(57)【要約】【課題】簡単な装置構成、温度制御をもって、種結晶と原料の境界、すなわち坩堝位置と温度勾配が急な領域の相対位置がずれず、溶融位置の制御を容易にする単結晶製造装置を提供する。【解決手段】チャンバー１０と、チャンバー１０内に設置され、種結晶１１及び原料１２を収容する坩堝１と、坩堝１を加熱するヒータ２と、を備えた単結晶製造装置１３であって、種結晶１１と原料１２との境界部より鉛直方向上側の坩堝１表面の熱放射率が、境界部より鉛直方向下側の坩堝１表面の熱放射率より高いこととする。【選択図】図１
2014162668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
前記チャンバー内に設置され、種結晶及び原料を収容する坩堝と、
前記坩堝を加熱するヒータと、
を備えた単結晶製造装置であって、
前記種結晶と前記原料との境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面の熱放射率が、前記境界部より鉛直方向下側の前記坩堝表面の熱放射率より高いこと
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の単結晶製造装置であって、
前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面の表面粗さが、前記境界部より鉛直方向下側の領域の坩堝の表面の表面粗さよりも大きいこと
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の単結晶製造装置であって、
前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面には、該坩堝表面の熱放射率よりも高い高熱放射膜が成膜されていること
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の単結晶製造装置であって、
前記高熱放射膜は、熱放射率の異なる少なくとも２つの膜から構成されており、前記境界部より鉛直方向上側に向かって、熱放射率の低い膜から熱放射率の高い膜の順序で段階的に又は連続的に変化して配置されていること
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載の単結晶製造装置であって、
前記坩堝には炭素が含有されており、前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝の炭素含有量は、該坩堝表面の炭素含有量よりも多いことを特徴とする単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種付け位置の制御を容易にする坩堝を用いた単結晶製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）の需要、特に青色ＬＥＤ及び白色ＬＥＤの需要が急増している。青色ＬＥＤ及び白色ＬＥＤには、エピタキシャル成長によって製造されたＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びそれらに類似する化合物半導体が使われるが、そのエピタキシャル成長用の基板には、主にサファイア単結晶基板が用いられている。一般的に、ＬＥＤ製造用のサファイア基板のほとんどは、ｃ面方位（０００１）の基板である。そのため、高品質なｃ面方位（０００１）のサファイア基板を効率よく安定的に生産できるサファイア単結晶製造装置が求められている。
【０００３】
従来、サファイア単結晶（以下、単結晶ともいう。）の製造方法として、キロプロス法（ＫＰ（ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ）法）、チョクラルスキー法（ＣＺ（ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法）、及びエッジデファインドフィルムフェド成長法（ＥＦＧ（ｅｄｇｅ  ｄｅｆｉｎｅｄ  ｆｉｌｍ  ｆｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）法）などが工業的に利用されている。上記した３つのサファイア単結晶の製造方法には、それぞれ以下に掲げるような課題が存在する。
【０００４】
キロプロス法及びチョクラルスキー法は、種結晶を原料融液内に配置し、種結晶と原料融液とを反応させて、原料融液の上方に向かって種結晶を引き上げて単結晶を結晶成長させる結晶成長方法である。しかし、単結晶を原料融液から上方に向かって種結晶を引き上げて結晶成長させるため、原料融液中の単結晶と、原料融液外の単結晶との温度勾配が大きく変化する問題が生じる。このような問題が存在するため、ｃ軸方向に単結晶を結晶成長させる場合、単結晶が温度勾配の変化の影響を受けてｃ面内に大きなせん断応力が発生し、種々の結晶欠陥が発生しやすくなる。
【０００５】
よって、キロプロス法及びチョクラルスキー法でｃ軸方向の単結晶を得るには、まず、結晶欠陥が発生しにくいａ軸方向に単結晶を結晶成長させて、ａ軸方向に結晶成長させた単結晶を横方向から刳り抜いてｃ軸方向の単結晶を得る方法が採られている。しかし、この刳り抜き加工は、ｃ軸方向の単結晶の収率が悪いという課題がある。
