基于物理气相传输法的温度场控制装置及温控方法
技术领域
本公开属于材料生长技术领域，涉及一种基于物理气相传输法的温度场控制装置及温控方法。
背景技术
第三代半导体材料是以氮化镓GaN、碳化硅SiC、氮化铝AlN等为代表的宽禁带半导体材料，由于其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的热稳定性、耐腐蚀和耐辐射等优良的物理和化学特性，广泛应用于高频、微波功率器件、发光器件等领域。
目前，物理气相传输法(PVT，Physical Vapor Transport)被公认是生长AlN、SiC等晶体最成熟的方法之一。以物理气相传输法生长氮化铝示例，生长氮化铝的腔室中，坩埚由上部的盖和下部的锅组成，上部的盖用于固定籽晶，通常称之为籽晶托，下部的锅用于装AlN粉末。在生长A1N晶体之前，先将AlN籽晶或AlN/SiC复合籽晶通过粘合剂粘到籽晶托上，或者以紧贴方式直接机械固定在籽晶托上。晶体生长时，使生长室保持一定的温度梯度，AlN原料处于高温区，籽晶处于低温区。将坩埚温度升至2200℃～2500℃，使得AlN粉末升华，升华所产生的气相物质Al，N2在温度梯度的作用下从原材料表面传输到低温籽晶处，凝结结晶生成晶体。生长过程中的温度分布非常关键，合适的温度梯度才能带来晶体的快速生长。原料表面和衬底表面的温度差与原料表面到衬底之间的距离的比值将直接影响晶体生长速率。当加热体提供的温度梯度超过或达不到某一范围内时，对于晶体的生长都是不利的，当温度梯度太小时不能为晶体生长提供足够的过饱和度，则晶体不能稳定的生长；反之，若坩埚内部温度梯度过大将会导致过大的过饱和度，晶体迅速生长，这将导致二次形核的出现。
生长单晶的要求需要在晶体生长的不同阶段对应不同的温度梯度，在升温过程中使籽晶区结晶区温度高于原料区抑制二次形核；而在晶体生长过程中，籽晶区温度低于原料区，且温度梯度控制在适宜的范围内。
现有技术中，感应线圈为一段均匀分布的线圈，温度分布主要靠变化石墨加热体形状和加热体在感应线圈中的位置来调节，并通过石墨坩埚上方保温毡的形状进行微调。目前石墨加热体均为规则的长方形，有的研究通过在石墨坩埚上部保温材料石墨毡中心处开一个固定尺寸的小孔来进行控制温度梯度。开孔直径较大，对应的温度梯度就较大，开孔直径小，对应的温度梯度就较小。由于开孔的直径不能动态变化，所以对温度梯度不能进行动态控制，因此在AlN单晶生长过程中，容易发生二次形核。
因此，上述传统的方法在调节温度分布和温度梯度时，原料区和籽晶区的温度均会同时升降，例如升高或者降低电源功率时，原料区和结晶区的温度都是同时升降的；调整保温毡开口尺寸时，温度也是同时升降的，经常不能满足复杂工艺的精确温度控制要求。因此，亟需提出一种能够动态控制晶体制备的不同阶段下的温度分布以及温度梯度的温控装置，满足晶体的生长条件需求，且具有较高的精确度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置及温控方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置，包括：坩埚1，其内部具有原料区11和结晶区12，该原料区11和结晶区12之间存在一距离；分布式线圈2，设置于该坩埚1的外部；其中，该分布式线圈2内部具有不同的分布设置，对应形成温度相对高低的不同温度分布场，通过改变坩埚1与该温度分布场的相对位置关系控制晶体不同制备阶段中原料区11和结晶区12的温度分布以及温度梯度。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈2为单段式线圈，该单段式线圈内部的分布设置包括如下形式的一种或其组合：不同的线圈匝数设置、不同的线圈匝距设置、以及线圈距离坩埚的不同距离设置。
在本公开的一些实施例中，温度分布场包括：第一温度分布区间、第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一温度分布区间位于中间，具有第一温度；第二温度分布区间和第三温度分布区间位于第一温度分布区间的两侧，分别具有第二温度和第三温度，其中，第一温度高于第二温度，且第一温度高于第三温度。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈中，各匝均匀分布，各匝线圈之间具有第一距离；两侧部分的线圈中，各匝分布均匀，各匝线圈之间分别具有第二距离和第三距离，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一距离小于第二距离，且第一距离小于第三距离。