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| 結晶 | |
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| 方法と技術 | |
結晶成長における成形プロセスは、通常、機械成形機によって液体メニスカスの形状を制約することによって、溶融物から定義された形状のバルク結晶を成長させる一連の技術です。結晶は一般的に、繊維、中実円筒、中空円筒（またはチューブ）、およびシート（またはプレート）として成長します。複雑な断面を持つチューブやドームなどのより複雑な形状も生成されています。[1]成形プロセスを使用すると、ほぼネットシェイプの結晶を生成でき、非常に高価な材料や機械加工が難しい材料で作られた結晶の製造コストを削減できます。
成形工程一覧
- 水平リボン成長（HRG、1959）[2] [3]
- エッジ定義フィルム供給成長 (EFG、1960)
- 低角度シリコンシート (LASS、1981)
- マイクロプルダウン（μ-PD）
- ステパノフテクニック
- ストリングリボン
エッジ定義フィルムフィード成長
エッジ定義フィルム供給成長法（EFG）は、1960年代後半にTyco IndustriesのHarold LaBelleとA. Mlavskyによってサファイアの成長用に開発されました。 [4] 成長させる結晶とほぼ同じ寸法のシェイパー（ダイとも呼ばれる）が、るつぼに入れられた溶融物の表面上に置かれます。毛細管現象によって、シェイパー中央のスリットに液体材料が供給されます。種結晶が液体の膜に触れて上方に引き上げられると、固体の種結晶と液体の膜の界面に単結晶が形成されます。種結晶を上方に引き上げ続けると、結晶とシェイパーの上面の間に液体の膜が形成され、結晶が膨張します。膜がシェイパーのエッジに達すると、最終的な結晶の形状はシェイパーの形状と一致します。
結晶の正確な寸法は、成形機の寸法とは異なります。これは、すべての材料が固有の成長角度、つまり固体結晶、液体膜、および大気の三重界面で形成される角度を持っているためです。[5]成長角度のため、メニスカスの高さ（つまり液体膜の厚さ）を変えると、結晶の寸法が変わります。メニスカスの高さは、引き上げ速度と結晶化速度によって影響を受けます。結晶化速度は成形機上の温度勾配に依存し、温度勾配は結晶成長炉のホットゾーンの構成と、成長中に加熱要素に適用される電力によって決まります。成形機材料と結晶材料の熱膨張係数の差によっても、高温で成長した結晶の場合、室温で成形機と結晶の間にかなりの大きさの違いが生じる可能性があります。
シェーパー材料は溶融物と成長雰囲気の両方に対して非反応性であり、溶融物によって濡れていなければならない。 [6]
EFG 技術を使用すると、たとえば多数の平行シートを成長させることにより、単一のるつぼから複数の結晶を成長させることが可能です。
アプリケーション
サファイア：EFGは、主に防衛やその他の用途のための堅牢な赤外線窓として使用するためのサファイアの大型板を成長させるために使用されます。厚さ約7mm、幅300mm、長さ500mmの窓が製造されます。[7]シェーパーは通常モリブデンで作られています。
シリコン： EFGは2000年代にショットソーラー社によって太陽光発電パネル用のシリコンシートを生産するために使用され、一辺が12.5cm、直径が約38cm、長さが約5～6mの薄壁（約250～300μm）の八角形を引き伸ばすことで作られました。[8]成形機は通常グラファイトで作られています。
その他の酸化物: Ga 2 O 3、LiNbO 3、Nd 3+ :(Lu x Gd 1−x ) 3 Ga 5 O 12 (Nd:LGGG)など、多くの高融点酸化物がEFGによって成長しています。[9]イリジウムシェイパーが使用されること が多いです。
水平方向のリボン成長
水平リボン成長法（HRG）は、1959年にウィリアム・ショックレーがシリコン成長のために開発し特許を取得した方法です。 [2] [3]この方法では、薄い結晶シートをるつぼの上部から水平に引き上げます。シートを引き出するつぼの端と同じ高さに溶融物の表面を保つために、溶融物のレベルを常に補充する必要があります。成長するシートの表面に冷却ガスを吹き付けると、非常に高い成長速度（> 400 mm/分）を実現できます。[10]この方法は、溶融物の表面に浮かぶ固体結晶に依存しており、固体シリコンは液体シリコンよりも密度が低いため機能します。
マイクロプルダウン
マイクロプルダウン( μ-PD)技術では、るつぼの底にある小さな円形の開口部を使用して結晶繊維を下方に引っ張ります。この技術によって、何百種類もの異なる結晶材料が成長してきました。
ペンダントドロップ成長法（PDG法）と呼ばれる変種では、るつぼの底にあるスロットを使用して同様の方法で結晶シートを生成します。[5]
ステパノフテクニック
ステパノフ法は、1950年以降にソ連でAVステパノフによって開発されました。[1]この方法では、溶融物の表面にあるシェイパーを通して結晶を垂直に引き上げます。シェイパーは、EFGのように毛細管チャネルによって必ずしも供給されるわけではありません。[11]シェイパー材料は、溶融物によって濡れている場合も濡れていない場合もあり、EFGではシェイパー材料が濡れている場合も含みます。[6]この技術は、金属、半導体、酸化物結晶の成長に使用されています。
直径制御のための高度な制御システムが開発される前には、「コラクル」と呼ばれる浮遊シェイパーを使用したチョクラルスキー成長が、いくつかのIII-V族半導体に対して行われていました。[12]
ストリングリボン
