(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボ内のアルミナ融液にｃ軸サファイア種結晶を浸漬させ、前記種結晶を回転させながら上方向に引き上げて前記種結晶の下端にサファイア単結晶をｃ軸方向に成長させるサファイア単結晶の製造方法であって、
前記種結晶の着液を行い、前記種結晶を回転させながら前記アルミナ融液に浸漬させたままその位置を固定し、前記アルミナ融液の液面下で前記サファイア単結晶の液中成長を進めるステップと、
前記種結晶の着液後の結晶にｃ軸引き上げで見られる晶癖線が確認できた段階で、前記アルミナ融液中で成長する単結晶成長部分が前記ルツボの底面に到達する前に前記種結晶の引き上げを開始するステップとを有し、
前記アルミナ融液中で成長する単結晶成長部分の側面形状が下方向に突出した略Ｖ字形状であり、前記略Ｖ字形状は単結晶育成完了まで維持されることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記種結晶の引き上げ速度が０．５ｍｍ／ｈｒ以上１０ｍｍ／ｈｒ以下である、請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記アルミナ融液から引き上げたときの前記融液中で成長する単結晶成長部分の直径が、前記ルツボの直径の２／３倍以下である、請求項１又は２に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記種結晶の回転速度が１０ｒｐｍ以上１８ｒｐｍ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記ルツボにモリブデンルツボを用い、前記モリブデンルツボの周囲に抵抗加熱ヒーターを配置し、前記アルミナ融液を抵抗加熱方式により加熱する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記アルミナ融液の生成前後に脱ガス処理し、脱ガス処理された前記アルミナ融液に前記種結晶を着液する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記単結晶成長部分の結晶直径が１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下となるまで前記サファイア単結晶の液中成長を進める、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【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及びその製造方法に関し、特に、チョクラルスキー法を用いたサファイア単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造用基板としてサファイア単結晶基板の需要が拡大している。サファイア単結晶基板は、サファイア単結晶をウェーハ状にスライスすることによって作製されるため、大型のサファイア基板を作製するためには、大型のサファイア単結晶を用いる必要がある。
【０００３】
サファイア単結晶を製造する方法としては、キロプロス法や垂直ブリッジマン法などが広く用いられているが、これらの方法では所望の面方位を持つサファイア単結晶の大型化が難しいという問題がある。このため、より大型のサファイア単結晶を得る方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）が注目されている（特許文献１参照）。ＣＺ法はシリコン単結晶の引き上げ等にも用いられている方法であり、成熟した技術であることから、これをサファイア単結晶の引き上げに応用することによって、大型のサファイア単結晶を安価に作製できるものと期待される。
【０００４】
しかしながら、同じＣＺ法であっても、シリコンとサファイアとでは物性が大きく異なるため、シリコン単結晶の引き上げで得られた知見をサファイア単結晶の引き上げにそのまま応用できるわけではない。むしろ、シリコン単結晶の引き上げとサファイア単結晶の引き上げは全く別の技術と捉える必要があり、シリコン単結晶の引き上げにおいては生じなかった種々の問題を解決しなければならない。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ＣＺ法によるサファイア単結晶の成長において、原料を融解して放置するときの温度を精細に管理し、必要以上にイリジウムルツボを加熱しないことでその酸化を抑制し、これによりインクルージョンの発生を抑えて高品質な単結晶を効率的に製造する方法が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、モリブデン製又はタングステン製ルツボと、その外側に配置されたイリジウム製ルツボとからなる二重構造のルツボを用いたサファイア単結晶成長装置が記載されている。さらに、特許文献３には、融液の脱ガス処理によってマイクロバブルの発生を抑制して高品質なサファイア単結晶を製造する方法が記載されている。