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈与坩埚之间具有第四距离，两侧部分的线圈与坩埚之间分别具有第五距离和第六距离，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第四距离小于第五距离，且第四距离小于第六距离。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈为N段分布式线圈，N≥2，各段分布式线圈之间设置有挡墙，用于隔绝各段分布式线圈之间的磁场，各段分布式线圈通入各自的电流，通过控制每段分布式线圈通入的电流差异形成温度相对高低的不同温度分布场。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈2为分布设置相同的两段分布式线圈，其中一段分布式线圈在结晶区12对应产生第四温度分布区间，另一段分布式线圈在原料区11对应产生第五温度分布区间，在进行升温和降温过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度高于第五温度分布区间的温度，在进行晶体生长过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度低于第五温度分布区间的温度。
在本公开的一些实施例中，温度相对高低的不同温度分布场为如下分布：在进行升温和降温的过程中，结晶区12的温度高于原料区11的温度；在进行晶体生长过程中，原料区11升温至2100-2500℃，并使结晶区12的温度低于原料区11，温度梯度为20℃/cm-40℃/cm；当晶体生长至一预定时间后，升高原料区11温度或者降低结晶区12温度来进行温度补偿，以保持温度梯度。
根据本公开的另一个方面，对于分布式线圈2为单段式线圈的温度场控制装置或者分布式线圈为N段分布式线圈中N＞2时的温度场控制装置，提出了基于上述装置的温控方法，该温控方法包括：在进行升温和降温的过程中，将坩埚1放于第一位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较低的温度分布场和温度相对较高的温度分布场中；在进行晶体生长过程中，移动坩埚1至第二位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较高的温度分布场和温度相对较低的温度分布场中。
根据本公开的又一个方面，对于分布式线圈为N段分布式线圈中N＝2时的温度场控制装置，提供了一种基于上述温度场控制装置的温控方法，该温控方法包括：在进行升温和降温的过程中与进行晶体生长过程中切换时保持坩埚2的位置不动，通过调控各段分布式线圈通入的电流实现不同温度分布场的相对高低转换。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于物理气相传输法的温度场控制装置及温控方法，具有以下有益效果：
1、通过设置感应线圈的分布构造温度分布场，感应线圈的分布包括感应线圈的匝数、感应线圈的分布疏密、感应线圈距离坩埚的远近、多段式分布线圈等形式，形成温度相对高低的不同温度分布场，例如具有较高温度的第一温度分布区间以及位于第一温度分布区间两侧的具有较低温度的第二温度分布区间以及第三温度分布区间，从而控制对应温度分布区间的温度值以及温度梯度，使得晶体在生长的不同阶段，通过控制坩埚与温度分布场的相对位置，例如通过上下移动坩埚，使坩埚中的原料区和结晶区在不同制备阶段处于不同的温度分布区间中，实现晶体不同阶段所需的温度分布和温度梯度；利用温度分布场的设置实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，有效抑制了晶体生长过程中的二次形核，并且具体设置对应不同晶体所需的生长条件可以适应性调整，具有广泛的适用性。
2、将线圈设置为多段式分布线圈的结构，特殊的，例如为分布设置相同的两段分布式线圈，各段分布式线圈之间单独通电，各段分布线圈之间设置有挡墙用于隔绝磁场，仅仅通过各段线圈之间通入不同的电流实现高温场和低温场的分布以及高温场和低温场的互换，两段分布式线圈结构中，不需要改变坩埚的位置，实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，可有效抑制晶体生长过程中的二次形核，具有结构简单易行、操作简单和控制方便的优势，另外多段式(N≥2)设置相比于现有的单段式线圈来说，非高温区通过降低输入功率，增强了加热效果。
