(57)【要約】【課題】より平坦な成長界面を実現することができるサファイア単結晶製造装置を提供すること。【解決手段】坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶の製造装置において、  前記坩堝と、  前記坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、前記坩堝を回転させる回転機構と、  前記回転機構が前記坩堝を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段とを備えたサファイア単結晶製造装置を提供する。【選択図】図５
2016132600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶の製造装置において、
前記坩堝と、
前記坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、前記坩堝を回転させる回転機構と、
前記回転機構が前記坩堝を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段とを備えたサファイア単結晶製造装置。
【請求項２】
坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、該種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶の製造方法において、
前記坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程を有しており、
前記単結晶育成工程は、
前記坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、前記坩堝を時計回りに回転させる時計回り回転ステップと、
前記坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、前記坩堝を反時計回りに回転させる反時計回り回転ステップとを有し、
前記時計回り回転ステップと、前記反時計回り回転ステップとを交互に実施するサファイア単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記時計回りステップにおける前記坩堝の回転角をω１と、
前記反時計回りステップにおける前記坩堝の回転角ω２とが、
ω１、ω２＞１８０°、かつω１≠ω２である請求項２に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記ω１と、前記ω２とが、
３≦３６０°／｜ω１−ω２｜≦１２の関係式を満たす請求項３に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶製造装置、及びサファイア単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア単結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的および熱的特性、化学的安定性、光透過性を有することから、多くの分野で利用されている。サファイア単結晶は、特に、半導体分野において、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードの発光層を成長させるための基板として、あるいは、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）デバイス用の基板などに用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じて、その需要が飛躍的に伸びてきている。
【０００３】
サファイア単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法（Ｃｚ法）やカイロポーラス法（ＫＹ法）、ＥＦＧ法（ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ  ｆｉｌｍ−ｆｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ  法）などが知られている。これらの方法は、サファイア原料を坩堝内で融解し、その原料融液表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げることにより単結晶を育成する方法である。
【０００４】
また、その他のサファイア単結晶の製造方法として、ブリッジマン法やグラディエントフリーズ法（ＧＦ法）が知られている。これらの方法は、予め坩堝内に原料とともに種結晶を設置し、種結晶部が最も温度が低くなるように形成した温度勾配下で、種結晶を起点として原料融液を一方向凝固させることで単結晶を得る方法である。ブリッジマン法やＧＦ法の中で、種結晶を坩堝底部に設置し、坩堝底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配下で、坩堝底部の種結晶から上方に向かって結晶育成を行う場合は、特に、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、垂直ＧＦ法（ＶＧＦ法）と呼ばれている。
【０００５】
なお、これらの方法で育成されたサファイア単結晶は、所定の結晶方位で基板状に加工され、表面を鏡面研磨することによりサファイア単結晶基板として出荷されている。
【０００６】
近年、需要が伸びている発光ダイオード作製用途のサファイア基板は、Ｃｚ法、ＫＹ法、ＥＦＧ法で育成されることが一般的である。これらの方法では、種結晶を原料融液に浸す温度（シーディング温度）の制御と育成中及び冷却中の温度勾配の適正化が、結晶育成の収率、再現性を決定する要因である。
【０００７】
しかし、サファイア単結晶の原料となる酸化アルミニウムの融点が２０００℃を越えるので、Ｃｚ法等によりサファイア単結晶を育成する際、坩堝を設置した炉内の熱の伝達は輻射が主体となっている。従って、低コスト化のために育成結晶を大型化するに伴って、所望の形状の結晶を得るためのシーディング温度の制御や温度勾配の適正化の難易度が高くなる。結晶育成の制御性、再現性を高めるためには、温度勾配を大きくすることが有利であるが、高温度勾配下で育成された結晶は、結晶内の温度差に起因する熱応力で歪を生じ、結晶性が悪化したり、クラックが発生するという欠点がある。
【０００８】
それに対して、ＶＧＦ法やＶＢ法のような容器内（坩堝内）の一部に種結晶を設置し、その種結晶から容器の形状に従って原料融液を固化させることで単結晶育成を行う方法は、結晶形状が容器形状で規定され、結晶形状の制御が不要となる。このため、低温度勾配下での育成が可能で、高品質結晶を得ることが可能である。
【０００９】
例えば特許文献１には、融点１７００℃以上の金属又は金属化合物からなる高融点単結晶材料の製造方法において、溶融原料が封入された坩堝を、温度勾配を有する炉内を移動させて単結晶を育成するブリッジマン法を用いて単結晶を製造する方法が開示されている。