【０００７】
特許文献４には、サファイア単結晶の育成軸をｃ軸から０．１〜１５度の範囲内で傾けて単結晶サファイアを育成する方法が記載されている。また、特許文献５には、サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させる方法において、ルツボ中のアルミナ融液の液面高さがルツボの底部内面と壁部内面との境界部に到達したときに、サファイア単結晶を引き上げてアルミナ融液から引き離すことにより、単結晶収率を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１６９０６９号公報
【特許文献２】特開２００８−７３５３号公報
【特許文献３】特開２００８−１９５５７５号公報
【特許文献４】特開２００８−５６５１８号公報
【特許文献５】特開２０１０−１８９２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、青色・白色ＬＥＤは、サファイア基板上にＧａＮ系薄膜をエピタキシャル成長させる方法により製造されるが、その基板材料には、ｃ軸に垂直な（０００１）面（ｃ面）が主面となるようにインゴットから切り出されたサファイアウェーハが用いられる。したがって、後工程での利便性や材料歩留まりを考慮すれば、ｃ軸方向に結晶成長させた大口径かつ長尺なサファイア単結晶インゴットをスライスして用いることが好ましい。
【００１０】
しかしながら、結晶には成長しやすい方位と成長しにくい方位が存在し、サファイア結晶の場合、ａ軸方向（（１１２０）方位）には単結晶が比較的容易に成長するが、ｃ軸方向（（０００１）方位）には単結晶が成長しにくいか、あるいは気泡や欠陥が導入されやすい。
【００１１】
サファイア単結晶の育成の難しさは、気泡や欠陥の導入を抑えて大口径かつ長尺なインゴットを育成する点にある。気泡や欠陥は、不規則な融液の揺らぎや対流、融液の温度分布や温度変化等によって容易に導入されてしまう。これらの不規則な要因を抑制するには、インゴットの成長に伴って変化する条件に対して適切かつ微妙な制御を加える必要がある。現在、サファイア単結晶はキロプロス法による生産・供給が主流であり、ＣＺ法で大口径なｃ軸サファイア単結晶を育成するには多くの課題がある。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＣＺ法によるサファイア単結晶の製造方法において、気泡や欠陥の導入を抑制しながら、ｃ軸方向に結晶成長させ、大口径かつ長尺な単結晶を得ることにある。また、本発明の他の目的は、そのような製造方法により製造される高品質なサファイア単結晶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、サファイア単結晶のｃ軸方向への結晶成長のメカニズムについて鋭意研究を行った結果、ＣＺ法によるサファイア単結晶の引き上げでは、融液と接する単結晶インゴットの先端部が液面下で大きく成長し、界面形状が下方に向けて凸状になることがあり、引き上げ条件によってはこの結晶部分に気泡や欠陥が導入されず、高品質であることを見出した。また、液中の結晶部分についてもその直径の制御が可能であることが確かめられた。
【００１４】
本発明はこのような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明によるサファイア単結晶の製造方法は、ルツボ内のアルミナ融液にｃ軸サファイア種結晶を浸漬させ、前記種結晶を回転させながら上方向に引き上げて前記種結晶の下端にサファイア単結晶をｃ軸方向に成長させるサファイア単結晶の製造方法であって、前記アルミナ融液の液面下で前記サファイア単結晶を成長させると共に、前記融液中で成長する単結晶成長部分が前記ルツボの底面に到達しないように前記種結晶を上方に引き上げることを特徴とする。
【００１５】
