淺析磁場(chǎng)在晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

許琴

摘要：本文首先介紹了磁場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)影響的兩種機(jī)制和磁場(chǎng)的類型，然后分析了磁場(chǎng)在蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用和磁場(chǎng)在氧化物晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用，最后探討了磁場(chǎng)在半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)；晶體生長(zhǎng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： P144 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

從熔體中生長(zhǎng)晶體，由于對(duì)流，尤其是湍流的存在而產(chǎn)生宏觀及微觀的生長(zhǎng)條紋，影響到晶體的物理及化學(xué)性質(zhì)的均勻性?？朔?duì)流的方法主要有微重力環(huán)境和磁場(chǎng)，而前者的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴，實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，可用于基礎(chǔ)性的研究，大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用在目前來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的。

磁場(chǎng)用于抑制晶體生長(zhǎng)中的湍流以減少條紋的方法是在1966年由Utech和Fleming及Chedzey和Hurlel分別獨(dú)立提出的，然而這一發(fā)現(xiàn)卻未能引起人們的重視。70年代末，人們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)Si單晶生長(zhǎng)中引入晶體的氧濃度影響很大。由于氧濃度對(duì)Si基半導(dǎo)體器件的性能影響很大，才開始大規(guī)模研究磁場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)行為的影響。

1磁場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)影響的兩種機(jī)制

磁場(chǎng)影響晶體生長(zhǎng)的機(jī)制有兩種：Lorentz力與熔體中對(duì)流的互作用和對(duì)生長(zhǎng)物質(zhì)的磁化。前一種機(jī)制是對(duì)熔融態(tài)導(dǎo)電的物質(zhì)而言的。磁場(chǎng)條件下熔體的流動(dòng)必然引起感應(yīng)電流的存在，而磁場(chǎng)又對(duì)這種感應(yīng)電流有LorentZ力的作用，因此可以抑制熔體中的對(duì)流。如果用B、E、V分別表示磁場(chǎng)強(qiáng)度、感生電動(dòng)勢(shì)和熔體流速，那么熔體中的感生電動(dòng)勢(shì)E為：E=-B×V

熔體中的感生電動(dòng)勢(shì)是非均勻的，因此有電流J存在，這樣抑制熔體運(yùn)動(dòng)的力F為：F=J×B

另外一種機(jī)制則是對(duì)于非導(dǎo)電的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)而言。它們?cè)诖艌?chǎng)作用下分子受到磁化，其受到的力

其中x為該物質(zhì)的磁化率，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，V為物質(zhì)體積。

2磁場(chǎng)的類型

目前，磁場(chǎng)在晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用一般分為兩大類：穩(wěn)恒磁場(chǎng)和非穩(wěn)恒磁場(chǎng)。其中穩(wěn)恒磁場(chǎng)又可分為橫向（水平）磁場(chǎng)、垂直（軸向、縱向）磁場(chǎng)、會(huì)切（勾形）磁場(chǎng)；非穩(wěn)恒磁場(chǎng)又分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、行波磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)。

3磁場(chǎng)在蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用

磁場(chǎng)是否對(duì)蛋白質(zhì)晶體的生長(zhǎng)有影響，是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題，但Wakayama等人利用均勻磁場(chǎng)和非均勻磁場(chǎng)對(duì)雞蛋白溶菌酶(hen egg-white lysozyme)進(jìn)行作用，發(fā)現(xiàn)均勻磁場(chǎng)對(duì)晶體的生長(zhǎng)沒有作用。但不均勻磁場(chǎng)卻對(duì)該晶體的成核數(shù)目有一定的影響，當(dāng)磁場(chǎng)的梯度方向與重力方向一致時(shí)，則該蛋白質(zhì)的成核數(shù)要比無(wú)磁場(chǎng)的情況下的成核數(shù)多5%，反之，如磁場(chǎng)的梯度方向與重力方向相反，則成核數(shù)減小5%。最近他們又利用均勻磁場(chǎng)在重力條件下對(duì)晶體進(jìn)行穩(wěn)定，定量的研究了重力條件下該物質(zhì)的初始結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。

