JP2011524249A - High-pressure apparatus and crystal growth method for nitride crystal growth - Google Patents

High-pressure apparatus and crystal growth method for nitride crystal growth Download PDF

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Abstract

超臨界流体を処理するための高圧装置及びそれに関連する方法を提供する。本装置は、カプセルとヒータと少なくとも1つのセラミック製のリングとを含むが、複数のリングであってもよく、このリングには、選択的に、1つ以上のスクライブマーク及び/又はクラックが存在する。本装置は、選択的に各セラミックリングを含む金属スリーブを有する。さらに、本装置は、高強度エンクロージャと、随伴した断熱材を有する端部フランジと、電力制御システムとを有する。本装置は、0.2〜2GPaの圧力及び400〜1200℃の温度にすることができる。
【選択図】図3
A high pressure apparatus and associated method for processing a supercritical fluid is provided. The apparatus includes a capsule, a heater, and at least one ceramic ring, but may be a plurality of rings, optionally having one or more scribe marks and / or cracks. To do. The apparatus optionally has a metal sleeve that includes each ceramic ring. In addition, the apparatus includes a high strength enclosure, an end flange with associated thermal insulation, and a power control system. The device can be at a pressure of 0.2-2 GPa and a temperature of 400-1200 ° C.
[Selection] Figure 3

Description

関連出願の相互参照Cross-reference of related applications

本出願は、共通に譲渡されている、2008年6月5日に出願された米国特許出願第12/133,364号明細書、代理人整理番号027364−000300US、及び2008年6月18日に出願された米国仮特許出願第61/073,687号明細書、代理人整理番号027364−001100USに対する優先権を主張する。これらの両明細書は、全ての目的のために、参照によりここに援用される。   This application is commonly assigned U.S. patent application Ser. No. 12 / 133,364 filed Jun. 5, 2008, Attorney Docket No. 027364-000300 US, and Jun. 18, 2008. Claims priority to filed US Provisional Patent Application No. 61 / 073,687, Attorney Docket No. 027364-001100US. Both of these specifications are hereby incorporated by reference for all purposes.

発明の背景Background of the Invention

本発明は、一般に、超臨界流体で材料を処理するための方法に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、高圧装置のエンクロージャ内に配置された材料処理カプセルに関連するパラメータを制御するための方法を含む。一例に過ぎないが、バルク基板又はパターンのある基板を製造するために、本発明を適用して、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaNの結晶成長、並びに他の材料の成長をさせることができる。このようなバルク基板又はパターンのある基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解部及び水素発生部、光検出器、集積回路、及びトランジスタなどの類のデバイスを含む種々の用途に使用することができる。   The present invention generally relates to a method for treating a material with a supercritical fluid. More specifically, embodiments of the present invention include a method for controlling parameters associated with a material processing capsule disposed within an enclosure of a high pressure device. By way of example only, the present invention can be applied to grow GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN crystals, as well as other materials, to produce bulk or patterned substrates. be able to. Such bulk substrates or patterned substrates include devices such as optoelectronic devices, lasers, light emitting diodes, solar cells, photoelectrochemical water splitting and hydrogen generating units, photodetectors, integrated circuits, and transistors. It can be used for various purposes.

超臨界流体は、多様な材料を処理するために使用される。超臨界流体は、通常、その臨界点、すなわち臨界温度及び臨界圧力を超える物質として規定される。臨界点は、物質が蒸気及び液体として安定して存在することができる最大の温度及び圧力を意味する。いくつかの超臨界流体の用途において、処理される材料は圧力容器又は他の高圧装置の内部に配置される。いくつかの例では、最初に、材料を容器、ライナー、又はカプセルの内部に配置し、次に、それらを高圧装置の内部に配置することが望ましい。高圧装置は、動作時に、材料を保持する容器又はカプセル内に発生する高圧を支持する構造をもつ。容器、ライナー、又はカプセルは、プロセスに含まれているか又はプロセスによって発生する溶剤、溶質、及びガスに対して化学的に不活性であり、非透過性を有する閉じた/シールされた環境を具備している。   Supercritical fluids are used to process a variety of materials. A supercritical fluid is usually defined as a substance that exceeds its critical point, i.e., critical temperature and critical pressure. The critical point means the maximum temperature and pressure at which a substance can exist stably as a vapor and liquid. In some supercritical fluid applications, the material to be processed is placed inside a pressure vessel or other high pressure device. In some instances, it may be desirable to first place the materials inside a container, liner, or capsule, and then place them inside a high pressure device. The high pressure device has a structure that supports the high pressure generated in the container or capsule holding the material during operation. The container, liner, or capsule has a closed / sealed environment that is chemically inert and impervious to solvents, solutes, and gases contained in or generated by the process. is doing.

科学者及び技術者は高圧技術を用いて結晶材料を合成してきた。一例として、高圧条件及び温度条件を用いて、合成ダイヤモンドが頻繁に製造される。合成ダイヤモンドは、工業目的で頻繁に使用されるが、宝石用途及び他の用途で十分に大きく成長させることもできる。さらに、科学者及び技術者は高圧を用いて、ゼオライトなどの複雑な材料を合成し、これらの材料を使用して毒素などを濾過することができる。さらに、地質学者も、地球の地殻の深部で生じている状態及び/又は過程をシミュレートするのに高圧技術を用いてきた。高圧技術は、多くの場合、超臨界流体(ここで、SCFと称する)に依存する。   Scientists and engineers have synthesized crystalline materials using high pressure techniques. As an example, synthetic diamond is frequently produced using high pressure and temperature conditions. Synthetic diamonds are frequently used for industrial purposes, but can also be grown large enough for jewelry and other applications. In addition, scientists and engineers can use high pressure to synthesize complex materials such as zeolites and use these materials to filter toxins and the like. In addition, geologists have used high pressure techniques to simulate conditions and / or processes occurring deep in the earth's crust. High pressure technology often relies on a supercritical fluid (referred to herein as SCF).

超臨界流体は、大量に及び低コストで高品質の結晶を成長させるために、とりわけ理想的な環境を提供する。多くの場合、超臨界流体は、ガスの輸送特性を有する液体の溶媒和能力を持っている。従って、一方では、超臨界流体は、再結晶化用の溶質を多量に溶解することができる。他方では、輸送特性に適した高い拡散係数を持つので、超臨界流体のバルクと成長する結晶との間、さらに低い粘度との間の境界層を介して溶質を迅速に輸送することが可能であり、その結果、境界層は極めて薄く、小さな温度勾配により、反応器の自己対流及び自己攪拌を容易にすることができる。これらの特性を組み合わせることにより、例えば、超臨界水の単一の成長行程における、数百又は数千の大きなαクォーツ結晶の成長が可能になる。   Supercritical fluids provide a particularly ideal environment for growing high quality crystals in large quantities and at low cost. In many cases, supercritical fluids have the ability to solvate liquids with gas transport properties. Therefore, on the other hand, the supercritical fluid can dissolve a large amount of recrystallization solute. On the other hand, it has a high diffusion coefficient suitable for transport properties, so it is possible to quickly transport solutes through the boundary layer between the bulk of the supercritical fluid and the growing crystal, and even lower viscosity. As a result, the boundary layer is very thin and a small temperature gradient can facilitate the self-convection and self-stirring of the reactor. Combining these properties allows, for example, the growth of hundreds or thousands of large α-quartz crystals in a single growth process of supercritical water.

さらに、超臨界流体は、溶剤を抽出するための、例えばコーヒーからカフェインを抽出するための、ゼオライトなどのような目新しい材料を合成するための媒質、そして一般的な条件下で比較的不活性である材料、例えば、バイオ燃料及び有毒な廃棄物を分解及び/又は溶解するための魅力的な媒質をもたらす。   In addition, supercritical fluids are a medium for extracting solvents, for example for extracting caffeine from coffee, for synthesizing novel materials such as zeolites, and relatively inert under general conditions. Resulting in an attractive medium for decomposing and / or dissolving biofuels and toxic waste.

さらに、結晶成長などのいくつかの用途では、圧力容器又はカプセルは、内部を異なるチャンバに、例えば上半分と下半分とに分割するバッフルプレートを含む。一般的なバッフルプレートは、これらの異なるチャンバの間における流体の流れ及び加熱及び質量移動を可能にするための不規則な又は規則的な間隔で配置されている離間孔を有し、上記異なるチャンバは、超臨界流体と共に処理される異なる材料を保持する。例えば、一般的な結晶成長の用途において、カプセルの一方の部分は種結晶を含み、他方の半分は栄養材料を含む。処理される材料に加えて、カプセルは、上昇した温度及び圧力において超臨界流体を形成する固体又は液体、一般的には、さらに、超臨界流体で処理される材料の溶解性を向上させるための鉱化剤を含む。他の用途、例えば、ゼオライト又はナノ粒子の合成、あるいはセラミックの処理において、動作させるためにバッフルプレートを使用しなくてもよい。動作時に、カプセルが、臨界点に向かって又はそれを超えて加熱及び加圧され、これにより、固体及び/又は液体が超臨界流体に変わる。いくつかの用途では、流体は臨界未満のままである可能性があり、すなわち、圧力又は温度は臨界点よりも低い場合がある。しかし、本願で対象とするすべての場合において、流体は過熱され、すなわち、温度は大気圧における流体の沸点よりも高い。「超臨界」という用語は、圧力及び温度が、臨界点よりも高いかどうかに関係なく、「過熱された」という意味で全体にわたって用いるものとする。なお、溶解した溶質を有する特定の流体組成物に適したものとして認識されていなくともよい。   Further, in some applications, such as crystal growth, the pressure vessel or capsule includes a baffle plate that divides the interior into different chambers, for example, an upper half and a lower half. Typical baffle plates have spaced holes arranged at irregular or regular intervals to allow fluid flow and heating and mass transfer between these different chambers, and the different chambers Holds different materials that are processed with a supercritical fluid. For example, in a typical crystal growth application, one part of the capsule contains seed crystals and the other half contains nutrient material. In addition to the material to be treated, the capsules are intended to improve the solubility of the solid or liquid that forms the supercritical fluid at elevated temperatures and pressures, generally further the material to be treated with the supercritical fluid. Contains mineralizer. The baffle plate may not be used to operate in other applications, such as zeolite or nanoparticle synthesis or ceramic processing. In operation, the capsule is heated and pressurized towards or beyond the critical point, thereby turning the solid and / or liquid into a supercritical fluid. In some applications, the fluid may remain subcritical, i.e. the pressure or temperature may be below the critical point. However, in all cases covered here, the fluid is superheated, i.e. the temperature is higher than the boiling point of the fluid at atmospheric pressure. The term “supercritical” shall be used throughout in the sense of “superheated” regardless of whether the pressure and temperature are above the critical point. Note that it may not be recognized as suitable for a specific fluid composition having a dissolved solute.

従来の結晶成長に対してある程度有効ではあるが、従来の処理容器には欠点がある。一例として、従来の鋼製のホットウォール圧力容器(例えばオートクレーブ)の処理能力は、一般的に、摂氏約400度の最大温度及び0.2ギガパスカル(GPa)の最大圧力に制限される。ニッケルベースの超合金から従来の圧力容器を製造することにより、摂氏約550度の最大温度及び約0.5GPaの最大圧力における動作が可能になる。したがって、これらの従来のホットウォール圧力容器は、超臨界アンモニアにおける窒化ガリウム結晶の成長などのいくつかの処理に対しては、多くの場合に不十分なものになる。上記超臨界アンモニアは、1時間当たり約2〜4ミクロンよりも高い成長率を達成するために、この範囲よりも著しく高い範囲の圧力及び温度をしばしば必要とする。さらに、ニッケルベースの超合金は非常に高価であり、加工が困難であり、従来の鋼製圧力容器と比較して、実用的な最大サイズが制限され、コストを大幅に増加させる。   Although effective to some extent for conventional crystal growth, conventional processing vessels have drawbacks. As an example, the throughput of conventional steel hot wall pressure vessels (eg, autoclaves) is generally limited to a maximum temperature of about 400 degrees Celsius and a maximum pressure of 0.2 gigapascal (GPa). Manufacturing a conventional pressure vessel from a nickel-based superalloy allows operation at a maximum temperature of about 550 degrees Celsius and a maximum pressure of about 0.5 GPa. Thus, these conventional hot wall pressure vessels are often inadequate for some processes such as the growth of gallium nitride crystals in supercritical ammonia. The supercritical ammonia often requires a much higher range of pressures and temperatures than this range in order to achieve growth rates higher than about 2-4 microns per hour. Furthermore, nickel-based superalloys are very expensive and difficult to process, limiting the practical maximum size and significantly increasing costs compared to conventional steel pressure vessels.

従来の圧力容器の欠点を克服する試みがなされてきた。D’エブリン(D’Evelyn)らの米国特許出願第2003/0140845A1号明細書は、高圧及び高温を用いてダイヤモンドを合成するために使用されるベルト装置のタイプに適合された、いわゆるゼロストローク高圧装置を記載している。焼結炭化タングステンは金型材料として使用されるが、それはかなり高価であり、寸法が大きいものの製造が困難である。さらに、装置を収容するための油圧プレスを使用することにより、コストが増加し、さらに、最大容積が制限される。最後に、超臨界流体を収容するために使用されるカプセルを囲む圧力伝達媒体を使用することにより、材料を処理するための高温ゾーン内で利用可能な容積が減少する。   Attempts have been made to overcome the disadvantages of conventional pressure vessels. D'Evelyn et al., US Patent Application No. 2003 / 0140845A1, is a so-called zero stroke high pressure adapted to the type of belt device used to synthesize diamond using high pressure and high temperature. An apparatus is described. Sintered tungsten carbide is used as a mold material, but it is quite expensive and large in size but difficult to manufacture. In addition, the use of a hydraulic press to house the device increases costs and further limits the maximum volume. Finally, the use of a pressure transfer medium surrounding the capsule used to contain the supercritical fluid reduces the volume available in the hot zone for processing the material.

