サファイア結晶 の 成長 方法 の 比較
最初の合成宝石は1902年に炎融合法で生産されて以来,合成サファイア結晶の栽培のための様々な技術が継続的に進化してきました.12種類以上の結晶の生育方法が発火融合,Czochralski (CZ) メソッド,Kyropoulos (KY) メソッドなどを含む.各メソッドには独自の利点とデメリットがあり,さまざまな応用分野で使用されています.現在主な工業化技術は,キロポルス方法,チョクラルスキー方法,エッジ定義フィルムフィード成長 (EFG) 方法,垂直水平梯形凍結 (VHGF) 方法などである.次の章では,典型的なサファイア結晶の生育技術について詳しく説明します..
炎融合方法 (ヴェルヌイルプロセス)
ヴァルヌイルプロセス (Flame Fusion Method) は,有名なフランスの化学者オグスト・ビクトル・ルイ・ヴァルヌイルの名によって命名されました.宝石 を 合成 する 最初 の 商業 的 な 方法 を 発明 し た こと で 知ら れ ます1902年,彼は"炎融合"技術を開発し,今日も広く利用され,合成宝石の生産のための手頃な方法として使用されています.
市場で最も一般的な合成宝石の製造方法の一つとして,炎融合方法はルビンとサファイアを合成するためにのみ使用されません.合成スピネルの生産にも適用されます合成ルチール 合成星ルビン 星サファイア 合成ストロンチウムチタンナートなど
作業原理
炎融合方法は 単純に言えば 水素と酸素の燃焼によって生成される高温を利用しますアルミニウム酸化物 (Al2O3) の緩い粉末が酸化水素の炎を通って供給される原粉が炎を通過すると,瞬時に小さな滴に溶け,冷却された種子棒に落ち,固まり,単一の結晶を形成します.
次の図は,炎融合結晶生長装置の簡略化図を示しています.
宝石を合成する際の重要な条件は,最低純度99.9995%の高純度原材料の使用です.アルミオキシド (Al2O3) が主要材料である.塩素含有量を減らすため,塩素不浄が曇りになり,宝石の透明性を低下させるため,通常,努力が行われます.異なる酸化物不純分を少量添加することができる.例えば,ルビンを生産するためにクロム酸化物,青いサファイアを生産するために鉄酸化物またはチタン酸化物が加わります.他の種類では,チタン二酸化物を加えることでルチールが形成されます.ストロンチウムチタン酸は,チタンオキシラートを加えることで形成される.他の低価値の結晶も出資材料に混ぜることができます.
高効率で低コスト!炎融合方法は,人工宝石を合成する非常に効率的で低コストな方法です.これは,すべての合成宝石技術の中で最も速い結晶成長方法と考えられていますコルンデムベースの宝石の結晶の大きさは異なります.典型的には 150 から 750 カラット (1 カラット = 0) の丸状の結晶を形成する.2g),直径が17~19mmに達する.
他の合成宝石方法で使用される機器と比較して,炎融合装置は構造としては最もシンプルです.燃焼式 融合 プロセス は 工業 規模 の 生産 に 特に 適し,合成 方法 の 中 で 最大 の 生産 量 を 得る.
しかし,炎融合法で生成された結晶は,通常,グラノグラフレコードの質感に似ている曲線成長線または色帯を示します.特徴的な珠状の泡やカモの形状の泡この特徴は,光学や半導体などの分野での応用を制限する.したがって,炎融合技術は,比較的小さな直径のアイテムを生産するのに主に適しています.宝石など腕時計部品や精密計のベアリング
さらに,低コストのため,炎融合法で栽培されたサファイア結晶は,他の溶融ベースの結晶栽培方法の種子または出資材料としても使用できます.
キロポルス方法 (KY方法)
キロポルス法 (Kyropoulos method) は,1926年にキロポルスによって提案され,当初は大型のハリド結晶,水酸化物,炭酸塩の成長に使用された.この技術は主にそのような結晶の準備と研究に適用されました1960年代と1970年代に この方法は ソビエトの科学者 ムサトフによって 改良され,サファイア単結の 成長に成功しました大型結晶の生産におけるCzochralski方法の限界に対する最も効果的な解決策の一つと考えられています.
キロポルス方法によって栽培された結晶は高品質で比較的低コストで,この技術は大規模産業生産に適しています.現在,世界的にLEDアプリケーションに使用されるサファイア基地の約70%は,キロポルス方法またはその様々な改変版を使用して栽培されています.
