(57)【要約】【課題】      酸化物単結晶を、高品質で歩留まりよく製造することができる育成方法の提供を目的とする。  【解決手段】  単結晶育成炉を用い、ルツボの周囲に設けられた加熱手段の中点を縦座標軸の原点とし、該加熱手段の上端を＋０．５とし、下端を−０．５としたときに、前記ルツボ内の融液最下面の位置を−０．５〜＋０．１の範囲内の所望の位置に保持しつつ、育成炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍ以下とし、引き上げシャフト先端に設けられた種子結晶を冷却しつつ、重量検出器により育成単結晶の重量を検出し、該育成単結晶の重量を基にルツボ周囲に配設された加熱手段の温度を制御し、予め求められたルツボ底の温度と育成時間と前記Ｈｋとの関係を用いてＨｋが育成単結晶の直径に対して１０％以下となるようにルツボ底の温度を調整する。【選択図】    なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転・昇降可能に設けられたルツボと、ルツボの周囲と下方とに設けられた加熱手段と、ルツボ上部に輻射熱を反射するために設けられた反射板と、これらを覆う保温材と、この保温材を貫通して設けられた回転・昇降可能に設けられ、かつその先端に設けられた種子結晶を冷却可能にされた引き上げシャフトと、該引き上げシャフトの上部に連結された重量検出器とから主として構成される単結晶育成炉を用いた単結晶育成方法であり、育成炉内縦方向の温度勾配を小さくし、前記引き上げシャフト先端に設けられた種子結晶を冷却しつつ、前記重量検出器により育成単結晶の重量を検出し、該育成単結晶の重量と、該重量を検出したときに予定とされた目標直径値より定められる育成単結晶の目標重量値との偏差が０になるようにルツボ周囲に配設された加熱手段の温度を制御し、単結晶を育成することを特徴とする酸化物単結晶の育成方法。
【請求項２】
前記単結晶育成炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の育成方法。
【請求項３】
前記ルツボの周囲に設けられた加熱手段の中点を縦座標軸の原点とし、該加熱手段の上端を＋０．５とし、下端を−０．５としたときに、前記ルツボ内の融液最下面の位置を−０．５〜＋０．１の範囲内の所望の位置に保持しつつ単結晶を育成することを特徴とする請求項２記載の育成方法。
【請求項４】
単結晶育成時に融液側に凸形状となる固液界面の該凸形状部の高さをＨｋとしたときに、予め求められたルツボ底の温度と育成時間と前記Ｈｋとの関係を用いてＨｋが育成単結晶の直径に対して１０％以下となるようにルツボ底の温度を調整することを特徴とする請求項３記載の育成方法。
【請求項５】
前記酸化物単結晶がサファイア単結晶である請求項１〜４記載の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶成長方法および育成炉に関し、電子部品材料ならび光学用部品材料として使用される酸化物単結晶、特にサファイアに代表される融点が２０００℃以上の酸化物単結晶の育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物単結晶を成長させるには、融液の表面に種子結晶を接触させて引き上げ速度を制御しながら単結晶を引き上げる基本系から派生したチョクラルスキー（Czochralski）法、キロプロス（Kyropoulus）法等がある。これらの方法で、ゴングルエント組成で活性元素などが添加されていないサファイア単結晶を引き上げると、引き上げた単結晶の品質には方法による顕著な差は見られず、負結晶（気泡）やサブグレインバンダリーなどの結晶欠陥による低い製品歩留りが共通の問題として浮かび上がってくる。
【０００３】
サファイアに限らず、酸化物単結晶、あるいは酸化物単結晶より得た基板の需要の拡大は顕著であり、酸化物単結晶やこれらから得られる基板に対して、市場より強く値下げが求められている。こうした市場よりの要求を満たすためには、前記した低い製品歩留まりが大きな障害となっている。そのため、高い製品歩留まりを得るべく、結晶欠陥の少ない酸化物単結晶を得ることが大きな課題となっている。
【０００４】
この課題は、サファイアに代表される融点が２０００℃以上を越える酸化物の単結晶の育成では、育成された単結晶からの輻射による熱放出や得られる融液の粘度が高い場合があり、融液内の温度勾配の均一化が難しため、取り分け困難とされているが、解決するための試みがいくつかなされている。
