(57)【要約】      （修正有）【課題】軸方向がｒ軸で直径１５０ｍｍ以上、直胴長さ２００ｍｍ以上の泡を含まないサファイア単結晶コアを安定的に製造する方法を提供する。【解決手段】チョクラルスキー法を用いてｒ軸を育成方向としてサファイア単結晶を育成するに際し、肩部における水平面に対して１０°以上３０°以下となる部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように該肩部の形成速度を制御することで、直胴部に泡を含まない直胴直径１５０ｍｍ以上、直胴長さ２００ｍｍ以上の単結晶を安定的に得ることができる。この結晶を切断して得られた前記形状のｒ面サファイアコアを用いることで、マルチワイヤソーにおける切断加工に際してコアの繋ぎ合わせなどの工程を必要とせず、効率的に表面にｒ面を有するサファイア基板を製造することができる。【選択図】図５
2014162673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向がｒ軸で長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、泡を含まないサファイア単結晶コア。
【請求項２】
チョクラルスキー法で単結晶をｒ軸方向に成長させてサファイアインゴットを得る工程と、該サファイアインゴットからからコアを切り出す工程を含んでなる請求項１記載のサファイアコアの製造方法であって、
前記チョクラルスキー法での肩部形成の際に、肩部における水平面に対して１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように該肩部の形成速度を制御することを特徴とする前記製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に絶縁性基板として用いられるサファイア基板製造用のサファイアコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性の基板材料の上にシリコン膜を成長して得られるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板上に形成された半導体デバイスは、従来の単結晶シリコン基板上に形成したデバイスに比べて動作の高速化、回路の高集積化が可能となることから、高性能デバイス用途として徐々に製品化が進んでいる。このＳＯＩ基板の代表的なものとして、サファイア（酸化アルミニウム）単結晶基板上にシリコン膜を成長して得られるＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）基板がある。
【０００３】
ＳＯＳ基板は一般に、シリコンとの格子定数差が最も小さいｒ面、すなわちミラー指数｛１−１０２｝のサファイア基板上に、ＣＶＤ法やＭＢＥ法等を用いてシリコンをエピタキシャル成長することで形成する。ここで用いられるｒ面サファイア基板としては、一般に直径１５０ｍｍ（当該業者は一般にこれを６インチ基板と呼ぶ）以上の大口径なものが要求されている。
【０００４】
サファイア基板は、ＬＥＤチップの窒化物半導体形成用としての需要が旺盛となったことから、近年、大量生産技術の開発が盛んに行われている。しかし、窒化物半導体形成用としては一般に窒化物半導体との格子定数差が最も小さいｃ面｛０００１｝サファイア基板が用いられており、これらの技術開発はｃ面基板を効率よく生産することに特化されたものが多い。その一方で、ＳＯＳ基板に用いられる６インチ以上の大口径ｒ面サファイア基板を効率よく製造する検討は進んでいない。
【０００５】
サファイア単結晶基板の材料となるサファイア単結晶体の作製方法にはベルヌーイ法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ  Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ）法、チョクラルスキー法、キロポーラス法、ＨＥＭ（Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｔｈｏｄ）法などが知られているが、現状、６インチ以上の大型基板の材料となるサファイア単結晶体の成長方法として最も一般的なのはキロポーラス法である。
【０００６】