この方法によって培養される単結晶は,通常,梨状の外観を有する (下図参照).そして,結晶の直径は,ピグビルの内径よりわずか10~30mm小さいサイズに達することができます現在,キロポルス方法は,大径のサファイア単結晶を栽培するための最も効果的で成熟した技術の一つです.この 方法 を 用い て 大 サイズの ザファイア 結晶 が 既に 成功 し て い ます.
最近 の ニュース 報告 に よれ ば,この 分野 で ある 突破 的 な 進展 が 明らか に なり まし た.
12月22日 京成結晶の結晶成長研究室は 旗下のジンフアン電子と協力して約700kgの超大型サファイア結晶を成功裏に生産し,重要なイノベーションの里程碑を記録しました.
キロポロスの結晶成長過程
キロポルス方法では,原材料をまず溶融点まで熱し,溶解液を形成する.単一の結晶種子 (種子結晶棒としても知られる) は,その後,溶融の表面と接触させられます種子と溶融物との間の固体・液体インターフェースで,種子と同じ格子構造を持つ単一の結晶が成長し始めます.種子の結晶は,結晶の首を形成するために,ゆっくりと短期間上へと引き上げられます..
溶融物と種子の間の接点での固化速度は安定すると 引き上げが停止し 種子は回転しません水晶は徐々に冷却速度を制御することで,下に向かって成長し続けます溶融が上から下へと固まり,完全な単結晶の積分が形成される.
キロポロス 方法 の 特徴
キロポロスの方法は,クリスタルを育てるために正確な温度制御に大きく依存しています (温度制御は絶対的に重要です!).クリスタル首のみが引っ張られているという事実にあります.制御された温度グラデーションによって成長し,引き寄せや回転の追加的な混乱なしに成長します.これはプロセスをより安定し,制御しやすくします.
結晶の首を引っ張っている間,溶融した材料を結晶の成長のための最適な温度範囲に引き込むために,ヒーターの電力は慎重に調整されます.理想的な成長率を達成するのに役立ちます優れた構造の整合性を持つ高品質のサファイア単結晶を生産します
Czochralski メソッド CZ メソッド
チョクラルスキー法 (Czochralski method,CZ methodとも呼ばれ) は,水晶を溶融した溶液からゆっくりと引き出し,旋回することによって成長させる技術である.この 方法 は 1916 年 に ポーランド の 化学 者 Jan Czochralski が 初めて 発見 し まし た1950年代に ベル研究所が 単結晶のゲルマニウムを栽培するために開発しました後に他の科学者が採用し 半導体シングル結晶を育てました 例えばシリコン金属の単結石や合成宝石も
CZ方法では,無色なサファイア,ルビー,イトリウムアルミニウムガーネット (YAG),ガドリニウムガリウムガーネット (GGG),アレキサンドライト,スピネルなどの重要な宝石結晶を生産することができます.
溶融から単結晶を培養する最も重要な技術の一つとして,チョクラルスキー方法が広く採用されており,特にインダクション加熱チューブリを含む変種です.栽培されている結晶の種類によってCZ 方法では,イリジウム,モリブデン,プラチナ,グラフィート,または高溶解点の他の酸化物を使用できる.イリジウム・ティグビルは,サファイアに最も少ない汚染をもたらすが,非常に高価である.タングメンとモリブデン製のピグビルは,より手頃な価格ですが,より高い汚染レベルをもたらす傾向があります.
Czochralski (CZ) メソッド 結晶成長プロセス
まず,原材料 を 溶ける 温度 に 熱し,溶液 を 形成 し,その 後 に 溶け た 表面 に 単一 の 結晶 粒 が 接触 する.種子と溶融物との間の固体・液体インターフェースの温度差のため種子表面に溶融し,種子と同じ結晶構造を持つ単一の結晶を形成する.
種子が徐々に引き上げられるにつれて 制御された速度で ゆっくりと引き上げられる溶けた溶液は,固体・液体界面で固化し続けます.,最終的に回転対称性のある単結晶のブロックを形成する.
Czochralski 方法の主な利点は,結晶の成長過程が容易に観察できるということです.結晶は,溶融の表面で結晶と接触せずに成長します.これは,水晶のストレスを著しく減らし,水晶壁に望ましくない核化を防止するこの方法により,方向性のある種子結晶と"ネッキング"技術も便利に利用でき,脱位密度を大幅に削減できます.
CZ 方法によって栽培されたサファイア結晶は,高い構造的整合性を示し,成長速度と結晶の大きさはかなり満足できる.この方法によって生成されるサファイア結晶は,相対的に低離位密度と高い光学均一性を持っています.主な欠点は高いコストと最大結晶直径の制限です.
