(57)【要約】【課題】  従来に比べて放電現象をより抑制することができるサファイア単結晶製造装置を実現する。【解決手段】  チャンバと、チャンバ内に設置され、種結晶及び結晶原料を収容する坩堝と、坩堝を加熱するヒータと、ヒータに接続され、ヒータに電力を供給するヒータ電極と、不活性ガスを導く流路構造と、を備えた単結晶製造装置であって、流路構造は、ヒータ電極の周囲に不活性ガスを導くものであることを特徴とする。【選択図】  図１
2014136659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内に設置され、種結晶及び結晶原料を収容する坩堝と、
前記坩堝を加熱するヒータと、
前記ヒータに接続され、前記ヒータに電力を供給するヒータ電極と、
不活性ガスを導く流路構造と、
を備えた単結晶製造装置であって、
前記流路構造は、前記ヒータ電極の周囲に不活性ガスを導くものであることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記流路構造は、
前記ヒータ電極の端部にガス流出口を有する導管からなることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
前記流路構造は、ガイド部材をさらに有し、
前記ガイド部材は、前記導管の前記ガス流出口と接続されており、
前記ガイド部材は、前記ヒータ電極の周囲の少なくとも一部において、前記ヒータ電極の表面から隙間を空けて前記ヒータ電極の覆うものであることを特徴とする、請求項２に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
前記ヒータ電極は、プラス電極とマイナス電極が離れて設けられており、
前記流路構造は、前記プラス電極と前記マイナス電極に流す前記不活性ガスの流量を調節する流量調整機構を有していることを特徴とする、請求項２または３に記載の単結晶製造装置。
【請求項５】
前記流路構造は、前記ヒータ電極の周囲に前記不活性ガスを均一に流すための整流部材を有していることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にサファイア等の単結晶を製造する際に、放電を抑制することができる単結晶製造装置に関する。
【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。そのため、高品質なサファイア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】
サファイア単結晶の製造方法としては、カイロポーラス法（ＫＰ（kyropoulos）法）、チョクラルスキー法（ＣＺ（czochralski）法）などが工業的に利用されている。
【０００４】
サファイアの六方晶構造において、六角面はｃ面、六角面に垂直な面はａ面と呼ばれ、ｃ面に垂直な方向はｃ軸、ａ面に垂直な方向はａ軸と呼ばれる。ＬＥＤ製造用のサファイア基板のほとんどは、六方晶構造における（０００１）面であるｃ面方位である。
【０００５】
ＫＰ法およびＣＺ法は、サファイア原料を坩堝内で融解し、その原料融液表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げることにより単結晶を育成する。したがって、種結晶から成長した単結晶が、原料融液中と原料融液外の両方に存在するため、それぞれの場所で温度勾配が大きく変化する。ｃ軸方向に結晶成長を行う場合、これらの温度差により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。
【０００６】
そのため、一般的には、結晶欠陥が発生しにくいａ軸方向に結晶成長を行う方法が採られている。しかし、ａ軸方向に結晶成長されたサファイア結晶からｃ軸サファイア結晶ブールに加工する場合は、ａ軸方向に結晶成長されたサファイア結晶を横方向からくり抜く必要があるため、加工が困難である。また、結晶ブールとして利用されない部分が多くなるため、ｃ軸サファイア結晶ブールの収率が悪くなる。
【０００７】
ｃ面方位の基板を得るために有効な方式としては、いわゆる垂直ブリッジマン法がある。垂直ブリッジマン法は、チャンバ内に保持された坩堝内に種結晶を配置し、その坩堝内に充填された原料を加熱することにより液化させ、坩堝の下方から上方に向かって坩堝内の原料を徐冷することにより結晶を成長させるという方法である。垂直ブリッジマン法においては、ＫＰ法およびＣＺ法のように、単結晶が原料融液中と原料融液外の両方に存在することがないため、結晶成長方向の温度分布を比較的制御しやすく、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ることができる。加えて、成長す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。