【０００６】
ＥＦＧ法は、平板状の単結晶を得ることを目的とする単結晶育成法である。具体的には、アルミナ融液及び種結晶が入った坩堝の上部に、所望の形状の溝が形成された形状制御用治具（ダイと呼ばれる）を載置し、この溝から種結晶を引き上げる。このように種結晶を引き上げることにより、アルミナ融液を表面張力によって種結晶に連続的に付着しながら冷却し、種結晶と同一の方位を持つ単結晶を凝固させる。これにより、ダイにより規定された形状を有する単結晶が得られる。
【０００７】
ＥＦＧ法では、ａ軸方向に結晶成長された所望の形状（例えば、平板状）の単結晶を加工することでｃ面方位の基板を得ることができる。しかし、ダイと接する部分のサファイア結晶の結晶性は悪いため、他の手法と比べて基板加工時の平面研削量が多くなり、加工効率が悪いという欠点がある。加えて、上記ＫＰ法及びＣＺ法と比べ、本質的に結晶欠陥が多いという課題もある。
【０００８】
上述した理由から、サファイア単結晶の製造方法において、酸化物単結晶の製造方法である、垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）が用いられることが一般的に知られている。以下、垂直ブリッジマン法によるサファイア単結晶の製造方法について図６を参照しながら説明する。図６は、従来の単結晶製造装置の模式図である。
【０００９】
単結晶製造装置１１３は、チャンバー１１０内に、種結晶１１１の上に原料１１２を載せて種結晶１１１及び原料１１２を収容した坩堝１０１と、この坩堝１０１を支持し、装置内で上下動可能な支持部材１０６と、坩堝１０１の外周部を加熱する円筒状のヒータ１０２と、このヒータ１０２に電力を供給するヒータ電極１０４と、坩堝１０１、支持部材１０６、ヒータ１０２、ヒータ電極１０４を覆う断熱材１０３と、が設けられている。
【００１０】
単結晶製造装置１１３において、ヒータ１０２を加熱し、所定の温度勾配の存在する空間を作り出した後、坩堝１０１及び支持部材１０６を上昇させて、坩堝１０１に収容された種結晶１１１の一部と種結晶１１１の上部に収容された原料１１２とが全て溶融されるような所定の位置に坩堝１０１を移動する。これにより、坩堝１０１に収容された種結晶１１１の表面近傍の一部と原料１１２とを溶融する。その後、坩堝１０１を降下させることで、坩堝１０１の下面から徐々に冷却し、種結晶１１１の上面から徐々にサファイア単結晶を結晶成長させる。
【００１１】
したがって、垂直ブリッジマン法は、ＫＰ法及びＣＺ法と比較して結晶成長方向の温度分布を制御しやすく、ｃ軸方向に結晶成長させる場合においても転位等の結晶欠陥の少ない比較的良好な結晶を得られる。加えて、成長されるサファイア単結晶の形状が坩堝の形状により規定されるため、材料の利用効率が非常に高いという利点を有する。
【００１２】
ここで、垂直ブリッジマン法では坩堝１０１の温度を正確に制御する必要があるが、特許文献１には、個別に制御できるヒータを装置内鉛直方向に複数設け、種結晶と原料の境界部付近に位置する特定ヒータ間に、他の箇所の領域に比べて熱伝導率の大きい材料を設置した加熱処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０―１８５４５５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
垂直ブリッジマン法によって単結晶を製造するときに、種結晶１１１が狙った位置で溶融されないことがしばしば起こる問題があった。すなわち、種結晶１１１が全て溶融してしまうことや、種結晶１１１の表面近傍の一部が全く溶融しないといったことが起こる問題が生じていた。
【００１５】
仮に、種結晶１１１が全て溶融してしまう場合は、原料１１２を冷却して単結晶を結晶成長させる際に、種結晶１１１の結晶構造や結晶方位が、単結晶に引き継がれず、結晶方位の異なる単結晶が結晶成長するといったことや、そもそも単結晶が結晶成長されず、多結晶として結晶成長してしまうといったことが起きる。
【００１６】
また、種結晶１１１が全く溶融しない場合も同様に、結晶方位の異なる単結晶が結晶成長するといったことや、そもそも単結晶には結晶成長せず、多結晶として結晶成長してしまうといったことが起き、結晶品質の低下を招く。
【００１７】
上記した結果の要因について、発明者は鋭意検討を重ねた結果、以下のことが起きているためと推察するに至った。
【００１８】
サファイア単結晶製造時において、単結晶製造装置１１３内には所定の温度勾配が形成されている。坩堝１０１を冷却して徐々に単結晶を結晶成長させるため、温度勾配が急に設定されていると冷却時にクラックが発生する可能性が高くなる。これを防止するために単結晶製造装置１１３内の温度勾配は、緩やかに設定されている。従って種結晶１１１及び原料１１２の境界付近でも温度勾配は当然緩やかである。
【００１９】
