CN108193279A - 一种具有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，包括磁场产生机构、垂直提升机构和炉体支撑机构；所述磁场产生机构由铁芯、三相导电绝缘线和绝缘保护壳组成；所述三相导电绝缘线与电源连接；所述电源产生电流，该电流在水平线圈内产生行波磁场。本发明通过在晶体生长炉内施加一个行波磁场，当行波磁场引起的洛伦兹力方向向下时，坩埚内锑铟镓的熔质在洛伦兹力作用传输下，会加速熔质的对流过程，熔池内的冷热区分布更加均匀。同时，使用方波电流发生器周期性地控制线圈中三相电流的相位移信号，有利于溶质的均匀分布，明显减弱宏观偏析，得到位错更低，晶体质量更好的锑铟镓晶锭。
Description
技术领域
本发明涉及锑铟镓晶体生长设备技术领域，具体涉及一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉。
背景技术
在晶体生长过程中由于熔体具有导电性，通过施加磁场，能抑制或者加速内部的流动，从而降低温度波动，减少晶体生长条纹，提高晶体的质量。主要工作原理为：带有导电性的熔体在安瓿瓶内由于温度梯度的存在而流动，其中垂直于磁场方向的速度能够切割所施加的磁场，同时产生感应电流，并和磁场共同作用，产生洛伦兹力，该洛伦兹力的方向与运动方向相反，起到抑制或者加速流动的作用。
晶体生长过程中温度梯度和浓度梯度引起的自然对流容易使晶体中出现缺陷，如宏观偏析和微观偏析，借助外力引起的强迫对流在一定条件下有利于减小偏析和细化凝固组织。尤其是特殊的流场形式(如电磁力引起的流动)可以控制温度场和溶质场，甚至可以完全抑制偏析，所以控制熔体中的对流对控制凝固组织是很重要的。其中水平行波磁场产生的洛伦兹力使导电熔体产生了方位角方向的流动和次生的子午线方向的流动，而行波磁场产生的洛伦兹力直接使导电熔体产生了对称的子午线方向的流动，这种流动更有利于控制导电熔体中温度和溶质的分布。在晶体生长过程中熔体流动的稳定性、溶质分布和生长界面形貌与凝固组织关系密切，而行波磁场引起的子午线流有利于提高凝固界面前沿熔体流动的稳定性、生长界面的平整和溶质的均匀分布，也可以促进凝固界面前沿熔体流动由稳定向不稳定转变，并影响生长界面的凹凸变化和溶质偏析。另外，研究行波磁场的前提条件是设计磁场产生装置，而该发生器的设计是一大难点。因此，通过设计行波磁场产生装置，有效控制锑铟镓晶体生长过程中溶质的分布，是非常必要和有意义的技术方向。
发明内容
针对上述现有技术的需求，本发明提供一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，能够有效降低锑铟镓晶体中界面前沿熔体流动的稳定性、生长界面的平整性以及溶质的均匀分布、生长界面的凹凸形状和溶质偏析。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，其特征在于：包括磁场产生机构、垂直提升机构和炉体支撑机构。所述磁场产生机构由铁芯、三相导电绝缘线和绝缘保护壳组成，三相导电绝缘线以UVW的形式堆叠缠绕在铁芯上，铁芯外部是一圈绝缘保护壳；所述三相导电绝缘线与三相低频交变电源连接；所述三相低频交变电源产生的电流为励磁电流，该电流在水平线圈内产生行波磁场；所述炉体支撑机构和垂直提升机构通过底盘相互连接。
进一步的，所述垂直提升机构由垂直升降杆、安瓿瓶支撑架和安瓿瓶组成，垂直提升机构从下到上依次是垂直升降杆、安瓿瓶支撑架和安瓿瓶；所述垂直升降杆与安瓿瓶支撑架通过螺纹卡扣连接；所述安瓿瓶支撑架通过垂直升降杆上下移动，同时可以在水平方向逆时针或顺时针旋转；所述安瓿瓶支撑架的托口内设有凹槽；所述安瓿瓶底部的有定位销，用于契合连接安瓿瓶支撑架；所述安瓿瓶支撑架的托口大小可随安瓿瓶的大小更换调节。
进一步的，所述炉体支撑机构包括炉体支架、炉膛内壁、线圈支撑架、加热器、保温石棉和外壳，炉体支撑机构从外到内依次是炉体支架、外壳、保温石棉、加热器、线圈支撑架和炉膛内壁；所述炉体支架、外壳和线圈支撑架的材质为不锈钢；所述炉膛内壁的材质为耐高温陶瓷材料；所述加热器由三组水平圆形加热器构成。
进一步的，所述的磁场产生机构由6匝线圈组成，根据晶体生长炉的大小可调节每匝线圈的间距。
本发明具有如下有益效果：本发明通过在晶体生长炉内施加一个三相低频交变电源产生的行波磁场，该行波磁场发生器采用星型连接，电流强度、频率和相位移均可便利调节。当行波磁场引起的洛伦兹力方向向下时，坩埚内的锑铟镓液在洛伦兹力作用传输下会加强熔池的搅拌作用，熔池内的冷热区分布更加均匀，有利于结晶潜热的排出和溶质的传输和界面弯曲程度减小。同时，使用方波电流发生器周期性地控制线圈中三相电流的相位移信号，使洛伦兹力场的方向也随之周期性变化。导电熔体中出现了一个周期性的相反的洛伦兹力场，即熔体中出现了周期性的相反的流动，这种流动有利于溶质的均匀分布，明显减弱宏观偏析，得到位错更低，晶体质量更好的锑铟镓锭。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明晶体生长炉的结构示意图。
