(57)【要約】【課題】サファイアを含むいろいろな単結晶を提供すること。【解決手段】単結晶は、幅が約15cm以上、厚さが約0.5cm以上を含めた望ましい幾何学的性質を有する。また、単結晶は、例えば最大厚さ変動のような、他の特徴も有し、形成時の結晶は、略対称なネック部分、特にネックから本体への移行に関して略対称なネック部分を有する。このような結晶を作製する方法、及びその方法を実施するための装置も開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア単結晶であって、長さ、幅、及び厚さを有する単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は約15cm以上であり、厚さは約0.5cm以上であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項２】
幅が約20cm以上であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項３】
幅が約25cm以上であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項４】
厚さが約0.6cm以上であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項５】
厚さが約0.7cm以上（スペックで0.8, 0.9）であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項６】
サファイア単結晶であって、長さを有する単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は約15cm以上であり、厚さの変動は0.2cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項７】
厚さの変動が0.15cm以下であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項８】
厚さの変動が0.10cm以下であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項９】
厚さの変動が0.07cm以下であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項１０】
厚さの変動が、シートの幅にわたるセグメントに沿った最大厚さ値と最小厚さ値の差であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項１１】
サファイア単結晶であって、長さ、幅、及び厚さを有する単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は約15cm以上であり、厚さは約0.5cm以上であり、厚さの変動は0.2cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項１２】
サファイア単結晶であって、長さ、幅、及び厚さを有する成長時の単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は約15cm以上であり、該単結晶シートはさらにネックと、互いに略平行である第一及び第二の対向する側面を規定する本体とを有し、ネックから本体部分への移行が該第一及び第二の対向する側面のそれぞれの第一及び第二の移行点によって規定され、ΔTを単結晶シートの長さセグメントに投影された第一及び第二の移行点の間の間隔としたとき、該単結晶のΔTは4.0cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項１３】
ΔTが約3.0cm以下であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項１４】
ΔTが約2.0cm以下であることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項１５】
該ネックの厚さがその先端から該本体まで増加していることを特徴とする請求項６に記載の単結晶。
【請求項１６】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
ダイを有するるつぼ中にメルトを用意する工程、
ダイに沿った温度勾配を動的に調整する工程、及び
該ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項１７】
該動的に調整する工程は、該ダイに沿った温度勾配を減らすように行われることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
該温度勾配が、引き出しの間、ダイの長さに沿って約0.6℃/cm以下の値まで減らされることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
該動的に調整する工程が、引き出しの間、該温度勾配が前記の値まで減らされるように、引き出しの前に行われることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
該動的に調整する工程は、該引き出し工程の間に行われることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
単結晶を引き出す工程は、第一の単結晶を引き出す工程と第二の単結晶を引き出す工程を含み、該温度勾配は、第一の単結晶を引き出す工程の後、かつ第二の単結晶を引き出す工程の前に調整されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
該単結晶はサファイアであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
該ダイは直線状であり、該単結晶は略平面状シートの形態であり、該ダイは長さを規定する第一及び第二の対向端を有し、該ダイの長さが該略平面状シートの幅に対応することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
該ダイの長さが約22cm以上であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
該ダイの長さが約25cm以上であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
