熔體處於過冷狀態而結晶於籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。
方法裝置
晶體提拉法的裝置由五部分組成：
（1）加熱系統
加熱系統由加熱、保溫、控溫三部分構成。最常用的加熱裝置分為電阻加熱和高頻線圈加熱兩大類。採用電阻加熱，方法簡單，容易控制。保溫裝置通常採用金屬材料以及耐高溫材料等做成的熱禁止罩和保溫隔熱層，如用電阻爐生長釔鋁榴石、剛玉時就採用該保溫裝置。控溫裝置主要由感測器、控制器等精密儀器進行操作和控制。
（2）坩堝和籽晶夾
作坩堝的材料要求化學性質穩定、純度高，高溫下機械強度高，熔點要高於原料的熔點200℃左右。常用的坩堝材料為鉑、銥、鉬、石墨、二氧化矽或其它高熔點氧化物。其中鉑、銥和鉬主要用於生長氧化物類晶體。
籽晶用籽晶夾來裝夾。籽晶要求選用無位錯或位錯密度低的相應寶石單晶。
（3）傳動系統
為了獲得穩定的旋轉和升降，傳動系統由籽晶桿、坩堝軸和升降系統組成。
（4）氣氛控制系統
不同晶體常需要在各種不同的氣氛里進行生長。如釔鋁榴石和剛玉晶體需要在氬氣氣氛中進行生長。該系統由真空裝置和充氣裝置組成。
（5）後加熱器
後熱器可用高熔點氧化物如氧化鋁、 陶瓷或多層金屬反射器如鉬片、鉑片等製成。通常放在坩堝的上部，生長的晶體逐漸進入後熱器，生長完畢後就在後熱器中冷卻至室溫。後熱器的主要作用是調節晶體和熔體之間的溫度梯度，控制晶體的直徑，避免組分過冷現象引起晶體破裂。
生長要點
（1）溫度控制：在晶體提拉法生長過程中，熔體的溫度控制是關鍵。要求熔體中溫度的分布在固液界面處保持熔點溫度，保證籽晶周圍的熔體有一定的過冷度，熔體的其餘部分保持過熱。這樣，才可保證熔體中不產生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的結構排列成單晶。為了保持一定的過冷度，生長界面必須不斷地向遠離凝固點等溫面的低溫方向移動，晶體才能不斷長大。另外，熔體的溫度通常遠遠高於室溫，為使熔體保持其適當的溫度，還必須由加熱器不斷供應熱量。
（2）提拉速率：提拉的速率決定晶體生長速度和質量。適當的轉速，可對熔體產生良好的攪拌，達到減少徑向溫度梯度，阻止組分過冷的目的。一般提拉速率為每小時6-15mm。在晶體提拉法生長過程中，常採用“縮頸”技術以減少晶體的位錯，即在保證籽晶和熔體充分沾潤後，旋轉並提拉籽晶，這時界面上原子或分子開始按籽晶的結構排列，然後暫停提拉，當籽晶直徑擴大至一定寬度（擴肩）後，再旋轉提拉出等徑生長的棒狀晶體。這種擴肩前的旋轉提拉使籽晶直徑縮小，故稱為“縮頸”技術。
優點缺點
提拉法的優缺點晶體提拉法與其它晶體生長方法相比有以下優點：
（1）在晶體生長過程中可以直接進行測試與觀察，有利於控制生長條件；
（2）使用優質定向籽晶和“縮頸”技術，可減少晶體缺陷，獲得所需取向的晶體；
（3）晶體生長速度較快；
（4）晶體位錯密度低，光學均一性高。
晶體提拉法的不足之處在於：
（1）坩堝材料對晶體可能產生污染；
（2）熔體的液流作用、傳動裝置的振動和溫度的波動都會對晶體的質量產生影響。
寶石品種
1.合成紅寶石晶體
原料：AL2O3和1-3%的Cr2O3
加熱：高頻線圈加熱到2050℃以上；
禁止裝置：抽真空後充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體和壓強。
