(57)【要約】      （修正有）【課題】二重構造のルツボを間接的に加熱し、ルツボを長寿命化できるサファイア単結晶の育成装置、およびサファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、イリジウム由来のインクルージョンを含まないサファイア単結晶を育成する方法を提供。【解決手段】加熱室６０の内部に設けられたルツボ７３，７６と、ルツボ７３，７６の上方に設けられた保温筒６３，６４と、加熱室６０の外周に配置された加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、ルツボ７６を間接加熱して得られたサファイア融液７７に種結晶を接触させた後に、不活性ガス雰囲気中で種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させる。ルツボは、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ７６と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ７３とからなる二重構造にする。【選択図】図１
2008007353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、ルツボの上方に設けられた保温筒と、加熱室の外周に配置された加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、前記ルツボを間接加熱して得られたサファイア融液に種結晶を接触させた後に、不活性ガス雰囲気中で種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させるためのサファイア単結晶育成装置において、
前記ルツボは、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ（Ｂ）とからなる二重構造にすることを特徴とするサファイア単結晶育成装置。
【請求項２】
イリジウム製ルツボ（Ｂ）は、その底部に板状体スペーサーを介してモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を内包することを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶育成装置。
【請求項３】
板状体スペーサーは、モリブデン又はタングステンで形成されることを特徴とする請求項２に記載のサファイア単結晶育成装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のサファイア単結晶育成装置を用いて、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）内にサファイア原料粉末を装入し、引き続き、加熱室内を減圧するとともに、加熱コイルに高周波電流を供給してイリジウム製ルツボ（Ｂ）を高温に加熱し、その輻射熱でモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を間接的に加熱することにより内部のサファイア原料粉末を溶融せしめた後に、このサファイア融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させることを特徴とするサファイア単結晶の育成方法。
【請求項５】
サファイア原料粉末が、１０時間以上かけて徐々に加熱溶融されることを特徴とする請求項４に記載のサファイア単結晶の育成方法。
【請求項６】
サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、加熱室内を０．０１ＭＰａ以下の減圧に維持しつつ、加熱によって原料粉末から発生するガスを除去しながら溶融し、引き続き、サファイア融液を０．０１〜０．１ＭＰａの減圧に維持して成長結晶を引き上げることを特徴とする請求項４に記載のサファイア単結晶の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶の育成装置およびそれを用いた育成方法に関し、より詳しくは、二重構造のルツボを間接的に加熱することにより、ルツボを長寿命化できるサファイア単結晶の育成装置、およびその装置を用い、サファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、イリジウム由来のインクルージョンを含まないサファイア単結晶を育成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア単結晶は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する際のエピ成長基板として多く利用されている。特に青色や白色のＬＥＤは、省エネルギーの観点で照明分野への普及が拡大することが予想されており多方面から注目されている。
【０００３】