該温度勾配は、該ダイの該第一及び第二の対向端の少なくとも一つに沿って配置された可動の熱シールドを操作することによって調整されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
可動の熱シールドが該ダイの該第一及び第二の対向端の両方に配置されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
該可動の熱シールドがダイの方へ熱を放射するように機能することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
該温度勾配が、引き出しの間、該ダイの第一及び第二の対向端の間で約20℃以下の値まで減らされることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
該温度勾配が、引き出しの間、該ダイの第一及び第二の対向端の間で約15℃以下の値まで減らされることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
該温度勾配が、熱シンクを操作して該ダイから熱を取り去ることによって調整されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項３２】
該熱シンクが熱交換器であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
該熱交換器はそれを通って流れる流体を有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
該熱シンクが、該流体の少なくとも一つの流れを変更すること及び該熱シンクを再配置することによって操作されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
該温度勾配は可動の熱シールドを操作することによって調整されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項３６】
るつぼが耐火性金属から成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項３７】
該るつぼがモリブデン（Mo）を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
メルトが誘導加熱を用いた加熱によって用意されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項３９】
該誘導加熱はるつぼを囲む誘導コイルに通電することによって行われることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
該コイルは複数の巻線を有するヘリックスを形成し、該コイルはアスペクト比が少なくとも2:1である非円形断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項４１】
該るつぼは非円形の水平断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項４２】
該非円形断面は卵形又は長方形であることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
該るつぼはアスペクト比が2:1以上であることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
該単結晶をコンポーネントに機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項４５】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルトを用意する工程、
メルトから単結晶を引き出す工程、及び
該単結晶をダイからアフターヒーターに引き上げる工程
を含み、
該アフターヒーターは、下方コンパートメントと上方コンパートメントを有し、それらが隔離構造によって隔離されていることを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項４６】
該単結晶を該上方コンパートメントで冷却する工程をさらに含み、該単結晶が約300℃/hr以下の速度で冷却されることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
該速度が200℃/hr以下であることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
該速度が150℃/hr以下であることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
該速度が100℃/hr以下（スペックで50〜100）であることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
該単結晶は、質量が約4kgより大きい略平面状シートであることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
質量が約6kgより大きいことを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
隔離構造は、該結晶が上方コンパートメントに移ると該結晶の背後に閉じる隔離ドアを備えることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
該単結晶をコンポーネントに機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルト設備のるつぼ内にメルトを用意するものであって、メルト設備は、るつぼに開かれたダイと、該るつぼとダイの上にある複数の熱シールドを有し、熱シールドはダイに沿ってダイのほぼ中点で温度が最大になるような静的な温度勾配を与える形態を有する工程、及び
該ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項５５】
該熱シールドが段差形態を有することを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
熱シールドは、ダイの第一の側面に沿って配置された第一のシールド・セットと、ダイの第二の側面に沿って配置された第二のシールド・セットを含むことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