【０００５】
例えば、ルツボ内の融液を含め、育成炉内全体の温度を可能な限り均一にすることである。こうすることにより、熱応力による単結晶内部の歪みの発生を抑え、もって格子欠陥の発生を防止しようとするものである。そして、これを実現するための手段の一つが融液から放出される熱を、反射板等を用いて融液に戻す方法である。また、例えば、特許文献１に記載されているように、ルツボの下に筒状のヒータを設けて、融液を底部からも加熱し融液内の温度勾配の均一化を図る方法である。これらの手段を合わせて採用することにより、融液内の温度勾配のみでなく、育成炉内全体の温度勾配も小さくすることができる。
【０００６】
しかし、こうした手段を用いても、育成されたサファイア単結晶からの熱放出によって単結晶直下、即ち単結晶の成長界面である固液界面近傍の融液温度が下がり、その結果、単結晶の固液界面形状が融液側に対して極端に凸形状となるという現象は抑えきれない。（尚、本明細書では、この凸形状部の高さをＨｋと示す。）このような状態になると、凸形状部の成長が固液界面の増加をもたらし、固液界面の増加が単結晶を経由して融液外部に放出される熱の増加をもたらし、これにより固液界面近傍の融液温度がさらに低下し、凸形状部がさらに成長してＨｋが大きくなるという循環が発生することになる。こうした凸形状部が成長した単結晶では、多くの結晶欠陥が発生しており、品質が劣化したものにしかならないことはよく知られている。
【０００７】
こうした循環による凸形状部の成長を最小限にするために、育成結晶の回転数を調整して引き上げ方向の単結晶成長速度を制御して凸形状部の成長を防止しようとする試みがあるが、融液内の凸形状部の成長速度が早い場合は、結果として凸形状部の成長は防止できない。また、こうして得られた単結晶では、凸形状部が小さいにもかかわらず一般に欠陥が多いとされている。
【０００８】
一方、系を低温度勾配とし、熱応力による欠陥の発生を防止しつつ単結晶の育成を行おうとすると、種付け中に種子結晶が溶けるという問題が発生する。
【特許文献１】特開２００５−２３１９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、酸化物単結晶、取り分けサファイア単結晶に代表される融点が２０００℃を超えるような酸化物単結晶を、高品質で歩留まりよく製造することができる酸化物単結晶の育成方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する請求項１記載の発明は、回転・昇降可能に設けられたルツボと、ルツボの周囲と下方とに設けられた加熱手段と、ルツボ上部に輻射熱を反射するために設けられた反射板と、これらを覆う保温材と、この保温材を貫通して設けられた回転・昇降可能に設けられ、かつその先端に設けられた種子結晶を冷却可能にされた引き上げシャフトと、該引き上げシャフトの上部に連結された重量検出器とから主として構成される単結晶育成炉を用いた単結晶育成方法であり、育成炉内縦方向の温度勾配を小さくし、前記引き上げシャフト先端に設けられた種子結晶を冷却しつつ、前記重量検出器により育成単結晶の重量を検出し、該育成単結晶の重量と、該重量を検出したときに予定とされた目標直径値より定められる育成単結晶の目標重量値との偏差が０になるようにルツボ周囲に配設された加熱手段の温度を制御し、単結晶を育成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に加えて、単結晶育成炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍ以下とするものである。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、前記発明に加えて、前記ルツボの周囲に設けられた加熱手段の中点を縦座標軸の原点とし、該加熱手段の上端を＋０．５とし、下端を−０．５としたときに、前記ルツボ内の融液最下面の位置を−０．５〜＋０．１の範囲内の所望の位置に保持しつつ単結晶を育成するものである。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、前記発明に加えて、単結晶育成時に融液側に凸形状となる固液界面の該凸形状部の高さをＨｋとしたときに、予め求められたルツボ底の温度と育成時間と前記Ｈｋとの関係を用いてＨｋが育成単結晶の直径に対して１０％以下となるようにルツボ底の温度を調整するものである。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は前記請求項１〜４において、酸化物単結晶がサファイア単結晶であるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の方法に従えば、単結晶育成炉内の温度勾配を低温度勾配としつつ、引き上げシャフトを冷却し、もって種子結晶を冷却しつつ単結晶の育成を行う。そのため、単結晶育成炉内の温度勾配を１０℃／ｍｍ以下の低温度勾配としても、種子結晶を溶解させることなく熱応力による歪みに起因する結晶欠陥の少ない単結晶を得ることができる。
