(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
１０５０ｂａｒ以上の圧力をサポート可能な高強度エンクロージャーと、
前記高強度エンクロージャーに隣接して該高強度エンクロージャーから径方向内側に配置されている複数の放射状セグメントと、
前記放射状セグメントに隣接して該放射状セグメントから径方向内側に配置されているライナーと、
前記ライナーの内部に画定されているチャンバーと、
前記チャンバー内に配置されている加熱素子と、
３００℃以上の高温及び７００ｂａｒ以上の高圧条件下で結晶を成長させるために反応物及び材料を保持するように構成されている、前記チャンバー内に配置されているカプセルと、
を備え、前記ライナーと前記加熱素子の外表面との間に間隙がある、装置。
【請求項２】
前記加熱素子は、外表面、内表面及び内部キャビティを画定している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記カプセルは、前記加熱素子の前記内部キャビティ内に配置されている、請求項２の記載の装置。
【請求項４】
前記カプセルは、該カプセルの外表面と前記加熱素子の前記内表面との間に間隙があるように構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ライナーは、スチール又は合金を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ライナーは、ニッケルクロム系超合金を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ライナーは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記放射状セグメントは、セラミック、タングステン、モリブデン、ＴＺＭ合金、サーメット又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記放射状セグメントは、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、タングステン、モリブデン、コバルト焼結炭化タングステン又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記放射状セグメントはウェッジ形状構造を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記カプセル又は前記高強度エンクロージャー内で検知された環境条件に応じて、（ａ）前記カプセル内の圧力、又は（ｂ）前記高強度エンクロージャー内の加圧ガスの周囲圧力を調整するように構成されている圧力制御装置を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記カプセルの内部と外部との差圧を検知するように構成されているセンサーを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記カプセルは第１の熱膨張係数を有し、前記センサーは第２の熱膨張係数を有し、該第２の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数の３５％以内である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記センサーは前記カプセルと物理的に係合する、請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記カプセルは蓋を含み、該蓋は、第１の厚さを有する第１の領域と、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の領域とを有するように構成されている、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記センサーは、前記第２の厚さを有する前記第２の領域の少なくとも一部分に重なるように前記カプセルの前記蓋上に配置されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記カプセルの内圧と前記周囲圧力との差圧に起因する前記カプセルの変形を測定するように構成されている変位センサーを備える、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
スリーブが前記加熱素子の前記外表面の周囲に配置されている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記スリーブは断熱材料を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
スリーブは熱分解窒化ホウ素を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
装置であって、
１０５０ｂａｒ以上の圧力をサポート可能な高強度エンクロージャーと、
前記高強度エンクロージャーに隣接して該高強度エンクロージャーから径方向内側に配置されている複数の放射状セグメントと、
前記放射状セグメントに隣接して該放射状セグメントから径方向内側に配置されているライナーと、
前記ライナーの内部に画定されているチャンバーと、
外表面、内表面、及び該内表面から径方向内側のキャビティを画定している、前記チャンバー内に配置されている加熱素子と、
３００℃以上の高温及び７００ｂａｒ以上の高圧条件下で結晶を成長させるために反応物及び材料を保持するように構成されている、前記チャンバー内に配置されているカプセルと、
を備え、前記カプセルは、前記加熱素子の前記キャビティ内に配置されており、該カプセルの外表面と前記加熱素子の内表面との間に間隙があるように構成されている、装置。
【請求項２２】