キロポーラス法は融液成長法の一種で、原料溶融液面に接触させた種結晶体を引上げず、或いはチョクラルスキー法と比較して極端に遅い速度で引上げつつ、ヒーター出力を徐々に下げて坩堝を冷却することにより、原料溶融液面下で単結晶体を成長させる方法であり、優れた結晶特性を有する大口径の単結晶体を比較的容易に得ることができる。
【０００７】
しかし、キロポーラス法はチョクラルスキー法と比べて非常に弱い温度勾配下で結晶成長を行うため、結晶方位ごとに異なる成長速度の差の影響を大きく受けることが知られている。サファイア単結晶の場合、成長速度が遅く、結晶欠陥が伝播しやすい性質を持つｃ軸方向を育成方向に対して垂直に配し、ａ面｛１１−２０｝を下面に向けた種結晶を原料溶融液に接触させ、ａ軸方向に結晶成長させることが一般的である。このようにして得られたａ軸を成長方向とするサファイア単結晶体から前記ｒ面のサファイア単結晶基板を得るためには、コアドリル等を用いて該単結晶体の斜め側面方向であるｒ軸方向から希望の直径を持つ円柱体（コア）を切り抜き、これをマルチワイヤソー等で円板状に切断する必要がある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２０７９９２号公報
【特許文献２】特開２００８−０００９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようにキロポーラス法を用いてａ軸方向に成長したサファイア単結晶体から、斜め側面ｒ軸方向に切り抜くことで得られたｒ面サファイア単結晶コアは、育成した結晶体に比して非常に小さなものとなってしまう問題がある。例えば、一般的に知られているキロポーラス法の大型結晶は直径２００ｍｍ程度のａ軸を高さ方向に有する円柱体であるが、ここからｒ面を上下に有する直径１５０ｍｍのコアを切り抜くと、理論上、最長でも１３４ｍｍ程度のコアしか取得できない。しかし一方で、サファイアコアを基板にスライスするマルチワイヤソーは３００ｍｍ以上の長さのコアを切断できる装置が一般的であり、生産性を向上させるためには、複数個の厚みの薄いコアを精密に方位を合わせながら連結して長さを２００ｍｍ以上とした後に、マルチワイヤソーで切断する等の煩雑な工程を要していた。
【００１０】
一方、チョクラルスキー法によれば、サファイア単結晶をｒ軸方向に２００ｍｍ以上の長尺で成長させることは比較的容易である。しかし、ｒ軸方向に結晶を成長させた場合、肩部の特定の結晶方位にファセットと呼ばれる平坦部を生じ、結晶形状が軸対称形でなくなることから結晶中心部に泡が多数混入するという問題があり、結果として泡のないコアを安定して製造することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究した結果、チョクラルスキー法において肩部形成の際に、肩部における水平面に対して１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように該肩部の形成速度を制御することで、ｒ軸を結晶成長方向（鉛直方向）とした泡の混入がない直径１５０ｍｍ以上、長さ２００ｍｍ以上の直胴部を持つサファイア単結晶体を安定的に製造しうることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
すなわち本発明は、軸方向がｒ軸で長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、泡を含まないサファイア単結晶コアおよびその製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による、軸方向がｒ軸で長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、泡を含まないサファイア単結晶コアを用いることで、コアの連結といった煩雑な工程を要さずにマルチワイヤソーによる効率的な切断をすることができ、ｒ面サファイア基板の製造効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のサファイア単結晶コアを示す模式図。
【図２】チョクラルスキー法単結晶引上げ炉の構造を示す模式図。
【図３】アニール炉の構造を示す模式図。
【図４】サファイア単結晶体の加工工程の一例。
【図５】実施例における肩部の形状。
