АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ТЕКУЧИХ СРЕДАХ И ЕГО СПОСОБЫ
APPARATUS AND METHODS FOR TREATMENT OF MATERIALS IN SUPERCRITICAL FLUID MEDIA

Уровень техники
Изобретение относится в общем к технологиям обработки материалов в сверхкритических текучих средах. Более конкретно, варианты воплощения изобретения включают технологии контроля параметров, связанных с капсулой обработки материала, размещенной внутри аппарата/оболочки высокого давления.
Сверхкритические текучие среды могут быть использованы для обработки разнообразных материалов. Сверхкритическую текучую среду определяют как вещество, находящееся в состоянии выше его критической точки, т.е. критической температуры и критического давления. Критическая точка представляет собой максимальные температуру и давление, при которых это вещество может существовать в виде равновесных паровой и жидкой фаз. В некоторых видах применения сверхкритической текучей среды обрабатываемые материалы размещают внутри сосуда высокого давления или другого аппарата высокого давления. В некоторых случаях желательно вначале разместить материалы внутри контейнера, вкладыша или капсулы, которые, в свою очередь, размещают внутри аппарата высокого давления. В процессе обработки аппарат высокого давления обеспечивает конструктивную поддержку для высоких давлений, прикладываемых к контейнеру или капсуле с размещенными в них материалами. Контейнер, вкладыш или капсула обеспечивает замкнутое/герметизированное окружение, которое химически инертно и непроницаемо для растворителей и газов, которые могут образовываться в ходе процесса. При некоторых применениях, таких как выращивание кристаллов, сосуд высокого давления или капсула также включает в себя перегородку, которая разделяет их внутреннее пространство на разные камеры, например, на верхнюю половину и нижнюю половину. Перегородка обычно имеет множество отверстий, расположенных случайным или упорядоченным образом, для обеспечения возможности протекания текучей среды и тепло- и массопереноса между этими разными камерами, в которых удерживаются разные обрабатываемые материалы вместе со сверхкритической текучей средой. Например, в типичных применениях для выращивания кристаллов одна половина капсулы содержит затравочные кристаллы, а другая половина содержит подпитывающий материал. В дополнение к обрабатываемым материалам капсула содержит твердое тело или жидкость, которое(ая) образует сверхкритическую текучую среду при повышенных температурах и давлениях, и обычно также минерализатор для увеличения растворимости материалов, обрабатываемых в этой сверхкритической текучей среде. В других применениях, например, для синтеза цеолитов или наночастиц или для обработки керамики, перегородка может не использоваться для работы. Во время работы капсулу нагревают и создают к ней давление вплоть до критической точки или выше ее, посредством чего заставляют твердое тело и/или жидкость превращаться в сверхкритическую текучую среду.
Технологические ограничения для обычных стальных сосудов высокого давления с горячей стенкой (например, автоклавов) типично соответствуют максимальной температуре примерно 400 градусов Цельсия и максимальному давлению 0,2 гигапаскаля (ГПа). Изготовление сосудов высокого давления из жаропрочных суперсплавов на основе никеля обеспечивает эксплуатацию при максимальной температуре примерно 550 градусов Цельсия и максимальном давлении примерно 0,5 ГПа. Поэтому эти сосуды высокого давления с горячей стенкой не подходят для некоторых процессов, таких как выращивание кристаллов нитрида галлия в сверхкритическом аммиаке, которые требуют давлений и температур, существенно превышающих указанные значения, для достижения скоростей выращивания выше примерно 2-3 микрон в час.
Кроме того, существующие сосуды высокого давления с холодной стенкой, например, в прессах для горячего изостатического прессования (ГИП), не могут адекватно учитывать разности давлений между внутренним пространством капсулы и аппарата высокого давления, окружающего капсулу с ее внешней стороны. Например, во время выращивания кристаллов капсула внутри такого аппарата высокого давления имеет тенденцию деформироваться вследствие разности давления со стороны внутренней поверхности и внешней поверхности капсулы. Кроме того, перегородки, существующие внутри капсулы или сосуда высокого давления, имеют расположенные случайным образом отверстия, которые не распределяют надлежащим образом тепло и вещества, циркулирующие внутри капсулы.
Соответственно, имеется потребность в технологии обработки материалов сверхкритическими текучими средами при относительно более высоких температурах и давлениях по сравнению с существующими системами. Также имеется потребность в контроле и регулировании окружения внутри капсулы для содействия равномерному росту кристаллов. Существует еще одна потребность в контроле и регулировании разностей давлений на стенки капсулы для уменьшения деформаций капсулы. Также имеется потребность в улучшенной перегородке для обеспечения желательного распределения тепла и профиля потоков внутри капсулы и, тем самым, обеспечения равномерного роста кристаллов.
Краткое описание
В соответствии с одним из вариантов воплощения предложенной технологии раскрыты аппарат и способ выращивания кристаллов. Некоторые варианты воплощения аппарата имеют капсулу, выполненную с возможностью содержать сверхкритическую текучую среду, а сосуд высокого давления выполнен с возможностью содержать сжатый газ, окружающий такую капсулу. Аппарат также включает в себя устройство регулирования давления, выполненное с возможностью уравновешивать внутреннее давление внутри капсулы и окружающее давление сжатого газа внутри сосуда высокого давления в ответ на измеренные условия окружающей среды внутри капсулы или сосуда высокого давления.
В соответствии с другим вариантом воплощения предложенной технологии раскрыт способ эксплуатации аппарата. Некоторые варианты воплощения аппарата включают в себя определение разности между внутренним давлением внутри капсулы со сверхкритической текучей средой и окружающим давлением между сосудом высокого давления и капсулой со сверхкритической текучей средой. Способ также включает в себя регулирование внутреннего давления или окружающего давления для по существу уравновешивания разности между внутренним давлением и окружающим давлением.
Чертежи
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными при изучении представленного ниже подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых сходные обозначения соответствуют сходным деталям для всех чертежей, при этом:
Фиг.1 иллюстрирует схематический вид сбоку системы, имеющей регуляторы температуры и давления, связанные с аппаратом, имеющим размещенную в сосуде высокого давления капсулу, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.2 иллюстрирует схематический вид сбоку системы, имеющей регулятор температуры, связанный с аппаратом, имеющим размещенную в высокопрочной оболочке капсулу, в соответствии с другим вариантом воплощения предложенной технологии;
Фиг.3 иллюстрирует схематический вид сверху аппарата, имеющего капсулу, размещенную в другой, отличающейся высокопрочной оболочке, в соответствии с еще одним вариантом воплощения предложенной технологии;
Фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ изготовления системы по фиг.1 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ изготовления системы по фиг.2 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ изготовления аппарата по фиг.3 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ эксплуатации системы по фиг.1 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.8 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ эксплуатации системы по фиг.2 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.9 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ эксплуатации систем и аппарата по фиг.1, 2, 3 и фиг.10-13 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.10 иллюстрирует аксонометрическое изображение перегородки, расположенной внутри капсулы по фиг.1-3, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.11 иллюстрирует аксонометрическое изображение нескольких перегородок, расположенных внутри капсулы по фиг.1-3, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии;
Фиг.12 иллюстрирует вид сверху перегородки по фиг.10, имеющей множество концентрических кольцеобразных отверстий, расположенных вокруг центрального отверстия, в соответствии с другим примерным вариантом воплощения предложенной технологии;
Фиг.13 иллюстрирует профиль направленных потоков текучей среды внутри капсулы по фиг.1-3 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии и
Фиг.14 иллюстрирует графическое представление градиента температуры внутри капсулы по фиг.1-3 в зависимости от процентной доли площади пропускного сечения перегородки, такой как показанная на фиг.10, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии.