前記ライナーは、スチール又は合金を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ライナーは、ニッケル−クロム系超合金を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ライナーは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記放射状セグメントは、セラミック、タングステン、モリブデン、ＴＺＭ合金、サーメット又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記放射状セグメントは、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、タングステン、モリブデン、コバルト焼結炭化タングステン又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む、請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記放射状セグメントはウェッジ形状構造を有する、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記カプセル又は前記高強度エンクロージャー内で検知された環境条件に応じて、（ａ）前記カプセル内の圧力、又は（ｂ）前記高強度エンクロージャー内の加圧ガスの周囲圧力を調整するように構成されている圧力制御装置を備える、請求項２１〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記カプセルの内部と外部との差圧を検知するように構成されているセンサーを備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記カプセルは第１の熱膨張係数を有し、前記センサーは第２の熱膨張係数を有し、該第２の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数の３５％以内である、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記センサーは前記カプセルと物理的に係合する、請求項２９又は３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記カプセルは蓋を含み、該蓋は、第１の厚さを有する第１の領域と、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の領域とを有するように構成されている、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記センサーは、前記第２の厚さを有する前記第２の領域の少なくとも一部分に重なるように前記カプセルの前記蓋上に配置されている、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記カプセルの内圧と前記高強度エンクロージャー内の加圧ガスの周囲圧力との差圧に起因する前記カプセルの変形を測定するように構成されている変位センサーを備える、請求項２１〜３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
スリーブが前記加熱素子の前記外表面の周囲に配置されている、請求項２１〜３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記スリーブは断熱材料を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
スリーブは熱分解窒化ホウ素を含む、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記カプセル内の動作条件を５ｋｂａｒ以上の圧力及び５５０℃以上の温度まで上げるように構成されている、請求項１〜３７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３９】
超臨界アンモニア中で成長する窒化ガリウム結晶を含む、請求項１〜３８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
結晶を成長させる方法であって、結晶成長を促すほど十分な温度及び圧力条件下で、種結晶及び栄養素材料を反応させることを含み、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の装置内で行われる、結晶を成長させる方法。
【請求項４１】
５５０℃以上の温度及び５ｋｂａｒ以上の圧力で前記種結晶及び前記栄養素を反応させることを含む、請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には、例えば結晶成長用途等に用いることができる、高温及び高圧で材料を処理するのに適した装置に関する。
【０００２】
［連邦政府による資金提供］
本発明は、ＡＲＰＡ−ＥプログラムＤＥ−ＡＲ００００２０の下請け契約の下で米国エネルギー省により受けた米国連邦政府支援により行われた。
【０００３】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年７月２８日に出願された、「Apparatus for Processing Materials at High Temperatures and Pressures」と題する米国仮特許出願第６１／３６８，４４３号の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願はその全体が、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００４】
例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）等の結晶の成長を、高温及び／又は高圧での反応及び処理により達成することができる。反応材料が一般的にカプセルの内部に配置され、カプセルはシールされ、溶媒とカプセル内で行われるプロセス又は反応によって発生し得るガスとに対して概ね化学的に不活性であるとともに不透過性である環境を有する。カプセルは高温に曝され、カプセル内の圧力はカプセル内の材料が超臨界流体を形成する点まで増大し、結晶成長が超臨界条件下で起こる。カプセル内の圧力は、いずれの箇所でも一平方インチ当たり１０００ポンド（ｐｓｉ）〜５００００ｐｓｉ（約７０ｂａｒ〜約３４５０ｂａｒ）の範囲であり、温度は、摂氏約３００度〜約１２００度の範囲であり得る。幾つかの例では、商業的に実現可能な成長速度を達成するために、圧力は、約７００００ｐｓｉ〜約１０００００ｐｓｉ（約４８００ｂａｒ〜約７０００ｂａｒ）の範囲にある必要があり、温度は摂氏５００度〜約７００度の範囲にある必要があり得る。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、高温及び高圧条件下で材料を処理する装置、及びそのような材料を製造する方法を提供する。一態様では、本発明は、例えばバルクＧａＮ結晶のアモノサーマル成長等の高圧及び高温条件下で材料を処理するのに適した反応ユニット又は反応システムを提供する。本出願人は、スケールアップすることができるとともに、商業的に実現可能な成長速度を達成するのに必要とされ得る高圧及び高温に十分に耐え得る反応器構成を見出した。本ユニットは、商業規模／産業規模にスケールアップ可能でありながら、他の既知のシステムと比べて依然として比較的小型のままであるものとすることができる。さらに、本発明は、他の既知のシステムと比べてより高い温度及び圧力で動作することが可能でるものとすることができる。