本発明によるサファイア単結晶の製造方法は、サファイア単結晶をアルミナ融液の液面下で積極的に育成しながら、その結晶成長速度に合わせて、所定の引き上げ速度で上方向に引き上げるので、気泡や欠陥のない高品質なｃ軸サファイア単結晶を育成することができ、大口径かつ長尺な単結晶を育成することができる。
【００１６】
アルミナ融液の液面下で単結晶を育成する代表的な方法にキロプロス法があるが、本発明は以下の点でキロプロス法と大きく異なる。
【００１７】
まず第１に、キロプロス法では、ａ軸方向に結晶成長させるのに対して、本発明では、ｃ軸方向に結晶成長させるものである。一般に、サファイアのｃ軸方向への結晶成長は、ａ軸方向に比べて非常に難しいとされている。ｃ軸方向の結晶成長では多数の微小な気泡や欠陥が発生しやすいからである。ａ軸引き上げはキロプロス法によって既に実用化されているが、材料歩留まりを向上させるためにはｃ軸引き上げ技術が必要不可欠である。
【００１８】
第２に、キロプロス法では、種結晶を融液に浸漬させた状態で固定し、結晶成長が進んでルツボの底面に接触してもそのまま育成を続け、これ以上成長させるとルツボからの取り出しができなくなるほど十分に大きな結晶サイズとなって初めて、ルツボから引き上げられて取り出されるのに対し、本発明では、種結晶を常に回転させると共に、液中で成長する結晶部分がルツボの底面に到達しないようその成長速度に合わせて上方向に引き上げながら育成を続ける点が異なっている。
【００１９】
また、本発明が通常のＣＺ法とも異なる点は、アルミナ融液の液面下で積極的に結晶成長させる点にある。本発明は、アルミナ融液中で下向きに凸状の大きなｃ軸結晶部分を育成し、この部分がさらに成長してルツボ底面に到達する前にこれを上方向に引き上げて、液中結晶からルツボ底面までのマージンを確保し、結晶成長をさらに促進させるものである。
【００２０】
本発明においては、前記融液中で成長する単結晶成長部分の側面形状が下方向に突出した略Ｖ字形状であることが好ましい。一般に、ｃ軸引き上げを行う場合には、単結晶の界面形状が融液面と平行な面を持つ場合が多いが、この結晶面はｃ面であり、最密面であることから、融液中に含まれる無数の気泡が結晶中に取り込まれやすい。
【００２１】
例えば、キロプロス法では最初にネッキングを実施するものの、その後は種結晶が融液中に放置され、回転もしないので、結晶は液面の低下に合わせて全体に広がりながら成長し、その形状はかならずＵ字形になる。しかも上から下に向かって裾広がりの形状になる。このような形状になると、結晶の底面にｃ面が発生することになり、気泡が取り込まれやすい。そのため上記のように、キロプロス法ではａ軸引き上げが行われる。
【００２２】
しかし、本発明では、液中成長部分の下端部の形状が略Ｖ字形であり、ｃ面を持たないことから、アルミナ融液中の気泡を単結晶の外側に排除しながら育成することができる。したがって、高品質な単結晶を製造することができる。
【００２３】
本発明においては、前記種結晶の引き上げ速度が０．５ｍｍ／ｈｒ以上１０ｍｍ／ｈｒ以下であることが好ましい。引き上げ速度が１０ｍｍ／ｈｒを超えるときには、結晶成長が追い付かず、肩下で結晶剥がれが生じ、結晶形状が大きく崩れるからである。また、０．５ｍｍ／ｈｒ未満のときには、結晶成長が進みすぎて結晶の下端がルツボ底面に到達するおそれがあるからである。
【００２４】
本発明においては、前記アルミナ融液から引き上げたときの前記融液中で成長する単結晶成長部分の直径が、前記ルツボの直径の２／３倍以下であることが好ましい。単結晶の直径がルツボ直径の２／３よりも大きくなると、モリブデンルツボ内のアルミナ融液の液面後退速度が速くなり、引き上げ速度を速くした場合と同様、結晶成長が追い付かなくなり、肩下で結晶剥がれが生じ、結晶形状が大きく崩れるからである。
【００２５】
本発明においては、前記種結晶の回転速度が８ｒｐｍ以上２５ｒｐｍ以下であることが好ましい。回転速度が８ｒｐｍより低いと液中成長部分の形状（界面形状）がＵ字形となり、結晶中に気泡が高密度に導入されるからであり、また２５ｒｐｍより高いと結晶の界面形状にくねりが発生し、結晶成長の継続が困難となるからである。
【００２６】
