(57)【要約】【課題】  種結晶がホルダから外れてしまうことを回避することが可能なサファイア単結晶製造装置を提供すること。【解決手段】  酸化アルミニウムを溶融するるつぼ２０と、酸化アルミニウムの種結晶３２を保持するホルダ３０と、ホルダ３０をるつぼ２０に溜められた酸化アルミニウムの溶融液２１に対して回転させながら引き上げる回転引上げ手段７０と、を備えたサファイア単結晶製造装置１０であって、回転引上げ手段７０による引上げ方向においてホルダ３０と重なる位置にあり、かつ引上げ方向視においてホルダ３０を囲む遮熱手段４０を備える。【選択図】  図１
2012101995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化アルミニウムを溶融するるつぼと、
酸化アルミニウムの種結晶を保持するホルダと、
上記ホルダを上記るつぼに溜められた酸化アルミニウムの溶融液に対して回転させながら引き上げる回転引上げ手段と、
を備えたサファイア単結晶製造装置であって、
上記回転引上げ手段による引上げ方向において上記ホルダと重なる位置にあり、かつ上記引上げ方向視においてホルダを囲む遮熱手段を備えることを特徴とする、サファイア単結晶製造装置。
【請求項２】
上記遮熱手段は、上記ホルダに対して固定された第１遮熱部を有する、請求項１に記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項３】
上記第１遮熱部は、円筒形状である、請求項２に記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項４】
上記第１遮熱部は、下方ほどその直径が小である、請求項３に記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項５】
上記第１遮熱部の下端は、上記ホルダの下端と上記ホルダに保持された上記種結晶の下端との間に位置する、請求項２ないし４のいずれかに記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項６】
上記遮熱手段は、上記引上げ方向視において上記第１遮熱部を囲む第２遮熱部を有する、請求項２ないし５のいずれかに記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項７】
上記第２遮熱部は、円筒形状である、請求項６に記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項８】
上記第２遮熱部の下端は、上記第１遮熱部の下端よりも下方に位置しうる、請求項６または７に記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項９】
上記第２遮熱部は、上記第１遮熱部に対して上記引上げ方向に相対動可能である、請求項６ないし８のいずれかに記載のサファイア単結晶製造装置。
【請求項１０】
上記ホルダに対して上記引上げ方向周りに上記第２遮熱部を相対回転させたときに、上記第２遮熱部が上記第１遮熱部に対して上記引上げ方向において相対動させるように上記第２遮熱部を上記ホルダに対して連結する連結ねじ部と、
上記回転引上げ手段によって上記ホルダを回転させた状態で、上記第２遮熱部の回転を阻止する回転阻止部と、を備える、請求項９に記載のサファイア単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化アルミニウムを溶融させ、その溶融液からサファイア単結晶を製造するサファイア単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア単結晶は、酸化アルミニウムの単結晶であり、たとえばＬＥＤのＧａＮ系半導体製膜用の基板材料や、液晶プロジェクタ用のフィルムとして用いられる。これらの用途に用いられるサファイア単結晶のウエハを作成するためのサファイア単結晶を製造するには、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法）が主に用いられる。
【０００３】
図４は、ＣＺ法を用いた従来のサファイア単結晶製造装置の一例を示している（たとえば特許文献１参照）。同図に示されたサファイア単結晶製造装置９０は、酸化アルミニウムの溶融液９２を作成するためのるつぼ９１を有する。るつぼ９１に挿入された酸化アルミニウム原料は、ヒータ９３によって加熱されることにより溶融液９２となる。ホルダ９４は、サファイアの種結晶３２を保持しており、ロッド９５の下端に取り付けられている。ロッド９５は、回転引上げ手段９７によって駆動される。回転引上げ手段９７は、回転駆動機構９８と昇降駆動機構９９とからなる。昇降駆動機構９９によってホルダ９４を降下させ、種結晶９６を溶解液９２に漬ける。そののちに、回転駆動機構９８によってロッドを回転させつつ、昇降駆動機構９９によってホルダ９４を徐々に引き上げる。これにより、種結晶９６と一体となったサファイア単結晶が製造される。
【０００４】