【００１０】
ところで、ＶＧＦ法や、ＶＢ法によって容器内で容器の内壁形状に沿った形状で育成されたサファイア単結晶においては、成長界面形状が育成結晶の結晶性に大きく影響する。成長界面形状の凸度が大きいと、結晶の半径方向の温度差が大きくなるので、その温度差に起因した熱応力が発生し、応力緩和のために転位の発生、小傾角粒界（リネージ）の発達等が起こり育成結晶の結晶性を悪化させる。また、成長界面形状が凹であると、半径方向の温度差に起因した転位が発生するとともに、成長界面に到達した転位が結晶中央部に向かって伝搬し、多結晶化を発生させる。これは、転位は成長界面に垂直に伝搬することが最もエネルギー的に安定となる性質を有しているからである。従って、低欠陥密度の高品質サファイア単結晶を得るためには、育成初期から末期まで成長界面形状をできる限りフラットに制御することが求められる。
【００１１】
そこで例えば特許文献２には、カップ状をなす坩堝における所定の外周位置を円環状に冷却する冷却手段を備えたサファイア単結晶製造装置が開示されている。係るサファイア単結晶製造装置によれば、坩堝における所定の外周位置を冷却することが可能となり、当該外周位置における坩堝内温度分布を、凸状ではなく、より平坦な形状とすることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１１９２９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７８６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献２に開示されたサファイア単結晶製造装置においては、冷却位置が冷却手段を設けた外周位置に限定される。このため、サファイア単結晶の育成の進行とともにその効果が薄くなり成長界面がフラットから乖離し、結晶性の悪化を招くことになり、その効果は十分ではなかった。
【００１４】
そこで、本発明の一側面では、上記従来技術が有する問題に鑑み、より平坦な成長界面を実現することができるサファイア単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶の製造装置において、
前記坩堝と、
前記坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、前記坩堝を回転させる回転機構と、
前記回転機構が前記坩堝を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段とを備えたサファイア単結晶製造装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、より平坦な成長界面を実現することができるサファイア単結晶製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のＶＧＦ法によるサファイア単結晶製造装置の構成例。
【図２】ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合の手順、及び温度分布変化の説明図。
【図３】従来のサファイア単結晶製造装置によりサファイア単結晶を育成、冷却する際の熱の流れの説明図。
【図４】従来のサファイア単結晶製造装置で育成したサファイア単結晶から作製した基板のＸ線トポグラフ像。
【図５】本発明の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置の断面構成図。
【図６】坩堝を一定方向に回転させた場合の坩堝内の状態の説明図。
【図７】坩堝を周期的に反転させた場合の坩堝内の状態の説明図。
【図８】実施例、比較例におけるサファイア単結晶の成長界面の調査方法の説明図。
【図９】本発明の実施例１で得られたサファイア単結晶の縦切り試料の模式図。
【図１０】本発明の実施例２で得られたサファイア単結晶の縦切り試料の模式図。
【図１１】本発明の実施例３で得られたサファイア単結晶の縦切り試料の模式図。
【図１２】本発明の実施例７で得られた一部のサファイア単結晶の縦切り試料の模式図。
【図１３】本発明の実施例８で得られた一部のサファイア単結晶の縦切り試料の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
（サファイア単結晶製造装置）
本実施形態のサファイア単結晶製造装置の一構成例について説明する。
【００１９】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置は坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶の製造装置に関する。
【００２０】
そして、本実施形態のサファイア単結晶製造装置は、坩堝と、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を回転させる回転機構と、回転機構が坩堝を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段と、を有することができる。
【００２１】
上述のように本実施形態のサファイア単結晶製造装置は、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置に関する。具体的には例えばＶＧＦ法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｆｒｅｅｚｅ法）やＶＢ法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ法）によりサファイア単結晶を製造する際に好適に用いることができるサファイア単結晶製造装置に関する。
【００２２】
ここでまず、従来のＶＧＦ法によるサファイア単結晶製造装置の構成例、及びＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合の手順、温度分布変化について図１、図２を用いて説明する。
【００２３】
従来、ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合、図１に示すような構成を有するサファイア単結晶製造装置１０が用いられていた。図１はサファイア単結晶製造装置の坩堝の中心軸を含む面における断面構成図を示している。
【００２４】
サファイア単結晶製造装置１０はチャンバー１１の内壁に沿って断熱材１２が設けられている。そして、断熱材１２に囲まれた内部空間にはヒーター１３、及びヒーター１３に囲まれるようにして坩堝１４が設けられている。坩堝１４は坩堝軸１５１、及びその上部に設けられた坩堝台１５２により底部側から支持することができる。坩堝１４内にはサファイア単結晶の製造開始時、坩堝１４の底部側に種結晶１４１を配置し、種結晶１４１の上部に原料を充填しておくことができる。
【００２５】
ヒーター１３は坩堝１４を配置した該ヒーター１３で囲まれた領域内に所望の温度勾配を形成することができるように、例えば高さ方向に複数のヒーターを組み合わせた構成とし、各ヒータ―毎に温度制御するように構成することもできる。