【０００６】
一態様では、本発明は、圧力容器と、圧力容器に隣接して圧力容器から径方向内側に配置されている放射状セグメントと、放射状セグメントに隣接して放射状セグメントから径方向内側に配置されているライナーと、圧力容器、放射状セグメント及びライナーによって画定されているチャンバーとを備える装置を提供する。加熱素子をチャンバー内に配置することができ、反応を行うためのカプセルを、カプセルとライナーとの間に加熱素子が配置されるようにチャンバー内に配置することができる。
【０００７】
一態様では、本発明は、装置であって、
高強度エンクロージャーと、
前記高強度エンクロージャーに隣接して該高強度エンクロージャーから径方向内側に配置されている複数の高強度放射状セグメントと、
前記放射状セグメントに隣接して該放射状セグメントから径方向内側に配置されているライナーと、
前記ライナーの内部に画定されているチャンバーと、
前記チャンバー内に配置されている加熱素子と、
高温及び高圧条件下で結晶を成長させるために反応物及び材料を保持するように構成されている、前記チャンバー内に配置されているカプセルと、
を備え、前記ライナーと前記加熱素子の外表面との間に間隙がある、装置を提供する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、装置であって、
高強度エンクロージャーと、
前記高強度エンクロージャーに隣接して該高強度エンクロージャーから径方向内側に配置されている複数の高強度放射状セグメントと、
前記放射状セグメントに隣接して該放射状セグメントから径方向内側に配置されているライナーと、
前記ライナーの内部に画定されているチャンバーと、
外表面、内表面、及び該内表面から径方向内側のキャビティを画定している、前記チャンバー内に配置されている加熱素子と、
高温及び高圧条件下で結晶を成長させるために反応物及び材料を保持するように構成されている、前記チャンバー内に配置されているカプセルと、
を備え、前記カプセルは、前記加熱素子の前記キャビティ内に配置されており、該カプセルの外表面と前記加熱素子の内表面との間に間隙があるように構成されている、装置を提供する。
【０００９】
一態様によれば、前記ライナーは、高温スチール又は高温合金を含む。
【００１０】
一態様によれば、前記ライナーは、ニッケルクロム系超合金を含む。
【００１１】
一態様によれば、前記ライナーは、約０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する。
【００１２】
一態様によれば、前記放射状セグメントは、セラミック、耐熱金属、サーメット又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む。
【００１３】
一態様によれば、前記放射状セグメントは、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、タングステン、モリブデン、コバルト焼結炭化タングステン又はそれらの２つ以上の組合せから選択される材料を含む。
【００１４】
一態様によれば、前記放射状セグメントはウェッジ形状構造を有する。
【００１５】
一態様によれば、本装置は、前記カプセル又は前記高強度エンクロージャー内で検知された環境条件に応じて、（ａ）前記カプセル内の圧力、又は（ｂ）前記高強度エンクロージャー内の加圧ガスの周囲圧力を調整するように構成されている圧力制御装置を備える。
【００１６】
一態様によれば、センサーは、前記カプセルの内部と外部との差圧を検知するように構成されている。
【００１７】
一態様によれば、前記カプセルは第１の熱膨張係数を有し、前記センサーは第２の熱膨張係数を有し、該第２の熱膨張係数は前記第１の熱膨張係数の３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％又は１％以下の範囲内である。更に別の態様では、前記センサーは前記カプセルと物理的に係合する。
【００１８】
一態様によれば、前記カプセルは蓋を含み、該蓋は、第１の厚さを有する第１の領域と、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２の領域とを有するように構成されている。別の態様によれば、前記センサーは、前記第２の厚さを有する前記第２の領域の少なくとも一部分に重なるように前記カプセルの前記蓋上に配置されている。
【００１９】
一態様によれば、本装置は、前記カプセルの内圧と前記周囲圧力との差圧に起因する前記カプセルの変形を測定するように構成されている変位センサーを備える。
【００２０】
一態様によれば、スリーブが前記ヒーターの前記外表面の周囲に配置されている。前記スリーブは断熱材料を含んでもよい。他の態様では、前記スリーブは熱分解窒化ホウ素を含んでもよい。
【００２１】
一態様によれば、本装置は、超臨界アンモニア中で成長する窒化ガリウム結晶を含む。
【００２２】
更に別の態様では、本装置は、結晶を成長させる方法であって、結晶成長を促すほど十分な温度及び圧力条件下で、種結晶及び栄養素材料を反応させることを含む、方法において用いることができる。本方法は、約５５０℃以上の温度及び約５ｋｂａｒ以上の圧力で前記種結晶及び前記栄養素を反応させることを含んでもよい。
【００２３】
本発明のこれらの特徴及び更なる特徴は、以下の説明及び添付の図面を参照すると更に理解される。これらの説明及び図面において、本発明の特定の実施形態が、本発明の原理を用いることができるやり方のうちの幾つかを示すものとして詳細に開示されているが、本発明は範囲がそれに対応して限定されないことが理解される。そうではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にある全ての変更、改変及び均等物を含む。
【００２４】
一実施形態に関して説明及び／又は例示される特徴は、１つ又は複数の他の実施形態及び／又はそれらの他の実施形態の特徴と組み合わせて又は他の実施形態の特徴の代わりに、同じやり方又は同様のやり方で用いることができる。