Подробное описание
Обращаясь теперь к чертежам, фиг.1 иллюстрирует схематический вид сбоку системы 10, имеющей контейнер или капсулу 12, размещенный(ую) в аппарате 14 в соответствии с некоторыми вариантами воплощения предложенной технологии. Капсула 12 является химически инертной и непроницаемой для одного материала, растворителя и сверхкритической текучей среды, образованной этим растворителем. Капсула 12 сформирована из деформируемого материала, чтобы сделать возможным расширение капсулы 12 при увеличении давления внутри капсулы 12. Это предохраняет капсулу 12 от разрыва. В одном варианте воплощения деформируемый материал может содержать по меньшей мере один компонент из меди, сплава на основе меди, золота, серебра, палладия, платины, иридия, рутения, родия, осмия, титана, ванадия, хрома, железа, сплава на основе железа, никеля, сплава на основе никеля, циркония, ниобия, молибдена, тантала, вольфрама, рения, их комбинаций и т.п. В другом варианте воплощения капсула 12 сформирована из свариваемого в холодном состоянии материала, такого как, но не ограничиваясь ими, по меньшей мере одно из меди, сплава на основе меди, золота, серебра, палладия, платины, иридия, рутения, родия, осмия, железа, сплава на основе железа, никеля, сплава на основе никеля, молибдена и их комбинаций. Сплавы на основе железа, которые могут быть использованы для формирования капсулы 12, включают, но не ограничиваются ими, нержавеющие стали. Сплавы на основе никеля, которые могут быть использованы для формирования капсулы 12, включают, но не ограничиваются ими, инконель, хастеллой и т.п. В одном варианте воплощения капсулу закрывают, герметизируют и по существу освобождают от воздуха перед размещением в аппарате высокого давления. В проиллюстрированном варианте воплощения капсула не содержит подвижного плунжера, поскольку трудно поддерживать химически инертное воздухонепроницаемое уплотнение. Вместо этого капсула имеет относительно фиксированную внешнюю оболочку, такую, что капсула изменяет свою геометрическую форму посредством расширения и сжатия (например, деформирования) во время конкретного процесса с использованием сверхкритической текучей среды. В одном варианте воплощения предложенной технологии капсула имеет закрытый конец, по меньшей мере одну стенку, примыкающую к закрытому концу и простирающуюся от него, и воздухонепроницаемый герметизированный конец, примыкающий к упомянутой по меньшей мере одной стенке и противоположный закрытому концу. Герметизированный конец формируют после введения материала в по меньшей мере одну камеру, вакуумирования этой камеры и введения растворителя в по меньшей мере одну камеру без существенного воздействия воздуха. Затем герметизированный конец может быть снабжен дополнительным внешним уплотнением холодной сваркой, дуговой сваркой или т.п. После уплотнения камера внутри капсулы по существу не содержит воздуха, и содержащийся в ней материал может быть обработан при пониженном риске загрязнения.
Как рассмотрено более подробно ниже, система 10 имеет целый ряд особенностей для улучшения обработки веществ в условиях критической точки или выше ее. Например, система 10 выполнена с возможностью регулировать температуру и давление более равномерным образом, в результате чего существенно улучшаются условия обработки материалов внутри капсулы 12 и снижаются напряжения в стенках капсулы 12. Кроме того, система 10 выполнена с возможностью улучшить распределение тепла и потоков в разных областях капсулы 12, в результате чего дополнительно улучшаются условия обработки материалов внутри капсулы 12.
Как показано на фиг.1, аппарат 14 содержит высокопрочную оболочку/высокопрочный аппарат 16, такую(ой) как сосуд высокого давления или выдерживающая внешнее давление конструкция, расположенная(ый) вокруг капсулы 12 таким образом, что эта высокопрочная оболочка 16 обеспечивает по существу закрытое/герметизированное окружение 18 вокруг капсулы 12. Капсула 12 имеет закрытый конец, стенку, примыкающую к закрытому концу и простирающуюся от него, и герметизированный конец, противоположный закрытому концу. Закрытый конец и герметизированный конец образуют закрытую камеру внутри капсулы 12, предназначенную для содержания по меньшей мере одного материала и растворителя, который образует сверхкритическую текучую среду при высоком давлении и высокой температуре.
Хотя высокопрочная оболочка 16 может иметь самые различные конструкции, показанная высокопрочная оболочка 16 включает в себя крышку или верхнюю часть 20, соединенную съемным образом с чашеобразной остальной частью 22. Высокопрочная оболочка 16 изготовлена из высокопрочного материала, такого как сталь SA723 или другая высокопрочная сталь, чтобы выдерживать высокие давления (например, от 15000 фунтов на квадратный дюйм (фунтов/кв. дюйм) до примерно 150000 фунтов/кв. дюйм) внутри закрытого/герметизированного окружения 18. Аппарат 14 также содержит множество нагревательных элементов 24, расположенных вокруг периметра капсулы 12, так что температура капсулы 12 может повышаться или понижаться равномерным образом. В некоторых вариантах воплощения это множество нагревательных элементов 24 включает в себя по меньшей мере одну трубку, фольгу, ленту, стержень, проволоку или их комбинации, нагреваемые резистивным образом. Проиллюстрированный вариант воплощения также включает в себя теплоизоляцию 26, расположенную вокруг множества нагревательных элементов 24 внутри высокопрочной оболочки 16, так что тепло, выделяемое нагревательными элементами 24, удерживается (т.е. с малыми потерями тепла) внутри закрытого/герметизированного окружения 18 и капсулы 12. Функцией этой теплоизоляции 26 также является снижение теплопередачи от нагревательных элементов 24 к окружающей высокопрочной оболочке 16, посредством чего обеспечивается то, что рабочая температура высокопрочной оболочки 16 находится в пределах желательного рабочего диапазона. Аппарат 14 может необязательно содержать систему охлаждения, например, рециркуляционную систему с содержащимися в ней водой, раствором вода/антифриз, маслом и т.п. Эта система охлаждения способствует поддержанию высокопрочной оболочки 16 при температуре, при которой ее прочность и сопротивление ползучести остаются высокими. Охлаждение может альтернативно быть обеспечено пассивной или принудительной конвекцией воздуха на внешней поверхности высокопрочной оболочки.