【００２６】
そして、サファイア単結晶を育成する際に種結晶１４１の温度を測定するため、底部側温度測定手段１６を設けることができる。底部側温度測定手段１６としては例えば放射温度計や熱電対を用いることができ、坩堝軸１５１、及び坩堝台１５２を貫通するように形成した貫通孔や、観察窓１５３を介して温度を測定することができる。また、坩堝１４内に充填した原料、または原料が融解した原料融液１４２の温度を測定するため、上部側温度測定手段１７を設けることができる。上部側温度測定手段１７としては例えば放射温度計を用いることができ、チャンバー１１や断熱材１２を貫通する貫通孔、及び観察窓１８を介して温度を測定することができる。
【００２７】
なお、チャンバー１１内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることができる。必要に応じて任意にさらに各種手段を設けることもできる。
【００２８】
そして、ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程における手順、及び温度分布の変化について図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）の各図では右側に坩堝１４内の種結晶１４１、原料融液１４２、育成したサファイア単結晶である育成結晶２１の分布を模式的に示しており、左側に高さ方向の温度分布を示している。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）においては坩堝１４、及びヒーター１３以外の構成については記載を省略している。図２（ａ）〜図２（ｃ）の左側に示した温度分布のグラフは縦軸が高さ方向の位置を、横軸が温度を示している。横軸におけるＴｍはサファイア（酸化アルミニウム）の融点を示している。
【００２９】
図２（ａ）は右側の図に示すように坩堝１４に充填した原料を融解させ、サファイア単結晶の育成を開始した原料融解ステップを実施している状態を示している。
【００３０】
単結晶育成工程を開始する前に予め、坩堝１４の底部に種結晶１４１を設置し、その上部に原料を配置しておくことができる。そして、図２（ａ）に示した原料融解ステップにおいては坩堝１４の底部が坩堝１４の上部よりも低温となる温度勾配下で昇温し、原料を全量融解して原料融液１４２とすることができる。特に左側の図に示すように、種結晶１４１の部分についてはサファイアの融点以下、原料融液１４２の部分についてはサファイアの融点以上となるように温度分布を制御することができる。
【００３１】
図２（ａ）の原料融解ステップでは、種結晶１４１の形状加工時に発生し表面に残った加工歪層を取り除くために、種結晶１４１の上端部を数ｍｍから１ｃｍ程度の範囲で融解させることができる。種結晶の上端部を融解させることにより、歪が取り除かれた種結晶１４１表面が原料融液１４２と良く馴染むようにすることができる。
【００３２】
そして、図２（ａ）に示した温度分布の状態まで昇温した後、十分な時間を置き、温度を安定させることが好ましい。この時、種結晶１４１の融解表面と原料融液１４２との境界（固液界面）をサファイアの融点である２０５０℃とすることができる。
【００３３】
なお、図２（ａ）に示した原料融解ステップにおいて、原料、及び種結晶１４１の融解不足、あるいは、種結晶１４１の過融解が起こらないように温度を制御することが好ましい。制御は例えば、図１に示したサファイア単結晶製造装置１０で説明したように、底部側温度測定手段１６、及び上部側温度測定手段１７により、坩堝１４の底部側の温度、及び原料融液１４２表面の温度をモニターし、モニターした温度に基づいて実施できる。この際、モニターした温度から坩堝内温度分布が、予備試験で求めた適切な温度プロファイルと一致していることを確認しながら制御を実施することが好ましい。
【００３４】
チャンバー１１内の雰囲気は、チャンバー内に設置した部材の材質等に応じて任意に選定することができ、特に限定されるものではない。例えば、不活性ガス雰囲気、もしくは真空雰囲気とすることが好ましい。
【００３５】
図２（ａ）を用いて説明したように原料が完全に融解し、且つ、種結晶１４１の上端部が融解し原料融液１４２と馴染んだと判断した後、降温ステップを実施することができる。
【００３６】
図２（ｂ）に示すように降温ステップでは、上下方向の温度勾配を保持したまま、所定の速度で全体の温度を降下させることができる。
【００３７】
具体的には、図２（ｂ）の左側のグラフに示したように、原料融解ステップでは温度分布が点線Ａで示されていたところ、実線Ｂの温度分布となるように温度勾配を保持したまま、全体の温度を降下させることができる。図２（ｂ）の左側のグラフから明らかなように、温度勾配を保持したまま全体の温度を降下させることによって、温度勾配に従って、坩堝内におけるサファイアの融点と同じ温度になっている位置が上部へ移動する。その移動に伴って、固液界面も上部へ移動して行く。つまり、種結晶を元に、種結晶と同じ結晶方位を持つサファイア単結晶が坩堝底部から上部に向かって育成され、図２（ｂ）の右側の図に示したように、坩堝１４内には底部側から種結晶１４１、育成結晶２１、原料融液１４２が配置された状態となる。
【００３８】
降温ステップでは、原料融解ステップにおける温度分布を示す点線Ａから上述のように実線Ｂの温度分布となるように全体の温度を降下させた後、さらに、図２（ｃ）の左側のグラフに示すように、実線Ｃで示した温度分布まで全体の温度を降下させることができる。実線Ｃで示した温度分布では、坩堝１４内の原料融液１４２全体がサファイアの融点未満となっており、図２（ａ）において原料融液１４２であった部分全体が育成結晶２１となり結晶化したところで結晶育成は終了となる。
【００３９】
その後、所定の冷却速度で室温まで温度を降下させる冷却工程を実施し、坩堝１４から育成結晶２１を取出しサファイア単結晶とすることができる。得られたサファイア単結晶は例えば製品基板とするため各種加工をすることができる。
【００４０】
しかし、既述のようにＶＧＦ法等によりサファイア単結晶を製造した場合、サファイア単結晶の育成過程において成長界面の形状が凸形状、または凹形状となり、フラットな形状となっていなかった。そこで、本発明の発明者らは、従来のサファイア単結晶の製造装置においてサファイア単結晶を製造する際に成長界面がフラット形状とならない原因について検討を行った。この点について図３を用いて以下に説明する。
【００４１】
図３は、従来のサファイア単結晶製造装置によりサファイア単結晶を育成、冷却する際の熱の流れを模式的に示した図であり、坩堝の中心軸を含む面における断面図を示している。なお、図３は坩堝１４、ヒーター１３、および坩堝軸１５１、坩堝台１５２以外の構成や、坩堝軸１５１、および坩堝台１５２に設けた貫通孔は記載を省略している。また、図３中に示した矢印は熱の流れを表している。
【００４２】