【図６】比較例における肩部の形状。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、平行な二つの平面を有するサファイア単結晶コアに係わり、該サファイア単結晶コアのｒ軸は該平面に対して９０±１°の範囲にある。
【００１６】
本発明のサファイア単結晶コアは、上記平面に対する内接円の直径が１４０ｍｍ以上である。通常、サファイアコアには、スライス後の基板の向きを合わせるために、オリエンテーションフラット（オリフラ）と呼ばれる切り欠きが設けられる（図１参照）。このオリフラの存在を考慮すると、例えば内接円の直径が１４０ｍｍ以上であれば、コア自体は６インチ（１５０ｍｍ）級以上のコアとなる。上限は特に定められるものではないが、チョクラルスキー法での製造における、結晶のクラック・割れやリネージの発生確度、有用性などを考慮すると１７０ｍｍ以下が好ましい。
【００１７】
本発明のサファイア単結晶コアは、上記平面に対する垂直方向の高さが２００ｍｍ以上である。上限は特に定められるものではないが、チョクラルスキー法での製造における、結晶のクラック・割れやリネージの発生確度、有用性などを考慮すると５００ｍｍ以下が好ましい。
【００１８】
また、蛍光灯などの室内光で確認可能な気泡はもとより、暗室内で高照度ハロゲンランプを結晶内部に照射することによる、目視によって確認できる微少気泡を全く有さないか、泡を有する部分の垂直方向の長さが全長の３％以下である。
【００１９】
本発明のサファイアコアは単結晶体であるが、さらにＸ線トポグラフで確認可能なサブグレインも有さない、即ち、真の単結晶体若しくはそれに近いものである。当該サブグレインの確認のためのＸ線トポグラフの測定条件を以下の表１に示す。
【００２０】
【表１】
2014162673.tif 000003
【００２１】
本発明においては、上記条件で撮影された、明度０（黒）〜２５５（白）の２５６階調の濃淡で表されるグレースケール像において、該明度が１６以上異なる境界を有する面（及びそれに伴う粒界）が認められない場合、Ｘ線トポグラフで確認可能なサブグレインを有さないとする。なお、簡易的には暗室内でのクロスニコル等によって観察できる脈理（ストライヤ）の有無でも判定が可能である。
【００２２】
上述した本発明のサファイア単結晶コアは、チョクラルスキー法により、ｒ軸方向を結晶成長方向（鉛直方向）として製造された直胴直径が１５０ｍｍ以上、長さが２００ｍｍ以上のアズグロウン単結晶体に、熱処理、切断、研削等の加工処理を施すことで得られる。
【００２３】
前記のように、従来法であるキロポーラス法では、結晶の方位によって成長速度が著しく異なることから、サファイア単結晶においては、生産性、すなわち成長速度の観点からａ軸を鉛直方向に結晶成長を行わざるを得ない。このことが、最終的に得られるｒ軸サファイア単結晶コアの取得長さを大幅に低下させる原因となっている。
【００２４】
一方、キロポーラス法と比較して強い温度勾配下で結晶化を行うチョクラルスキー法では、結晶方位による成長速度の差が小さく、いずれの結晶方位であってもほぼ同等の成長速度で結晶成長を行うことができる。そのため、ｒ軸を鉛直方向にサファイア単結晶を成長させ、肩部と尾部を切り落とすことで効率的に長尺のｒ軸サファイア単結晶コアを得ることができる。
【００２５】
しかし、チョクラルスキー法でｒ軸方向に結晶を育成した場合、肩部の特定の結晶方位にファセットと呼ばれる平坦部が一端に形成されてしまい、結晶形状が軸対称形でなくなることから結晶中心部に泡が多数混入するという問題があり、結果として泡のないコアを安定して製造することは困難であった。
【００２６】
本発明者等の検討によれば、本発明のサファイア単結晶コアを得るためには、従来公知であるｃ軸、ａ軸を成長方向としたサファイア単結晶体を得るためのチョクラルスキー法を単に適用するだけでは足りず、該チョクラルスキー法によってサファイア単結晶体を成長させるに際し、肩部における結晶表面（接平面）と水平面（原料溶融液面）との成す角（以下、肩の角度と記す）が１０°以上３０°以下となる部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように該肩部の形成速度を制御することが必要である。これによって、肩部のファセットの形成を抑制することができ、これまで実施が困難と考えられていた、原料溶融液面に対して鉛直方向にｒ軸を有する種結晶を用いて、微小な気泡やサブグレインを有さない、直胴部の直径が１５０ｍｍ以上、直胴部の長さが２００ｍｍ以上の単結晶を安定的に生産できる。