Расположенная внутри пространства с регулируемыми температурой и давлением высокопрочной оболочки 16 по фиг.1 капсула 12 содержит вещества, такие как материал и растворитель, по меньшей мере один из которых становится сверхкритическим при высоких температурах и высоких давлениях внутри капсулы 12. В некоторых случаях варианты воплощения раскрытых аппарата и способов могут быть применены для выращивания кристаллов или обработки материала в текучей среде, которая является перегретой, т.е. нагретой до температуры выше температуры ее кипения при атмосферном давлении, однако необязательно находящейся в сверхкритическом состоянии. Следует понимать, что термин «сверхкритическая» может быть использован взаимозаменяемым образом с термином «перегретая» для целей установления диапазона применения вариантов воплощения данного изобретения. Капсула 12 может быть использована для обработки разных материалов, включая высококачественные монокристаллы нитрида галлия или кристаллы кварца. В некоторых вариантах воплощения капсула 12 включает в себя по меньшей мере одну разделительную конструкцию 28, такую как перегородка, которая разделяет капсулу 12 на несколько отдельных камер, таких как первая камера 30 (например, подпитывающая камера) и вторая камера 32 (например, камера затравки/роста кристаллов). Подпитывающая камера содержит по меньшей мере один материал для обработки упомянутого по меньшей мере одного материала при сверхкритической температуре. Камера затравки/роста кристаллов или вторая камера 32 может быть расположена в верхней или нижней области капсулы 12 в зависимости от конкретного процесса с использованием сверхкритической текучей среды, например, от химического состава и химии роста кристаллов и от того, увеличивается или уменьшается растворимость обрабатываемого материала с температурой. Конфигурация, показанная на фиг.1, подходит для случая, когда растворимость перекристаллизуемого материала является убывающей функцией температуры. Для случая, когда растворимость является возрастающей функцией температуры, подпитывающая камера может быть размещена ниже камеры затравки/роста кристаллов. Хотя это и не показано на фиг.1, перегородка 28 имеет множество проходов для того, чтобы содействовать протеканию текучей среды, теплопередаче и массопередаче между несколькими отдельными камерами, например, первой камерой 30 и второй камерой 32. Примерные варианты воплощения перегородки 28 описаны более подробно ниже со ссылками на фиг.10-15. Первоначально один или более подпитывающих материалов, таких как кристаллы или поликристаллические частицы или подпитывающие частицы 34, размещают в первой камере 30, а один или более затравочных материалов, таких как затравочные кристаллы 36, размещают во второй камере 32. В примерном процессе выращивания кристаллов, после того как внутреннее окружение внутри капсулы 12 становится сверхкритическим, растворенное вещество от подпитывающих частиц 34 циркулирует к затравочным кристаллам 36, тем самым содействуя росту кристаллов на затравках 36 внутри второй камеры 32. Перегородка 28 выполнена с возможностью разграничивать или разделять подпитывающий и/или затравочные материалы в отдельных областях капсулы 12, одновременно позволяя сверхкритической текучей среде вместе с растворенным веществом перемещаться по всей капсуле 12 посредством свободного прохождения через проходы в перегородке 28. Детали проведения такого процесса будут разъяснены в других разделах ниже.
Обращаясь теперь к особенностям регулирования системы 10 по фиг.1, тепло и давление, создаваемые внутри капсулы 12, регулируют для обеспечения желательного распределения температуры внутри капсулы 12 и для обеспечения относительно равномерных давлений между внутренностью капсулы 12 и внешним окружением капсулы 12 (т.е. в закрытом/герметизированном окружении 18). В некоторых вариантах воплощения давление внутри капсулы 12 создается самопроизвольным образом вследствие нагревания или химических реакций, например, в соответствии с уравнением состояния аммиака или воды для случая выращивания кристаллов нитрида галлия или кварца соответственно. Например, нагревательные элементы 24 выполняют функцию повышения температуры внутри капсулы 12, тем самым заставляя вещества, находящиеся внутри капсулы 12, расширяться и, соответственно, увеличивать давление внутри капсулы 12.
Для противодействия этому внутреннему давлению внутри капсулы 12 напорный усилитель 38 давления газа закачивает газ под высоким давлением, такой как аргон или другой инертный газ, через трубопровод 40 в высокопрочную оболочку 16 для повышения давления в закрытом/герметизированном окружении 18, окружающем капсулу 12. В проиллюстрированном варианте воплощения аппарат 14 по фиг.1 также содержит один или более датчиков, таких как датчики 41, 42 и 43 давления или смещения, которые выполнены с возможностью воспринимать (измерять) разность давлений с внутренней и с внешней стороны капсулы 12. Например, датчики 42 и 43 давления могут быть использованы для измерения внешнего и внутреннего давлений, которые затем используют для расчета разности давлений. В другом примере может быть использован один датчик 41 смещения для расчета деформации капсулы 12, и величина этой деформации может быть использована для расчета разности давлений. В другом варианте воплощения используется датчик 43 давления для измерения внутреннего давления, которое затем сравнивается с внешним или окружающим давлением, измеренным датчиком 42 внешнего давления. Как проиллюстрировано, датчик 43 давления размещен в углублении капсулы 12, которую затем герметизируют поверх углубления. Варианты воплощения этого датчика 43 давления включают в себя термотройку. Термотройка содержит по меньшей мере два спая термопар обычно с тремя или четырьмя проволоками. Каждый из этих двух спаев создает электрический сигнал, который зависит как от разности температур, так и от разности давлений между измерительным спаем и свободным (холодным) спаем. В первом приближении коэффициент давления каждого спая пропорционален разности в сжимаемости между двумя металлами, составляющими данный спай. Два спая подобраны таким образом, чтобы иметь разные коэффициенты давления, так что могут быть определены как температура, так и давление. Например, термопары типа K (хромель/алюмель) обладают очень малым коэффициентом давления, в то время как термопары типа S (платина/платина с 10% родия) имеют коэффициент давления, который является более высоким по величине, а величина коэффициента давления термопар платина с 10% родия/железо еще больше.
Аппарат 10 также включает в себя устройство 44 регулирования давления, выполненное с возможностью корректировать (т.е. уменьшать, минимизировать или устранять) разность давлений между капсулой 12 и закрытым/герметизированным окружением 18 в ответ на разность давлений, измеренную одним или более датчиками 41, 42 и/или 43. Обычно давление находится в интервале от примерно 1000 бар до примерно 10000 бар, а температура находится в интервале от примерно 300 градусов Цельсия до примерно 1200 градусов Цельсия. В других вариантах воплощения предложенной технологии давление находится в интервале свыше 10000 бар, а температура находится в интервале свыше 1500 градусов Цельсия. Устройство 44 регулирования давления выполнено с возможностью уравновешивать внутреннее давление внутри капсулы 12 с внешним или окружающим давлением сжатого газа внутри сосуда высокого давления в ответ на измеренные условия окружающей среды внутри капсулы или сосуда высокого давления. Как рассмотрено выше, эти измеренные условия окружающей среды могут включать внутреннее давление, внешнее давление, деформацию капсулы 12, температуру внутри и/или снаружи капсулы и различные их комбинации.
В одном варианте воплощения иллюстрируемой технологии датчик 41 содержит устройство измерения смещения, такое как емкостной преобразователь смещения, выполненный с возможностью измерять смещение или деформацию капсулы 12 вследствие расширения или сжатия капсулы 12 из-за разности давлений с внешней и с внутренней сторон капсулы 12. В другом варианте воплощения по меньшей мере один из датчиков 42 содержит тензодатчик и выполнен с возможностью измерять смещение или деформацию капсулы 12 вследствие расширения или сжатия капсулы 12, расширение или сжатие которой обусловлено разностью давлений с внешней и с внутренней сторон капсулы 12. В ответ на измеренное смещение капсулы 12 устройство 44 регулирования давления корректирует внутреннее давление внутри капсулы 12 и/или окружающее давление в закрытом/герметизированном окружении 18 посредством напорного усилителя 38 давления газа для уравновешивания этих внутреннего и окружающего давлений, в результате чего по существу устраняется разность давлений и предотвращается дальнейшее смещение капсулы 12. В другом варианте воплощения по меньшей мере один из датчиков 42 давления содержит устройство измерения давления, такое как манометр Бурдона, которое измеряет окружающее давление в закрытом/герметизированном окружении 18, окружающем капсулу 12. При функционировании устройство 44 регулирования давления сравнивает это окружающее давление с внутренним давлением внутри капсулы 12 и затем корректирует либо окружающее давление через напорный усилитель 38 давления газа, либо внутреннее давление. Однако в объем предложенной технологии входит широкая номенклатура датчиков. Устройство 44 регулирования давления может содержать программное обеспечение, аппаратное обеспечение или подходящие устройства для контроля разностей давлений и управления напорным усилителем 38 давления газа таким образом, чтобы окружающее давление в закрытом/герметизированном окружении 18 было по существу равно давлению внутри капсулы 12. Таким образом, капсула 12 может выдерживать сравнительно более высокие внутренние давления, что содействует обработке материалов сверхкритическими текучими средами. В альтернативных вариантах воплощения разность давлений может быть по существу устранена или сведена к минимуму одновременным регулированием температуры и давления внутри капсулы 12.