附图说明
图1为本公开一实施例所示的基于物理气相传输法的温度场控制装置的整体结构图。
图2为本公开第一实施例所示的分布式线圈的分布示意图。
图3为本公开第二实施例所示的分布式线圈的分布示意图。
图4为本公开第三实施例所示的分布式线圈的分布示意图。
【符号说明】
1-坩埚；
11-原料区；12-结晶区；
2-分布式线圈；
21-位于上部的一段分布式线圈；
22-位于下部的一段分布式线圈；
3-支撑旋转台；
4-生长腔室；
41-气体入口；42-气体出口；
43-冷却水；44-顶盖；
45-测温计；
5-石墨加热体； 6-保温毡。
具体实施方式
电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过感应器即线圈产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流即涡流，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。在磁场作用下，坩埚内部就会产生与感应线圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿坩埚表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将坩埚的表面迅速加热。涡流主要分布于坩埚表面，内部几乎没有电流通过，这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把坩埚加热到高温的。即是通过把电能转化为磁能，使被加热体感应到磁能而发热的一种加热方式。感应加热时，电能在金属透入层转变为热能，再依靠金属本身的热传导能力使热能由温度高处向温度低处传递，即由电流透入层传向中心。石墨加热体
所谓二次形核是指升华的A1N气相不能在籽晶上外延生长，而是随机杂乱形核生长，从而导致生长出的AlN是多晶而不是单晶。实验发现，当AlN原料区的温度升到约1650℃时，AlN开始有少量的升华，此时籽晶的温度降低，AlN分解产生的气相物质在籽晶表面的迁移能力较差，在籽晶表面无规律沉积，发生二次形核。随着温度进一步上升，整个生长体系的温度达到预设的生长温度时2100℃-2300℃，籽晶区温度比原料区温度低约50℃，AlN晶体开始生长，但是如果温度梯度过大，依然会发生二次形核。因此，需要在升温过程中使籽晶区温度高于原料区抑制二次形核；而在晶体生长时，籽晶区温度低于原料区，且温度梯度控制在适宜的范围内，这对温度分布和温度梯度控制要求极高。
本公开提出一种基于物理气相传输法的温度场控制装置及温控方法，通过设置感应线圈的分布构造温度分布场，感应线圈的分布包括感应线圈的匝数、感应线圈的分布疏密、感应线圈距离坩埚的远近、多段式分布线圈等形式，形成温度相对高低的不同温度分布场，通过改变坩埚与该温度分布场的相对位置关系控制晶体不同制备阶段中原料区和结晶区的温度分布以及温度梯度，利用温度分布场的设置实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，有效抑制了晶体生长过程中的二次形核，并且具体设置对应不同晶体所需的生长条件可以适应性调整，具有广泛的适用性。
本公开的基于物理气相传输法的温度场控制装置，包括：坩埚1，其内部具有原料区11和结晶区12，该原料区11和结晶区12之间存在一距离；分布式线圈2，设置于该坩埚1的外部；其中，该分布式线圈2内部具有不同的分布设置，对应形成温度相对高低的不同温度分布场，通过改变坩埚1与该温度分布场的相对位置关系控制晶体不同制备阶段中原料区11和结晶区12的温度分布以及温度梯度。
在本公开的一些实施例中，比如第一实施例和第二实施例中，分布式线圈2为单段式线圈，该单段式线圈内部的分布设置包括如下形式的一种或其组合：不同的线圈匝数设置、不同的线圈匝距设置、以及线圈距离坩埚的不同距离设置。
在本公开的一些实施例中，比如第一实施例和第二实施例中，温度分布场包括：第一温度分布区间、第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一温度分布区间位于中间，具有第一温度；第二温度分布区间和第三温度分布区间位于第一温度分布区间的两侧，分别具有第二温度和第三温度，其中，第一温度高于第二温度，且第一温度高于第三温度。