【００１６】
また、単結晶重量を測定して得た実測値と、該実測値を得たときに予定とされた目標直径値より算出される目標重量値との偏差が０となるようにルツボ周囲に配設された加熱手段の温度を制御し、かつＨｋを育成結晶の直径の１０％以下に維持するようにルツボ下部に設けられた加熱手段の温度を調節するので、単結晶の品質劣化につながる急激な結晶成長を抑制しつつ一定の成長速度で単結晶を育成できる。その結果、異常成長による結晶欠陥の少ない高品質の単結晶を得ることができる。
【００１７】
また、Ｈｋが育成結晶の径に対して１０％以下の単結晶の育成が可能となるので、単結晶の育成収率を高めることができる。
【００１８】
本発明の方法は、取り分け融点が２０００℃を超えるような酸化物単結晶の育成に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、請求項１記載の発明について説明する。本発明で用いる単結晶育成炉は回転・昇降可能に設けられたルツボと、ルツボの周囲と下方とに設けられた加熱手段と、ルツボ上部に輻射熱を反射するために設けられた反射板と、これらを覆う保温材と、この保温材を貫通して設けられた回転・昇降可能に設けられた引き上げシャフトから主として構成される単結晶育成炉であり、前記引き上げシャフトが、引き上げシャフト先端に設けられた種子結晶の冷却が可能になるように設けられており、かつ引き上げシャフトの上部に重量検出器が連結されたものである。
【００２０】
具体的な例として図１に模式的に示した単結晶育成炉がある。この炉は、本発明の実施例を行うのに用いたものである。図中において１は炉本体を示している。炉本体１内の略中央部には円筒形状をしたモリブデンまたはモリブデンタングステン合金若しくはイリジウムで製造されたルツボ本体２ａが配設されており、該ルツボ本体２ａ内には単結晶用原料を溶融させて得た融液３が充填される。ルツボ本体２ａは、ルツボと同種の金属材料からなるサセプタ２ｂにより保持されており、ルツボ本体２ａとサセプタ２ｂとによりルツボ２が構成されている。
【００２１】
サセプタ２ｂ下部には回転軸４が取り付けられ、回転軸４の下部にはルツボを回転・昇降させるためのルツボ回転・昇降手段（図示せず）が接続されている。これらルツボ回転・昇降手段によりルツボ２が所定速度で回転可能とされるとともに、上下方向に駆動可能とされている。
【００２２】
またルツボ２の外周には円筒形状をしたヒータ５ａが配設され、ヒータ５ａには電力供給手段５ｂが接続されており、これらヒータ５ａ及び電力供給手段５ｂを含んで加熱手段５が構成されている。そして電力供給手段５ｂからの供給電力量を変更することにより、ヒータ５ａの温度が調整され、ルツボ本体２ａ内における固液界面周辺の融液３の温度が調節されるようになっている。尚、ヒータ５aの加熱方式は抵抗加熱方式でも良く、高周波誘導加熱方式でも良い。
【００２３】
さらに、前記サセプタ２ｂの下に円盤形状をしたヒータ６aが配設され、ヒータ６ａには電力供給手段６ｂが接続されており、これらヒータ６a及び電力供給手段６ｂを含んで加熱手段６が構成されている。そして電力供給手段６ｂからの供給電力量を変更することにより、ヒータ６ａの温度が調整され、ルツボ本体２a底部における溶融液３の温度が調節されるようになっている。この場合ヒータ６aは加熱方式のものとすることが好ましい。尚、本例ではヒータ６ａの形状を円盤状としたが、特にこれに拘るものではない。
【００２４】
炉本体１の上方には中空円筒形状をしたケーシング１ａが形成されており、ケーシング１ａ内を貫通して、ルツボ２ａの回転軸４の同軸上にシャフト７が垂下されている。シャフト７下端部にはシードホルダ７ａが装着され、シードホルダ７ａには種子結晶７ｂが取り付けられるようになっている。ケーシング１ａ上部にはシャフト回転装置８を介してシャフト引き上げ装置９が配設され、シャフト回転装置８及びシャフト引き上げ装置９はそれぞれモータ８ａ、９ａ（ともに図示せず）を備えており、これらによりシャフト７は回転可能とされるとともに上下方向に移動可能となっている。またシャフト７はジャケット構造を取り、水冷ポンプ１０より冷却水が注入・排出される。