図３に示すように、育成中は坩堝１４の外周部に設置されたヒーター１３によって、坩堝１４を通して坩堝１４内部の原料融液１４２、及び育成結晶２１を加熱しているために、坩堝１４と育成結晶２１の温度を水平方向で比較すると、坩堝１４の方が高くなっている。固化に伴って発生する潜熱は図中矢印で示したように、育成結晶２１、種結晶１４１、坩堝台１５２、坩堝軸１５１を通して下部へ向かって流れる。従って、従来のサファイア単結晶製造装置による結晶の成長界面は、中央部が周辺部に対して高い位置となった凸形状となり易かったと考えられる。
【００４３】
ここで図４に、上記従来のサファイア単結晶製造装置で育成された結晶から成長方向に対して垂直な面で切り出した基板のＸ線トポグラフ像を示す。図４中のブロック矢印４２が回折ベクトルの方向を示している。図４に示すように従来のサファイア単結晶製造装置で育成されたサファイア単結晶から作製した基板においては、育成時の半径方向の温度差に起因して形成されたと推定されるリネージ４１が複数本存在することが確認できる。
【００４４】
そこで、本発明の発明者らはサファイア単結晶の育成工程において、育成初期から末期までより平坦な成長界面を実現できるサファイア単結晶製造装置について検討を行い、本発明のサファイア単結晶製造装置を完成させた。以下に具体的に説明する。
【００４５】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置は既述のように、坩堝と、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を回転させる回転機構と、回転機構が坩堝を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段と、を有することができる。
【００４６】
図５に本実施形態のサファイア単結晶製造装置の断面構成図を示す。図５は、坩堝の中心軸を含む面における断面図を示している。
【００４７】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置５０は、坩堝５４を有することができる。坩堝５４の形状は特に限定されるものではないが、例えば外形が円筒形状を有し、上部に開口部を有する坩堝を用いることができる。なお、図５においては坩堝５４内に底部側から種結晶５４１、育成結晶５４３、原料融液５４２が配置された状態、すなわちサファイア単結晶を育成しているサファイア単結晶育成工程での状態を示している。
【００４８】
そして、坩堝を回転させる回転機構５９を有することができる。回転機構５９は坩堝５４の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝５４を回転させることができる手段であればよく、その構成は特に限定されるものではない。なお、ここでいう坩堝５４の中心軸とは、坩堝５４の底面の中心を通り、坩堝の底面と垂直な軸のことを意味している。
【００４９】
例えば、図５に示したサファイア単結晶製造装置５０においては、坩堝５４の下部には、坩堝５４を支持する坩堝台５５２、及び坩堝台５５２に接続された坩堝軸５５１とを含む坩堝支持部５５が配置されている。そして、回転機構５９として、モーター部５９１と、ベルト５９２とを有する構成とすることができる。
【００５０】
この場合、図５に示したようにモーター部５９１と、坩堝軸５５１とをベルト５９２により接続することで、モーター部５９１の回転を坩堝軸５５１に伝達し、坩堝軸５５１に接続された坩堝台５５２上に配置された坩堝５４を回転するように構成できる。
【００５１】
回転機構５９、及び坩堝支持部５５は、坩堝５４を、後述する制御手段６０からの指示により時計回り、反時計回りいずれの方向にも回転できるように構成されていることが好ましい。
【００５２】
なお、図５に示したサファイア単結晶製造装置５０では、回転機構５９に含まれるモーター部５９１をベルト５９２を介して坩堝軸５５１に接続しているが、回転機構５９は坩堝５４を回転できるように構成されていればよく、上述の構成に限定されるものではない。例えばベルト５９２を省略して、モーター部５９１を坩堝軸５５１に直接接続するように構成することもできる。また、回転機構５９をチャンバー５１内に設けてもよい。
【００５３】
回転機構５９により坩堝５４を回転する際、坩堝５４の中心軸を回転軸として回転するように構成されていることが好ましいが、中心軸と若干ずれていても十分に効果を発揮することができる。このため、既述のように坩堝５４の中心軸と平行な軸を回転軸とすることができる。そして、上述のように例えば回転機構５９と接続された坩堝支持部５５を回転させることで、坩堝５４の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝５４を回転させることができる。
【００５４】
そして、回転機構５９が坩堝５４を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段６０を有することができる。制御手段６０を有することにより、坩堝５４を坩堝５４の上部側、すなわち例えば図５中の上部側温度測定手段５７から見て時計回り、及び反時計回りに交互に回転させることができる。
【００５５】
既述のように坩堝内の底部に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うＶＧＦ法等においては、原料融液内の温度分布は、底部側が低温で上部側が高温となる。従って、ＶＧＦ法等では原理的には原料融液内では熱対流が起こらない。
【００５６】
また、チョクラルスキー法による育成の場合、原料融液の表面に接触させた種結晶を回転させながら引き上げるため、原料融液に対して育成結晶を回転させることとなるが、ＶＧＦ法等では原料融液に対して育成結晶を回転する等の操作を行うものではない。
【００５７】
ＶＧＦ法等の様に、原料融液に対して回転させる力が加わっていない場合、育成結晶の成長界面形状は、坩堝、坩堝台、坩堝軸を通した熱伝導と育成結晶が受ける熱輻射で決定されることになる。この場合、図３に示したように育成結晶２１は周辺部よりも中央部の成長速度が速くなり凸界面成長となる。加えて、ヒーターの発熱分布の不均一性等に起因する温度分布の軸対称性のズレに対応して成長界面形状や結晶内の温度分布も中心軸に対して非対称となる。
【００５８】
これに対して、本実施形態のサファイア単結晶製造装置においては、上述のように坩堝５４を回転機構５９を用いて回転させ、坩堝５４内の原料融液５４２に強制的に対流を生じさせることができる。これにより成長界面近傍の温度差は均一化する方向へ向かうこととなる。
【００５９】
ここで、図６に坩堝５４を一定方向に回転させた場合の坩堝内の状態を模式的に示した図を示す。図６では坩堝５４周辺のみを拡大して示しており、坩堝５４、ヒーター５３、および坩堝軸５５１、坩堝台５５２以外の構成や、坩堝軸５５１、および坩堝台５５２に設けた貫通孔は記載を省略している。
【００６０】