該第一及び第二のシールド・セットの各々は、該ダイの中点に対応する垂直中心軸に関して略対称であることを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルト設備のるつぼ内にメルトを用意するものであって、メルト設備は、るつぼに開かれたるつぼの長さに沿って延びるダイと、該るつぼとダイの上にある複数の熱シールドを含み、熱シールドはダイに沿ってダイのほぼ中点で温度が最大になるような静的な温度勾配を与える形態を有し、るつぼは、ルツボの長さのルツボの幅に対する比として規定されるアスペクト比が少なくとも2:1である工程、
ダイに沿った温度勾配を動的に調整する工程、及び
ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項５９】
メルト設備であって、
るつぼ、
該るつぼに開かれたそのるつぼの長さに沿って延びるダイ、及び
該るつぼとダイの上にある複数の熱シールドであって、該熱シールドはダイに沿ってダイのほぼ中点で温度が最大になるような静的な温度勾配を与える形態を有する熱シールド
を含むことを特徴とするメルト設備。
【請求項６０】
該熱シールドが段差形態を有することを特徴とする請求項５９に記載のメルト設備。
【請求項６１】
メルト設備であって、
るつぼ、
該るつぼに開かれたそのるつぼの長さに沿って延びるダイ、及び
該ダイの長さに沿って温度勾配を調整するように構成された調整可能な勾配微調整デバイス
を含むことを特徴とするメルト設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に単結晶コンポーネントに関し、さらに詳しくは単結晶シート、そのようなシートを製造する方法、及び単結晶シートの製造に関連して用いられる処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイアなどの単結晶は、いろいろな軍事的及び商業的応用を含む、要求の厳しい高性能の光学用途のための最良の材料になっている。単結晶サファイアは、200〜5000ナノメーター（nm）の範囲で良好な光学的性能を有し、さらに、大きな硬度、強度などの望ましい機械的特性、耐侵食性、及び苛酷な環境での化学的安定性を有する。
【０００３】
いくつかの要求が厳しい高性能用途は単結晶サファイアを利用しているが、一部は製造技術に基因するコストの高さとサイズの制限のためにその実用は広がっていない。この点で、シートの形の単結晶サファイアは、工業的に非常に有望な幾何学的形態である。しかし、処理コストを抑えながらサイズを大きくすることはこの産業における難問であった。例えば、大きなサイズのシートを再現性よく製造するための処理設備は十分に開発されておらず、さらに、信頼性の高い製造を可能にする処理技術も開発されていない。
【０００４】
非特許文献１は、サファイア・シート処理について（本発明者と共著で）記載している。しかし、この論文に記載された技術には制約があり、特に中程度のシート・サイズに限定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Proceedings of the Fifth DOD Electromagnetic Window Symposium, Volume I (October 1993)、表題“単結晶シートからの大直径サファイア窓”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、この産業では、サイズの向上とコストの低減によってこれまで追求されなかったいろいろな用途でシートを実用化することを可能にするコスト的に有効な方法で製造できる大きなサイズの単結晶シートに対する需要が依然として存在する。さらに、大きなサイズのサファイア・シートには特別な需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の様態では、サファイア単結晶が提供される。このサファイア単結晶は、長さ＞幅＞＞厚さで、幅が15センチメーター以上であり、厚さが約0.5センチメーター以上であるシートの形態を有している。
【０００８】
別の様態では、長さ＞幅＞厚さで、幅が15センチメーター以上であり、厚さの変動が0.2センチメーター以下であるシートの形態をしたサファイア単結晶が提供される。
【０００９】
さらに別の様態では、本体とネックを有する成長時（as-grown）の単結晶シートから成るサファイア単結晶が提供される。本体は、互いに略平行である第一及び第二の対向する側面と、第一及び第二の対向する側面のそれぞれの端又は移行点によって規定されるネックから本体への移行部を有する。ある具体的な特徴では、単結晶シートは4.0センチメーター以下のΔTを有する。ΔTは、単結晶シートの長さセグメントに投影された第一及び第二の移行点が互いに隔てられる距離である。
【００１０】
さらに別の様態では、ダイを有するるつぼにメルト（溶融物）を用意する単結晶製造方法が提供される。ダイに沿った温度勾配が動的に調整され、単結晶がダイから引き抜かれる。
【００１１】
別の様態では、単結晶を製造する方法であって、メルトを用意する工程、ダイから単結晶を引き抜く工程、ダイから単結晶を上方のアフターヒーターに引き上げる工程を含む方法が提供される。アフターヒーターは分離構造によって互いに隔てられた上方コンパートメントと下方コンパートメントを有する。
【００１２】
さらに別の様態では、単結晶を製造する方法であって、メルト設備（melt fixture）のるつぼにメルトを用意する工程を含む方法が提供される。メルト設備は、るつぼに開かれたダイとるつぼとダイの上を被う複数の熱シールドを有し、熱シールドはダイに沿って静的な温度勾配を与え、温度がダイのほぼ中点で最高になるようにする。単結晶はダイから引き抜かれる。
【００１３】
別の様態では、メルト設備も提供される。メルト設備は、望ましい静的温度勾配を与えるシールド・アセンブリを有する。別の様態では、メルト設備は、調整可能な勾配微調整（trim）デバイスを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１実施形態による結晶成長装置を示す正面図である。
【図２】本発明の１実施形態による結晶成長装置を示す側面図である。
【図３】本発明の１実施形態によるメルト設備を示した端面の斜視図であり、この設備は、図１及び図２に示した結晶成長装置の一つのコンポーネントを構成している。
