(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、育成結晶中への融液中のガスの取り込みを減少させ、凸形状部の成長を抑制すると共に、これを用いた基板表面に突起物を生じないサファイア単結晶を育成する方法を提供。【解決手段】チャンバ１２内に設置した坩堝２１に、サファイア原料粉末５０を装入して加熱溶融し、原料融液から成長結晶５１を引き上げるサファイア単結晶の育成方法であって、坩堝２１として、イリジウムを含まない耐熱性坩堝２１を用いるとともに、サファイア原料粉末５０を加熱溶融する際に、雰囲気ガスを予め不活性ガスで置換し、引き続き、チャンバ１２内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通する。【選択図】図３
2008007354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に設置した坩堝に、サファイア原料粉末を装入して加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げるサファイア単結晶の育成方法であって、
坩堝として、イリジウムを含まない耐熱性坩堝を用いるとともに、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、雰囲気ガスを予め不活性ガスで置換し、引き続き、チャンバ内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通す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２】
耐熱性坩堝の材質が、モリブデン、タングステン、グラファイト、またはタンタルから選ばれるいずれかであ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の育成方法。
【請求項３】
耐熱性坩堝が、その側面だけでなく底部からも加熱され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の育成方法。
【請求項４】
不活性ガスが、アルゴンであ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の育成方法。
【請求項５】
不活性ガスの流量が、毎分１〜５リットルであることを特徴とする請求項１又は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方法に関し、より詳しくは、サファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、育成結晶中への融液中のガスの取り込みを減少させ、凸形状部の成長を抑制すると共に、これを用いた基板表面に突起物を生じ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】
近年、発光ダイオード（以後ＬＥＤと略する）の需要が大きく増大してきている。ＬＥＤ素子は、サファイア基板の上に種々の化合物を発光層として成長させて作成される。ＬＥＤ素子を作成するに当たっては、育成された種々の化合物層が、物理的にも化学的にも均質であることが求められ、その結果、用いるサファイア基板にも、表面の良好な平滑性が求められている。それは、サファイア基板表面の凹凸が該表面上に成長させた化合物層の表面状態にも悪影響を及ぼしかねないからである。
【０００３】
ところで、こうしたサファイア基板を得るには、一般に引上げ法（溶融固化法とも称される）により得られたサファイア単結晶をウエハー状に切断し、得たウエハーの表面を研磨して得ている。代表的な引上げ法としてチョクラルスキー法（以後Ｃｚ法と略する）がある。近年、このＣｚ法に従ってサファイア単結晶を安定的に得る方法が検討されている。
【０００４】
図３は、Ｃｚ法による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を示している。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、坩堝５２が設けられ、坩堝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。
【０００５】
しかしながら、このような装置を用いると、「融液中に取り込まれたガス成分を育成結晶中に気泡として取り込みやすい」という問題があった。すなわち、Ｃｚ法によりサファイア単結晶を得る場合、原料であるサファイア（酸化アルミニウム）の融点が２０００℃を超えるため、融液の粘度が高くなり融液の対流を大きくすることができない。これが融液の温度の均一化を図りがたくしており、その結果、融液中に取り込まれたガス成分を育成結晶中に気泡として取り込みやすくする原因となっている。
【０００６】
これを解決するために、特許文献１では、低酸素濃度雰囲気下でサファイア単結晶を育成することにより、融液の対流を強化しようとしている。この方法によれば、確かに坩堝側面から育成結晶中心方向のアルミナ融液の対流は強化され、育成結晶中に取り込まれるガス成分は減少する。しかし、前記した凸形状の成長が逆に助長されるという現象が見られ、生産性が更に低下してしまう。これは、凸形状成長を助長する対流状態となっているためと思われる。すなわち、融液温度が不均一の場合、育成結晶からの放散熱の効果を減少させることが困難となるため、得られるサファイア単結晶の固液界面が融液側に凸の状態になりやすく、この凸状部が成長すると、該凸状部が坩堝下面に達し、以後のサファイア単結晶の育成ができず、基板の生産効率が大幅に低下する事態を招いてしまう。
【０００７】
そのため、本出願人は、融液温度を均一化する方法として、坩堝下部に筒状のヒーターを設けて坩堝側面のみでなく、坩堝底面からもアルミナ融液を加熱するという方法を提案した（特許文献２参照）。そして、坩堝底面にヒーターを設けて坩堝側面と底面とから融液を加熱しつつ、低酸素雰囲気下でサファイア単結晶を育成することにより、前記ガス成分の育成結晶中への取り込み量と、凸形状の大きさとを制御することを検討した。