【００２７】
肩育成時のファセットの形成と、肩部における結晶表面と水平面との成す角の関係については、次のように考えることができる。単結晶育成におけるファセットは結晶成長の遅い方位の表面が平坦になることで形成されるものであり、サファイア単結晶においては最も成長の遅いｃ面に形成されやすい。実際、ｒ軸方向を引き上げ方向として結晶育成を実施した際に肩部に出現するファセットの面方位はｃ面（水平面との成す角は５７．６°）であり、このｃ面のファセットが形成されている間、結晶界面（結晶体と溶融液の境界面）の形状が点対称形でなくなることから、非対称な結晶界面によって溶融液の対流が乱れ、育成している単結晶体に泡を混入させる原因となる。
【００２８】
本発明者等の研究の結果、ｒ軸方向を引き上げ方向として結晶育成を実施した場合、育成する結晶の肩の角度が１０°未満および３０°より大きい部分にはｃ面のファセットは形成されないことを見出した。しかし実際に、結晶の肩の角度が１０°以上３０°以下となる部分を全く有しない肩の育成を実践するには、結晶の引き上げ初期から一貫して肩の角度を３０°より大きくするしかなく、このような肩形状で結晶直径を１５０ｍｍ以上まで拡径するためには非常に長い肩部を必要とすることとなり、生産性の面から不都合である。現実的な実施の態様としては、肩の角度が１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように肩を形成することで、泡の混入のない直径１５０ｍｍ以上、直胴長さ２００ｍｍ以上のｒ軸サファイア単結晶を安定して得ることが可能である。
【００２９】
図２は本発明のサファイア単結晶コアを上述のチョクラルスキー法により製造する際に用いられる結晶育成装置の一例（模式図）である。
【００３０】
この単結晶引上げ装置は、結晶成長炉を構成するチャンバー１を備えており、このチャンバー上壁には、開口部を介して、図示しない駆動機構によって上下動および回転可能な単結晶引上げ棒２が吊設されている。この単結晶引上げ棒の先端には、保持具３を介して種結晶体４が取り付けられており、種結晶体が坩堝５の中心軸上に位置するように配置されている。また、この単結晶引上げ装置の上端には、結晶重量を測定するロードセル６を備えている。
【００３１】
坩堝５は、チョクラルスキー法に用いられる坩堝として公知の形状の坩堝を使用することができる。一般には、上部から見た開口部が円形状であり、円柱状の胴部を持ち、底面の形状が平面状又は碗状又は逆円錐状のものが用いられる。また、坩堝の材質としては、原料溶融液である酸化アルミニウムの融点に耐え、また酸化アルミニウムとの反応性が低いものが適しており、イリジウム、モリブデン、タングステン、レニウムまたはこれらの合金が一般的に用いられる。とりわけ、耐熱性に優れたイリジウムやタングステンを使用することが好ましい。
【００３２】
坩堝の周囲には坩堝の底部及び外周を取り囲むように、断熱壁７ａが設置されている。また、坩堝上方の単結晶引上げ域の側周部を環囲する断熱壁７ｂが設置されている。該断熱壁７ａ，７ｂは、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造が制限なく利用できるが、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化したものを含むジルコニア系およびハフニア系の素材、アルミナ系の素材、カーボン系の素材、タングステン、モリブデンなどの金属板を積層させた反射材等が特に好適に利用できる。ここで用いられる断熱壁は、内面と外面の温度差が非常に大きい環境下で使用されるため、加熱、冷却の繰り返しによって素材が著しく変形、割れを生じやすい。このような断熱壁の変形や割れによって結晶成長域の温度勾配が刻々と変化すると、安定的な結晶製造を困難にする。そこで、断熱壁は全体を一体の素材で構成するのではなく、いくつかに分割された断熱材の組み合わせで構成することにより、このような変形や応力による断熱壁の割れやそれに伴う温度環境の変化を好適に低減することができる。
【００３３】