この種結晶１１１と原料１１２の境界付近の温度勾配について図７及び図８を参照しながら詳細に説明する。図７（ａ）は、従来の単結晶製造装置１１３における坩堝の温度勾配であって温度勾配が緩やかな状態を示すグラフであり、図７（ｂ）は、坩堝の温度勾配が緩やかな状態の一例を示した模式図である。図８（ａ）は、従来の単結晶製造装置１１３における坩堝の温度勾配であって温度勾配が急な状態を示すグラフであり、図８（ｂ）は、坩堝の温度勾配が急な状態の一例を示した模式図である。なお、図７（ａ）及び図８（ａ）の横軸における破線部分は、原料の溶融する溶融温度を示している。
【００２０】
例えば、図７（ｂ）に示すように坩堝１０１の温度勾配が設定されている場合、坩堝１０１の温度分布は、坩堝１０１底面と坩堝１０１上面との温度差が２０℃程度と比較的に小さくなっている。この状態を温度勾配が緩やかな状態とする。
【００２１】
図７（ａ）中の直線Iaは、温度勾配が緩やかな状態を示している。このとき、図７（ａ）中の破線で示した溶融温度の下で、種結晶１１１と原料１１２が坩堝１０１内で溶融する溶融位置は、縦軸に示すようにａ１となる。次に、坩堝１０１の温度が△Ｔだけ高くなった場合の温度勾配を、図７（ａ）中の直線Ibに示す。このとき、溶融位置は、縦軸に示すようにｂ１となる。なお、この△Ｔは装置の温度制御のばらつき等によって発生するものである。
【００２２】
すなわち、坩堝１０１の温度が△Ｔだけ高くなった場合、溶融位置はｈ１だけ坩堝１０１の下側に移動するため溶融位置に位置ずれが発生する。つまり、上述した温度制御のばらつきが生じた場合、溶融位置が坩堝１０１の底面付近であるため、坩堝１０１内の種結晶１１１は全て溶融してしまうことになる。なお、温度が△Ｔだけ低くなった場合、溶融位置は高くなり（坩堝の上面）、坩堝１０１内の種結晶１１１が全く溶融しないことになる。
【００２３】
このように、温度勾配が緩やかな状態で坩堝１０１に温度ずれが発生した場合、溶融位置が大きくずれてしまい、種結晶１１１が全て溶融してしまうといったことや、種結晶１１１が全く溶融しないといったことが起こるのである。
【００２４】
一方、例えば、図８（ｂ）に示すように坩堝１０１の温度勾配が形成されている場合は、坩堝１０１の温度分布は坩堝１０１底面と坩堝１０１上面との温度差が１０００℃程度と比較的に大きくなっている。この状態を温度勾配が急な状態とする。
【００２５】
図８（ａ）中の直線IIaは、温度勾配が急な状態を示している。このとき、種結晶１１１と原料１１２が坩堝１０１内で溶融する溶融位置は、縦軸に示すようにａ２となる。次に、坩堝１０１の温度が、△Ｔだけ高くなった場合の温度勾配を、図８（ａ）中の直線IIbに示す。このとき、溶融位置は図中の縦軸に示すようにｂ２となる。
【００２６】
すなわち、坩堝１０１の温度が△Ｔだけ高くなった場合、溶融位置は△ｈ２だけ坩堝１０１の下側に移動して溶融位置に位置ずれが発生するが、温度勾配が緩やかな場合の位置ずれ△ｈ１と比較するとずれは小さく、坩堝１０１内の種結晶１１１が全て溶融することはない。また、同様に、坩堝１０１の温度が△Ｔだけ低くなった場合、溶融位置は高くなるが、その変化は小さく、坩堝１０１内の種結晶１１が全く溶融しないということはない。
【００２７】
上記の理由から、溶融位置の位置制御を容易にするために、種結晶１１１と原料１１２の境界付近での温度勾配を急にする必要がある。
【００２８】
特許文献１に示したように、各ヒータを個別に制御して急峻温度勾配領域を有する温度分布を精度良く、かつ任意の温度分布を得ることが可能であるが、複数のヒータを設けることで、装置が複雑になるとともに、温度制御が複雑となってしまう。また、熱伝導率の大きい材料を設置することで、装置外に熱を積極的に逃がし、特定ヒータ間の温度勾配を急にすることができるが、特許文献１に係る単結晶製造装置では、熱伝導率の高い材料が設置されている位置は、各ヒータの間に固定されており、坩堝及び支持部材の位置が上下動すると、温度勾配が形成された領域がずれてしまう。つまり、熱伝導率の高い材料は装置内で固定されているため、坩堝が上下動すると境界位置がそもそもずれてしまう問題がある。さらに、単結晶製造工程における冷却において、熱伝導率の高い材料部分の温度勾配が急激に変化していることで、単結晶にクラックが発生するという問題が起こりうる。さらに、ヒータの熱を積極的に装置外部へ逃がしているので、装置の電力効率も悪くなってしまう。
【００２９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複雑でない装置構成（つまり、簡単な装置構成）、温度制御をもって、種結晶と原料の境界、すなわち坩堝位置と温度勾配が急な領域との相対位置がずれず、溶融位置の制御を容易にする単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明に係る単結晶製造装置は、チャンバーと、前記チャンバー内に設置され、種結晶及び原料を収容する坩堝と、前記坩堝を加熱するヒータと、を備えた単結晶製造装置であって、前記種結晶と前記原料との境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面の熱放射率が、前記境界部より鉛直方向下側の前記坩堝表面の熱放射率より高いことを特徴とする。
【００３１】