D’エブリン(D’Evelyn)らの米国特許出願第2006/0177362A1号明細書には、従来のオートクレーブの圧力及び温度をかなり超える圧力及び温度に関する能力を有し、上記ゼロストロークプレス装置に関して改善されたスケーラビリティを有する複数のタイプの装置が記載されている。カプセルの対応する値と比較して、高強度エンクロージャの内径がさらされる圧力及び温度の両方を減少させるために、一連のくさび状の半径方向セラミックセグメントが、カプセルを囲むヒータと高強度エンクロージャとの間に配置される。しかし、これらのくさび状の半径方向セラミックセグメントの製造及び使用が困難かつ高価であることがある。従来の装置のこれら及び他の制限については本明細書全体にわたって説明していく。   U.S. Patent Application No. 2006/0177362 A1 to D'Evelyn et al. Has the ability to handle pressures and temperatures well beyond those of conventional autoclaves and is improved with respect to the zero stroke press apparatus described above. Multiple types of devices with high scalability are described. To reduce both the pressure and temperature to which the inner diameter of the high-strength enclosure is exposed compared to the corresponding value of the capsule, a series of wedge-shaped radial ceramic segments are connected between the heater surrounding the capsule and the high-strength enclosure. Arranged between. However, the production and use of these wedge-shaped radial ceramic segments can be difficult and expensive. These and other limitations of conventional devices are described throughout this specification.

上記のことから、結晶成長用の高圧装置を改良するための方法が非常に望ましいことが理解される。   From the above it can be seen that a method for improving a high pressure apparatus for crystal growth is highly desirable.

発明の簡単な概要Brief summary of the invention

本発明によれば、超臨界流体で材料を処理することに関する方法が提供される。より具体的には、本発明の実施形態は、高圧装置/エンクロージャ内に配置された材料処理カプセルに関連するパラメータを制御するための方法を含む。一例に過ぎないが、バルク基板又はパターン基板を製造するために、本発明を適用して、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaNの結晶成長、並びに他の材料の成長させることができる。このようなバルク基板又はパターンのある基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解部及び水素発生部、光検出器、集積回路、及びトランジスタなどの類のデバイス含む種々の用途に使用することができる。   In accordance with the present invention, a method is provided that relates to processing a material with a supercritical fluid. More specifically, embodiments of the present invention include a method for controlling parameters associated with a material processing capsule disposed within a high pressure apparatus / enclosure. By way of example only, the present invention can be applied to grow GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN crystals, as well as other materials, to produce bulk or patterned substrates. . Such bulk substrates or patterned substrates include various devices such as optoelectronic devices, lasers, light emitting diodes, solar cells, photoelectrochemical water splitting and hydrogen generating units, photodetectors, integrated circuits, and transistors. Can be used for

特定の実施形態では、本発明は、超臨界流体を処理するための高圧装置及びそれに関連する方法を提供する。特定の実施形態では、本装置は、カプセルとヒータと(例えばセラミック製の)少なくとも1つのリングとを含むが、複数のリングであってもよく、このリングには、選択的に、1つ以上のスクライブマーク及び/又はクラックが存在する。特定の実施形態では、本装置は、選択的に各セラミックリングを含む金属スリーブを有する。さらに、本装置は、高強度エンクロージャと、随伴した断熱材を有する端部フランジと、電力制御システムとを有する。本装置は、非常に大きな容積までスケーラブルであり、費用面で効果的である。特定の実施形態では、本装置は、0.2〜2GPaの圧力及び400〜1200℃の温度のそれぞれにすることができる。本明細書の特定の実施形態で用いられるとき、「高強度」という用語は、一般に、(気密であってもよいが、気密及び/又はガス密でなくてもよい)圧力容器などの高圧エンクロージャとしての使用を可能にする適切な機械的特徴及び他の特徴(例えば、引張強度、ヤング率、降伏強度、強靭性、耐クリープ性、耐薬品性)を意味する。一例として、「高圧」という用語は、一般に、0.1GPa、0.2GPa、0.5GPaよりも大きな圧力、及び他の圧力、特に、GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、及び他の窒化物又は酸化物又は金属を含むがそれらに限定されない結晶材料、あるいは誘電体材料又は半導体材料を成長させるのに適切な圧力を意味する。特定の実施形態では、高強度エンクロージャ材料を用意して、摂氏約200度よりも低い温度で、約0.1GPa(又は0.2GPa又は0.5GPa)よりも大きな荷重に所定期間にわたって耐えるように構成される高強度エンクロージャを形成する。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the present invention provides a high pressure apparatus and associated methods for processing supercritical fluids. In certain embodiments, the apparatus includes a capsule, a heater, and at least one ring (eg, made of ceramic), but may be a plurality of rings, optionally including one or more rings. There are scribe marks and / or cracks. In certain embodiments, the apparatus has a metal sleeve that optionally includes each ceramic ring. In addition, the apparatus includes a high strength enclosure, an end flange with associated thermal insulation, and a power control system. The device is scalable to very large volumes and is cost effective. In certain embodiments, the apparatus can be at a pressure of 0.2-2 GPa and a temperature of 400-1200 ° C, respectively. As used in certain embodiments herein, the term “high strength” generally refers to a high pressure enclosure such as a pressure vessel (which may be airtight but may not be airtight and / or gas tight). By means of suitable mechanical and other features that allow its use as a tensile strength, Young's modulus, yield strength, toughness, creep resistance, chemical resistance, etc. As an example, the term “high pressure” generally refers to pressures greater than 0.1 GPa, 0.2 GPa, 0.5 GPa, and other pressures, particularly GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, and other By a suitable pressure to grow a crystalline material, including but not limited to nitride or oxide or metal, or a dielectric or semiconductor material. In certain embodiments, a high strength enclosure material is provided to withstand a load greater than about 0.1 GPa (or 0.2 GPa or 0.5 GPa) for a period of time at a temperature below about 200 degrees Celsius. Forms a high strength enclosure that is constructed. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の代替実施形態では、本発明は、高圧結晶又は材料処理、例えば、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaN用の装置を提供する。本装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを有する(例えばカプセル用の)カプセル領域を含む。本装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材を有する。本装置は、順次配置されかつ環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック(又は金属又はサーメット)製の少なくとも1つの(例えば2つ以上の)連続的な環状部材を有する。好ましい実施形態では、連続的な環状部材は、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約4ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される。特定の実施形態では、2つ以上の不規則形状の表面領域は、環状部材の1つ以上の中に空間的に配置され、共通の境界領域の一部に沿って実質的に互いに結合するように対をなす。さらに、本装置は、高強度エンクロージャを形成するようにセラミック製の環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料を有する。   In certain alternative embodiments, the present invention provides an apparatus for high pressure crystal or material processing, eg, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN. The apparatus includes a capsule region (eg, for a capsule) having a first region and a second region and a length defined therebetween. The apparatus has an annular heating member that surrounds the capsule region. The apparatus comprises at least one (eg, two or more) continuous annular members made of ceramic (or metal or cermet) having a predetermined thickness arranged sequentially and continuously around the annular heating member. Have In a preferred embodiment, the continuous annular member is made from a material having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and a thermal conductivity less than about 4 watts per meter Kelvin. In certain embodiments, the two or more irregularly shaped surface regions are spatially disposed within one or more of the annular members and are substantially coupled to one another along a portion of the common boundary region. Pair with. In addition, the apparatus has a high strength enclosure material disposed on a ceramic annular member to form a high strength enclosure.

なおさらに、本発明は、例えば、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaNの結晶を成長させる方法を提供する。本方法は、高圧結晶成長又は材料処理用の装置を設けるステップを含む。本装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを有する(例えば円筒形状の)カプセル領域を含む。さらに、本装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材を有する。本装置は、環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材を有する。好ましい実施形態では、連続的な環状部材は、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約4ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される。さらに、本装置は、セラミック製の環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料を有する。さらに、特定の実施形態では、本方法は、溶剤を含むカプセルを設けるステップと、カプセル領域の内部領域内にカプセルを配置するステップとを含む。特定の実施形態では、本方法は、カプセルを熱エネルギーで処理して、カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させ、溶剤を過熱するステップを含む。   Still further, the present invention provides a method of growing crystals of, for example, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN. The method includes providing an apparatus for high pressure crystal growth or material processing. The device includes a capsule region having a first region and a second region and a length defined therebetween (eg, a cylindrical shape). Furthermore, the device has an annular heating member surrounding the capsule region. The apparatus has at least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness continuously arranged around the annular heating member. In a preferred embodiment, the continuous annular member is made from a material having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and a thermal conductivity less than about 4 watts per meter Kelvin. In addition, the apparatus includes a high strength enclosure material disposed on a ceramic annular member. Further, in certain embodiments, the method includes providing a capsule comprising a solvent and placing the capsule within an interior region of the capsule region. In certain embodiments, the method includes treating the capsule with thermal energy to raise the temperature inside the capsule to a temperature greater than 200 degrees Celsius and superheating the solvent.

さらに、実施形態に応じて、本方法は、複数の選択的なステップの1つを含むこともできる。選択的に、本方法は、溶剤の過熱処理から結晶材料を形成するステップを含む。さらに、本方法は、カプセルから熱エネルギーを除去して、カプセルの温度を第1の温度から、それよりも低い第2の温度に変化させるステップを含む。さらに、本方法は、高圧装置から第1のフランジ及び第2のフランジを取り外すステップと、油圧駆動力を用いて、機械部材をカプセル領域の第1の領域から第2の領域に向かって移動させて、カプセルをカプセル領域から移動させるステップとを含む。好ましい実施形態では、本装置により、カプセル容積を0.3リットル〜約300リットルよりも大きなサイズに拡大することができる。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   Further, depending on the embodiment, the method may include one of a plurality of optional steps. Optionally, the method includes forming the crystalline material from a solvent heat treatment. Further, the method includes removing thermal energy from the capsule to change the temperature of the capsule from a first temperature to a second temperature lower than the first temperature. Further, the method uses the steps of removing the first flange and the second flange from the high pressure device and using the hydraulic driving force to move the mechanical member from the first region of the capsule region toward the second region. And moving the capsule from the capsule region. In a preferred embodiment, the device allows the capsule volume to be expanded to a size greater than 0.3 liters to about 300 liters. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

なおさらに、本発明は、結晶材料、例えばGaNを形成する方法を提供する。本方法は、高圧結晶又は材料処理用の装置を設けるステップを含む。本装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを有するカプセル領域を含む。さらに、本装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材を有する。少なくとも1つの連続的な環状部材が含まれる。環状部材は、環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを含む。特定の実施形態では、連続的な環状部材は、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約100ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される。さらに、本装置は、高強度エンクロージャを形成するように環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料を有する。本方法は、溶剤を含むカプセルを設けるステップと、カプセル領域の内部領域内にカプセルを配置するステップとを含む。本方法は、カプセルを熱エネルギーで処理して、カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させ、溶剤を過熱するステップを含む。   Still further, the present invention provides a method of forming a crystalline material, such as GaN. The method includes providing an apparatus for high pressure crystal or material processing. The device includes a capsule region having a first region and a second region and a length defined therebetween. Furthermore, the device has an annular heating member surrounding the capsule region. At least one continuous annular member is included. The annular member includes a predetermined thickness that is continuously disposed around the annular heating member. In certain embodiments, the continuous annular member is made of a material having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and a thermal conductivity less than about 100 watts per meter Kelvin. In addition, the apparatus has a high strength enclosure material disposed on the annular member to form a high strength enclosure. The method includes providing a capsule containing a solvent and placing the capsule within an interior region of the capsule region. The method includes treating the capsule with thermal energy to raise the capsule to a temperature greater than 200 degrees Celsius and superheating the solvent.

本発明を使用すれば、先行技術よりも優れた利点が実現される。特に、本発明は、GaN、AlN、InN、InGaN、及びAlInGaNなどの結晶並びに他のものを成長させるための費用面で効果的な高圧装置を可能にする。特定の実施形態では、本発明の方法及び装置は、製造面で比較的簡単で、かつ費用面で効果的な構成要素、例えばセラミック管及び鋼管と協働することができる。さらに、特定の実施形態は、ヒータを断熱するセラミック部材に設けられる1つ以上のクラックを利用する。実施形態に応じて、当業者による従来の材料及び/又は方法を使用して、本発明の装置及び方法による製造を行うことができる。本発明の装置及び方法は、特定の実施形態によれば、0.3リットルよりも大きな、1リットルよりも大きな、3リットルよりも大きな、10リットルよりも大きな、30リットルよりも大きな、100リットルよりも大きな、及び300リットルよりも大きなバッチ容積における、最大の圧力及び温度条件下での費用効果的な結晶成長及び材料処理を可能にする。好ましい実施形態では、本発明の装置及びそれに関連する方法は、従来技術を用いて実現されなかった、より大きな窒化ガリウム反応器を拡大するために重要である寸法及びパラメータの選択を可能にする。実施形態に応じて、これらの利点の1つ以上が実現され得る。これら及び他の利点については本明細書全体にわたって、より詳しくは以下に説明していく。   Advantages over the prior art are realized using the present invention. In particular, the present invention enables a cost effective high pressure apparatus for growing crystals such as GaN, AlN, InN, InGaN, and AlInGaN and others. In certain embodiments, the methods and apparatus of the present invention can work with components that are relatively simple and cost effective to manufacture, such as ceramic tubes and steel tubes. Further, certain embodiments utilize one or more cracks provided in a ceramic member that insulates the heater. Depending on the embodiment, conventional materials and / or methods by those skilled in the art can be used to produce the apparatus and methods of the present invention. The apparatus and method of the present invention, according to a particular embodiment, is greater than 0.3 liters, greater than 1 liter, greater than 3 liters, greater than 10 liters, greater than 10 liters, greater than 30 liters, 100 liters. Allows cost-effective crystal growth and material processing under maximum pressure and temperature conditions in batch volumes greater than and greater than 300 liters. In a preferred embodiment, the apparatus and associated methods of the present invention allow for the selection of dimensions and parameters that are important for expanding larger gallium nitride reactors that have not been realized using the prior art. Depending on the embodiment, one or more of these benefits may be realized. These and other advantages will be described in greater detail throughout the specification.

