การตกผลึก
หลักการพื้นฐาน
คริสตัล โครงสร้างผลึก การก่อตัวของนิวเคลียส
แนวคิด
การตกผลึก การเจริญเติบโตของผลึก การตกผลึกใหม่ ผลึกเมล็ด โปรโตคริสตัลไลน์ ผลึกเดี่ยว
วิธีการและเทคโนโลยี
โบว์ล วิธี Bridgman–Stockbarger กระบวนการแวน อาร์เคล–เดอ โบเออร์ วิธี Czochralski เอพิแท็กซี วิธีฟลักซ์ การตกผลึกแบบเศษส่วน การแช่แข็งแบบเศษส่วน การสังเคราะห์ด้วยความร้อนสูง วิธี Kyropoulos การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์ วิธีการของเลลี การดึงลงขนาดเล็ก กระบวนการขึ้นรูปในการเจริญเติบโตของผลึก เบ้าหลอมกะโหลก วิธี Verneuil การหลอมละลายของโซน
วี ที อี

วิธีการของ Kyropoulosหรือที่รู้จักกันในชื่อวิธีการ KYหรือเทคนิค Kyropoulosเป็นวิธีการปลูกผลึก จำนวนมาก ที่ใช้เพื่อให้ได้ผลึก เดี่ยว

การประยุกต์ใช้ที่ใหญ่ที่สุดของวิธีการ Kyropoulos คือการปลูกผลึกแซฟไฟร์เดี่ยว ขนาดใหญ่ เพื่อใช้ในการผลิตพื้นผิวสำหรับการผลิตLEDที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์และใช้เป็นวัสดุทางแสงที่ทนทาน^{[ 1 ]}

วิธีการนี้ตั้งชื่อตามSpyro Kyropoulosผู้เสนอเทคนิคนี้ในปี พ.ศ. 2469 เพื่อใช้ในการปลูกผลึกแอลคาไลเฮไลด์และ โลหะ แอลคาไลเอิร์ธที่เปราะ บาง สำหรับเลนส์ที่มีความแม่นยำสูง^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}วิธีการนี้เป็นการตอบสนองต่อขนาดผลึกที่จำกัดซึ่งสามารถทำได้ด้วย วิธีการ CzochralskiและVerneuilในขณะนั้น^{[ 5 ]}

วิธีการ Kyropoulos ถูกนำมาใช้ในการปลูกผลึกแซฟไฟร์ในช่วงทศวรรษ 1970 ในสหภาพโซเวียต^{[ 1 ]}

วัตถุดิบจะถูกหลอมในเบ้าหลอม (สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกแซฟไฟร์ วัตถุดิบคืออะลูมิเนียมออกไซด์ ที่มีความบริสุทธิ์สูง —มีสิ่งเจือปนเพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วน—ซึ่งจะถูกให้ความร้อนสูงกว่า 2100 °C ใน เบ้า หลอมทังสเตนหรือโมลิบเดนัม ) ผลึกต้นแบบ ที่จัดวางอย่างแม่นยำ จะถูกจุ่มลงในวัสดุหลอมเหลว ผลึกต้นแบบจะถูกดึงขึ้นอย่างช้าๆ และอาจหมุนไปพร้อมกันได้ ด้วยการควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิ อัตราการดึง และอัตราการลดลงของอุณหภูมิอย่างแม่นยำ ทำให้สามารถผลิตแท่งผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่รูปทรงกระบอกโดยประมาณจากวัสดุหลอมเหลวได้

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีของ Czochralski เทคนิคของ Kyropoulos จะทำให้ปริมาตรของวัตถุดิบทั้งหมดตกผลึกเป็นก้อนกลม ขนาดและอัตราส่วนด้านของเบ้าหลอมจะใกล้เคียงกับผลึกสุดท้าย และผลึกจะเติบโตลงไปในเบ้าหลอม แทนที่จะถูกดึงขึ้นและออกมาจากเบ้าหลอมเหมือนในวิธีของ Czochralski การดึงเมล็ดขึ้นด้านบนนั้นช้ากว่าการเติบโตลงด้านล่างของผลึกมาก และทำหน้าที่หลักในการปรับรูปร่างของผิวสัมผัสระหว่างของแข็งและของเหลวผ่าน แรง ตึง ผิว