このような構成により、坩堝外側の表面において、種結晶と原料の境界部付近を境にして、下側（すなわち種結晶側）よりも、上側（すなわち原料側）の熱放射率を高くすることで、種結晶側よりも原料側の表面の方がヒータからの熱を吸収しやすくし、原料の温度が上昇する。従って、種結晶部分よりも原料部分の温度が高くなり、種結晶と原料の境界部付近には大きな温度差が生じ、急な温度勾配が生じる。よって、複雑でない装置構成（つまり、簡単な装置構成）、温度制御をもって、種結晶と原料の境界、すなわち坩堝位置と温度勾配が急な領域との相対位置がずれず、溶融位置の制御を容易にすることができる。また、従来技術と異なり、坩堝を上下移動しても、種結晶と原料の境界位置と温度勾配が急な領域との位置ずれがおきることがなく、急な温度勾配も坩堝位置の変化とともに追随する。さらに、温度勾配が急な領域は、常に種結晶と原料の境界部付近であり、境界部以外の領域は温度勾配が急になることはない。よって単結晶の冷却時に、単結晶にクラックが発生するということもない。また、従来技術と異なり、ヒータを複数設ける必要がなく、装置構成を簡便にでき、複雑な温度制御も必要ない。また、坩堝表面の熱放射率を高くすることで、積極的に熱を吸収し、原料温度を増加させることができるため、ヒータの熱を有効活用でき、装置の電力効率も高くできる。
【００３２】
上記の単結晶製造装置であって、前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面の表面粗さが、前記境界部より鉛直方向下側の領域の坩堝の表面の表面粗さよりも大きい構成とする。
【００３３】
このような構成により、坩堝の表面粗さを変えるだけで容易に坩堝の温度勾配を形成することができ、種結晶と原料との溶融位置を制御することができる。
【００３４】
上記の単結晶製造装置であって、前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝表面には、該坩堝表面の熱放射率よりも高い高熱放射膜が成膜されている構成とする。
【００３５】
このような構成により、坩堝と高熱放射膜との密着性が上がり、高熱放射膜から坩堝への熱伝導をさらに高めることができる。
【００３６】
上記の単結晶製造装置であって、前記高熱放射膜は、熱放射率が異なる少なくとも２つの膜から構成されており、前記境界部より鉛直方向上側に向かって、熱放射率の低い膜から熱放射率の高い膜の順序で段階的に又は連続的に変化して配置された構成とする。
【００３７】
このような構成により、熱放射率が異なる少なくとも２つの膜が、熱放射率の低い膜から熱放射率の高い膜の順序で段階的に又は連続的に変化して配置されているため、温度勾配をより細かく、任意の勾配に形成することができる。
【００３８】
上記の単結晶製造装置であって、前記坩堝には炭素が含有されており、前記境界部より鉛直方向上側の前記坩堝の炭素含有量は、該坩堝表面の炭素含有量よりも多い構成とする。
【００３９】
このような構成により、坩堝の材料である炭素は、熱放射率が他の物質よりも大きいため、より急な温度勾配を形成することができ、種結晶と原料との溶融位置をさらに精度良く制御することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、複雑でない装置構成（つまり、簡単な装置構成）、温度制御と電力効率の高い装置を実現しつつ、溶融位置の制御を容易にすることが可能となり、品質の良い結晶を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明に係る単結晶製造装置の模式図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第一実施形態の断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第二実施形態の断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフ、図３（ｃ）は、タングステンカーバイドの深さ方向と炭素組成量の関係を示したグラフである。
【図４】図４（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第三実施形態の断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第四実施形態の断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【図６】図６は、従来の単結晶製造装置の模式図である。
【図７】図７（ａ）は、従来の単結晶製造装置における坩堝の温度勾配であって温度勾配が緩やかな状態を示すグラフであり、図７（ｂ）は、坩堝の温度勾配が緩やかな状態の一例を示した模式図である。
【図８】図８（ａ）は、従来の単結晶製造装置における坩堝の温度勾配であって温度勾配が急な状態を示すグラフであり、図８（ｂ）は、坩堝の温度勾配が急な状態の一例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
・第一実施形態
[単結晶製造装置の構成]
以下、本発明の第一実施形態について図１及び図２（ａ）を参照しながら説明する。
【００４３】