本発明は、公知の処理技術に関連して、これらの利点及び他の利点を実現する。さらに、本明細書の後述の部分と添付図面とを参照すれば、本発明の特徴及び利点のさらなる理解が実現され得る。   The present invention realizes these and other advantages in connection with known processing techniques. Further understanding of the features and advantages of the present invention may be realized by reference to the remaining portions of the specification and the attached drawings.

従来の装置の概略図である。It is the schematic of the conventional apparatus. 本発明の一実施形態による高圧装置の概略図である。1 is a schematic view of a high pressure apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による高圧装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the high voltage | pressure apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による高圧装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the high voltage | pressure apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の代替実施形態による代わりの高圧装置の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an alternative high pressure device according to an alternative embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による、超臨界流体で材料を処理する方法の概略フローチャートである。2 is a schematic flowchart of a method of processing a material with a supercritical fluid according to an embodiment of the present invention. 本発明の代替実施形態による、超臨界流体で材料を処理する選択的な方法の概略フローチャートである。6 is a schematic flowchart of an alternative method of processing a material with a supercritical fluid, according to an alternative embodiment of the present invention.

本発明には、超臨界流体で材料を処理するための方法が含まれる。より具体的には、本発明の実施形態は、高圧装置/エンクロージャ内に配置された材料処理カプセルに関連するパラメータを制御するための方法を含む。一例に過ぎないが、バルク基板又はパターンが形成された基板を製造するために、本発明を適用して、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaNの結晶を成長させることができる。このようなバルク基板又はパターンが形成された基板は、光電子デバイス、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学水分解部及び水素発生部、光検出器、集積回路、及びトランジスタを含む種々の用途のために使用することができる。   The present invention includes a method for treating a material with a supercritical fluid. More specifically, embodiments of the present invention include a method for controlling parameters associated with a material processing capsule disposed within a high pressure apparatus / enclosure. By way of example only, crystals of GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN can be grown by applying the present invention to produce a bulk substrate or a patterned substrate. Such bulk or patterned substrates can be used in a variety of applications including optoelectronic devices, lasers, light emitting diodes, solar cells, photoelectrochemical water splitting and hydrogen generating units, photodetectors, integrated circuits, and transistors. Can be used for.

特定の実施形態では、本発明は、材料を処理するための高圧装置を提供する。実施形態に応じて、重力方向に対して特定の方向に関連して本装置を説明する。一例として、本装置は垂直に向けられているものとして説明される。代わりに、他の実施形態では、本装置は、水平に向けられるか又は垂直と水平との間の中間斜角に向けられ、カプセル内の超臨界流体の対流を起こすように揺動することが可能である。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the present invention provides a high pressure apparatus for processing materials. Depending on the embodiment, the apparatus will be described in relation to a specific direction relative to the direction of gravity. As an example, the device is described as being oriented vertically. Instead, in other embodiments, the device is oriented horizontally or at an intermediate oblique angle between vertical and horizontal, and can swing to cause convection of the supercritical fluid within the capsule. Is possible. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

基準となるものを提供するために、本明細書全体で参照される、D’エブリン(D’Evelyn)らによる米国特許出願第2006/0177362A1号明細書に記載されているフォースウェッジ装置が、図1に示されている。米国特許7,125,453号明細書に記載されているようなカプセルが、米国特許出願第2008/0083741A1号明細書に記載されているようなヒータ内に配置されており、これらの各々のものが本明細書において参照される。カプセル及びヒータの両方が、SA 723圧力容器鋼から製造され得る高強度エンクロージャ内に収容される。ここで、段落51から、「本方法は...高強度エンクロージャとカプセルとの間に複数の半径方向セグメントを配置するステップ(ブロック126)を含む。これらの半径方向セグメントは、各半径方向セグメントが、分割されたシリンダのくさび状の部分であるようにカプセルの周囲に連続的に配置される。半径方向セグメントは、アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン、ジルコニアなどのようなセラミックを含み得る。代わりに、半径方向セグメントは、タングステン、モリブデン、又はTZM合金などの難溶性金属、あるいはコバルト焼結炭化タングステンなどのサーメットを含んでもよい」。上記のように、従来のフォースウェッジ装置には制限がある。すなわち、多数の半径方向セグメントを有する装置を製造すると高価になってしまう。さらに、半径方向セグメントの各々を正確に製造すること、及びそれらのセグメントを装置内に組み立てることが困難である。半径方向セグメントに1つ以上のクラックを設けることは、それらのクラックが、相互に接続されたネットワークを形成しない限り、半径方向セグメントの性能を低下させることが確認されている。セグメントに1つ以上のクラックを導入することを可能にするか又は意図することにより、より少数のセグメントを有する装置の製造が可能になる。さらに、クラック内に成長し得るセラミック部分の小さな割れ目を今や許容することができるので、セグメントに1つ以上のクラックが存在することを可能にすることにより、セグメントの製造コストが低減され得る。   The force wedge device described in U.S. Patent Application No. 2006/0177362 A1 by D'Evelyn et al., Referenced throughout this specification to provide a baseline, is shown in FIG. 1. Capsules as described in US Pat. No. 7,125,453 are placed in a heater as described in US Patent Application No. 2008 / 0083741A1, each of which Are referred to herein. Both the capsule and the heater are housed in a high strength enclosure that can be manufactured from SA 723 pressure vessel steel. Here, from paragraph 51, “The method includes placing a plurality of radial segments (block 126) between the high-strength enclosure and the capsule. These radial segments include each radial segment. Are continuously arranged around the capsule to be a wedged portion of a divided cylinder, and the radial segments may include ceramics such as alumina, silicon nitride, silicon carbide, zirconia, etc. In addition, the radial segment may include a sparingly soluble metal such as tungsten, molybdenum, or a TZM alloy, or a cermet such as cobalt sintered tungsten carbide. " As described above, the conventional force wedge device has limitations. That is, it is expensive to manufacture a device having a large number of radial segments. Furthermore, it is difficult to accurately manufacture each of the radial segments and assemble them into the device. Providing one or more cracks in the radial segment has been found to reduce the performance of the radial segment unless they form an interconnected network. Making it possible or intended to introduce one or more cracks in a segment allows the production of devices with fewer segments. In addition, the manufacturing cost of the segment can be reduced by allowing one or more cracks to be present in the segment, since small cracks in the ceramic portion that can grow in the crack can now be tolerated.

図2は、本発明の一実施形態による高圧装置の概略図である。この図面は実施例に過ぎず、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定すべきではない。当業者は、他の変形例、修正例、及び代替例を理解するであろう。図示したように、本発明は、高圧結晶又は材料処理、例えば、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、及びAlInGaN用の装置を提供する。他の処理方法は、酸化物及び他の結晶材料の熱水結晶成長、熱水合成又は熱アンモニア合成、及び熱水分解、並びに他のものを含む。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   FIG. 2 is a schematic view of a high pressure apparatus according to an embodiment of the present invention. This drawing is only an example, and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will appreciate other variations, modifications, and alternatives. As shown, the present invention provides an apparatus for high pressure crystal or material processing, eg, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN. Other processing methods include hydrothermal crystal growth of oxides and other crystalline materials, hydrothermal synthesis or hot ammonia synthesis, and hydrothermal decomposition, and others. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

図2を参照すると、超臨界流体を処理するための高圧装置200及びそれに関連する方法が示されている。特定の実施形態では、本装置200は、カプセル210と加熱部材又はヒータ212と少なくとも1つのセラミックリング214とを含むが、このセラミックリングは、複数のリングであってもよく、選択的に、1つ以上のスクライブマーク及び/又はクラックが存在する。特定の実施形態では、本装置は、選択的に、各セラミックリングを含む1つ以上の金属スリーブ(図示せず)を有する。さらに、本装置は、高強度エンクロージャ218と、関連する断熱材を有する端部フランジ226,228と、電力制御システム230とを有する。本装置は、非常に大きな容積までスケーラブルであり、費用面で効果的である。特定の実施形態では、本装置は、0.2〜2GPaの圧力及び400〜1200℃の温度のそれぞれにすることができる。さらに、特定の実施形態では、本装置は温度コントローラ232を含む。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   Referring to FIG. 2, a high pressure apparatus 200 and associated method for processing a supercritical fluid is shown. In certain embodiments, the apparatus 200 includes a capsule 210, a heating member or heater 212, and at least one ceramic ring 214, which may be a plurality of rings, optionally 1 There are more than one scribe mark and / or crack. In certain embodiments, the apparatus optionally has one or more metal sleeves (not shown) that include each ceramic ring. In addition, the apparatus includes a high strength enclosure 218, end flanges 226 and 228 with associated thermal insulation, and a power control system 230. The device is scalable to very large volumes and is cost effective. In certain embodiments, the apparatus can be at a pressure of 0.2-2 GPa and a temperature of 400-1200 ° C, respectively. Further, in certain embodiments, the apparatus includes a temperature controller 232. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、装置200は、少なくとも1つの加熱ゾーン、選択的に、より多くの、例えば、2つ以上を含む複数の加熱ゾーンを備える。加熱ゾーンは、特定の実施形態によれば、最上の第1のゾーン220、成長ゾーン222、バッフルゾーン224、及び充填ゾーン又は栄養ゾーン226を含む。特定の実施形態によれば、カプセルが、ヒータ内面によって規定された容積に挿入されるときに、内部バッフル(図示せず)がバッフル間隙ゾーンに整列する。バッフルは、特定の実施形態によれば、カプセル内部の2つのチャンバ、すなわち、栄養チャンバ及び成長チャンバを規定する。2つのチャンバは、種々の形状及び形態を有することができる穿孔されたバッフルを介して連通する。再結晶化されるべき材料の溶解性が温度の増加関数である場合の結晶成長に適切な例示した実施形態では、成長ゾーンが栄養ゾーンの上方に配置される。再結晶化されるべき材料の溶解性が温度の減少関数、すなわち、低下する溶解性である場合の結晶成長に適切な他の実施形態では、成長ゾーンが栄養ゾーンの下方に配置される。さらに他の実施形態では、装置200は、垂直ではなくほぼ水平であり、揺動機構(図示せず)を備えることが可能である。   In certain embodiments, the apparatus 200 comprises a plurality of heating zones, including at least one heating zone, optionally more, eg, two or more. The heating zone includes an uppermost first zone 220, a growth zone 222, a baffle zone 224, and a filling or nutrient zone 226 according to certain embodiments. According to certain embodiments, an internal baffle (not shown) aligns with the baffle gap zone when the capsule is inserted into the volume defined by the heater inner surface. The baffle, according to a particular embodiment, defines two chambers inside the capsule, namely a nutrient chamber and a growth chamber. The two chambers communicate through a perforated baffle that can have a variety of shapes and configurations. In an exemplary embodiment suitable for crystal growth where the solubility of the material to be recrystallized is a function of increasing temperature, the growth zone is located above the nutrient zone. In other embodiments suitable for crystal growth where the solubility of the material to be recrystallized is a decreasing function of temperature, i.e., reduced solubility, the growth zone is located below the nutrient zone. In still other embodiments, the device 200 is substantially horizontal rather than vertical and can include a rocking mechanism (not shown).

一実施形態では、ヒータ内部への挿入に適切なカプセルは貴金属から形成される。貴金属の例は白金、パラジウム、ロジウム、金、又は銀を含む。他の金属は、チタン、レニウム、銅、ステンレス鋼、ジルコニウム、タンタル、それらの合金などを含むことができる。一実施形態では、金属は酸素ゲッターとして機能する。適切なカプセルの寸法は直径が2cmよりも大きく、長さが4cmよりも長くてもよい。一実施形態では、直径の寸法は、2〜4cm、4〜8cm、8〜12cm、12〜16cm、16〜20cm、20〜24cm、及び24cmよりも大きい任意のものから選択される範囲にある。第2の実施形態では、カプセルの長さと直径の比率は2よりも大きい。さらに他の実施形態では、長さと直径の比率は、2〜4、4〜6、6〜8、8〜9、9〜10、10〜11、11〜12、12〜14、14〜16、16〜18、18〜20、及び20よりも大きい任意の範囲にある。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In one embodiment, a capsule suitable for insertion into the heater is formed from a noble metal. Examples of noble metals include platinum, palladium, rhodium, gold, or silver. Other metals can include titanium, rhenium, copper, stainless steel, zirconium, tantalum, alloys thereof, and the like. In one embodiment, the metal functions as an oxygen getter. Suitable capsule dimensions may be greater than 2 cm in diameter and longer than 4 cm in length. In one embodiment, the diameter dimension is in a range selected from 2-4 cm, 4-8 cm, 8-12 cm, 12-16 cm, 16-20 cm, 20-24 cm, and any larger than 24 cm. In the second embodiment, the ratio of capsule length to diameter is greater than 2. In still other embodiments, the ratio of length to diameter is 2-4, 4-6, 6-8, 8-9, 9-10, 10-11, 11-12, 12-14, 14-16, 16-18, 18-20, and in any range greater than 20. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

一実施形態では、成長ゾーン222の容積は充填ゾーン226の容積の2倍である。各加熱素子のセグメント用の電気回路は独立して制御される。独立した制御は、カプセル高さに沿った熱蒸着プロファイルを実現及び維持するように柔軟に行われる。第2のヒータセグメントと第3のヒータセグメントとの間における、頂部からの物理的な不連続部は、カプセルに配置されかつ充填ゾーン226と成長ゾーン222とを分離するバッフルプレートに近い温度で、局所的なディップを形成する。一実施形態では、充填ゾーン及び成長ゾーンは、互いに異なる温度の等温線である。バッフルゾーンは、充填ゾーンの等温線と成長ゾーンの等温線との間の比較的短い距離にわたる温度勾配を有する。加熱素子の巻線パターン、及び加熱素子間の距離にわたる最小温度勾配を有する、結果として得られる等温線は、カプセル内部における及びバッフル内又はその上における壁の核形成を最小にするか又はなくす。一実施形態では、成長ゾーンは底部にあり、充填ゾーンは頂部にあってもよい。このような構成は特定の化学的性質及び成長パラメータに基づくことが可能である。   In one embodiment, the volume of the growth zone 222 is twice the volume of the filling zone 226. The electrical circuit for each heating element segment is controlled independently. Independent control is flexibly done to achieve and maintain a thermal evaporation profile along the capsule height. The physical discontinuity from the top between the second and third heater segments is at a temperature close to the baffle plate located in the capsule and separating the filling zone 226 and the growth zone 222, Create a local dip. In one embodiment, the filling zone and the growth zone are isotherms at different temperatures. The baffle zone has a temperature gradient over a relatively short distance between the isotherm of the filling zone and the isotherm of the growth zone. The resulting isotherm with the winding pattern of the heating elements and the minimum temperature gradient over the distance between the heating elements minimizes or eliminates nucleation of the walls inside the capsule and in or on the baffle. In one embodiment, the growth zone may be at the bottom and the filling zone may be at the top. Such a configuration can be based on specific chemistry and growth parameters.