【０００８】
図９は、特許文献１のサファイア単結晶育成装置１１０による、ＣＺ法を用いた単結晶の育成方法を示したものである。サファイア単結晶育成装置１１０は、チャンバ１１２内に設置した坩堝１２１に、サファイア原料粉末１５０を装入して加熱溶融し、原料融液から成長結晶１５１を引き上げることでサファイア単結晶を育成する。また、サファイア単結晶引き上げ成長炉１１１には、外部加熱室１１７内の雰囲気ガスを排出する真空ポンプ１４４、不活性ガスを供給するガス導入口１３９が設けられる。
【０００９】
そして、サファイア原料粉末１５０を加熱溶融する際に、真空ポンプ１４４及びガス導入口１３９によって雰囲気ガスを不活性ガスで置換し、チャンバ１１２内に実質的に酸素が存在しない状態を維持する。
【００１０】
これにより、融液や坩堝と酸素が反応することによって生じるインクルージョンを含まない、良好なサファイア単結晶を得ることができる。
【００１１】
ところで、このようなヒータを用いた単結晶育成方法においては、ヒータ電極と各部材との間で放電現象が起こることがしばしばある。ヒータ電極と各部材間で放電現象が起きると、放電現象に一部の電力が使われるため、投入電力に対してヒータ加熱に使われる電力が小さくなり、ヒータ温度が低下してしまう。また、放電現象の発生によって、放電現象が発生した箇所の周囲温度が上がってしまい、放電の発生箇所によっては坩堝付近の温度を上昇させてしまうこともある。すなわち、放電現象によって坩堝温度の制御に困難が伴うこととなる。また、放電現象によって、部材が損傷してしまう場合もある。
【００１２】
このような放電現象の問題は、ヒータを用いるどの単結晶育成法においても起こりうるが、特に垂直ブリッジマン法においては、炉内の温度勾配によって原料融液を固化させて結晶を製造することから、温度制御に影響を与える放電現象を抑制することが重要である。
【００１３】
放電現象が発生する要因としては、ヒータ電極と各部材間に存在する電子や、イオンなどの放電起因物質が考えられる。
【００１４】
電子については、ヒータ電極、ヒータ、断熱材などの高温になる部材の表面から発生する熱電子がある。
【００１５】
一方、放電起因物質については、原料起因の放電起因物質と、ガス起因の放電起因物質が考えられる。原料起因の放電起因物質については、原料であるＡｌ２Ｏ３から発生したＡｌ系の原子または分子等がイオン化したものなどがある。ガス起因の放電起因物質については、不活性ガス等を使用している場合はガスがイオン化したものがある。これらのイオン化した放電起因物質は、電極に衝突することによって二次電子を放出する。
【００１６】
このような熱電子や放電起因物質は、ヒータ電極やヒータ、断熱材などの部材表面の温度が高くなるほど発生が促進される。
【００１７】
図１０は、放電現象を抑制することを目的とした、特許文献２に記載のサファイア単結晶育成装置である。
【００１８】
このサファイア単結晶育成装置は、ＣＺ法の別称である回転引き上げ法によりサファイア単結晶を製造するものであり、サファイア原料が充填される坩堝２０１と、坩堝を加熱する円筒状ヒータ部２０３及び円盤状ヒータ部２０４を有するカーボン製ヒータ２３０と、坩堝が保温される断熱空間室２０６と、断熱空間室の底面部２６０に設けられた絶縁筒２０８と、絶縁筒内に挿入されカーボン製ヒータに接続されて電力を供給するヒータ電極２０５を備えている。また、断熱空間室の底面部２６０を構成する断熱材料の厚さが９０ｍｍ以上、断熱空間室の底面部表面から円盤状ヒータ部２０４下端までの距離が１０ｍｍ以上に設定されている。
【００１９】
このように、断熱材料の厚さを厚くすることで、底面部２６０における断熱性が向上して、カーボン製ヒータ２３０からカーボン製ヒータ電極２０５を介し断熱空間室外へ放出される熱量を低減させることができるため、カーボン製ヒータ２３０への投入電力の低減が図れる。したがって、投入電力の低減により、カーボン製ヒータ電極２０５とヒータ電極が挿入される絶縁筒２０８間の放電現象を抑制することができる。また、断熱空間室２０６の底面部２６０表面から円盤状ヒータ部２０４下端までの距離が１０ｍｍ以上に設定されていることから、底面部２６０と円盤状ヒータ部２０４間の放電現象も抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００８−７３５４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５００５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献２のサファイア単結晶育成装置によってヒータ投入電力を下げた場合、熱電子や放電起因物質の発生は、減少するものの完全に無くなるわけではない。