図１は、本発明に係る単結晶製造装置の模式図、図２（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第一実施形態の断面図である。
【００４４】
本実施形態に係る単結晶製造装置１３は、略円筒状のチャンバー１０を備え、チャンバー１０の内部には、種結晶１１と原料１２を収容する坩堝１と、坩堝１を支持する支持部材６と、坩堝１を加熱するためのヒータ２と、ヒータ２に電力を供給するためのヒータ電極４と、ヒータ２の熱がチャンバー１０に伝わることを防ぐ断熱材３と、を備えている。
【００４５】
ここで、本発明の第一実施形態の単結晶製造装置に係る坩堝１についての詳細は、後述することとする。
【００４６】
坩堝１を支持する支持部材６は、チャンバー１０の軸心に沿って配置されている。また、支持部材６は、前記軸心に沿って上下移動させることを可能とする上下移動モーター（不図示）と接続されている。
【００４７】
坩堝１を加熱するためのヒータ２は、支持部材６を上下移動モーターにより上方に移動させた位置において、坩堝１の周囲を取り囲むように配置されている。
【００４８】
ヒータ２に電力を供給するためのヒータ電極４は、プラス側電極とマイナス側電極とを有し、それぞれ、ヒータ２の下部に接続されており、断熱材３及びチャンバー１０を貫通してチャンバー１０外に有する外部電源（不図示）に接続されている。
【００４９】
ヒータ２の熱がチャンバー１０に伝わることを防ぐ断熱材３は、チャンバー１０の内側に周囲を取り囲むように配置されている。
【００５０】
なお、支持部材６の材料及び断熱材３の材料は、特に限定されないが、種結晶１１及び原料１２の加熱溶融時においても軟化、溶融、分解または蒸発しない材料であることとする。
【００５１】
[坩堝の構成]
坩堝１は、種結晶１１と原料１２を収容するものであり、種結晶１１と原料１２との境界部より鉛直方向上側の坩堝１表面の熱放射率が、境界部より鉛直方向下側の坩堝１表面の熱放射率より高くなっている。
【００５２】
つまり、本実施形態では、境界部より鉛直方向上側の坩堝１表面には、坩堝１表面の熱放射率よりも高い高熱放射膜５が成膜されている。
【００５３】
ここで、種結晶１１と原料１２との境界部は、種結晶１１及び原料１２の加熱溶融を考慮して、種結晶１１と原料１２との境界位置から所定距離だけ離れた位置も含まれるものとする。例えば、種結晶１１と原料１２との境界位置から±１０ｃｍの範囲も含まれる。また、坩堝１の全長によっては、坩堝１の全長の１０％程度の長さだけ境界位置から離れた位置も含まれる。
【００５４】
坩堝１の材質は、本実施形態ではタングステン（熱放射率：０．３前後）であるが、サファイアの熱膨張係数よりも小さく、高融点材料（タングステン、モリブデン、これらの合金等）であれば、これに限らない。坩堝材料に高融点材料を用いることで、坩堝１が２０００℃以上に加熱されても劣化を防ぐことができる。
【００５５】
高熱放射膜５の材質は、本実施形態では、タングステンカーバイド（熱放射率：０．６前後）を用いているが、高融点材料であり、熱放射率が坩堝１の材質よりも高い材料であれば、これに限らない。
【００５６】
ここで、本実施形態では、前記境界部の位置を厳密に設定するために、予め、高熱放射膜５を備えていない坩堝において、後述するサファイア単結晶製造工程を用いて単結晶の製造を行っている。製造した単結晶を坩堝１から取り出し、種結晶１１と原料１２の界面の位置を目視で観察し、当該界面位置を境界部と設定している。
【００５７】
次に、坩堝１の製造方法について説明する。本実施形態では、高熱放射膜５として、タングステンの炭化反応によって形成されるタングステンカーバイドを用いている。まず、タングステン製の坩堝１の表面に炭素をコーティングする。コーティングは真空蒸着やスパッタ法で行う。その後、炭素をコーティングした坩堝を８００℃以上の温度下でアニールを行うことで、炭化反応が起こり、坩堝１表面にタングステンカーバイドが形成される。
【００５８】
このように、炭素とタングステンの炭化反応によって形成された場合、炭素の組成が高熱放射膜５の内面から外面にかけて徐々に変化する傾斜組成となっている。よって、線膨張係数が急激に変化する界面が形成されないので、２０００℃以上の高温領域においても高熱放射膜５が剥離することはない。
【００５９】
換言すると、スパッタ等のコーティング法のみを用いて坩堝１の表面に、直接高熱放射膜５をコーティングする方法は、サファイア単結晶育成時に必要な２０００℃以上の高温領域において熱膨張による体積変化が顕著となり、わずかな線膨張係数の違いでも体積変化が大きく異なる点や、高熱放射膜５と坩堝１の界面で体積変化の違いによる応力が発生し、コーティングされた高熱放射膜５が剥離してしまう点から、不適切である。
【００６０】
なお、本実施形態では、タングステンの炭化反応を用いたが、坩堝１の表面の熱放射率よりも高い材料が形成される表面反応であれば、この反応に限ったものではない。
【００６１】
[サファイア単結晶製造工程]
本実施形態の単結晶製造装置１３を用いて、サファイア単結晶を製造する。
【００６２】