Что касается регулирования температуры в системе 10 по фиг.1, то показанный аппарат 14 также включает в себя множество датчиков 45 температуры, расположенных рядом с, а предпочтительно - в непосредственном соприкосновении с капсулой 12, для контроля за распределением температуры капсулы 12. Кроме того, эти датчики 45 температуры могут быть расположены как внутри, так и снаружи капсулы 12 для содействия регулированию внутренних и внешних/окружающих условий (например, температуры, давления и т.п.) капсулы 12. Датчики 45 температуры могут включать термопару, термистор, оптическое волокно, связанное с оптическим пирометром, или любую их комбинацию. Эти датчики 45 температуры связаны с устройством 46 регулирования температуры, которое контролирует и регулирует распределение температуры капсулы 12. В некоторых вариантах воплощения устройство 46 регулирования температуры и устройство 44 регулирования давления действуют совместно для обеспечения желательных температуры и давления внутри капсулы 12 (и необязательно окружения капсулы 12), при этом гарантируя, что разности давлений между внутренним пространством и внешним окружением капсулы 12 по существу минимизируются. Кроме того, датчики температуры могут быть размещены во множестве разных зон, таких как горячие зоны, вокруг внешней поверхности капсулы 12, таким образом, что устройство 46 регулирования температуры может контролировать и корректировать изменения температуры между этими разными зонами. Например, устройство 46 регулирования температуры может независимым образом управлять разными элементами или участками нагревательных элементов 24 в ответ на температуры, измеренные в разных зонах, окружающих капсулу 12, тем самым способствуя достижению сбалансированного или желательного профиля температуры внутри капсулы 12. В одном варианте воплощения предложенной технологии центральный контроллер, компьютер, схема управления или система 47 управления могут связывать устройство 44 регулирования давления и устройство 46 регулирования температуры, что обеспечивает одновременное или централизованное регулирование связанных с капсулой 12 температуры и давления.
При функционировании системы 10 по фиг.1 устройство 46 регулирования температуры регулирует электропитание, подаваемое на один или более нагревательных элементов 24, для обеспечения желательного профиля температуры внутри капсулы 12 через желательный период времени. Другими словами, устройство 46 регулирования температуры может содействовать увеличению, уменьшению и поддержанию постоянными температур во всех различных областях или зонах внутри капсулы 12. Тем самым, внутреннее пространство капсулы 12 может иметь температуры, которые являются по существу постоянными или изменяющимися по времени или месту, т.е. в направлениях X, Y и Z.
Например, в условиях высокой температуры температуру регулируют таким образом, что устанавливается температурный градиент между подпитывающей камерой или первой камерой 30 и камерой затравки/роста кристаллов или второй камерой 32. Температурный градиент между этими двумя камерами 30 и 32 устанавливает режим естественной конвекции потока текучей среды. В относительно более холодной первой камере 30 подпитывающие частицы 34 частично растворяются с образованием раствора с желательной концентрацией кристаллического предшественника. Относительно более холодная и более плотная текучая среда из камеры 30 опускается через отверстия перегородки 28. Во второй камере 32 более высокая температура приводит к пересыщению раствора кристаллического предшественника, что заставляет кристаллический предшественник осаждаться на затравочных кристаллах 36, расположенных во второй камере 32. Более теплая и менее плотная текучая среда из второй камеры 32 поднимается в первую камеру 30, и данный цикл повторяется. Температурный градиент между второй камерой 32 и первой камерой 30 в значительной степени управляет скоростью роста кристаллов 36. Соответственно, устройство 46 регулирования температуры, нагревательные элементы 24 и перегородка 28 в значительной степени влияют на рост кристаллов в капсуле 12 посредством регулирования расхода текучей среды и теплопередачи между двумя камерами.
При этих технологических условиях давление во внутреннем пространстве капсулы 12 достигает повышенного значения, когда его температура повышается до заданной величины посредством подачи электропитания на нагревательные элементы 24. Если точно известно уравнение состояния материала в капсуле 12, т.е. давление как функция температуры и коэффициента заполнения, то давление в высокопрочной оболочке 16 может линейно изменяться вместе с повышением температуры, так что давление газа в закрытом/герметизированном окружении 18 будет приблизительно равно давлению во внутреннем пространстве капсулы 12. Если это состояние не поддерживается, то капсула 12 будет разрушена сдавливанием или будет разорвана в зависимости от того, превышает ли внешнее давление внутреннее давление или наоборот. Кроме того, устройство 44 регулирования давления гарантирует, что давления внутри и снаружи капсулы 12 по существу уравновешиваются во время конкретного процесса, что предотвращает нежелательные деформации капсулы 12 и облегчает достижение для отдельных процессов гораздо более высоких пределов давления.
Для некоторых видов обработки сверхкритической текучей средой при высоком давлении и высокой температуре желательно наличие температурного градиента между двумя камерами капсулы 12. Например, выращивание кристаллов находится среди тех видов применения, в которых иногда желателен температурный градиент. В некоторых применениях для выращивания кристаллов давление паров растворителя повышается по мере того, как капсула 12 нагревается. Давление паров растворителя при данной температуре и количество растворителя, находящегося внутри капсулы 12, могут быть определены из фазовой диаграммы растворителя. При достаточно высоких температуре и давлении растворитель образует сверхкритическую текучую среду. Как разъяснено выше, при увеличении внутреннего давления в капсуле 12 стенки капсулы 12 могут деформироваться наружу.
Чтобы защитить капсулу 12 от разрыва вследствие чрезмерно высокого давления, устройство 44 регулирования давления функционирует таким образом, что корректирует давление в закрытом/герметизированном окружении 18. Например, деформация капсулы 12 может быть измерена датчиком 41, который выдает сигнал 48, поступающий в устройство 44 регулирования давления. В некоторых вариантах воплощения датчики 42 и 43 внутри и снаружи капсулы 12 измеряют внутреннее и внешнее давления, которые затем используются для определения разности давлений между внутренней и внешней сторонами. В свою очередь, устройство 44 регулирования давления выдает сигналы 50, поступающие в напорный усилитель 38 давления газа, на регулирование потока газа в капсулу 12 и защиты тем самым капсулы 12 от разрыва. Другими словами, если давление во внутреннем пространстве начинает превышать внешнее давление, вызывая деформацию капсулы 12 наружу, то один или более датчиков 41, 42 и/или 43 указывают на разность внутреннего и внешнего давлений (или физическое смещение/деформацию), что инициирует корректировку давления устройством 44 регулирования давления. Например, один или более датчиков 41, 42 и/или 43 могут выдавать сигнал 48 устройству 44 регулирования давления, которое приводит в действие напорный усилитель 38 давления газа для повышения внешнего давления газа с тем, чтобы минимизировать или устранить разность внутреннего и внешнего давлений. Напротив, если внешнее давление начинает превышать внутреннее давление, вызывая деформацию капсулы 12 внутрь, то один или более датчиков 41, 42 и/или 43 выдают сигнал 48 устройству 44 регулирования давления, которое уменьшает внешнее давление газа с тем, чтобы минимизировать или устранить разность внутреннего и внешнего давлений. Например, система 10 может уменьшить накачку напорным усилителем 38 давления газа или открыть клапан (не показан) для некоторого снижения давления.
