浅析磁场在晶体生长中的应用研究进展

许琴

摘要：本文首先介绍了磁场对晶体生长影响的两种机制和磁场的类型，然后分析了磁场在蛋白质晶体生长中的应用和磁场在氧化物晶体生长中的应用，最后探讨了磁场在半导体晶体生长中的应用。

关键词：磁场；晶体生长；应用

中图分类号： P144 文献标识码： A

从熔体中生长晶体，由于对流，尤其是湍流的存在而产生宏观及微观的生长条纹，影响到晶体的物理及化学性质的均匀性。克服对流的方法主要有微重力环境和磁场，而前者的实验费用昂贵，实验次数少，可用于基础性的研究，大规模的商业应用在目前来说是不现实的。

磁场用于抑制晶体生长中的湍流以减少条纹的方法是在1966年由Utech和Fleming及Chedzey和Hurlel分别独立提出的，然而这一发现却未能引起人们的重视。70年代末，人们发现磁场对Si单晶生长中引入晶体的氧浓度影响很大。由于氧浓度对Si基半导体器件的性能影响很大，才开始大规模研究磁场对晶体生长行为的影响。

1磁场对晶体生长影响的两种机制

磁场影响晶体生长的机制有两种：Lorentz力与熔体中对流的互作用和对生长物质的磁化。前一种机制是对熔融态导电的物质而言的。磁场条件下熔体的流动必然引起感应电流的存在，而磁场又对这种感应电流有LorentZ力的作用，因此可以抑制熔体中的对流。如果用B、E、V分别表示磁场强度、感生电动势和熔体流速，那么熔体中的感生电动势E为：E=-B×V

熔体中的感生电动势是非均匀的，因此有电流J存在，这样抑制熔体运动的力F为：F=J×B

另外一种机制则是对于非导电的物质，如蛋白质而言。它们在磁场作用下分子受到磁化，其受到的力

其中x为该物质的磁化率，H为磁场强度，V为物质体积。

2磁场的类型

目前，磁场在晶体生长中的应用一般分为两大类：稳恒磁场和非稳恒磁场。其中稳恒磁场又可分为横向（水平）磁场、垂直（轴向、纵向）磁场、会切（勾形）磁场；非稳恒磁场又分为旋转磁场、行波磁场、交变磁场和电磁场。

3磁场在蛋白质晶体生长中的应用

磁场是否对蛋白质晶体的生长有影响，是一个有争议的问题，但Wakayama等人利用均匀磁场和非均匀磁场对鸡蛋白溶菌酶(hen egg-white lysozyme)进行作用，发现均匀磁场对晶体的生长没有作用。但不均匀磁场却对该晶体的成核数目有一定的影响，当磁场的梯度方向与重力方向一致时，则该蛋白质的成核数要比无磁场的情况下的成核数多5%，反之，如磁场的梯度方向与重力方向相反，则成核数减小5%。最近他们又利用均匀磁场在重力条件下对晶体进行稳定，定量的研究了重力条件下该物质的初始结晶动力学。

4磁场在氧化物晶体生长中的应用

对磁场影响氧化物晶体生长的研究才刚刚开始，但已经有一些有益的探索。金蔚青等人位对横向磁场下KNbO3晶体生长过程作实时观察，发现晶体生长边界层的前缘部分变成平坦状，在晶体稳态生长中晶体内的生长条纹减少。施加磁场则晶体生长界面前沿较为平直，撤去磁场，界面变得有些凹凸不平，而且出现了垂直于生长界面的生长条纹。他们认为在磁场的作用下，界面前沿的流动粘滞性较高，温度波动较低，撤去磁场后，这两个参数条件迅速恶化而引起生长条纹。在后续的工作中又对KNbO3熔体中的温度分布进行了测量，发现随磁场强度增加熔体温度梯度沿径向减小。