特に図2を参照すると、ヒータ212は、容器又は高強度エンクロージャ218を含む装置200に配置される。容器の頂端部には第1の端部フランジ228を取り付けることができ、底端には第2の端部フランジ226を取り付けることができる。複数のファスナー216(1つのみが符号で示されている)により、端部フランジが容器端部に固定される。   With particular reference to FIG. 2, the heater 212 is disposed in a device 200 that includes a container or high-strength enclosure 218. A first end flange 228 can be attached to the top end of the container and a second end flange 226 can be attached to the bottom end. A plurality of fasteners 216 (only one is indicated by a symbol) secures the end flange to the container end.

容器218内において、セラミック製の連続的な環状部材214は、容器内面に沿って並び、ヒータ212の外面に接触する。環状材料の例は、酸化ジルコニウム又はジルコニアを含むが、それらに限定されない。第1及び第2の端部キャップ232(図中では、第1および第2の1つのみが図示されている)は、容器内部のヒータ212の端部に近接して配置される。環状プラグ234は、積層されたディスクとして示されているが、端部キャップ232を囲む環状体であってもよい。環状プラグ234は、軸方向の熱損失を低減するために、選択的に、少なくとも1つの端部に及びカプセルと端部フランジとの間のキャビティ内に配置されることができ、酸化ジルコニウム又はジルコニアを含むことが可能である。代わりのプラグ材料は、特定の実施形態によれば、酸化マグネシウム、塩類、及び水酸化ケイ酸アルミニウム又はピロフィライトなどのフィロケイ酸塩鉱物を含んでもよい。   Within the container 218, a continuous ceramic annular member 214 is arranged along the inner surface of the container and contacts the outer surface of the heater 212. Examples of annular materials include but are not limited to zirconium oxide or zirconia. First and second end caps 232 (only the first and second ones are shown in the figure) are disposed proximate to the end of the heater 212 inside the container. The annular plug 234 is shown as a stacked disk, but may be an annular body surrounding the end cap 232. Annular plug 234 can optionally be placed at at least one end and in the cavity between the capsule and end flange to reduce axial heat loss, zirconium oxide or zirconia. Can be included. Alternative plug materials may include magnesium oxide, salts, and phyllosilicate minerals such as aluminum hydroxide silicate or pyrophyllite according to certain embodiments.

装置200は、特定の実施形態によれば、カプセルの軸方向端部(符号106を参照)と、端部キャップ及び/又は環状プラグとの間に圧力伝達媒体を含み得る。圧力伝達媒体は、特定の実施形態によれば、塩化ナトリウム、他の塩類、又は水酸化ケイ酸アルミニウム又はピロフィライトなどのフィロケイ酸塩鉱物、あるいは他の材料を含むことが可能である。さらに、摩擦を低減して、動作後にカプセルをスライドさせて取り外すことを容易にするためのコーティング又は箔が選択的に存在するにもかかわらず、カプセルの外径と加熱部材の内径との間の界面は、実質的に、圧力伝達媒体を含まなくてもよい。加熱部材の外径と、連続的な環状リングの内径との間の界面も、実質的に、圧力伝達媒体を含まない。   The device 200 may include a pressure transmission medium between the axial end of the capsule (see 106) and the end cap and / or annular plug, according to certain embodiments. The pressure transmission medium can include sodium chloride, other salts, or phyllosilicate minerals such as aluminum hydroxide silicate or pyrophyllite, or other materials, according to certain embodiments. Furthermore, between the outer diameter of the capsule and the inner diameter of the heating member, despite the selective presence of a coating or foil to reduce friction and facilitate the sliding and removal of the capsule after operation. The interface may be substantially free of pressure transmission media. The interface between the outer diameter of the heating member and the inner diameter of the continuous annular ring is also substantially free of pressure transmission media.

図示した装置200を使用して、結晶成長に望ましい圧力条件及び温度条件下で、結晶を成長させることができ、例えば、関連するプロセス条件下で、窒化ガリウム結晶を成長させることができる。高圧装置200は、ヒータ212を半径方向に、軸方向に、又は半径方向及び軸方向の両方に支持するように動作可能な1つ以上の構造を含むことができる。一実施形態の支持構造は周囲環境から装置200を断熱し、このような断熱により、プロセス安定性が向上又は改善し、所望の温度プロファイルが維持及び制御され得る。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   The illustrated apparatus 200 can be used to grow crystals under pressure and temperature conditions desirable for crystal growth, for example, gallium nitride crystals can be grown under relevant process conditions. The high pressure apparatus 200 can include one or more structures operable to support the heater 212 in a radial direction, axially, or both radially and axially. The support structure of one embodiment insulates the device 200 from the ambient environment, such insulation can improve or improve process stability and maintain and control a desired temperature profile. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを含む(例えば円筒形状を有する)カプセル領域を含む。特定の実施形態では、カプセル領域内にカプセルが配置される。一例として、カプセルは、化学的に不活性である適切な材料から製造され、圧力に耐えることができ、そして他の特徴においても取扱いを容易にすることが可能である。実施形態に応じて、カプセルは、金、白金、銀、又はパラジウムから選択される材料から製造される。当然、特定の実施形態に応じて、合金、コーティング、及び/又は多層構造を含むこともできる他の適切な材料であってもよい。他の金属は、チタン、レニウム、銅、ステンレス鋼、ジルコニウム、タンタル、それらの合金などを含むことができる。特定の実施形態では、カプセルは、変形可能な材料によって特徴付けられ、実質的に、カプセル領域内の1つ以上の反応物に対して化学的に不活性である。カプセルの一例が、米国特許7,125,453号明細書に記載されており、これは、全ての目的のために参照により本明細書に援用される。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the device includes a capsule region that includes a first region and a second region and a length defined therebetween (eg, having a cylindrical shape). In certain embodiments, a capsule is placed within the capsule region. As an example, the capsule can be manufactured from a suitable material that is chemically inert, can withstand pressure, and can be easily handled in other features. Depending on the embodiment, the capsule is made from a material selected from gold, platinum, silver, or palladium. Of course, depending on the particular embodiment, other suitable materials may also be included that may include alloys, coatings, and / or multilayer structures. Other metals can include titanium, rhenium, copper, stainless steel, zirconium, tantalum, alloys thereof, and the like. In certain embodiments, the capsule is characterized by a deformable material and is substantially chemically inert to one or more reactants within the capsule region. An example of a capsule is described in US Pat. No. 7,125,453, which is hereby incorporated by reference for all purposes. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材を有する。加熱部材の他の例が、米国特許出願第2008/0083741A1号明細書に記載されており、これも本明細書で参照される。加熱部材は、独立して制御可能な少なくとも2つの高温ゾーンを有することが可能であり、3キロワット、10キロワット、30キロワット、100キロワット、300キロワット、又は1000キロワットと同様の大きさの加熱電力を発生させることができ得る。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the apparatus has an annular heating member that surrounds the capsule region. Another example of a heating member is described in US Patent Application No. 2008 / 0083741A1, which is also referenced herein. The heating element can have at least two independently controllable high temperature zones, with heating power as large as 3 kW, 10 kW, 30 kW, 100 kW, 300 kW, or 1000 kW. Can be generated. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本装置は、環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材を有する。特定の実施形態では、連続的な環状部材は、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約4ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される。一例として、セラミック材料は、希土類金属酸化物、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、sialon(Si−Al−O−N)、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン、ガーネット、クリストバライト、及びムライトを含むことができる。セラミック材料は、2つ以上の相を含む複合物であり得る。代わりに、一例として、金属は、タングステン、モリブデン、TZM合金などの難溶性金属、及び他のものであってもよい。サーメットはコバルト焼結炭化タングステン、及び他のものであることができる。以下にさらに説明する代替実施形態では、セラミック、金属、又はサーメット製の連続的な環状部材は、非対称に配置されかつセラミック、金属、又はサーメット製の連続的な環状部材の内径と、セラミック、金属、又はサーメット製の連続的な環状部材の外径との間に配置された複数のクラック領域を含むように構成される。特定の実施形態では、環状部材は、互いの頂部に積層される複数の部材の1つである。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the apparatus has at least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness continuously disposed around the annular heating member. In certain embodiments, the continuous annular member is made of a material having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and a thermal conductivity less than about 4 watts per meter Kelvin. As an example, ceramic materials include rare earth metal oxides, zirconium oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, sialon (Si—Al—O—N), silicon nitride, silicon oxynitride, garnet, Can include cristobalite and mullite. The ceramic material can be a composite comprising two or more phases. Alternatively, as an example, the metal may be a poorly soluble metal such as tungsten, molybdenum, a TZM alloy, and others. The cermet can be cobalt sintered tungsten carbide, and others. In an alternative embodiment described further below, the continuous annular member made of ceramic, metal, or cermet is asymmetrically disposed and the inner diameter of the continuous annular member made of ceramic, metal, or cermet and the ceramic, metal Or a plurality of crack regions arranged between the outer diameter of a continuous annular member made of cermet. In certain embodiments, the annular member is one of a plurality of members that are stacked on top of each other. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

さらに、特定の実施形態では、本装置は、セラミック、金属又はサーメット製の少なくとも環状の部材上に配置された円筒状スリーブ部材を有する。一例として、円筒状スリーブ部材は、ステンレス鋼、鉄、鋼、鉄合金、ニッケル又はニッケル合金、コバルト又はコバルト合金、あるいはそれらの任意の組み合わせから選択される材料から製造される。特定の実施形態では、円筒状スリーブ部材は第1の端部と第2の端部とを備える。特定の実施形態では、円筒状スリーブは寸法を規定している。   Furthermore, in certain embodiments, the apparatus has a cylindrical sleeve member disposed on at least an annular member made of ceramic, metal or cermet. As an example, the cylindrical sleeve member is manufactured from a material selected from stainless steel, iron, steel, iron alloys, nickel or nickel alloys, cobalt or cobalt alloys, or any combination thereof. In certain embodiments, the cylindrical sleeve member comprises a first end and a second end. In certain embodiments, the cylindrical sleeve defines dimensions.

実施形態に応じて、円筒状スリーブ部材の軸線と円筒状スリーブ部材の外部領域との間に約0.1〜5度の範囲のテーパー角を形成するために、第1の端部が第1の外径によって特徴付けられ、第2の端部が、第1の外径よりも小さな第2の外径によって特徴付けられる。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   Depending on the embodiment, the first end is first to form a taper angle in the range of about 0.1 to 5 degrees between the axis of the cylindrical sleeve member and the outer region of the cylindrical sleeve member. And the second end is characterized by a second outer diameter that is smaller than the first outer diameter. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

さらに、円筒状スリーブ部材は、特定の実施形態によれば、第1の端部から第2の端部までほぼ一定の内径を有するが、その内径は、実施形態に応じて様々であることもできる。好ましい実施形態では、円筒状スリーブ部材は、高圧エンクロージャ材料と協働して、セラミック製の連続的な環状部材を圧縮するように構成される。好ましい実施形態では、円筒状スリーブ部材は、機械的支持体を設けて、セラミック製の連続的な環状部材の規定された形状を維持するように構成される。より好ましい実施形態では、円筒状スリーブは、高圧エンクロージャ材料と協働して、セラミック製の連続的な環状部材を圧縮するように構成され、機械的支持体を設けて、セラミック製の連続的な環状部材の規定された形状を維持するように構成される。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   Furthermore, the cylindrical sleeve member has a substantially constant inner diameter from the first end to the second end, according to certain embodiments, but the inner diameter may vary depending on the embodiment. it can. In a preferred embodiment, the cylindrical sleeve member is configured to cooperate with the high pressure enclosure material to compress a continuous annular member made of ceramic. In a preferred embodiment, the cylindrical sleeve member is configured to provide a mechanical support to maintain the defined shape of the ceramic continuous annular member. In a more preferred embodiment, the cylindrical sleeve is configured to cooperate with the high pressure enclosure material to compress the ceramic continuous annular member, and is provided with a mechanical support to provide the ceramic continuous It is configured to maintain a defined shape of the annular member. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本装置は、セラミック製の環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料を有する。特定の実施形態では、高強度エンクロージャは、他の要素の間において、カプセル、ヒータ、スリーブを含む内部内容物を収容するように、適切な材料から製造される。特定の実施形態では、高強度エンクロージャは、鋼、低炭素鋼、SA 723鋼、SA 266炭素鋼、4340鋼、A−286鋼、鉄ベースの超合金、304ステンレス鋼、310ステンレス鋼、316ステンレス鋼、340ステンレス鋼、410ステンレス鋼、17−4析出硬化ステンレス鋼、ジルコニウム及びその合金、チタン及びその合金、並びにMonel、Inconel、Hastelloy、Udimet 500、Stellite、Rene 41、及びRene 88として一般に知られている他の材料からなる群から選択される材料から製造される。好ましい実施形態では、高強度エンクロージャは、1平方インチ当たり50,000ポンドよりも大きな圧力における圧力容器の連続動作に関して、米国機械学会によって定格付けされているような最大の引張強度及び降伏強度の特性を有する材料を含む。当然、当業者は、他の変形例、修正例、及び代替例を理解するであろう。   In certain embodiments, the device has a high strength enclosure material disposed on a ceramic annular member. In certain embodiments, the high-strength enclosure is manufactured from a suitable material to contain internal contents including capsules, heaters, and sleeves among other elements. In certain embodiments, the high strength enclosure is steel, low carbon steel, SA 723 steel, SA 266 carbon steel, 4340 steel, A-286 steel, iron-based superalloy, 304 stainless steel, 310 stainless steel, 316 stainless steel. Steel, 340 stainless steel, 410 stainless steel, 17-4 precipitation hardened stainless steel, zirconium and its alloys, titanium and its alloys, and commonly known as Monel, Inconel, Hastelloy, Udimet 500, Stylete, Rene 41, and Rene 88 Manufactured from a material selected from the group consisting of other materials. In a preferred embodiment, the high strength enclosure provides maximum tensile strength and yield strength characteristics as rated by the American Society of Mechanical Engineers for continuous operation of pressure vessels at pressures greater than 50,000 pounds per square inch. A material having Of course, those skilled in the art will appreciate other variations, modifications, and alternatives.