本発明においては、アルミナ融液を抵抗加熱方式により加熱することが好ましい。この場合において、前記ルツボはモリブデンルツボであることが好ましく、前記モリブデンルツボの周囲に抵抗加熱ヒーターを配置し、前記抵抗加熱ヒーターからの輻射熱により前記アルミナ融液を加熱することが好ましい。抵抗加熱方式の場合、ルツボの周囲に設けられた抵抗加熱ヒーターからの輻射熱によってアルミナ融液がルツボとともに加熱される。その結果、アルミナ融液が縦方向の温度勾配を持つことになる。アルミナ融液の粘性は非常に高く、あまり撹拌されないので、縦方向の温度勾配が維持される。これにより、アルミナ融液の液面下でのｃ軸方向の結晶成長を促進させることができる。さらに、モリブデンルツボはイリジウムルツボに比べて安価であることから、サファイア単結晶の製造コストを低減することができる。
【００２７】
本発明においては、前記アルミナ融液の液面位置よりも上方に引き上げられた単結晶部分の結晶長Ａと、前記アルミナ融液の液面下で成長する単結晶部分の結晶長Ｂとの比Ｂ／Ａが０．２以上２以下となるように前記サファイア単結晶を引き上げることが好ましい。
【００２８】
さらに、本発明によるサファイア単結晶は、拡径部から直胴部までの単結晶部分の結晶長Ａと、縮径部の単結晶部分の結晶長Ｂとの比Ｂ／Ａが０．２以上２以下である。また、本発明の他の側面によるサファイア単結晶は、アルミナ融液にｃ軸サファイア種結晶を浸漬させ、前記種結晶を回転させながら上方向に引き上げることにより、前記種結晶の下端にサファイア単結晶をｃ軸方向に成長させてなるものであって、前記アルミナ融液の液面位置よりも上方に引き上げられた単結晶部分の結晶長Ａと、前記アルミナ融液の液面下で成長する単結晶部分の結晶長Ｂとの比Ｂ／Ａが０．２以上２以下であることを特徴とする。本発明によれば、結晶部分に気泡や欠陥が導入されていない高品質なサファイア単結晶を提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
このように、本発明によれば、ＣＺ法によるサファイア単結晶の製造方法において、気泡や欠陥の導入を抑制しながら、ｃ軸方向に結晶成長させ、大口径かつ長尺な単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態によるサファイア単結晶の製造装置１０の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、サファイア単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、サファイア単結晶の製造工程を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるサファイア単結晶の製造装置の構成を示す模式図である。
【００３３】
図１に示すサファイア単結晶の製造装置１０は、チャンバー１１と、チャンバー１１の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられた回転軸１２と、回転軸１２の上端部に固定された支持台１３と、支持台１３上に設置されたモリブデンルツボ１４と、モリブデンルツボ１４の周囲に設けられた抵抗加熱ヒーター１５と、回転軸１２を回転させるための回転機構１６と、先端に種結晶が取り付けられたシード棒１８と、シード棒１８を引き上げる引き上げ機構１９と、各部を制御するコントローラ２３とを備えている。
【００３４】
チャンバー１１には覗き窓１７が設けられており、サファイア単結晶の引き上げの状態を確認することができる。また、チャンバー１１内には分厚い断熱材２２が設けられており、抵抗加熱ヒーター１５の外側の周囲を取り囲んでいる。サファイアの融点は約２０５０℃と非常に高く、そのためチャンバー１１には高い断熱性が要求されるが、断熱材２２が抵抗加熱ヒーター１５の側方のみならず上方や下方にも設けられているので、十分な保温性を確保することができ、モリブデンルツボ１４内のサファイア原料を効率よく加熱することができる。このように、断熱材２２を抵抗加熱ヒーター１５の側方のみならず上方や下方にも設ける構造は、サファイア単結晶の製造装置１０に特有の構造の一つである。
【００３５】
チャンバー１１の上部には、Ａｒガスをチャンバー１１内に導入するためのガス導入口２４が設けられている。Ａｒガスはガス管２５を介してガス導入口２４からチャンバー１１内に導入され、その導入量はコンダクタンスバルブ２６により制御される。
【００３６】