Обращаясь теперь к фиг.2, эта фигура иллюстрирует схематический вид сбоку аппарата, имеющего капсулу 12, размещенную в другой высокопрочной оболочке 52, в соответствии с другим вариантом воплощения предложенной технологии. Следует, однако, заметить, что высокопрочная оболочка может также называться высокопрочным аппаратом или высокопрочной оболочкой. Показанная высокопрочная оболочка 52 включает в себя высокопрочный внешний корпус 54, содержащий высокопрочную гильзу 56, и высокопрочные фланцы 58, соединенные с противоположными концами корпуса 54 болтами 60. Высокопрочная гильза 56 и высокопрочные фланцы 58 могут быть изготовлены из стали SA723 или другой высокопрочной стали.
Внутри внешнего корпуса 54 высокопрочная оболочка 52 также включает в себя охлаждающую рубашку 62 (например, из молибденовой дисперсионно-твердеющей стали 13-8), имеющую один или более проточных каналов 64 для циркуляции желательного теплоносителя, такого как вода, масло, раствор антифриза и т.п. В одном варианте воплощения предложенной технологии охлаждающая рубашка 62 отсутствует, и охлаждение обеспечивается посредством рециркуляционного охлаждения внешней поверхности высокопрочного корпуса 54 или посредством пассивного или активного конвекционного воздушного охлаждения.
Внутри охлаждающей рубашки 62 высокопрочная оболочка 52 также включает в себя высокотемпературный вкладыш 66, например, из жаропрочного суперсплава на основе никеля, такого как Rene 41 или Rene 88, или других подходящих материалов, обладающих высокой прочностью и способных выдерживать высокие температуры. Соответственно, данный высокотемпературный вкладыш 66 обладает достаточно высокими жаропрочностью и сопротивлением ползучести, чтобы поддерживать нагрузку при высоких температурах в течение желательного промежутка времени, например, более 20000 часов.
Внутри высокотемпературного вкладыша 66 высокопрочная оболочка 52 включает в себя теплоизоляцию 68, размещенную вокруг множества нагревательных элементов 70, которые, в свою очередь, заделаны в матрицу 71 нагревателя и расположены вокруг капсулы 12. Нагревательные элементы 70 заделаны в матрицу 71 нагревателя так, что имеется опора для нагревательных элементов 70, что не позволяет капсуле заполнить зазоры между нагревательными элементами 70. Теплоизоляция 68 предпочтительно имеет сравнительно низкую теплопроводность. Примерные материалы теплоизоляции включают диоксид циркония, галогениды щелочных металлов, галогениды щелочноземельных металлов, галогениды металлов, оксиды металлов или карбонаты металлов, тальк, оливин и пирофиллит. В одном варианте воплощения теплоизоляция 68 не является газонепроницаемой, и не предусмотрено газонепроницаемого уплотнения между внешним корпусом 54 и фланцами 58. Вследствие этого утечки в капсуле 12 могут обнаруживаться с внешней стороны, и давление газа в пространстве между капсулой 12 и высокопрочной оболочкой 52 составляет менее 50%, а предпочтительно - менее 20%, от давления внутри капсулы 12. Предотвращение чрезмерного расширения и разрыва капсулы при этом обеспечивается соприкосновением с нагревательным устройством и окружающей высокопрочной оболочкой, а не внешним давлением газа. Матрица 71 нагревателя предпочтительно имеет сравнительно высокую теплопроводность и низкий коэффициент термического расширения и изготовлена окружающей элементы 70 нагревателя с минимальным мертвым пространством. Примерные материалы матрицы 71 нагревателя включают в себя инконель и нержавеющую сталь 410. Следует заметить, что, хотя в предложенной технологии описывается единственная система охлаждения как для охлаждения высокопрочных фланцев 58, так и для высокотемпературных гильз 56, для охлаждения высокопрочных фланцев 58 и высокопрочных гильз 56 могут быть также реализованы отдельные системы охлаждения.
Совместно указанные выше конструктивные элементы высокопрочной оболочки 52 по фиг.2 управляют нагреванием и давлением для улучшения обработки материалов внутри капсулы 12. Например, нагревательные элементы 70 соединены с системой 72 регулирования температуры, которая реагирует на температурную обратную связь от одного или более датчиков (не показаны), размещенных вокруг капсулы 12. Соответственно, система 72 регулирования температуры управляет профилем температуры внутри капсулы 12 и опосредованно давлением внутри капсулы 12 на основании соотношения между температурой и давлением. Теплоизоляция 68 существенно уменьшает потери тепла или теплопередачу от нагревательных элементов 70 наружу в окружающие конструкции высокопрочной оболочки 52.
Конструкционная опора обеспечивается высокотемпературным вкладышем 66 и концентрическим внешним корпусом 54, которые имеют в проиллюстрированном варианте воплощения в целом замкнуто-цилиндрическую геометрическую форму. Эти конструкционные опоры противодействуют способности капсулы 12 к расширению, обусловленному относительно высоким внутренним давлением во время конкретного процесса. Другими словами, если капсула 12 начинает расширяться под действием давления, то капсула 12 приходит в соприкосновение с окружающими конструктивными элементами и перекладывает свою нагрузку на высокотемпературный вкладыш 66 и внешний корпус 54. В проиллюстрированном варианте воплощения эти окружающие конструктивные элементы расположены концентрически вокруг капсулы 12 в непосредственной близости к или в соприкосновении с ней. В результате давления с внутренней и с внешней стороны капсулы 12 уравновешиваются окружающими конструктивными элементами, в частности, вкладышем 66 и корпусом 54. Соответственно, эти окружающие конструктивные элементы высокопрочной оболочки 52 существенно ограничивают деформацию капсулы 12 наружу.
Кроме того, проточные каналы 64 в охлаждающей рубашке 62, размещенной между этими концентричными высокопрочными конструктивными опорами, например, внешним корпусом 54 и вкладышем 66, увеличивают рабочий интервал этих конструктивных опор посредством снижения их соответствующих температур. В некоторых вариантах воплощения эти проточные каналы 64 включают в себя расположенные по спирали каналы, кольцеобразные каналы, осевые каналы, каналы в виде обмотки или зигзагообразные каналы, расположенные вокруг периферии охлаждающей рубашки 62. В свою очередь, эти проточные каналы 64 могут быть соединены с системой 74 теплоносителя, которая обеспечивает циркуляцию желательного теплоносителя через проточные каналы 64 и внешнюю систему 74 теплоносителя.