単結晶引上げ域を環囲する断熱壁の上端の開口部は、単結晶引上げ棒の挿入孔が少なくとも穿孔された天井板８により閉塞される。これにより、単結晶引上げ域は、上記断熱壁７ａ，７ｂと天井板８とにより形成される単結晶引上げ室内に収まるため、その保熱性が大きく向上する。該天井板は断熱壁と同様、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造で形成されていればよい。また、該天井板は、必ずしも平板状である必要はなく、断熱壁の環囲体の上端開口部を後述する穿孔部分を除いて閉塞するものであれば如何なる形状であっても良い。例えば、平板状以外の形状として円錐台状、逆円錐台状、笠状、逆笠状、ドーム状、逆ドーム状等であっても良い。
【００３４】
断熱壁の外周、おおよそ坩堝の高さの位置を環囲して、高周波コイル９が設置されている。該高周波コイルには、図示しない高周波電源が接続される。高周波電源は、一般のコンピュータからなる制御装置に接続され、出力を適宜調節される。該制御装置は、前記ロードセルの重量変化を解析して高周波電源の出力を調整するほかに、結晶引上げ軸や坩堝の回転数、引上げ速度、ガスの流入出のためのバルブ操作なども併せて制御するのが一般的である。
【００３５】
半導体向けサファイア基板用のサファイア単結晶コアを製造の原料としては、通常、純度４Ｎ（９９．９９％）以上の純度を有する酸化アルミニウム（アルミナ）が用いられる。不純物はサファイア単結晶の格子間又は格子内に混入して結晶欠陥の起点となることから、純度の低い原料を用いるとサブグレインが発生しやすく、また結晶が着色する傾向がある。
【００３６】
結晶の着色の原因は不純物によって形成された結晶欠陥に起因する色中心（カラーセンター）であり、結晶欠陥の多さを間接的に示している。特に不純物としてのクロムは着色に顕著な影響を及ぼすことから、クロムの含有量が１００ｐｐｍ未満の原料を使用することが好ましい。また、該原料の嵩密度はなるべく高いものが坩堝に多くの原料を充填することができ、また炉内での原料の飛散を抑制できるため適している。好ましい原料の嵩密度は１．０ｇ／ｍｌ以上、さらに好ましくは２．０ｇ／ｍｌ以上である。このような性状の原料としては、酸化アルミニウム粉末をローラープレス等で造粒したものや、破砕サファイア（クラックル、クラッシュサファイア等）が知られている。
【００３７】
該原料を前記結晶成長炉内に設置された前記坩堝内に装入し、加熱により原料溶融液とする。原料が溶融状態に到達するまでの昇温速度は特に限定されないが、５０〜２００℃／時間であることが好ましい。
【００３８】
結晶引上げ軸先端の種結晶保持具に装着された種結晶を該原料溶融液面に接触させ、ついで徐々に引上げて単結晶体を成長させる。単結晶引上げを実施する際の、種結晶が接触する部分の原料溶融液の温度は、結晶が異常成長を起こさず安定的に成長するためには、必然的に融点よりも僅かに低い温度（過冷却温度）となることが知られている。サファイア単結晶の場合は２０００〜２０５０℃の温度で実施することが好ましい。
【００３９】
引き上げに用いる種結晶は、サファイア単結晶であり、原料溶融液面と接する先端鉛直方向をｒ軸とする必要がある。
【００４０】
ｒ軸を該種結晶の先端鉛直方向とする場合の、原料溶融液に接触する先端の形状は特に限定されず、不特定面で構成されていても良いが、好ましくはｒ面の平面である。また、該種結晶の側面は特に限定されず任意の形状を選択できるが、円柱状、あるいは四角柱状が好ましい。
【００４１】
また、該種結晶の上方には、保持具で保持するための拡大部及び／又はくびれ部及び／又は貫通孔を有するのが一般的である。
【００４２】
成長させる単結晶の品質は、該種結晶の品質に大きく依存するため、その選定には特に注意を要する。種結晶としては、結晶欠陥や転移と呼ばれる結晶構造の不完全部分が極力少ないものが望ましい。結晶構造の良否は、種結晶の先端面又はその近傍をエッチピット密度測定、ＡＦＭ、Ｘ線トポグラフィ等の方法を用いて評価することができる。また、結晶欠陥は残留応力が大きいほど多くなる傾向があることから、クロスニコル観察や応力複屈折などで応力の程度が小さいものを選定することも効果的である。
【００４３】
該種結晶を原料溶融液に接触させた後、種結晶および／又は坩堝の回転数、引上げ速度、高周波コイルの出力等を制御して肩部（拡径部）を形成し、所望の結晶径まで拡径させた後、当該結晶径を維持するように引き上げを行う。
【００４４】