其中，在第一实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈中，各匝均匀分布，各匝线圈之间具有第一距离d1；两侧部分的线圈中，各匝分布均匀，各匝线圈之间分别具有第二距离d2和第三距离d3，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一距离小于第二距离，且第一距离小于第三距离。
其中，在第二实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈与坩埚之间具有第四距离D1，两侧部分的线圈与坩埚之间分别具有第五距离D2和第六距离D3，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第四距离小于第五距离，且第四距离小于第六距离。
在本公开的一些实施例中，分布式线圈为N段分布式线圈，N≥2，各段分布式线圈之间设置有挡墙，用于隔绝各段分布式线圈之间的磁场，各段分布式线圈通入各自的电流，通过控制每段分布式线圈通入的电流差异形成温度相对高低的不同温度分布场。
在本公开的一些实施例中，例如第三实施例中，分布式线圈2为分布设置相同的两段分布式线圈，其中一段分布式线圈在结晶区12对应产生第四温度分布区间，另一段分布式线圈在原料区11对应产生第五温度分布区间，在进行升温和降温过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度高于第五温度分布区间的温度，在进行晶体生长过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度低于第五温度分布区间的温度。
在本公开的一些实施例中，温度相对高低的不同温度分布场为如下分布：在进行升温和降温的过程中，结晶区12的温度高于原料区11的温度，温差介于10℃-300℃之间；在进行晶体生长过程中，原料区11升温至2100-2500℃，并使结晶区12的温度低于原料区11，温度梯度为20℃/cm-40℃/cm；当晶体生长至一预定时间后，升高原料区11温度或者降低结晶区12温度来进行温度补偿，以保持温度梯度。
对于分布式线圈2为单段式线圈的温度场控制装置或者分布式线圈为N段分布式线圈中N＞2时的温度场控制装置，基于上述温度场控制装置的温控方法包括：在进行升温和降温的过程中，将坩埚1放于第一位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较低的温度分布场和温度相对较高的温度分布场中；在进行晶体生长过程中，移动坩埚1至第二位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较高的温度分布场和温度相对较低的温度分布场中。
对于分布式线圈为N段分布式线圈中N＝2时的温度场控制装置，基于上述温度场控制装置的温控方法包括：在进行升温和降温的过程中与进行晶体生长过程中切换时保持坩埚2的位置不动，通过调控各段分布式线圈通入的电流实现不同温度分布场的相对高低转换。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本文中，为了突出强调某些设置因素，除了所要强调的不同的设置之外的其他因素均默认为相同的，比如，在第一实施例中，主要强调不同的线圈匝数设置和不同的线圈匝距设置的组合，默认各匝线圈与坩埚之间的距离是相等的，在第二实施例中，主要强调线圈距离坩埚的不同距离设置的影响，默认线圈匝数设置和线圈匝距是相同的，其他类似。术语“介于之间”包含端点值。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置。
图1为本公开一实施例所示的基于物理气相传输法(PVT)的温度场控制装置的整体结构图。图2为本公开第一实施例所示的分布式线圈的分布示意图。图1中以向上的虚线箭头示意原料升华的方向。
参照图1和图2所示，本实施例的基于物理气相传输法的温度场控制装置，包括：生长腔室4，内部具有一容置空间，该容置空间形成一腔体；坩埚1，位于该腔体内，其内部具有原料区11和结晶区12，该原料区11和结晶区12之间存在一距离；石墨加热体5，包围于坩埚1的外部；保温毡6，包围于石墨加热体5的四周；支撑旋转台3，位于坩埚1下方，能够带动坩埚1进行旋转以及上下移动；该生长腔室4下部设置有气体入口41和气体出口42，顶盖44下方设置有测温计45，该测温计45(例如为红外测温计)位于腔体中，用于测试坩埚2内部的温度；该生长腔室4的内壁中还通入有冷却水43，用于循环冷却实现坩埚和分布式线圈的降温；以及分布式线圈2，设置于生长腔室1的外部。其中，该分布式线圈2内部具有不同的分布设置，对应形成温度相对高低的不同温度分布场，通过改变坩埚1与该温度分布场的相对位置关系控制晶体不同制备阶段中原料区11和结晶区12的温度分布以及温度梯度。