具体的には、イリジウム坩堝に原料である酸化アルミニウムを充填し、結晶育成雰囲気を低酸素濃度とし、イリジウム坩堝を高周波誘導加熱して坩堝内の酸化アルミニウムを融解してサファイア原料融液を得、この原料融液に種結晶を接触させ、温度勾配のついた炉内で引き上げることによりサファイア単結晶を育成させた。この方法を採用すれば、育成結晶中の気泡を減少でき、かつ凸形状の成長を抑制することが可能となる。
【０００８】
しかし、こうした条件で育成した結晶からサファイア基板を得ると、得られるサファイア基板表面に突起物が出現する。前記したように、このような表面に突起物を有する基板を用いて他の化合物結晶をエピタキシャル成長させると、得られる化合物結晶の表面状態にも悪影響を及ぼしかねない。したがって、低酸素濃度雰囲気下で坩堝側面と坩堝底面とから融液を加熱しつつ育成したサファイア単結晶は、表面の良好な平滑性を有する基板を得るには十分なものとなっていない。
【０００９】
ところで、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坩堝が使用されている。しかしながら、イリジウム製坩堝の価格は、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。
また、このようなイリジウム製坩堝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、前記したように、成長界面が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、結晶成長によって坩堝内の融液高さがある程度低下すると、成長界面の先端と坩堝底面とが接触するため、それ以上は結晶成長を継続することが不可能となり、坩堝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。
【００１０】
したがって、イリジウム製坩堝を用いた場合、突起物の出現を抑えることは難しい。これを解決するためにはイリジウム以外の材質の坩堝をサファイア単結晶育成装置に用いることが考えられる。例えば、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坩堝の使用が試みられている。
【００１１】
しかしながら、モリブデン製坩堝を加熱するために、コイルに高周波電流を発生させようとしても、導電性の坩堝表面に誘導電流が生じにくいので坩堝内の原料粉末を溶解しにくい。また、温度制御が難しく、過加熱されるとモリブデンが軟化し、坩堝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。
また、モリブデン製などの坩堝を用いた場合、加熱室の内面側を形成するジルコニア（ＺｒＯ２）が１８００℃以上もの高温になると、酸化・還元反応を起こして酸素が放出され坩堝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。
【００１２】
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。これは坩堝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坩堝を使用するときは、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３参照）。
【００１３】
この特許文献３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、坩堝を大型化して、直径が３インチを超えるサファイア単結晶の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・断熱材部分の熱容量を増加させることも検討している。
【００１４】
しかし、モリブデン製坩堝を用いようとすれば、坩堝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が、それにより周囲に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、坩堝に高周波電流が流れ難くなるという問題がある。
特許文献３の実施例には当該装置を用いてサファイア単結晶を育成した旨の記載がある。しかし、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中で育成したと記載されているのみであり、具体的な条件は何ら開示されておらず、優れた品質を有するサファイア単結晶を確実に得られるかどうか検証することはできない。
【特許文献１】特開平０９−２７８５９２号公報
【特許文献２】特開２００５−２３１９５８号公報
【特許文献３】特開２００５−１９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、サファイア単結晶体の作製コストを低減しながら、育成結晶中への融液中のガスの取り込みを減少させ、凸形状部の成長を抑制すると共に、これを用いた基板表面に突起物を生じ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】
【００１６】
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、サファイア原料粉末を装入して加熱溶融するために用いられていたイリジウム製坩堝に代えて、十分な耐熱性を有する比較的安価なモリブデン製などの耐熱性坩堝を用い、かつ加熱溶融する際の雰囲気を特定の条件とすることにより、イリジウムに起因す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生産性よく育成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、チャンバ内に設置した坩堝に、サファイア原料粉末を装入して加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げるサファイア単結晶の育成方法であって、坩堝として、イリジウムを含まない耐熱性坩堝を用いるとともに、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、雰囲気ガスを予め不活性ガスで置換し、引き続き、チャンバ内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通す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。
