(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ溶融液に種晶を接触させた後、上昇させ、サファイア単結晶を成長させるサファイア単結晶装置であって、
アルミナを収納し、前記アルミナが溶融される第１チャンバーであって、上面に挿入口が形成されている第１チャンバーと、
前記第１チャンバーの挿入口と連通するように前記第１チャンバーの上部に設けられた第２チャンバーと、
前記第２チャンバーを通過して前記第１チャンバー内に下降するか、または前記第１チャンバーから上昇する種晶ロッドであって、終端に前記種晶が設けられた種晶ロッドと、
前記第２チャンバーの下端に設けられ、前記挿入口を開閉するチャンバー遮断部と、
前記第２チャンバーの外周面から延び、前記第２チャンバーの内部に雰囲気ガスを注入するガスラインと
を含み、
前記種晶の入れ替えのために、前記種晶ロッドの終端が上昇し、前記第２チャンバーの内部に収納されれば、前記チャンバー遮断部は、前記挿入口を閉鎖し、前記ガスラインを介して雰囲気ガスを注入して、前記第２チャンバーの内部に設けられた前記種晶及び前記種晶ロッドの終端のみを局部冷却した後、前記種晶ロッドの終端に設けられた前記種晶を入れ替えることを特徴とする
サファイア単結晶成長装置。
【請求項２】
前記第１チャンバーは、
前記第１チャンバーの内部に収納される坩堝収容容器と、
前記坩堝容器の内部に収納され、前記アルミナが充填された坩堝と、
前記坩堝収容容器を取り囲むように配置され、前記アルミナを溶融し、前記アルミナ溶融液を生成する加熱部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶成長装置。
【請求項３】
前記坩堝収容容器は、断熱材からなることを特徴とする請求項２に記載のサファイア単結晶成長装置。
【請求項４】
前記加熱部は、高周波コイルであることを特徴とする請求項２に記載のサファイア単結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶成長装置に関し、さらに詳しくは、種晶の入れ替えにかかる工程時間を短縮することができるサファイア単結晶成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サファイアは、 六方晶系の結晶構造を有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶である。サファイア単結晶は、発光ダイオード（ＬＥＤ）製造時、基板として使われている。サファイア単結晶製造方法としては、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記載する）、ベルヌーイ法（verneuil method）、キロポーラス法（kyropoulo smethod）、ＥＦＧ法、ＨＥＭ法（heat exchanger method）などがある。この中で、ＣＺ法は、単結晶の大型化が可能であり、温度勾配の調整が容易であり、高品質の単結晶を生産することができ、Ｃ面基板製造時、原料の無駄使いを防止できるため、非常に効果的な方法である。また、近来には、ＬＥＤ製造時、生産性を上げ、製造コストを抑えるために、基板の直径が大きくなる傾向にあるが、このような傾向でもＣＺ法を用いたサファイア結晶成長が多くの長所を有していた。
【０００３】
図１は、従来技術に係るＣＺ法を用いたサファイア単結晶成長装置１０を示す図である。図１に示されるように、断熱材からなる坩堝収容容器１１の内部に収納される坩堝１２に、アルミナが充填され、高周波コイル１４は坩堝１２を加熱する。坩堝１２の熱により、アルミナが溶融され、アルミナ溶融液１３を形成する。引上軸１５の下端に、種晶１６が連結され、アルミナ溶融液１３に接触した後、回転しながら、ゆっくり引き上げ、サファイア単結晶１７を成長させる。この時、アルミナ溶融液１３で対流現象が生じなければならず、アルミナ溶融液１３の対流現象を観察するためにＣＣＤカメラ（未図示）が用いられていた。
【０００４】