肩部の育成においては、前記のとおり、肩部における結晶表面と水平面との成す角（以下、肩の角度と記す）が１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように該肩部の形成速度を制御することが重要である。その際に、肩の角度が１０°未満の部位の育成方向長さと、肩の角度が３０°を越える部位の育成方向長さとの比率には特に限定はなく、任意の比率とすることができる。ただし、肩の角度が３０°を越える肩部の比率を大きくすると、必然的に肩の全長が長くなることから、結晶の全長に対してコアとして使用可能な直胴部の長さの比率が小さくなり、生産性が悪化する傾向がある。
【００４５】
拡径により１５０ｍｍを超えてどの程度の大きさまでにするかは、どのような大きさの単結晶体を製造するかによって決定されるが、一般にチョクラルスキー法の育成においては結晶径が大きいほどサブグレインや微小な気泡が発生する傾向がある。よって、６インチ級のＳＯＳ基板を量産するという観点からは、１５０〜１７０ｍｍとするのが好適である。
【００４６】
引上げは通常、０．１〜２０ｍｍ／時間の速度で行うことができるが、引上げ速度が小さすぎると単位時間あたりの結晶成長量が減少して生産性が悪化し、引上げ速度が大きすぎると育成環境の変動が大きくサブグレインや微小な気泡が発生しやすくなる。生産性と結晶品質の両立を勘案すると、引上げ速度は好ましくは０．５〜１０ｍｍ／時間、さらに好ましくは１〜５ｍｍ／時間である。
【００４７】
単結晶の育成中、種結晶は引上げ軸を中心として０．１〜３０回転／分で回転させることが好ましい。また、上記種結晶の回転に併せて、坩堝を該種結晶の回転方向と逆方向又は同方向に同様の回転速度で回転させても良い。
【００４８】
単結晶体引上げ中の炉内圧力は、加圧下、常圧下、減圧下のいずれでもよいが、常圧下で行うことが簡便である。雰囲気としては窒素、アルゴン等の不活性ガス、または該不活性ガスに０〜１０体積％の任意の量の酸素を含む雰囲気が好ましい。
【００４９】
単結晶の直胴部の長さは、マルチワイヤソーで効率よく加工できるよう、好ましくは２００ｍｍ以上、さらに好ましくは２５０ｍｍ以上である。直胴部の長さが２００ｍｍ未満である場合、マルチワイヤソーで効率よく切断する為に複数のコアを精密に方位を揃えて繋ぎ合わせ、全長を２００ｍｍ以上としてからマルチワイヤソーで切断するといった追加工程を要することになり、製造効率を低下させ、製造コストの上昇に繋がるため好ましくない。一方、５００ｍｍを超える長さとすることは、育成中の炉内のホットゾーンの温度環境変化が大きくなりすぎるため安定した育成が困難となる傾向がある。
【００５０】
このようにして所望の直胴部径と長さを有する、ｒ軸を鉛直方向に持つサファイア単結晶体を引上げた後、該単結晶体を原料溶融液から切り離す。単結晶体を原料溶融液から切り離す方法は特に限定されず、ヒーター出力の増大（原料溶融液の温度の上昇）により切り離す方法、結晶引上げ速度の増加により切り離す方法、坩堝の降下により切り離す方法など、いずれの方法を採用しても良い。なお、単結晶体が原料溶融液から切り離れる瞬間の温度変動（ヒートショック）を小さくするために、ヒーター出力を徐々に上げる、もしくは結晶引上げ速度を徐々に速くすることによって結晶径を徐々に減少させるテール処理を行うことは効果的である。
【００５１】
原料溶融液から切り離された単結晶体は、炉内から取り出せる程度の温度まで冷却される。冷却速度は速いほうが育成工程の生産性を上げることができるが、速すぎると単結晶体の内部に残留する応力歪みが大きくなり、冷却時や後の加工時に破砕やひび割れが発生したり、最終的に得られる基板に異常な反りが発生するおそれがある。逆に、冷却速度が遅すぎると結晶育成炉を占有する時間が長くなり、育成工程の生産性が低下する。これらを勘案し、冷却速度としては、１０〜２００℃／時間が好ましい。
【００５２】
このようにして製造されたサファイア単結晶体は、必要に応じて熱処理を行うことができる。熱処理の目的としては、切断加工時の割れの防止、結晶の応力の低減、結晶欠陥・着色の改善等がある。図３は本発明の熱処理に用いられるアニール装置の一例（模式図）である。
【００５３】
このアニール装置は、チャンバー１０の内部に、単結晶体１１を収納する容器１２が設置され、この容器を環囲するように加熱体１３が設置されている。単結晶体を収納する容器１２および加熱体１３は、天井部、底部および外周を取り囲む断熱壁１４によって構成された保温域に収納されている。
【００５４】