ストリングリボン法は、デンドライトウェブ法またはエッジサポート引き上げ法としても知られ、インジウムアンチモン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコンなどの半導体シートの成長に使用されています。 [13] 成長させるシートに一致する幅と厚さの種結晶を融液の上面に浸します。適切な材料のストリングを種の垂直エッジに固定し、るつぼの底の穴を通ってスプールまで伸ばします。種が持ち上げられると、ストリングは融液に連続的に供給され、種、ストリング、融液の間に液膜が形成されます。膜は種に結晶化し、シートまたはリボンを形成します。
参考文献
- ^ ab Dobrovinskaya、Elena R.、Leonid A. Lytvynov、Valerian Pishchik。サファイア：材料、製造、用途。Springer Science & Business Media、2009年。ISBN 0387856943
- ^ ab Daggolu, Parthiv (2013年12月). 「ソーラーシリコンの水平リボン成長の熱毛細管解析」(PDF)。ミネソタ大学。2021年12月5日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ ab US 3031275、ショックレー、ウィリアム、「単結晶の成長方法」、1962-04-24 発行
- ^ Robichaud, Joseph L.; Harris, Daniel C.; Goodman, William A. (2009). 「サファイア結晶成長の世紀：EFG法の起源」。Robichaud, Joseph L.、Goodman, William A. (編)。光学 材料および構造技術IV。第7425巻。pp. 74250P。doi :10.1117/12.824452。ISSN 0277-786X。S2CID 121897942 。
- ^ ab Duffar, Thierry (2015). 「融液からの結晶成長における毛細管現象と形状安定性」。Rudolph, Peter (編)。『結晶成長ハンドブック Vol. IIB (第 2 版)』。Elsevier BV pp. 758–789。doi :10.1016/ B978-0-444-63303-3.00019-5。ISBN 9780444633033。
- ^ ab Surek, T.; Coriell, SR; Chalmers, B. (1980). 「溶融物からの成形結晶の成長」. Journal of Crystal Growth . 50 (1): 21–32. Bibcode :1980JCrGr..50...21S. doi :10.1016/0022-0248(80)90227-4. ISSN 0022-0248.
- ^ 「CLASS サファイアシート」。サンゴバン。 2018年1月25日閲覧。
- ^ Mackintosh, B; Seidl, A; Ouellette, M; Bathey, B; Yates, D; Kelejs, J (2006 年 1 月 25 日)。「エッジ定義フィルム供給成長 (EFG) 法による大型シリコン結晶中空チューブ成長」。Journal of Crystal Growth。287 ( 2): 428–432。Bibcode :2006JCrGr.287..428M。doi : 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.058 。
- ^ Mu, Wenxiang; Jia, Zhitai; Yin, Yanru; Hu, Qiangqiang; Li, Yang; Tao, Xutang (2017). 「エッジ定義フィルム供給成長法による均質な Nd:LGGG 単結晶プレートの成長」. Journal of Crystal Growth . 478 : 17–21. Bibcode :2017JCrGr.478...17M. doi :10.1016/j.jcrysgro.2017.08.007. ISSN 0022-0248.
- ^ Kudo, B. (1980). 「単結晶シリコンの水平リボン成長技術の改良」Journal of Crystal Growth . 50 (1): 247–259. Bibcode :1980JCrGr..50..247K. doi :10.1016/0022-0248(80)90248-1.
- ^ Tatartchenko, Vitali (2010). 「Shaped Crystal Growth: TPS Brief History」. Dhanaraj, Govindhan; et al. (eds.). Springer Handbook of Crystal Growth . Springer. pp. 537–541.
- ^ Winkler, Jan; Neubert, Michael (2015). 「溶融からの結晶成長の自動化」。Rudolph, Peter (編)。 『結晶成長ハンドブック（第2版）』。Elsevier BV p. 1153。doi :10.1016/ B978-0-444-63303-3.00028-6。ISBN 9780444633033。
- ^ Seidensticker, RG; Hopkins, RH (1980). 「樹枝状ウェブプロセスによるシリコンリボンの成長」. Journal of Crystal Growth . 50 (1): 221–235. Bibcode :1980JCrGr..50..221S. doi :10.1016/0022-0248(80)90246-8. ISSN 0022-0248.