しかしながら、種結晶９６を溶解液９２に漬ける際や、種結晶９６を引き上げる間には、ホルダ９４がヒータ９３やるつぼ９１、および溶解液９２からの熱にさらされる。ホルダ９４が過度に高温となると、種結晶９６がホルダ９４から外れてしまうことが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、種結晶がホルダから外れてしまうことを回避することが可能なサファイア単結晶製造装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によって提供されるサファイア単結晶製造装置は、酸化アルミニウムを溶融するるつぼと、酸化アルミニウムの種結晶を保持するホルダと、上記ホルダを上記るつぼに溜められた酸化アルミニウムの溶融液に対して回転させながら引き上げる回転引上げ手段と、を備えたサファイア単結晶製造装置であって、上記回転引上げ手段による引上げ方向において上記ホルダと重なる位置にあり、かつ上記引上げ方向視においてホルダを囲む遮熱手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記遮熱手段は、上記ホルダに対して固定された第１遮熱部を有する。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１遮熱部は、円筒形状である。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１遮熱部は、下方ほどその直径が小である。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１遮熱部の下端は、上記ホルダの下端と上記ホルダに保持された上記種結晶の下端との間に位置する。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記遮熱手段は、上記引上げ方向視において上記第１遮熱部を囲む第２遮熱部を有する。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２遮熱部は、円筒形状である。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２遮熱部の下端は、上記第１遮熱部の下端よりも下方に位置しうる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２遮熱部は、上記第１遮熱部に対して上記引上げ方向に相対動可能である。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記ホルダに対して上記引上げ方向周りに上記第２遮熱部を相対回転させたときに、上記第２遮熱部が上記第１遮熱部に対して上記引上げ方向において相対動させるように上記第２遮熱部を上記ホルダに対して連結する連結ねじ部と、上記回転引上げ手段によって上記ホルダを回転させた状態で、上記第２遮熱部の回転を阻止する回転阻止部と、を備える。
【００１７】
このような構成によれば、上記るつぼおよび上記溶融液などからの輻射熱を、上記遮熱手段によって遮ることが可能であり、上記ホルダが受ける輻射熱を大幅に減少することができる。これにより、上記ホルダに保持された上記種結晶の温度が過度に高くなることを防止可能であり、上記種結晶が上記ホルダから外れてしまうことを回避することができる。
【００１８】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るサファイア単結晶製造装置を示す全体構成図である。
【図２】図１のサファイア単結晶製造装置において第２遮熱部の回転を阻止する状態を示す全体構成図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部平面図である。
【図４】従来のサファイア単結晶製造装置の一例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るサファイア単結晶製造装置の一例を示している。本実施形態のサファイア単結晶製造装置１０は、るつぼ２０、ヒータ２１、ホルダ３０、ロッド３１、遮熱手段４０、連結ねじ部５０、回転阻止部６０、回転引上げ手段７０、重量検出部７３、およびるつぼ昇降駆動機構７４を備えている。サファイア単結晶製造装置１０は、ＣＺ法によってサファイア単結晶を製造するために用いられる。
【００２２】
るつぼ２０は、サファイア単結晶の材料となる酸化アルミニウムを溶融することにより、酸化アルミニウムの溶融液２１を作成するためのものである。るつぼ２０は、酸化アルミニウムの融点（約２，０００℃）に耐えうる金属からなり、たとえばモリブデンが用いられる。ヒータ２１は、酸化アルミニウムを溶融するための熱源であり、たとえばるつぼ２０を取り囲むように設けられている。
【００２３】
ホルダ３０は、種結晶３２を保持するためのものであり、ロッド３１の下端に取り付けられている。ホルダ３０は、酸化アルミニウムの融点に耐えうる金属からなり、たとえばモリブデン、タングステンなどが用いられる。ロッド３１は、ホルダ３０を支持しており、回転引上げ手段７０によって、回転および昇降される。製造するサファイア単結晶の結晶方向は、種結晶３２の下端面の結晶方向によって決定される。
