El método Kyropoulos , también conocido como método KY o técnica Kyropoulos , es un método de crecimiento de cristales en masa utilizado para obtener monocristales .
La mayor aplicación del método Kyropoulos es el crecimiento de grandes bloques de zafiro monocristalino que se utilizan para producir sustratos para la fabricación de LED basados en nitruro de galio y como material óptico duradero. [1]
El método recibe su nombre de Spyro Kyropoulos , quien propuso la técnica en 1926 como un método para hacer crecer cristales frágiles de haluros alcalinos y metales alcalinotérreos para óptica de precisión. [2] [3] [4] El método fue una respuesta a los tamaños de bolas limitados que se podían alcanzar con los métodos de Czochralski y Verneuil en ese momento. [5]
El método Kyropoulos se aplicó al crecimiento de cristales de zafiro en la década de 1970 en la Unión Soviética . [1]
La materia prima se funde en un crisol . (Para el crecimiento del cristal de zafiro, la materia prima es óxido de aluminio de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) que luego se calienta por encima de los 2100 °C en un crisol de tungsteno o molibdeno ). Un cristal semilla orientado con precisión se sumerge en el material fundido. El cristal semilla se tira lentamente hacia arriba y se puede girar simultáneamente. Al controlar con precisión los gradientes de temperatura, la velocidad de tracción y la velocidad de disminución de la temperatura, es posible producir un lingote grande, monocristalino y aproximadamente cilíndrico a partir de la masa fundida.
A diferencia del método Czochralski, la técnica Kyropoulos cristaliza todo el volumen de materia prima en el crisol. El tamaño y la relación de aspecto del crisol son similares a los del cristal final, y el cristal crece hacia abajo en el crisol, en lugar de ser tirado hacia arriba y hacia afuera del crisol como en el método Czochralski. El tirón hacia arriba de la semilla se realiza a un ritmo mucho más lento que el crecimiento hacia abajo del cristal, y sirve principalmente para dar forma al menisco de la interfaz sólido-líquido a través de la tensión superficial .
La tasa de crecimiento se controla disminuyendo lentamente la temperatura del horno hasta que se solidifique toda la masa fundida. Colgar la semilla de un sensor de peso puede proporcionar información para determinar la tasa de crecimiento, aunque las mediciones precisas se complican por la forma cambiante e imperfecta del diámetro del cristal, la forma convexa desconocida de la interfaz sólido-líquido y la interacción de estas características con las fuerzas de flotación y la convección dentro de la masa fundida. [6]
El método de Kyropoulos se caracteriza por gradientes de temperatura más pequeños en el frente de cristalización que el método de Czochralski. Al igual que el método de Czochralski, el cristal crece libre de cualquier fuerza de modelado mecánica externa y, por lo tanto, tiene pocos defectos reticulares y baja tensión interna . [1] Este proceso se puede realizar en una atmósfera inerte , como argón , o en alto vacío .
Las principales ventajas incluyen la simplicidad técnica del proceso y la posibilidad de cultivar cristales de gran tamaño (≥30 cm). [4] [7] El método también muestra una baja densidad de dislocación. [8]
La desventaja más importante del método es la velocidad inestable de crecimiento que se produce debido a los cambios de intercambio de calor que se producen al aumentar el tamaño de las bolas y que son difíciles de predecir. Debido a este problema, los cristales suelen crecer a una velocidad muy lenta para evitar defectos internos innecesarios. [4] [7]
Actualmente, el método es utilizado por varias empresas en todo el mundo para producir zafiro para las industrias electrónica y óptica. [9]
Los tamaños de los cristales de zafiro obtenidos mediante el método Kyropoulos han aumentado drásticamente desde la década de 1980. A mediados de la década de 2000, se desarrollaron cristales de zafiro de hasta 30 kg que podían producir sustratos de 150 mm de diámetro. En 2017, el zafiro más grande obtenido mediante el método Kyropoulos pesaba 350 kg y podía producir sustratos de 300 mm de diámetro. [10]
Debido a la estructura cristalina anisotrópica del zafiro , la orientación del eje cilíndrico de los boules cultivados por el método Kyropoulos es perpendicular a la orientación requerida para la deposición de GaN en los sustratos de LED. [11] Esto significa que los núcleos deben perforarse a través de los lados del boule antes de cortarlo en obleas . Esto significa que los boules cultivados tienen un diámetro significativamente mayor que las obleas resultantes.
A partir de 2017, los principales fabricantes de LED azules y blancos utilizan sustratos de zafiro de 150 mm de diámetro, aunque algunos fabricantes todavía utilizan sustratos de 100 mm y 2 pulgadas.