ブール（結晶）

ブールとは、合成手段によって製造された単結晶のインゴットのことである。 ^{[ 1 ]}

シリコンのインゴットは、今日使用されているほとんどの集積回路の出発材料です。半導体産業では、合成インゴットは、ブリッジマン法^{[ 2 ]}やチョクラルスキー法など、円筒形の棒状の材料が得られるさまざまな方法で製造できます。

チョクラルスキー法では、より大きな結晶、つまりインゴットを作るために種結晶が必要です。この種結晶を純粋な溶融シリコンに浸し、ゆっくりと引き上げます。溶融シリコンは種結晶上で結晶状に成長します。種結晶が引き上げられるとシリコンが凝固し、最終的に大きな円筒形のインゴットが生成されます。^{[ 3 ]}

半導体結晶インゴットは通常、内穴ダイヤモンドソーまたはダイヤモンドワイヤーソーを使用して円形ウェーハに切断され、各ウェーハは研磨されて、その表面に半導体デバイスを製造するのに適した基板となる。 ^{[ 4 ]}

このプロセスは、青色および白色LEDの製造における基板、特殊用途の光学窓、時計の保護カバーとして使用されるサファイアの製造にも使用されます。^{[ 5 ]}

サファイアのインゴットを作る一般的な方法の一つに、熱交換器法があります。この方法では、酸化アルミニウムをモリブデンるつぼに入れ、2200℃で融解するまで加熱します。これにより、幅30cmを超える非常に大きな結晶を製造できます。このプロセスは真空中で行われます。サファイアの種結晶はるつぼの底に置かれ、コールドフィンガー熱交換器によって真空から遮蔽されたヘリウムガスまたは液体ヘリウムとの熱交換（冷​​却）によって融解しないように保たれます。炉は融点よりわずかに高い温度に保たれますが、熱交換器は融点よりわずかに低い温度に保たれます。その後、結晶化を開始するために熱交換器の温度が下げられ、酸化アルミニウムは少なくとも72時間から17日間かけて冷却され、サファイアに結晶化されます。るつぼは使い捨てで、結晶成長のプロセスはブリッジマン法やストーバー法に似ており、^{[ 6 ] [ 7 ]} iPhoneの画面にも使用されました。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}結晶はるつぼの底から上向きに成長します。^{[ 12 ]}

別の方法として、エッジ定義フィルム供給成長法がある。これはチョクラルスキー法と非常によく似ているが、材料が冷却前にダイを通過することで結晶が成形される。結晶は回転しない。^{[ 13 ]}サファイア結晶の成長には、化学気相成長法、勾配炉^{[ 14 ]}、または垂直ブリッジマン法を用いることができる。^{[ 15 ]}

温度勾配法では、材料を入れたるつぼが置かれた炉を使用します。るつぼの底に種結晶が置かれます。材料は溶融され、温度が安定するまで数時間溶融状態が維持されます。炉は真空中で運転され、るつぼの底の温度が1400℃に達すると、アルゴンガスが注入されます。その後、溶融材料を毎時1.3～3ケルビンの速度で冷却することにより結晶化が始まり、炉の高さ方向に直線的な温度勾配が設けられ、材料は下から上に向かって結晶化します。この勾配は、炉の一部を水で冷却することによって生成されます。^{[ 16 ]}また、炉の高さ方向に複数のヒーターを配置し、ヒーターを温度ゾーンに分割してゾーンの温度を変化させることによっても温度勾配を生成することができます。^{[ 17 ]}

リン酸二水素カリウム（KH ₂ PO ₄ ）などの水溶性物質の直径50cmの大きな結晶は、KH ₂ PO ₄を熱湯と塩に溶かして成長溶液を作り、その溶液に種結晶を入れ、ホールデン型結晶化装置で溶液を冷却することによって作ることができ、これは溶液成長法として知られている。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}