図６に示したように、一定方向に坩堝５４を回転させた場合は、原料融液５４２内の強制対流６１が定常的な流れとなるために、育成結晶５４３の成長界面５４３Ａは、その定常的な対流によって形成される温度分布に従った形状となる場合がある。このため、成長界面５４３Ａの形状はフラットな形状の界面とすることができない恐れがある。
【００６１】
そこで、本実施形態のサファイア単結晶製造装置５０においては上述のように、回転機構５９が坩堝５４を回転させる方向を周期的に反転させる制御手段６０を有することができる。
【００６２】
制御手段６０により回転機構５９を制御し、坩堝５４の回転方向を周期的に反転させた場合、回転方向の反転時に、慣性で流れようとする原料融液５４２に対して逆方向に坩堝５４が回転する。
【００６３】
ここで、図７に坩堝５４を回転させる方向を周期的に反転させた場合の坩堝内の状態を模式的に示した図を示す。図７でも図６と同様に坩堝５４周辺のみを拡大して示しており、坩堝５４周辺以外の部材や、坩堝軸５５１に設けることができる貫通孔については記載を省略している。
【００６４】
図７に模式的に示すように、上述のように制御手段６０により坩堝５４を周期的に反転させた場合、原料融液５４２内に矢印で示したように、乱流が発生し定常的な流れが形成されない。従って、成長界面５４３Ａ近傍の原料融液５４２の温度は非常に均一化し、成長界面５４３Ａをここまで説明した従来のサファイア単結晶製造装置を用いた場合よりもフラットな形状の界面とすることができる。
【００６５】
また、本実施形態のサファイア単結晶製造装置５０においては、上述のように坩堝５４を回転機構５９、及び制御手段６０により周期的に反転させている。このため、原料融液５４２の撹拌効果が大きくなるので、従来問題となっていたボイド不良を低減させることもできる。この点について以下に説明する。
【００６６】
原料融液５４２中にはガス成分が溶け込んでいるが、該ガス成分の原料融液５４２に対する溶解度と、固体である育成結晶５４３に対する溶解度とは異なっており、原料融液５４２に対する溶解度の方が大きくなっている。そして、原料融液５４２の結晶化に伴い、原料融液５４２内に溶け込んでいたガスが、原料融液５４２に対する溶解度と、育成結晶に対する溶解度との差によって、成長界面に吐き出される。吐き出されたガス成分は成長界面から離れる前に成長界面の前進によって育成結晶中に取り込まれることによってボイド不良は発生している。
【００６７】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置では、坩堝５４を周期的に反転させることにより、原料融液５４２を撹拌している。このため、成長界面に吐き出されたボイドを速やかに取り除くことが可能となるので、ボイド不良を低減させることができる。また、従来のサファイア単結晶製造装置を用いた場合よりも育成結晶の成長速度を大きくすることが可能となり生産性を向上させることが可能となる。
【００６８】
ここで、制御手段６０により、回転機構５９が坩堝５４を周期的に反転させる際、坩堝５４の回転速度は特に限定されるものではなく、任意に選択することができる。例えば１ｒ．ｐ．ｍ．以上２０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることが好ましく、５ｒ．ｐ．ｍ．以上１０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることがより好ましい。
【００６９】
これは回転速度を１ｒ．ｐ．ｍ．以上とすることで、坩堝内の原料融液に対してより確実に十分な撹拌力を与えることができるためである。ただし、回転速度を早くしすぎると、坩堝の中心軸の位置と坩堝を回転させる回転軸の位置との関係によっては、原料融液内に局所的に乱流が生じる等して成長界面の凹凸の高低差（幅）が大きくなる場合もある。このため、より高い確率で成長界面がよりフラットな形状となるように回転速度は例えば２０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることが好ましい。
【００７０】
なお、時計回りと、反時計回りとで回転速度を変更することもできるが、制御の容易性から、時計回りと反時計回りとで回転速度が同じであることが好ましい。
【００７１】
また、坩堝５４を時計回りに回転させる時の回転角、及び反時計回りに回転させる時の回転角について、サファイア単結晶を育成する間に変化させることもできるが、サファイア単結晶を育成する１バッチの間それぞれ一定であることが好ましい。
【００７２】
そして、時計回りに坩堝５４を回転させる時の回転角をω１、反時計回りに坩堝５４を回転させる時の回転角をω２とした場合ω１、ω２＞１８０°、かつω１≠ω２であることが好ましい。このように、時計回りに回転させる際の回転角ω１と、反時計回りに回転させる際の回転角ω２とが異なることで、坩堝５４は反転位置が３６０°／｜ω１−ω２｜周期で１回転することになる。
【００７３】
坩堝５４の周りに配置したヒーター５３や断熱材５２を完全に均一とすることは困難であり、また坩堝５４の中心軸と坩堝５４を囲むヒーター５３等の中心軸とを一致させることも困難である。このため、例えば坩堝５４の周方向に沿って水平面内で見た場合に、通常、温度分布を有する。
【００７４】
そこで、上述のように坩堝５４を回転させる際に反転位置を少しづつずらすことで、ヒーター５３等により水平面内に温度分布が形成されたとしてもその影響を抑制することが可能になり、特に成長界面内の成長速度の均一性を向上させることができる。
【００７５】
なお、ω１と、ω２はどちらが大きくても構わない。
【００７６】
また、３≦３６０°／｜ω１−ω２｜≦１２の関係式を満たすことが好ましく、６≦３６０°／｜ω１−ω２｜≦９の関係式を満たすことがより好ましい。
【００７７】
これは上記関係式が３以上の場合、時計回りに坩堝を回転させる時の回転角ω１と、反時計回りに坩堝を回転させる時の回転角ω２との差の絶対値が１２０°以下であることを意味している。この場合、坩堝を時計回りに回転している時間と、坩堝を反時計回りに回転している時間との差を短くすることができ、坩堝内の原料融液内に特に十分な乱流を生じさせることができ、成長界面をよりフラットな形状とすることができる。
【００７８】
また、上記関係式が１２以下の場合、時計回りに坩堝を回転させる時の回転角ω１と、反時計回りに坩堝を回転させる時の回転角ω２との差の絶対値が３０°以上であることを意味している。この場合、坩堝を時計回りに回転している時間と、坩堝を反時計回りに回転している時間との差を十分に確保することができ、坩堝内の原料融液内に特に十分な乱流を生じさせることができ、成長界面をよりフラットな形状とすることができる。
【００７９】
ここまで、坩堝５４、及びこれに接続された坩堝支持部５５、回転機構５９、制御手段６０について説明してきたが、本実施形態のサファイア単結晶製造装置５０においてはさらに任意の部材を有することができる。
【００８０】
例えば、図５に示したサファイア単結晶製造装置５０においては、図中に示したように、チャンバー５１、及びチャンバー５１の内壁に沿って配置した断熱材５２を有することができる。
【００８１】