อัตราการเติบโตถูกควบคุมโดยการลดอุณหภูมิของเตาหลอม ลงอย่างช้าๆ จนกระทั่งสารหลอมเหลวทั้งหมดแข็งตัว การแขวนเมล็ดจากเซ็นเซอร์วัดน้ำหนักสามารถให้ข้อมูลป้อนกลับเพื่อกำหนดอัตราการเติบโตได้ แม้ว่าการวัดที่แม่นยำจะมีความซับซ้อนเนื่องจากรูปร่างของเส้นผ่านศูนย์กลางผลึกที่เปลี่ยนแปลงและไม่สมบูรณ์ รูปร่างนูนที่ไม่ทราบแน่ชัดของส่วนต่อประสานของของแข็งและของเหลว และปฏิสัมพันธ์ของคุณลักษณะเหล่านี้กับแรงลอยตัวและการพาความร้อนภายในสารหลอมเหลว^{[ 6 ]}

วิธีการ Kyropoulos มีลักษณะเด่นคือมีการไล่ระดับอุณหภูมิที่หน้าผลึกน้อยกว่าวิธีการ Czochralski เช่นเดียวกับวิธีการ Czochralski ผลึกจะเติบโตโดยปราศจากแรงขึ้นรูปเชิงกลภายนอกใดๆ ดังนั้นจึงมีข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก น้อย และ มี ความเครียดภายในต่ำ^{[ 1 ]}กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้ใน บรรยากาศ เฉื่อยเช่นอาร์กอนหรือภายใต้สุญญากาศสูง

ข้อดีที่สำคัญ ได้แก่ ความเรียบง่ายทางเทคนิคของกระบวนการและความเป็นไปได้ในการปลูกผลึกที่มีขนาดใหญ่ (≥30 ซม.) ^{[ 4 ] [ 7 ]}วิธีนี้ยังแสดงให้เห็นความหนาแน่นของดิสโลเคชันต่ำอีกด้วย^{[ 8 ]}

ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของวิธีนี้คือความเร็วในการเติบโตที่ไม่คงที่ ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นจากขนาดของผลึกที่กำลังเติบโตและยากที่จะคาดเดาได้ เนื่องจากปัญหานี้ ผลึกจึงมักจะเติบโตด้วยความเร็วที่ช้ามากเพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องภายในที่ไม่จำเป็น^{[ 4 ] [ 7 ]}

ปัจจุบันวิธีการนี้ถูกใช้โดยบริษัทหลายแห่งทั่วโลกเพื่อผลิตแซฟไฟร์สำหรับ อุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์และออปติก^{[ 9 ]}

ขนาดของผลึกแซฟไฟร์ที่ปลูกด้วยวิธี Kyropoulos เพิ่มขึ้นอย่างมากตั้งแต่ทศวรรษ 1980 ในช่วงกลางทศวรรษ 2000 มีการพัฒนาผลึกแซฟไฟร์ที่มีน้ำหนักมากถึง 30 กิโลกรัม ซึ่งสามารถผลิตพื้นผิวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มิลลิเมตรได้ ภายในปี 2017 แซฟไฟร์ที่ใหญ่ที่สุดที่รายงานว่าปลูกด้วยวิธี Kyropoulos มีน้ำหนัก 350 กิโลกรัม และสามารถผลิตพื้นผิวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มิลลิเมตรได้^{[ 10 ]}

เนื่องจากโครงสร้างผลึกแอนิโซโทรปิก ของแซฟไฟร์ การวางแนวของแกนทรงกระบอกของบูลที่ปลูกด้วยวิธี Kyropoulos จึงตั้งฉากกับการวางแนวที่จำเป็นสำหรับการตกตะกอนของ GaN บนพื้นผิว LED ^{[ 11 ]} ซึ่งหมายความว่าต้องเจาะแกนผ่านด้านข้างของบูลก่อนที่จะหั่นเป็นเวเฟอร์ซึ่งหมายความว่าบูลที่ปลูกจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าเวเฟอร์ที่ได้มาก

ในปี 2017 ผู้ผลิต LED สีน้ำเงินและสีขาวชั้นนำใช้แผ่นรองพื้นแซฟไฟร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. โดยยังมีผู้ผลิตบางรายที่ยังคงใช้แผ่นรองพื้นขนาด 100 มม. และ 2 นิ้วอยู่

• วิธี Bridgman–Stockbarger
• ซิลิคอนผลึกเดี่ยว
• ซิลิคอนโซนลอยตัว
• การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์
• การดึงลงขนาดเล็ก

• บทสรุปเทคนิคการเจริญเติบโตของผลึก