【００２５】
さらにシャフト回転装置８とシャフト引き上げ装置９との間に単結晶重量を検出するロードセル１１が設置され単結晶重量の変化を検出する。その際ケーシング１aの構造によりその重量も同時に計測される場合があるが、そうした場合にはケーシング１ａの重量は風袋重量として取り扱うことができる。
【００２６】
図１には、育成炉のみでなく温度算出・制御手段１２も合わせて記載してある。
【００２７】
計測および検出した信号は温度算出・制御手段１２に送られる。温度算出・制御手段１２では取り込んだ育成単結晶重量の実測値と、取り込み時点での目標直径値から算出される目標重量とを比較し、その差が０となるようにヒータ５の操作量を算出し、算出されたヒ−タ５の操作量に基づいて必要とされる供給電力量の制御信号を電力供給手段５ｂに出力する。また温度算出・制御手段１２に予め求めて入力してあるルツボ底の温度と育成時間とＨｋとの関係情報より、Ｈｋが育成結晶の直径の１０％以内の所望の値となるようなルツボ本体２ａの底（ルツボ内の融液最下面）の温度を算出し、これに見合うヒータ６への供給電力量を算出し、電力供給手段６bに出力する。
【００２８】
このように構成された単結晶育成炉を用い、単結晶１３を育成する場合、まずルツボ２ａ内にサファイア単結晶用原料を充填し、加熱手段５および６によりルツボ２を所定温度になるまで加熱し、融液３を形成する。次にルツボ２ａを静止、あるいは所望回転数で回転させる（回転数ゼロも含む）。水冷ポンプ１０を稼働し、所望量の冷却水をシャフト７内に流入・排出させつつ降下させ、シャフト７先端の種子結晶７ｂを融液３の表面に接触させる。そしてシャフト７を所定速度で回転させつつ引き上げて単結晶１３のショルダ部を成長させる。
【００２９】
次に計測・検出手段１２により、ショルダが形成されて単結晶１３が所定の目標重量WS にまで成長したことを確認した後、前記引き上げ速度を胴体部育成のための所望の設定値に固定する。その後、ロードセル１１より計測・検出手段１２に任意の間隔で送られてくる単結晶重量の実測値に基づき、受信時に予定とされた目標直径より定められる単結晶の目標重量と実測値との差を求め、この差が０になるように電力供給手段５ｂによる供給電力量を調整する。これにより、ロードセル１１による単結晶重量実測値が対応時の目標単結晶重量に維持されるようにする。
【００３０】
尚、本発明においてシャフトを冷却するのは、第１にシャフト先端の種子結晶が溶解しないようにするためであり、どの程度の冷却水を流入・流出するかは、ルツボ上部の温度勾配や、シャフトの構造、材質等により異なるため、本発明の実施に先立ち求めておくことが好ましい。また、育成開始後、いつまでシャフトを冷却するかということについても、同様である。
【００３１】
次に、請求項２記載の発明について説明する。請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明に加えて単結晶育成炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍ以下とするものである。こうすることにより、融液面より引き上げられた育成結晶の徐冷速度が遅くなり、熱応力による単結晶内部の歪みの発生がより抑えられ、もって格子欠陥の発生がより防止されるので好ましい。
【００３２】
次に請求項３記載の発明について説明する。請求項３記載の発明は、前記発明に加えて、前記ルツボの周囲に設けられた加熱手段の中点を座標軸の原点とし、該加熱手段の上端を＋０．５とし、下端を−０．５としたときに、前記ルツボの底部を−０．５〜＋０．１の範囲内の位置に保持しつつ単結晶を育成するものである。
【００３３】
ルツボの底部をルツボの底部を−０．５〜＋０．１の範囲内の所望の位置に保持しつつ単結晶を育成すると、前記発明がより良く実施できるため、より好ましい。
【００３４】
請求項４の発明については、請求項１の発明の関連で説明したとおりである。
以下実施例を基に本発明をさらに説明する。
【実施例】
【００３５】
（実施例１〜３）
