Los procesos de modelado en el crecimiento de cristales son una colección de técnicas para hacer crecer cristales a granel de una forma definida a partir de una masa fundida, generalmente restringiendo la forma del menisco líquido por medio de un modelador mecánico. Los cristales se cultivan comúnmente como fibras, cilindros sólidos, cilindros huecos (o tubos) y láminas (o placas). También se han producido formas más complejas, como tubos con una sección transversal compleja y cúpulas. [1] El uso de un proceso de modelado puede producir un cristal de forma casi neta y reducir el costo de fabricación de los cristales que se componen de materiales muy costosos o difíciles de mecanizar.
Lista de procesos de conformación
- Crecimiento alimentado por película con bordes definidos (EFG)
- Crecimiento de cinta horizontal (HRG)
- Micro-pull-down (µ-PD)
- Técnica Stepanov
- Cinta de hilo
Crecimiento alimentado por película con bordes definidos
El crecimiento alimentado con película de borde definido o EFG fue desarrollado para el crecimiento del zafiro a fines de la década de 1960 por Harold LaBelle y A. Mlavsky en Tyco Industries. [2] Un moldeador (también denominado troquel) que tiene dimensiones aproximadamente iguales a las del cristal que se va a cultivar descansa sobre la superficie de la masa fundida que está contenida en un crisol . La acción capilar alimenta el material líquido a una hendidura en el centro del moldeador. Cuando un cristal semilla se toca con la película líquida y se levanta hacia arriba, se forma un monocristal en la interfaz entre la semilla sólida y la película líquida. Al continuar tirando de la semilla hacia arriba, el cristal se expande a medida que se forma una película líquida entre el cristal y la superficie superior del moldeador. Cuando la película llega a los bordes del modelador, la forma final del cristal coincide con la del modelador.
Las dimensiones exactas del cristal se desviarán de las dimensiones del moldeador porque cada material tiene un ángulo de crecimiento característico , el ángulo formado en la triple interfaz entre el cristal sólido, la película líquida y la atmósfera. [3] Debido al ángulo de crecimiento, la variación de la altura del menisco (es decir, el grosor de la película líquida) cambiará las dimensiones del cristal. La altura del menisco se ve afectada por la velocidad de extracción y la tasa de cristalización. La tasa de cristalización depende del gradiente de temperatura por encima del moldeador, que está determinado por la configuración de la zona caliente del horno de crecimiento de cristales y la potencia aplicada a los elementos calefactores durante el crecimiento. La diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre el material moldeador y el material cristalino también puede causar diferencias de tamaño apreciables entre el moldeador y el cristal a temperatura ambiente para los cristales que crecen a altas temperaturas.
El material moldeador no debe ser reactivo tanto con la atmósfera de fusión como con la de crecimiento, y debe estar mojado por la masa fundida. [4]
Es posible cultivar múltiples cristales de un solo crisol usando la técnica EFG, por ejemplo, cultivando muchas hojas paralelas.
Aplicaciones
Zafiro : EFG se utiliza para cultivar grandes placas de zafiro , principalmente para su uso como ventanas infrarrojas robustas para defensa y otras aplicaciones. Se producen ventanas de unos 7 mm de espesor x 300 mm de ancho x 500 mm de largo. [5] El moldeador suele estar hecho de molibdeno .
Silicio: Schott Solar utilizó EFG en la década de 2000 para producir láminas de silicio para paneles solares fotovoltaicos , tirando de un octágono de paredes delgadas (~ 250-300 μm) con caras de 12,5 cm de lado y un diámetro de unos 38 cm, aproximadamente 5– 6 m de largo. [6] El moldeador generalmente está hecho de grafito .
Otros óxidos : EFG ha cultivado muchos óxidos de alto punto de fusión, entre ellos Ga 2 O 3 , LiNbO 3 y Nd 3+ : (Lu x Gd 1 − x ) 3 Ga 5 O 12 (Nd: LGGG). [7] A menudo se usa un modelador de iridio .
Crecimiento de la cinta horizontal
El crecimiento de cinta horizontal o HRG es un método desarrollado para el silicio mediante el cual se extrae horizontalmente una fina lámina cristalina de la parte superior de un crisol. El nivel de la masa fundida debe reponerse constantemente para mantener la superficie de la masa fundida a la misma altura que el borde del crisol del que se extrae la hoja. Soplando un gas refrigerante en la superficie de la hoja de crecimiento, se pueden lograr tasas de crecimiento muy altas (> 400 mm / min). [8] El método se basa en el cristal sólido que flota en la superficie de la masa fundida, lo que funciona porque el silicio sólido es menos denso que el silicio líquido.
Micro-tirando hacia abajo
La técnica de micro-pull-down o µ-PD utiliza una pequeña abertura redonda en el fondo del crisol para tirar de una fibra cristalina hacia abajo. Con esta técnica se han cultivado cientos de materiales cristalinos diferentes.