需要说明的是，为了突出重点内容，说明坩埚中原料区和结晶区与分布式线圈形成的温度分布场之间的关系，图2、图3和图4对于结构进行了简化。
本实施例中，分布式线圈2为单段式线圈，该单段式线圈内部的分布设置包括但不限于如下形式的一种或其组合：不同的线圈匝数设置、不同的线圈匝距设置、以及线圈距离坩埚的不同距离设置。
根据叠加原理，随着线圈匝数的增加，在被加热的石墨加热体的内表面产生的磁通密度越大，因而产生更大的感应电流密度，那么加热集肤层内产生的能量就越高，石墨加热体升温也就越快，即感应加热的效果就越好。因此，通过设计不同线圈的匝间距来控制匝数密度的线圈，来实现不同磁感应强度的区域，从而实现不同区域对温度的精确控制。
分布式感应线圈距离加热体内壁越近，加热体的温度越高，加热效果越好，这是因为感应加热距离对临近效应有较大的影响，随着两者距离的降低，临近效应逐渐增强，感应电流更加集中在被加热的石墨加热体的内表面，产生的能量密度也更高。但随着线圈与石墨加热体之间距离的降低(越靠近)，会对线圈产生热损伤，会降低线圈的使用寿命。
本实施例以该单段式线圈内部的分布设置为：不同的线圈匝数设置和不同的线圈匝距设置的组合为例。
参照图2所示，本实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈中，例如有8匝线圈，各匝均匀分布，各匝线圈之间具有第一距离d1；两侧部分的线圈中，各匝分布均匀，各匝线圈之间分别具有第二距离d2和第三距离d3，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一距离d1小于第二距离d2，且第一距离d1小于第三距离d3。这里不限定第二距离和第三距离的相对大小，二者可以相同，也可以不同，可以根据实际温度场的设定需要进行适应性设置。
在一实例中，一般匝间距设置为5mm左右，窄间距可以设置为2-3mm，宽间距可以设置为7-9mm。
当然，在其他实施例中，可以是不局限于本实施例所示的多种分布设置进行组合的形式，也可以是单独变化某一分布设置，比如：单独变化线圈匝距或者线圈匝数。根据实验结果分析可知，线圈匝数相较于线圈匝距来说，对于温度分布的调控效果更显著。
对应的，形成的温度相对高低的不同温度分布场，包括：第一温度分布区间、第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一温度分布区间位于中间，具有第一温度；第二温度分布区间和第三温度分布区间位于第一温度分布区间的两侧，分别具有第二温度和第三温度，其中，第一温度高于第二温度，且第一温度高于第三温度。
本实施例优选线圈的材料为TP2紫铜，其具有较好的耐腐蚀性、热传导性、延展性和抽拉加工性，在高温中也不会发生氢脆的现象，并且为了提高加热效率，采取多根铜线平行缠绕的方式，提高感应磁场和感应涡流的大小，提高加热效率。
基于该实施例的基于物理气相传输法的温度场控制装置的温控方法包括：在进行升温和降温的过程中，将坩埚1放于第一位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较低的温度分布场和温度相对较高的温度分布场中，例如图2中示意的位置，使原料区11位于温度相对较低的第二温度分布场中，使结晶区12位于温度相对较高的第一温度分布场中；在进行晶体生长过程中，移动坩埚1至第二位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较高的温度分布场和温度相对较低的温度分布场中，例如图2中通过向上移动坩埚后使原料区11位于温度相对较高的第一温度分布场中，使结晶区12位于温度相对较低的第三温度分布场中。
在一实例中，利用本实施例中的温度场控制装置及其温控方法来生长宽禁带化合物半导体单晶材料，如氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等。其中，温度相对高低的不同温度分布场为如下分布：在进行升温和降温的过程中，结晶区12的温度高于原料区11的温度，温差介于10℃-300℃之间；在进行晶体生长过程中，原料区11升温至2100-2500℃，并使结晶区12的温度低于原料区11，温度梯度为20℃/cm-40℃/cm；当晶体生长至一预定时间后，升高原料区11温度或者降低结晶区12温度来进行温度补偿，以保持温度梯度。