チャンバー１１の底部には、チャンバー１１内のＡｒガスを排気するためのガス排出口２７が設けられている。密閉されたチャンバー１１内のＡｒガスはガス排出口２７から排ガス管２８を経由して外部へ排出される。排ガス管２８の途中にはコンダクタンスバルブ２９及び真空ポンプ３０が設置されており、真空ポンプ３０でチャンバー１１内のＡｒガスを吸引しながらコンダクタンスバルブ２９でその流量を制御することでチャンバー１１内の減圧状態が保たれている。
【００３７】
モリブデンルツボ１４の周囲には、抵抗加熱ヒーター１５が設けられている。抵抗加熱ヒーター１５は、上下方向に分割された複数のヒーターの組み合わせであってもよい。例えば、高さが２２５ｍｍのモリブデンルツボ１４を用いる場合、抵抗加熱ヒーター１５の高さは、３５０ｍｍ程度であることが好ましい。抵抗加熱ヒーター１５の出力は、コントローラ２３によって制御される。
【００３８】
本実施形態においてはモリブデンルツボ１４が使用される。サファイア単結晶の製造に用いられるルツボとしてイリジウムルツボがよく知られているが、イリジウムはモリブデンに比べて非常に高価であり、サファイア単結晶のコストを押し上げる大きな要因の一つである。しかし、モリブデンルツボを用いた場合には製造コストを低減することができ、量産性を高めることができる。
【００３９】
また、加熱方式としては、高周波誘導加熱方式も知られている。高周波誘導加熱方式においては、加熱コイルに電流を流すことによってルツボ内に渦電流が発生し、この渦電流によってルツボ自体が発熱し、ルツボ内の融液が加熱される。そのため、融液の温度勾配はルツボの形状の影響を受ける。しかし、抵抗加熱方式を採用する場合には、抵抗加熱ヒーターからの輻射熱によってルツボと融液の両方が加熱されるため、融液の温度勾配はルツボの形状の影響を受けにくい。したがって、融液中でのｃ軸方向の結晶成長に好適な温度勾配を容易に実現することができる。
【００４０】
サファイア単結晶２０の引き上げにおいては、コントローラ２３による制御により、サファイア単結晶２０の引き上げ速度と、サファイア単結晶２０とサファイア融液２１との間の温度勾配が高精度に制御される。サファイア単結晶２０の引き上げ速度は、主に引き上げ機構１９によるシード棒１８の引き上げ速度によって制御され、温度勾配は、主に抵抗加熱ヒーター１５の出力によって調整される。
【００４１】
種結晶にはｃ軸方向に切り出した結晶（ｃ軸種結晶）が用いられる。サファイア結晶の場合、ａ軸方向には比較的容易に成長するが、ｃ軸方向には単結晶が成長しにくいか、あるいは気泡や欠陥が導入されやすい。なお、ｃ軸とは（０００１）の向きをいい、ａ軸とは（１１２０）の向きをいう。本発明は、このような成長しにくいｃ軸種結晶を用いて、ＣＺ法による引き上げを実施するものである。
【００４２】
図２は、本実施形態によるサファイア単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。また、図３（ａ）〜（ｃ）は、サファイア単結晶の製造工程を説明するための模式図である。
【００４３】
サファイア単結晶の製造では、まずモリブデンルツボ１４にアルミナ粉末などのサファイア原料を投入し（ステップＳ１）、次いで原料の脱ガス処理を行う（ステップＳ２）。脱ガス処理は、減圧下のＡｒ雰囲気中で原料を一定時間放置することで行うことができる。この脱ガス処理により、原料粉末の表面に吸着しているガス成分を除去することができ、その結果、アルミナ融液中のガス気泡を減らすことができる。この効果により育成されたサファイア単結晶中に多量の気泡が導入されることを抑制することができる。
【００４４】
次に、抵抗加熱ヒーター１５で原料を加熱して融解し、アルミナ融液を生成する（ステップＳ３）。次いでアルミナ融液の脱ガス処理を行う（ステップＳ４）。脱ガス処理は、減圧下のＡｒガス雰囲気中でアルミナ融液を一定時間放置することで行うことができる。この脱ガス処理により、アルミナ融液中に残存している気泡を、アルミナ融液表面を介して外部に放出することができ、その結果、育成されたサファイア単結晶中に多量の気泡が導入されることをさらに抑制することができる。
【００４５】
次に、チャンバー１１内を大気圧雰囲気に戻した後、図３（ａ）に示すように、種結晶２０ａの着液を行い（ステップＳ５）、種結晶をモリブデンルツボ１４内のアルミナ融液２１に浸漬させたままその位置を固定する。そして、アルミナ融液２１を所定の温度勾配を保ったまま、液面下での結晶育成を進める（ステップＳ６）。なお、本発明において「液面」とは、平坦な液面を意味し、結晶成長によって歪められた単結晶と融液との接触面（固液界面）を含むものではない。よって、「液面位置」というときは、平坦な液面の高さ方向の位置を意味する。