【００１８】
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、耐熱性坩堝の材質が、モリブデン、タングステン、グラファイト、またはタンタルから選ばれるいずれかであ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。
【００１９】
また、本発明の第３の発明によれば、第１の発明において、耐熱性坩堝が、その側面だけでなく底部からも加熱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。
また、本発明の第４の発明によれば、第１の発明において、不活性ガスがアルゴンであ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５の発明によれば、第１又は４の発明において、不活性ガスの流量が、毎分１〜５リットルであ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】
【００２０】
本発明によれば、従来のイリジウム製坩堝を単独で用いる代わりに、十分な耐熱性を有する比較的安価なモリブデン製などの耐熱性坩堝を用いるとともに、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、実質的に酸素が存在しない特定の不活性ガス雰囲気に維持するので、これにより融液中の気泡が育成結晶中への取り込まれるのを抑制でき、凸形状部の成長を抑制しつつ、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。また、坩堝が安価なモリブデン製坩堝などの耐熱性坩堝であることから、サファイア単結晶の生産コストを大幅に削減することができる。さらに、こうして得られた単結晶を用いることによって、電子部品材料、光学用部品材料を提供するのに必要な優れた特性を有する基板の生産効率を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の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。
【００２２】
１．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、チャンバ内に設置した坩堝に、サファイア原料粉末を装入して加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げるサファイア単結晶の育成方法であって、坩堝として、イリジウムを含まない耐熱性坩堝を用いるとともに、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に、雰囲気ガスを予め不活性ガスで置換し、引き続き、チャンバ内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通することを特徴とする。
【００２３】
すなわち、本発明によってサファイア単結晶を育成するには、サファイア原料粉末を装入する坩堝としてイリジウムを含まない耐熱性坩堝を用いること、また、サファイア原料粉末を加熱溶融する際に不活性ガスでチャンバ内のガスを置換すること、そして、チャンバ内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通し続けることが必要である。
【００２４】
前記のとおり、坩堝材料としてイリジウム製の坩堝を用いてサファイア単結晶を育成し、得られた育成結晶を加工して基板を製造すると、しばしば基板表面に突起物が出現することがある。この突起物を分析すると、その成分として坩堝材料であるイリジウムが含まれていることから、前記突起物は下記のメカニズムで出現するものと推定される。
【００２５】
（１）高温、低酸素分圧下ではサファイア原料である酸化アルミニウムの分解が進行する。
Ａｌ２Ｏ３  →  Ａｌ２Ｏ  ＋  Ｏ２
（２）酸化アルミニウムの分解により生成した酸素は、イリジウム製坩堝と反応し、酸化イリジウムが生成される。
４Ｉｒ  ＋  ３Ｏ２  →  ２Ｉｒ２Ｏ３
（３）酸化イリジウムは、融液が結晶化する際に取り込まれ、基板を研磨した際に表面に突起物として出現する。
【００２６】
本発明において、イリジウムを含まない坩堝を用いるのは、インクルージョンの原因がイリジウム製坩堝からの汚染であると考えられるためである。サファイアの融点（およそ２０５０℃）付近において耐熱性のある坩堝に適した材質としては、モリブデン、タングステン、グラファイト、タンタルなどが挙げられる。モリブデン製坩堝の価格はイリジウム坩堝と比較しておよそ１／２０と非常に廉価であり、入手しやすい。タングステン、グラファイト、タンタル等もモリブデンと同程度の価格で入手しやすい。中でも好ましいのは、モリブデン製又はタングステン製坩堝である。以下、最も好ましい耐熱性坩堝であるモリブデン製坩堝を中心に説明する。
【００２７】
モリブデン製坩堝は、実質的にモリブデ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）製坩堝であれば、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。モリブデン製坩堝は、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。
【００２８】
本発明においては、モリブデン製坩堝を単独で加熱室に設置し、直接加熱して原料粉末を溶融させる。坩堝の構造は、前記育成に際して坩堝側面のみでなく坩堝下部よりもアルミナ融液を加熱できるようにしたものが好ましい。
【００２９】
次に、具体的なサファイア単結晶育成方法の一例を、図３を参照しながら説明する。なお、図３には、高周波誘導加熱方式が記載されているが、本発明では直接加熱方式であるため、高周波誘導加熱用発振機４５を設ける必要はなく、加熱コイル４９の代わりに加熱ヒーターを用いる。