しかし、ＣＣＤカメラの位置、フィルタ、ズーム等により、対流現象が正しく観察できないこともある。これにより、高周波コイル１４の出力が続けて増加し、サファイア単結晶成長装置１０の内部温度も増加するようになり、種晶１６が溶けて短くなったり、完全に引上軸１５の下端から消えたりする場合が生じる。つまり、サファイア単結晶１７の成長が続かなくなり、新しい種晶１６を引上軸１５の下端に入れ替えなければならない。そのため、高周波コイル１４は、その出力値が０に達するようにし、自然冷却しなければならない。次いで、引上軸１５の下端に種晶１６が連結されるようにする。また、高周波コイル１４は、その出力値を増大させながら、坩堝１２を加熱する。即ち、種晶を入れ替えて、サファイア単結晶を成長させるためには、相当の時間が必要とされる高周波コイルの出力変化が行わなければならない。従って、種晶の入れ替えにかかる時間が相当必要とされる問題があった。また、坩堝や坩堝収容容器は、繰り返して冷却、再加熱されることによって変形し、寿命が短くなる問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、種晶ロッドに設けられた種晶の入れ替えを容易にし、これに伴う時間を短縮することができるサファイア単結晶成長装置を提供する。また、本発明は、冷却及び再加熱の繰り返しによる坩堝や坩堝収容容器の変形を防止し、坩堝や坩堝収容容器の寿命を延長することができるサファイア単結晶成長装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アルミナ溶融液に種晶を接触させた後、上昇させ、サファイア単結晶を成長させるサファイア単結晶成長装置であって、アルミナを収納し、前記アルミナが溶融される第１チャンバーであって、上面に挿入口が形成されている第１チャンバーと、前記第１チャンバーの挿入口と連通するように前記第１チャンバーの上部に設けられた第２チャンバーと、前記第２チャンバーを通過して前記第１チャンバー内に下降するか、または前記第１チャンバーから上昇する種晶ロッドであって、終端に前記種晶が設けられた種晶ロッドと、前記第２チャンバーの下端に設けられ、前記挿入口を開閉するチャンバー遮断部と
を含み、前記種晶の入れ替えのために、前記種晶ロッドの終端が上昇し、前記第２チャンバーの内部に収納されれば、前記チャンバー遮断部は、前記挿入口を閉鎖することを特徴とするサファイア単結晶成長装置を開示する。
【０００７】
また、前記第１チャンバーは、前記第１チャンバーの内部に収納される坩堝収容容器と、前記坩堝収容容器の内部に収納され、前記アルミナが充填された坩堝と、前記坩堝収容容器を取り囲むように配置され、前記アルミナを溶融し、前記アルミナ溶融液を生成する加熱部とを含むことを特徴とするサファイア単結晶成長装置を開示する
【０００８】
また、前記第２チャンバーは、前記第２チャンバーの外周面から延び、前記第２チャンバーの内部に雰囲気ガスを注入するガスラインを含むことを特徴とするサファイア単結晶成長装置を開示する。
【０００９】
また、前記坩堝収容容器は断熱材からなることを特徴とするサファイア単結晶成長装置を開示する。
【００１０】
また、前記加熱部は高周波コイルであることを特徴とするサファイア単結晶成長装置を開示する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るサファイア単結晶成長装置は、第１チャンバー、第２チャンバー、種晶ロッド及びチャンバー遮断部を含む。ここで、第２チャンバーは、種晶ロッドが通過する第１チャンバーの挿入口と連通するように第１チャンバーの上部に設けられ、雰囲気ガスが第２チャンバーの内部に注入される。また、チャンバー遮断部が、第２チャンバーの下端に設けられ、挿入口を閉鎖すると、第２チャンバーは、第１チャンバーと隔離状態になる。これにより、種晶は第１チャンバーと隔離状態の第２チャンバーの内部に収納され、雰囲気ガスにより冷却された後、入れ替えられる。
【００１２】
従来には、単一チャンバー内で、種晶を入れ替えていたため、相当の時間に亘って加熱部を冷却及び再加熱しなければならなかったが、本発明により、相当の時間が必要とされる加熱部の冷却及び再加熱が省略することができる。従って、本発明に係るサファイア単結晶成長装置は、種晶の入れ替えのための時間を顕著に短縮することができるという効果を奏する。