具体的，(1)升温过程中，对坩埚中的原料区11和结晶区12进行加热时，以5℃/min-30℃/min的速度升温，在升温的过程中保持结晶区12温度略高于原料区11的温度，温差介于10℃-300℃之间；
(2)在晶体生长阶段，使原料区11升温至2100℃-2500℃，并使结晶区12的温度略低于原料区11，保持合理的温度梯度，比如20℃/cm-40℃/cm。此时，晶体通过升华-凝华的方式开始在结晶区12的籽晶上生长。
(3)保温阶段，保持上述合理的温度梯度进行持续生长48小时以上。此时随着原料的升华，原料与籽晶的距离在增大，需要升高原料区温度或者降低结晶区温度来进行温度补偿，以保持合适的温度梯度。
(4)冷却降温阶段，以5℃/min-10℃/min的速度降温，冷却至室温后取出生长好的单晶材料。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置。与第一个实施例的结构相比，分布式线圈2也为单段式线圈，本实施例中以该单段式线圈内部的分布设置为线圈距离坩埚的不同距离设置为例进行说明。
图3为本公开第二实施例所示的分布式线圈的分布示意图。
参照图3所示，本实施例中，分布式线圈2中间部分的线圈与坩埚之间具有第四距离D1，两侧部分的线圈与坩埚之间分别具有第五距离D2和第六距离D3，对应中间部分的线圈产生第一温度分布区间，对应两侧部分的线圈分别产生第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第四距离D1小于第五距离D2，且第四距离D1小于第六距离D3。
在一实例中，一般分布式线圈到石墨加热体的距离设为15cm左右，该距离是将分布式线圈到坩埚中轴线的距离与石墨加热体的半径(石墨加热体到中轴线的距离)作差得到的，可以正负调节2-5cm，在其它实施例中，上述距离参数的数值不局限于本实施例，可根据实际的器件尺寸进行适应性调整。
对应的，形成的温度相对高低的不同温度分布场，包括：第一温度分布区间、第二温度分布区间和第三温度分布区间，其中，第一温度分布区间位于中间，具有第一温度；第二温度分布区间和第三温度分布区间位于第一温度分布区间的两侧，分别具有第二温度和第三温度，其中，第一温度高于第二温度，且第一温度高于第三温度。
基于该实施例的基于物理气相传输法的温度场控制装置的温控方法包括：在进行晶体生长过程中，移动坩埚1至第二位置，例如图3中示意的位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较高的温度分布场和温度相对较低的温度分布场中，例如图3中示意的使原料区11位于温度相对较高的第一温度分布场中，使结晶区12位于温度相对较低的第三温度分布场中；在进行升温和降温的过程中，将坩埚1放于第一位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较低的温度分布场和温度相对较高的温度分布场中，例如图3中向下移动坩埚1后对应的位置，使原料区11位于温度相对较低的第二温度分布场中，使结晶区12位于温度相对较高的第一温度分布场中。
利用本实施例中的温度场控制装置及其温控方法来生长宽禁带化合物半导体单晶材料的过程与第一实施例类似，这里不再赘述。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置。与前两个实施例的结构相比，区别之处在于，前两个实施例中，分布式线圈2为单段式线圈，本实施例中，分布式线圈为N段分布式线圈，N≥2，各段分布式线圈之间设置有挡墙，用于隔绝各段分布式线圈之间的磁场，各段分布式线圈通入各自的电流，通过控制每段分布式线圈通入的电流差异形成温度相对高低的不同温度分布场。
本实施例中，将感应加热圈做成分段式结构，且每段均由导线通水铜圈绕制而成，在每段分布式线圈中通入冷却水构成水冷循环，大大提高了冷却效率。
图4为本公开第三实施例所示的分布式线圈的分布示意图。
参照图4所示，这里以N＝2的情况进行示例，分布式线圈2为分布设置相同的两段分布式线圈，其中一段分布式线圈，比如图4中所示的位于上部的一段分布式线圈21，在结晶区12对应产生第四温度分布区间，另一段分布式线圈，比如图4中所示的位于下部的一段分布式线圈22，在原料区11对应产生第五温度分布区间，在进行升温和降温过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度高于第五温度分布区间的温度，在进行晶体生长过程中，通入的电流使得第四温度分布区间的温度低于第五温度分布区间的温度。
