CN106498487A - 熔区附加磁场装置及具有其的vgf单晶生长炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种熔区附加磁场装置及具有其的VGF单晶生长炉，所述磁场装置包括磁体及内外导磁板，套设于单晶炉外采用中心对称布置，用于在VGF单晶生长炉内产生磁场，其中内导磁板位于单晶炉与磁体之间，且与单晶炉和磁体相接触，外导磁板位于磁体远离内导磁板的一侧。本发明采用对称的永磁场能够有效地抑制单晶炉中的熔体对流，并降低固液界面的温度波动，提高晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及单晶生长设备技术领域，具体涉及一种熔区附加磁场装置及具有其的VGF单晶生长炉。
背景技术
VGF(vertical gradient freeze,VGF)法即垂直梯度冷凝法是由美国学者Sonnenberg等人开发的一项专利技术。近年来，国内外的科研人员对VGF法生长单晶进行了大量的实验研究，并取得了诸多的成果。美国贝尔实验室的Monberg等人利用VGF法生长了磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)晶体，首次将VGF技术应用于半导体化合物单晶生长。随着VGF技术的不断改进，更多的半导体单晶被生长出来。如今该方法已经被成功应用于砷化镓(GaAs)晶体、磷化铟(InP)晶体、锗(Ge)和碲锌镉(CdZnTe)等单晶。
皮特鲁道夫(P.Rudolph)证明移动的磁场产生洛伦兹力，它可最佳化晶体生长过程中质量和热量的传递。之后对于磁场的应用，无论是理论还是实验都进行了广泛的研究，特别是VGF法生长各种不同的材料。但现在技术生长单晶存在成晶率低，晶体质量差等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种熔区附加磁场装置及具有其的VGF单晶生长炉，采用对称的永磁场能够有效地抑制单晶炉中的熔体对流，并降低固液界面的温度波动，提高晶体质量。
本发明所述的熔区附加磁场装置：所述磁场装置包括磁体及内外导磁板，套设于单晶炉外采用中心对称布置，用于在VGF单晶生长炉内产生磁场，其中内导磁板位于单晶炉与磁体之间，且与单晶炉和磁体相接触，外导磁板位于磁体远离内导磁板的一侧。
优选地，所述磁场装置还包括上磁扼以及下磁轭，上磁扼与下磁轭均连接于内导磁板及外导磁板之间且分别位于磁体的两端，内导磁板、外导磁板、上磁扼以及下磁轭共同围成空间，磁***于该空间内。
优选地，所述磁体由若干块稀土钕铁硼拼接构成，环形磁体构成中心对称***，中心磁场强度为800-900GS且磁场中心与单晶炉中晶体生长方向平行，磁感线范围完全覆盖坩埚中的溶液。
优选地，所述磁场装置还具有支撑架，支撑架突出于单晶炉并支撑磁体。
优选地，所述磁场装置套置于VGF单晶炉外侧，VGF单晶炉的外炉筒与磁场装置的内导磁板接触。
本发明所述的具有熔区附加磁场装置的VGF单晶生长设备，包括VGF单晶炉和上述磁场装置，所述VGF单晶炉的外炉筒与磁场装置的内导磁板接触。
本发明的磁场装置采用对称永磁场结构，不耗能，免维护，没有噪音污染。磁场装置套设于单晶炉外侧并与单晶炉相接触，缩短了磁场装置与单晶炉的间距，不仅结构简单、占用空间少，还避免了磁场强度的损失，可向单晶炉提供强度最理想的磁场。本发明的具有磁场装置的VGF单晶生长设备，由于磁场装置的作用，能够有效地抑制单晶炉中的熔体对流，并降低固液界面温度波动，提高晶体质量和成晶率。
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是本发明的具有熔区附加磁场的VGF单晶生长设备的截面图。