さらに、高強度エンクロージャは、特定の実施形態によれば、所望の長さ及び幅を有する。特定の実施形態では、高強度エンクロージャは、約2〜約25のアスペクト比を規定するための長さ及び内径を有する。高強度エンクロージャは、約10〜約12のアスペクト比を規定するための長さ及び内径を有する。特定の実施形態では、内径は約2インチ〜約50インチである。特定の実施形態では、高強度エンクロージャの高さは6インチ〜500インチである。高強度エンクロージャの外径と内径との比率は1.2〜5であり得る。特定の実施形態では、直径比は約1.5〜約3であり得る。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。本装置のさらなる詳細は、本明細書全体にわたって、より詳しくは以下に見出すことができる。   Furthermore, the high strength enclosure has a desired length and width, according to certain embodiments. In certain embodiments, the high strength enclosure has a length and an inner diameter to define an aspect ratio of about 2 to about 25. The high strength enclosure has a length and an inner diameter to define an aspect ratio of about 10 to about 12. In certain embodiments, the inner diameter is about 2 inches to about 50 inches. In certain embodiments, the height of the high strength enclosure is between 6 inches and 500 inches. The ratio of the outer diameter to the inner diameter of the high strength enclosure can be 1.2-5. In certain embodiments, the diameter ratio can be about 1.5 to about 3. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible. Further details of the device can be found throughout the present specification and in more detail below.

特定の実施形態では、図3には、本装置300が示されている。この図面は実施例に過ぎず、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定すべきではない。当業者は、他の変形例、修正例、及び代替例を理解するであろう。装置内に連続的に配置される個々の半径方向セグメントの代わりに、装置内に1つ以上のリング307を積層してもよい。リングは、本明細書に記載されている並びに本明細書以外の当業者に公知の他の材料を含む、アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン、ジルコニアなどのようなセラミックを含み得る。代わりに、リングは、タングステン、モリブデン、又はTZM合金などの難溶性金属、あるいはコバルト焼結炭化タングステンなどのサーメットを含んでもよい。リングは、0.5インチ〜24インチの内径と、1インチ〜48インチの外径と、1インチ〜96インチの高さとを有することが可能である。特定の実施形態では、内径は約1.5インチ〜約8インチであり、高さは1.5インチ〜8インチである。リングの外径と内径との比率は1.05〜60であり得る。特定の実施形態では、直径比は約1.5〜約3であり得る。リングは理論密度の95%よりも高い密度を有し得る。リング材料の破断係数は200又は450MPaよりも大きくてもよい。リング材料の破壊靱性は9MPa−m1/2よりも大きくてもよい。リングの及び高強度エンクロージャの寸法に応じて、高強度エンクロージャの内部で、1個〜200個のリングを互いの頂部に積層することが可能である。 In a particular embodiment, the apparatus 300 is shown in FIG. This drawing is only an example, and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will appreciate other variations, modifications, and alternatives. One or more rings 307 may be stacked in the device instead of individual radial segments arranged sequentially in the device. The ring may include ceramics such as alumina, silicon nitride, silicon carbide, zirconia, etc., including other materials described herein as well known to those skilled in the art. Alternatively, the ring may include a refractory metal such as tungsten, molybdenum, or a TZM alloy, or a cermet such as cobalt sintered tungsten carbide. The ring can have an inner diameter of 0.5 to 24 inches, an outer diameter of 1 to 48 inches, and a height of 1 to 96 inches. In certain embodiments, the inner diameter is about 1.5 inches to about 8 inches and the height is 1.5 inches to 8 inches. The ratio of the outer diameter to the inner diameter of the ring can be 1.05-60. In certain embodiments, the diameter ratio can be about 1.5 to about 3. The ring can have a density greater than 95% of theoretical density. The rupture factor of the ring material may be greater than 200 or 450 MPa. The fracture toughness of the ring material may be greater than 9 MPa-m 1/2 . Depending on the dimensions of the ring and the high-strength enclosure, it is possible to stack 1 to 200 rings on top of each other within the high-strength enclosure.

特定の実施形態では、0.001インチ〜0.1インチの厚さを有するスペーサをスタックの連続的なリングの間に配置して、熱膨張を許容することが可能である。スリーブ309は各リングの周囲に配置され得る。スリーブは、特定の実施形態によれば、鋼又は他の適切な材料を含むことが可能である。スリーブは0.020インチ〜0.5インチの厚さであってもよく、スリーブの高さは、実施形態に応じて、リングの高さよりも低い0.25インチから、リングの高さよりも高い0.1インチまでの範囲であってもよい。さらに、本装置は、他の要素の間において、カプセル301、温度コントローラ及び/又は電力コントローラに電気的に接続される熱電対303、ヒータ305、高強度エンクロージャ311を含む。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, spacers having a thickness of 0.001 inch to 0.1 inch can be placed between successive rings of the stack to allow thermal expansion. A sleeve 309 can be placed around each ring. The sleeve may include steel or other suitable material, according to certain embodiments. The sleeve may be 0.020 inches to 0.5 inches thick, and the height of the sleeve is from 0.25 inches lower than the ring height to higher than the ring height, depending on the embodiment. It may be in the range up to 0.1 inch. In addition, the apparatus includes a capsule 301, a thermocouple 303, a heater 305, and a high strength enclosure 311 that are electrically connected to the temperature controller and / or power controller among other elements. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、セラミックリングは、図3に示したように、動作状態下においてほとんど割れない。例えば、リングの破壊強度はカプセルの動作圧力よりも大きいことが可能である。他の実施形態では、高強度エンクロージャによる締まり嵌めによって、リングの半径方向の圧縮荷重がもたらされる。一実施形態では、組立前における高強度エンクロージャの加熱及びリングの冷却の少なくとも一方によって、締まり嵌めが実現される。他の実施形態では、高強度エンクロージャの内径において並びにリング及び/又はそれを囲むスリーブにおいて、わずかなテーパーに、例えば約1度に研削し、次に、リング及びスリーブを高強度エンクロージャに押し付けて、締まり嵌めを実現することによって、その締まり嵌めが実現される。   In certain embodiments, the ceramic ring hardly cracks under operating conditions, as shown in FIG. For example, the breaking strength of the ring can be greater than the operating pressure of the capsule. In other embodiments, an interference fit with a high strength enclosure provides a radial compressive load on the ring. In one embodiment, an interference fit is achieved by heating the high strength enclosure and / or cooling the ring prior to assembly. In other embodiments, at the inner diameter of the high strength enclosure and at the ring and / or the sleeve surrounding it, grinding to a slight taper, for example about once, and then pressing the ring and sleeve against the high strength enclosure, By realizing an interference fit, the interference fit is realized.

他の実施形態では、リングは、図4に示したように、装置400の動作状態下において少なくとも1つのクラックを有する。特定の実施形態では、リング407が、高強度エンクロージャに挿入され、初期動作中に割れることが可能になる。所望のクラック開始点でリングの内径をスクライブすることによって、特定の位置におけるクラッキングが促進され得る。結果として得られたクラックは、内径から外径までずっと延びることが可能であるか、又はリングの容積内に終端し、及び/又はこれらの構造の任意の組み合わせを有することが可能である。他の実施形態では、リングは、高強度エンクロージャに挿入する前に割れる。リングよりも高い熱膨張係数を有する精密回転ロッドをリングの内径内に摺動させて加熱することにより、プレクラッキングが実現され得る。クラックが種々の半径方向位置でリングを完全に貫通する場合には、リングを囲むスリーブ409が、共に及び互いに正確に配向されるようにリングの全ての部分を保持及び維持する。他の実施形態では、クラックは、リングの容積内に存在するが、リングの内径にも外径にも接触しない。さらに、装置400は、他の要素の間において、カプセル401、温度コントローラ及び/又は電力コントローラに電気的に接続される熱電対403、ヒータ405、高強度エンクロージャ411を含む。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In other embodiments, the ring has at least one crack under the operating condition of the device 400, as shown in FIG. In certain embodiments, the ring 407 can be inserted into a high strength enclosure and cracked during initial operation. By scribing the inner diameter of the ring at the desired crack start point, cracking at a particular location can be facilitated. The resulting cracks can extend all the way from the inner diameter to the outer diameter, or can terminate in the volume of the ring and / or have any combination of these structures. In other embodiments, the ring breaks prior to insertion into the high strength enclosure. Pre-cracking can be achieved by sliding a precision rotating rod with a higher coefficient of thermal expansion than the ring into the inner diameter of the ring and heating. If the crack penetrates the ring completely at various radial positions, the sleeve 409 surrounding the ring holds and maintains all parts of the ring so that they are correctly oriented together and relative to each other. In other embodiments, cracks are present in the volume of the ring but do not contact the inner or outer diameter of the ring. In addition, the device 400 includes a capsule 401, a thermocouple 403 electrically connected to the temperature controller and / or power controller, a heater 405, and a high strength enclosure 411 among other elements. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

図4Aは、本発明の代替実施形態である別の高圧装置の概略断面図である。特定の実施形態では、連続的なリング構造を形成する2つ以上の環状セグメント457が、高強度エンクロージャに挿入され、初期動作中に割れることが可能になる。特定の実施形態では、2つ以上の環状セグメント、又は3つ以上の環状セグメント、又は4つ以上の環状セグメント、又は他の組み合わせが存在し、この場合、セグメントの各々が、同様の長さ又は異なる長さを有してもよい。所望のクラック開始点で2つ以上の環状セグメントの内径をスクライブすることによって、特定の位置におけるクラッキングが促進され得る。結果として得られたクラックは、内径から外径までずっと延びることが可能であるか、又は2つ以上の環状セグメントの容積内に終端し、及び/又はこれらの構造の任意の組み合わせを有することが可能である。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of another high pressure device that is an alternative embodiment of the present invention. In certain embodiments, two or more annular segments 457 forming a continuous ring structure can be inserted into the high strength enclosure and cracked during initial operation. In certain embodiments, there are two or more annular segments, or three or more annular segments, or four or more annular segments, or other combinations, where each of the segments has a similar length or It may have different lengths. By scribing the inner diameter of two or more annular segments at the desired crack initiation point, cracking at a particular location can be facilitated. The resulting crack can extend all the way from the inner diameter to the outer diameter, or can terminate in the volume of two or more annular segments and / or have any combination of these structures. Is possible.

他の実施形態では、2つ以上の環状セグメントは高強度エンクロージャに挿入する前に割れる。2つ以上の環状セグメントよりも高い熱膨張係数を有する精密回転ロッドを、分割されたリングの内径内に摺動させて加熱することにより、プレクラッキングが実現され得る。クラックが種々の半径方向位置でセグメントを完全に貫通する場合には、セグメントを囲むスリーブ409が、共に及び互いに正確に配向されるようにセグメントの全ての部分を保持及び維持する。他の実施形態では、クラックは、セグメントの容積内に存在するが、セグメントの内径にも外径にも接触しない。さらに、装置450は、他の要素の間において、カプセル451、温度コントローラ及び/又は電力コントローラに電気的に接続される熱電対453、ヒータ455、高強度エンクロージャ461を含む。   In other embodiments, two or more annular segments are cracked prior to insertion into a high strength enclosure. Pre-cracking can be achieved by sliding a precision rotating rod having a higher coefficient of thermal expansion than two or more annular segments into the inner diameter of the split ring and heating. If the crack penetrates the segment completely at various radial positions, the sleeve 409 surrounding the segment holds and maintains all parts of the segment so that they are accurately oriented together and relative to each other. In other embodiments, cracks are present in the volume of the segment but do not contact the inner or outer diameter of the segment. In addition, the device 450 includes a capsule 451, a thermocouple 453, a heater 455, and a high strength enclosure 461 that are electrically connected to the temperature controller and / or power controller, among other elements.

