CN115821393A - 一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，在磷化铟单晶生长炉的金属炉壁外侧施加行波磁场，根据炉壁参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力大小达到最大值范围，所述炉壁参数包括炉壁的材质、厚度、内部结构是实心或中空，通过在金属炉壁外侧布置平行的若干组线圈、线圈上有序通入正弦交流电产生行波磁场。本发明在考虑磷化铟单晶生长炉金属炉壁电磁屏蔽作用的情况下，根据炉壁材料、厚度与内部结构参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力达到最大值范围，能够充分发挥行波磁场的电磁搅拌作用，从而高效地控制熔体流动、温度分布与结晶界面形状，以利于生长高品质磷化铟单晶。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长和材料冶炼控制技术领域，具体涉及一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法。
背景技术
磷化铟单晶是十分重要的化合物半导体材料，在半导体领域具有重要的应用价值。磷化铟单晶生长过程中熔体的流动影响温度分布、结晶界面形状、杂质输运等重要晶体生长参数，控制熔体流动对于生长高品质磷化铟单晶十分重要。由于磷化铟熔体具有一定的导电性，可采用磁场实现对熔体流动的主动控制。
根据磁场是否随时间变化，可将其分为静态磁场和动态磁场。静态磁场包含水平磁场、竖直磁场、勾型磁场等，通常用来抑制剧烈的熔体流动；动态磁场包含行波磁场、旋转磁场等，通常用来主动控制熔体流动。其中，行波磁场产生的洛伦兹力可通过调整方向抑制或强化熔体中的自然对流，因而在晶体生长领域受到广泛关注。
产生行波磁场的通电线圈通常布置在晶体生长炉的外围，这使得磁场生成装置的控制与晶体生长炉的控制相互独立，对磁场参数的设计自主性较强。然而，由于磷化铟熔体的电导率相对较小、金属炉壁的电导率相对较大，使得炉壁对行波磁场的电磁屏蔽作用不可忽略。在已有的研究中，人们往往只研究不考虑金属炉壁屏蔽作用下的行波磁场作用机理，使得研究结果难以应用到生产实践中。
现有技术中，已授权专利“一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法(专利号：CN202011080122.8)”，该专利主要关注“通过调制不同长晶阶段的行波磁场参数来控制熔体流动，进而改善温度分布、结晶界面形状和杂质分布”，没有涉及本专利申请所关注的行波磁场控制磷化铟单晶生长面临电磁屏蔽时，如何根据炉壁参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力大小达到最大值范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，该方法在考虑磷化铟单晶生长炉金属炉壁电磁屏蔽作用的情况下，根据炉壁材料、厚度与内部结构参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力达到最大值范围，能够充分发挥行波磁场的电磁搅拌作用，从而高效地控制熔体流动、温度分布与结晶界面形状，以利于生长高品质磷化铟单晶。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，在磷化铟单晶生长炉的金属炉壁外侧施加行波磁场，根据炉壁参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力大小达到最大值范围，所述炉壁参数包括炉壁的材质、厚度、内部结构是实心或中空。
金属炉壁的材质为不锈钢，炉壁厚度t范围为40～60mm，炉壁内部结构为实心或中空，相应的中空间隙范围为(0～0.6)t。
当炉壁内部中空间隙厚度为(0-0.2)t时，行波磁场频率范围为50-200Hz。
当炉壁内部中空间隙厚度为(0.2-0.4)t时，行波磁场频率范围为50-300Hz。
当炉壁内部中空间隙厚度为(0.4-0.6)t时，行波磁场频率范围为50-400Hz。
在晶体生长过程中通过行波磁场实时控制熔体流动、温度分布与结晶界面形状。
行波磁场通过在金属炉壁外侧布置平行的若干组线圈、线圈上有序通入正弦交流电产生。
线圈共3至6个，所有线圈组成线圈组，线圈组空间排布总高度为熔体高度的1-10倍，线圈组总高度的1/4至3/4范围为熔体放置区域。
电流为交流电，通入相邻线圈的电流存在相位差，相位差范围为-120°-120°。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
在考虑磷化铟单晶生长炉金属炉壁电磁屏蔽作用的情况下，根据炉壁材料、厚度与内部结构参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力达到最大值范围，能够充分发挥行波磁场的电磁搅拌作用，从而高效地控制熔体流动、温度分布与结晶界面形状，以利于生长高品质磷化铟单晶；同时，本发明能够在相对较低的磁场电流强度下产生相对较强的洛伦兹力，使得磁场的作用效率最高，有利于节能降耗。
附图说明
图1为磷化铟单晶生长熔体区域、金属炉壁及行波磁场发生线圈示意图。
图2为不锈钢金属炉壁厚度50mm、中空间隙为0mm(实心)、10mm、20mm、30mm时，磷化铟熔体中最大洛伦兹力随磁场频率的变化曲线。
图3为不锈钢金属炉壁厚度50mm、中空间隙10mm、向下行波磁场频率100Hz、结晶高度50％时，磷化铟熔体与晶体区域的温度分布、速度分布与结晶界面形状。
图4为不锈钢金属炉壁厚度50mm、中空间隙30mm、向下行波磁场频率200Hz、即将结晶时磷化铟熔体区域的温度分布与速度分布。
具体实施方式