【００２５】
本明細書において用いられる場合の「備える（含む）（comprises/comprising）」という語は、述べられている特徴、完全体（integer）、ステップ又は構成部材の存在を特定するのに用いられているが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、構成部材又はそれらの群の存在又は追加を排除しないことを強調しておく。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による装置の平面断面図である。
【図２】線２−２に沿った図１の装置の上面断面図である。
【図３】図１の反応器の圧力を制御する制御システムを示す、この反応器の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態によるカプセルの部分平面断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による装置の上面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面は一定の縮尺率になく、本発明の態様を示すために提供されていることが理解されるであろう。本発明の目的及び利点は本発明の動作とともに、以下の例示と併せて以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解することができる。
【００２８】
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施形態による装置１００（本明細書では反応器、反応器ユニット、反応器システム等と呼ぶ場合がある）が示されている。反応器システム１００は、圧力容器１１０と、圧力容器１１０に隣接して圧力容器１１０から径方向内側に配置されている複数の高強度放射状セグメント１２０と、放射状セグメント１２０に隣接して放射状セグメント１２０から径方向内側に配置されているライナー１３０とを備える。これらの圧力容器、放射状セグメント及びライナーは、反応器システムの内部にチャンバー又はキャビティ１４０を画定している。圧力容器、放射状セグメント及びライナーによって形成されている構造又は構成は、本明細書では格納構造と呼ぶ場合があり、反応器ハウジングを概ね画定している。チャンバー１４０はカプセル１６０を受け入れるようになっており、カプセル１６０は例えば、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）等の結晶材料を製造するような反応を行うのに用いることができる。
【００２９】
さらに、反応器１００はチャンバー１４０内に配置されている加熱素子１５０を備える。概して、加熱素子１５０は、加熱素子１５０の外表面１５２とライナー１３０との間に間隙又は隙間１４２があるようにチャンバー１４０内に配置されている。加熱素子１５０は内表面１５４を含み、内表面１５４の径方向内側に内部部分又はキャビティを画定している。カプセル１６０は、加熱素子の内部キャビティ内に概ね配置されている。本発明の態様によれば、カプセル１６０は、カプセルの外表面１６２と加熱素子１５０の内表面１５４との間に間隙又は隙間１４４があるようなサイズ及び形状になっているものとすることができる。カプセルと加熱素子との間の隙間１４４は、カプセル内の圧力上昇及び温度上昇に起因してカプセルの膨張が可能なほど十分に大きいが反応器内の対流伝熱を妨げるほど十分に小さいものであるように設けることができる。
【００３０】
シールキャップ１６５を、反応器の各端において本装置に固定して、本システムをシールすることができる。例えば、図１に示されているように、圧力ライナー１３０の端と放射状ウェッジ１２０の端とにエンドキャップ１６５を配置して、カプセルの周囲に閉鎖／シールされた環境を提供するとともにチャンバー１４０内の内容物をシールする。本システムは、本システムの端に固定されるエンドプレート１７５を更に備えることができる。
【００３１】
反応器システム１００は、カプセル１６０の内部で発生する熱及び圧力が制御されて、カプセル１６０の内部に所望の温度分布を確保するとともに、カプセル１６０の内部とカプセル１６０の外部との間に比較的均一な圧力を確保することを可能にする。特定の実施形態では、カプセル１６０は、例えば、窒化ガリウム又は石英の結晶成長についてそれぞれのアンモニア又は水の状態方程式により、熱反応又は化学反応によって自己加圧する。例えば、加熱素子１５０は、カプセル１６０の内部の温度を上昇させ、それによって、カプセル１６０内に配置されている物質を膨張させ、したがってカプセル１６０内の圧力を上昇させるように機能する。
【００３２】
図３に示されているように、反応器システムは、カプセル１６０内のこの内圧を相殺するためにガス圧力調整器１７０（例えばコンプレッサー）を備える。ガス圧力調整器１７０は、アルゴン又は別の不活性ガス等の高圧ガスを反応器システム１００及びチャンバー１４０（間隙又は隙間１４４を含む）に圧送して、カプセル１６０の周囲の閉鎖／シールされた環境を加圧する。装置１００は、カプセル１６０の内部と外部との差圧を検知するように構成されている１つ又は複数のセンサー１８０を備える。本システムに用いられるセンサーのタイプは、特定の使用を目的とした用途の所望に応じて選択することができる。例えば、圧力センサーを用いて外圧及び内圧を検知することができ、その場合、外圧及び内圧を用いて差圧を算出する。別の実施形態では、変位センサーを単独で用いてカプセル１６０の変形を算出することができ、カプセルの変形を用いて差圧を算出することができる。別の実施形態では、圧力センサーを用いてカプセルの内圧を検知することができ、その場合、カプセルの内圧は、外圧センサーが測定した外圧又は周囲圧力と比較される。
【００３３】
装置１００は、１つ又は複数のセンサーが検知した差圧に応じて、格納システム内のカプセル１６０と閉鎖／シールされた環境との差圧を調整する（すなわち、減らすか、最小限に抑えるか又はなくす）ように構成されている圧力制御装置１９０を備える。通常、本システムの動作中、カプセル内の圧力は、約１００００ｐｓｉ〜約１５００００ｐｓｉ（約７００ｂａｒ〜約１０５００ｂａｒ）の範囲であり、温度は、摂氏約３００度〜摂氏約１２００度の範囲であり得る。一実施形態では、本装置は、カプセル内の動作条件を摂氏約５５０度の温度及び約５０００ｂａｒ（５ｋｂａｒ）の圧力まで上げるように構成されている。本技法の他の実施形態では、圧力は、１５００００ｐｓｉ（約１０５００ｂａｒすなわち１０．５ｋｂａｒ）超の範囲である場合があり、温度は、摂氏約１５００度超の範囲である。本明細書及び特許請求の範囲における他の場合と同様にこの場合も、数値を組み合わせて、更なる範囲及び／又は開示されていない範囲を形成することができる。圧力制御装置１９０は、カプセル又は圧力容器内の検知された環境条件に応じて、カプセル１６０内の内圧と圧力容器内の加圧ガスの外圧又は周囲圧力とを平衡させるように構成されている。上述したように、これらの検知された環境条件は、カプセル１６０の内圧、外圧、変形、カプセルの内部及び／又は外部の温度、並びにそれらの種々の組合せを含み得る。