【００４６】
液面下での結晶育成中においては、種結晶２０ａを所定の回転速度で回転させることが好ましい。このときの回転速度は、８ｒｐｍ以上２５ｒｐｍ以下であることが好ましく、１０ｒｐｍ以上１８ｒｐｍ以下であることがより好ましい。回転速度が８ｒｐｍより低いと液中成長部分の形状（界面形状）がＵ字形となり、結晶中に気泡が高密度に導入されるからであり、また２５ｒｐｍより高いと結晶の界面形状にくねりが発生し、結晶成長の継続が困難となるからである。
【００４７】
図３（ｂ）に示すように、液面下での結晶成長が進むと、アルミナ融液２１の液面よりも下方には、ｃ軸方向に結晶成長した略Ｖ字状の液中成長部分２０が形成される。また、結晶成長に伴ってアルミナ融液２１の液面位置はΔＬだけ低下する。このように、液面上に表れている種結晶２０ａの上部はまさに氷山の一角である。
【００４８】
その後、図３（ｃ）に示すように、液中成長部分の結晶成長がさらに進んでモリブデンルツボ１４の底面に到達する前に、シード棒１８を上昇させて種結晶２０ａを上方に引き上げる（ステップＳ７）。このときの引き上げ速度は、０．５ｍｍ／ｈｒ以上１０ｍｍ／ｈｒ以下であることが好ましい。引き上げ速度が１０ｍｍ／ｈｒを超えるときには、結晶成長が追い付かず、肩下で結晶剥がれが生じ、結晶形状が大きく崩れるからである。また、０．５ｍｍ／ｈｒ未満のときには、結晶成長が進みすぎて結晶の下端がルツボ底面に到達するからである。ここで上方向への結晶引き上げを開始するタイミングは、シード着液後の結晶に、ｃ軸引き上げで見られる晶癖線が確認できた段階である。晶癖線が見られる前に結晶を引き上げてしまうと、多結晶化や結晶剥がれが生じてしまう危険がある。
【００４９】
引き上げられる単結晶の直径は、モリブデンルツボ１４の直径の２／３以下にすることが好ましい。単結晶の直径がルツボ直径の２／３よりも大きくなると、モリブデンルツボ内のアルミナ融液の液面後退速度が速くなり、引き上げ速度を速くした場合と同様、結晶成長が追い付かなくなり、肩下で結晶剥がれが生じ、結晶形状が大きく崩れるからである。
【００５０】
その後、単結晶が所定の長さに達した時点で単結晶をアルミナ融液から取り出し、引き上げを終了する。このとき、引き上げ機構１９によってサファイア単結晶２０を引き上げて、単結晶を融液から切り離す（ステップＳ８）。以上により、サファイア単結晶２０が完成する。
【００５１】
本実施形態により得られるサファイア単結晶２０は、図３（ｃ）に示すように、アルミナ融液の液面位置よりも上方に引き上げられた単結晶部分の結晶長Ａと、前記アルミナ融液の液面下で成長する単結晶部分の結晶長Ｂとの比Ｂ／Ａが０．２以上２以下である。換言すれば、拡径部から直胴部までの単結晶部分の結晶長Ａと、縮径部の単結晶部分の結晶長Ｂとの比Ｂ／Ａが０．２以上２以下である。このようなサファイア単結晶インゴットの形状は、上記の製造方法により製造される気泡が少ないサファイア単結晶に特有の形状である。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によるサファイア単結晶の製造方法は、サファイア単結晶をアルミナ融液の液面下で積極的に育成しながら、その結晶成長速度に合わせて、所定の引き上げ速度で上方向に引き上げるので、気泡や欠陥のない高品質なｃ軸サファイア単結晶をＣＺ法により製造することができ、大口径かつ長尺な単結晶を育成することができる。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５５】
（実施例１）
図１に示した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の育成を行った。まず原料となるアルミナ粉末をモリブデンルツボに投入し、これをチャンバー内に設置し、抵抗加熱ヒーターで加熱して原料を溶融した。モリブデンルツボには直径２２５ｍｍ、深さ２２５ｍｍのものを用いた。
【００５６】
次に、融点以上の温度に保持されたアルミナ融液にｃ軸サファイア種結晶を浸漬させ、種結晶を１２ｒｐｍの回転速度で回転させながら、目標結晶長２００ｍｍ、目標直径１００ｍｍとなるように単結晶の液中成長を行った。
【００５７】
単結晶が上記の結晶長及び直径に到達した後、当該単結晶の引き上げ速度を徐々に増加させて単結晶をさらに育成した。このときの引き上げ速度は、０．３，０．５，１，３，５，１０，１５（ｍｍ／ｈｒ）の７条件とした。また各引き上げ速度の適用時間はいずれも、当該引き上げ速度で成長した結晶部位の結晶長が約２０ｍｍとなるように設定した。
