Применение машинного зрения для автоматического контроля процесса выращивания монокристаллов галогенидов таллия по методу Бриджмена–Стокбаргера

Введение. Рассмотрена проблема управления процессом выращивания монокристаллов галогенидов таллия методом Бриджмена–Стокбаргера. Определена важность обеспечения робастного управления температурным градиентом в зоне кристаллизации, оказывающего прямое влияние на качество получаемого монокристалла. Предложено и научно обосновано применение методов машинного зрения для определения положения границы расплав–кристалл и последующего автоматического управления температурным режимом выращивания.

Метод. Для автоматизированного управления температурным градиентом предлагается использовать алгоритм, основанный на визуальном отслеживании положения кристаллизующейся границы (фронта). Распознавание фронта осуществляется посредством применения инструментов машинного зрения, позволяющих производить расчет корректирующего управляющего воздействия на верхнюю зону нагрева установки.

Основные результаты. Представлено описание ключевых шагов алгоритма, приведена его блок-схема. На примере одной итерации производственного цикла проанализирована во времени динамика изменения высоты границы расплав– кристалл и температуры верхней печи. Соответствие полученного на опытной установке продукта принятым техническим условиям подтверждает эффективность предлагаемого подхода в стабилизации температурного профиля.

Обсуждение. Разработанный алгоритм позволяет отказаться от ручного регулирования параметров на каждой установке и обеспечивает возможности для горизонтального масштабирования производства. Подход демонстрирует преимущества по сравнению с традиционными методами управления в контексте повышения повторяемости и качества выращиваемых монокристаллов. Предложенный алгоритм может быть использован при проектировании и модернизации установок, работающих по методу Бриджмена–Стокбаргера. Основным ограничением предлагаемого подхода является его применимость только к процессам, в которых осуществляется выращивание монокристаллов, обладающих характерной окраской.

1. Lang W. Silicon microstructuring technology // Materials Science and Engineering: R: Reports. 1996. V. 17. N 1. P. 1–55. https://doi.org/10.1016/0927-796X(96)00190-8

2. Kaplunov I.A., Kolesnikov A.I., Gavalyan M.Y., Belotserkovskiy A.V. Optical properties of large germanium monocrystals // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 120. N 4. P. 654–659. https://doi.org/10.1134/S0030400X16030139

3. Isaenko L., Yelisseyev A., Tkachuk A., Ivanova S. New monocrystals with low phonon energy for mid-IR lasers // NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. 2008. P. 3–65. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6463-0_1

4. Taubin M.L., Yaskolko A.A. Improvement of medical X-ray tube performance // Biomedical Engineering. 2010. V. 44. N 2. P. 73–75. https://doi.org/10.1007/s10527-010-9159-8

5. Ababiy I., Aramă E. Advantages of applications UV detectors based on stratified crystals in medicine // Proc. of the Professional Education and Economic Needs of the Black Sea Region. 2015. P. 127–133.

6. Ganesh V., Shkir M., Maurya K.K., Yahia I.S., AlFaify S. Phenol red dyed bis thiourea cadmium acetate monocrystal growth and characterization for optoelectronic applications // Journal of Materials Research. 2018. V. 33. N 16. P. 2364–2375. https://doi.org/10.1557/jmr.2018.235

7. Wischnewski M., Delibas B., Wischnewski A., Pertsch P. Microscale monocrystal ultrasonic actuators for miniature optical systems // Proc. of the International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications. 2022. P. 1–4.

8. Wang D., Chen J.S. Progress on the applications of piezoelectric materials in sensors // Materials Science Forum. 2016. V. 848. P. 749–756. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.848.749

9. Лапшин В.В., Захаревич Е.М., Кузнецов М.С., Зараменских К.С., Осипов А.В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС-5 методом алмазного точения и фрезерования // Фотоника. 2021. Т. 15. № 1. С. 18–28. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.18.28

10. Жукова Л.В., Китаев Г.А., Козлов Ф.Н. Растворимость TlBr, TlI и их твердых растворов в воде // Журнал физической химии. 1978. Т. 52. № 7. С. 1692–1695.

11. Китаев Г.А., Жукова Л.В., Козлов Ф.Н. Растворимость галогенидов таллия(I) и их твёрдых изоморфных смесей в полярных растворителях // Журнал физической химии. 1980. Т. 54. № 8. С. 2032–2036.

12. Жукова Л.В., Китаев Г.А., Козлов Ф.Н. Растворимость галогенидов одновалентного таллия в воде и неводных растворителях. Справочник по продуктам растворимости. Новосибирск: Наука, 1983. 191 c.

13. Козлов Ф.Н., Китаев Г.А., Жукова Л.В. Растворимость и кристаллизация галогенидов таллия(I) из водных растворов // Журнал неорганический химии. 1983. Т. 28. № 2. С. 482–486.

14. Haynes W.M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 2016. 2670 p.

15. Bridgman P.W. Crystals and their manufacture. Patent US1793672A. 1931.

16. Ерохин С.В., Зараменских К.С., Кузнецов М.С., Пилюшко С.М. Оптимизация процесса роста монокристалла КРС-5 с помощью расчета градиента температуры методом конечных элементов // Тонкие химические технологии. 2025. Т. 20. № 1. С. 55–62. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-55-62

17. Potts H., Wilcox W.R. Thermal fields in the Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1985. V. 73. N 2. P. 350–358. https://doi.org/10.1016/0022-0248(85)90312-4

18. Mouchovski J.T., Penev V.T., Kuneva R.B. Control of the growth optimum in producing high-quality CaF2 crystals by an improved Bridgman–Stockbarger technique // Crystal Research and Technology. 1996. V. 31. N 6. P. 727–737. https://doi.org/10.1002/crat.2170310603

19. Nicoară D., Nicoară I. An improved Bridgman–Stockbarger crystalgrowth system // Materials Science and Engineering: A. 1988. V. 102. N 2. P. L1–L4. https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90584-8

20. Chang C.E., Wilcox W.R. Control of interface shape in the vertical Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1974. V. 21. N 1. P. 135–140. https://doi.org/10.1016/0022-0248(74)90161-4

21. Rosen G.J., Carlson F.M., Thompson J.E., Wilcox W.R., Wallace J.P. Monitoring vertical Bridgman–Stockbarger growth of cadmium telluride by an eddy current technique // Journal of Electronic Materials. 1995. V. 24. N 5. P. 491–495. https://doi.org/10.1007/bf02657952