注記:CZ方法は,商業用サファイア結晶の生産に使用されることが少ないが,半導体産業で最も広く使用される結晶増殖技術である.大直径の結晶が作れるからです単結晶のシリコンブロックの約90%はCZ方法で栽培されています.
溶融形状方法 EFG方法
エッジ定義フィルムフィード成長 (EFG) 方法としても知られるメルト・シェープ・メソッドは,1960年代にイギリスでハロルド・ラベル,ソ連でステパノフによって独立して発明された.EFG 方法は Czochralski 技術の変形であり,ほぼ網状の形を作る技術です.必要な形状で 溶融から直接結晶を 生み出すのです
この方法により,工業生産における合成結晶に必要な重量的な機械加工はなくなり,原材料を効率的に節約し,生産コストを削減できます.
EFG方法の主要な利点は,材料効率と様々な特殊な形状の結晶を育てる能力です.しかし,欠陥レベルを減らすことは依然として課題です.形状や複雑な材料を育てるためにより一般的に使用されます最近の技術進歩により,EFG方法はMOCVDエピタキシのための基質の生産にも適用され始め,市場のシェアが増加しています.
熱交換方法 HEM 方法
1969年,F・シュミドとD・ヴィエッチニッキは,シュミド・ヴィエッチニッキ方法として知られる新しい結晶成長技術を発明した.
原則
熱交換方法は,熱を取り除くために熱交換機を使用します.結晶の成長領域に垂直温度グラデーションを作り出し,下部は冷たい温度,上部は熱い温度熱交換器 (通常はヘリウム) の内部のガス流量と加熱力を調整することで,この温度グラデーションは正確に管理されます.溶け込みが水槽内の溶液を 徐々に底から上へと結晶に固める.
他の結晶生長プロセスと比較して,HEMの顕著な特徴は,固体液体インターフェースが溶融表面の下に浸透していることです.熱や機械的な障害が抑制されますインターフェースで均質な温度グラデーションを生成し,均質な結晶の成長を促進し,高化学的均質性の結晶の生成を容易にする.in situ 焼却は HEM 固化サイクルの一部だからです, 欠陥密度は他の方法よりも低いことが多い.
サファイア結晶 の 成長 方法 の 比較
最初の合成宝石は1902年に炎融合法で生産されて以来,合成サファイア結晶の栽培のための様々な技術が継続的に進化してきました.12種類以上の結晶の生育方法が発火融合,Czochralski (CZ) メソッド,Kyropoulos (KY) メソッドなどを含む.各メソッドには独自の利点とデメリットがあり,さまざまな応用分野で使用されています.現在主な工業化技術は,キロポルス方法,チョクラルスキー方法,エッジ定義フィルムフィード成長 (EFG) 方法,垂直水平梯形凍結 (VHGF) 方法などである.次の章では,典型的なサファイア結晶の生育技術について詳しく説明します..
炎融合方法 (ヴェルヌイルプロセス)
ヴァルヌイルプロセス (Flame Fusion Method) は,有名なフランスの化学者オグスト・ビクトル・ルイ・ヴァルヌイルの名によって命名されました.宝石 を 合成 する 最初 の 商業 的 な 方法 を 発明 し た こと で 知ら れ ます1902年,彼は"炎融合"技術を開発し,今日も広く利用され,合成宝石の生産のための手頃な方法として使用されています.
市場で最も一般的な合成宝石の製造方法の一つとして,炎融合方法はルビンとサファイアを合成するためにのみ使用されません.合成スピネルの生産にも適用されます合成ルチール 合成星ルビン 星サファイア 合成ストロンチウムチタンナートなど
作業原理
炎融合方法は 単純に言えば 水素と酸素の燃焼によって生成される高温を利用しますアルミニウム酸化物 (Al2O3) の緩い粉末が酸化水素の炎を通って供給される原粉が炎を通過すると,瞬時に小さな滴に溶け,冷却された種子棒に落ち,固まり,単一の結晶を形成します.
次の図は,炎融合結晶生長装置の簡略化図を示しています.
宝石を合成する際の重要な条件は,最低純度99.9995%の高純度原材料の使用です.アルミオキシド (Al2O3) が主要材料である.塩素含有量を減らすため,塩素不浄が曇りになり,宝石の透明性を低下させるため,通常,努力が行われます.異なる酸化物不純分を少量添加することができる.例えば,ルビンを生産するためにクロム酸化物,青いサファイアを生産するために鉄酸化物またはチタン酸化物が加わります.他の種類では,チタン二酸化物を加えることでルチールが形成されます.ストロンチウムチタン酸は,チタンオキシラートを加えることで形成される.他の低価値の結晶も出資材料に混ぜることができます.