まず、坩堝１に、種結晶１１及び原料１２をこの順番で収容する。種結晶１１及び原料１２を収容した後、真空に引き、アルゴンなどの不活性ガスで置換した後、ヒータ２により加熱する。ヒータ２の温度が指定した温度に到達・安定した後、支持部材６を上下移動モーターによって上昇させ、所定の位置に坩堝１を移動する。これにより、坩堝１に収容された原料１２をヒータ２によって均一に溶融させる。なお、原料１２を溶融させるまでのプロセスは上記に限ったものではない。
【００６３】
一定時間保持して原料１２を十分に溶融した後、上下移動させるモーターによって支持部材６を下降させる。装置内には結晶成長に適切な温度勾配が形成されているため、坩堝１の下面から徐々に冷却されていくとともに、原料１２の上面から徐々にサファイア単結晶が成長される。
【００６４】
なお、製造する単結晶はサファイアに限ったものではない。
【００６５】
[本実施形態の効果]
上記説明した方法で製造した坩堝の温度勾配を図２（ｂ）を参照しながら説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【００６６】
図中の直線IIIは本発明の坩堝によって得られた温度勾配を示しており、破線は従来の坩堝の温度勾配を示している。
【００６７】
従来の坩堝は、一定の割合で温度上昇しているため、坩堝の温度勾配が緩やかとなっている。これに対して、本実施形態の坩堝１は、坩堝１の種結晶１１と原料１２の境界部付近において、温度が急激に上昇している。つまり、坩堝１の温度勾配を急にすることができる。
【００６８】
これにより、種結晶１１と原料１２の境界部付近を境にして、坩堝１の原料側に坩堝１の種結晶側よりも熱放射率の高い材料を形成させることで、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配を急にすることができ、種結晶溶融位置の制御が行い易くなる。
【００６９】
・第二実施形態
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
【００７０】
本実施形態では、第一実施形態の単結晶製造装置と比較して、坩堝１の構成が相違するのみであるため、以下、その相違点について図３（ａ）及び図３（ｃ）を参照しながら説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００７１】
図３（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第二実施形態の断面図、図３（ｃ）はタングステンカーバイドの深さ方向と炭素組成量の関係を示したグラフである。である。
【００７２】
[坩堝の構成]
本実施形態に係る坩堝１は、坩堝１の外側の一部を覆う高熱放射膜５ａ、５ｂ、５ｃを坩堝１の上側から下側に沿って段階的に備えている。
【００７３】
高熱放射膜５ａ、５ｂ、５ｃは、高熱放射膜５ａ＞高熱放射膜５ｂ＞高熱放射膜５ｃの順で炭素組成が多くなっている。つまり、炭素組成が多いほど、熱放射率は高くなるため、熱放射率は、高熱放射膜５ａ＞高熱放射膜５ｂ＞高熱放射膜５ｃの順に高くなっている。高熱放射膜５ａ、５ｂ、５ｃの材質は、本実施形態では、炭素組成を変化させたタングステンカーバイドを用いている。なお、本実施形態では、炭素組成を３段階に変化させたタングステンカーバイドを用いているが、熱放射率を変化させる方法はこれに限ったのもではない。また、熱放射率を変化させる段階数は問わず、ステップ状に変化させても、連続的に変化させても構わない。
【００７４】
次に、坩堝１の製造方法について説明する。まず、タングステン製の坩堝１表面に炭素をコーティングする。その後、炭素をコーティングした坩堝１を８００℃以上の温度下でアニールを行い、坩堝１表面にタングステンカーバイドを形成する。その後、形成したタングステンカーバイドの表面を切削によって除去する。除去量が少なければ、炭素組成量が多い表面となる。逆に除去量が多ければ、炭素組成量が少ない表面となる。
【００７５】
これにより、高熱放射膜５ａ、５ｂ、５ｃの炭素組成量は、図３（ｃ）に示すように、表層部（すなわち、高熱放射膜５ａ、５ｂ、５ｃの外面側）で多く、深層部（すなわち、坩堝１の内面側）に行くにつれて少なくなる。
【００７６】
[本実施形態の効果]
上記説明した方法で製造した坩堝の温度勾配を図３（ｂ）を参照しながら説明する。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【００７７】
図中の直線IVは本発明の坩堝によって得られた温度勾配を示しており、破線は従来の坩堝の温度勾配を示している。
【００７８】
従来の坩堝は、一定の割合で温度上昇しているため、坩堝の温度勾配が緩やかとなっている。これに対して、本実施形態の坩堝１は、坩堝１の種結晶１１と原料１２の境界部付近において、温度が急激に上昇している。つまり、坩堝１の温度勾配を急にすることができる。
【００７９】
このように、坩堝１の表面において、種結晶１１と原料１２の境界部付近に、段階的に熱放射率の異なる材料を形成させることで、温度勾配を緩やかにできる。すなわち、種結晶１１と原料１２の境界部付近において、坩堝１鉛直方向の熱放射率を任意の間隔で段階的に変化させることで、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配の度合いを任意に制御することができる。