【図４】図３に示したメルト設備のるつぼの寸法を示した斜視図である。
【図５】図３に示したメルト設備の立面斜視図である。
【図６】２つの成長時のサファイア単結晶を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のいろいろな実施形態に従うと、新規なサファイア単結晶、結晶成長装置、特にEFG成長装置、及び単結晶を成長させる方法が提供される。これらのいろいろな実施形態の説明を図１及び図２に示されたEFG成長装置１０の説明から始める。本明細書で用いられる場合、EFGという用語は、単結晶製造の業界で一般に理解されている縁端限定成長法（Edge-Defined-Film-Fed Growth technique）を指し、特にサファイア単結晶成長に適用されるEFGを指す。
【００１６】
図１及び図２を参照すると、EFG成長装置１０は、いくつかの主なコンポーネント、例えば、アフターヒーター１６に開いておりそれと連通している設備１４を支持する台１２などを含む。台１２は、一般的に装置を機械的に支持すると同時にメルト設備をEFG成長装置が設けられた作業面から熱的に隔離し、メルト設備１４から作業面への熱伝達を弱めるように設けられている。これに関連して、台１２は、一般に2,000℃のオーダーの高温に耐えることができる耐火材料で作られている。いろいろな耐火性金属及びセラミックが利用できるが、グラファイトが台１２に特に適している。通気孔１６が台１２に設けられて熱的な隔離をさらに高めている。
【００１７】
メルト設備１４を参照すると、単結晶を製造する原料として用いられるメルトを収容するためにるつぼ２０が設けられている。サファイア単結晶の場合、原料はアルミナ原料のメルトである。るつぼ２０は、普通、誘導加熱エレメント１７によって生成される電磁場への曝露によって加熱されるのに適合する耐火性金属から作られる。るつぼはモリブデン（Mo）から作られることが望ましいが、タングステン、タンタル、イリジウム、プラチナ、ニッケル、及びシリコン単結晶の成長の場合はグラファイト、など、他の材料も用いることができる。一般的に言うと、材料は、引き抜かれる結晶よりも高い融点を有することが望ましく、メルトによって濡らされ、メルトと化学的に反応しないものでなければならない。図示されている誘導加熱エレメント１７は、複数回巻かれヘリックスを形成するRFコイルである。るつぼ２０の内部にはダイ１８が設けられ、それはるつぼの底まで延び、ダイ１８にはるつぼのふた２１を通って開いている中央チャンネルがあって（図３を参照）、それは一般にアフターヒーター１６（以下でさらに詳しく述べる）に曝露される。ダイ１８は、当業者の間では“シェーパー（shaper）”とも呼ばれる。
【００１８】
さらに、メルト設備１４は、以下でさらに詳しく説明する複数の水平及び垂直シールドから成るシールド・アセンブリ２６を含む。メルト設備１４は、一般に、台１２の上に位置するサポート・プレート２２によって機械的に支持される。熱絶縁は、底部絶縁２４，並びにメルト設備の側面と上面をほぼ囲む絶縁層３２によって得られる。底部絶縁２４及び絶縁層３２は、例えばグラファイトのフェルトで作ることができるが、低熱伝導度の硬いグラファイト・ボード（例えばFMI Inc.からのFiberform）など他の断熱材料も利用できる；その他の材料としては、熱力学的に適合する場合、アルミナ・フェルト、及び断熱材料；ジルコニア・フェルト及び絶縁材；窒化アルミニウム及び溶融シリカ（石英）、などがある。シールド・アセンブリ２６は、図３及び図５にも認めることができるように、水平シールド２８と垂直シールド３０を含む。
【００１９】
EFG成長装置１０の次の大きな構造コンポーネントはアフターヒーター１６であり、これは下方コンパートメント４０と上方コンパートメント４２を含む。上方及び下方コンパートメントは、隔離構造によって互いに隔離されている。図１及び図２に示された特定実施形態では、図示された隔離構造は下方隔離ドア４４から成る。説明のために、一方のドアは閉じた位置で、他方のドアは開いた位置で示されている。アフターヒーターを外部環境から隔離するために第二の隔離構造も設けられている。図１及び図２に示された実施形態では、上方隔離構造は上方ドア４５によって形成される。
【００２０】
成長プロセス及びEFG成長装置の動作について以下で詳しく説明するが、このプロセスでは一般に、アフターヒーター１６を通して種子結晶４６を下げて、ダイ１８のトップにるつぼの蓋を通してアフターヒーター１６に曝露されて存在する液体と接触させることが必要になる。図示された実施形態では、アフターヒーターは受動的、すなわち、アクティブな加熱エレメント（部材）を含まない。しかし、アフターヒーターは、加熱エレメントなどの温度制御エレメントを組み込んだアクティブなものであってもよい。最初の成長の後、種子結晶を引き上げ、成長する単結晶４８が広がってネック部分を形成し、ダイの長さよりも小さな成長する幅が得られる。ネック部分は完全な幅に広がって全幅部分、すなわち、単結晶の本体の成長が始まる。その後、単結晶はアフターヒーターを通って、最初は下方コンパートメント４０を通って、次に上方コンパートメント４２を通って引き上げられる。単結晶４８が上方コンパートメント４２に移動すると、隔離ドア４４が自動的に背後で閉じられ、上方コンパートメント４２と単結晶４８を下方コンパートメント４０及びメルト設備１４から隔離する。
【００２１】
下方隔離ドア４４の形の隔離構造は、いくつかの機能を果たす。例えば、冷却のさいに結晶４８が大きく破壊した場合、生じた破片が比較的敏感なメルト設備１４にぶつかることが防がれる。さらに、隔離ドア４４は熱的な隔離になって上方コンパートメント４２にコントロールされた冷却環境を作り出し、上方コンパートメント４２における冷却速度を制御することが可能になる。
【００２２】
図１及び図２をさらに参照すると、勾配微調整（trim）システム５０が備えられている。勾配微調整システム５０はダイ１８の長さ方向で温度勾配を動的に調整する役割をする。勾配微調整システム５０は、メルト設備の対向端に設けられた上方の熱シールド５２を含み、熱シールド５２は、リンク機構を操作することによっていろいろな高さに定位させてダイの長さ方向で温度勾配を調整するようになっている。熱シールド５２は、誘導加熱エレメント１７によって誘導加熱によるアクティブ加熱エレメントとして機能するように実施することも、又は周囲熱エネルギーを反射するように実施することもできる。後者の場合、Grafoil（登録商標）（Fiber Material Inc. (FMI Inc.), Biddeford, ME, から入手できるようなもの）のようなグラファイト・シートが特に有用である。