【００３４】
図示の技法の一実施形態では、センサー１８０は、カプセル１６０の外部と内部との差圧によって生じる、カプセル１６０の膨張又は収縮に起因するカプセル１６０の変位又は変形を測定するように構成されている、静電容量型変位変換器（capacitance displacement transducer）等の変位測定装置を含む。別の実施形態では、センサー１８０は、カプセル１６０の外部と内部との差圧によるものである、カプセル１６０の膨張又は収縮に起因して、カプセル１６０の変位又は変形を測定するように構成されている歪ゲージを含むことができる。カプセル１６０の測定された変位に応じて、圧力制御装置１９０が、その変形をカプセル１６０の内圧と相関させ、ガス圧力調整器１７０により、カプセル１６０内の内圧及び／又は閉鎖／シールされた環境内の周囲圧力を調整して、内圧と周囲圧力とを平衡させ、それによって、差圧を実質的になくし、カプセル１６０の更なる変位を防ぐ。多様なセンサーが本技法の範囲内にあることが理解されるであろう。圧力制御装置１９０は、差圧を監視するとともに、閉鎖／シールされた環境内の周囲圧力がカプセル１６０の内部の圧力に実質的に等しくなるようにガス圧力増圧器１７０を制御するソフトウェア、ハードウェア、又は適した装置を含むことができる。このようにして、カプセル１６０は、比較的高い内圧に耐え、それによって、超臨界流体による材料の処理を促すことができる。
【００３５】
センサーを、カプセルの外表面上に配置してカプセルの変位又は変形を検出及び測定するように構成することができる。一実施形態では、カプセル及びセンサーは、同様の熱膨張係数を有するように構成され、そのため、選択された高温及び高圧条件下で本装置がカプセル内で所望の反応を行うように動作する際に、同様の割合で膨張又は収縮する。一実施形態では、カプセルは第１の熱膨張係数を有し、センサーは第２の熱膨張係数を有し、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約３５％以内である。別の実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約３０％以内である。更に別の実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約２５％以内である。他の実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の２０％以内、１５％以内、１０％以内、５％以内又は１％以内又はそれよりも低い％以内である。一実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約０．１％〜約３５％である。別の実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約１％〜約２５％である。更に別の実施形態では、第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数の約５％〜約１５％である。本明細書及び特許請求の範囲における他の場合と同様にこの場合も、数値を組み合わせて、更なる範囲及び／又は開示されていない範囲を形成することができる。
【００３６】
センサーは、カプセル内の圧力を検知するのに必要な電子機器及び構成部材に取り付けるための高温コネクターも備えることができる。この高温コネクターは、センサーを電子部品から分離することを可能にし、カプセルを開閉することを可能にし、かつ、センサーに損傷を与えることなく部品を互いに分離することを可能にするように構成することができる。
【００３７】
カプセルの蓋は任意選択的に、カプセルの内部の圧力を評価することを可能にするように構成することができる。図４に示されている一実施形態では、カプセル１６０’は、外表面１６２’と、内表面１６４’と、第１の厚さｔ1を有する第１の領域１６７及び第１の厚さよりも薄い第２の厚さｔ2の第２の領域１６９を有するように構成されている蓋１６６とを含む。センサーは、カプセルの表面上に配置される場合、低減した、すなわちより薄い厚さを有する第２の領域に少なくとも部分的に重なるように配置することができる。図４を参照すると、例えば、センサー１８０’を、低減した厚さを有する領域１６９に重なるように蓋１６６上に配置することができる。
【００３８】
代替的な実施形態では、差圧は、カプセル１６０内で温度及び圧力を同時に連係して制御することによって実質的になくすか又は最小限に抑えることができる。本システムにおける温度の制御に関して、本装置は、カプセル１６０の温度分布を監視する、カプセル１６０に近接して任意選択的にカプセル１６０と直接接触して位置する複数の温度センサーを備えることができる。加えて、温度センサーをカプセル１６０の内部及び外部の双方に位置決めして、カプセル１６０の内部条件及び外部／周囲条件（例えば温度、圧力等）の制御を促すことができる。適した温度センサーの非限定的な例として、熱電対、サーミスター、光高温計に接続される光ファイバー又はそれらの任意の組合せを挙げることができる。温度センサーは、カプセル１６０の温度分布を監視及び制御する温度制御装置に接続することができる。特定の実施形態では、温度制御装置及び圧力制御装置１９０は協働して、カプセル１６０の内部と外部との差圧が実質的に最小限に抑えられることを確実にしながらカプセル１６０内（及び任意選択的にカプセル１６０の周囲）に所望の温度及び圧力を提供する。さらに、温度センサーを、カプセル１６０の外部の周囲の、高温ゾーン等の複数の異なるゾーンに配置することができ、そのため、温度制御装置がこれらの異なるゾーンにわたる温度変化を監視及び調整することができる。例えば、温度制御装置は、カプセル１６０の周囲の異なるゾーン内で検知された温度に応じて、加熱素子１５０の種々の部材又は部分を個別制御し、それによって、カプセル１６０内の平衡した又は所望の温度プロファイルを促すことができる。本技法の一実施形態では、中央コントローラー、コンピューター、制御回路又は制御システムは圧力制御装置１９０及び温度制御装置を接続し、それによって、カプセル１６０に関連した温度及び圧力を同時制御又は中央制御することができる。
