Метод Киропулоса
Метод Киропулоса , также известный как метод KY или метод Киропулоса , представляет собой метод выращивания объемных кристаллов , используемый для получения монокристаллов .
Наибольшее применение метода Киропулоса — выращивание больших булей монокристаллического сапфира, используемых для изготовления подложек для производства нитрида галлия на основе светодиодов , а также в качестве прочного оптического материала. [1]
История
[ редактировать ]Метод назван в честь Спиро Киропулоса , который предложил этот метод в 1926 году как метод выращивания хрупких кристаллов галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов для прецизионной оптики. [2] [3] [4] Этот метод был ответом на ограниченные размеры булей, достижимые Чохральского и Вернейля . в то время методами [5]
Метод Киропулоса был применен для выращивания кристаллов сапфира в 1970-х годах в Советском Союзе . [1]
Метод
[ редактировать ]
Сырье плавится в тигле . (Для выращивания кристаллов сапфира сырьем служит оксид алюминия высокой чистоты — всего несколько частей на миллион примесей — который затем нагревается выше 2100 °C в вольфрамовом или молибденовом тигле.) Точно ориентированный затравочный кристалл погружается в расплавленный расплав. материал. Затравочный кристалл медленно вытягивается вверх и может одновременно вращаться. Точно контролируя градиенты температуры, скорость вытягивания и скорость снижения температуры, можно изготовить из расплава большой монокристаллический слиток примерно цилиндрической формы.
В отличие от метода Чохральского, метод Киропулоса кристаллизует весь объем сырья в буле. Размер и соотношение сторон тигля близки к размеру конечного кристалла, и кристалл растет вниз в тигель, а не вытягивается вверх и из тигля, как в методе Чохральского. Вытягивание затравки вверх происходит гораздо медленнее, чем рост кристалла вниз, и служит в первую очередь для формирования мениска твердого тела и жидкости границы раздела посредством поверхностного натяжения .
Скорость роста контролируют путем медленного снижения температуры печи до тех пор, пока весь расплав не затвердеет. Подвешивание затравки к датчику веса может обеспечить обратную связь для определения скорости роста, хотя точные измерения осложняются изменяющейся и несовершенной формой диаметра кристалла, неизвестной выпуклой формой границы раздела твердого тела и жидкости и взаимодействием этих особенностей с плавучей средой. силы и конвекция внутри расплава. [6]
Метод Киропулоса характеризуется меньшими градиентами температуры на фронте кристаллизации, чем метод Чохральского. Как и в методе Чохральского, кристалл растет без каких-либо внешних механических формообразующих сил и, следовательно, имеет мало дефектов решетки и низкое внутреннее напряжение . [1] Этот процесс можно проводить в инертной атмосфере, например аргоне , или в высоком вакууме .
Преимущества
[ редактировать ]К основным преимуществам относятся техническая простота процесса и возможность выращивания кристаллов больших размеров (≥30 см). [4] [7] Метод также показывает низкую плотность дислокаций. [8]
Недостатки
[ редактировать ]Наиболее существенным недостатком метода является нестабильная скорость роста, которая возникает из-за изменений теплообмена, вызванных ростом размеров були, и которые трудно предсказать. Из-за этой проблемы кристаллы обычно выращиваются на очень медленной скорости, чтобы избежать ненужных внутренних дефектов. [4] [7]
Приложение
[ редактировать ]В настоящее время этот метод используется несколькими компаниями по всему миру для производства сапфира для электронной и оптической промышленности. [9]
Размеры кристаллов
[ редактировать ]Размеры кристаллов сапфира, выращенных методом Киропулоса, резко увеличились с 1980-х годов. В середине 2000-х годов были разработаны сапфировые кристаллы массой до 30 кг, из которых можно было получить подложки диаметром 150 мм. К 2017 году самый крупный сапфир, выращенный методом Киропулоса, весил 350 кг и позволял производить подложки диаметром 300 мм. [10]
сапфира Из-за анизотропной кристаллической структуры ориентация цилиндрической оси булей, выращенных методом Киропулоса, перпендикулярна ориентации, необходимой для осаждения GaN на подложки светодиодов. [11] Это означает, что сердцевины необходимо просверлить по бокам були, прежде чем нарезать их на пластины . Это означает, что выращенные були имеют значительно больший диаметр, чем полученные вафли.
По состоянию на 2017 год ведущие производители синих и белых светодиодов использовали сапфировые подложки диаметром 150 мм, а некоторые производители все еще используют подложки диаметром 100 мм и 2 дюйма.
См. также
[ редактировать ]- Метод Бриджмена – Стокбарджера
- Монокристаллический кремний
- Кремний с плавающей зоной
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- Микровытягивание вниз
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov, and Valerian Pishchik. Sapphire: material, manufacturing, applications. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
- ^ «Эволюция и применение метода роста кристаллов Киропулоса», Дэвид Ф. Блисс, в «50 лет прогресса в выращивании кристаллов: сборник переизданий», под ред. Роберт Фейгельсон, Elsevier, 2005 г. ISBN 0080489931
- ^ Киропулос, С. (1926). «Процесс производства крупных кристаллов». Журнал неорганической и общей химии (на немецком языке). 154 : 308-313. дои : 10.1002/zaac.19261540129 .
- ^ Jump up to: а б с "МЕТОД КИРОПУЛОСА" [Kyropoulos method]. mathscinet.ru . Retrieved 2019-04-29 .
- ^ "Рост" . явно сапфир . Архивировано из оригинала 17 сентября 2021 г. Проверено 29 апреля 2019 г.
- ^ Винклер, Ян; Нойберт, Майкл (2015). «Автоматизация выращивания кристаллов из расплава». В Рудольфе, Питере (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов (2-е изд.). Эльзевир Б.В., стр. 1176–1178. дои : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033 .
- ^ Jump up to: а б Синтез регуляторов простой структуры для управления процессами кристаллизации (PDF) . Kharkiv, Ukraine: Вестник национального технического университета "ХПИ" №15 (1058). 2014. pp. 3–11.
- ^ Дюффар, Тьерри; Сен, Гурав; Стелиан, Кармен; Барушель, Хосе; Тран Калисте, Тху Нхи; Бартале, Николя. Презентация процесса выращивания кристаллов Киропулоса (PDF) (pdf). Франция: Гренобльский технологический институт . п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2018 г. Проверено 29 апреля 2019 г.
- ^ «Состояние сапфировой промышленности». Эрик Вирей. Форум Yole-CIOE Sapphire, Шэньчжэнь, 31 августа 2015 г. Yole Development. п. 32.
- ^ «Монокристалл» представил первое в мире сапфировое стекло KY весом 350 кг» (PDF) . Монокристалл . Проверено 16 января 2018 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Бруни, Фрэнк Дж. (11 сентября 2014 г.). «Выращивание кристаллов сапфира для подложек высокоярких светодиодов». Кристаллические исследования и технологии . 50 : 133–142. дои : 10.1002/crat.201400230 . S2CID 93605097 .