そして、断熱材５２で囲まれた内部空間には、ヒーター５３を配置することができる。そして、坩堝５４はヒーター５３で囲まれるようにして配置することができる。
【００８２】
なお、サファイア単結晶を育成する際、坩堝５４内には底部側に種結晶５４１を、種結晶５４１上には原料を配置しておき、図２を用いて説明したように所定の温度勾配となるようにヒーター５３を昇温して原料を原料融液５４２とすることができる。そしてその後、温度勾配を維持したまま全体的に温度を下げることで育成結晶５４３を育成することができる。
【００８３】
坩堝５４の材質は、サファイアの融点２０５０℃を越える温度でも安定で、且つ、原料融液と反応しない材料であることが好ましい。このため、坩堝５４の材質として例えばイリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデンータングステン合金（Ｍｏ−Ｗ合金）等を用いることができる。特に、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｗ合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。
【００８４】
ヒーター５３と断熱材５２の材質については特に限定されないが、例えばタングステン製ヒーターと、タングステン製及びモリブデン製のリフレクタとの構成とすることができる。また、カーボン製ヒーターと、カーボン製積層断熱材との構成とすることもできる。
【００８５】
ヒーター５３は坩堝５４を配置した該ヒーター５３で囲まれた領域内に所望の温度勾配を形成することができるように、例えば高さ方向に複数のヒーターを組み合わせた構成とし、各ヒータ―毎に温度制御するように構成することもできる。
【００８６】
そして、サファイア単結晶を育成する際に坩堝５４の底部側の温度、特に種結晶５４１の温度を測定するため、底部側温度測定手段５６を設けることができる。底部側温度測定手段５６は、例えば坩堝支持部５５を貫通するように形成した貫通孔や、観察窓５５３を介して温度を測定することができる。また、坩堝５４内に充填した原料、または原料が融解した原料融液５４２の温度を測定するため、上部側温度測定手段５７を設けることができる。上部側温度測定手段５７は、例えばチャンバー５１や断熱材５２を貫通する貫通孔や、観察窓５８を介して温度を測定することができる。
【００８７】
底部側温度測定手段５６や、上部側温度測定手段５７としては特に限定されるものではないが、例えば熱電対や、放射温度計を用いることができる。
【００８８】
また、チャンバー５１内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることができる。必要に応じて任意にさらに各種手段を設けることもできる。
【００８９】
本実施形態のサファイア単結晶製造装置によれば、製造されるサファイア単結晶中の成長界面の形状を、従来のサファイア単結晶製造装置により製造されるサファイア単結晶中の成長界面の形状よりもフラットな形状とすることができる。
【００９０】
なお、本実施形態のサファイア単結晶の製造装置により製造されるサファイア単結晶においても、結晶育成時に坩堝と対向する外周部近傍の領域であって、成長界面の形状が外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がった形状となる外周部側領域を含む場合がある。これは、外周部側領域はヒーターに近く他の部分よりも温度が上昇しやすく、完全に温度勾配の発生を除去することは困難であるためである。このため、本実施形態のサファイア単結晶製造装置により得られるサファイア単結晶は、係る外周部側領域を除いた範囲内で成長界面がよりフラットな形状となることが好ましい。
【００９１】
上記外周部側領域を除いた領域における成長界面の平坦程度は特に限定されるものではないが、例えば成長界面の成長方向における高低差が２０ｍｍ未満であることが好ましく、１９ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００９２】
また、上述した外周部側領域の幅は特に限定されるものではないが、その幅を十分に狭くして、成長界面の形状がよりフラットに近いことが好ましい。このため、外周部側領域の幅は例えば１５ｍｍ未満であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００９３】
以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶の製造装置によれば、回転機構、及び制御手段により坩堝を繰り返し反転させながら回転させることで、原料融液内に乱流を発生させながら撹拌することができる。このため、サファイア単結晶の育成初期から末期まで従来のサファイア単結晶製造装置を用いて育成した場合よりも、より平坦な成長界面を実現することができる。
【００９４】
さらに、サファイア単結晶の育成時、上述のように原料融液を撹拌することができるため、成長界面に吐き出されたボイドを速やかに取り除くことが可能となるので、ボイド不良を低減させることができる。このためサファイア単結晶を効率的に高収率で製造できる。
【００９５】
さらに、従来法よりも育成結晶の成長速度を大きくすることが可能となり生産性を向上させることが可能となる。
（サファイア単結晶の製造方法）
次に、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法の一構成例について説明する。
【００９６】
本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造方法に関する。  
そして、坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程を有することができる。
単結晶育成工程は、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を時計回りに回転させる時計回り回転ステップと、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を反時計回りに回転させる反時計回り回転ステップとを有することができる。また、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとを交互に実施することができる。
【００９７】
本実施形態のサファイア単結晶の製造方法について以下に具体的に説明する。なお、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては既述のサファイア単結晶製造装置を好適に用いることができる。このため、サファイア単結晶製造装置と説明が重複する部分については一部説明を省略する。
【００９８】
上述のように本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は、単結晶育成工程を有することができる。
【００９９】