【００２２】
また、特許文献１や２のサファイア単結晶育成装置においては、ヒータの熱によって発生した放電起因物質を別の場所へ移動させる機構が存在しないため、ヒータの周辺に放電起因物質が滞留してしまう。
【００２３】
したがって、熱電子や滞留した放電起因物質による放電現象が発生してしまう。
【００２４】
そこで本発明は、従来に比べて放電現象をより抑制することができ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】
【００２５】
本発明の単結晶製造装置は、チャンバと、チャンバ内に設置され、種結晶及び結晶原料を収容する坩堝と、坩堝を加熱するヒータと、ヒータに接続され、ヒータに電力を供給するヒータ電極と、不活性ガスを導く流路構造と、を備えた単結晶製造装置であって、流路構造は、ヒータ電極の周囲に不活性ガスを導くものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、従来に比べて放電現象をより抑制することができるサファイア単結晶製造装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るサファイア単結晶製造装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るサファイア単結晶製造装置の坩堝周辺の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るサファイア単結晶製造装置のヒータ電極付近の詳細図である。
【図４】強制対流層流でのアルゴンガスの流速と熱伝達率の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態のサファイア単結晶製造装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態のサファイア単結晶製造装置の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のサファイア単結晶製造装置のヒータ電極付近の詳細図である。
【図８】本発明の第４の実施形態のサファイア単結晶製造装置のヒータ電極付近の詳細図である。
【図９】先行特許文献１のサファイア単結晶育成装置の説明図である。
【図１０】先行特許文献２のサファイア単結晶の育成方法の説明図である。
【００２８】
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第１の実施形態）
［サファイア単結晶製造装置］
以下、本発明の第１の実施形態について、図１〜４を用いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第一実施形態に係る、垂直ブリッジマン法によるサファイア単結晶製造装置１０の概略図である。図２は、サファイア単結晶製造装置１０の坩堝１２周辺の斜視図である。図３は、ヒータ電極１５ａ、１５ｂからなるヒータ電極１５周辺の詳細図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。なお、図３においては、ヒータ電極１５ｂの詳細図を示したが、ヒータ電極１５ａも同様の構造を持つ。
【００３１】
図１に示したように、サファイア単結晶製造装置１０は、略円筒状のチャンバ１１を備える。チャンバ１１の内部には、円筒形の坩堝１２と、坩堝１２を支持する支持部材１３と、坩堝１２を加熱するための略円筒形のヒータ１４と、ヒータ１４に電力を供給するためのヒータ電極１５ａ及び１５ｂと、ヒータ１４の熱がチャンバ１１に伝わることを防ぐ断熱材１６を備える。チャンバ１１の底面下側には２つのガス流入口１７ａが、断熱材１６の底面上側には２つのガス流出口１７ｂがそれぞれ設けられており、ガス流入口１７ａとガス流出口１７ｂをつなぐ導管１９によって、不活性ガスを断熱材１６内に流入させることができる。さらには、流入したガスを断熱材１６の外に排気する排気口１８ｂおよび、チャンバ１１の外に排気する排気口１８ａが存在する。なお、排気口１８ａと排気口１８ｂを合わせて排気口１８と呼ぶものとする。