酸化物単結晶を育成するには様々な方法があるが、ＬＮ、ＬＴ、ＹＡＧやサファイアなどの酸化物単結晶材料の大部分は、その結晶特性が良好で大きな結晶径のものが得られる溶融固化法で育成されている。特に、溶融固化法の一つであるチョクラルスキー法（Ｃｚ法）は、汎用性があり技術的完成度が高いことから最も広く用いられている。
【０００４】
チョクラルスキー法によってサファイア単結晶を製造するには、まずルツボに原料粉末を充填し、高周波誘導加熱法や抵抗加熱法によりルツボを加熱し原料を溶融する。原料が溶融した後、所定の結晶方位に切り出した種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら所定の速度で上方に引き上げて単結晶を成長させる。
【０００５】
図４は、従来のサファイア単結晶育成装置１０の模式的な縦断面図である。サファイア単結晶引き上げ成長炉１１は、高周波加熱式結晶炉であり、外側がステンレススチール（ＳＵＳ）製チャンバ１２の水冷ジャケット二重構造となっており、底面のベースチャンバ１３と、上面のトップチャンバ１４とに分割可能とされている。また、上部と下部がＯリング１５、１６等でシールされ真空炉になっている。
チャンバ１２内には、外側断熱部材１８と、円盤状の基盤部１９と蓋部断熱部材２０とから加熱室１７が形成されており、これらの各部材は通常アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製の耐火物で構成されている。加熱室１７内部の下部中央には、ルツボ５２が設けられ、ルツボの底部及び外周部にはジルコニアバブル２２等が充填されている。
ルツボの上にはリング状のルツボ蓋２３と耐火物のリング状部材２４が積み重ねられている。さらに耐火物からなる円筒状の内側断熱部材２５、その上面には耐火物からなる円盤状の蓋部断熱部材２６が設けられている。これらの各耐火物は、通常ジルコニア（ＺｒＯ２）であり適度に分割可能にされている。
加熱室１７を構成する加熱構成部品は、ステンレススチール製の台座２７の上に設けられたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製等の耐火物で形成された円筒状の支持台２８により支持されている。また、サファイア単結晶育成装置１０には、真空ポンプ４４、高周波誘導加熱用発振機４５、発振機の制御及び、単結晶引き上げ成長炉のコンピュータ制御、温度制御、駆動系制御、成長結晶直径制御等を行う制御装置４６が設けられている。高周波誘導加熱用発振機４５は、水冷ケーブル４７を介して同軸ケーブル４８にてサファイア単結晶引き上げ成長炉１１内に挿入接続され、その先端に加熱コイル４９が取り付けられている。
外側断熱材１８及び内側断熱材２５の各蓋部断熱部材２０、２６には、それぞれサファイア単結晶（育成物）をルツボ５２から引き上げる引き上げ軸２９が貫通する貫通孔３０、３１と、ルツボ内の様子を観察するための覗き窓３２、３３が設けられる。引き上げ軸２９の内側には、結晶重量を計測するロードセル３７に連結された種結晶軸３４と、その先端部には種結晶３６を固定する種結晶チャック３５が設けられている。
なお、引き上げ軸２９は、ロードセル３７に連結されているが、種結晶軸３４をカバーするものであり、種結晶軸３４をサファイア単結晶引き上げ成長炉１１内にスムーズに上下移動させることができる。また、加熱室１７の下端部にはチャンバ１２及び台座２７を貫通して熱電対３８が設けられている。
【０００６】
このようなサファイア単結晶育成装置では、一般にイリジウム製のルツボが使用されている（特許文献１参照）。しかしながら、イリジウム製ルツボの価格は、汎用されている大きさのもので１千万円前後と高価である。そのため、サファイア単結晶引き上げ装置は、極めて高額な設備となり、それを用いて製造されるサファイア単結晶の価格も高価になるという問題があった。
【０００７】
また、このようなイリジウム製ルツボを用いた場合には、成長結晶の回転数を上昇させて融液の過剰な対流を抑制しても、単結晶中への微細な気泡の発生を十分に抑制できないことがあった。イリジウム製ルツボを用い低酸素濃度雰囲気下でサファイア単結晶を育成すると、成長界面は融液側に著しく凸形状となる傾向がある。このような状況で結晶育成を行った場合、結晶成長によってルツボ内の融液高さがある程度低下すると、成長界面の先端とルツボ底面とが接触する。このため、それ以上は結晶成長を継続することが不可能となり、ルツボに充填した原料の量に対して得られる結晶をそれほど大きくできないという不具合が生じる。また、融液の自然対流と同方向の流れが著しく促進された結果、融液中の単結晶成長速度が早くなり、得られた結晶に結晶欠陥が発生しやすい。さらに、イリジウムの溶融温度は約２４５０℃であるため、通常は得られるサファイア単結晶の直径は３インチ程度までが限度であり、それ以上の径のサファイア単結晶を製造することは困難であった。
【０００８】
そこで、サファイア単結晶育成装置のルツボとして、イリジウムと同じく高融点金属でありながら、価格がイリジウムの１／２０程度と極めて廉価なモリブデン製またはタングステン製ルツボの使用が試みられている。