【００２３】
図３〜図５に眼を転じると、メルト設備１４のいろいろな特徴が図示されている。図示されているように、メルト設備は支持プレート２２によって支持されるるつぼ２０を含む。さらに、るつぼ２０はるつぼふた２１によって閉じられ、その上にシールド・アセンブリ２６が設けられている。シールド・アセンブリ２６は、図示のような水平シールド２８を含み、それはシールド・ピン２９によって定位されている。水平シールドは、一般に平面形状を有するプレートとして示されているが、他の形状も用いることができる。水平シールドは、静的な（ベースライン）温度プロファイルを形成するように設けられ、それをさらに後述するように操作することができる。シールドは、熱エネルギーを反射する材料から作ることも、又は誘導電磁場の存在下でアクティブに加熱されるようにすることもできる。
【００２４】
ある特定の特徴では、水平シールド２８は、それぞれダイ１８の第一及び第二の側面に沿って位置する第一及び第二のシールド・セットに分けられる。各シールド・セットは一般に垂直な中心軸に関して対称である。図３及び図５に示された実施形態では、垂直中心軸はメルトを形成する原料が送給される送給チューブ３３の中心孔に沿って延びている。特に注目されることは、水平シールド２８が段差形状を成し、中心軸の方に向いた対向するスロープを形成していることである。図示のように、上方にあるシールド対は順次短くなって傾斜した段差形態を規定している。
【００２５】
別の特徴によれば、るつぼは細長い構造を有する、すなわち、水平断面が円形でない構造を有する。図４を参照すると、るつぼは、長さl、幅w、及び深さdを有し、l:wで規定されるアスペクト比は2:1以上である。図４に示されているように、るつぼ２０の長さと幅は互いに直角で、るつぼの内部寸法を表す。いくつかの実施形態では、アスペクト比が3:1以上であり、例えば4:1以上である。るつぼ２０の断面形状は一般に卵形であるが、他の実施形態では長方形又は多角形であり、しかも前述のようなアスペクト比の特徴を維持している。図１及び図２に示されている誘導加熱エレメント１７もるつぼと同様のアスペクト比を有する、すなわち、2:1よりも大きなアスペクト比を有する。図１に示されたコイルの長さを図２に示されたコイルの幅と比較すればこの特徴が明らかである。
【００２６】
ここでEFG成長装置１０の動作に注目すると、結晶成長は、普通るつぼ中のメルト形成に始まる。ここではるつぼは、供給された物質、サファイアの場合はAl2O3、で満たされる。供給物質は、一般に供給チューブ３３を通して導入される。溶融は、複数の誘導加熱コイルを有する誘導加熱エレメント１７を作動させて、約1950℃から約2200℃までの温度で開始され、維持される。誘導による加熱は、るつぼ２０を加熱し、熱エネルギーをその中に収容されている物質に伝えることによって行われる。メルトはダイ１８を濡らし、ダイの表面に液体の層を形成する。
【００２７】
るつぼ内に安定なメルトが形成された後、種子結晶４６がアフターヒーター１６を通して下ろされ、ダイ開口で液体に接触する。ダイ開口で種子結晶とメルトが接触した後ダイから種子結晶に延びるメルトの液体フィルムが観測され、温度と温度勾配（以下で説明する）を調整してフィルム高さが0.3乃至2,0ミリメーターのオーダーに達するようにする。この時点で、種子結晶がゆっくりと引き上げられ、アフターヒーターの下方コンパートメント４０に結晶が引き上げられたときに温度低下によって液体メルトの結晶化が生じて単結晶が形成されるようにする。一般に、種子結晶は毎時約3〜30センチメーターという範囲で、例えば毎時約3〜15センチメーターという範囲で、又は毎時約3〜10センチメーターという範囲で、引き上げられる。
【００２８】
結晶成長プロセスのこの時点で、単結晶の最大幅に満たないネックが成長する。しばらく図６に示された全長の単結晶１００に眼を向けると、単結晶１００は本体１０２とネック１０４を含み、ネックから本体への移行部はTとラベルされている。先端１０６から延びている最初の部分は最小の幾何学的形状を有することが望ましく、例えば長さが数センチメーターのオーダーであり、ダイの幅の少なくとも半分に相当する厚さを有することが望ましい。ネックの最初の部分が望ましいものであると確認されたら、ネックの残りの部分を引き上げスピードを0.1 cm/hr〜約20 cm/hrのオーダーに、しばしば0.1 cm/hr〜約10 cm/hrの範囲に、特に0.5 cm/hr〜5 cm/hrの範囲に下げて成長させる。さらに、温度も、プロセスの最初の開始温度より10℃〜100℃のオーダー、例えば10℃〜50℃のオーダー、低く下げることもある。
【００２９】
種子結晶４６の引き上げを継続すると、ネックが最大幅まで拡がり、ダイ１８の長さになる。重要なこととして、引き上げ過程でネックが一様にダイの両端へ対称に拡がり、本体の対向する側面の移行部によって規定される本体部分の開始点の間の高さの差が、結晶の垂直高さ方向に投影して互いに約4センチメーター以内であることが望ましい。
【００３０】
図６に眼を向けると、拡がり方の一様性の違いを示す二つの異なる結晶が示されている。第一の結晶８０は、不合格となった（スペックから外れた）単結晶のネック部分の一部を表し、結晶１００は、さらに処理して有用なコンポーネントにするために受容できる形成された状態の全長結晶を表している。結晶１００は、本体１０２とネック１０４を含み、成長中のネック１０４から本体への移行はラベルされた移行部Tで起こる。一般に、ネック１０４は先端１０６から移行部Tへ厚さが増加する。図示されているように、本体１０２は第一及び第二の対向する側面１０８，１１０を含み、それらは一般に互いに平行であり、側面１０８と１１０の各端点は、ネック１０４から全長を表す本体１００へのそれぞれの側方移行点によって規定される。第一の側面１０８は移行点１１２によって規定される端点を含み、同様に第二の側面１１０は移行点１１４によって規定される端点を含む。移行点１１２，１１４は単結晶シートの長さセグメント（又は長軸）に直角に投影され、この長さ方向でそれぞれの移行点１１２と１１４が隔てられる距離をΔTで表している。これは本体１０２の対向する側面１０８と１１０の移行点の間の高さの差を表す。望ましくは、ΔTは約4.0センチメーター以下、例えば約3.0センチメーター以下、特に約2.0, 1.5, 1.0, 0.8又はさらに0.7センチメーター以下である。理想的には、ΔTはゼロであるが、実際にはゼロ・デルタは再現困難である。