大型のサファイア基板を得るために、直径および高さ１８ｃｍのモリブデンルツボに酸化アルミナ粉末１４Ｋｇを充填し図１に示した単結晶育成炉を用い、炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍとし、引き上げ速度を０．５ｍｍ／ｈとし、Ｈｋが０．１となるように制御して直径１００ｍｍの単結晶を育成した。この際、結晶用原料を溶融させるルツボと、該ルツボの周囲に設置された加熱手段との相対位置を−０．５（実施例１）、０（実施例２）、＋０．１（実施例３）の三通りに設定した。また加熱方法は抵抗加熱方式とした。ここで単結晶育成時における単結晶成長速度が一定であることを単結晶成長時間に対する重量変化の二階微分係数の符号より確認した。
得られた結晶品質については目視観察およびX線トポグラフ像より判定した。その結果を表１に示した。
【００３６】
（実施例４〜６）
炉内の縦方向の温度勾配を８℃／ｍｍ（実施例４）、６℃／ｍｍ（実施例５）、４℃／ｍｍ（実施例６）とした以外は実施例２と同様にして、単結晶を育成した。
得られた結晶品質については目視観察およびX線トポグラフ像より判定した。その結果を表１に示した。
【００３７】
（比較例１、２）
ルツボとルツボ周囲に設けられた加熱手段との相対位置を＋０．２（比較例１）、−０．６（比較例２）とした以外は、実施例１と同様にした。
比較例１では、実施例１と同様の供給電力では原料がほとんど融解せず、３０％供給量を増加させたが、ルツボ上部に融解しない原料が残り、これを融解させるためにさらに２０％供給量を増加させたところ、ルツボの下部が軟化変形し、結晶育成はできなかった。
比較例２では、原料融解後、引き上げシャフトを降下させ種子結晶を融液表面に接触させたが、種子結晶が融解し落下したため結晶育成には至らなかった。引き上げシャフトが水冷され引き上げシャフト先端に設けられた種子結晶が冷却されているものの縦方向の温度勾配が１℃／ｍｍ以下となり種子結晶を冷却しきれなかったと推測される。
【００３８】
（比較例３）
炉内の縦方向の温度勾配を１２℃／ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、単結晶を育成した。
得られた結晶品質については目視観察およびX線トポグラフ像より判定した。その結果を表１に示した。
【００３９】
（実施例７〜９）
大型のサファイア基板を得るために、直径および高さ１８ｃｍのイリジウムルツボに酸化アルミナ粉末１４Ｋｇを充填し図１に示した単結晶育成炉を用い、炉内の縦方向の温度勾配を１０℃／ｍｍとし、引き上げ速度を０．５ｍｍ／ｈとし、Ｈｋが０．１となるように制御して直径１００ｍｍの単結晶を育成した。この際、結晶用原料を溶融させるルツボと、該ルツボの周囲に設置された加熱手段との相対位置を−０．５（実施例７）、０（実施例８）、＋０．１（実施例９）の三通りに設定した。また加熱方法は高周波誘導加熱方式とした。ここで単結晶育成時における単結晶成長速度が一定であることを単結晶成長時間に対する重量変化の二階微分係数の符号より確認した。
得られた結晶品質については目視観察およびX線トポグラフ像より判定したが、それぞれ対応する実施例１〜３と同じであった。
【００４０】
（実施例１０〜１２）
炉内の縦方向の温度勾配を８℃／ｍｍ（実施例１０）、６℃／ｍｍ（実施例１１）、４℃／ｍｍ（実施例１２）とした以外は実施例７と同様にして、単結晶を育成した。
得られた結晶品質については目視観察およびX線トポグラフ像より判定したが、それぞれ対応する実施例４〜６と同じであった。
【００４１】
（比較例４）
ルツボ材質をイリジウムとし、加熱手段を高周波誘導加熱とし、ルツボの底部のヒータを用いないこと以外は実施例１と同様にして単結晶育成を行った。その結果、ルツボ内の結晶が急成長し、自動制御が不能になる結果となった。
【００４２】
【表１】
2007223830.tif 000002
【００４３】
以上の結果から、本発明の方法に従えば、わずかな気泡や粒界は有るものの、実質的に問題のないサファイア単結晶が効率よく得ることが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例で用いた結晶成長炉を摸式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    炉本体
１ａ  ケーシング
２ａ  ルツボ
２ｂ  サセプタ
３    溶融液
４    回転軸
５ａ  ヒータ
５ｂ  電力供給手段
６ａ  円盤形状をしたヒータ
６ｂ  電力供給手段
７    シャフト
７ａ  シードホルダ
７ｂ  種子結晶
８    シャフト回転装置
９    シャフト引き上げ装置
１０  水冷ポンプ
１１  ロードセル
１２  温度算出・制御手段
１３  単結晶
１４  反射板
１５  保温材
【図１】
2007223830.tif 000003