しかしながら、モリブデン製などのルツボを用いた場合、加熱室の内面側を形成するジルコニア（ＺｒＯ２）が高温（１８００℃以上）になると、酸化・還元反応を起こして、下記式（１）のように酸素が放出されルツボ材のモリブデンを酸化させ、黒青色の煙を発生させる。この煙が、サファイア原料表面、又はサファイア融液に混入し着色及び純度低下を引き起こす。
２ＺｒＯ２⇔２ＺｒＯ＋Ｏ２  ・・・  （１）
【０００９】
そのため、ジルコニア耐火物を加熱室の構成部材として使用することができない。これはルツボ材としてタングステンを使用した場合も同様である。そこで、モリブデン製やタングステン製ルツボを使用するときは、カーボンフェルト成形部材により前記加熱室を構成することが提案されている（特許文献２参照）。
【００１０】
しかしながら、モリブデン製またはタングステン製ルツボを加熱するために、コイルに高周波電流を発生させても、導電性のルツボ表面に誘導電流が生じにくく、温度制御が困難であり、過加熱されるとモリブデンが軟化し、ルツボ形状が崩れてしまう。そのため、繰り返して使用することが出来ず、結果としてランニングコストが高くなるという問題があった。
特許文献２では、例えば、断熱部材の表面の縦方向に所要の幅、深さ、本数の溝を設けることにより、高周波誘導の影響を調節可能とすること、あるいは加熱室を多重構造とすることにより、外側断熱部材の外周面に縦方向の溝を設けることなく、高周波誘導を減少させている。さらに、ルツボを大型化して、直径が３インチ以上の例えば４インチのサファイア単結晶引上成長に対応させるために、カーボンフェルトにアルミナ耐火物を組合せ、保温・断熱材部分に比較的熱容量を増加させることも検討している。これは円筒状のカーボンフェルト成形品の断熱部材があるため負荷が非常に重くなり、ルツボに高周波電流が流れ難くなるためである。つまり、モリブデン製またはタングステン製ルツボを用いようとすれば、ルツボを取り囲む加熱室の断熱構造を特殊なものとしなければならないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２３１９５８
【特許文献２】特開２００５−１９３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、二重構造のルツボを間接的に加熱することにより、ルツボを長寿命化できるサファイア単結晶の育成装置、およびサファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、イリジウム由来のインクルージョンを含まないサファイア単結晶を育成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記従来の問題点を解決するために鋭意研究を重ね、原料粉末を溶解せしめるルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源を備え、原料融液に種結晶を接触させて引き上げるサファイア単結晶育成装置において、イリジウム製ルツボ（Ｂ）の内側に、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を互いに接触しないように設置して二重構造とした。そして、この加熱室内を減圧してから、加熱コイルに高周波電流を供給してルツボ（Ｂ）を高温に加熱し、その輻射熱でルツボ（Ａ）を間接的に加熱することで、ルツボ（Ａ）に熱的ダメージを与えることなく、効率的に原料粉末を溶融でき、比較的安価なモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を用いてもインクルージョンのない高品質なサファイア単結晶を成長させうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、ルツボの上方に設けられた保温筒と、加熱室の外周に配置された加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、前記ルツボを間接加熱して得られたサファイア融液に種結晶を接触させた後に、不活性ガス雰囲気中で種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させるためのサファイア単結晶育成装置において、前記ルツボは、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ（Ｂ）とからなる二重構造にすることを特徴とするサファイア単結晶育成装置が提供される。
【００１４】
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、イリジウム製ルツボ（Ｂ）は、その底部に板状体スペーサーを介してモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を内包することを特徴とするサファイア単結晶育成装置が提供される。