【００３１】
ΔTがある所定のスペック、例えば4.0センチメーターよりも大きい場合、結晶はメルトから自由に引き上げられ、廃棄されて成長作業が再び開始される。スペックから外れた結晶は図６に結晶８０として示されている。
【００３２】
極端に高いΔT値は、一般に結晶の幅にわたる望ましくない厚さの変動に対応し、内部応力とそれに伴う低い歩留まりにつながり、結晶からの光学コンポーネントの製造における加工上の問題も生ずる。高いΔTはダイの長さ方向での高い温度勾配と関係している。したがって、個々の特徴に従って、ダイの長さ方向での温度勾配を調整してΔTがスペック内にある単結晶の成長が可能になるようにする。
【００３３】
図１及び図２に戻ると、温度勾配は第一及び第二の熱シールドをダイの対向端に備えた勾配微調整システム５０を操作することによって調整できる。図１及び図２に示されている特定の実施形態では、ある端でシールドを持ち上げるとその端で温度が上昇し、シールドを下げるとダイのその端の温度が低下する。ダイの長さに沿った（例えば高温計や熱電対による）温度の読み取りを手引きにして勾配微調整システム５０が調整される。普通、温度勾配は、引き抜き作業の間、約0.6℃/cm以下の値に抑えられる。他の実施形態では、温度勾配はさらに低く、例えば0.4、又はさらに0.3℃/cmという値にまで減らされる。あるいはまた、温度勾配は、引き抜き作業の間のダイの第一及び第二の対向端の間で約20℃以下、例えば15℃以下に抑えられる。
【００３４】
ダイの長さ方向に沿った全体的な温度プロファイルは、ダイの中央で最も温度が高く、ダイの端の方へ低下してゆくという形である。理想的としては、このカーブは対称で、中央からダイの各端へ温度が一様に低下し、ダイの中央からダイの各端へほぼ同様な温度勾配を生ずるようなものである。注目されることは、シールド・アセンブリ（上記した）の形は、温度プロファイルの望ましい静的な形を与えるように選ばれるということである。そのようなものとして、加熱エレメントとして作用するシールドは、普通、ダイを二分する軸に関して対称で、高さはダイの中央において最大であり、ダイの対向端における最小まで徐々に減少している。
【００３５】
普通、調整は単結晶の成長の前に行われ、個々の単結晶の成長の間の調整、例えば第一の単結晶８０の成長と第二の単結晶１００の成長の間の調整も含む。いずれの場合も、温度勾配の動的な調整は、普通、るつぼにメルトが形成された後に行われる。さらに、温度勾配は、単結晶の成長の間にも、すなわち、単結晶を成長させ引き上げるための種子結晶の引き上げの間にも調整することができる。
【００３６】
ここでは、温度勾配の調整を熱シールドを含む勾配微調整システム５０に関して説明したが、他の勾配微調整システムも利用できる。例えば、熱シールドはダイからの熱を取り去るように働く熱シンクに置き換えることもできる。当業者に公知の方法で、熱シンクは熱交換器という形を取ることができる、例えば流体が流れて熱シンクから熱エネルギーを運び去る熱交換器であってもよい。ダイの各端から取り去られる熱エネルギーの量は、熱交換器を流れる流体の温度を操作することによって、例えば流体システムの内部にインラインで設けられたサーモスタットを用いて、及び／又は流量を調節することによって調整できる。あるいはまた、熱シンクの位置を調整してダイの各端から取り去られる熱エネルギーの量を変えることもできる。
【００３７】
スペックの範囲内にあるΔTを有する全長単結晶が作られたら、単結晶を引き上げてメルトから切り離し、単結晶をアフターヒーター１６の下方コンパートメント４０内に保って温度を安定化させる。その後、単結晶を上方コンパートメント４２に引き上げるが、その間に結晶のコントロールされた冷却が行われる。普通、冷却は約300℃/hr以下、例えば約200, 150, 又はさらに100℃/hr以下という速さで行われる。ある実施形態では、冷却速度は約50℃/hr以上、例えば約50〜100℃/hrという範囲にある。比較的ゆっくりした冷却速度は、結晶の質量を含むいくつかのパラメーターによっては一般に必要になる。比較的大きい単結晶の場合、質量は約4kgを超える、例えば約5又は6kgを超え、例えば7kgのオーダーになることが珍しくない。
【００３８】
普通、単結晶の引き上げと冷却の後、機械加工作業が行われる。一般に、単結晶はニアーネット（near-net）形であることが望ましいが、しばしば単結晶は、商業的な用途に望ましい幾何学的形態に形成するための機械加工が行われる。それに応じて、研削、ラッピング、研磨など、又はワイヤソーイングや劈開などバルクの物質の除去／成形を用いて単結晶を所望するコンポーネント（単数又は複数）に、例えばバーコード・スキャナー用の光学窓、軍事行動のための赤外及びレーザー・ガイダンス、センシング、及び標的合わせのための光学窓、赤外及び可視波長スペクトルのビジョン・システム用の光学窓、に加工される。その他の用途としては、透明装甲、例えば大きなサファイアのシートを含む複合材料で作られた防弾風防スクリーンなどがある。
【００３９】
単結晶そのものに眼を向けると、単結晶は、アルミナ単結晶（サファイア）の形である。普通、単結晶は比較的幅広く、例えば幅が約15cm以上、例えば約17, 20, 22, 25, 又はさらに28cm以上である。この幅は、引き上げ作業のときのダイの長さに対応しダイが所望の結晶の最大幅を決定する。さらに、ある特定の特徴では、平均厚さは約0.5cm以上、例えば約0.6, 0.7, 0.8, 又はさらに0.9cm以上である。
【００４０】
さらに、普通、単結晶はその厚さの変動が比較的限られ、その変動は、約0.2cm以下である。ここで、厚さの変動は、単結晶シートの本体の幅にわたるセグメントに沿った最大厚さの変動に対応する。理想としては、最大厚さの変動は、本体に沿ったすべての幅セグメントの実質的に多数に対応し、一般に単結晶の本体の大部分に沿った最大厚さ変動を表す。
【実施例】
【００４１】
実施例１，寸法305±3 x 475±10 x 9.3±.8 (W x L x T、単位mm)。
以下のプロセスフローが実施例１を形成するために用いられた。
【００４２】
a. 炉に成長コンポーネント：るつぼ、ダイ、シールド、及び断熱パッケージ（ホットゾーン）をセットする。
b. チャンバを2時間40scfm アルゴンでパージする。