高効率で低コスト!炎融合方法は,人工宝石を合成する非常に効率的で低コストな方法です.これは,すべての合成宝石技術の中で最も速い結晶成長方法と考えられていますコルンデムベースの宝石の結晶の大きさは異なります.典型的には 150 から 750 カラット (1 カラット = 0) の丸状の結晶を形成する.2g),直径が17~19mmに達する.
他の合成宝石方法で使用される機器と比較して,炎融合装置は構造としては最もシンプルです.燃焼式 融合 プロセス は 工業 規模 の 生産 に 特に 適し,合成 方法 の 中 で 最大 の 生産 量 を 得る.
しかし,炎融合法で生成された結晶は,通常,グラノグラフレコードの質感に似ている曲線成長線または色帯を示します.特徴的な珠状の泡やカモの形状の泡この特徴は,光学や半導体などの分野での応用を制限する.したがって,炎融合技術は,比較的小さな直径のアイテムを生産するのに主に適しています.宝石など腕時計部品や精密計のベアリング
さらに,低コストのため,炎融合法で栽培されたサファイア結晶は,他の溶融ベースの結晶栽培方法の種子または出資材料としても使用できます.
キロポルス方法 (KY方法)
キロポルス法 (Kyropoulos method) は,1926年にキロポルスによって提案され,当初は大型のハリド結晶,水酸化物,炭酸塩の成長に使用された.この技術は主にそのような結晶の準備と研究に適用されました1960年代と1970年代に この方法は ソビエトの科学者 ムサトフによって 改良され,サファイア単結の 成長に成功しました大型結晶の生産におけるCzochralski方法の限界に対する最も効果的な解決策の一つと考えられています.
キロポルス方法によって栽培された結晶は高品質で比較的低コストで,この技術は大規模産業生産に適しています.現在,世界的にLEDアプリケーションに使用されるサファイア基地の約70%は,キロポルス方法またはその様々な改変版を使用して栽培されています.
この方法によって培養される単結晶は,通常,梨状の外観を有する (下図参照).そして,結晶の直径は,ピグビルの内径よりわずか10~30mm小さいサイズに達することができます現在,キロポルス方法は,大径のサファイア単結晶を栽培するための最も効果的で成熟した技術の一つです.この 方法 を 用い て 大 サイズの ザファイア 結晶 が 既に 成功 し て い ます.
最近 の ニュース 報告 に よれ ば,この 分野 で ある 突破 的 な 進展 が 明らか に なり まし た.
12月22日 京成結晶の結晶成長研究室は 旗下のジンフアン電子と協力して約700kgの超大型サファイア結晶を成功裏に生産し,重要なイノベーションの里程碑を記録しました.
キロポロスの結晶成長過程
キロポルス方法では,原材料をまず溶融点まで熱し,溶解液を形成する.単一の結晶種子 (種子結晶棒としても知られる) は,その後,溶融の表面と接触させられます種子と溶融物との間の固体・液体インターフェースで,種子と同じ格子構造を持つ単一の結晶が成長し始めます.種子の結晶は,結晶の首を形成するために,ゆっくりと短期間上へと引き上げられます..
溶融物と種子の間の接点での固化速度は安定すると 引き上げが停止し 種子は回転しません水晶は徐々に冷却速度を制御することで,下に向かって成長し続けます溶融が上から下へと固まり,完全な単結晶の積分が形成される.
キロポロス 方法 の 特徴
キロポロスの方法は,クリスタルを育てるために正確な温度制御に大きく依存しています (温度制御は絶対的に重要です!).クリスタル首のみが引っ張られているという事実にあります.制御された温度グラデーションによって成長し,引き寄せや回転の追加的な混乱なしに成長します.これはプロセスをより安定し,制御しやすくします.