4磁場(chǎng)在氧化物晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用

對(duì)磁場(chǎng)影響氧化物晶體生長(zhǎng)的研究才剛剛開始，但已經(jīng)有一些有益的探索。金蔚青等人位對(duì)橫向磁場(chǎng)下KNbO3晶體生長(zhǎng)過(guò)程作實(shí)時(shí)觀察，發(fā)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)邊界層的前緣部分變成平坦?fàn)?，在晶體穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)中晶體內(nèi)的生長(zhǎng)條紋減少。施加磁場(chǎng)則晶體生長(zhǎng)界面前沿較為平直，撤去磁場(chǎng)，界面變得有些凹凸不平，而且出現(xiàn)了垂直于生長(zhǎng)界面的生長(zhǎng)條紋。他們認(rèn)為在磁場(chǎng)的作用下，界面前沿的流動(dòng)粘滯性較高，溫度波動(dòng)較低，撤去磁場(chǎng)后，這兩個(gè)參數(shù)條件迅速惡化而引起生長(zhǎng)條紋。在后續(xù)的工作中又對(duì)KNbO3熔體中的溫度分布進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加熔體溫度梯度沿徑向減小。

Miyazawa等研究了LiNbO3和TiO2熔體在軸向和橫向磁場(chǎng)的作用下對(duì)流，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)作用下氧化物熔體中的對(duì)流與半導(dǎo)體熔體中的對(duì)流變化不一樣。他們發(fā)現(xiàn)在800mT軸向磁場(chǎng)作用下，LiNbO3熔體中的流動(dòng)有一個(gè)突變，由輻條狀向繞中心旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)轉(zhuǎn)換，并且旋轉(zhuǎn)速度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大。橫向磁場(chǎng)下則在500mT時(shí)即出現(xiàn)上述情況。對(duì)TiO2熔體均出現(xiàn)上述情況，TiO2熔體對(duì)流轉(zhuǎn)換則是從復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成繞中心旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。其旋轉(zhuǎn)速度大約是LiNbO3情況下的兩倍，旋轉(zhuǎn)方向相反，且使旋轉(zhuǎn)的臨界值僅為10mT。他們還成功地利用這一特點(diǎn)，用磁場(chǎng)Czochraski方法生長(zhǎng)出TiO2單晶，而這在沒有磁場(chǎng)作用的情況下則是比較困難的，對(duì)其直徑的控制幾乎不可能，因?yàn)楣桃航缑姘枷蛉垠w。

5磁場(chǎng)在半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料是磁場(chǎng)在晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用涉及最早同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)潛力最大的一個(gè)區(qū)域。研究較多的是磁場(chǎng)條件下Si中氧濃度及其分布的變化、GaAS晶體由半絕緣體到半導(dǎo)體的變化及InP晶體的生長(zhǎng)條紋變化等。

5.1 Si

磁場(chǎng)可以影響Si單晶中氧濃度的大小是進(jìn)行磁場(chǎng)Si單晶生長(zhǎng)的主要?jiǎng)右?。引入Si單晶中氧濃度主要受熔體Si與石英坩堝的反應(yīng)速度、熔體表面SiO蒸發(fā)的速率等因素的影響。因此與其它保守?fù)劫|(zhì)不一樣，氧濃度受熔體中對(duì)流、增禍一熔體界面厚度以及熔體自由表面的影響較大，因此磁場(chǎng)對(duì)其作用較大。以下是關(guān)于三種不同靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)Si單晶生長(zhǎng)效應(yīng)的簡(jiǎn)單綜述。