c. 150kWの電源を入れる。
d. 1950℃の設定温度まで毎分@0.625%で電力を上げる。
e. 溶融（Tm）が観測されるまで手動で温度を調整する。
f. 温度をTmからTm＋60℃まで手動で調整する。
g. 送給装置をスタートさせ、るつぼに4100gの送給原料を加える。
h. メルトを1時間安定させる。
i. 種子を下ろし、ダイの中点で接触させる。
j. 種子結晶とダイを約1mmの液体フィルムが隔てるように温度を調整する（Tn）。
k. 引き上げ器の上方移動を75mm/hrでスタートさせる。
l. 結晶のネックを25mm成長させ、断面が一様で幅が十分であるかどうか、例えばダイの幅の約1/2あるかどうか、検査する。ネックが一様でなければ、結晶を切り離し、温度勾配を調整し、新たな結晶の成長プロセスを再び開始する。
m. 温度をTn-40℃に調整し、引き上げスピードを25mm/hrに下げる。
n. 結晶をダイの縁まで拡がらせる。結晶がダイの縁まで一様に拡がらない場合、結晶を切り離し、温度勾配を調整して新たな結晶の成長プロセスを再び開始する。
o. 成長の長さが50mmに達したら送給装置をスタートさせて送給物質を2.2g/minの速さで加え−その成長ランの過程で全部で2250gになるようにする。
p. 結晶の本体を25mm/hrの速さで成長させながら、ダイ界面で0.3±0.1mmの一様な液体フィルム高さを維持するように温度及び／又は温度勾配を調整する。
q. 全幅結晶の長さが485mmに達したら、長さ8mmにわたって引き上げ速度を7500mm/hrに上げて結晶をダイから切り離す。
r. 結晶の底がダイの上8mmに達したら、引き上げ速度を150mm/hrに下げて、結晶の底がダイの上150mmになるまで続ける。
s. 引き上げ速度を375mm/hrに上げ、結晶が炉のトップのホットゾーンから出るまで続ける。
【００４３】
その他の実施例
サイズの異なる結晶では、成長期間にメルト設備に送給される原料の量は異なる重量の結晶に適合するように変わる。例えば、実施例１の場合の全重量は約6350gである。230 x 610 x 9.3の結晶では、全重量は6150gになる。したがって、この第二の実施例では、最初の装荷量が4100gであり、1.5g/minで装荷される量は2050になる（2050g/〜24hr成長（610mm/25mm/hr））。一般に、入ってくる原料を成長プロセスにわたって、結晶の全長にわたって一様に装荷することが望ましい。
【００４４】
本発明の実施形態のいろいろな特徴を利用して、例えば高アスペクト比のるつぼ、高アスペクト比の加熱エレメントの利用、勾配微調整システムの利用、及びコンパートメントに分かれたアフターヒーターの導入などによって、最小の幅、厚さ及び厚さ変動などの前述の望ましい幾何的及び質量特徴を有するサファイア単結晶シートが十分に形成できる。さらに具体的に言うと、高アスペクト比のるつぼの利用によって、プロセスの一様性と再現性を改善でき、ダイの長さに沿った温度勾配を動的にコントロールする温度勾配システムを用いてダイに沿った温度勾配及びダイに沿った最大温度変動を最小にすることができ、それにより単結晶のネックに沿った対称な拡がりを可能にし、厚さを一様にし、比較的大きな質量の比較的厚い結晶を成長させることができる。従来技術は、幅及び／又は厚さが限られた中程度のサイズの単結晶の形成に関する成功を報告しているが、本発明の実施形態は次世代の大きなサイズの単結晶、特に単結晶シートを可能にするプロセス制御及び設備の改良を可能にする。
【００４５】
以上に開示された内容は、説明のための例示的なものであり制限的なものと見なすべきではなく、添付された特許請求の範囲が、本発明の範囲内にあるすべての変更、強化、その他の実施形態を含むものである。例えば、いくつかの実施形態は大きなサイズのサファイアの成長に焦点を合わせている芽、その他の単結晶もここで記載されたプロセスの方法を用いて製造できる。したがって、本発明の範囲は、以下のクレーム及びその同等物の許される最も広い解釈によって法によって許される最大限度まで決定されるものとし、前述した詳細な記載によって制限又は限定されないものとする。
【図１】
2010229030.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年7月9日(2010.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア単結晶であって、長さを有する単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は15cm以上であり、厚さの変動は0.2cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項２】
厚さの変動が0.15cm以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項３】
厚さの変動が、シートの幅にわたるセグメントに沿った最大厚さ値と最小厚さ値の差であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項４】
サファイア単結晶であって、長さ、幅、及び厚さを有する単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は15cm以上であり、厚さは0.5cm以上であり、厚さの変動は0.2cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項５】
サファイア単結晶であって、長さ、幅、及び厚さを有する成長時の単結晶シートを含み、長さ＞幅＞厚さであり、幅は15cm以上であり、該単結晶シートはさらにネックと、互いに略平行である第一及び第二の対向する側面を規定する本体とを有し、ネックから本体部分への移行が該第一及び第二の対向する側面のそれぞれの第一及び第二の移行点によって規定され、ΔTを単結晶シートの長さセグメントに投影された第一及び第二の移行点の間の間隔としたとき、該単結晶のΔTは4.0cm以下であることを特徴とするサファイア単結晶。
【請求項６】
ΔTが3.0cm以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項７】
該ネックの厚さがその先端から該本体まで増加していることを特徴とする請求項１に記載の単結晶。
【請求項８】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