线圈分为上下两段，分别通过各自的输入电流来精确控制对应区域的温度。随输入电流的增加，外壁最高温度明显增大，而且这种增大是呈非线性的。这是因为线圈电流越大，磁感应强度越大，受集肤效应的影响，在简体内表面集肤层的感应电流也就越大，相应地在简体内表面温度上升越快，最终温度也就越高，加热效果越好。
基于上述温度场控制装置的温控方法包括：在进行升温和降温的过程中与进行晶体生长过程中切换时保持坩埚2的位置不动，通过调控各段分布式线圈通入的电流实现不同温度分布场的相对高低转换。具体的，利用本实施例中的温度场控制装置及其温控方法来生长宽禁带化合物半导体单晶材料的过程与第一实施例类似，这里不再赘述。
需要说明的是，出于简化设计、减少结构的复杂度和节约成本的考虑，将各段分布式线圈设置为相同的，同时在每段分布式线圈中，不同的线圈匝数设置、不同的线圈匝距设置、以及线圈距离坩埚的不同距离设置等参数不作变化或是组合变化，仅仅以通入电流变化来调控温度分布场的分布情况，当然，不考虑复杂度的话，每段分布式线圈的分布设置可以是单段式线圈的形式设置，诸如第一实施例、第二实施例中或其变化量任意组合所示的情形，上述情形均在本公开的保护范围之内。
对于N＞2的情况来说，多段分布式线圈形成N个温度分布场，当然，根据需要可以设置其中一些温度分布场为相同的，整体呈现中间区域为高温场、两端区域为低温场的情形，在高温场与低温场之间可以存在温度过渡场，形成渐变分布的温度场，渐变的精度取决于各段分布式线圈的分布设置以及对应通入的电流大小，这些参数设置根据材料生长需要进行适应性设置或根据实验结果进行优化。
分布式线圈为N段分布式线圈中N＞2时的温度场控制装置，如图4中箭头所示意的情形，坩埚的位置可进行上下移动，基于上述温度场控制装置的温控方法包括：在进行升温和降温的过程中，将坩埚1放于第一位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较低的温度分布场和温度相对较高的温度分布场中；在进行晶体生长过程中，移动坩埚1至第二位置，使坩埚1中原料区11和结晶区12分别对应于温度相对较高的温度分布场和温度相对较低的温度分布场中。
本实施例中将线圈设置为多段式分布线圈的结构，特殊的，例如为两段分布式线圈，各段分布式线圈之间单独通电，各段分布线圈之间设置有挡墙用于隔绝磁场，仅仅通过各段线圈之间通入不同的电流实现高温场和低温场的分布以及高温场和低温场的互换，两段分布式线圈结构中，不需要改变坩埚的位置，实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，可有效抑制晶体生长过程中的二次形核，具有结构简单易行、操作简单和控制方便的优势，另外多段式(N≥2)设置相比于现有的单段式线圈来说，非高温区通过降低输入功率，增强了加热效果。
综上所述，本公开提供了一种基于物理气相传输法的温度场控制装置，通过设置感应线圈的分布构造温度分布场，感应线圈的分布包括：感应线圈的匝数、感应线圈的分布疏密、感应线圈距离坩埚的远近、多段式分布线圈等形式，形成温度相对高低的不同温度分布场，通过改变坩埚与该温度分布场的相对位置关系控制晶体不同制备阶段中原料区和结晶区的温度分布以及温度梯度，例如通过上下移动坩埚(第一和第二实施例)或是通过变化温度分布场的分布情况(第三实施例)，使坩埚中的原料区与结晶区在不同阶段处于不同的温度分布区间中，实现晶体不同阶段所需的温度分布和温度梯度；利用温度分布场的设置实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，有效抑制了晶体生长过程中的二次形核，并且具体设置对应不同晶体所需的生长条件可以适应性调整，具有广泛的适用性。两段分布式线圈结构中，不需要改变坩埚的位置，实现了温度分布和温度梯度的动态、精确可控，可有效抑制晶体生长过程中的二次形核，具有结构简单易行、操作简单和控制方便的优势，另外多段式(N≥2)设置相比于现有的单段式线圈来说，非高温区通过降低输入功率，增强了加热效果。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
并且，为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本公开的技术特征的目的，但这并非用于限定本公开。依照本公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本公开的内容据以调整，于此进行声明。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
