(57)【要約】【課題】  窒化物系化合物をエピタキシャル成長する際に、サファイアコアのどの位置から取得した基板であっても同様の条件を採用することができ、不規則な反りが発生しない大口径サファイア単結晶基板が作製可能なサファイアコアを提供する。【解決手段】  長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上のサファイアコアであって、上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にあるサファイアコア、好ましくは、上端面及び下端面の応力複屈折の分布がいずれも同心円状であるサファイアコアとする。このようなサファイアコアは、チョクラルスキー法により、サファイア融液界面から５ｃｍまでの高さ方向の温度勾配が−５℃／ｃｍから−０．５℃／ｃｍの範囲で断熱壁を構成した炉で、直胴部直径が１５０ｍｍ以上のｃ軸サファイア単結晶体を育成し、これを水平方向に切断・加工することで得られる。【選択図】  図５
2015027921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上のサファイアコアであって、上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にあるサファイアコア。
【請求項２】
上端面及び下端面の応力複屈折の分布がいずれも同心円状である請求項1記載のサファイアコア。
【請求項３】
上端面及び下端面の応力複屈折が、各々１００〜２００ｎｍ／ｃｍの範囲にある請求項１又は２記載のサファイアコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長用基板や光学材料として用いられるサファイア基板製造用のサファイア単結晶コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア（酸化アルミニウム）単結晶体は、窒化物系化合物半導体やシリコンのエピタキシャル成長用基板、高強度の窓材等として広く利用されている。近年、省エネルギーの観点からＬＥＤテレビやＬＥＤ照明などとしてＬＥＤの需要が拡大傾向にあることから、特に窒化物系化合物半導体エピタキシャル成長用のサファイア基板の需要が拡大している。
【０００３】
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。
【０００４】
現在、直径１５０ｍｍの大型基板（当該業者は一般にこれを６インチ基板と呼ぶ）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。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１ｍｍ／時間以下の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。
【０００５】
しかし、キロポーラス法は結晶方位ごとに異なる成長速度の影響を大きく受けることが知られており、サファイア単結晶の場合、ｃ軸（ミラー指数＜０００１＞）方向に結晶を成長させることが難しく、ａ軸（同＜１１−２０＞）を下面に向けた種結晶を溶融液に接触させ、ａ軸方向に結晶成長させることが一般的である（例えば、特許文献１）。
【０００６】
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ｃ軸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側面方向であるｃ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。
【０００７】
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の側面ｃ軸方向から切り抜くことで得られたｃ軸サファイア単結晶コアは、その両端部と中央部で応力差が生じている。これは結晶の持つ応力が中心部分と外周部分で異なるためで、結晶の側面から切り抜いて得られたコアは結晶の応力分布を引き継いでいる。また、コアの端面は結晶の成長方向に対して垂直方向の面を有していることから、コア面方向の応力分布は結晶の成長方向に沿った不規則な変動を有していることが知られている。一方、チョクラルスキー法によれば、サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させることは比較的容易である（例えば、特許文献２）。しかし、ｃ軸で育成した結晶は成長方向にそって応力分布が変化するため、結晶上部と下部では応力に差が生じている。そのためc軸サファイア単結晶体から作製したｃ軸サファイアコアには、コア長さ方向に応力差が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−８３４０７号
【特許文献２】特開２０１０−１４３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようなコア面方向に不規則な応力分布を持つコアや、コア長さ方向に応力差を持つコアから基板を作製すると、得られる基板もコアからの持つ応力複屈折を反映して、基板面は不規則な応力複屈折分布を持ち、また、コアからの切り出し位置によって応力複屈折が不均質になる。
【００１０】
このような不規則、不均質な応力分布は、特に６インチ以上の大型基板になると、窒化物系化合物のエピタキシャル成長時に、基板によって反りの程度が異なり、また基板が鞍型になったり、波打ちを生じたりする等の不規則な反りを発生させる要因となる。このような反りの発生によって、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱体（サセプター）と基板の一部に空隙ができると、基板が均一に加熱されないために窒化物系化合物の膜厚や膜組成に不均一をもたらし、ＬＥＤの歩留まりを低下させることが問題となっていた。
【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、サファイア融液界面から５ｃｍまでの高さ方向の温度勾配を−５℃／ｃｍから−０．５℃／ｃｍの範囲に収まるよう断熱壁を構成した育成炉でc軸サファイア単結晶体の育成を行い、該c軸サファイア単結晶体を加工することで、直径が１５０ｍｍ以上のサファイア単結晶コアであって、上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との相違が少ないｃ軸サファイア単結晶コアを生産性よく得ることが可能であることを見出した。さらに、ｃ軸サファイア単結晶体を水平方向に切断してコアとすることで面内の応力分布が規則的な同心円状であることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
