Методы производства искусственного сапфира

Существуют различные способы выращивания кристаллов, каждый из которых имеет свои преимущества. Выбор метода зависит от многих факторов, включая требуемые характеристики кристалла, доступность оборудования и сырья, а также экономическую эффективность процесса.

Искусственное выращивание кристаллов

Искусственное выращивание кристаллов - это процесс, при котором кристаллы формируются не в естественных условиях, а в специально созданных лабораторных условиях для этого. Это позволяет контролировать процесс и получать кристаллы нужного размера и формы. Искусственный сапфир, выращенный таким образом, обладает всеми свойствами натурального, но при этом его проще и дешевле производить.

Наше предприятие «Ростокс-Н» занимается производством и обработкой искусственного сапфира для нужд науки и техники. Мы выращиваем монокристаллы, используя три метода кристаллизации из расплава: Степанова (EFG), Киропулоса и Чохральского. О них расскажем подробнее в нашей статье.

Производство синтетического сапфира методом Степанова (EFG)

С 1938 года с помощью этого метода получают множество профилей кристаллов металлов, полупроводников и диэлектриков постоянного сечения, а также изделий сложных форм. Благодаря тому что нужная форма кристалла достигается непосредственно в процессе кристаллизации, снижаются до минимума расходы на дополнительную обработку, что в итоге ускоряет и удешевляет процесс производства искусственного сапфира.

При росте кристалла расплав поступает из тигля по капиллярным каналам-фильерам специального формообразователя к его рабочей поверхности. Именно эти кромки задают контур тонкого слоя расплава (мениска), который находится между рабочим торцом формообразователя и межфазной границей. Каким будет поперечное сечение вытягиваемого кристалла, зависит от геометрии кромок. При достижении оптимальных условий теплового поля затравочный кристалл контактирует с жидким мениском.  Расплав, поступая через капиллярный канал на поверхность формообразователя, кристаллизуясь, формирует профиль растущего кристалла, например, трубу, пластину и т. д.

Достоинства метода:

• высокая скорость выращивания;

• низкая себестоимость;

• длина кристаллов до 700 мм.
   
  

  Производство синтетического сапфира методом Киропулоса

  Метод Киропулоса с 1926 года применяется для получения массивных монокристаллов 30-300 кг, используемых в оптических приборах и других отраслях промышленности. Производство синтетического сапфира по данной методике происходит в несколько этапов:

1. Затравка крепится в водоохлаждаемом кристаллодержателе и контактирует с расплавом, расположенным в тигле.

2. Рассчитанные параметры снижения температуры и скорости вытягивания приводят к разращиванию кристалла в виде полусферы непосредственно в тигле.

3. По мере роста кристалл расширяется до стенок тигля, после чего вместе с кристаллодержателем поднимается на несколько миллиметров. Далее кристалл снова растет до очередного разрастания до стенок тигля, последующего подъема и т. д.

4. Для уменьшения внутренних напряжений кристалл после окончания процесса выращивания отжигается в течение длительного времени непосредственно в ростовой установке.

5. В процессе производства методом Киропулоса диаметр монокристаллов может быть более 300 см. Фактически только размеры тигля задают конечный предел.

   Достоинства метода:

• высокая чистота кристаллов (не хуже 99,995), что позволяет применять их как в лазерной оптике так и в микроэлектронике;

• возможность изготовления кристаллов больших диаметров (более 300 мм). 

На рис. а представлена схема установки для выращивания кристаллов; на рис. б - стадии роста.

Выращивание монокристаллов методом Чохральского

Метод Чохральского - это классический способ получения искусственного сапфира. Он основан на одной из технологии получения искусственных монокристаллов – выращивание монокристаллов из расплава. Этот метод требует определенного технологического оборудования, постоянного контроля температуры и других параметров процесса выращивания. Полученные  кристаллы обладают высоким качеством, которые идеально подходят для использования в электронике и оптике.

Создание метода датируется 1916 годом, когда профессор Ян Чохральский случайно обмакнул перо ручки в тигель с расплавом металла. Мгновенно вытащив перо, он обнаружил закристаллизовавшийся шарик.

В настоящее время методом Чохральского выращивают не только кристаллы металлов и полупроводников, но и ряд тугоплавких оксидов: сапфиры, рубины, некоторые разновидности корунда, гранаты и пр.

Одно из главных достоинств метода заключается в получении кристаллов с низким уровнем внутренних дефектов.

Монокристалл по методу Чохральского выращивается путем постепенного вытягивания из расплава. При этом температура расплава или постоянна, или меняется по определенному закону. Применяют индукционный или резистивный нагрев.

Современная установка для выращивания искусственного сапфира состоит из следующих элементов:

• вольфрамовый или молибденовый тигель;

• термоизоляция;

• устройство для создания вакуума или инертного газа;

• устройство для вращения и вытягивания кристалла;

• механическая, оптическая или электронная система для регулирования процесса.

Достоинства метода:

• возможность введения легирующих добавок и получения цветных кристаллов;

• получение кристаллов с низким уровнем внутренних дефектов.

В настоящий момент наша компания производит кристаллы методом Чохральского диаметром до 50 мм, длиной до 200 мм; Киропулоса весом до 100 кг (диаметром до 300 мм), а методом Степанова – кристаллы в форме лент, трубок и стержней длиной до 700 мм. В зависимости от ваших потребностей мы можем предложить кристаллы, произведенные разными способами. Для получения дополнительных консультаций вы можете обратиться к нашим экспертам: звоните +7 (496) 527-35-91 или напишите нам на электронную почту info@rostox-n.ru.