結晶の首を引っ張っている間,溶融した材料を結晶の成長のための最適な温度範囲に引き込むために,ヒーターの電力は慎重に調整されます.理想的な成長率を達成するのに役立ちます優れた構造の整合性を持つ高品質のサファイア単結晶を生産します
Czochralski メソッド CZ メソッド
チョクラルスキー法 (Czochralski method,CZ methodとも呼ばれ) は,水晶を溶融した溶液からゆっくりと引き出し,旋回することによって成長させる技術である.この 方法 は 1916 年 に ポーランド の 化学 者 Jan Czochralski が 初めて 発見 し まし た1950年代に ベル研究所が 単結晶のゲルマニウムを栽培するために開発しました後に他の科学者が採用し 半導体シングル結晶を育てました 例えばシリコン金属の単結石や合成宝石も
CZ方法では,無色なサファイア,ルビー,イトリウムアルミニウムガーネット (YAG),ガドリニウムガリウムガーネット (GGG),アレキサンドライト,スピネルなどの重要な宝石結晶を生産することができます.
溶融から単結晶を培養する最も重要な技術の一つとして,チョクラルスキー方法が広く採用されており,特にインダクション加熱チューブリを含む変種です.栽培されている結晶の種類によってCZ 方法では,イリジウム,モリブデン,プラチナ,グラフィート,または高溶解点の他の酸化物を使用できる.イリジウム・ティグビルは,サファイアに最も少ない汚染をもたらすが,非常に高価である.タングメンとモリブデン製のピグビルは,より手頃な価格ですが,より高い汚染レベルをもたらす傾向があります.
Czochralski (CZ) メソッド 結晶成長プロセス
まず,原材料 を 溶ける 温度 に 熱し,溶液 を 形成 し,その 後 に 溶け た 表面 に 単一 の 結晶 粒 が 接触 する.種子と溶融物との間の固体・液体インターフェースの温度差のため種子表面に溶融し,種子と同じ結晶構造を持つ単一の結晶を形成する.
種子が徐々に引き上げられるにつれて 制御された速度で ゆっくりと引き上げられる溶けた溶液は,固体・液体界面で固化し続けます.,最終的に回転対称性のある単結晶のブロックを形成する.
Czochralski 方法の主な利点は,結晶の成長過程が容易に観察できるということです.結晶は,溶融の表面で結晶と接触せずに成長します.これは,水晶のストレスを著しく減らし,水晶壁に望ましくない核化を防止するこの方法により,方向性のある種子結晶と"ネッキング"技術も便利に利用でき,脱位密度を大幅に削減できます.
CZ 方法によって栽培されたサファイア結晶は,高い構造的整合性を示し,成長速度と結晶の大きさはかなり満足できる.この方法によって生成されるサファイア結晶は,相対的に低離位密度と高い光学均一性を持っています.主な欠点は高いコストと最大結晶直径の制限です.
注記:CZ方法は,商業用サファイア結晶の生産に使用されることが少ないが,半導体産業で最も広く使用される結晶増殖技術である.大直径の結晶が作れるからです単結晶のシリコンブロックの約90%はCZ方法で栽培されています.
溶融形状方法 EFG方法
エッジ定義フィルムフィード成長 (EFG) 方法としても知られるメルト・シェープ・メソッドは,1960年代にイギリスでハロルド・ラベル,ソ連でステパノフによって独立して発明された.EFG 方法は Czochralski 技術の変形であり,ほぼ網状の形を作る技術です.必要な形状で 溶融から直接結晶を 生み出すのです
この方法により,工業生産における合成結晶に必要な重量的な機械加工はなくなり,原材料を効率的に節約し,生産コストを削減できます.
EFG方法の主要な利点は,材料効率と様々な特殊な形状の結晶を育てる能力です.しかし,欠陥レベルを減らすことは依然として課題です.形状や複雑な材料を育てるためにより一般的に使用されます最近の技術進歩により,EFG方法はMOCVDエピタキシのための基質の生産にも適用され始め,市場のシェアが増加しています.
熱交換方法 HEM 方法
1969年,F・シュミドとD・ヴィエッチニッキは,シュミド・ヴィエッチニッキ方法として知られる新しい結晶成長技術を発明した.
原則
熱交換方法は,熱を取り除くために熱交換機を使用します.結晶の成長領域に垂直温度グラデーションを作り出し,下部は冷たい温度,上部は熱い温度熱交換器 (通常はヘリウム) の内部のガス流量と加熱力を調整することで,この温度グラデーションは正確に管理されます.溶け込みが水槽内の溶液を 徐々に底から上へと結晶に固める.
他の結晶生長プロセスと比較して,HEMの顕著な特徴は,固体液体インターフェースが溶融表面の下に浸透していることです.熱や機械的な障害が抑制されますインターフェースで均質な温度グラデーションを生成し,均質な結晶の成長を促進し,高化学的均質性の結晶の生成を容易にする.in situ 焼却は HEM 固化サイクルの一部だからです, 欠陥密度は他の方法よりも低いことが多い.