さらに、本発明の第３の発明によれば、第２の発明において、板状体スペーサーは、モリブデン又はタングステンで形成されることを特徴とするサファイア単結晶育成装置が提供される。
【００１５】
一方、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明に係るサファイア単結晶育成装置を用いて、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）内にサファイア原料粉末を装入し、引き続き、加熱室内を減圧するとともに、加熱コイルに高周波電流を供給してイリジウム製ルツボ（Ｂ）を高温に加熱し、その輻射熱でモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を間接的に加熱することにより内部のサファイア原料粉末を溶融せしめた後に、このサファイア融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させることを特徴とするサファイア単結晶の育成方法が提供される。
【００１６】
また、本発明の第５の発明によれば、第４の発明において、１０時間以上かけて徐々に加熱溶融されることを特徴とするサファイア単結晶の育成方法が提供される。
さらに、本発明の第６の発明によれば、第４の発明において、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、加熱室内を０．０１ＭＰａ以下に維持しつつ、加熱によって原料粉末から発生するガスを除去しながら溶融し、引き続き、サファイア融液を０．０１〜０．１ＭＰａの減圧に維持して成長結晶を引き上げることを特徴とするサファイア単結晶の育成方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のサファイア単結晶育成装置は、イリジウム製ルツボ（Ｂ）と比べて廉価なモリブデン製又はタングステン製のルツボ（Ａ）を用い、二重構造になったルツボ中で原料粉末を間接的に加熱できるので、ルツボを長寿命化することができる。これにより、サファイア単結晶体の作製コストが低減でき、サファイア関連商品の価格が下げられ、需要拡大を促すことが期待される。
また、原料融液からの固化率を向上させ効率的に単結晶を製造することができ、こうして得られた単結晶は、微小な気泡に起因するピット、マイクロバブル、結晶欠陥等が低減しており、さらにルツボ材料からのインクルージョン（内包物）がなくなるために、高品質なものとなり、この単結晶を用いれば優れた特性を有する電子部品材料、光学用部品材料を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のサファイア単結晶の育成装置、およびそれを用いたサファイア単結晶の育成方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
１．サファイア単結晶の育成装置
本発明は、チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、ルツボの上方に設けられた保温筒と、加熱室の外周に配置された加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、前記ルツボを間接加熱して得られたサファイア融液に種結晶を接触させた後に、不活性ガス雰囲気中で種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させるためのサファイア単結晶育成装置において、前記ルツボは、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ（Ｂ）とからなる二重構造にすることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、高周波誘導加熱を用いたサファイア単結晶育成装置において、サファイア単結晶の製造コストを低減するために、比較的安価なモリブデン、タングステン又は両者の合金からなるルツボを用い、さらにルツボの長寿命化をはかることを意図している。
そのために、本発明は、内側にモリブデン製又はタングステン製ルツボ、その外側がイリジウム製ルツボとなるようにルツボを加熱室内に設置したサファイア単結晶育成装置を提供するものである。内側にモリブデン製又はタングステン製ルツボ、外側にイリジウム製ルツボを設けることにより、高周波加熱において外側のイリジウム製ルツボが加熱され、内側のモリブデン製又はタングステン製ルツボが輻射熱によって間接的に加熱されることで、内側のルツボにかかる熱的ダメージが減り、ルツボを長寿命化できることになる。
【００２１】
モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）は、実質的にモリブデン材料のみからなるもの、或いはタングステン材料のみからなるものでよいが、この他に、モリブデンとタングステンとの合金（Ｍｏ−Ｗ）、さらには、本発明の目的を損なわない限り、ニオブデン、タンタルなど他の金属元素を含有するものであってもよい。モリブデンとタングステンとの合金（Ｍｏ−Ｗ）製ルツボであれば、タングステンを１０〜４０質量％含有するモリブデン合金を加工したものが好ましく使用できる。このうちモリブデン製ルツボは、一般に粉末冶金法によって製造され、その具体的な製造方法は、例えば、特開２００１−３２３３０２などに記載されている。これに対して、イリジウム製ルツボ（Ｂ）は、従来から用いられているものと同じものでよい。
【００２２】
図１は、本発明のサファイア単結晶育成装置の要部である加熱室の一実施例を示すものである。加熱室６０、アルミナ製のルツボ６１、円筒状の外側断熱部材６２（材料の種類：ジルコニア）、円筒状の中間部断熱部材６３（材料の種類：タングステン）、円筒状の内側断熱部材６４（材料の種類：モリブデン）、蓋部断熱部材６５、６６、６７（材料の種類：それぞれ、ジルコニア、タングステン、モリブデン）と、サファイア原料の融液から単結晶をルツボ７６から引き上げる引き上げ軸が貫通する貫通孔６８、６９、７０と、ルツボ内の様子を観察するための覗き窓７９、８０、８１が設けてある。そして、モリブデン製のルツボ７６が内側に、イリジウム製ルツボ７３が外側に位置して全体として二重構造のルツボとなっている。
【００２３】
単結晶原料であるサファイアの融点は２０４０℃程度である。これに対して、モリブデン製ルツボとイリジウム製ルツボとが互いに触れるようにして用いると、各々の成分であるモリブデンとイリジウムが、Ｍｏ−約３０％Ｉｒの組成において、約２０８０℃で共晶反応を起こす。このため、ルツボ二重構造において、モリブデン製ルツボ７６とイリジウム製ルツボ７３を反応しないようにすることが必要となる。
【００２４】
ルツボは、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ（Ｂ）とからなる二重構造にされている。すなわち、イリジウム製ルツボ（Ｂ）は、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）と十分に近接するが互いに接触しないように設置される。そのためには、内側のモリブデンルツボ７６の径を外側のイリジウムルツボ７３に接触しない大きさにすることが望ましい。具体的には、イリジウム製ルツボ（Ｂ）の外径を１５０ｍｍとしたときに、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）の外径が１３０〜１４０ｍｍであることが好ましい。いいかえれば、ルツボ双方で形成される側壁の間隙が５〜１０ｍｍとなるようにすることが好ましい。ただし、加熱効率を維持するために、ルツボ（Ａ）、ルツボ（Ｂ）同士の側壁間には、断熱材のような材料を挿入しない方がよい。
【００２５】
また、イリジウム製ルツボ（Ｂ）は、その底部に板状体スペーサーを介してモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を内包することが好ましい。すなわち、イリジウム製ルツボ（Ｂ）とモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）で形成される底部間隙に、板状体がスペーサーとして挿入されることが好ましい。そして、板状体スペーサーは、モリブデン又はタングステンで形成されることが一層好ましい。
【００２６】
図１では、イリジウム製ルツボ７３の底にタングステン板７４を置き、その上にモリブデン製ルツボ７６を設けることで、ルツボ同士の接触を防止している。板状体スペーサーは、タングステン板に限らず、モリブデン板でもよいが、ルツボ（Ａ）、ルツボ（Ｂ）を構成する材料とは異なるものが好ましい。板状体スペーサーの厚さは、具体的には、１０〜２０ｍｍであることが好ましい。板状体スペーサーは、そのまま挿入してもよいし、ルツボ（Ａ）、ルツボ（Ｂ）のいずれかに固定するようにしても良い。また、ルツボ（Ａ）及び／又はルツボ（Ｂ）の互いに接触する表面を粗雑にして滑りを小さくすることもできる。
【００２７】
加熱室以外の構造は、前記した従来の装置と同様に、図４に示すサファイア単結晶育成装置１０でよい。外側断熱材１８及び内側断熱材２５の各蓋部断熱部材２０、２６で形成される加熱室１７は、ステンレススチール製の台座２７に載置され、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製等の耐火物で形成された支持台２８により支持される。また、サファイア単結晶引き上げ成長炉１１の外部には、高周波誘導加熱用発振機４５、発振機及び成長炉の温度制御、駆動系制御、成長結晶の直径制御等を行う制御装置４６、加熱室内の雰囲気ガスを排出する真空ポンプ４４、不活性ガスを供給する手段３９が設けられる。
【００２８】
前記の各蓋部断熱部材２０、２６には、それぞれサファイア単結晶（育成物）をルツボ５２から引き上げる引き上げ軸２９の貫通孔３０、３１と、ルツボ内の様子を観察する覗き窓３２、３３、そして、引き上げ軸２９の内側には、結晶重量を計測するロードセル３７に連結された種結晶軸３４、その先端部には種結晶３６を固定する種結晶チャック３５、加熱室１７の下端部にはチャンバ１２及び台座２７を貫通して熱電対３８が設けられている。