图2是磁场产生机构的示意图。
图3是本发明炉体中线圈和线圈支架示意图俯视图。
图4是本发明晶体生长炉垂直提升机构示意图。
图5是本发明晶体生长炉炉体支撑机构示意图。
图中标号：1、炉体支架；2、垂直升降杆；3、安瓿瓶支撑架；4、安瓿瓶；5、炉膛内壁；6、铁芯；7、三相绝缘导线；8、绝缘保护壳；9、线圈支撑架；10、加热器；11、保温石棉；12、外壳。
具体实施方式
下面结合图1-5来详细说明本实施例，图1为本发明晶体生长炉的结构示意图，图2是磁场产生机构的示意图，图3是本发明炉体中线圈和线圈支架俯视图，图4是本发明晶体生长炉垂直提升机构示意图，图5是本发明晶体生长炉炉体支撑机构示意图。
本发明包括磁场产生机构、垂直提升机构和炉体支撑机构。磁场产生机构包括铁芯6、三相导电绝缘线7和绝缘保护壳8。铁芯6上设有若干组三相绝缘导线7，三相绝缘导线7按次序以UVW的形式堆叠缠绕在铁芯6上；三相绝缘导线7外部是一层绝缘保护壳8，线圈缠绕方式如图2所示。三相导电绝缘线与三相低频交变电源连接，电源产生励磁电流，该电流在水平线圈内产生行波磁场。磁场产生机构采用星型连接，其中电流强度、频率和相位移均可便利调节。
三相绝缘导线7通电后，使用方波电流发生器周期性地控制线圈中三相电流的相位移信号，使洛伦兹力场的方向也随之周期性变化。导电熔体中也会出现一个周期性的相反的洛伦兹力场，即熔体中出现周期性的相反的流动，这种流动有利于溶质的均匀分布，明显减弱宏观偏析，得到位错更低，晶体质量更好的锑铟镓锭。
图3是本发明炉体中线圈和线圈支架示意图俯视图。炉体内由绝缘保护壳8即6匝线圈垂直排列的行波磁场发生装置和4组线圈支撑架9构成；本实施例为了配合实际应用过程中炉腔内部的布局，将铁芯6、单匝线圈和绝缘保护壳8的形状在水平方向上设计为圆形，目的是为了与晶体生长的炉腔和坩埚匹配，保证溶质在径向的均匀性。
垂直提升机构包括垂直升降杆2、安瓿瓶支撑架3和安瓿瓶4。在锑铟镓晶体的生长过程中，垂直升降杆通过与安瓿瓶支撑架之间用螺纹卡扣连接。安瓿瓶支撑架通过垂直升降杆上下移动，同时可以在水平方向逆时针或顺时针旋转。安瓿瓶支撑架托口内设有凹槽，安瓿瓶底部有定位销，用于契合连接安瓿瓶支撑架。晶体生长时，通过调节安瓿瓶的转速和支撑架升高或降低的速率，可以更好达到对流的目的，减少成分的不均匀和偏析的产生。
炉体支撑机构包括炉体支架1、炉膛内壁5、线圈支撑架9、加热器10、保温石棉11和外壳12构成。线圈支撑架9、加热器10和保温石棉11位于炉膛内壁5和外壳12之间；加热器10由三组水平圆形加热器构成，加热时形成可控的高精度炉膛温度梯度，从而实现控制晶体内熔质的浓度即晶体中溶质的分布。
本发明适用于、单晶、准单晶、多晶等多种从锑铟镓、碲锌镉、锑化镓熔体中生长晶体的炉型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，其特征在于：包括磁场产生机构、垂直提升机构和炉体支撑机构。所述磁场产生机构由铁芯、三相导电绝缘线和绝缘保护壳组成，三相导电绝缘线以UVW的形式堆叠缠绕在铁芯上，铁芯外部是一圈绝缘保护壳；所述三相导电绝缘线与三相低频交变电源连接；所述三相低频交变电源产生的电流为励磁电流，该电流在水平线圈内产生行波磁场；所述炉体支撑机构和垂直提升机构通过底盘相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，其特征在于：所述垂直提升机构由垂直升降杆、安瓿瓶支撑架和安瓿瓶组成，垂直提升机构从下到上依次是垂直升降杆、安瓿瓶支撑架和安瓿瓶；所述垂直升降杆与安瓿瓶支撑架通过螺纹卡扣连接；所述安瓿瓶支撑架通过垂直升降杆上下移动，同时可以在水平方向逆时针或顺时针旋转；所述安瓿瓶支撑架的托口内设有凹槽；所述安瓿瓶的底部有定位销，用于契合连接安瓿瓶支撑架；所述安瓿瓶支撑架的托口大小可随安瓿瓶的大小更换调节。
3.根据权利要求1所述的一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，其特征在于：所述炉体支撑机构包括炉体支架、炉膛内壁、线圈支撑架、加热器、保温石棉和外壳，炉体支撑机构从外到内依次是炉体支架、外壳、保温石棉、加热器、线圈支撑架和炉膛内壁；所述炉体支架、外壳和线圈支撑架的材质为不锈钢；所述炉膛内壁的材质为耐高温陶瓷材料；所述加热器由三组水平圆形加热器构成。
4.根据权利要求1所述的一种带有行波磁场的锑铟镓晶体生长炉，其特征在于：所述的磁场产生机构由6匝线圈组成，根据晶体生长炉的大小可调节每匝线圈的间距。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Zheng Document name: Deemed withdrawal notice |