【００８０】
・第三実施形態
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
【００８１】
本実施形態では、上述した各実施形態の単結晶製造装置と比較して、坩堝１の構成が相違するのみであるため、以下、その相違点について図４（ａ）を参照しながら説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００８２】
図４（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第三実施形態の断面図である。
【００８３】
[坩堝の構成]
本実施形態の坩堝１の高熱放射膜５の表面は、種結晶１１と原料１２の境界部より鉛直方向上側の表面粗さが、境界部より鉛直方向下側の領域の表面粗さよりも大きいこととする。
【００８４】
なお、坩堝１において、種結晶１１と原料１２の境界部より鉛直方向上側の坩堝１表面の表面粗さを、境界部より鉛直方向下側の領域の坩堝１表面の表面粗さよりも大きくし、その後に、坩堝１の表面に高熱放射膜５を形成しても構わない。
【００８５】
高熱放射膜５は、表面が研磨された滑らかな光沢面ではなく、凹凸が形成された面となっており、その表面粗さは、種結晶１１と原料１２の境界部より上方の表面の方が、種結晶１１と原料１２の境界部より下方の表面より大きくなっている。つまり、坩堝１の表面粗さよりも高熱放射膜５の表面粗さの方が大きくなっている。高熱放射膜５表面が凹凸となっている（粗くなっている）ため、研磨された滑らかな面に比べて、単位投影面積当たりの実際の坩堝１表面の表面積が大きくなる。これにより、研磨された滑らかな面よりも熱放射率が高くなり、ヒータ２で発生した熱をより多く、効率的に吸収することが可能となる。
【００８６】
次に、坩堝１の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、タングステンからなる坩堝１の外表面全体を研磨し、表面を整える。その後、種結晶１１と原料１２の境界部よりも上側に位置する坩堝１表面を、ウェットブラストにより加工し、表面を粗くする。
【００８７】
その後、上記の加工を施したタングステン製の坩堝１の表面に炭素をコーティングした後に、８００℃以上の温度下でアニールを行い、坩堝１表面にタングステンカーバイドを形成させる。この結果、あらかじめ炭素をコーティングする前に加工された表面粗さが反映された、タングステンカーバイド面が形成される。
【００８８】
また、表面を粗くする加工方法は、ウェットブラストに限ったものではなく、種結晶１１と原料１２の境界部より上方の坩堝１表面の表面粗さの方が、種結晶１１と原料１２の境界部より下方の坩堝１表面の表面粗さより大きくできれば、研磨やサンドブラスト等の方法を用いても良い。
【００８９】
なお、上記製造方法のほか、高熱放射膜５を直接ウェットブラストを行って、表面に凹凸を形成しても構わない。
【００９０】
[本実施形態の効果]
上記説明した方法で製造した坩堝の温度勾配を図４（ｂ）を参照しながら説明する。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【００９１】
図中の直線Vは本発明の坩堝によって得られた温度勾配を示しており、破線は従来の坩堝の温度勾配を示している。
【００９２】
従来の坩堝は、一定の割合で温度上昇しているため、坩堝の温度勾配が緩やかとなっている。これに対して、本実施形態の坩堝１は、坩堝１の種結晶１１と原料１２の境界部付近において、温度が前述した実施形態よりもさらに急激に上昇している。つまり、坩堝１の温度勾配をさらに急にすることができる。
【００９３】
このように、坩堝１の表面において、種結晶１１と原料１２の境界部付近を境に、上方側に下方側よりも熱放射率の高い材料（高熱放射膜５）を形成し、さらに、種結晶１１と原料１２の境界部より上方の表面の表面粗さを、種結晶１１と原料１２の境界部より下方の表面の表面粗さより大きくすることにより、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配をさらに急にでき、種結晶溶融位置を制御しやすくすることができる。
【００９４】
・第四実施形態
次に、本発明の第四実施形態について説明する。
【００９５】
本実施形態では、上述した各実施形態の単結晶製造装置と比較して、坩堝１の構成が相違するのみであるため、以下、その相違点について図５（ａ）を参照しながら説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００９６】
図５（ａ）は、本発明に係る単結晶製造装置における坩堝の第四実施形態の断面図である。
【００９７】
[坩堝の構成]
本実施形態に係る坩堝１は、坩堝１の外側の一部を覆う高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆを坩堝１の上側から下側に沿って段階的に備え、かつ、高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆの表面粗さが、上側に向かって大きくなっている。すなわち、高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆの表面粗さは、高熱放射膜５ｄ＞高熱放射膜５ｅ＞高熱放射膜５ｆとなっている。