Фиг.3 иллюстрирует схематический вид сверху аппарата, имеющего капсулу, размещенную в другой, отличающейся высокопрочной оболочке 76, в соответствии с другим вариантом воплощения предложенной технологии. Проиллюстрированный вариант воплощения включает высокопрочный внешний корпус 78, расположенный вокруг множества высокопрочных радиальных сегментов 80. В проиллюстрированном варианте воплощения высокопрочный внешний корпус 78 имеет замкнуто-цилиндрическую форму с по меньшей мере одной съемной концевой крышкой или фланцем для обеспечения возможности установки и удаления внутренних конструктивных элементов. В свою очередь, высокопрочные радиальные сегменты 80 содержат клиновидные конструкции, которые расположены бок о бок с образованием цилиндрической конструкции, которая находится концентрически внутри внешнего корпуса 78. Кроме того, внутри высокопрочной оболочки 76 вокруг капсулы 12 расположено множество нагревательных элементов 82 таким образом, что система регулирования температуры (не показана) может нагревать капсулу 12 и ее содержимое. Более того, как показано на фиг.2, множество нагревательных элементов 82 может быть заделано в матрицу 77 нагревателя в пространство между капсулой 12 и радиальными сегментами 80 таким образом, что имеется опора для нагревательных элементов 82, что не позволяет капсуле заполнять зазоры между нагревательными элементами 82. В некоторых вариантах воплощения высокопрочная оболочка 76 также может включать в себя теплоизоляцию, охлаждающие каналы, высокотемпературные вкладыши и другие особенности, такие как те, которые показаны на фиг.1 и 2. При определенной реализации предложенной технологии охлаждающие каналы могут быть расположены вокруг высокопрочного внешнего корпуса. Кроме того, различные особенности из вариантов воплощения по фиг.1, 2 и 3 могут быть скомбинированы в других вариантах воплощения предложенной технологии.
В варианте воплощения по фиг.3 высокопрочный внешний корпус 78 и радиальные сегменты 80 совместно противостоят и противодействуют давлениям, создаваемым внутри капсулы 12 во время конкретного процесса. Например, радиальные сегменты 80 содержат твердый материал, который подвергается малой деформации или совсем не деформируется при рабочих условиях. Сегменты 80 могут содержать керамику, такую как оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния, диоксид циркония или т.п. Сегменты 80 могут в качестве альтернативы содержать огнеупорный металл, такой как вольфрам, молибден или TZM-сплав (сплав тантала, циркония и молибдена), или металлокерамику, такую как сцементированный кобальтом карбид вольфрама. Материал и клиновидная геометрическая форма радиальных сегментов 80 предназначены для того, чтобы уменьшить давление, передаваемое от капсулы 12 внешнему корпусу 78. Другими словами, клиновидные радиальные сегменты 80 распределяют нагрузку, прикладываемую капсулой 12 на площадь по внутреннему диаметру 84 сегментов 80, на бóльшую площадь 86 по внутреннему диаметру внешнего корпуса 78, так что внешний корпус 78 подвергается сравнительно меньшему давлению на поверхности раздела 86 между радиальными сегментами 80 и внешним корпусом 78. По этой причине радиальные сегменты 80 действуют совместно с внешним корпусом 78, чтобы противостоять давлению внутри капсулы 12, тем самым уравновешивая силы внутри и снаружи капсулы 12. В результате оболочка 76 высокого давления по фиг.3 способна выдерживать относительно более высокие внутренние давления и, соответственно, более широкий интервал условий обработки сверхкритической текучей средой.
В одном варианте воплощения капсула содержит внешний вкладыш или гильзу. Гильза предпочтительно имеет более высокий коэффициент термического расширения, чем основная часть капсулы или матрица нагревателя. Поэтому при охлаждении от температуры выращивания кристаллов или обработки материала гильза будет сжимать капсулу в большей степени, чем сжимается матрица нагревателя, вследствие чего открывается зазор между внешней окружной поверхностью гильзы и внутренней окружной поверхностью матрицы нагревателя и облегчается удаление сборного узла капсула/гильза после эксплуатации.
В описанных выше вариантах воплощения использована вертикальная конфигурация капсулы и высокопрочной оболочки. В других вариантах воплощения конфигурация является горизонтальной. Например, вместо того, чтобы первая камера 30 находилась над второй камерой 32, они могут быть размещены бок о бок. Чтобы содействовать конвективному перемещению текучей среды между первой камерой 30 и второй камерой 32, в этой конфигурации может быть предусмотрен механизм для придания качания высокопрочной оболочке 52, как хорошо известно в данной области техники.
Фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 90 изготовления системы по фиг.1 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Как проиллюстрировано, способ 90 включает в себя обеспечение капсулы, выполненной с возможностью содержать сверхкритическую текучую среду (этап 92). Например, способ 90 может предусматривать капсулу, имеющую одну или более особенностей капсулы 12 по фиг.1-3 и/или перегородок, показанных на фиг.10-13, как это рассмотрено подробно ниже. В некоторых вариантах воплощения способ 90 может включать в себя формование, механическую обработку, загрузку, сварку, заполнение или герметизацию капсулы. Способ 90 также включает в себя обеспечение сосуда высокого давления, выполненного с возможностью окружать капсулу (этап 94). Например, способ 90 может предусматривать сосуд высокого давления, имеющий одну или более особенностей, показанных на фиг.1-3. Способ 90 также может включать в себя размещение капсулы внутри сосуда высокого давления, так что сосуд высокого давления закрыт/загерметизирован вокруг капсулы. Кроме того, способ 90 может включать в себя размещение теплоизоляции и нагревательных элементов внутри сосуда высокого давления рядом с капсулой. Способ 90 далее включает в себя обеспечение одного или более датчиков, выполненных с возможностью измерять давление (или разность давлений) с внутренней и с внешней стороны капсулы (этап 96). Например, один или более датчиков могут включать емкостные преобразователи смещения или тензодатчики, которые расположены вблизи капсулы. Кроме того, способ 90 может включать в себя размещение одного или более датчиков температуры вблизи капсулы. Способ 90 также включает в себя обеспечение устройства регулирования давления, выполненного с возможностью регулировать давление в ответ на измеренную разность давлений между внутренней и внешней сторонами капсулы (этап 98). Например, устройство регулирования давления может реагировать на разность давлений корректировкой давления с внутренней и/или с внешней стороны капсулы, уравновешивая тем самым эти давления для предотвращения нежелательных деформаций (расширения или сжатия) капсулы. Кроме того, способ 90 может включать в себя обеспечение системы регулирования температуры для корректировки температуры внутри сосуда высокого давления и капсулы. Кроме того, способ 90 может предусматривать другие особенности, такие как те, которые описаны со ссылками на сопроводительные фигуры.