【００３２】
坩堝１２の材質は、本実施形態ではタングステンであるが、これに限られず、サファイアの熱膨張係数よりも小さく高融点の材料であれば、モリブデンや種々の合金等を用いてもよい。坩堝１２に高融点材料を用いることで、坩堝１２がサファイアの融点であるおよそ２０００℃以上に加熱されても劣化を防ぐことができる。
【００３３】
坩堝１２を支持する支持部材１３は、チャンバ１１の軸心に沿って配置され、坩堝１２を上下移動させるための上下移動モータ（図示せず）と接続されている。支持部材１３の材料は特に限定されないが、アルミナ原料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ればよい。
【００３４】
断熱材１６は、ヒータ１４の熱がチャンバ１１に伝わることを防ぐものであり、チャンバ１１の内側に、ヒータ１４の周囲を取り囲むように配置されている。断熱材１６の材料は特に限定されないが、アルミナ原料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ればよい。
【００３５】
ガス流入口１７ａは、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスを断熱材１６の内部に流入されるためのものであり、チャンバ１１の下部に設けられている。本実施形態では、ガス流入口１７ａはヒータ電極１５の導入部と支持部材１３の導入部の間に設けられているが、その位置は特に限定されるものではなく、チャンバ１１の底面外周部や、チャンバ１１の側面部にあってもよい。
【００３６】
ガス流入口１７ａから流入した不活性ガスは、チャンバ１１および断熱材１６の内部に取り付けられた、流路構造としての導管１９を通して、ヒータ電極１５の下部の周囲に導かれ、ヒータ電極１５の周囲を下方から上方に向かって流れていく。なお、導管１９の形状は、本実施形態では断面が円形状のものを使用したが、ヒータ電極１５の下部の周囲に導かれるものであれば、円形状に限ったものではなく、たとえば長方形状のものを用いてもよい。導管１９の材質は特に限定されず、アルミナ原料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れば良い。
【００３７】
排気口１８ａ及び排気口１８ｂからなる排気口１８は、チャンバ１１及び断熱材１６内の気体を排出するためのものである。本実施形態では、排気口１８ａをチャンバ１１の上部に、排気口１８ｂを断熱材１６の上部に設けたが、これに限らず、排気口をチャンバ１１や断熱材１６の側面などに設けてもよい。また、本実施形態では排気口１８の断面形状は円形状としたが、その断面形状は限定されるものではない。
【００３８】
図２に示したように、坩堝１２を加熱するためのヒータ１４は、坩堝１２が支持部材１３によって上方に移動した位置において、坩堝１２の周囲を取り囲むように略円筒形に配置されている。
【００３９】
ヒータ１４に電力を供給するためのヒータ電極１５には、プラス側電極であるヒータ電極１５ａとマイナス側電極であるヒータ電極１５ｂとがあり、それぞれ断熱材１６およびチャンバ１１を通して外側と接続されている。プラス極側のヒータ電極１５ａから流れた電流はヒータ１４を通り、マイナス極側のヒータ電極１５ｂに到達する。
【００４０】
ヒータ１４としては、カーボン製のヒータが周方向に蛇行しながらプラス極からマイナス極へとつながっているものを用いたが、これに限るものではなく、種々のヒータを用いることができる。なお、ヒータ電極１５ａと１５ｂをまとめてヒータ電極１５と呼ぶものとする。このヒータ電極１５には、ヒータを２０００℃以上に温めるために、直流電流で数十ｋＷの電力が投入される。
【００４１】
図３（ａ）は、ヒータ電極１５を上方から見た図である。本実施形態では、ヒータ電極１５の断面形状は円であるので、不活性ガスがヒータ電極１５の周囲を流れるように、ヒータ電極１５の周囲を導管１９で同心円状に囲っているが、ヒータ電極１５の周囲を不活性ガスが均一に流れる構造であれば、同心円状の構造に限ったものではない。
【００４２】
なお、本実施形態ではヒータ電極１５の直径５０ｍｍに対して、導管１９のガス流出口１７ｂでの外径は１１０ｍｍとしているが、適切なガスの流れと流速を実現できるものであれば、ヒータ電極１５の直径と導管１９のガス流出口１７ｂの外径の比は限定されるものではない。
【００４３】