単結晶体を収納する容器１２の材質は、熱処理時の温度および雰囲気に耐えうる材質であれば特に制限なく用いることができる。具体的には、イリジウム、モリブデン、タングステン、レニウムまたはこれらの混合物などの金属素材、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化したものを含むジルコニア系およびハフニア系の素材、またはアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの素材、カーボン断熱材などの断熱性素材などから選択することができる。
【００５５】
単結晶体１１を容器１２内に設置する方法・冶具は特に限定されず、公知のあらゆる方法を採用することができる。一例としては、図３に示したように、容器底部に酸化アルミニウム粉を敷き詰め、ここに単結晶体の肩部または尾部を埋没させることで安定して設置することができる。
【００５６】
保温域を任意の温度まで加熱する加熱体１３は公知の加熱方式による加熱体を採用することができる。具体的には、カーボン、タングステンなどを加熱体とした抵抗加熱方式を採用することで２０００℃付近まで安定して加熱を行うことができる。
【００５７】
保温域を構成する断熱壁１４の素材としては、熱処理時の温度に耐え、雰囲気に対して反応性や腐食性がない公知の断熱性素材を任意に選択して利用できる。具体的には、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化したものを含むジルコニア系およびハフニア系の素材、またはアルミナ系の素材、カーボン断熱材などの断熱性素材が好適に使用できる。ただし、ジルコニア、ハフニア、アルミナ等の酸化物系断熱材は水素を含む雰囲気では反応して脆化したり金属不純物を放出する可能性があり、カーボン断熱材は酸素を含む雰囲気では反応して脆化したり燃焼する可能性があるため注意が必要である。
【００５８】
サファイア単結晶の熱処理は、その目的に応じて最高温度や雰囲気、最高温度での保持時間、昇温・冷却速度などを適宜調整する。具体的には、切断加工時の割れの防止や結晶内の応力の低減を目的とする場合、真空排気下または任意のガス雰囲気下で、最高温度を１４００〜２０００℃、最高温度の保持時間を６〜４８時間、昇温速度を２０〜２００℃／時間、冷却速度を１〜５０℃／時間とするのが好ましい。また、結晶欠陥・着色の改善を目的とする場合、酸素を１〜１０％含む任意のガス雰囲気下（酸化雰囲気）、または、真空排気下または水素を１〜１０％含む任意のガス雰囲気下（還元雰囲気）で、最高温度を１４００〜１８５０℃、任意の最高温度保持時間と昇温・冷却速度で熱処理を実施することで、好適に結晶品質を改善することができる。
【００５９】
サファイア単結晶体をサファイアコアへと加工する加工工程は、公知の工程を用いることができる。図４は、サファイア単結晶体の加工工程の一例である。
【００６０】
具体的には、図４（ａ）に示すように製品となる直胴部を残し、肩部および尾部を切断する。その後、図４（ｂ）に示すように直胴部側面の凹凸を除去して一定径の円筒状とするために、円筒研削を行う。さらに、図４（ｃ）に示すように直胴部側面の特定方位にオリエンテーションフラットと呼ばれる平坦部を形成し、サファイアコアとする。
【００６１】
上記（ａ）に示す切断加工の手段は特に制限されるものではなく、切断刃、高圧水、レーザー等による切断手段を例示することができる。中でも、内周刃、外周刃、バンドソー、ワイヤソー等の切断刃、とりわけバンドソー、ワイヤソー等の無端状の切断刃が好適に使用できる。
【００６２】
上記のようにして得られた直径１５０ｍｍ（オリフラ部除く）以上、長さ２００ｍｍ以上のｒ面サファイアコアは、繋ぎ合わせなどの追加工程を要することなく一般的な３００ｍｍ以上のサファイアコア切断用のマルチワイヤソーで切断することができ、効率的にｒ面サファイア基板を製造することができる。
【実施例】
【００６３】
以下、具体的な実験例を挙げて本発明の実施態様をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６４】
実施例１
最初に、イリジウム製坩堝に、出発原料として純度が４Ｎ（９９．９９％）の高純度アルミナ（ＡＫＸ−５  住友化学製）を５０ｋｇ投入した。原料を投入した前記坩堝を高周波誘導加熱方式のチョクラルスキー型結晶引上げ炉に設置し、炉内を１００Ｐａ以下まで真空排気した後に酸素を１．０体積％を含む窒素ガスで大気圧まで導入した。大気圧到達後は、上記と同組成のガスを２．０Ｌ／分で炉内に導入しながら、炉内圧力が大気圧を維持するよう排気を行った。