すなわち本発明は、長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上のサファイア単結晶コアであって、上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にあるサファイアコアである。
【００１３】
また他の発明は、上端面及び下端面の応力複屈折の分布が同心円状である上記サファイア単結晶コアである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、前記ｃ軸サファイア単結晶コアを加工して得られた大型のｃ軸サファイア基板は、どこから切り出したものでも基板ごとの応力複屈折が同程度となり、さらには同心円状の応力分布を有する。該基板を用いることで、窒化物系化合物をエピタキシャル成長する際の基板の反りを同程度かつ、規則的な碗型（ドーム型または逆ドーム型）とすることができる。
【００１５】
そして、反りが同程度かつ規則的な碗型になることで、ＭＯＣＶＤ装置の加熱体を同様の碗型にしたり、ガス組成を基板に対して同心円状に変化させることで、基板が大口径であっても均一な膜形成が可能となり、ＬＥＤの歩留まり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】
【００１６】
【図１】本発明のサファイア単結晶コアを示す模式図。
【図２】実施例における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】実施例で得られたコアの応力複屈折分布。
【図６】比較例における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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上のサファイアコアに係わる。当業者に周知の通り、サファイアコアは図１に示すような円柱状の部材であり、通常、切断（スライス）後の基板の向きを合わせるために、その側面の一部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。本発明において直径１５０ｍｍ以上とは、この切り欠き部分にもサファイアが存在すると仮定して求めた直径が１５０ｍｍ以上であることを示す。別の観点から見ると、このオリフラの存在を考慮し、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。直径の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直径１７０ｍｍ以下が好ましい。
【００１８】
本発明のサファイアコアは、両端に平行な二つの平面を有する（上端面と下端面とする）。該サファイアコアのｃ軸は該平面に対して９０±１°の範囲にあることが好ましい。
【００１９】
本発明のサファイアコアは、上記平面に対する垂直方向の長さ（高さ）が２００ｍｍ以上、さらに好ましくは２５０ｍｍ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。
【００２０】
本発明のサファイアコアにおける最大の特徴は、上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にある点である。ここで、上下端面の応力複屈折は、上端及び下端から各々２ｍｍ厚のサンプルを切り出し、該サンプルについて波長６３３ｎｍを用い、１〜４ｍｍ角毎に直径１４０ｍｍの範囲について６３３ｎｍのレーザー光を照射して得られた透過光の位相差から応力複屈折分布を測定し（図５参照）、その２乗平均平方根を求めればよい。当該位相差を求める機器は複屈折・応力測定装置等として市販されている。
【００２１】
前述した通り、上端面と下端面の応力複屈折が同一乃至は近似していることにより、サファイアコアから切り出した基板の反り等の物性が、いずれの箇所から切り出したものでも同等になり、エピタキシャル成長等をさせる際の条件を同一のものとすることが可能となる。当該比は１：１．１〜１：０．９であることがより好ましい。
【００２２】
本発明のサファイアコアにおいては、上端面と下端面の応力複屈折の分布は、同心円状であることが好ましい。これにより該サファイアコアから切り出した基板も同心円状の応力複屈折分布を有することになり、前述のとおり、このような物性を有する基板は、その反りを規則的な碗型とすることができる。
【００２３】
応力複屈折の絶対値は特に限定されるものではないが、上端面及び下端面の応力複屈折が、各々１００〜２００ｎｍ／ｃｍの範囲にあることが好ましい。
【００２４】
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％以下であることが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
【表１】
2015027921.tif 000003
【００２７】
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。
【００２８】
上述した本発明のサファイアコアは、チョクラルスキー法により、ｃ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。
【００２９】
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ｃ軸サファイア単結晶コアのコア長さ方向に対する応力複屈折が不均質で、かつ面内に不規則な応力複屈折分布を有する原因となっている。
【００３０】
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、ｃ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ｃ軸サファイアコアを得ることができる。
【００３１】