【００９８】
なお、高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆの材質は、本実施形態では、炭素組成を変化させたタングステンカーバイドを用いており、表面粗さを３段階に変化させているが、これに限ったのもではなく、段階数は問わず、ステップ状に変化させても、連続的に変化させても構わない。
【００９９】
次に、坩堝１の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、タングステンからなる坩堝１の外表面全体を研磨し、表面を整える。その後、種結晶１１と原料１２の境界部よりも上側に位置する坩堝１表面にウェットブラスト加工を複数回行う。各ウェットブラスト加工は、粒径の異なる粒子を用いることにより、複数の表面粗さを有する坩堝１を製造することができる。ここで、粒径の大きい粒子で加工を行うほど、坩堝１の表面粗さを大きくすることができる。
【０１００】
その後、炭素をコーティングした坩堝を８００℃以上の温度下でアニールを行い、坩堝１表面にタングステンカーバイドを形成する。この結果、予め炭素をコーティングする前に加工された坩堝１の表面粗さが反映された、タングステンカーバイド面が形成される。すなわち、高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆを段階的に備え、さらに、高熱放射膜５ｄ、５ｅ、５ｆの表面粗さが、上側に向かって大きくなっている坩堝１を製造することができる。
【０１０１】
[本実施形態の効果]
上記説明した方法で製造した坩堝の温度勾配を図５（ｂ）を参照しながら説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した坩堝の温度勾配を示すグラフである。
【０１０２】
図中の直線VIは本発明の坩堝によって得られた温度勾配を示しており、破線は従来の坩堝の温度勾配を示している。
【０１０３】
従来の坩堝は、一定の割合で温度上昇しているため、坩堝の温度勾配が緩やかとなっている。これに対して、本実施形態の坩堝１は、坩堝１の種結晶１１と原料１２の境界部付近において、温度が急激に上昇している。つまり、坩堝１の温度勾配を急にすることができる。
【０１０４】
このように、坩堝１の表面において、種結晶１１と原料１２の境界部付近に、段階的に表面粗さの異なる材料を形成することで、温度勾配を緩やかにできる。すなわち、種結晶１１と原料１２の境界部付近において、坩堝１鉛直方向の表面粗さを任意の間隔で段階的に変化させることで、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配の度合いを任意に制御することができる。さらに、本発明の第二実施形態にかかる坩堝１のように、硬度が非常に高く、加工が難しいタングステンカーバイドを加工するのではなく、タングステン製の坩堝１本体を加工するので、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配を急にする坩堝の加工を行い易くできる。
【０１０５】
なお、上述した各実施形態の単結晶製造装置では、坩堝１に高熱放射膜５を形成した態様について説明したが、坩堝１に高熱放射膜５を形成せずに、種結晶１１と原料１２の境界部より鉛直方向上側の領域の坩堝１の表面粗さよりも、境界部より鉛直方向下側の領域の坩堝１の表面粗さを大きくしても構わない。
【０１０６】
これにより、坩堝１表面が凹凸となっている（粗くなっている）ため、研磨された滑らかな面に比べて、単位投影面積当たりの実際の坩堝１表面の表面積が大きくなり、熱放射率を高くすることができる。よって、種結晶１１と原料１２の境界部付近の温度勾配を急にすることができる。
【０１０７】
なお、上記に示した本発明の実施形態はいずれも本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【符号の説明】
【０１０８】
１          坩堝
２          ヒータ
３          断熱材
４          ヒータ電極
５          高熱放射膜
５ａ〜５ｆ  高熱放射膜
６          支持部材
１０        チャンバー
１１        種結晶
１２        原料
１３        単結晶製造装置                                                                       
【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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【図７】
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【図８】
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