【００１３】
また、本発明に係るサファイア単結晶成長装置は、種晶の入れ替えにおいて、加熱部により繰り返して冷却及び再加熱される坩堝や坩堝収容容器が、一定の温度環境下に保持され、冷却及び再加熱の繰り返しによる変形及び寿命減少を防止するできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術に係るＣＺ法を用いたサファイア単結晶成長装置を示する図である。
【図２】本発明の好ましい実施例に係るサファイア単結晶成長装置を示する図である。
【図３】図２に示されたサファイア単結晶成長装置の第２チャンバーのチャンバー遮断部を示する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施例を添付された図面を参照して、詳細に説明する。本発明の説明に際して、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要に曇らせると判断される場合は、その詳細な説明を省略した。
【００１６】
図２は、本発明の好ましい実施例に係るサファイア単結晶成長装置１００を示する図であり、図３は、図２に示されたサファイア単結晶成長装置１００の第２チャンバー１０５のチャンバー遮断部１０７を示する斜視図である。図２と図３に示されるように、本発明の好ましい実施例に係るサファイア単結晶成長装置１００は、第１チャンバー１０１、坩堝収容容器１０２、坩堝１０３、加熱部１０４、第２チャンバー１０５、種晶ロッド１０６及びチャンバー遮断部１０７を含み、種晶ロッド１０６の終端に設けられた種晶１１０をアルミナ溶融液に接触させた後、上昇させ、サファイア単結晶１２０を成長させる。第１チャンバー１０１は、坩堝収容容器１０２、坩堝１０３及び加熱部１０４を収容しており、坩堝収容容器１０２、坩堝１０３及び加熱部１０４を外部環境から保護し、坩堝収容容器１０２、坩堝１０３及び加熱部１０４の熱が外部、特に第１チャンバー１０１の外部に発散されることを遮断する。
【００１７】
また、第１チャンバー１０１の上面には、上部カバー１０１ａが設けられ、上部カバー１０１ａは、第１チャンバー１０１から分離自在であり、第１チャンバー１０１の蓋のような機能を果たす。
【００１８】
また、上部カバー１０１ａには、挿入口１１１が形成される。挿入口１１１は、第１チャンバー１０１の内部と外部を連通させ、挿入口１１１を介して種晶ロッド１０６が、第１チャンバー１０１の内部に下降し、挿入され得る。
【００１９】
坩堝収容容器１０２は、第１チャンバー１０１の内部に収納され、断熱材からなる。
坩堝１０３は、坩堝収容容器１０２の内部に収納され、アルミナが充填される。この時、アルミナは固状である。また、坩堝１０３は、イリジウム素材で製造され、坩堝１０１のサイズは、製造しようとするサファイア単結晶１２０のサイズに応じて選択することができる。
【００２０】
また、坩堝１０３の上面は、開放された状態であり、第１チャンバー１０１の挿入口１１１に対応する。
【００２１】
加熱部１０４は、坩堝収容容器１０２を取り囲むように設けられ、坩堝１０３を加熱し、坩堝１０３に充填されたアルミナを溶融し、アルミナ溶融液を生成する。
【００２２】
また、加熱部１０４の出力は、調節可能であり、固状のアルミナが溶融されたアルミナ溶融液に変わり、アルミナ溶融液で対流現象が生じるまで、引続き増大する。加熱部１０４は、坩堝収容容器１０２を巻き取る高周波コイルからなることが好ましい。
【００２３】
一方、坩堝１０３において、アルミナ溶融液の対流現象を確認するために、第１チャンバー１０１の上部カバー１０１ａには、第１ビューポット１１３が形成される。第１ビューポット１１３を介してアルミナ溶融液の現在状態が確認される。アルミナ溶融液の対流現象が生ずると、加熱部１０４の出力増加が中止され、種晶１１０を用いたサファイア単結晶１２０の成長が行える。この時、第１チャンバー１０１の内部は、明るすぎてアルミナ溶融液の状態は目視で確認することが難しい。そこで、ＣＣＤカメラなどの撮影装置（未図示）が第１ビューポット１１３を介してアルミナ溶融液を撮影し、提供する。
【００２４】