【００６５】
坩堝の加熱を開始し、坩堝内の酸化アルミニウム原料が溶融する温度に到達するまで９時間かけて徐々に加熱した。原料溶融液表面の対流の様子（スポークパターン）を参考にヒーター出力を適宜調整した後、先端がｒ面である四角柱状のサファイア単結晶の種結晶を、１回転／分の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を原料溶融液に接触させた。種結晶が溶けず、かつ原料溶融液表面に結晶が成長しないようヒーター出力をさらに微調整した後、引上げ速度２ｍｍ／時間の速度で種結晶の引上げを開始した。
【００６６】
ロードセルの重量変化から推測される結晶直径が希望の直径となるよう適宜ヒーター出力を制御しながら結晶成長を行った。その際、直径１５５ｍｍまでの拡径（肩部の形成）工程において、肩の形状を図５に示すように水平面に対して１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが１０ｍｍとなるよう形成した。直径１６５ｍｍまでの拡径が終了した後は、直径１６０〜１７０ｍｍを維持しながら引上げ速度を３ｍｍ／時間に増加させて引き上げを続けた。直胴部の長さが３００ｍｍに到達した後、ヒーター出力を徐々に上げてテール処理を行い、その後引上げ速度１０ｍｍ／分で単結晶を原料溶融液から切り離した。
【００６７】
切り離した単結晶は３０時間かけて室温まで冷却した。その結果、鉛直方向にｒ軸を有する、直径１６０ｍｍ、直胴部の長さが３００ｍｍのサファイア単結晶体を得た。この単結晶体の肩部には明瞭なｃ面のファセットは観察されなかった。また、この単結晶体を暗室内で高照度ハロゲンランプで観察したところ、結晶内部に気泡等は観察されず、クロスニコル観察でも脈理等は観察されなかった。
【００６８】
上記の単結晶体をインゴットアニール用加熱炉に設置し、アルゴンガスを３Ｌ／分の速度でフローしながら、１６００℃まで２０時間かけて加熱した。その後、１６００℃下で２４時間保持した後、３５時間かけて室温まで冷却した。
【００６９】
上記インゴットアニールの後、バンドソーで結晶上部（肩部）および結晶下部（尾部）を切断し、平面研削装置で単結晶体直胴部の上下切断面をｒ面に整えた。その後、円筒研削装置で直径１５０ｍｍの円筒状とした後、既定の側面にオリエンテーションフラットを形成し、軸方向がｒ軸で直径１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの泡のないサファイア単結晶コアを得た。
【００７０】
比較例  
結晶育成における肩の形状を、図６に示すように水平面に対して１０°以上３０°以下となる角度の部分の育成方向長さが３０ｍｍとなるよう形成した他は実施例と同様にして、鉛直方向にｒ軸を有する、直径１６０ｍｍ、直胴部の長さが３００ｍｍのサファイア単結晶体を得た。この単結晶の肩部には、肩の角度が１０°以上３０°となる付近にｃ面のファセットが観察された。また、この単結晶体を暗室内で高照度ハロゲンランプで観察したところ、直胴部の中心に多数の気泡の混入が観察された。クロスニコル観察による脈理等は観察されなかった。
【００７１】
上記の単結晶体を実施例と同様にアニールおよび切断加工等を実施したところ、軸方向がｒ軸で直径１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍのサファイア単結晶コアを得ることはできたが、その内部には多数の気泡の混入が観察された。
【符号の説明】
【００７２】
１：チャンバー
２：単結晶引上げ棒
３：種結晶体保持具
４：種結晶体
５：坩堝
６：ロードセル
７ａ，７ｂ：断熱壁
８：天井板
９：高周波コイル
１０：チャンバー
１１：単結晶体
１２：容器
１３：加熱体
１４：断熱壁
【図１】
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【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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