【００２９】
２．サファイア単結晶の育成方法
本発明のサファイア単結晶育成方法は、上記のサファイア単結晶育成装置を用いて、モリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）内にサファイア原料粉末を装入し、引き続き、加熱室内を減圧するとともに、加熱コイルに高周波電流を供給してイリジウム製ルツボ（Ｂ）を高温に加熱し、その輻射熱でモリブデン製又はタングステン製ルツボ（Ａ）を間接的に加熱することにより内部のサファイア原料粉末を溶融せしめた後に、このサファイア融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げてサファイア単結晶を育成、成長させることを特徴とする。
【００３０】
次に、前述のサファイア単結晶育成装置を用いたサファイア単結晶育成方法を、図１、４を参照しながら具体的に説明する。まず、外側をイリジウム製ルツボ７３、その内側をモリブデン製又はタングステン製ルツボ７６とした二重構造のルツボに原料粉末（サファイア、Ａｌ２Ｏ３）５０を充填し、種結晶軸３４の先端に種結晶３６を固定する。この準備作業が容易に行えるように通常チャンバ１２は分割され、加熱室１７から取り外せるようになっている。この準備作業が終了した時点で、チャンバ１２は元に戻され加熱室１７が密封状態にされる。
【００３１】
チャンバ内は使用する雰囲気ガスに置換するために、真空ポンプ４４により減圧する。チャンバ１２が密封された後、又は真空引き後、チャンバ１２内にガス導入口３９より不活性ガスを流してチャンバ内を不活性雰囲気にする。チャンバ内が過加圧にならないように、ガス排気管４０からガスが排出される。その後、高周波コイルによってルツボを加熱し、原料を溶融して原料融液を得る。
【００３２】
本発明においては、単結晶用原料として通常のサファイア粉末を用いることができる。サファイア粉末は、実質的にＡｌとＯの２元素からなる酸化アルミニウムである。材料純度９９．９５〜９９．９９８％程度のα−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が好ましい。また、目的とするサファイア単結晶の種類に合わせて、ＡｌとＯのほかに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇなどを含んでいてもよい。このうちＳｉ、Ｃａ、Ｍｇなどは、焼結助剤の成分として不可避的に含まれうるが、その含有量は極力少ないことが望ましい。また、サファイア粉末の直径や密度は、特に制限されないが、取り扱い上、例えば、直径は、１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下であるものがよく、密度は、５ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは３ｇ／ｃｍ３以下であるものがよい。
【００３３】
チャンバ１２内が十分に減圧された不活性雰囲気になったところで、高周波誘導加熱用発振機４５を動作させて、加熱コイル４９に高周波電流を流す。導電性のあるイリジウム製ルツボ５２の表面に誘導電流が生じて、イリジウム製ルツボ５２が加熱される。サファイアの融点（２０４０℃）以上の温度で加熱し、ルツボ５２内に充填したサファイア５０を溶融する。制御装置４６は、熱電対３８によって検出された温度に対応し、加熱室１７及びサファイア５０の融液温度を適当な水準に維持するために高周波誘導加熱用発振機４５の出力を変化させる。加熱コイル４９の駆動機構４３が同軸ケーブル４８に直結しており、駆動機構４３であるモータの回転を減速機で上下動作に変換して加熱コイル４９を駆動させる。制御装置４６は引き上げ軸３４および加熱コイル４９の各駆動機構４１、４２、４３に取り付けられた回転エンコーダの検出信号で駆動速度、回転、駆動距離を演算・制御する。
【００３４】
加熱室内のサファイア単結晶原料を常圧状態で加熱溶融し、チョクラルスキー法で成長させると、結晶中に無数の微小な気泡が発生しやすい。気泡の原因となるガスは、原料サファイアの分解によっても発生するが、原料に吸着または内包しているガス成分が原料の融解前に完全に除去されず融液内に残り、これが結晶に取り込まれて気泡となっているものが多い。そこで、単結晶用原料をルツボ内で加熱溶融中に加熱室を減圧し、原料に吸着または内包しているガスを強制的に排除する。この工程では、原料が融解する前に減圧作業を終了してしまうと、ガス成分の除去が不十分となるので原料が実質的に融解し終わるまで行う。
【００３５】
本発明においては、溶融固化法によりサファイア単結晶を製造するにあたり、該単結晶を育成するための減圧手段および減圧の度合いをモニターする手段を設けた装置を用い、該単結晶育成に用いる原料を室温のみならず、融点までの加熱中において、炉体内を０．０１ＭＰａ以下に減圧する作業を行うことが好ましい。融液中に含まれる過剰なガスが減少した結果、単結晶育成時に結晶内に析出する気泡がなくなる。