Фиг.5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 102 изготовления аппарата по фиг.2 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Способ 102 начинается с обеспечения высокопрочной оболочки, содержащей высокопрочный материал, на этапе 104. На этапе 106 капсулу размещают внутри высокопрочной оболочки, причем эта капсула выполнена с возможностью выращивания кристаллов. На этапе 108 способ 102 продолжается размещением множества нагревательных элементов между высокопрочной оболочкой и капсулой. Как рассмотрено выше, нагревательные элементы размещают в разных местах вблизи капсулы для регулирования температуры многочисленных зон капсулы. Соответственно, способ 102 также может включать в себя соединение системы регулирования температуры с нагревательными элементами и соответствующими датчиками температуры, так что внутри капсулы может быть достигнут желательный профиль температуры. Способ 102 также включает в себя размещение теплоизоляции между высокопрочной оболочкой и множеством нагревательных элементов на этапе 110. На этапе 112 между теплоизоляцией и стенкой высокопрочной оболочки размещают высокотемпературный вкладыш. Варианты этого высокотемпературного вкладыша содержат суперсплав на основе никеля, такой как Rene 41 или Rene 88, или другие подходящие материалы, обладающие высокой прочностью и способные выдерживать высокие температуры. Наконец, на этапе 114 способ 102 включает в себя выполнение по меньшей мере одного охлаждающего канала между высокопрочной оболочкой и высокотемпературным вкладышем. Охлаждающий канал предназначен для уменьшения температуры материалов высокопрочной оболочки по сравнению с температурами, создаваемыми внутри капсулы. Помимо этого способ 102 может предусматривать другие особенности, такие как те, которые описаны со ссылками на сопроводительные фигуры.
Фиг.6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 118 изготовления аппарата по фиг.3 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Способ 118 начинается с обеспечения высокопрочной оболочки, содержащей высокопрочный материал (этап 120). Способ 118 также включает в себя размещение капсулы внутри высокопрочной оболочки, причем эта капсула выполнена с возможностью содержать сверхкритическую текучую среду (этап 122). На этапе 124 способ продолжается размещением множества нагревательных элементов между высокопрочной оболочкой и капсулой. Способ 118 далее включает в себя размещение множества радиальных сегментов между высокопрочной оболочкой и капсулой (этап 126). Эти радиальные сегменты располагают один за другим вокруг периферии капсулы так, что каждый радиальный сегмент является клиновидной частью сегментированного цилиндра. Радиальный сегмент может содержать керамику, такую как оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния, диоксид циркония или т.п. Радиальный сегмент может в качестве альтернативы содержать огнеупорный металл, такой как вольфрам, молибден или TZM-сплав, или металлокерамику, такую как сцементированный кобальтом карбид вольфрама. Помимо этого способ 118 может предусматривать другие особенности, такие как те, которые описаны со ссылками на сопроводительные фигуры.
Фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 132 эксплуатации системы по фиг.1 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Способ 132 начинается с приема первого материала в подпитывающую камеру капсулы выращивания кристаллов (этап 134), за которым следует прием второго материала в камеру затравки/роста кристаллов капсулы выращивания кристаллов (этап 136). Как было объяснено ранее, эта капсула имеет тенденцию расширяться при увеличении температуры и давления внутри капсулы во время конкретного процесса. На этапе 138 способ 132 включает в себя определение смещения капсулы датчиком, расположенным вблизи капсулы выращивания кристаллов. На этапе 140 способ 132 далее включает в себя по существу уравновешивание давления с внутренней и с внешней стороны капсулы на основании смещения, измеренного датчиком. Таким образом, способ 132 позволяет капсуле выдерживать более высокие внутренние давления и, тем самым, предоставляет возможность обработки в сверхкритических текучих средах при более жестких условиях.
Фиг.8 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 144 эксплуатации аппарата по фиг.2 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Способ 144 начинается с увеличения температуры внутри капсулы с использованием множества нагревательных элементов, размещенных вокруг капсулы (этап 146). Например, множество нагревательных элементов может быть расположено вокруг периметра капсулы у разных горячих зон внутри капсулы. На этапе 148 потери тепла снижают использованием теплоизоляции, размещенной вокруг множества нагревательных элементов. На этапе 150 способ 144 включает в себя по существу уравновешивание давления с использованием множества концентрических высокопрочных оболочек, размещенных одна вокруг другой и вокруг теплоизоляции. Как было объяснено ранее, капсула имеет тенденцию расширяться при увеличении температуры и давления внутри капсулы во время конкретного процесса. Эти концентрические высокопрочные оболочки выполнены с возможностью совместно противодействовать давлению капсулы наружу, посредством чего ограничивается расширение капсулы и создается равенство давлений. Таким образом, концентрические высокопрочные оболочки расширяют рабочий диапазон капсулы таким образом, что может быть выполнена обработка со сверхкритическими текучими средами. На этапе 152 капсулу охлаждают с использованием по меньшей мере одного охлаждающего канала, размещенного между множествами концентрических высокопрочных оболочек. Опять же это охлаждение улучшает эксплуатационные качества концентрических высокопрочных оболочек, так что обработка может быть выполнена при более высоких температурах и давлениях.
Фиг.9 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерный способ 156 эксплуатации систем и аппарата по фиг.1, 2, 3, который будет пояснен с использованием фиг.10-13, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Способ 156 начинается на этапе 158 обеспечением желательного профиля температуры внутри капсулы, размещенной в высокопрочной оболочке/сосуде высокого давления. На этапе 160 способ 156 далее включает в себя создание циркуляции сверхкритической текучей среды через симметричную компоновку отверстий внутри капсулы. Например, симметричная компоновка отверстий может содержать множество концентрических кольцевых отверстий, множество отверстий различных форм и размеров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга симметрично вокруг оси, и т.п. На этапе 162 способ 156 по существу уравновешивает давление между внутренней и внешней сторонами капсулы. Например, способ 156 может включать в себя множество концентрических высокопрочных оболочек, расположенных вокруг капсулы и в непосредственной близости к ней, посредством чего обеспечивается противодействие действующим на расширение силам внутри капсулы. Также способ 156 может включать в себя устройство регулирования давления, соединенное с датчиками давления, расположенными вблизи капсулы, так что способ 156 может выявлять разности давлений и корректировать давление внутри и/или снаружи капсулы для достижения равновесия давления. Кроме того, способ 156 может включать в себя различные другие механизмы регулирования температуры и давления, как подробно описано выше.
Фиг.10 представляет собой аксонометрическое изображение системы 168, имеющей перегородку 28, расположенную внутри капсулы 12 по фиг.1-3, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Перегородка 28, проиллюстрированная на фиг.10, включает в себя центральное отверстие 170 и множество отверстий 174, расположенных симметрично вокруг этого центрального отверстия 170. В проиллюстрированном варианте воплощения центральное отверстие 170 является по существу непрерывным и круглым в поперечном сечении. Аналогичным образом, каждое из множества отверстий 174 имеет круглое поперечное сечение с по существу одинаковым диаметром. Однако в альтернативных вариантах воплощения отверстия 170 и 174 могут иметь различные размеры и формы, такие как прямоугольные, треугольные, эллиптические или другие подходящие геометрические формы. Например, как показано на фиг.10, центральное отверстие 170 имеет относительно большой диаметр, чем окружающее его множество отверстий 174. В альтернативных вариантах воплощения множество отверстий 174 может быть заменено множеством концентрических кольцеобразных отверстий, каждое из которых имеет разный диаметр или один и тот же диаметр.
При эксплуатации симметричные отверстия 170 и 174 перегородки 28 по фиг.10 существенно улучшают распределение и циркуляцию тепла внутри капсулы 12, в результате чего улучшается обработка материалов (например, выращивание кристаллов) внутри капсулы 12. Как рассмотрено выше, скорость выращивания кристаллов является функцией степени пересыщения во второй камере 32 внутри капсулы 12. Степень пересыщения, в свою очередь, определяется разностью температур в первой камере 30 и во второй камере 32. Перегородка 28 действует как сепаратор между этими двумя камерами 30 и 32. При эксплуатации конструкция перегородки 28 влияет на разность температур между этими двумя камерами 30 и 32, влияя также на массоперенос в виде подпитывающих компонентов, растворенных в растворителе. В некоторых вариантах воплощения предложенной технологии процентную долю площади пропускного сечения перегородки и распределение отверстий на перегородке 28 подбирают для улучшения и предпочтительно оптимизации распределения теплопередачи и циркуляции потоков внутри капсулы 12.