単結晶育成工程においては、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うことができる。特に、ＶＧＦ法やＶＢ法によりサファイア単結晶を育成することができる。
【０１００】
そして、単結晶育成工程は例えば以下のステップを有することができる。なお、原料融解ステップにおける温度条件は図２を用いて説明した場合と同様に設定することができるため、詳細な説明は一部省略する。
【０１０１】
まず、坩堝内の底部側に種結晶を、その上部に原料である酸化アルミニウム多結晶粒子を配置した後、原料を融解させる原料融解ステップを実施することができる。
【０１０２】
原料融解ステップでは図２（ａ）を用いて説明したように、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配を形成することができ、例えば、種結晶と原料（原料融液）との境界をサファイアの融点になるようにすることができる。なお、この際の温度勾配の大きさは特に限定されるものではなく、坩堝のサイズ等に応じて任意に選択することができ、例えば予備試験等を行いその結果から選択することもできる。
【０１０３】
原料融解ステップにおいては既述のように原料を全量融解して原料融液とすることができる。また、種結晶の上端部、すなわち原料（原料融液）と接する部分についても数ｍｍから１ｃｍ程度融解させ種結晶の形状加工時に発生し表面に残った加工歪み層を取り除き、種結晶と原料融液とをなじませることが好ましい。
【０１０４】
原料融解ステップにおいては、原料を融解し原料融液とした後、所定の温度勾配の状態で一定時間保持し、温度を安定させることが好ましい。なお、原料融解ステップにおいて種結晶の過融解や、原料、及び種結晶の融解不足が生じないように、例えば上部側温度測定手段や、底部側温度測定手段により温度をモニターし、予備試験での温度プロファイルを基に制御することが好ましい。
【０１０５】
次に図２（ｂ）、（ｃ）を用いて説明したように、原料融解ステップで形成した温度勾配を維持しつつ、全体の温度を降下させることで結晶の成長界面（固液界面）を坩堝の上部の方へ移動させ、サファイア単結晶を育成する降温ステップを実施することができる。なお、温度勾配を維持しつつ全体の温度を下げることで結晶の成長界面を移動させることを目的としていることから、温度勾配は原料融解ステップで形成した温度勾配と完全に一致している必要はなく、底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配であればよい。ただし、成長界面を一定速度で移動させた方がより均一なサファイア単結晶を得ることができるため、原料融解ステップで形成した温度勾配と同一、またはほぼ一致した温度勾配を維持していることが好ましい。また、降温速度についても特に限定されるものではなく、例えば坩堝のサイズ等に応じて任意に選択することができる。
【０１０６】
そして、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては、少なくとも降温ステップを開始した後に、降温ステップと平行して、上述の時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとを交互に実施することができる。
【０１０７】
なお、時計回り回転ステップとは、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を時計回りに回転させるステップのことを、反時計回り回転ステップとは、坩堝の中心軸と平行な軸を回転軸として、坩堝を反時計回りに回転させるステップのことをいう。
【０１０８】
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおいて、坩堝を回転させる回転速度は特に限定されるものではなく、任意に選択することができる。例えば１ｒ．ｐ．ｍ．以上２０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることが好ましく、５ｒ．ｐ．ｍ．以上１０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることがより好ましい。
【０１０９】
これは回転速度を１ｒ．ｐ．ｍ．以上とすることで、坩堝内の原料融液に対してより確実に十分な撹拌力を与えることができるためである。ただし、回転速度を早くしすぎると、坩堝の中心軸の位置と坩堝を回転させる回転軸の位置との関係によっては、原料融液内に局所的に乱流が生じる等して成長界面の凹凸の高低差（幅）が大きくなる場合もある。このため、回転速度は例えば２０ｒ．ｐ．ｍ．以下とすることが好ましい。
【０１１０】
なお、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとで回転速度を変更することもできるが、制御の容易性から、時計回り回転ステップと反時計回り回転ステップとで回転速度が同じであることが好ましい。
【０１１１】
また、時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角は、サファイア単結晶を育成する間に変化させることもできるが、サファイア単結晶を育成する１バッチの間、それぞれ一定であることが好ましい。
【０１１２】
そして、時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角をω１、反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角をω２とした場合ω１、ω２＞１８０°、かつω１≠ω２であることが好ましい。このように、時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角ω１と、反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角ω２とが異なることで、坩堝は反転位置が３６０／｜ω１−ω２｜周期で１回転することになる。
【０１１３】
既述のように、坩堝を回転させる際に反転位置を少しづつずらすことで、ヒーター等により水平面内に温度分布が形成されたとしてもその影響を抑制することが可能になり、特に成長速度の成長界面内の均一性を向上させることができる。
【０１１４】
なお、ω１と、ω２はどちらが大きくても構わない。
【０１１５】
また、ω１と、ω２とが、３≦３６０°／｜ω１−ω２｜≦１２の関係式を満たすことが好ましく、６≦３６０°／｜ω１−ω２｜≦９の関係式を満たすことがより好ましい。
【０１１６】
これは上記関係式が３以上の場合、時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角と、反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角との差の絶対値が１２０°以下であることを意味している。この場合、坩堝を時計回りに回転している時間と、坩堝を反時計回りに回転している時間との差を短くすることができ、坩堝内の原料融液内に特に十分な乱流を生じさせることができ、成長界面をよりフラットな形状とすることができる。