ダイを有するるつぼ中にメルトを用意する工程、
ダイに沿った温度勾配を動的に調整する工程、及び
該ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項９】
該動的に調整する工程は、該ダイに沿った温度勾配を減らすように行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
該温度勾配が、引き出しの間、ダイの長さに沿って0.6℃/cm以下の値まで減らされることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
該動的に調整する工程が、引き出しの間、該温度勾配が前記の値まで減らされるように、引き出しの前に行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
該動的に調整する工程は、該引き出し工程の間に行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
単結晶を引き出す工程は、第一の単結晶を引き出す工程と第二の単結晶を引き出す工程を含み、該温度勾配は、第一の単結晶を引き出す工程の後、かつ第二の単結晶を引き出す工程の前に調整されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
該単結晶はサファイアであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
該ダイは直線状であり、該単結晶は略平面状シートの形態であり、該ダイは長さを規定する第一及び第二の対向端を有し、該ダイの長さが該略平面状シートの幅に対応することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
該ダイの長さが22cm以上であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
該温度勾配が、引き出しの間、該ダイの第一及び第二の対向端の間で20℃以下の値まで減らされることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
該温度勾配は可動の熱シールドを操作することによって調整されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
るつぼが耐火性金属から成ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項２０】
該るつぼがモリブデン（Mo）を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
メルトが誘導加熱を用いた加熱によって用意されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項２２】
該るつぼは非円形の水平断面を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項２３】
該非円形断面は卵形又は長方形であり、かつアスペクト比が2:1以上であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
該単結晶をコンポーネントに機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項２５】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルトを用意する工程、
メルトから単結晶を引き出す工程、及び
該単結晶をダイからアフターヒーターに引き上げる工程
を含み、
該アフターヒーターは、下方コンパートメントと上方コンパートメントを有し、それらが隔離構造によって隔離されていることを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項２６】
該単結晶を該上方コンパートメントで冷却する工程をさらに含み、該単結晶が300℃/hr以下の速度で冷却されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
該単結晶は、質量が4kgより大きい略平面状シートであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
隔離構造は、該結晶が上方コンパートメントに移ると該結晶の背後に閉じる隔離ドアを備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
該単結晶をコンポーネントに機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルト設備のるつぼ内にメルトを用意するものであって、メルト設備は、るつぼに開かれたダイと、該るつぼとダイの上にある複数の熱シールドを有し、熱シールドはダイに沿ってダイのほぼ中点で温度が最大になるような静的な温度勾配を与える形態を有する工程、及び
該ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【請求項３１】
該熱シールドが段差形態を有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
熱シールドは、ダイの第一の側面に沿って配置された第一のシールド・セットと、ダイの第二の側面に沿って配置された第二のシールド・セットを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
該第一及び第二のシールド・セットの各々は、該ダイの中点に対応する垂直中心軸に関して略対称であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
単結晶を作製する方法であって、下記の工程：
メルト設備のるつぼ内にメルトを用意するものであって、メルト設備は、るつぼに開かれたるつぼの長さに沿って延びるダイと、該るつぼとダイの上にある複数の熱シールドを含み、熱シールドはダイに沿ってダイのほぼ中点で温度が最大になるような静的な温度勾配を与える形態を有し、るつぼは、ルツボの長さのルツボの幅に対する比として規定されるアスペクト比が少なくとも2:1である工程、
ダイに沿った温度勾配を動的に調整する工程、及び
ダイから単結晶を引き出す工程
を含むことを特徴とする単結晶を作製する方法。
【外国語明細書】
2010229030000001.pdf