考虑磷化铟单晶生长炉金属炉壁屏蔽作用下的行波磁场作用时，需要结合炉壁的材料、厚度与内部结构参数进行磁场参数的设计。一方面，熔体中的洛伦兹力随磁场频率的增加而增加，另一方面，金属炉壁的电磁屏蔽作用导致熔体中的洛伦兹力随磁场频率的增加而减小，两者综合作用使得特定炉壁材料、厚度与内部结构条件下存在最佳的频率区间，在此区间内熔体中洛伦兹力处于最大值范围，能够充分发挥行波磁场的电磁搅拌作用。而这些在以往的研究及专利中是没有体现的。
本发明提供一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，在磷化铟单晶生长炉的金属炉壁外侧施加行波磁场，根据炉壁参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力大小达到最大值范围，所述炉壁参数包括炉壁的材质、厚度、内部结构是实心或中空。
行波磁场通过在金属炉壁外侧布置平行的若干组线圈、线圈上有序通入正弦交流电产生；所述金属炉壁的材质为不锈钢，炉壁厚度t范围为40～60mm，炉壁内部结构为实心或中空，相应的中空间隙范围为(0～0.6)t；当炉壁内部中空间隙厚度为(0-0.2)t时，行波磁场频率范围为50-200Hz；当炉壁内部中空间隙厚度为(0.2-0.4)t时，行波磁场频率范围为50-300Hz；当炉壁内部中空间隙厚度为(0.4-0.6)t时，行波磁场频率范围为50-400Hz。
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明：
实施例一：
本实施例在不锈钢炉壁厚度50mm、中空间隙10mm条件下，选取行波磁场频率为100Hz，实现对熔体流动、温度分布和结晶界面形状的高效控制。
参见图1，为磷化铟单晶生长熔体区域、金属炉壁及行波磁场发生线圈示意图。其中，正中位置为磷化铟熔体区域，其外侧封闭形状为中空的金属炉壁，最外侧为产生行波磁场的6组通电线圈。图2为金属炉壁采用不锈钢，炉壁厚度为50mm，中间空隙为0mm(实心)、10mm、20mm、30mm时，磷化铟熔体中最大洛伦兹力随磁场频率的变化曲线。可以发现，对于中间空隙为0mm(实心)的情况，熔体中最大洛伦兹力随频率的增加而减小，对于中间空隙为10mm、20mm、30mm的情况，洛伦兹力随频率的增加均先增大后减小，不同的中空间隙下洛伦兹力最大值所对应的磁场频率不同。对于中空间隙为10mm的情况，熔体中最大洛伦兹力对应磁场频率为100Hz。图3为不锈钢金属炉壁厚度50mm、中空间隙10mm、向下行波磁场频率100Hz、结晶高度50％时，磷化铟熔体与晶体区域的温度分布、速度分布、结晶界面形状。其中，图左侧为温度分布，右侧上部为熔体流动的速度矢量，中部为结晶界面、对应熔体中凝固点1062℃所在的等温线。可以发现，行波磁场影响熔体流动，进而影响温度分布和结晶界面形状，使得凝固点附近的等温线和结晶界面都保持微凸的形状，有利于生长大尺寸的磷化铟单晶并提升晶体品质。
实施例二：
本实施例在不锈钢炉壁厚度50mm、中空间隙30mm条件下，选取行波磁场频率为200Hz，实现对熔体流动和温度分布的高效控制。
参见图2，对于中空间隙为30mm的情况，熔体中最大洛伦兹力对应磁场频率为200Hz。图4为不锈钢金属炉壁厚度50mm、中空间隙30mm、向下行波磁场频率200Hz、即将结晶时磷化铟熔体区域的温度分布与速度分布。其中，图左侧为温度分布，右侧为熔体流动的速度矢量，熔体底部为1063℃，略高于结晶凝固点1062℃，可以发现，行波磁场影响熔体流动，进而影响温度分布，使得等温线呈现微凸的形状，有利于生长大尺寸的磷化铟单晶并提升晶体品质。
Claims (9)
1.一种适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，在磷化铟单晶生长炉的金属炉壁外侧施加行波磁场，根据炉壁参数调整磁场频率，使得磷化铟熔体中的洛伦兹力大小达到最大值范围，所述炉壁参数包括炉壁的材质、厚度、内部结构是实心或中空。
2.根据权利要求1所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，金属炉壁的材质为不锈钢，炉壁厚度t范围为40～60mm，炉壁内部结构为实心或中空，相应的中空间隙范围为(0～0.6)t。
3.根据权利要求2所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，当炉壁内部中空间隙厚度为(0-0.2)t时，行波磁场频率范围为50-200Hz。
4.根据权利要求2所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，当炉壁内部中空间隙厚度为(0.2-0.4)t时，行波磁场频率范围为50-300Hz。
5.根据权利要求2所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，当炉壁内部中空间隙厚度为(0.4-0.6)t时，行波磁场频率范围为50-400Hz。
6.根据权利要求1所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，在晶体生长过程中通过行波磁场实时控制熔体流动、温度分布与结晶界面形状。
7.根据权利要求1所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，行波磁场通过在金属炉壁外侧布置平行的若干组线圈、线圈上有序通入正弦交流电产生。
8.根据权利要求7所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，线圈共3至6个，所有线圈组成线圈组，线圈组空间排布总高度为熔体高度的1-10倍，线圈组总高度的1/4至3/4范围为熔体放置区域。
9.根据权利要求7所述的适用于磷化铟单晶生长的外加行波磁场控制方法，其特征在于，电流为交流电，通入相邻线圈的电流存在相位差，相位差范围为-120°-120°。
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