【００３９】
更に別の実施形態では、カプセル１６０の内部と外部との間の圧力の平衡を自己調節機構によって達成することができる。そのような実施形態では、カプセルの内部の圧力もカプセル本体の変位も測定することなく圧力を調節することができる。状態方程式に基づいた、スペース１４０（間隙又はエリア１４４を含む）内の制御された圧力及び温度勾配が、近似の圧力平衡をもたらし、厳密な平衡が自己調節機構によって達成される。例えば、カプセル１６０は、ガスがカプセルに出入りすることを可能にする１つ又は複数の弁を有して構成することができる。カプセルの内圧が外圧よりも高くなると、弁が開き、少量の超臨界流体がチャンバー１４０に流出することを可能にする。内圧がより低くなると、弁はチャンバー内の加圧ガス（例えばＡｒ又はＮ2）がカプセルに入ることを可能にする。
【００４０】
処理条件下で、電力を加熱素子１５０に誘導することによってカプセル１６０の温度が所定値に上昇すると、カプセル１６０の内部の圧力が昇圧に達する。カプセル１６０内の材料の状態方程式、すなわち、温度及びフィルファクターの関数としての圧力が正確に分かっている場合、閉鎖／シールされた環境内のガス圧力がカプセル１６０の内部の圧力におよそ等しくなるように高強度エンクロージャー内の圧力を温度の上昇と連係して増大させることができる。この条件が維持されない場合、カプセル１６０は、外圧が内圧を上回るか又は逆に内圧が外圧を上回るかに応じて圧壊又は破裂する。この場合も同様に、圧力制御装置１９０により、特定のプロセス中にカプセル１６０の内部の圧力及び外部の圧力が実質的に平衡し、それによって、カプセル１６０の不所望な変形を防ぐとともに特定のプロセスの場合に更に広い圧力範囲を促すことが確実になる。
【００４１】
高圧及び高温での超臨界流体処理の幾つかのタイプの場合、カプセル１６０の２つのチャンバー間に温度勾配が望まれる。例えば、温度勾配が場合によっては望ましい用途には結晶成長がある。結晶成長の特定の用途では、カプセル１６０が加熱されるにつれて溶媒の蒸気圧が上昇する。カプセル１６０内に存在する溶媒の所与の温度及び量における、溶媒の蒸気圧は、溶媒の状態図から求めることができる。十分な高温及び高圧で、溶媒は超臨界流体になる。上記で説明したように、カプセル１６０の内圧が上昇するにつれて、カプセル１６０の壁が外側に変形する可能性がある。
【００４２】
過圧に起因する破裂からカプセル１６０を保護するために、圧力制御装置１９０が、閉鎖／シールされた環境内の圧力を調整するように機能する。例えば、カプセル１６０の変形を、圧力制御装置１９０に信号を供給するセンサー１８０によって測定することができる。幾つかの実施形態では、センサーをカプセル１６０の内部及び外部に設けて内圧及び外圧を測定することができ、その場合、内圧及び外圧が内部と外部との差圧を特定するのに用いられる。次に、圧力制御装置１９０が、カプセル１６０へのガスの流れを調節するように信号をガス圧力増圧器１７０に供給し、それによって破裂からカプセル１６０を保護する。換言すれば、内圧が外圧を上回り始めることでカプセル１６０を外側に変形させる場合、センサー１８０のうちの１つ又は複数が、圧力制御装置１９０による圧力調整を誘発させる内外の差圧（又は物理的な変位／変形）を示す。例えば、１つ又は複数のセンサー１８０は、ガス圧力増圧器１７０によって外部のガス圧力を上昇させて内外の差圧を最小限に抑えるか又はなくすようにさせる信号を圧力制御装置１９０に供給することができる。逆に、外圧が内圧を上回り始めることでカプセル１６０が内側に変形する場合、１つ又は複数のセンサー１８０は、外部のガス圧力を低下させて内外の差圧を最小限に抑えるか又はなくすようにさせる信号を圧力制御装置１９０に送信する。例えば、本システムはガス圧力増圧器１７０の圧送を低減させるか又は弁（図示せず）を開いて一部の圧力を解放することができる。
【００４３】
システム１００は、超臨界点における又は超臨界点を超える物質の処理を改善するための多様な特徴を含む。例えば、システム１００は、より均一に温度及び圧力を制御し、それによって、カプセル１６０の内部での材料処理の条件及びカプセル１６０の壁に対する応力を低減する条件を大幅に改善するように構成されている。さらに、システム１００は、カプセル１６０の種々の領域全体にわたる熱及び流れ分布を改善し、それによって、カプセル１６０の内部での材料処理の条件を更に改善するように構成されている。本出願人は、圧力容器に隣接して放射状ウェッジセグメントを使用することと併せて、カプセルの周囲（ライナーが画定しているチャンバーによって提供される）の圧力を制御又は調整するようになっている構成を組み合わせることにより、材料の高温及び高圧処理に適しているとともに、例えば５０００ｂａｒを超える非常な高圧及び５５０℃を超える高温、更には約１０００００ｐｓｉ（約７０００ｂａｒ）又はそれよりも高い高圧に特に適している反応器が提供されることを見出した。開示されている構成は産業サイズ規模で提供することができる。しかしながら、本出願人は驚くべきことに、本開示による構成は、商業規模／産業規模にスケールアップ可能でありながらも、（ｉ）カプセルの外部の圧力だけを調節するか、又は（ｉｉ）放射状ウェッジセグメントだけを用いることによってカプセルの膨張を制御するシステムのような他のシステムと比べて依然として比較的小型のままであるものとすることができることを見出した。カプセルの周囲の圧力だけを調節するように構成されているシステムは、特に、極めて高い圧力（例えば７００００ｐｓｉ（約４８００ｂａｒ）よりも大きい）で動作する場合に、非常に大型で厚みのある圧力容器を必要とする可能性がある。カプセルの膨張を制御するのに放射状ウェッジセグメントだけを用いるシステムは、非常に厳格な公差を要し、隣接する構成部材が、構造の全長にわたって本質的に互いに面と面とが接触した状態になければならず、この状態は、極めて高い圧力で商業的に実現可能な結晶成長を行うのに必要とされるサイズにスケールアップされる際に達成するには困難である。しかしながら、本開示による反応器は、工業要件を満たすようにスケールアップ可能であるが（極めて高い圧力で動作する場合であっても）依然として比較的小型のままであるものとすることができる。
【００４４】