特定の実施形態では、本方法及びそれに関連する環状セグメントは、わずかな凸凹及び/又は欠陥を含む。特定の実施形態では、セグメントは、クラッキングによってそれ自体が適合することができる適切な材料から製造される。さらに、セラミック部材の各々の寸法がわずかに変化することもクラックによって受け入れられ、これにより、組立体をほぼ連続的に加熱部材の周囲に配置することが可能になる。特定の実施形態では、本装置及びそれに関連するデバイスが、カプセルと高強度エンクロージャとの間にバッファ領域及び/又は断熱領域を設けることによって、カプセル及び/又は高強度エンクロージャの破断を防止する。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the method and associated annular segments include slight irregularities and / or defects. In certain embodiments, the segments are manufactured from a suitable material that can fit itself by cracking. In addition, slight changes in the dimensions of each of the ceramic members are also accepted by the cracks, which allows the assembly to be placed approximately continuously around the heating member. In certain embodiments, the apparatus and associated devices prevent breakage of the capsule and / or high-strength enclosure by providing a buffer area and / or a thermal insulation area between the capsule and the high-strength enclosure. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

垂直寸法は図3、図4、及び図4Aの紙面に垂直方向の寸法である。リングの内径によって規定されたキャビティの頂部及び底部は、図2に示したように、端部フランジに近接して位置決めされる断熱プラグによって終端される。ボルトによって、端部フランジを高強度エンクロージャに取り付けることが可能である。キャビティの長さ対直径の比が、少なくとも2:1であり、より好ましくは、5:1〜15:1の範囲にあるべきである。   The vertical dimension is a dimension in the direction perpendicular to the paper surface of FIGS. 3, 4, and 4A. The top and bottom of the cavity defined by the inner diameter of the ring are terminated by a thermally insulating plug positioned close to the end flange, as shown in FIG. Bolts can attach the end flange to the high strength enclosure. The ratio of cavity length to diameter should be at least 2: 1 and more preferably in the range of 5: 1 to 15: 1.

カプセルの外径の種々の高さで温度を測定するために、組立前に、少なくとも1つの軸方向の凹部又は溝が、特定の半径方向位置でカプセルの外径に配置される。図3及び図4に示した例において、4つの凹部又は溝は、カプセルの外径に沿って90度に配置される。溝又は凹部は、カプセルの全高にわたって延びることが可能であるか、又はカプセルに沿った高さに終端することが可能であり、ここで温度測定が望まれる。溝又は凹部の幅及び深さは約0.025インチ〜0.130インチであり得る。熱電対の直径よりもわずかに大きな直径を有する孔が、一方又は両方の端部フランジに配置され得る。さらに、孔又は溝が、端部フランジとカプセルとを分離する少なくとも1つの断熱シリンダに配置され得る。カプセルをヒータに挿入した後に、熱電対を溝又は凹部に挿入し、次に、端部フランジを高強度エンクロージャ上に配置することが可能である。代わりに、端部フランジを配置する前に、1つ以上の熱電対を溝又は凹部に挿入し、端部フランジを配置する前に及び電気接続部を熱電対の自由端に取り付ける前に、自由端を端部フランジに配列してもよい。本発明の実施形態による方法のさらなる詳細について以下に説明する。   In order to measure temperature at various heights of the outer diameter of the capsule, at least one axial recess or groove is placed on the outer diameter of the capsule at a particular radial position prior to assembly. In the example shown in FIGS. 3 and 4, the four recesses or grooves are arranged at 90 degrees along the outer diameter of the capsule. The groove or recess can extend over the entire height of the capsule or can terminate at a height along the capsule, where temperature measurement is desired. The width or depth of the groove or recess may be about 0.025 inches to 0.130 inches. A hole with a diameter slightly larger than the diameter of the thermocouple can be placed in one or both end flanges. Furthermore, a hole or groove can be arranged in at least one insulating cylinder separating the end flange and the capsule. After inserting the capsule into the heater, it is possible to insert a thermocouple into the groove or recess and then place the end flange on the high strength enclosure. Alternatively, before placing the end flange, insert one or more thermocouples into the grooves or recesses, before placing the end flange and before attaching the electrical connection to the free end of the thermocouple. The ends may be arranged on the end flange. Further details of the method according to embodiments of the invention are described below.

特定の実施形態による方法について以下に簡単に概説する。
1.上記装置などの、しかし他のものであってもよい、高圧結晶成長又は材料処理用の装置を設けること。この装置は、第1の領域及び第2の領域、及びそれらの間に規定された長さを有する(例えば円筒形状の)カプセル領域と、そのカプセル領域を囲む環状加熱部材と、その環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材と、その上に配置された高強度エンクロージャ材料とを備える。
2.溶剤を含むカプセルを設けること。
3.カプセル領域の内部領域内にカプセルを配置すること。
4.カプセルを熱エネルギーで処理して、カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させ、溶剤を過熱すること。
5.溶剤の過熱処理から結晶材料を形成すること。
6.カプセルから熱エネルギーを除去して、カプセルの温度を第1の温度から、それよりも低い第2の温度に変化させること。
7.高圧装置から第1のフランジ及び第2のフランジを取り外すこと。
8.油圧駆動力を用いて、機械部材をカプセル領域の第1の領域から第2の領域に向かって移動させて、カプセルをカプセル領域から移動させること。
9.カプセルを開けること。
10.結晶材料を取り出すこと。
11.所望に応じて、他のステップを実行すること。
A brief overview of the method according to certain embodiments is provided below.
1. To provide an apparatus for high pressure crystal growth or material processing, such as the above apparatus, but may be others. The apparatus includes a first region and a second region, a capsule region having a length defined therebetween (for example, a cylindrical shape), an annular heating member surrounding the capsule region, and the annular heating member At least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness continuously disposed around the periphery of the substrate and a high strength enclosure material disposed thereon.
2. To provide a capsule containing a solvent.
3. Place the capsule within the inner area of the capsule area.
4). Treating the capsule with thermal energy, raising the temperature inside the capsule to a temperature higher than 200 degrees Celsius and heating the solvent.
5. Form crystalline material from solvent heat treatment.
6). Removing thermal energy from the capsule and changing the temperature of the capsule from a first temperature to a second temperature lower than the first temperature.
7). Removing the first flange and the second flange from the high pressure device;
8). Using a hydraulic driving force, the mechanical member is moved from the first region of the capsule region toward the second region to move the capsule from the capsule region.
9. Open the capsule.
10. Remove the crystalline material.
11. Perform other steps as desired.

上記のステップの順序により、本発明の一実施形態による方法が行われる。特定の実施形態では、本発明は、構成された支持部材を有する高圧装置によって行われる方法と、結果として得られる結晶材料とを提供する。さらに、ステップが追加されるか、1つ以上のステップが排除されるか、又は1つ以上のステップが、異なる順序で行われる他の代替方法を、本明細書の特許請求の範囲から逸脱することなく行うことができる。本発明の方法及び構造の詳細は、本明細書全体にわたって、より詳しくは以下に見出すことができる。   The order of the above steps performs the method according to an embodiment of the present invention. In certain embodiments, the present invention provides a method performed by a high pressure apparatus having a configured support member and the resulting crystalline material. Further, other alternative methods in which steps are added, one or more steps are eliminated, or one or more steps are performed in a different order, depart from the claims herein. Can be done without. Details of the method and structure of the present invention can be found throughout the present specification and in more detail below.

図5は、本発明の一実施形態による、超臨界流体を処理する方法の概略図500である。この図面は実施例に過ぎず、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定すべきではない。当業者ならば、他の変形例、修正例、及び代替例を理解するであろう。特定の実施形態では、本方法はステップ501の開始から始まる。さもなければ、本方法は、上記装置などの他のものであってもよい、高圧結晶又は材料処理用の装置を設ける(ステップ503)ことによって開始する。特定の実施形態では、この装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを有するカプセル領域を有する。さらに、この装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材と、その周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材と、その上に配置された高強度エンクロージャ材料とを有する。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   FIG. 5 is a schematic diagram 500 of a method of processing a supercritical fluid, according to one embodiment of the present invention. This drawing is only an example, and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will appreciate other variations, modifications, and alternatives. In certain embodiments, the method begins at the beginning of step 501. Otherwise, the method begins by providing an apparatus for high pressure crystal or material processing (step 503), which may be other such as the above apparatus. In certain embodiments, the device has a capsule region having a first region and a second region and a length defined therebetween. Furthermore, the device comprises an annular heating member surrounding the capsule region, at least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness continuously disposed around the capsule member, and thereon. With high strength enclosure material disposed. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本方法により、例えばアンモニアなどの溶剤を含むカプセルが設けられる(ステップ505)。特定の実施形態では、本方法により、溶剤と開始結晶とを含むカプセルがカプセル領域の内部領域内に配置される(ステップ507)。本方法により、カプセルが熱エネルギーで処理されて、カプセル内が、摂氏200度よりも高い温度に上昇し、溶剤が過熱される(ステップ509)。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the method provides a capsule containing a solvent, such as ammonia (step 505). In certain embodiments, the method places a capsule containing the solvent and the starting crystal within the interior region of the capsule region (step 507). The method treats the capsule with thermal energy, raises the interior of the capsule to a temperature greater than 200 degrees Celsius, and superheats the solvent (step 509). Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

再び図5を参照すると、本方法により、溶剤の過熱処理から結晶材料が形成される(ステップ511)。好ましい実施形態では、結晶材料は、GaN、AlGaN、InGaNなどの結晶を含むガリウム、及び他のものである。特定の実施形態では、本方法により、カプセルから熱エネルギーが除去されて、カプセルの温度が第1の温度から、それよりも低い第2の温度に変化させられる(ステップ513)。エネルギーが除去されて、温度が適切なレベルに低減されていると、本方法により、少なくともカプセルを所定位置に機械的に保持している1つ以上のフランジが取り外される(ステップ515)。好ましい実施形態では、本方法により、プランジャなどの機械部材が使用され、機械部材がカプセル領域の第1の領域から第2の領域に向かって油圧で移動されて(ステップ517)、カプセルがカプセル領域から移動されて本装置から解放される。   Referring again to FIG. 5, the method forms a crystalline material from a solvent heat treatment (step 511). In a preferred embodiment, the crystalline material is gallium, including crystals such as GaN, AlGaN, InGaN, and others. In certain embodiments, the method removes thermal energy from the capsule and changes the temperature of the capsule from a first temperature to a lower second temperature (step 513). When energy is removed and the temperature is reduced to an appropriate level, the method removes at least one or more flanges that mechanically hold the capsule in place (step 515). In a preferred embodiment, the method uses a mechanical member, such as a plunger, wherein the mechanical member is hydraulically moved from a first region of the capsule region to a second region (step 517), so that the capsule is in the capsule region. Is released from the apparatus.

特定の実施形態では、今やカプセルは本装置から解放されている。特定の実施形態では、カプセルが開かれる(ステップ519)。好ましい実施形態では、結晶材料がカプセルの内部領域から取り出される(ステップ521)。実施形態に応じて、挿入又は追加することができる他のステップを用いることもできるか、又はいくつかのステップを排除することもできる。特定の実施形態では、本方法はステップ523の停止で終了する。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the capsule is now released from the device. In certain embodiments, the capsule is opened (step 519). In a preferred embodiment, the crystalline material is removed from the inner region of the capsule (step 521). Depending on the embodiment, other steps that can be inserted or added can be used, or some steps can be eliminated. In certain embodiments, the method ends with a stop at step 523. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

上記のステップの順序により、本発明の一実施形態による方法が行われる。特定の実施形態では、本発明は、構成された支持部材を有する高圧装置によって行われる方法と、結果として得られる結晶材料とを提供する。さらに、ステップが追加されるか、1つ以上のステップが排除されるか、又は1つ以上のステップが、異なる順序で行われる他の代替方法を、本明細書の特許請求の範囲から逸脱することなく行うことができる。   The order of the above steps performs the method according to an embodiment of the present invention. In certain embodiments, the present invention provides a method performed by a high pressure apparatus having a configured support member and the resulting crystalline material. Further, other alternative methods in which steps are added, one or more steps are eliminated, or one or more steps are performed in a different order, depart from the claims herein. Can be done without.

特定の代替実施形態による方法について以下に簡単に概説する。
1.上記装置などの、しかし他のものであってもよい、高圧結晶又は材料処理用の装置を組み立てること。この装置は、第1の領域及び第2の領域、及びそれらの間に規定された長さを有するカプセル領域と、そのカプセル領域を囲む環状加熱部材と、その環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材と、その上に配置された高強度エンクロージャ材料とを備える。
2.処理されるべき材料と溶剤とをカプセル内に設けること。
3.カプセル領域の内部領域内にカプセルを配置すること。
4.環状プラグ、端部キャップ、端部フランジを装置の端部上に配置すること。
5.少なくとも1つのファスナーを使用して、端部フランジを取り付けること。
6.電気エネルギーを加熱部材に与えて、カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させて、溶剤を過熱すること。
7.溶剤の過熱処理から結晶材料を形成すること。
8.カプセルから熱エネルギーを除去して、カプセルの温度を第1の温度から、それよりも低い第2の温度に変化させること。
9.高圧装置から第1のフランジ及び第2のフランジを取り外すこと。
10.油圧駆動力を用いて、機械部材をカプセル領域の第1の領域から第2の領域に向かって移動させて、カプセルをカプセル領域から移動させること。
11.カプセルを開けること。
12.結晶材料を取り出すこと。
13.所望に応じて、他のステップを実行すること。
A brief overview of the method according to certain alternative embodiments is given below.
1. Assembling an apparatus for high pressure crystal or material processing, such as the above apparatus, but may be others. The apparatus continuously includes a first region, a second region, a capsule region having a length defined therebetween, an annular heating member surrounding the capsule region, and a periphery of the annular heating member. At least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness disposed thereon and a high strength enclosure material disposed thereon.
2. Providing the capsule with the material to be treated and the solvent.
3. Place the capsule within the inner area of the capsule area.
4). Place the annular plug, end cap, and end flange on the end of the device.
5. Attach the end flange using at least one fastener.
6). Applying electrical energy to the heating member to raise the inside of the capsule to a temperature higher than 200 degrees Celsius and superheat the solvent.
7). Form crystalline material from solvent heat treatment.
8). Removing thermal energy from the capsule and changing the temperature of the capsule from a first temperature to a second temperature lower than the first temperature.
9. Removing the first flange and the second flange from the high pressure device;
10. Using a hydraulic driving force, the mechanical member is moved from the first region of the capsule region toward the second region to move the capsule from the capsule region.
11. Open the capsule.
12 Remove the crystalline material.
13. Perform other steps as desired.