5.1.1軸向磁場(chǎng)的結(jié)果

軸向磁場(chǎng)的工作很多，Hoshikawall報(bào)道了100mT軸向磁場(chǎng)對(duì)從3.5kg熔體中生長(zhǎng)的單晶Si中氧和磷沿徑向分布的影響，發(fā)現(xiàn)氧的含量在軸向增大，而徑向電阻率均勻性減小，軸向的電阻率均勻性增加，在晶體邊緣處旋轉(zhuǎn)條紋增加。Thomas等報(bào)道了Ga的有效分凝系數(shù)Keff與所施加磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系。

Dold等研究軸向磁場(chǎng)下，用鏡爐(Mirror Furnaee)加熱浮區(qū)法生長(zhǎng)p和Sb摻雜Si單晶的過(guò)程。60mT的磁場(chǎng)就對(duì)生長(zhǎng)條紋有強(qiáng)烈的影響。發(fā)現(xiàn)隨磁場(chǎng)增強(qiáng)，條紋的頻率范圍由無(wú)磁場(chǎng)下的0.1~5Hz減少到220mT下只剩下一個(gè)頻率，240mT時(shí)則獲得無(wú)條紋的單晶。

Croll等研究了5T的強(qiáng)磁場(chǎng)下用上述方法生長(zhǎng)Si單晶的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)如此高的磁場(chǎng)下軸向分凝的分布向擴(kuò)散控制的方向移動(dòng)，但并沒有獲得純粹的擴(kuò)散控制區(qū)域。與時(shí)間相關(guān)的Marangoni對(duì)流引起的溶質(zhì)條紋得以抑制。但在強(qiáng)磁場(chǎng)下出現(xiàn)一種新的振蕩條紋，這種條紋是由熱電磁對(duì)流引起的，熱電磁對(duì)流通常表現(xiàn)為環(huán)狀對(duì)流，熱電流(Thermocurrent)和界面形狀、溫度場(chǎng)以及組成等有關(guān)。

5.1.2橫向磁場(chǎng)的結(jié)果

Suzuki等最先報(bào)道了橫向磁場(chǎng)下的Si單晶生長(zhǎng)。他們利用傳統(tǒng)的加熱器，在400mT磁場(chǎng)下沿(100)面生長(zhǎng)出直徑5cm硼摻雜無(wú)位錯(cuò)晶體，熔體中溫度振蕩從2℃降到<0.2℃，氧的濃度有所降低。Hoshi等研究較大熔體中生長(zhǎng)晶體，發(fā)現(xiàn)橫向磁場(chǎng)可以減少晶體中氧含量，及由于增禍中的雜質(zhì)而引起的污染。Ravishankar等人報(bào)道了由熱對(duì)流引起的條紋的減少，但旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)條紋有所增加。這可能是由于橫向磁場(chǎng)引起熔體中熱對(duì)稱性破壞的原因。與軸向磁場(chǎng)相比，橫向磁場(chǎng)下增禍的旋轉(zhuǎn)有更為顯著的效應(yīng)。

5.1.3會(huì)切磁場(chǎng)的結(jié)果

會(huì)切磁場(chǎng)是為了解決簡(jiǎn)單軸向磁場(chǎng)或橫向磁場(chǎng)作用下的問(wèn)題而提出的一種新設(shè)計(jì)方案。合理的設(shè)計(jì)可以保證在晶體-熔體界面處磁場(chǎng)方向垂直于增禍壁，而沒有軸向的成分。Series和Hirata報(bào)道都顯示軸向磁場(chǎng)下單晶中氧濃度降低，徑向均勻性較好。理論和實(shí)驗(yàn)都證明在低磁場(chǎng)下氧含量降低的速率很快。sabhapathy和saleudean對(duì)軸向磁場(chǎng)和會(huì)切磁場(chǎng)影響Si單晶中氧的分凝效果進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，提出了垂直于剛性界面的磁場(chǎng)可以加強(qiáng)邊界與熔體流動(dòng)之間的藕合的概念，這與會(huì)切磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)下鉗竭旋轉(zhuǎn)起主要作用，軸向磁場(chǎng)下晶體旋轉(zhuǎn)起主要作用的事實(shí)相符合。