Во второй камере 32 разность температур между разными областями с затравочными кристаллами имеет тенденцию вызывать более быстрый рост кристаллов в более горячих или более холодных областях, в зависимости от химии роста. В результате этого, по мере того как процесс подходит к завершению, кристаллы, растущие в некоторых зонах, будут относительно «неразвитыми» по сравнению с кристаллами, растущими в других зонах внутри второй камеры 32. Перегородка 28 сводит к минимуму различия между условиями в этих зонах и обеспечивает более эффективное выращивание кристаллов. Другими словами, симметрично расположенные отверстия 170 и 174 содействуют более равномерному профилю температуры во второй камере 32, посредством чего обеспечивается по существу равномерный рост кристаллов. В результате при использовании этих перегородок 28 обеспечивается выращивание кристаллов при по существу одинаковой скорости независимо от их расположения во второй камере 32. Кроме того, величиной разности температур между первой камерой 30 и второй камерой 32 можно управлять регулированием процентной доли отверстий в перегородке 28.
Фиг.11 представляет собой аксонометрическое изображение системы 178 с несколькими перегородками 28, расположенными внутри капсулы 12 по фиг.1-3, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Как проиллюстрировано, несколько перегородок 28 расположены в смещенных положениях одна относительно другой внутри капсулы 12. Показанные перегородки 28 также совмещены таким образом, что их отверстия 170 и 174 расположены непосредственно одни над другими. В альтернативных вариантах воплощения отверстия 170 и 174 могут иметь разные размеры, формы или положения относительно отверстий на соседней перегородке 28. Кроме того, расстояние между этими смежными перегородками 28 может быть подобрано таким образом, чтобы улучшить распределение тепла и циркуляцию материала внутри капсулы 12 между камерами 30 и 32.
Фиг.12 иллюстрирует вид сверху 180 перегородки 28 по фиг.10, имеющей множество концентрических кольцеобразных отверстий 184, расположенных вокруг центрального отверстия 182, в соответствии с другим примерным вариантом воплощения предложенной технологии. Перегородка 28 содержит центральное отверстие 182, предназначенное для термически индуцированной циркуляции текучей среды, и множество концентрических кольцеобразных отверстий 184, расположенных симметрично вокруг центрального отверстия 182. Центральное отверстие 182 предназначено для перемещения вниз сверхкритической текучей среды. Следует заметить, что центральное отверстие 182 не нарушает естественное конвективное течение и, соответственно, сохраняет равномерность температурного поля потока во второй камере 32.
Фиг.13 представляет собой модель 190 перегородки 28 по фиг.1-3 и фиг.10-12, расположенной внутри капсулы 12, причем эта модель 190 иллюстрирует профиль 192 направленных потоков вещества, протекающих через перегородку 28 между камерами 30 и 32 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Как проиллюстрировано, вещество протекает вверх из камеры 32 через внешние отверстия 174 в камеру 30, как показано стрелками 194, обозначающими восходящий поток. Этот восходящий поток 194 обусловлен относительно более высокими температурами в камере 32. После достижения камеры 30 вещество затем поворачивает внутрь к продольной оси 196 и протекает вниз через центральное отверстие 182, как показано стрелками 198, обозначающими нисходящий поток. Этот нисходящий поток 198 обусловлен относительно более низкими температурами в камере 30. Такое симметричное расположение множества отверстий 174 вокруг центрального отверстия 170 обеспечивает равномерный поток вещества, а также поддерживает равномерную разность температур между второй камерой 32 и первой камерой 30. Эти условия, обеспеченные перегородкой 28, существенно оптимизируют рост кристаллов.
Во время эксплуатации капсулы 12 модель 190 создает профиль скоростей протекания вещества внутри капсулы 12 в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. Как будет оценено специалистами в данной области техники, профиль скоростей текучей среды является равномерным за счет центрального отверстия 170, а также за счет множества отверстий 174 перегородки 28. Такая равномерная скорость текучей среды может способствовать более быстрому и более равномерному росту кристаллов внутри капсулы 12. Сходным образом профиль температуры текучей среды также является равномерным за счет отверстий перегородки 28. Такой равномерный профиль температуры текучей среды обеспечивает более высокую разность температур между второй камерой 32 и первой камерой 30, при этом поддерживая более равномерную температуру внутри второй камеры 32 и тем самым способствуя более быстрому и более равномерному росту кристаллов.
Фиг.14 представляет собой графическое представление 200 температурного градиента 202 внутри капсулы 12 по фиг.1-3 в зависимости от процентной доли площади пропускного сечения 204 перегородки 28, такой как показанная на фиг.10-12, в соответствии с вариантами воплощения предложенной технологии. По мере того как процентная доля площади пропускного сечения 204 перегородки 28 увеличивается, при данном распределении мощности внешнего нагревателя, температурный градиент 202 снижается. Напротив, по мере того как процентная доля площади пропускного сечения 204 перегородки 28 уменьшается, температурный градиент 202 увеличивается. Увеличение температурного градиента внутри капсулы означает равномерный рост кристаллов внутри капсулы.
-1
-1
4
-2
Технологии, описанные выше со ссылками на фиг.1-14, могут быть использованы, например, для выращивания высококачественных кристаллов нитрида галлия (GaN). Затравочные кристаллы GaN подвешивают на проволоке через просверленное лазером отверстие с серебряной перегородки с процентной долей площади пропускного сечения 5% и центральным отверстием и затем размещают в нижней части серебряной капсулы. Частицы поликристаллического GaN диаметром примерно 3 мм размещают над перегородкой вместе с минерализатором из фторида аммония. К верху капсулы приваривают серебряную крышку с заполняющей трубкой. Капсулу соединяют с газовым коллектором и вакуумируют, после чего конденсируют аммиак в капсулу для заполнения примерно 85% имеющегося объема. Масса минерализатора составляет примерно 10% от массы аммиака. Капсулу отделяют от газового коллектора и заваривают наглухо заполняющую трубку без воздействия воздуха. Герметизированную капсулу вставляют в аппарат и нагревают так, чтобы камера затравки/роста кристаллов достигла температуры примерно 700 градусов Цельсия, а подпитывающая камера достигла температуры примерно 680 градусов Цельсия. Капсулу поддерживают при этих температурах в течение периода времени от 5 до 2000 часов и затем охлаждают. Капсулу прокалывают для обеспечения возможности удаления аммиака и затем разрезают для извлечения кристаллов нитрида галлия. После промывки в разбавленной хлористоводородной кислоте извлекают высококачественные кристаллы нитрида галлия. Эти кристаллы обычно имеют пик поглощения в инфракрасной области спектра вблизи 3175 см при спектральной поглощательной способности на единицу толщины между примерно 0,01 и 200 см и имеют плотность дислокаций менее примерно 10 см.
Несмотря на то, что здесь были проиллюстрированы и описаны лишь некоторые признаки изобретения, специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений как подпадающих под действительную сущность изобретения.