Una variación llamada crecimiento de gota colgante o PDG usa una ranura en el fondo del crisol para producir láminas cristalinas de manera similar. [3]
Técnica Stepanov
La técnica Stepanov fue desarrollada por AV Stepanov en la Unión Soviética después de 1950. [1] El método consiste en tirar de un cristal verticalmente a través de un moldeador ubicado en la superficie de la masa fundida. El modelador no se alimenta necesariamente por un canal capilar como en EFG. [9] El material moldeador puede estar mojado o no mojado por la masa fundida, a diferencia de EFG donde el material moldeador está mojado. [4] La técnica se ha utilizado para cultivar cristales de metal, semiconductores y óxido.
El crecimiento de Czochralski utilizando un moldeador flotante conocido como "coracle" se realizó para algunos semiconductores III-V antes del desarrollo de sistemas de control avanzados para el control del diámetro. [10]
Cinta de hilo
El método de la cinta de hilo , también conocido como banda dendrítica o tracción con soporte de borde , se ha utilizado para cultivar láminas semiconductoras que incluyen antimonuro de indio , arseniuro de galio , germanio y silicio. [11] En la superficie superior de la masa fundida se sumerge un cristal semilla con el ancho y el grosor correspondientes a la hoja que se va a cultivar. Se fijan hilos de un material adecuado a los bordes verticales de la semilla y se extienden hacia abajo a través de los orificios en el fondo del crisol hasta un carrete. A medida que se levanta la semilla, el hilo se alimenta continuamente a través de la masa fundida y se forma una película líquida entre la semilla, las hebras y la masa fundida. La película cristaliza en la semilla, formando una hoja o cinta.
Referencias
- ↑ a b Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov y Valerian Pishchik. Zafiro: material, fabricación, aplicaciones. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
- ^ Robichaud, Joseph L .; Harris, Daniel C .; Goodman, William A. (2009). "Un siglo de crecimiento de cristales de zafiro: origen del método EFG". Tecnologías de materiales y estructuras ópticas IV . 7425 . págs. 74250P. doi : 10.1117 / 12.824452 . ISSN 0277-786X .
- ^ a b Duffar, Thierry (2015). "Capilaridad y estabilidad de la forma en el crecimiento de cristales de la masa fundida". En Rudolph, Peter (ed.). Manual de crecimiento cristalino vol. IIB (2ª ed.). Elsevier BV págs. 758–789. doi : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00019-5 . ISBN 9780444633033.
- ^ a b Surek, T .; Coriell, SR; Chalmers, B. (1980). "El crecimiento de cristales moldeados a partir de la masa fundida". Diario de crecimiento cristalino . 50 (1): 21–32. doi : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90227-4 . ISSN 0022-0248 .
- ^ "CLASE Sapphire Sheets" . Saint-Gobain . Consultado el 25 de enero de 2018 .
- ^ Mackintosh, B; Seidl, A; Ouellette, M; Bathey, B; Yates, D; Kelejs, J (25 de enero de 2006). "Crecimiento de tubo hueco de cristal de silicio grande por el método de crecimiento alimentado con película de borde definido (EFG)". Diario de crecimiento cristalino . 287 (2): 428–432. doi : 10.1016 / j.jcrysgro.2005.11.058 .
- ^ Mu, Wenxiang; Jia, Zhitai; Yin, Yanru; Hu, Qiangqiang; Li, Yang; Tao, Xutang (2017). "Crecimiento de placas monocristalinas de Nd: LGGG homogéneas mediante el método de crecimiento alimentado con película de borde definido". Diario de crecimiento cristalino . 478 : 17-21. doi : 10.1016 / j.jcrysgro.2017.08.007 . ISSN 0022-0248 .
- ^ Kudo, B. (1980). "Mejoras en la técnica de crecimiento de cinta horizontal para silicio monocristalino". Diario de crecimiento cristalino . 50 (1): 247–259. doi : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90248-1 .
- ^ Tatartchenko, Vitali (2010). "Crecimiento de cristal en forma: breve historia de TPS". En Dhanaraj, Govindhan; et al. (eds.). Springer Handbook of Crystal Growth . Saltador. págs. 537–541.
- ^ Winkler, Jan; Neubert, Michael (2015). "Automatización del crecimiento de cristales de fusión". En Rudolph, Peter (ed.). Manual de crecimiento de cristales (2ª ed.). Elsevier BV pág. 1153. doi : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033.
- ^ Seidensticker, RG; Hopkins, RH (1980). "Crecimiento de la cinta de silicio por el proceso de la tela dendrítica". Diario de crecimiento cristalino . 50 (1): 221–235. doi : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90246-8 . ISSN 0022-0248 .