【００３６】
原料の融解から３時間以上、特に５時間以上経過後、種結晶軸３４を適当な回転数で回転させながら降下させ、サファイア融液に種結晶３６を付ける。この種結晶軸３４の上下は、駆動機構４１に連結されているモータが回転するように減速機を介して駆動する。サファイア５０の融液に付けた種結晶３６を適温で十分融液に馴染ませてから、引き上げを開始する。制御装置４６はロードセル３７で検出した結晶重量を、予め入力した諸パラメータに基づいて演算することでサファイア単結晶の直径が自動的に制御され、予め設定された結晶長さに至るまで結晶成長が継続される。
【００３７】
単結晶の育成は、炉内雰囲気を減圧し、不活性雰囲気とする以外は常法に従い、回転数や引き上げ速度を調整してネック部および肩部を形成し、引き続き直胴部を形成する。このとき、放射温度計などを用いて単結晶と原料融液との界面近傍における融液表面の温度を測定することが好ましい。結晶形状の調節は、育成中の結晶重量を測定し、直径や育成速度などを計算によって導き出し、回転速度や引き上げ速度を調整して行う。また、結晶重量の変化を高周波誘導コイル投入電力にフィードバックして融液温度をコントロールできる。
【００３８】
このようにしてルツボ内で単結晶が育成され、予め設定された結晶長さに成長すると、融液から結晶を切り離す工程に移行し、その後、制御装置４６のシーケンスパターンにより降温される。
【００３９】
得られるサファイア単結晶は、アルミニウム及び酸素の２元素を含む単結晶であり、光散乱レーザートモグラフ法によって求められる散乱光強度が１４０以下まで減少している。この単結晶からウエハーをスライスし、ポリッシュ研磨することで、エピ結晶基板とすることができる。単結晶中には微小な気泡が極めて少なくイリジウム由来のインクルージョンを含まないので、ピット数もマイクロバブルも少なくなり優れた特性を有する電子部品材料、光学用部品材料を提供できる。
【実施例】
【００４０】
以下に、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕
イリジウム製ルツボ（直径１８０ｍｍ、高さ１８０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）と、モリブデン製ルツボ（直径１６０ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を用い、イリジウム製ルツボの内側にモリブデン製ルツボが接触しないように組み合わせた。イリジウム製ルツボとモリブデン製ルツボとの底部間隙には、タングステン板（直径１６０ｍｍ、厚さ１６ｍｍ）を挿入した。
こうして作製した図１の二重構造のルツボで、高周波加熱による特性を測定した。図２は、高周波誘導加熱用発振機の高周波電圧を横軸にとり、高周波電流を横軸に取って高周波誘導特性を表した特性図（グラフ）である。この特性図においてデータＡが、この二重構造ルツボを使用したときのものである。外側のイリジウム製ルツボ７３の表面に誘導電流が生じ、イリジウム製ルツボ７３が加熱されていることが分かる。ルツボ二重構造において、モリブデン製ルツボ７６は、外側のイリジウム製ルツボ７３により間接的に加熱されるために、熱的なダメージが少ないものと考えられる。
【００４２】
〔実施例２〕
実際に、実施例１と同じイリジウム製ルツボの内側にモリブデン製ルツボが接触しないように組み合わせたルツボ二重構造を用いて原料であるサファイアを溶解した。図１の加熱室（育成炉）を図４の装置に組み込んで、内側のモリブデン製ルツボに４Ｎ（９９．９９％）のＡｌ２Ｏ３原料を１０ｋｇ投入した。Ａｌ２Ｏ３原料はクラックルとよばれるもので、これはベルヌーイ法で育成したサファイア単結晶を２０ｍｍ角程度の大きさに粉砕したものである。
この原料を融点に達するまで１２時間かけて徐々に加熱した。原料が１０００℃以上で真空引きを開始し、炉内の圧力が０．００５ＭＰａまで減圧したところで真空引きを一旦停止した。この温度以上では原料に吸着しているガス成分が排出されるため炉内の真空度は徐々に低下し、３０ｍｉｎ後に０．００６ＭＰａとなった。そこで３０ｍｉｎ後、炉内の圧力が０．００５ＭＰａとなるまで再度真空引きを行った。３０ｍｉｎに一度、この減圧作業を原料が融解するまで繰り返した。真空引き停止による炉内の真空度は、原料が融解するまでは停止後３０ｍｉｎで０．００６ＭＰａへ劣化する程度であったが、原料融解時には０．００８ＭＰａまで劣化した。融解後も引き続き３０ｍｉｎ毎に上記減圧作業を行った結果、劣化の度合いは改善され、３時間後にほぼ真空度の劣化は融解前と同程度となり、３０ｍｉｎ後での真空度は０．００６ＭＰａとなった。