【００２４】
遮熱手段４０は、全体として、ホルダ３０が昇降する上下方向において少なくともその一部がホルダ３０と重なる位置とされ、かつ上下方向視においてホルダ３０を囲むように構成されている。本実施形態においては、遮熱手段４０は、内筒４１および外筒４２を有している。
【００２５】
内筒４１は、本発明でいう第１遮熱部の一例に相当し、ホルダ３０に対して固定されている。本実施形態の内筒４１は、ホルダ３０を囲む円筒形状とされている。さらに、ホルダ３０は、下端から上端に向かうほど断面直径が大となるテーパ形状とされている。上下方向において、内筒４１は、ホルダ３０のすべてを覆っており、内筒４１の下端からは種結晶３２が突出している。内筒４１は、酸化アルミニウムの融点に耐えうる金属からなり、たとえばモリブデン、タングステンなどが用いられる。
【００２６】
外筒４２は、本発明でいう第２遮熱部の一例に相当し、連結ねじ部５０を介してホルダ３０および内筒４１に対して相対回転可能に取り付けられている。本実施形態の外筒４２は、ホルダ３０および内筒４１を囲む円筒形状とされている。上下方向において、外筒４２の下端は、内筒４１の下端よりも下方に位置しており、外筒４２の下端から種結晶３２が突出している。また、外筒４２の上端は、ホルダ３０の上端よりも上方に位置しており、本実施形態においては、連結ねじ部５０のほとんどを囲むサイズとされている。外筒４２は、酸化アルミニウムの融点に耐えうる金属からなり、たとえばモリブデン、タングステンなどが用いられる。また、本実施形態においては、外筒４２の方が内筒４１よりも肉厚とされている。外筒４２には、径方向に突出するボルト４３が取り付けられている。
【００２７】
内筒４１の最大直径よりも外筒４２の直径が大であることにより、内筒４１と外筒４２との間は、確認視線８０が通過可能に構成されている。確認視線８０は、サファイア単結晶を製造する際に、サファイア単結晶製造装置１０外から溶融液２１の湯面を確認するカメラ装置もしくは使用者の視線である。
【００２８】
連結ねじ部５０は、ホルダ３０に対して外筒４２を相対回転させたときに、ホルダ３０に対して外筒４２を相対的に昇降させるためのものであり、雄ねじ部５１および雌ねじ部５２からなる。雄ねじ部５１は、ホルダ３０の上方に取り付けられており、ロッド３１に対して固定されている。雌ねじ部５２は、円環状であり、雄ねじ部５１に対して螺合している。雌ねじ部５２には、外筒４２が取り付けられている。
【００２９】
回転阻止部６０は、外筒４２のホルダ３０に対する相対回転を阻止するためのものであり、アーム６１および円柱部６２からなる。アーム６１は、たとえばるつぼ２０を収容するチャンバ（図示略）、あるいはこのチャンバ内に設けられた断熱材（図示略）に対して固定されており水平方向に延びている。円柱部６２は、アーム６１の先端に取り付けられており、上方に向かって突出している。円柱部６２がボルト４３と当接することにより、外筒４２の回転が阻止される。本実施形態においては、回転阻止部６０の上下方向位置は、サファイア単結晶を製造するための定常工程において、ボルト４３が到達しない位置とされている。
【００３０】
回転引上げ手段７０は、ロッド３１を介してホルダ３０を回転させつつ昇降させるためのものであり、回転駆動機構７１および昇降駆動機構７２からなる。回転駆動機構７１は、ロッド３１を所望の方向に所望の速度で回転させる機能を有し、駆動源としてたとえばモータを備える。昇降駆動機構７２は、ロッド３１を所望の速度で昇降させる機能を有し、駆動源としてたとえばモータを備える。
【００３１】
重量検出部７３は、種結晶３１の下端から成長したサファイア単結晶の重量を検出するためのものである。重量検出部７３は、たとえばロッド３１およびこれに支持されているものの重量をリアルタイムで測定しうる、たとえばロードセルを備える。
【００３２】
るつぼ昇降駆動機構７４は、るつぼ２０を昇降させる機能を有し、駆動源としてたとえばモータを備える。
【００３３】
サファイア単結晶製造装置１０によるサファイア単結晶の製造は、ヒータ２２の熱によってるつぼ２０内に溶融液２１を作成したのちに、図１に示すように、種結晶３１の下端が溶融液２１に浸かるまで、昇降駆動機構７２によってホルダ３０を下降させる。そして、回転駆動機構７１によってサファイア単結晶の成長に適した回転速度でホルダ３０を回転させつつ、昇降駆動機構７２によってサファイア単結晶の成長に適した速度でホルダ３０を上昇させる。これにより、種結晶３２につながったサファイア単結晶が得られる。
【００３４】
図２は、外筒４２のホルダ３０に対する位置を調整する状態の一例を示している。この調整は、たとえば種結晶３２が溶解などによって短くなった場合に、外筒４２の下端を種結晶３２の下端に対して十分上方に位置させるために行う。
【００３５】