ここで、ヒータ電極１５の周囲にガスを流した場合の放熱効果について説明を行う。簡単のため、ヒータ電極１５を垂直平板と見立て、強制対流熱伝達の場合のヒータ電極１５とアルゴン界面の熱伝達率を計算した。なお、強制対流は、層流流れであると仮定して計算を行った。
【００４４】
平均熱伝達率ｈは以下の式（１）で表される。
【００４５】
ｈ＝Ｎｕｍ・Ｋ／Ｌ    …式（１）
ここで、Ｎｕｍは平均ヌッセルト数、ｋはガスの熱伝導率、Ｌは代表長さであり、平均ヌッセルト数Ｎｕｍは、強制対流熱伝達の場合、以下の式で表わされる。
【００４６】
Ｎｕｍ＝０．６６４ＲｅＬ１／２Ｐｒ１／３  （０．５＜Ｐｒ＜１５）    …式（２）
ここで、ＲｅＬはガスのレイリー数、Ｐｒはガスのプラントル数で、それぞれ物質固有の物性値である。ガスをアルゴンと仮定して、上記の式（１）（２）から、平均熱伝達率を求めると、図４に示すような関係となる。すなわち、ヒータ電極１５の周囲を流れるアルゴンの流速が増える程、熱伝達率が大きくなる。
【００４７】
したがって、アルゴンガスなどの不活性ガスをヒータ電極１５の周囲に強制的に流すことで、放熱効果を大きくすることができる。なお、本実施形態では不活性ガスとしてアルゴンを用いたが、ヒータ電極１５の周囲の電子や放電起因物質の対流を防ぎ、ヒータ電極１５の表面の温度を下げる効果のあるものであれば、アルゴンに限らない。
【００４８】
［サファイア単結晶製造工程］
次に、図１を参照しながら、本実施形態のサファイア単結晶製造装置１０を用いてサファイア単結晶を製造する方法について説明を行う。
【００４９】
まず、坩堝１２に、サファイア種結晶、アルミナ原料をこの順番で収容する。その後、チャンバ１１内を真空に引き、チャンバ１１内の雰囲気ガスをアルゴンなどの不活性ガスで置換した後、ヒータ１４により加熱する。ヒータ１４が指定した温度に到達して安定した後、坩堝１２を上下移動モータによって所定の位置まで上昇させる。そして、坩堝１２に収容されたアルミナ原料をヒータ１４によって均一に溶融させる。なお、アルミナ原料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。
【００５０】
坩堝１２を一定時間同じ位置で保持してアルミナ原料を十分に溶融した後、上下移動モータによって坩堝１２を下降させる。断熱材１６の内部は、ヒータ１４付近の温度が高く、ヒータ１４から下に移動するほど温度が低くなる温度勾配が形成されているため、坩堝１２の下面から徐々に冷却されていくとともに、サファイア種結晶の上面から徐々に、サファイア単結晶が成長する。
【００５１】
先述したように、放電現象が発生する要因としては、ヒータ電極と各部材間に存在する電子や、イオンなどの放電起因物質が考えられる。
【００５２】
電子については、ヒータ電極、ヒータ、断熱材などの高温になる部材の表面から発生する熱電子がある。
【００５３】
一方、放電起因物質については、原料起因の放電起因物質と、ガス起因の放電起因物質が考えられる。原料起因の放電起因物質については、原料であるＡｌ２Ｏ３から発生したＡｌ系の原子または分子等がイオン化したものなどがある。ガス起因の放電起因物質については、不活性ガス等を使用している場合はガスがイオン化したものがある。これらのイオン化した放電起因物質は、電極に衝突することによって二次電子を放出する。
【００５４】
このような熱電子や放電起因物質は、ヒータ電極やヒータ、断熱材などの部材表面の温度が高くなるほど発生が促進される。
【００５５】
したがって、このような放電現象の発生を抑制するため、サファイア単結晶の成長プロセスを行っている間、アルゴンなどの不活性ガスをガス流入口１７ａから流入させ、導管１９を通じて、ガス流出口１７ｂからヒータ電極１５の周囲に、０．５ｍ／ｓの流速で不活性ガスを流す。またそれと同時に、排気口１８より不活性ガスの排気を行う。
【００５６】
これにより、ヒータ電極１５の周囲に不活性ガスを流さない場合と比べて、ヒータ電極１５の周囲の放熱効果が高くなるため、ヒータ投入電力を抑えることができ、放電現象発生の原因となる熱電子の放出を抑制することができる。また、ヒータ電極１５の周囲に滞留している電子や放電起因物質をヒータ電極１５の周囲から排除することができる。したがって、ヒータ電極１５の周囲の電子や放電起因物質を少なくすることができるため、従来に比べて放電現象をより抑制することができる。
【００５７】
また、大口径のインゴットを育成する場合など、より大きな投入電力を必要とする場合においても、ヒータ電極１５の周囲の電子や放電起因物質が少なくなっているため、放電現象の発生を抑えることができる。