【００３０】
加熱室１７は、チャンバ１２内に設置され、外側断熱材１８及び内側断熱材２５の各蓋部断熱部材２０、２６で形成されており、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、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。
【００３１】
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）を坩堝５２から引き上げるための引き上げ軸２９の貫通孔３０、３１と、坩堝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。
【００３２】
まず、準備作業として、モリブデン製坩堝５２に原料粉末（サファイア、Ａｌ２Ｏ３）５０を装入し、種結晶軸３４の先端に種結晶３６を固定する。この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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
準備作業が終了後、このモリブデン坩堝内のサファイア原料粉末を不活性ガス雰囲気下において融解させるが、その前に、チャンバ内は使用する雰囲気ガスに置換するため真空ポンプ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ガス雰囲気にする。チャンバ内が不活性ガス雰囲気になってからは、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坩堝を加熱し、原料を溶融して原料融液を得る。加熱溶融時のチャンバ内圧力は、常圧でも減圧でも構わないが、常圧とするほうがよい。
【００３５】
この際、雰囲気中に酸素が存在すると、モリブデンが酸化し、良好なサファイア単結晶の育成が困難となる。また、後述するように、不活性ガス雰囲気として窒素気流中を選定すると、窒素とモリブデンとが反応し、窒化モリブデンが発生するため、良好なサファイア単結晶の育成は困難である。従って、本発明では不活性ガスとしてアルゴンを用いることが望ましい。ヘリウムなどの希ガスでも技術的に使用可能であるものの、高価であることから経済性を損なうことになる。
【００３６】
また、チャンバ内に実質的に酸素が存在しない状態を維持するのに十分な量の不活性ガスを流通しなければならない。不活性ガス雰囲気を維持するために、毎分１リットル以上、好ましくは、毎分１〜５リットルの不活性ガスをチャンバ（結晶育成室）内に導入する。これによりチャンバ内に酸素が混入することが防止でき、熱バランスが取りやすくなる。流量が１リッター／分よりも少ないとチャンバ内に酸素が混入する。一方、不活性ガスが５リットル／分を越えて流入すると、チャンバ内の熱バランスが取りずらくなり、その結果、良好なサファイア単結晶の育成が困難となる。
【００３７】
また、前記したとおり、前記育成に際して坩堝側面のみでなく坩堝下部よりも原料融液を加熱することが望ましい。耐熱性坩堝をその側面からだけでなく、底部から加熱できるようにするため、前記特許文献２に記載された、サファイア単結晶をチョクラルスキー法で育成する装置を用いることができる。
【００３８】
この装置は、チャンバ内に設けられた装置要部が、高周波誘導コイルと、耐火性坩堝と、イリジウム製坩堝と、断熱材と、耐火性坩堝支持筒と、筒状ヒーターとからなり、耐火性坩堝内にイリジウム製坩堝が断熱材を介して納められており、この耐火性坩堝の底部に、その内部に筒状ヒーターが設けられた耐火性坩堝支持筒が、前記筒状ヒーターの上面が前記耐火性坩堝の底面に接するように設けられ、これらが高周波誘導コイル内の空間部に収納されている。なお、この特許文献２では、高周波誘導加熱方式を用いているが、本発明では、イリジウム製坩堝の代わりにモリブデン坩堝を用いることになり、直接加熱方式であるので高周波誘導コイルの代わりに加熱ヒーターを用いる。
【００３９】
本発明において、筒状ヒーターは、電熱ヒーターを用いるが、誘導加熱方式を採用することも可能である。この場合、筒状ヒーターとしては白金、ロジウム、イリジウムなどの貴金属や炭素等の耐熱性の高いもので作成することができる。
【００４０】
チャンバ１２内が不活性ガス雰囲気になったところで、耐熱性坩堝５２の側面、底面を直接加熱し、サファイアの融点（２０４０℃）以上の温度として、耐熱性坩堝５２内に充填したサファイア単結晶原料５０を溶融する。
【００４１】
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及びサファイア単結晶原料５０の融液温度を適当な水準に維持するために加熱ヒーターの出力を変化させる。加熱ヒーターの駆動機構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ヒーターを駆動させる。制御装置４６は引き上げ軸３４および加熱ヒーターの各駆動機構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。
【００４２】
加熱室内のサファイア単結晶原料を加熱溶融し、Ｃｚ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、サファイア単結晶原料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、サファイア単結晶用原料を坩堝内で十分な時間加熱溶融させて気泡を排出させることが望ましい。
【００４３】
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。サファイア単結晶原料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。
【００４４】
単結晶の育成は、チャンバ内を不活性ガス雰囲気に保ち、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、結晶重量の変化を加熱ヒーター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。
【００４５】