本明細書において高強度エンクロージャー／高強度装置と呼ぶ場合がある圧力容器１１０は、閉鎖／シールされた環境内の高圧（例えば、１５０００ｐｓｉ〜約１５００００ｐｓｉ（約１０５０ｂａｒ〜約１０５００ｂａｒ））に支えるために、ＳＡ７２３又は別の高強度スチール等の高強度材料から構成することができる。
【００４５】
装置１００は、動作条件下でほとんど変形を被らない又は全く変形を被らない硬質材料を含む放射状セグメント１２０を更に備える。特定のプロセス中、高強度圧力容器１１０及び放射状セグメント１２０は協働して、カプセル１６０の内部に形成される圧力に耐えるとともにこの圧力を相殺する。セグメント１２０は、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア等のセラミックを含み得る。セグメント１２０は代替的に、タングステン、モリブデン若しくはＴＺＭ合金等の耐熱金属、又は、コバルト焼結炭化タングステン等のサーメットを含んでいてもよい。放射状セグメント１２０の材料及びウェッジ形状の幾何学形状は、チャンバー１４０から圧力容器１１０に伝わる圧力を低下させるように構成されている。換言すれば、ウェッジ形状の放射状セグメント１２０は、カプセル１６０によって加えられる負荷をセグメント１２０の内径の面積にわたり分散させ、さらに圧力容器１１０の内径のより大きな面積にわたり分散させ、そのため、圧力容器１１０が放射状セグメント１２０と圧力容器１１０との間の境界面において耐える圧力は比較的小さい。これらの理由から、放射状セグメント１２０が圧力容器１１０と協働して、カプセル１６０の内部の圧力を相殺し、それによってカプセル１６０の内部の力と外部の力とを平衡させる。結果として、本装置は、比較的高い内圧、したがって、広範の超臨界流体処理条件に耐えることが可能である。
【００４６】
本装置は、放射状セグメント１２０に隣接して配置されているライナー１３０を更に備える。開示されている装置は、カプセルと放射状セグメントとの間に間隙を含んでいるため、ライナーが本システム内にシールを提供するのに用いられる。ライナーは、例えば、高温シール又は高温合金等の高温材料であるものとすることができる。ライナーに適した材料の非限定的な例は、ニッケルクロム系合金である。適したニッケルクロム系合金の非限定的な例として、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８等のＩｎｃｏｎｅｌ（商標）金属が挙げられる。ライナーの厚さは特に限定されず、特定用途又は使用目的の所望に応じて選択することができる。一実施形態では、ライナーは、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ又は約３ｍｍ〜約６．５ｍｍ（例えば約０．１２５インチ〜約０．２５インチ）の厚さを有し得る。
【００４７】
装置１００は、カプセル１６０の周囲に配置されている加熱素子１５０を更に備え、そのため、カプセル１６０の温度が均一に上昇又は低下することができる。この加熱素子は特に限定されず、特定の必要性又は使用目的を満たすように選択することができる。特定の実施形態では、加熱素子１５０は、少なくとも１つの抵抗加熱型のチューブ、フォイル、リボン、バー、ワイヤー又はそれらの組合せを含む。任意選択的に、装置１００は、冷却系、例えば、水、水／不凍液、オイル等を含む再循環系を含むことができる。冷却系は、高強度エンクロージャー１１０をその強度及び耐クリープ性が高いままである温度に維持するのに役立つ。冷却は代替的に、高強度エンクロージャーの外表面にわたる受動的な又は強制された空気対流によって行ってもよい。放射状セグメント１２０は、反応器システムにかかる圧力負荷を低減又は拡散することに加え、ヒーター１５０及びカプセル１６０の近くの高温から圧力容器１１０を断熱することが理解されるであろう。これにより、圧力容器１１０がより低温で動作するとともにその材料特性を維持することが可能になる。
【００４８】
カプセル１６０は、圧力がカプセル１６０内で上昇するにつれてカプセル１６０が膨張することを可能にする変形可能な材料から形成することができる。これにより、カプセル１６０が破裂することを防ぐ。一実施形態では、変形可能な材料は、銅、銅系合金、金、銀、パラジウム、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、鉄系合金、ニッケル、ニッケル系合金、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、それらの組合せ等のうちの少なくとも１つを含み得る。別の実施形態では、カプセル１６０は、銅、銅系合金、金、銀、パラジウム、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、鉄、鉄系合金、ニッケル、ニッケル系合金、モリブデン及びそれらの組合せのうちの少なくとも１つのような冷間溶接可能な材料から形成されるが、それらに限定されない。カプセル１６０を形成するのに用いることができる銅系合金として、ステンレス鋼が挙げられるがそれに限定されない。カプセルを形成するのに用いることができるニッケル系合金として、インコネル、ハステロイ等が挙げられるがそれらに限定されない。
【００４９】
一実施形態では、カプセルは、高圧装置内に挿入される前に閉鎖され、シールされ、かつ実質的に空気がない状態にされる。図示の実施形態では、カプセルは可動プランジャーを含んでいないが、その理由は可動プランジャーが化学的に不活性な気密シールを維持することが困難であるためである。代わりに、カプセルは、相対的に固定された外側エンクロージャーを有しており、そのため、特定の超臨界流体プロセス中に膨張及び収縮（例えば変形）によって幾何学形状が変わる。一実施形態では、カプセルは、閉鎖端と、閉鎖端に隣接して閉鎖端から延びている少なくとも１つの壁と、閉鎖端に対向してこの少なくとも１つの壁に隣接する気密シール端とを含む。シール端は、少なくとも１つのチャンバーに材料を導入し、チャンバーを排気し、かつ、実質的に空気に曝すことなく少なくとも１つのチャンバーに溶媒を導入した後で形成される。次いで、更なる外側シールを、冷間溶接、アーク溶接等によってシール端に設けることができる。カプセル内のチャンバーは、シールされると実質的に空気がない状態となり、チャンバー内に収容されている材料は、汚染の危険性が低減された状態で処理することができる。
【００５０】