【００５８】
さらには、放電現象による部材の損傷も防ぐことができる。
【００５９】
なお、不活性ガスの流速は上述した値に限らない。一般に、不活性ガスの流速が早いほど放電現象の抑制効果も大きくなるため、コスト等を考慮した上で、流速を決定するようにすればよい。
【００６０】
（第２の実施形態）
次に、図５を用いて、本発明の第２の実施形態のサファイア単結晶製造装置２０について説明を行う。なお、第１の実施形態と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。
【００６１】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置２０においては、２つのガス流入口１７ａから流入したガスは、共通の導管１９を通過するようになっている。また、導管１９には、ヒータ電極１５のプラス電極側とマイナス電極側にそれぞれ流量調節機構２１が設けられている。
【００６２】
放電現象発生の一因となる二次電子は、アルゴンなどの不活性ガスを使用している場合において、不活性ガスが陽イオンになり、電極に衝突することによって放出される。陽イオンは、マイナス側電極に衝突することとなるため、プラス極側のヒータ電極１５ａよりもマイナス極側のヒータ電極１５ｂの付近で多くの二次電子が発生することとなり、ヒータ電極１５ｂにおいて放電現象がより発生しやすくなる。したがって、流量調節機構２１によって、マイナス極側のヒータ電極１５ｂの方により多くの不活性ガスを流すことで、放電現象をさらに抑制することができる。なお、部材の加熱によって生じる熱電子についてはプラス極側のヒータ電極１５ａにおいても放出されるため、ヒータ電極１５ａ周囲にも一定量の不活性ガスが流れるようにする。ヒータ電極１５ａとヒータ電極１５ｂに流す不活性ガスの割合は限定されるものではない。
【００６３】
このように、ヒータ電極１５のうち、マイナス極側のヒータ電極１５ｂにより多くの不活性ガスを流すことによって、陽イオン衝突による二次電子がヒータ電極１５ｂの周囲に滞留することを防ぐことができるため、従来に比べて放電現象をより抑制することができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に、図６および図７を用いて、第３の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置３０について説明する。なお、第３の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置３０は、第２の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置２０に対し、ガイド部材３１を備える点でのみ相違するため、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。
【００６５】
図６および図７に示した通り、本実施形態に係るサファイア単結晶製造装置３０は、ヒータ電極１５の周囲に、不活性ガスの流れを導くガイド部材３１がさらに設けられている。ガイド部材３１は、ガス流出口１７ｂと接続しており、導管１９を流れてきた不活性ガスの拡散を防ぎ、不活性ガスをヒータ電極１５の周囲に導くものである。また、ガイド部材３１の最上部は開口しており、不活性ガスを断熱材１６の内部に導く流路構造として働く。なお、この場合、不活性ガスが流出するのはガス流出口１７ｂではなく、ガイド部材３１の最上部となるが、この場合においても導管１９が断熱材１６の内部に現れる直前の部分を同様にガス流出口１７ｂと呼ぶものとする。
【００６６】
このようなガイド部材３１を設けることにより、ヒータ電極１５の下部から上部の周囲に沿って不活性ガスが流れるので、ヒータ電極１５の周囲全体にわたり、電子や放電起因物質の滞留を防ぎ、放熱も促進することができる。したがって、従来に比べて放電現象をより抑制することができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、ヒータ電極１５の高さ方向の中間付近までガイド部材３１を設けたが、その長さや形状がこれに限定されるものではない。またガイド部材３１の材質も、アルミナ原料の加熱溶融時において軟化、溶融、分解または蒸発しない材料であればよい。
【００６８】
また、ガイド部材３１と導管１９を別の部材とするのではなく、導管１９をヒータ電極１５の周囲を取り囲むように伸ばしたものをガイド部材３１としてもよい。