第２チャンバー１０５は、第１チャンバー１０１の挿入口１１１と連通するように第１チャンバー１０１の上部に設けられる。
【００２５】
一般に、アルミナ溶融液の現状を確認するために撮影装置が用いられたとしても、撮影装置の位置、フィルタ、ズーム等により、アルミナ溶融液の状態、特に対流現象が正しく観察できないことがある。これにり、対流現象が生じていても加熱部１０４の出力は引続き増加することが発生しうる。この時、第１チャンバー１０１の内部温度が増加し、種晶１１０がサファイア単結晶１２０の成長が進む前に、小さくなるか、または溶けるようになる。この時、第２チャンバー１０５が、種晶ロッド１０６の終端に取り付けられた種晶１１０を入れ替える場所として利用される。
【００２６】
また、第２チャンバー１０５の内径は、好ましくは、種晶１１０が第２チャンバー１０５の内壁にほぼ接触される程のサイズで形成される。これにより、種晶１１０が、第２チャンバー１０５の干渉なしに、第２チャンバー１０５を通過することができ、第１チャンバー１０１内部の熱が第２チャンバー１０５を介して発散されることが制限され得る。
また、第２チャンバー１０５の外周面には、ガスライン１５１が形成される。ガスライン１５１は、雰囲気ガスを第２チャンバー１０５の内部に注入する。該雰囲気ガスは、第１チャンバー１０４内部の熱が、第２チャンバー１０５を通過することを制限し、第２チャンバー１０５の内部に収納された種晶ロッド１０６を冷却させる。
【００２７】
また、第２チャンバー１０５の外周面には、第２ビューポット１５３が形成される。第２ビューポット１５３を介して第２チャンバー１０５の内部を確認することができる。これにより、種晶ロッド１０６の終端に取り付けられた種晶１１０が、第２チャンバー１０５の内部に収納され、冷却され、入れ替え可能かを確認することができる。
【００２８】
種晶ロッド１０６は、第２チャンバー１０５を通過し、第１チャンバー１０１内に下降するか、または第１チャンバー１０１から上昇する。種晶ロッド１０６の終端に種晶１１０が取り付けられたことによって、種晶ロッド１０６を下降させ、種晶１１０をアルミナ溶融液に接触させた後、上昇させることにより、種晶１１０をサファイア単結晶１２０で成長させる。ここで、種晶ロッド１０６も坩堝１０３と同様にイリジウム素材からなる。
【００２９】
チャンバー遮断部１０７は、第２チャンバー１０５の下端に設けられ、挿入口１１１を開閉する。一般に、チャンバー遮断部１０７は、挿入口１１１を開放された状態に保持し、種晶１１０が種晶ロッド１０６の下降及び上昇によりサファイア単結晶１２０でスムーズに成長できるようにする。
【００３０】
一方、種晶１１０が、サファイア単結晶１２０で成長する前に、小さくなるか、または溶けたときに、入れ替えなければならない。この時、第２ビューポット１５３を用いて、種晶ロッド１０６の終端が、第２チャンバー１０５の内部に収納されるようにする。次いで、チャンバー遮断部１０７は、挿入口１１１を閉鎖し、第１チャンバー１０１と第２チャンバー１０５とを隔離された状態にする。これにより、種晶ロッド１０６の終端に取り付けられた種晶１１０は、入れ替える前に、第１チャンバー１０１内部の熱に影響を受けることなく、ガスライン１５１により注入される雰囲気ガスによって集中的に冷却され得る。種晶１１０は、第２チャンバーで入れ替え可能な温度に十分に冷却された後、入れ替えられる。チャンバー遮断部１０７は、また挿入口１１１を開放し、種晶１１０は種晶ロッド１０６を用いて第１チャンバー１０１内に下降し、サファイア単結晶１２０を成長させるのに利用される。
【００３１】
また、図３に図示されたチャンバー遮断部１０７は、第２チャンバー１０５の下端に、１軸を中心に左右方向に回転し、挿入口１１１を開閉させるものとして示されているが、これに限定されず、第２チャンバー１０５に対して直線移動するか、または第２チャンバー１０５の内壁に収納され、１軸を中心に上下方向に回転する等様々な方式で挿入口１１１を開閉することができる。
【００３２】
本発明に係るサファイア単結晶成長装置１００の効果を確認するために、種晶１１０が溶けた後、入れ替えられ、再びサファイア単結晶成長装置１００を介してサファイア単結晶１２０に成長できる状態に至るまでの必要とされた時間を、下記の実施例１、実施例２及び比較例１で測定した。