この調整を行う場合、まず、るつぼ昇降駆動機構７４によってるつぼ２０を十分に下降させる。次いで、ボルト４３の上下方向位置が回転阻止部６０の円柱部６２の上下方向位置と重なるように、昇降駆動機構７２によってホルダ３０を下降させる。ボルト４３と円柱部６２とが重なる位置において回転駆動機構７１によってホルダ３０を回転させると、図３に示すように、内筒４１の回転が阻止された状態で、外筒４２が回転する。これにより、雄ねじ部５１と雌ねじ部５２とが相対回転することとなり、雄ねじ部５１および雌ねじ部５２のねじ寸法に応じて外筒４２が内筒４１（ホルダ３０）に対して昇降する。これにより、外筒４２の下端を内筒４１の下端よりも十分に下方に位置させることができる。
【００３６】
次に、サファイア単結晶製造装置１０の作用について説明する。
【００３７】
本実施形態によれば、るつぼ２０、溶融液２１およびヒータ２２などからの輻射熱を、遮熱手段４０によって遮ることが可能であり、ホルダ３２が受ける輻射熱を大幅に減少することができる。これにより、ホルダ３０に保持された種結晶３２の温度が過度に高くなることを防止可能であり、種結晶３２がホルダ３０から外れてしまうことを回避することができる。
【００３８】
内筒４１は、ホルダ３０に対して固定されており、ホルダ３０を常に囲んでいる。また、内筒４１の下端はホルダ３０の下端よりも下方に位置しており、輻射熱がホルダ３０に及ぶことを効果的に抑制することが可能である。
【００３９】
内筒４１をテーパ形状とすることにより、内筒４１の外面に沿った確認視線８０は、溶融液２１の湯面、特に種結晶３２下端の近傍の湯面を指しうる。これにより、サファイア単結晶を製造する際に、種結晶３２下端の状態や、サファイア単結晶の成長状態を適切に確認することができる。
【００４０】
内筒４１を外筒４２によって囲む構成とすることにより、遮熱手段４０は、二重構造となっている。これにより、るつぼ２０、溶融液２１およびヒータ２２などからホルダ３０までには、輻射熱に対して二重の壁が存在する格好となる。これは、ホルダ３０が受ける輻射熱を低減するのに好適である。
【００４１】
外筒４２を内筒４１よりも断面直径が大である円筒形状とすることにより、確認視線８０を外筒４２が遮ってしまうことを防止することができる。外筒４２の下端が内筒４１の下端と種結晶３２の下端との間に位置していることにより、種結晶３２のうち内筒４１（ホルダ３０）側の根本部分が受ける輻射熱を抑制することができる。
【００４２】
連結ねじ部５０を利用して外筒４２を内筒４１（ホルダ３０）に対して昇降自在とすることにより、たとえば種結晶３２が溶融によって短くなった場合に、外筒４２をホルダ４１に対して上昇させることにより、種結晶３２の下端を外筒４２の下端寄りも下方に位置させることができる。
【００４３】
連結ねじ部５０と回転阻止部６０とを用いて外筒４２の高さ調整を行うことにより、たとえば外筒４２の高さを調整するための専用の駆動機構を備える必要がない。２，０００℃程度に達する溶融液２１を扱う場に駆動機構を設けると、その熱対策を施すといった手間が生じる。連結ねじ部５０および回転阻止部６０は、材料の選定などを適切に行いさえすれば、特段の熱対策は不要である。
【００４４】
回転阻止部６０は、通常の製造工程においては、ボルト４３が到達しえない上下位置に設けられているため、たとえばサファイア単結晶を成長させる引上げ工程において、意図せず外筒４２の回転が阻止されてしまうことを防止することができる。なお、本実施形態とは異なり、回転阻止部６０を通常の製造工程では、ボルト４３が到達しえない程度に上方側に設けてもよい。
【００４５】
本発明に係るサファイア単結晶製造装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るサファイア単結晶製造装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００４６】
本発明でいう遮熱手段４０は、上述した二重構造とすることが好ましいが、一重構造であっても遮熱効果を発揮しうる。また、遮熱部を三重以上の構造としてもよい。内筒４１と外筒４２との間に確認視線８０を確保する方策としては、内筒４１の中心に対して外筒４２の中心をずらした構成としてもよい。この場合、内筒４１を断面直径が一定である円筒形状としてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０  サファイア単結晶製造装置
２０    るつぼ
２１    溶融液
２２    ヒータ
３０    ホルダ
３１    ロッド
３２    種結晶
４０    遮熱手段
４１    内筒部（第１遮熱部）
４２    外筒部（第２遮熱部）
４３    ボルト
５０    連結ねじ部
５１    雄ねじ部
５２    雌ねじ部
６０    回転阻止部
６１    アーム
６２    円柱部
７０    回転引上げ手段
７１    回転駆動機構
７２    昇降駆動機構
７３    重量検出部
７４    るつぼ昇降駆動機構
【図１】
2012101995.tif 000003
【図２】
2012101995.tif 000004
【図３】
2012101995.tif 000005
【図４】
2012101995.tif 000006