上記のステップの順序により、本発明の一実施形態による方法が行われる。特定の実施形態では、本発明は、構成された支持部材を有する高圧装置によって行われる方法と、結果として得られる結晶材料とを提供する。さらに、ステップが追加されるか、1つ以上のステップが排除されるか、又は1つ以上のステップが、異なる順序で行われる他の代替方法を、本明細書の特許請求の範囲から逸脱することなく行うことができる。本発明の方法及び構造の詳細は、本明細書全体にわたって、より詳しくは以下に見出すことができる。   The order of the above steps performs the method according to an embodiment of the present invention. In certain embodiments, the present invention provides a method performed by a high pressure apparatus having a configured support member and the resulting crystalline material. Further, other alternative methods in which steps are added, one or more steps are eliminated, or one or more steps are performed in a different order, depart from the claims herein. Can be done without. Details of the method and structure of the present invention can be found throughout the present specification and in more detail below.

図6は、本発明の代替実施形態による、超臨界流体で材料を処理する代替方法の概略フローチャート600である。この図面は実施例に過ぎず、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定すべきではない。当業者は、他の変形例、修正例、及び代替例を理解するであろう。特定の実施形態では、本方法はステップ601の開始から始まる。本方法は、上記装置などの、しかし他のものであってもよい、高圧結晶又は材料処理用の装置を組み立てる(ステップ603)ことによって開始する。特定の実施形態では、この装置は、第1の領域及び第2の領域と、それらの間に規定された長さとを有する(例えば円筒形状の)カプセル領域を有する。さらに、この装置は、カプセル領域を囲む環状加熱部材と、その周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の少なくとも1つの連続的な環状部材とを有し、環状加熱部材と連続的な環状部材とがステップ605で共に組み立てられる。特定の実施形態では、カプセル、加熱部材、及び環状部材が、そのセラミック製の環状部材上に配置される高強度エンクロージャ材料に挿入される。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   FIG. 6 is a schematic flowchart 600 of an alternative method of processing a material with a supercritical fluid, according to an alternative embodiment of the present invention. This drawing is only an example, and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will appreciate other variations, modifications, and alternatives. In certain embodiments, the method begins at the beginning of step 601. The method begins by assembling an apparatus for high pressure crystal or material processing (step 603), such as the above apparatus, but may be others. In certain embodiments, the device has a capsule region (eg, a cylindrical shape) having a first region and a second region and a length defined therebetween. The apparatus further comprises an annular heating member surrounding the capsule region and at least one continuous annular member made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness continuously disposed around the capsule region, The annular heating member and the continuous annular member are assembled together at step 605. In certain embodiments, the capsule, the heating member, and the annular member are inserted into a high strength enclosure material that is disposed on the ceramic annular member. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本方法により、処理されるべき材料を含む、例えばアンモニアなどの溶剤を含むカプセルが設けられる(ステップ607)。好ましい実施形態では、カプセルがシールされる(ステップ609)。特定の実施形態では、シールされるカプセル構造を形成するように、カプセル端部の各々が溶接及び/又はろう付けされる。特定の実施形態では、本方法により、溶剤と開始結晶とを含むカプセルをカプセル領域の内部領域内に配置する(ステップ611)ことによって、組立が行われる。好ましい実施形態では、本方法により、環状プラグ、端部キャップ、及び端部フランジが装置の端部の各々に配置される(ステップ613)。例えば図2を参照されたい。好ましい実施形態では、1つのファスナー又は複数のファスナーによって端部フランジの各々が固定される。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the method provides a capsule containing a material to be treated, including a solvent such as ammonia (step 607). In a preferred embodiment, the capsule is sealed (step 609). In certain embodiments, each of the capsule ends is welded and / or brazed to form a sealed capsule structure. In certain embodiments, the method provides for assembly by placing a capsule containing the solvent and the starting crystal within the interior region of the capsule region (step 611). In a preferred embodiment, the method places an annular plug, end cap, and end flange at each end of the device (step 613). See, for example, FIG. In a preferred embodiment, each end flange is secured by one fastener or a plurality of fasteners. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本方法により、電力形態の電気エネルギーが加熱部材に与えられる(ステップ617)。加熱部材が、カプセルに熱エネルギーを与えて、所定のプロセス温度及びプロセス圧力にし、特定の実施形態によれば、溶剤を超臨界状態にする。本方法により、カプセルが熱エネルギーで処理されて、カプセル内が、摂氏200度よりも高い温度に上昇し、溶剤が過熱される。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the method provides electrical energy in the form of power to the heating member (step 617). A heating member provides thermal energy to the capsule to a predetermined process temperature and pressure, and according to certain embodiments, causes the solvent to be in a supercritical state. By this method, the capsule is treated with thermal energy, the inside of the capsule is raised to a temperature higher than 200 degrees Celsius, and the solvent is overheated. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

特定の実施形態では、本方法により、溶剤の過熱処理から結晶材料が形成される。好ましい実施形態では、結晶材料は、GaN、AlGaN、InGaNなどの結晶を含むガリウム、及び他のものである。特定の実施形態では、本方法により、カプセルから熱エネルギーが除去されて、カプセルの温度が第1の温度から、それよりも低い第2の温度に変化させられる。エネルギーが除去されて、温度が適切なレベルに低減されていると、本方法により、少なくともカプセルを所定位置に機械的に保持している1つ以上のフランジが取り外される。好ましい実施形態では、本方法により、プランジャなどの機械部材が使用され、機械部材がカプセル領域の第1の領域から第2の領域に向かって油圧で移動されて、カプセルがカプセル領域から移動されて本装置から解放される。   In certain embodiments, the method forms crystalline material from solvent heat treatment. In a preferred embodiment, the crystalline material is gallium, including crystals such as GaN, AlGaN, InGaN, and others. In certain embodiments, the method removes thermal energy from the capsule and changes the temperature of the capsule from a first temperature to a lower second temperature. When energy is removed and the temperature is reduced to an appropriate level, the method removes at least one or more flanges that mechanically hold the capsule in place. In a preferred embodiment, the method uses a mechanical member, such as a plunger, wherein the mechanical member is hydraulically moved from a first region of the capsule region to a second region, and the capsule is moved from the capsule region. Released from the device.

特定の実施形態では、今やカプセルは本装置から解放されている。特定の実施形態では、カプセルが開かれる。好ましい実施形態では、結晶材料がカプセルの内部領域から取り出される。実施形態に応じて、挿入又は追加することができる他のステップを用いることもできるか、又はいくつかのステップを排除することもできる。特定の実施形態では、本方法はステップ619の停止で終了する。当然、他の変形例、修正例、及び代替例であってもよい。   In certain embodiments, the capsule is now released from the device. In certain embodiments, the capsule is opened. In a preferred embodiment, the crystalline material is removed from the inner region of the capsule. Depending on the embodiment, other steps that can be inserted or added can be used, or some steps can be eliminated. In certain embodiments, the method ends with a stop at step 619. Of course, other variations, modifications, and alternatives are possible.

上記のステップの順序により、本発明の一実施形態による方法が行われる。特定の実施形態では、本発明は、構成された支持部材を有する高圧装置によって行われる方法と、結果として得られる結晶材料とを提供する。さらに、ステップが追加されるか、1つ以上のステップが排除されるか、又は1つ以上のステップが、異なる順序で行われる他の代替方法を、本明細書の特許請求の範囲から逸脱することなく行うことができる。   The order of the above steps performs the method according to an embodiment of the present invention. In certain embodiments, the present invention provides a method performed by a high pressure apparatus having a configured support member and the resulting crystalline material. Further, other alternative methods in which steps are added, one or more steps are eliminated, or one or more steps are performed in a different order, depart from the claims herein. Can be done without.

上記のものは特定の実施形態の完全な説明であるが、種々の修正例、代替構造及び等価物を使用することが可能である。したがって、上記説明及び図面は、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。   While the above is a complete description of a particular embodiment, various modifications, alternative constructions and equivalents can be used. Therefore, the above description and drawings should not be taken as limiting the scope of the invention which is defined by the appended claims.

Claims (28)