さらに３時間、上記減圧作業を行った後、炉体内にアルゴンを０．１ＭＰａになるまで導入し、毎分３リットルの流量でフローさせた。その後、ａ軸方向に切り出したサファイア単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分２回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら引上速度２ｍｍ／ｈで種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径１０２ｍｍ、直胴部の長さ１１８ｍｍで目視では気泡が観察されない結晶を得た。また、結晶底部の成長界面を測定したところ、２２ｍｍ凸であった。さらに、この結晶に波長５３２ｎｍのレーザーを照射し、結晶内部の散乱光を観察したところ、ほとんど散乱はなく（散乱光強度８５）、結晶内部に微小な気泡が少ないことがわかった。また、この結晶をウエハーにし、ポリッシュ研磨したところ微小な窪みは確認できなかった。
上記のようにしてモリブデン製ルツボを間接加熱して単結晶を育成した後のルツボ外観を図３（写真Ａ）に示す。モリブデン製ルツボに変形は見られなかった。イリジウム製ルツボの内側にモリブデン製ルツボが接触しないように組み合わせて、ルツボを二重構造とし、間接加熱することでモリブデン製ルツボの長寿命化を図ることができた。
【００４３】
〔比較例１、２〕
イリジウム製ルツボ（直径１８０ｍｍ、高さ１８０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）、又はモリブデン製ルツボ（直径１６０ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を夫々単独で用い、実施例１と同様にその高周波加熱による特性を測定した。
図２は高周波誘導加熱用発振機の高周波電圧を横軸にとり、高周波電流を横軸に取って高周波誘導特性を表した特性図（グラフ）である。この特性図においてデータＢ、Ｃはそれぞれ、イリジウム製ルツボ（比較例１）、モリブデン製ルツボ（比較例２）を使用して直接加熱したときのデータである。特性図より、モリブデン製ルツボ構造では、高周波電流が流れにくいことがわかる。また、イリジウム製ルツボの場合、実施例１のルツボ二重構造の場合と高周波誘導特性が似ていることがわかった。モリブデン製ルツボは、直接に加熱されるので熱的なダメージが大きいものと考えられる。
【００４４】
〔比較例３、４〕
図４の育成炉を用い、モリブデンとタングステンとの合金（Ｍｏ−３０％Ｗ）製ルツボ（直径１６０ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、厚さ６ｍｍ）を単独で用いた以外は実施例２と同様にして、原料であるサファイアを直接加熱し溶解した（比較例３）。図３に原料を溶解後のルツボ外観を示す。図３中の写真Ｂは直接、高周波誘導加熱を行ったモリブデンとタングステンの合金製ルツボである。直接加熱においては、モリブデンとタングステンとの合金製ルツボの変形が見られ、ルツボを繰り返し使用できないことが分かった。
比較例２に示したモリブデン製ルツボを用いて同様に実験したが（比較例４）、モリブデンとタングステンとの合金製ルツボの場合と同様に変形が見られ、ルツボを繰り返し使用することはできなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のサファイア単結晶育成装置の要部である、ルツボを二重構造とした加熱室の構造を示す模式図である。
【図２】本発明のサファイア単結晶育成装置における二重構造のルツボで、高周波誘導加熱発振機による周波数特性を比較例のルツボの場合と対比したグラフである。
【図３】本発明のサファイア単結晶育成装置における二重構造のルツボを用いて、原料を融解した後のルツボ外観を比較例のルツボの場合と対比した写真である。
【図４】従来のサファイア単結晶育成装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  サファイア単結晶育成装置
１１  サファイア単結晶引き上げ成長炉
１２  チャンバ
１７、６０  加熱室
１８，６２  円筒状の外側断熱部材
２１  ジルコニア製ルツボ
２２，７２  ジルコニアバブル
２５  円筒状の内側断熱部材
２７  台座
２８  支持台
２９  引き上げ軸
３４  種結晶軸
３６  種結晶
３９  ガス導入口
４０  ガス排気管
４４  真空ポンプ
４５  高周波誘導加熱用発振機
４６  制御装置
４９  加熱コイル
５０，７７  サファイア（α−アルミナ）
５１  サファイア単結晶
５２  イリジウム製ルツボ
６１  アルミナルツボ
６３  円筒状の中間部断熱部材
６４  円筒状の内側断熱部材
６５  外側蓋部断熱部材
６６  中間部蓋部断熱部材
６７  内側蓋部断熱部材
６８  貫通孔（外側）
６９  貫通孔（中間部）
７０  貫通孔（内側）
７１  モリブデン製リング状部材
７３  外側イリジウム製ルツボ
７４  タングステン板
７５  空間
７６  内側モリブデン製ルツボ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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