【００５８】
その後、光学顕微鏡を用いて育成された単結晶中における気泡の有無を観察し、各引き上げ速度に対応する結晶部位ごとに評価した。その結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
0005953884.tif 000002
【００６０】
表１から明らかなように、引き上げ速度が１０ｍｍ／ｈｒ以下と低いときには気泡が無かったが、引き上げ速度が１５ｍｍ／ｈｒのときには、結晶成長が追い付かず、肩下で結晶剥がれが生じ、結晶形状が大きく崩れた。また、結晶内部に多数の気泡が導入され、結晶が白く曇った。これは固液界面の成長の不安定さから気泡が高密度に導入されたものと考えられる。なお、引き上げ速度が０．３ｍｍ／ｈｒの場合でも結晶が成長できるが、この場合の１日当たりの結晶長は７．２ｍｍとなり、結晶コストが非常に高くなる。
【００６１】
（実施例２）
次に、単結晶の目標直径を種々変化させた点以外は実施例１と同一条件下でサファイア単結晶の育成を行った。育成する単結晶の目標直径は７０、１００、１５０、１８０（ｍｍ）の４条件とした。また、結晶引き上げ速度を３ｍｍ／ｈｒ、結晶回転速度を１２ｒｐｍとした。
【００６２】
その後、光学顕微鏡を用いて育成された単結晶中の気泡の有無を観察し、目標直径となるように制御した結晶部位ごとに評価した。その結果を表２に示す。
【００６３】
【表２】
0005953884.tif 000003
【００６４】
表２から明らかなように、単結晶の直径が１５０ｍｍ以下と小さいときには気泡が無かったが、結晶直径が１８０ｍｍのときには、結晶内部に多数の気泡が観察された。育成する結晶の直径が大きくなると、ルツボ直径に対する結晶直径の比が大きくなり、その結果、液面後退速度が速くなる。このことは、引き上げ速度が速くなることと実質的に同一であり、気泡が導入されやすくなる。以上の結果から、単結晶の直径は、１５０ｍｍ以下、つまりルツボ直径の２／３以下にすることが望ましいことが分かった。
【００６５】
（実施例３）
次に、引き上げ中の結晶回転速度を種々変化させた点以外は実施例１と同一条件下でサファイア単結晶の育成を行った。結晶回転速度は６、８、１０、１８、２５、３０（ｒｐｍ）の６条件とした。また、結晶引き上げ速度は３ｍｍ／ｈｒ、目標直径は１００ｍｍとした。
【００６６】
その後、光学顕微鏡を用いて育成された単結晶中の気泡の有無を観察し、各回転速度で制御した結晶部位ごとに評価した。その結果を表３に示す。
【００６７】
【表３】
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【００６８】
表３から明らかなように、結晶回転速度が６ｒｐｍと低いときには界面形状がＵ字形となり、気泡が高密度に導入された。また、結晶回転速度が３０ｒｐｍと高いときには結晶の界面形状にくねりが発生し、結晶成長の継続が不可能となった。一方、結晶回転速度が８ｒｐｍ及び２５ｒｐｍのときには界面形状がＶ字形となり、気泡は少なかった。さらに、結晶回転速度が１０ｒｐｍ及び１８ｒｐｍのときには界面形状がＶ字形となり、気泡は無かった。以上の結果から、結晶回転速度は８ｒｐｍ以上２５ｒｐｍ以下にすることが望ましく、１０ｒｐｍ以上１８ｒｐｍ以下にすることがさらに望ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００６９】
１０      サファイア単結晶の製造装置
１１      チャンバー
１２      回転軸
１３      支持台
１４      モリブデンルツボ
１５      抵抗加熱ヒーター
１６      回転機構
１７      覗き窓
１８      シード棒
１９      引き上げ機構
２０      サファイア単結晶
２１      サファイア融液
２２      断熱材
２３      コントローラ
２４      ガス導入口
２５      ガス管
２６      コンダクタンスバルブ
２７      ガス排出口
２８      排ガス管
２９      コンダクタンスバルブ
３０      真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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