將原料裝入銥、鎢或鉬坩堝中。坩堝上方的提拉桿的下端的籽晶夾具上裝一粒定向的紅寶石籽晶。將坩堝加熱到，使原料熔化。再降低提拉桿，使籽晶插入到熔體表層。控制熔體的溫度，使之略高於熔點。熔去少量籽晶以保證能在籽晶的清潔表面上開始生長。在實現籽晶與熔體充分沾潤後，緩慢向上提拉和轉動晶桿。控制好拉速和轉速，同時緩慢地降低加熱功率，籽晶直徑就逐漸擴大。小心地調節加熱功率，實現寶石晶體的縮頸-擴肩-等徑-收尾的生長全過程。
通過禁止裝置的視窗可以觀察生長過程，還可利用紅外感測器測量固-液界面的亮光環溫度，實現控制生長過程。
2.合成變石晶體
原料：AL2O3和BeO的粉末按1:1混合，加入致色劑Cr2O3和V2O5。
加熱：高頻線圈加熱到1870℃以上，使原料熔化。保溫l小時均化熔體，然後降溫30-50℃，接籽晶。
禁止裝置：抽真空後充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體、壓強。
通過觀察測試，控制和調節晶體生長。
3.人造釔鋁榴石
原料：Y2O3：AL2O3=3：5
提拉爐：中頻線圈加熱
坩堝：銥
氣氛：N2+Ar
熔點：1950℃
生長速度：每小時6mm以下。
提拉法數值模擬
因晶體生長的周期很長，一般需要1~2個月時間才能完成一次完整的工業級晶體生長，但良品率不高，一般只有50%。造成失敗的原因有多個方面，可能是提升速率不對，可能是溫度控制不對。若採用數值仿真技術，通過計算機模擬，提前預測晶體的生長狀態，對成品率的提高會有較大的幫助，對晶體爐的研發也具有重要的 現實意義。
晶體生長的仿真，因涉及多種物理場（熔化物與氣體的傳熱、傳質，湍流，熱輻射相互作用，顯著影響晶體的缺陷形成），多空間尺度（在熔化物與氣體中存在急劇擴散、粘性、輻射、熱邊界層，伴有複雜的缺陷邊界層）以及多時間尺度（晶體生長過程很慢，而熔體流動通過縮短時間常數來控制），非常複雜，通用型仿真軟體，無法完全考慮以上這些因素。
比利時魯汶大學的François Dupret教授，1990年發表在《J. of Heat and Mass Transfer》的一篇文章：Global modelling of heat transfer in crystal growth furnaces，詳細闡述了如何建立一個晶體生長爐中全局的熱傳控制模型，並以鍺和砷化鎵爐作為模擬實例，驗證了這一全局模型的準確性與效率。
藉助Dupret François教授此篇文獻的理論，世面上出現了幾款專業的晶體生長模擬軟體，例如比利時的FEMAG，俄羅斯的CGSIM，德國的CrysMas。
其中，FEMAG軟體有專業的用於提拉法的模組：FEMAG/CZ，在提拉法仿真方面，具有如下的優點：
1、熱傳遞分析：綜合考慮爐內的輻射和傳導、熔體對流和爐內氣體流量分析
2、熱應力分析：晶體位錯的產生與晶體生長過程中熱應力的變化有著密切的關係。該軟體可以靜心三維的非軸對稱和各向異性溫度場應力分析計算，可以提出對晶體總的剪下力預估。“位錯”的產生是由於晶體生長過程中，熱剪應力超越臨界水平而導致的塑性變形。
3、點缺陷預報：該軟體可以預知在晶體生長過程中的點缺陷（自裂縫和空缺），該仿真可以很好的預測在晶體生長過沖中點缺陷的分布。
4、動態仿真：動態仿真提供了複雜幾何形狀對於時間演變的預測。該預測把發生在晶體生長和冷卻過程中所有瞬時的影響因素都考慮在內。為了準確地預報晶體點缺陷和氧分，動態仿真尤其是不可或缺的。
5、固液界面跟蹤：在拉晶的過程中準確預測固液界面同樣是一個關鍵問題。對於不同的坩堝旋轉速度和不同的提拉高度，其固液界面是不同的。
6、加熱器功率預測：利用軟體動態仿真反算加熱功率對於生長合格晶體也是非常必要的。
7、繪製溫度梯度：通過仿真，固液交界面的溫度梯度可以很方便的計算出來。這一結果對於理論缺陷的預報是非常有用的。