高圧結晶又は材料処理用の高圧装置であって、
第1の領域及び第2の領域、及び前記第1の領域と前記第2の領域との間に規定された長さを有するカプセル領域と、
前記カプセル領域を囲む環状加熱部材と、
前記環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有する少なくとも1つの連続的な環状部材であって、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約100ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される少なくとも1つの連続的な環状部材と、
高強度エンクロージャを形成するように前記環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料と、
を備える高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。
A high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials,
A first region and a second region, and a capsule region having a length defined between the first region and the second region;
An annular heating member surrounding the capsule region;
At least one continuous annular member having a predetermined thickness continuously disposed around the annular heating member, having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and greater than about 100 watts per meter Kelvin At least one continuous annular member made of a material having low thermal conductivity;
A high-strength enclosure material disposed on the annular member to form a high-strength enclosure;
A high pressure apparatus for processing high pressure crystals or materials.
前記高強度エンクロージャが、所定期間にわたる約0.1GPaよりも大きな荷重と、摂氏200度よりも低い温度とに耐えるように構成され、前記カプセル領域が円筒形状に構成され、前記連続的な環状部材が、少なくともセラミック、金属、又はサーメットから選択される材料から製造される請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-strength enclosure is configured to withstand loads greater than about 0.1 GPa over a period of time and temperatures below 200 degrees Celsius, the capsule region is configured in a cylindrical shape, and the continuous annular member The high pressure apparatus for high pressure crystal or material processing according to claim 1, wherein the high pressure crystal or material is manufactured from a material selected from at least ceramic, metal, or cermet. 前記高強度エンクロージャが、所定期間にわたる約0.1GPaよりも大きな荷重と、摂氏200よりも低い温度とに耐えるように構成され、前記カプセル領域が円筒形状に構成され、前記連続的な環状部材が少なくともセラミックから製造され、前記熱伝導率がメートルケルビン当たり4ワットよりも低い請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-strength enclosure is configured to withstand loads greater than about 0.1 GPa over a period of time and temperatures below 200 degrees Celsius, the capsule region is configured in a cylindrical shape, and the continuous annular member is The high pressure apparatus for high pressure crystal or material processing according to claim 1, wherein the high pressure crystal or material processing is made of at least ceramic and the thermal conductivity is lower than 4 watts per meter Kelvin. 前記高圧装置が、さらに、前記カプセル領域内に配置されたカプセルを備え、前記カプセルが、金、白金、銀、パラジウム、ロジウム、チタン、レニウム、銅、ステンレス鋼、ジルコニウム、タンタル、又はそれらの合金から選択される材料を含む請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-pressure device further includes a capsule disposed in the capsule region, and the capsule is gold, platinum, silver, palladium, rhodium, titanium, rhenium, copper, stainless steel, zirconium, tantalum, or an alloy thereof. 2. The high pressure crystal or material processing high pressure apparatus of claim 1 comprising a material selected from: 前記高圧装置が、さらに、前記少なくとも1つの環状部材上に配置された円筒状スリーブ部材を備え、前記円筒状スリーブ部材が、ステンレス鋼、鉄、鋼、鉄合金、ニッケル又はニッケル合金、あるいはそれらの任意の組み合わせから選択される材料から製造される請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-pressure device further includes a cylindrical sleeve member disposed on the at least one annular member, and the cylindrical sleeve member is stainless steel, iron, steel, an iron alloy, nickel or a nickel alloy, or a combination thereof. 2. The high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials according to claim 1, manufactured from a material selected from any combination. 前記円筒状スリーブ部材が第1の端部と第2の端部とを備え、前記円筒状スリーブ部材の軸線と前記円筒状スリーブ部材の外部領域との間に、約0.1〜5度の範囲のテーパー角を形成するために、前記第1の端部が第1の外径によって特徴付けられ、前記第2の端部が、前記第1の外形よりも小さな第2の外径によって特徴付けられる請求項5に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The cylindrical sleeve member comprises a first end and a second end, and is between about 0.1 and 5 degrees between the axis of the cylindrical sleeve member and the outer region of the cylindrical sleeve member. To form a range of taper angles, the first end is characterized by a first outer diameter, and the second end is characterized by a second outer diameter that is smaller than the first outer shape. The high-pressure apparatus for processing a high-pressure crystal or material according to claim 5 attached. 前記高圧装置が、さらに、前記カプセル内に1つ以上の反応物を含み、前記1つ以上の反応物がアンモニアと鉱化剤とを含む請求項4に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   5. The high pressure crystal or material processing high pressure of claim 4, wherein the high pressure device further comprises one or more reactants in the capsule, the one or more reactants comprising ammonia and a mineralizer. apparatus. 前記高強度エンクロージャが、鋼、低炭素鋼、SA 723鋼、SA 266炭素鋼、4340鋼、A−286鋼、鉄ベースの超合金、304ステンレス鋼、310ステンレス鋼、316ステンレス鋼、340ステンレス鋼、410ステンレス鋼、17−4析出硬化ステンレス鋼、ジルコニウム及びその合金、チタン及びその合金、Monel、Inconel、Hastelloy、Udimet 500、Stellite、Rene 41、及びRene 88からなる群から選択される材料から製造される請求項1に記載の装置。   The high-strength enclosure is steel, low carbon steel, SA 723 steel, SA 266 carbon steel, 4340 steel, A-286 steel, iron-based superalloy, 304 stainless steel, 310 stainless steel, 316 stainless steel, 340 stainless steel , 410 stainless steel, 17-4 precipitation hardened stainless steel, zirconium and its alloys, titanium and its alloys, Monel, Inconel, Hastelloy, Udimet 500, Stellite, Rene 41, and Rene 88. The apparatus of claim 1, wherein: 前記高強度エンクロージャが、約2〜約25のアスペクト比を規定するための長さ及び内径を有し、前記内径が約2インチ〜約50インチであり、前記高強度エンクロージャの前記長さが6インチ〜500インチであり、前記高強度エンクロージャの前記外径と前記内径との比率が1.2〜5である請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high strength enclosure has a length and an inner diameter to define an aspect ratio of about 2 to about 25, the inner diameter is about 2 inches to about 50 inches, and the length of the high strength enclosure is 6 2. The high-pressure apparatus for high-pressure crystal or material processing according to claim 1, wherein the ratio of the outer diameter to the inner diameter of the high-strength enclosure is 1.2 to 5 inches. 前記少なくとも1つの連続的な環状部材が、1.5インチ〜8インチの内径、1.5インチ〜8インチの高さ、及び1.5〜3の、前記外径と前記内径との比率を有する請求項1に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The at least one continuous annular member has an inner diameter of 1.5 inches to 8 inches, a height of 1.5 inches to 8 inches, and a ratio of the outer diameter to the inner diameter of 1.5-3. The high-pressure apparatus for processing a high-pressure crystal or material according to claim 1. 高圧結晶又は材料処理用の高圧装置であって、
第1の領域及び第2の領域、及び前記第1の領域と前記第2の領域との間に規定された長さを有するカプセル領域と、
前記カプセル領域を囲む環状加熱部材と、
順次配置されかつ前記環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有する2つ以上の環状部材であって、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約100ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される2つ以上の環状部材と、
前記環状部材の1つ以上の中に空間的に配置され、かつ共通の境界領域の一部に沿って実質的に互いに結合するように対をなす2つ以上の不規則形状の表面領域と、
高強度エンクロージャを形成するように前記2つ以上の環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料と、
を備える高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。
A high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials,
A first region and a second region, and a capsule region having a length defined between the first region and the second region;
An annular heating member surrounding the capsule region;
Two or more annular members having a predetermined thickness arranged sequentially and continuously around the annular heating member, wherein the compressive strength is greater than about 0.5 GPa and about 100 watts per meter kelvin Two or more annular members made from a material having a lower thermal conductivity;
Two or more irregularly shaped surface regions that are spatially disposed within one or more of the annular members and that are paired to substantially bond together along a portion of a common boundary region;
A high-strength enclosure material disposed on the two or more annular members to form a high-strength enclosure;
A high pressure apparatus for processing high pressure crystals or materials.
前記高強度エンクロージャが、所定期間にわたる約0.1GPaよりも大きな荷重と、摂氏200よりも低い温度とに耐えるように構成され、前記2つ以上の環状部材が、少なくとも金属、セラミック、又はサーメットから選択される材料から製造され、前記カプセル領域が円筒形状に構成される請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-strength enclosure is configured to withstand loads greater than about 0.1 GPa over a period of time and temperatures lower than 200 degrees Celsius, and the two or more annular members are made of at least metal, ceramic, or cermet The high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials according to claim 11, wherein the high-pressure crystal or material is manufactured from a selected material and the capsule region is formed in a cylindrical shape. 前記高強度エンクロージャが、所定期間にわたる約0.1GPaよりも大きな荷重と、摂氏200よりも低い温度とに耐えるように構成され、前記2つ以上の環状部材が少なくともセラミックから製造され、前記カプセル領域が円筒形状に構成され、前記熱伝導率がメートルケルビン当たり4ワットよりも低い請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-strength enclosure is configured to withstand a load greater than about 0.1 GPa over a period of time and a temperature lower than 200 degrees Celsius, and the two or more annular members are made of at least ceramic, the capsule region The high pressure apparatus for high pressure crystal or material processing according to claim 11, wherein the high temperature crystal is configured in a cylindrical shape and the thermal conductivity is lower than 4 watts per metric kelvin. 前記共通の境界領域が1つ以上のクラックを有する請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high pressure apparatus for high pressure crystal or material processing according to claim 11, wherein the common boundary region has one or more cracks. 前記不規則形状の表面領域が、約0.1mm又は0.5mm又は1mmよりも大きな二乗平均表面粗さによって構成される請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-pressure apparatus for high-pressure crystal or material processing according to claim 11, wherein the irregularly shaped surface area is constituted by a root mean square surface roughness greater than about 0.1 mm, 0.5 mm or 1 mm. 前記高圧装置が、さらに、前記カプセル領域内に配置されたカプセルを備え、前記カプセルが、少なくとも、金、白金、銀、パラジウム、ロジウム、チタン、レニウム、銅、ステンレス鋼、ジルコニウム、タンタル、又はそれらの合金から選択される材料から製造される請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-pressure apparatus further includes a capsule disposed in the capsule region, and the capsule is at least gold, platinum, silver, palladium, rhodium, titanium, rhenium, copper, stainless steel, zirconium, tantalum, or the like The high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials according to claim 11 manufactured from a material selected from the alloys of: 前記高圧装置が、さらに、前記少なくとも2つの環状部材上に配置された円筒状スリーブ部材を備え、前記円筒状スリーブ部材が、少なくとも、ステンレス鋼、鉄、鋼、鉄合金、ニッケル又はニッケル合金、コバルト又はコバルト合金、あるいはそれらの任意の組み合わせから選択される材料から製造される請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-pressure device further includes a cylindrical sleeve member disposed on the at least two annular members, and the cylindrical sleeve member is at least stainless steel, iron, steel, iron alloy, nickel or nickel alloy, cobalt Or a high pressure apparatus for processing high pressure crystals or materials according to claim 11 manufactured from a material selected from a cobalt alloy or any combination thereof. 前記円筒状スリーブ部材が第1の端部と第2の端部とを備え、前記円筒状スリーブ部材の軸線と前記円筒状スリーブ部材の外部領域との間に、約0.1〜5度の範囲のテーパー角を形成するために、前記第1の端部が第1の外径によって特徴付けられ、前記第2の端部が前記第1の外径よりも小さな第2の外径によって特徴付けられる請求項17に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The cylindrical sleeve member comprises a first end and a second end, and is between about 0.1 and 5 degrees between the axis of the cylindrical sleeve member and the outer region of the cylindrical sleeve member. To form a range of taper angles, the first end is characterized by a first outer diameter, and the second end is characterized by a second outer diameter that is smaller than the first outer diameter. 18. A high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials according to claim 17. 前記円筒状スリーブ部材が、機械的支持体を設けて、前記連続的な環状部材の規定された形状を維持するように構成され、前記連続的な環状部材が、非対称に配置されかつ前記連続的な環状部材の内径と前記連続的な環状部材の外径との間に配置された複数のクラック領域を含むように構成される請求項17に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The cylindrical sleeve member is configured to provide a mechanical support to maintain a defined shape of the continuous annular member, wherein the continuous annular member is asymmetrically disposed and the continuous 18. The high-pressure apparatus for high-pressure crystal or material processing according to claim 17, wherein the high-pressure crystal or material processing device is configured to include a plurality of crack regions disposed between an inner diameter of an annular member and an outer diameter of the continuous annular member. 前記高圧装置が、さらに、前記カプセル内に1つ以上の反応物を含み、前記1つ以上の反応物がアンモニアと鉱化剤とを含む請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high pressure crystal or material processing high pressure of claim 11, wherein the high pressure device further comprises one or more reactants in the capsule, the one or more reactants comprising ammonia and a mineralizer. apparatus. 前記高強度エンクロージャが、鋼、低炭素鋼、SA 723鋼、SA 266炭素鋼、4340鋼、A−286鋼、鉄ベースの超合金、304ステンレス鋼、310ステンレス鋼、316ステンレス鋼、340ステンレス鋼、410ステンレス鋼、17−4析出硬化ステンレス鋼、ジルコニウム及びその合金、チタン及びその合金、Monel、Inconel、Hastelloy、Udimet 500、Stellite、Rene 41、及びRene 88からなる群から選択される材料から製造される請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high-strength enclosure is steel, low carbon steel, SA 723 steel, SA 266 carbon steel, 4340 steel, A-286 steel, iron-based superalloy, 304 stainless steel, 310 stainless steel, 316 stainless steel, 340 stainless steel , 410 stainless steel, 17-4 precipitation hardened stainless steel, zirconium and its alloys, titanium and its alloys, Monel, Inconel, Hastelloy, Udimet 500, Stellite, Rene 41, and Rene 88. The high-pressure apparatus for processing a high-pressure crystal or material according to claim 11. 前記高強度エンクロージャが、約2〜約25のアスペクト比を規定するための長さ及び内径を有し、前記内径が約2インチ〜約50インチであり、前記高強度エンクロージャの前記長さが6インチ〜500インチであり、前記高強度エンクロージャの前記外径と前記内径との比率が1.2〜5である請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The high strength enclosure has a length and an inner diameter to define an aspect ratio of about 2 to about 25, the inner diameter is about 2 inches to about 50 inches, and the length of the high strength enclosure is 6 The high-pressure apparatus for high-pressure crystal or material processing according to claim 11, wherein the ratio of the outer diameter to the inner diameter of the high-strength enclosure is 1.2 to 5 inches. 前記少なくとも1つの連続的な環状部材が、1.5インチ〜8インチの内径、1.5インチ〜8インチの高さ、及び1.5〜3の、前記外径と前記内径との比率を有する請求項11に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置。   The at least one continuous annular member has an inner diameter of 1.5 inches to 8 inches, a height of 1.5 inches to 8 inches, and a ratio of the outer diameter to the inner diameter of 1.5-3. The high-pressure apparatus for processing high-pressure crystals or materials according to claim 11. 高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法であって、
前記高圧装置が、
第1の領域及び第2の領域、及び前記第1の領域と前記第2の領域との間に規定された長さを有するカプセル領域と、
前記カプセル領域を囲む環状加熱部材と、
順次配置されかつ環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有するセラミック又は金属又はサーメット製の2つ以上の環状部材であって、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約100ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される2つ以上の環状部材と、
前記環状部材の1つ以上の中に空間的に配置され、かつ共通の境界領域の一部に沿って実質的に互いに結合するように対をなす2つ以上の不規則形状の表面領域と、
前記セラミック又は金属又はサーメット製の環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料とを備え、
溶剤を含むカプセルを設けるステップと、
前記カプセル領域の内部領域内にカプセルを配置するステップと、
前記カプセルを熱エネルギーで処理して、前記カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させ、前記溶剤を過熱するステップと、
を含む高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法。
A crystal growth method using a high pressure crystal or a high pressure apparatus for material processing,
The high-pressure device is
A first region and a second region, and a capsule region having a length defined between the first region and the second region;
An annular heating member surrounding the capsule region;
Two or more annular members made of ceramic or metal or cermet having a predetermined thickness arranged sequentially and continuously around the annular heating member, the compression strength being greater than about 0.5 GPa; Two or more annular members made from a material having a thermal conductivity of less than about 100 watts per metric kelvin;
Two or more irregularly shaped surface regions that are spatially disposed within one or more of the annular members and that are paired to substantially bond together along a portion of a common boundary region;
A high strength enclosure material disposed on said ceramic or metal or cermet annular member;
Providing a capsule containing a solvent;
Disposing a capsule within an internal region of the capsule region;
Treating the capsule with thermal energy to raise the inside of the capsule to a temperature higher than 200 degrees Celsius and superheating the solvent;
A crystal growth method using a high-pressure crystal containing or a high-pressure apparatus for material processing.
前記溶剤の過熱処理から、結晶材料を形成又は再結晶化するステップをさらに含む請求項24に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法。   The crystal growth method using the high-pressure crystal or material processing high-pressure apparatus according to claim 24, further comprising a step of forming or recrystallizing a crystal material from the heat treatment of the solvent. 光学デバイス又は電気デバイスを製造するために使用される結晶材料を形成するステップをさらに含む請求項24に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法。   The crystal growth method using the high-pressure crystal or the high-pressure apparatus for material processing according to claim 24, further comprising a step of forming a crystal material used for manufacturing an optical device or an electric device. 高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法であって、
前記高圧装置が、
第1の領域及び第2の領域、及び前記第1の領域と前記第2の領域との間に規定された長さを有するカプセル領域と、
前記カプセル領域を囲む環状加熱部材と、
前記環状加熱部材の周囲に連続的に配置された所定の厚さを有する少なくとも1つの連続的な環状部材であって、約0.5GPaよりも大きな圧縮強度と、メートルケルビン当たり約100ワットよりも低い熱伝導率とを有する材料から製造される少なくとも1つの連続的な環状部材と、
高強度エンクロージャを形成するように前記環状部材上に配置された高強度エンクロージャ材料とを備え、
溶剤を含むカプセルを設けるステップと、
前記カプセル領域の内部領域内に前記カプセルを配置するステップと、
前記カプセルを熱エネルギーで処理して、前記カプセル内を、摂氏200度よりも高い温度に上昇させ、溶剤を過熱するステップと、
を含む高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法。
A crystal growth method using a high pressure crystal or a high pressure apparatus for material processing,
The high-pressure device is
A first region and a second region, and a capsule region having a length defined between the first region and the second region;
An annular heating member surrounding the capsule region;
At least one continuous annular member having a predetermined thickness continuously disposed around the annular heating member, having a compressive strength greater than about 0.5 GPa and greater than about 100 watts per meter Kelvin At least one continuous annular member made of a material having low thermal conductivity;
A high strength enclosure material disposed on the annular member to form a high strength enclosure;
Providing a capsule containing a solvent;
Disposing the capsule within an internal region of the capsule region;
Treating the capsule with thermal energy to raise the interior of the capsule to a temperature higher than 200 degrees Celsius and superheating the solvent;
A crystal growth method using a high-pressure crystal containing or a high-pressure apparatus for material processing.
光学デバイス又は電気デバイスを製造するために使用されるべき結晶材料を形成するステップをさらに含む請求項27に記載の高圧結晶又は材料処理用の高圧装置を用いた結晶成長方法。   28. The crystal growth method using the high-pressure crystal or material processing high-pressure apparatus according to claim 27, further comprising forming a crystal material to be used for manufacturing an optical device or an electric device.
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