其中1：VGF单晶炉体；2：上磁轭；3：外导磁板；4：磁体；5：下磁轭；6：内导磁板；7：坩埚；8：熔体。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1来详细说明本实施例。
本发明提供的具有熔区附加磁场装置的VGF单晶生长炉的结构如图1所示，所述磁场装置套置于单晶炉外侧。磁场对于晶体生长过程的影响包括平缓了固液界面的形状，减小热应力和微观的非均匀性，增加熔体的混合、熔体和器具间的相互作用等。
VGF单晶炉具有VGF单晶炉体1以及其内部的坩埚7和熔体8。
磁场装置与VGF单晶炉的炉体相接触。磁场装置包括磁体4、内导磁板6、外导磁板3、上磁扼2以及下磁轭5。磁体4大致为环形。内导磁板6、外导磁板3、上磁扼2以及下磁轭5共同围成空间，磁体4位于该空间内。内导磁板6位于炉体的外侧壁与与磁体4之间，且与炉体的外侧壁相接触。内导磁板6与单晶炉体的外侧壁形状相同，在各处均为面接触。外导磁板3位于磁体4远离内导磁板6的一侧。上磁扼2与下磁轭5均处于内导磁板6及外导磁板3之间，且分别位于磁体4的两端。
目前生长磷化铟单晶所使用的坩埚总高度为200mm，以4-5公斤装料量计算，磁体高度应不小于400mm。坩埚位于磁体中部偏上位置，以保证固液界面位于磁体中部，坩埚上沿与磁体上沿距离为20-80mm。
磁场装置的固定方式：内导磁板6采用螺钉或焊接的方法与VGF单晶炉外壁紧密联接；下磁轭5由螺钉与支撑架联接；内导磁板6、外导磁板3、上磁轭2以及下磁轭5之间由螺钉固定。
所述磁体4由若干块稀土钕铁硼拼接构成，环形磁体构成中心对称***，中心磁场强度为800-900GS且磁场中心与单晶炉中晶体生长方向平行，磁感线范围完全覆盖坩埚中的溶液。
所使用磁体的尺寸应满足磁感线完全覆盖熔体，通过选择不同型号的永磁体和不同磁体形状来控制磁场强度，保证磁感线覆盖熔体范围。
磁场装置还具有支撑架(未图示)，支撑架突出于单晶炉并支撑磁体。
本发明采用的附加在熔区的磁场由稀土永磁体产生，不同于现有技术使用的电磁场。使用永磁体产生磁场的优点在于磁场稳定，不受外界电流电压变化的影响。在长周期的晶体生长过程中可以保持熔体中磁场的稳定性，更有利于长时间内抑制熔体对流，保持固液界面稳定，有利于提高单晶生长工艺的稳定性和重复性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种熔区附加磁场装置，其特征在于，
所述磁场装置包括磁体及内外导磁板，套设于单晶炉外采用中心对称布置，用于在VGF单晶生长炉内产生磁场，其中内导磁板位于单晶炉与磁体之间，且与单晶炉和磁体相接触，外导磁板位于磁体远离内导磁板的一侧。
2.根据权利要求1所述的熔区附加磁场装置，其特征在于，
所述磁场装置还包括上磁扼以及下磁轭，上磁扼与下磁轭均连接于内导磁板及外导磁板之间且分别位于磁体的两端，内导磁板、外导磁板、上磁扼以及下磁轭共同围成空间，磁***于该空间内。
3.根据权利要求1所述的熔区附加磁场装置，其特征在于，
所述磁体由若干块稀土钕铁硼拼接构成，环形磁体构成中心对称***，中心磁场强度为800-900GS且磁场中心与单晶炉中晶体生长方向平行，磁感线范围完全覆盖坩埚中的溶液。
4.根据权利要求1所述的熔区附加磁场装置，其特征在于，
所述磁场装置还具有支撑架，支撑架突出于单晶炉并支撑磁体。
5.具有权利要求1-4任一所述的熔区附加磁场装置的VGF单晶生长炉，其特征在于，
所述磁场装置套置于VGF单晶炉外侧，VGF单晶炉的外炉筒与磁场装置的内导磁板接触。
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