しかし、ｃ軸で育成したサファイア単結晶体は成長方向にそって応力分布が変化するため、従来公知の方法では結晶上部と下部では応力複屈折に差が生じる。そのためc軸サファイア単結晶体から作製したｃ軸サファイアコアにも、コア長さ方向に応力差が生じる。このようなコアから基板を作製すると、面内の応力分布は同心円状であるが、基板によって反りの程度が異なる。結果的にエピタキシャル成長時の膜厚や膜組成に不均一をもたらし、ＬＥＤの歩留まりを低下させる問題となっていた。
【００３２】
本発明者等の検討によれば、本発明のサファイア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、引き上げ方向のサファイア融液界面からの温度勾配を−５℃／ｃｍから−０．５℃／ｃｍの範囲にすることが必要である。これによってサファイア単結晶体は成長方向への応力分布の変化が抑制でき、コアの上端と下端で応力分布に差がない、ｃ軸サファイアコアを生産性よく得ることができる。
【００３３】
図２は本発明のサファイア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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、及び後述する撮像装置によって単結晶体と溶融液等を撮像するための開口部と２色温度計によってサファイア融液の温度を測定するための開口部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。
【００３８】
サファイア融液界面からの温度勾配は上記断熱壁７ａ，７ｂと天井板８の構成方法によって制御できる。前記したように、育成方向の応力分布の変化を抑制するには引き上げ方向のサファイア融液界面から上方５ｃｍまでの温度勾配が−５℃／ｃｍから−０．５℃／ｃｍの範囲にある必要がある。高さ方向の温度勾配を低温度勾配化することで結晶上下で応力差がない結晶が得られるが、チョクラルスキー法はその原理上、高さ方向にある程度の温度勾配を必要とするため、低温度勾配化が過ぎると直径制御ができなくなり結晶育成が困難になる。この場合は、−０．５℃／ｃｍより低温度勾配にすると直径制御ができず結晶育成が困難になる。好ましくは−３℃／ｃｍから−１℃／ｃｍの範囲である。
【００３９】
温度勾配の低温度勾配化のための断熱壁の構成方法は限定されるものではない。例えば、上記断熱壁７ａ，７ｂと天井板８のそれぞれについて、全体あるいは部分的に断熱材の厚みを厚くあるいは薄くする、断熱材の数を増やすあるいは減らす、断熱性能の異なる断熱材を使用するなど様々な方法をとることができる。また、それら複数の方法を組み合わせても良い。
【００４０】
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。その際、坩堝に対して該高周波コイルの位置を変更することで温度勾配を制御しても良い。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。
【００４１】
サファイア融液の温度測定には２色温度計１０を用いることができる。図示した態様では該２色温度計１０はチャンバー上壁からサファイア融液を垂直に見下ろすように設置されている。一般に炉内の温度測定には熱電対が用いられるが、サファイア単結晶を育成する場合、炉内は２０００℃以上の酸素を含む雰囲気が多いため熱電対の劣化が激しく、熱電対による温度測定は困難である。そのため光学式のため非接触な温度測定が可能な２色温度計の使用が好適である。
【００４２】
チャンバー上壁には２色温度計による温度測定のため窓１１が設けられている。即ち、当該窓を通してサファイア融液の温度測定を行う。該窓材の材質は可視光領域を透過する材質であればよいが、高温部からの輻射によって加熱されにくいよう、赤外域での吸収の少ない石英、フッ化カルシウム等の材質が好適に用いられる。
【００４３】
該チャンバー上壁には、種結晶体や、図示しない単結晶体をカメラ等の撮像装置１３で観察するための窓１２が設けられていることが好ましい。即ち、当該窓を通して光学的手段により炉内の観察が行われる。該窓材の材質は可視光領域を透過する材質であればよいが、高温部からの輻射によって加熱されにくいよう、赤外域での吸収の少ない石英、フッ化カルシウム等の材質が好適に用いられる。光学的手段によりデータを得るための前記撮像装置の種類は銀塩反応等による感光カメラであっても、ＣＣＤやＣＭＯＳといった感光素子を用いた電子カメラであってもよいが、電子的な画像処理を撮影した画像を用いることが可能な電子カメラを用いることが好ましい。
【００４４】
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。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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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ｃ軸とする必要がある。
【００４８】
ｃ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ｃ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、例えば６インチ級の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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
このようにして所望の直胴部径と長さを有する、ｃ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。
【００５８】
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。
【００５９】
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（インゴットアニール）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。
【００６０】
このアニール装置は、チャンバー１４の内部に、単結晶体１５を収納する容器１６が設置され、この容器を環囲するように加熱体１７が設置されている。単結晶体を収納する容器１６および加熱体１７は、天井部、底部および外周を取り囲む断熱壁１８によって構成された保温域に収納されている。