【００６９】
また、ガイド部材３１と導管１９は必ずしも完全に一体化して接続されているものでなくてもよく、導管１９のガス流出口１７ｂから所定の間隔をあけて、ガイド部材３１が設けられている場合も、ガイド部材３１と導管１９が接続されていると表現する。
【００７０】
（第４の実施形態）
次に、図８を用いて、本発明の第４の実施形態のサファイア単結晶製造装置４０について説明を行う。なお、第４の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置４０は、第１実施形態におけるサファイア単結晶製造装置１０に対し、整流部材としての整流翼４１を備える点でのみ相違するため、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】
本実施形態に係るサファイア単結晶製造装置４０は、導管１９を通り、ヒータ電極１５の周囲に流れてきた不活性ガスの流れを均一に整流する整流翼４１が、さらに設けられている。
【００７２】
図８（ａ）はヒータ電極１５の上面図であり、図８（ｂ）はヒータ電極１５の断面図である。整流翼４１は１枚の整流翼４１ａ及び７枚の整流翼４１ｂからなり、ヒータ電極１５の周囲に到達した不活性ガスを、ヒータ電極１５の周囲に沿って、ヒータ電極１５の下部から上部方向に向けて、均一な流量・流速で流すための構造である。整流翼４１ａは、導管１９より流れてきた不活性ガスを円周の一定方向に流れるようにするものである。整流翼４１ｂは、ヒータ電極１５の周囲にわたり異なる高さで７枚設けられている。整流翼４１ｂは、それぞれの羽が上方向に曲がっているため、ヒータ電極１５の下部から上部方向に向けて、ヒータ電極１５の周囲に均一な流量・流速の流れを作ることができる。
【００７３】
これにより、不活性ガスの流量の偏りをなくすことができるため、不活性ガスの不足した部分における熱電子の放出や放電起因物質の滞留や、放熱効果の低下を抑えることができる。したがって、従来に比べて放電現象をより抑制することができる。
【００７４】
なお、整流翼４１の材質は、アルミナ原料の加熱溶融時において軟化、溶融、分解または蒸発しない材料であれば良い。また、整流翼４１ａおよび整流翼４１ｂの枚数や形状が限定されるものではない。
【００７５】
以上説明した第１〜４の実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７６】
また、本発明は垂直ブリッジマン方式による単結晶育成に限るものではなく、前述のＫＰ法、ＣＺ法のほかに、垂直ブリッジマン方式に類似した垂直温度勾配凝固法や、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）等を用いた単結晶製造装置にも適用することができる。
【００７７】
ＥＦＧ法は、平板状でサファイア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、アルミナ融液が入った封止されていない坩堝の上部に、所望の形状の溝が形成された、ダイと呼ばれる形状制御用治具を設置し、そのダイの上部に種結晶を接触させ、この種結晶を上方へ移動させる。この種結晶の移動により、アルミナ融液は、表面張力によって種結晶に連続的に付着しながら冷却され、種結晶と同一の方位を持つ単結晶として凝固される。よって、ダイにより規定された形状を有するサファイア単結晶を得ることができる。
【００７８】
また、本発明の単結晶製造装置は、サファイアの製造だけに用いられるものではなく、垂直ブリッジマン法やＣＺ法などの手法によって製造される結晶の製造装置に適用することができる。
【００７９】
【符号の説明】
【００８０】
１０、２０、３０、４０  サファイア単結晶製造装置
１１  チャンバ
１２  坩堝
１３  支持部材
１４  ヒータ
１５  ヒータ電極
１６  断熱材
１７ａ  ガス流入口
１７ｂ  ガス流出口
１８  排気口
１８ａ、１８ｂ  排気口
１９  導管
２１  流量調節機構
３１  ガイド部材
４１  整流翼
【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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【図９】
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【図１０】
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