【００３３】
［実施例１］
実施例１は、第２チャンバー１０５とチャンバー遮断部１０７とを含むサファイア単結晶成長装置を用いた。第２チャンバー１０５に雰囲気ガスを注入しなかった。第１チャンバー１０１の内部で、種晶１１０が溶けた状態で、種晶ロッド１０６が上昇し、種晶１１０が第２チャンバー１０５の内部に収納された。この時、チャンバー遮断部１０７により挿入口１１１が閉鎖され、種晶１１０は、別途の措置なしに第２チャンバー１０５内で自然冷却された。種晶１１０は、入れ替え可能な温度に達した後、入れ替えられ、挿入口１１１がチャンバー遮断部１０７により、再び開放された状態で、種晶ロッド１０６により、第１チャンバー１０１内に下降された。ここまでの各ステップ毎に必要とされた時間を測定した。測定結果は下記表１に示した。
【００３４】
［実施例２］
実施例２は、実施例１のように第２チャンバー１０５とチャンバー遮断部１０７とを含むサファイア単結晶成長装置を用いたが、実施例１と違って、第２チャンバー１０５に雰囲気ガスを注入した。第１チャンバー１０１の内部で、種晶１１０が溶けた状態で、種晶ロッド１０６が上昇し、種晶１１０が第２チャンバー１０５の内部に収納された。この時、チャンバー遮断部１０７により挿入口１１１が閉鎖され、種晶１１０は第２チャンバー１０５内に注入される雰囲気ガスにより冷却された。種晶１１０は入れ替え可能な温度に達した後、入れ替えられ、挿入口１１１がチャンバー遮断部１０７により再び開放された状態で、種晶ロッド１０６により、第１チャンバー１０１内に下降された。この時まで、各ステップ別に必要とされた時間を測定した。測定結果は下記表１に示した。
【００３５】
［比較例１］
比較例１は、第２チャンバー１０５とチャンバー遮断部１０７とを含まないサファイア単結晶成長装置を用いた。これにより、従来同様に、加熱部１０４の出力値を０に至らしめる冷却（cool down）ステップが行われ、第１チャンバー１０１の内部で、溶けていた種晶１１０が第１チャンバー１０１の外部に配置され、別途の措置なく自然冷却された。種晶１１０は入れ替え可能な温度に達した後、加熱部１０４の出力値が、再びアルミナ溶融液の対流現象が生じ得るように増加する昇温ステップが行われ、種晶１１０は、再び第１チャンバー１０１内に下降された。この時まで、各ステップ別に必要とされた時間を測定した。測定結果は下記表１に示した。
【００３６】
下記表１は、種晶１１０の入れ替えのために行われたそれぞれのステップにおいて、必要とされる時間を示している。
【００３７】
【表１】
0005497853.tif 000002
【００３８】
表１より、本実施例に係るサファイア単結晶成長装置１００は、第２チャンバー１０５とチャンバー遮断部１０７とを含み、クールダウン及び昇温ステップを省略し、種晶を冷却させる時間を顕著に短縮させたことが確認された。また、第２チャンバー１０５に雰囲気ガスが注入されることによって、種晶の冷却時間が更に短縮されたことが確認された。
【００３９】
従って、本発明に係るサファイア単結晶成長装置は、種晶を入れ替えるために、第２チャンバーを用いて、加熱部の出力を調節するステップを省略し、チャンバー遮断部により第１チャンバーと隔離された第２チャンバーに雰囲気ガスを注入し、速かに種晶を冷却し、入れ替えできるようにする。これにより、種晶１１０の入れ替えにかかる時間が顕著に短縮され、サファイア単結晶の生産性が落ちることを防止するできる。また、坩堝や坩堝収容容器は加熱部による繰り返し的な冷却及び再加熱が省略され、冷却及び再加熱による変形が低減され、これに伴う寿命減少も防止することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００  サファイア単結晶成長装置
１０１  第１チャンバー
１０２  坩堝収容容器
１０３  坩堝
１０４  加熱部
１０５  第２チャンバー
１０６  種晶ロッド
１０７  チャンバー遮断部
１１０  種晶
１５１  ガスライン
【図１】
0005497853.tif 000003
【図２】
0005497853.tif 000004
【図３】
0005497853.tif 000005