Miyazawa等研究了LiNbO3和TiO2熔体在轴向和横向磁场的作用下对流，发现磁场作用下氧化物熔体中的对流与半导体熔体中的对流变化不一样。他们发现在800mT轴向磁场作用下，LiNbO3熔体中的流动有一个突变，由辐条状向绕中心旋转的流动转换，并且旋转速度随磁场强度增大而增大。横向磁场下则在500mT时即出现上述情况。对TiO2熔体均出现上述情况，TiO2熔体对流转换则是从复杂的网状结构转变成绕中心旋转的流动。其旋转速度大约是LiNbO3情况下的两倍，旋转方向相反，且使旋转的临界值仅为10mT。他们还成功地利用这一特点，用磁场Czochraski方法生长出TiO2单晶，而这在没有磁场作用的情况下则是比较困难的，对其直径的控制几乎不可能，因为固液界面凹向熔体。

5磁场在半导体晶体生长中的应用

半导体材料是磁场在晶体生长中的应用涉及最早同时也是经济潜力最大的一个区域。研究较多的是磁场条件下Si中氧浓度及其分布的变化、GaAS晶体由半绝缘体到半导体的变化及InP晶体的生长条纹变化等。

5.1 Si

磁场可以影响Si单晶中氧浓度的大小是进行磁场Si单晶生长的主要动因。引入Si单晶中氧浓度主要受熔体Si与石英坩埚的反应速度、熔体表面SiO蒸发的速率等因素的影响。因此与其它保守掺质不一样，氧浓度受熔体中对流、增祸一熔体界面厚度以及熔体自由表面的影响较大，因此磁场对其作用较大。以下是关于三种不同静态磁场对Si单晶生长效应的简单综述。

5.1.1轴向磁场的结果

轴向磁场的工作很多，Hoshikawall报道了100mT轴向磁场对从3.5kg熔体中生长的单晶Si中氧和磷沿径向分布的影响，发现氧的含量在轴向增大，而径向电阻率均匀性减小，轴向的电阻率均匀性增加，在晶体边缘处旋转条纹增加。Thomas等报道了Ga的有效分凝系数Keff与所施加磁场强度关系。

Dold等研究轴向磁场下，用镜炉(Mirror Furnaee)加热浮区法生长p和Sb掺杂Si单晶的过程。60mT的磁场就对生长条纹有强烈的影响。发现随磁场增强，条纹的频率范围由无磁场下的0.1~5Hz减少到220mT下只剩下一个频率，240mT时则获得无条纹的单晶。

Croll等研究了5T的强磁场下用上述方法生长Si单晶的过程，发现如此高的磁场下轴向分凝的分布向扩散控制的方向移动，但并没有获得纯粹的扩散控制区域。与时间相关的Marangoni对流引起的溶质条纹得以抑制。但在强磁场下出现一种新的振荡条纹，这种条纹是由热电磁对流引起的，热电磁对流通常表现为环状对流，热电流(Thermocurrent)和界面形状、温度场以及组成等有关。

5.1.2横向磁场的结果

Suzuki等最先报道了横向磁场下的Si单晶生长。他们利用传统的加热器，在400mT磁场下沿(100)面生长出直径5cm硼掺杂无位错晶体，熔体中温度振荡从2℃降到<0.2℃，氧的浓度有所降低。Hoshi等研究较大熔体中生长晶体，发现横向磁场可以减少晶体中氧含量，及由于增祸中的杂质而引起的污染。Ravishankar等人报道了由热对流引起的条纹的减少，但旋转生长条纹有所增加。这可能是由于横向磁场引起熔体中热对称性破坏的原因。与轴向磁场相比，横向磁场下增祸的旋转有更为显著的效应。

5.1.3会切磁场的结果

会切磁场是为了解决简单轴向磁场或横向磁场作用下的问题而提出的一种新设计方案。合理的设计可以保证在晶体-熔体界面处磁场方向垂直于增祸壁，而没有轴向的成分。Series和Hirata报道都显示轴向磁场下单晶中氧浓度降低，径向均匀性较好。理论和实验都证明在低磁场下氧含量降低的速率很快。sabhapathy和saleudean对轴向磁场和会切磁场影响Si单晶中氧的分凝效果进行了数值计算，提出了垂直于刚性界面的磁场可以加强边界与熔体流动之间的藕合的概念，这与会切磁场和横向磁场下钳竭旋转起主要作用，轴向磁场下晶体旋转起主要作用的事实相符合。