図１の高強度エンクロージャー１１０の、温度及び圧力が調節された環境の内部において、カプセル１６０が材料及び溶媒等の物質を収容しており、それらの物質のうちの少なくとも１つは、カプセル１６０内の高温及び高圧で超臨界になる。特定の場合では、開示されている装置及び方法の実施形態は、過熱状態にある液体、すなわち、必ずしも超臨界ではないが雰囲気圧でその沸点よりも高い温度にある流体中で結晶を成長させる又は材料を処理するのに有用であるものとすることができる。「超臨界」という用語は、本発明の実施形態の使用範囲を定める目的から、「過熱」という用語と互換的に用いることができることを理解されたい。カプセル１６０を用いて、高品質の窒化ガリウム単結晶又は石英結晶を含む多様な材料を処理することができる。
【００５１】
特定の実施形態では、カプセル１６０は、第１のチャンバー（例えば栄養素チャンバー）及び第２のチャンバー（例えば、種／結晶成長チャンバー）等の複数の別々のチャンバーにカプセル１６０を分割する、バッフルプレート等の少なくとも１つの分割構造体を備える。栄養素チャンバーは、超臨界温度で少なくとも１つの材料を処理するためにこの少なくとも１つの材料を収容している。種／結晶成長チャンバーすなわち第２のチャンバーは、特定の超臨界流体プロセス、例えば、結晶化学及び成長化学、また、処理される材料の可溶性が温度によって増大するか又は低減するかに応じて、カプセル１６０の上部領域又は底部領域に位置付けることができる。バッフルプレートは、複数の別々のチャンバー間、例えば第１のチャンバー及び第２のチャンバー間の流体の流れと、伝熱と、質量伝達とを促す複数の通路を有することができる。最初に、結晶若しくは多結晶粒子又は栄養素粒子等の１つ又は複数の栄養素材料が第１のチャンバー内に配置され、結晶種等の１つ又は複数の種材料が第２のチャンバー内に配置される。例示的な結晶成長プロセスでは、カプセル１６０内の内部環境が超臨界になるにつれて、栄養素粒子から溶解した溶質が結晶種に循環し、それによって、第２のチャンバー内の種の結晶成長を促す。バッフルプレートは、栄養素材料及び／又は種材料をカプセル１６０の特定の領域に閉じ込めるか又は分離するように構成することができ、その一方で、溶解した溶質とともに超臨界流体がバッフルプレート内の通路を自由に通ることによってカプセル１６０全体にわたって混和することを可能にする。
【００５２】
加熱素子は、特定目的又は使用目的の所望に応じて選択及び構成することができる。図１〜図５には示されていないが、加熱素子１５０の外表面１５２は、１つ又は複数の適した加熱素子を収容することができる。一実施形態では、適した加熱素子として、電気加熱素子、半導体系加熱素子又はそれらの組合せが挙げられる。一実施形態（図示せず）では、所望パターンの１つ又は複数の電動式ヒーター線が、加熱素子１５０の外表面上に形成されている１つ又は複数の溝内に配置される。一実施形態では、加熱素子の主要部分は、例えば、円筒形状の窒化ホウ素（ＨＢＲグレード）製チューブである。ＨＢＲ窒化ホウ素は、径方向に熱伝導する一方で絶縁体である。一実施形態では、ＨＢＲ窒化ホウ素製支持チューブに形成されている１つ又は複数の溝は、加工プロセスにより形成される。しかしながら、本発明は加工プロセスだけに限定されないことに留意されたい。代わりに、本発明のＨＢＲ窒化ホウ素のチューブに１つ又は複数の溝を形成する任意の適したプロセスを用いることができる。上記を所与とすると、１つ又は複数の電動式ヒーター線が、任意の所望のパターンで加熱素子１５０の外表面１５２上に蒸着され、配置され、及び／又は位置付けられる。一実施形態では、擬似パターンを用いることができるが、本発明はそれに限定されないことを理解されたい。むしろ、任意のパターンを、そのようなパターンが、加熱素子１５０に存在するキャビティ内に配置されているカプセル１６０の上部と底部との間に所望の温度勾配を得ることを可能にする限り、用いることができる。
【００５３】
一実施形態では、加熱素子の外表面は、断熱材料で覆うことができる。図５は、装置１００’の一実施形態を示す。装置１００’は装置１００と同様であり、ヒーター１５０’を備える。ヒーター１５０’は、様々な局面でヒーター１５０と同様であるが、その外表面１５２の周囲に配置されるか又は外表面１５２を覆う断熱スリーブ１５６を備えるものとして示されている。一実施形態では、加熱素子１５０’の外表面１５２は熱分解窒化ホウ素製スリーブ１５６で覆われる。熱分解窒化ホウ素製スリーブ等の断熱材料は、１つ又は複数の加熱線パターンを設けた後で外表面の周囲に配置することができる。スリーブは、存在する場合、効果的な断熱体及び熱障壁として作用する。別の実施形態では、熱分解窒化ホウ素製スリーブはまた、そのようなＨＢＲ窒化ホウ素製支持チューブ内の１つ又は複数の溝に対する１つ又は複数の加熱線の位置を維持するように作用する。
【００５４】
別の実施形態では、１つ又は複数の電動式ヒーター線の代わりに、加熱素子１５０の外表面１５２上に任意の適した技法（例えば化学蒸着法（ＣＶＤ））により蒸着される任意の適したパターンの熱分解グラファイトを用いることができる。種々の適したＣＶＤプロセスが当該技術分野において既知であるため、簡潔のために本明細書での詳細な説明は省く。代替的に、熱分解グラファイトは、適したＣＶＤプロセスにより加熱素子１５０の外表面１５２全体にわたって蒸着することができる。ＣＶＤ蒸着が完了した後、適したパターンが、例えばサンドブラストにより、結果として得られる熱分解グラファイト層に形成され得る。次いで、この実施形態では、残存パターンの熱分解グラファイトが「加熱線」となる。更に、この実施形態では、加熱素子１５０の外表面１５２は、この実施形態では「加熱線」を形成する１つ又は複数のパターンの熱分解グラファイトが完了した後、熱分解窒化ホウ素製スリーブ（図示せず）で覆われる。この実施形態では、加熱素子の主要部分は、例えば円筒形状の窒化ホウ素（ＨＢＲグレード）製チューブである。
【００５５】
本発明を種々の例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、当業者は改変を想起することができ、本出願は、本発明の趣旨内に含まれる改変及び発明を包含することを意図されることが理解されるであろう。加えて、本発明の特定の特徴は、幾つかの図示の実施形態のうちの１つのみ又は複数に関して上述してきたが、そのような特徴は、任意の所与の用途又は特定の用途に所望されるとともに有利であり得るように、他の実施形態の１つ又は複数の他の特徴と組み合わせることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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