このようにして耐熱性坩堝内でサファイア単結晶が育成され、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。
【００４６】
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、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】
【００４７】
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。
【００４８】
（実施例１）
耐熱性坩堝として、モリブデン製坩堝（直径１６０ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を用意した。このモリブデン製坩堝にサファイア原料（９９．９９％のＡｌ２Ｏ３）を予め、融液にした状態で坩堝の容積に対して９０％を占めるように秤量し充填しておき、アルゴンガスを毎分３リットルの流量で流し、チャンバ内の気体を置換した。その後、常圧において、２０時間以上かけて坩堝を直接加熱し、サファイア原料を融解させた。この融液に種結晶を接触させ、結晶の引上げに適当な温度になるよう融液の温度を調整し、引上げを開始した。引上げ速度は毎時１．４ｍｍ、結晶回転数は２ｒｐｍとした。その後、自動直径制御装置を用いて所望の直径になるよう結晶径を制御し、所望の長さまで結晶を引き上げた後、融液から切離し、およそ１５時間かけて冷却した。
得られた結晶は無色透明であり、目視で確認できるような大きさのインクルージョンは存在していなかった。結晶内部の光学的評価を行うため、結晶から厚板を育成軸に平行に切り出し、両面を鏡面研磨した。この厚板に対して平行にレーザを照射し、光散乱体の有無を調べた。この結果を図１に示す。結晶中にはレーザの軌跡は確認されなかった。これは結晶中に散乱体が存在していないことを示している。
【００４９】
（実施例２）
アルゴンガスの流量が散乱体の量に与える影響を調べるため、アルゴンガスの流量を毎分１リットルとし、その他の条件を変えずに結晶育成を行った。実施例１と同様に得られた結晶から厚板を切り出し、結晶中の散乱体を確認したところ、毎分３リットルの流量の場合と同様、散乱体が存在しないことがわかった。
【００５０】
（実施例３）
同様にアルゴンガスの流量を毎分５リットルとし、その他の条件を変えずに結晶育成を行った。実施例１と同様に得られた結晶から厚板を切り出し、結晶中の散乱体を確認したところ、毎分３リットルの流量の場合と同様、散乱体が存在しないことがわかった。
【００５１】
（比較例１）
アルゴンガス流量を毎分０．５リットルとした以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶の育成を行った。育成中、チャンバ内を観察したところ、チャンバ内壁に異物の生成がみられたため、育成を中止し、内部を点検した。その結果、チャンバ内壁に青色の物質が付着しているのが確認できた。この物質は酸化モリブデンであった。この物質が生成したということは、チャンバ内に空気が流入したためと考えられる。
【００５２】
（比較例２）
アルゴンガス流量を毎分１０リットルとして結晶育成を行ったところ、チャンバ内の冷却効果が高く、うまく結晶育成を行うことができなかった。
【００５３】
（比較例３）
また、突起物低減が結晶成長雰囲気によるものであるかどうか調べるため、従来法によりイリジウム製坩堝を用いて結晶育成し、得られた結晶中のインクルージョンの有無を確認した。イリジウム製坩堝を単独で用いた以外は、上記と同様に充填したサファイア原料をアルゴンガス気流中において高周波誘導加熱により原料を融解し、種結晶を接触させ、引上げを行った。
得られた結晶の内部評価を行ったところ、図２に示すように、内部全体に均一に分布する微小な散乱体および比較的大型の散乱体が観察された。これら大型の散乱体のうち、いくつかは光学顕微鏡で実像を確認できた。このことは、この散乱体が気泡のような物体ではなく、ソリッド状の物体であることを意味している。つまり、このソリッド状の物体が突起物の原因となるイリジウムであり、前記したメカニズムにより結晶中に取り込まれたと考えることができる。この結果、イリジウム製坩堝を単独で用いる従来の技術では、結晶育成雰囲気を変更したとしてもインクルージョンの発生は抑えられないことがわかる。
【００５４】
（比較例４）
実施例と同様にモリブデン製坩堝を用いたが、アルゴン気流でなく、窒素気流中で育成を行った。窒素気流中においてモリブデン製坩堝を高温に加熱すると、その過程でチャンバ内においてガスが発生した。このガスは、モリブデンと窒素が反応して発生した窒化モリブデンガスを含んでいた。この状態で加熱を続けると、窒素ガスによりモリブデン製坩堝が侵食され、坩堝を損傷する恐れがあるため、この時点で加熱は中止した。
以上の結果より、不活性ガスは、窒素ではモリブデンと反応してしまうために、モリブデンと反応せず経済的なアルゴンが望ましいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明により、モリブデン製坩堝を使用し、アルゴンガス気流中において育成したサファイア単結晶から切り出した基板にレーザを入射させて観察される結晶内部の写真である。
【図２】従来のイリジウム製坩堝を使用し、アルゴンガス気流中において育成したサファイア単結晶から切り出した基板にレーザを入射させて観察される結晶内部の写真である。
【図３】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】
【００５６】
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  加熱室
１８  円筒状の外側断熱部材
２１  ジルコニア製坩堝
２２  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  サファイア（α−アルミナ）
５１  サファイア単結晶
５２  モリブデン製坩堝
【図１】
2008007354.tif 000003
【図２】
2008007354.tif 000004
【図３】
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