【００６１】
単結晶体を収納する容器１６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。
【００６２】
単結晶体１５を容器１６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。
【００６３】
保温域を任意の温度まで加熱する加熱体１７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。
【００６４】
保温域を構成する断熱壁１８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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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ｃ軸サファイアコアは、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ｃ面サファイア基板を製造することができる。
【００７０】
上記のようにして得られた直径１５０ｍｍ（オリフラ部除く）以上のサファイアコアは上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にあり、また同心円状に均一な歪み特性を持つ。そのため、該コアを加工して得られた基板は反りが同程度かつ、規則的な碗型となっているため、基板が大口径であっても均一な膜形成が可能となり、エピタキシャル成長に極めて好適に使用することができる。
【実施例】
【００７１】
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。
【００７２】
実施例
最初に、サファイア融液界面から５ｃｍまでの高さ方向の温度勾配が−５℃／ｃｍから−０．５℃／ｃｍの範囲となるよう、図１のように炉内の断熱壁を構成した。次に、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０．５体積％含む窒素ガスを大気圧になるまで導入した。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。
【００７３】
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；カメラ１３を通じて視認出来る）と２色温度計で計測したサファイア融液の温度を参考にヒーター出力を適宜調整した後、先端がｃ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１．５ｍｍ／時間の速度で種結晶を引上げを開始した。
【００７４】
カメラによる結晶観察及び、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。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行い、直胴部の長さが１７０〜１８０ｍｍに到達したところで２ｍｍ／時間に下げ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。
【００７５】
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、鉛直方向がｃ軸方向に一致する、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。
【００７６】
上記の単結晶体を図３に示す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。
【００７７】
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ｃ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ｃ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。
【００７８】
該サファイア単結晶コアの上下端の直近から直径１５０ｍｍ、厚さ２ｍｍのウェハ状のサンプルを切り出し、該サンプルに平面研削加工、ラップ研磨加工、ポリッシュ研磨加工を施した。得られたサンプルはＨＩＮＤＳ社製ＥＸＩＣＯＲ（光源波長６３３ｎｍ）を用いて直径１４０ｍｍの範囲について応力複屈折分布を測定した。その結果、図５に示すような同心円状の応力分布を示した。さらに、表２に示すように上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が１：１．２から１：０．８の範囲にあることを確認した。
【００７９】
比較例
サファイア融液界面から５ｃｍまでの高さ方向の温度勾配が−５℃／ｃｍより高温度勾配となるよう、図６のように炉内の断熱壁を構成した。具体的には、実施例の断熱壁の構成から最外層の７ａ，７ｂの断熱壁を取り除き、天井板８の厚みを１／２にした。断熱壁の構成が異なる以外は実施例と同様にして、鉛直方向にｃ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。
【００８０】
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ｃ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。さらに、実施例と同様にサファイア単結晶コアの上下端の直近から直径１５０ｍｍ、厚さ２ｍｍのウェハ状のサンプルを取得し、直径１４０ｍｍの範囲について応力複屈折分布を測定したところ、表２に示すように上端面の応力複屈折と、下端面の応力複屈折との比が３．４であった。
【００８１】
【表２】
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【符号の説明】
【００８２】
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
１０：２色温度計
１１：窓
１２：窓
１３：カメラ
１４：チャンバー
１５：単結晶体
１６：容器
１７：加熱体
１８：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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