【０１１７】
また、上記関係式が１２以下の場合、時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角と、反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転角との差の絶対値が３０°以上であることを意味している。この場合、坩堝を時計回りに回転している時間と、坩堝を反時計回りに回転している時間との差を十分に確保することができ、坩堝内の原料融液内に特に十分な乱流を生じさせることができ、成長界面をよりフラットな形状とすることができる。
【０１１８】
なお、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとは、既述のように少なくとも降温ステップを開始した後、降温ステップと平行して実施することが好ましい。ただし、降温ステップを開始する前から実施することもできる。具体的には例えば原料融解ステップ開始時、または原料融解ステップ開始後、降温ステップを開始する前の任意のタイミングで実施することもできる。
【０１１９】
単結晶育成工程終了後は冷却工程を実施することができる。冷却工程においては、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却することができる。
【０１２０】
なお、単結晶育成工程においては既述のように坩堝の底部側から上部側に向かって温度が高くなる温度勾配を形成し、該温度勾配を維持したまま、全体の温度を下げることによりサファイア単結晶を育成することができる。従って、坩堝の種結晶を配置した底部側から上部側に向かってサファイア単結晶が育成されることになる。このため、坩堝内に充填した原料（原料融液）の上端部の温度がサファイアの融点未満になった時を、単結晶育成工程の終了時とすることができる。
【０１２１】
冷却工程における条件は特に限定されるものではないが、急激に冷却すると育成したサファイア単結晶にクラック等を生じる恐れがあるため、予め実施した予備試験での条件に従い、ヒーターの出力を制御して冷却速度を調整することが好ましい。
【０１２２】
なお、上述の単結晶育成工程においては坩堝周辺を不活性雰囲気、または真空雰囲気とすることが好ましい。例えばアルゴン雰囲気とすることができる。そして、単結晶育成工程後についてもチャンバー内の温度が十分に下がるまでは単結晶育成工程と同様に不活性雰囲気、または真空雰囲気とすることが好ましい。特に、冷却工程を終えるまでは不活性雰囲気、または真空雰囲気とすることがより好ましい。上述のように図５に示したサファイア単結晶製造装置を用いる場合、チャンバー５１内を所望の雰囲気に制御することで、坩堝周辺の雰囲気を制御することができる。
【０１２３】
冷却工程終了後は坩堝からサファイア単結晶を取り出し、用途に応じて所望の形状に加工することができ、必要に応じて任意の工程を実施することができる。
【０１２４】
例えばサファイア単結晶基板（サファイアウエハー）とする場合には、サファイア単結晶を板状にスライスする切断工程や、サファイア単結晶基板の主平面や、端面を研磨する研磨工程等を実施することができる。
【０１２５】
本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、製造されるサファイア単結晶中の成長界面の形状を、従来のサファイア単結晶製造装置により製造されるサファイア単結晶中の成長界面の形状よりもフラットな形状とすることができる。
【０１２６】
なお、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法により製造されるサファイア単結晶においても、結晶育成時に坩堝と対向する外周部近傍の領域であって、成長界面の形状が外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がった形状となる外周部側領域を含む場合がある。これは、外周部側領域はヒーターに近く他の部分よりも温度が上昇しやすく、完全に温度勾配の発生を除去することは困難であるためである。このため、本実施形態のサファイア単結晶製造装置により得られるサファイア単結晶は、係る外周部側領域を除いた範囲内で成長界面がよりフラットな形状となることが好ましい。
【０１２７】
上記外周部側領域を除いた領域における成長界面の平坦程度は特に限定されるものではないが、例えば成長界面の成長方向における高低差が２０ｍｍ未満であることが好ましく、１９ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【０１２８】
また、上述した外周部側領域の幅は特に限定されるものではないが、その幅を十分に狭くして、成長界面の形状がよりフラットに近いことが好ましい。このため、外周部側領域の幅は例えば１５ｍｍ未満であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【０１２９】
以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、単結晶育成工程の、少なくとも降温ステップを実施する際に、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとを交互に実施することで原料融液内に乱流を発生させながら撹拌することができる。このため、サファイア単結晶の育成初期から末期までより平坦な成長界面を実現することができる。
【０１３０】
さらに、サファイア単結晶の育成時、原料融液を上述のように撹拌することができるため、成長界面に吐き出されたボイドを速やかに取り除くことが可能となるので、ボイド不良を低減させることができる。このためサファイア単結晶を効率的に高収率で製造できる。
【０１３１】
さらに、従来法よりも育成結晶の成長速度を大きくすることが可能となり生産性を向上させることが可能となる。
【実施例】
【０１３２】
以下に具体的な実施例、比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３３】
ここでまず、以下の実施例および比較例において育成したサファイア単結晶の評価方法について説明する。
（Ｘ線トポグラフ法による結晶性の評価）
Ｘ線トポグラフ像撮影は、大試料ラングカメラ（株式会社リガク製、ＬＧＬ−８）を用いて行い、得られたＸ線トポグラフ像から結晶性の評価を行った。
【０１３４】
次に各実施例、比較例におけるサファイア単結晶の育成条件、および評価結果について説明する。
［実施例１］
本実施例では、以下の構成を有するサファイア単結晶製造装置を用いてサファイア単結晶を製造し、その評価を行った。
【０１３５】
本実施例では図５に示した構成を有するサファイア単結晶製造装置５０を用いた。
【０１３６】
サファイア単結晶製造装置５０は、チャンバー５１の内壁に沿って断熱材５２が配置され、断熱材５２で囲まれた内部空間に坩堝５４が配置されている。
【０１３７】
坩堝５４としては、内径１５０ｍｍφ、内高５００ｍｍのＷ（タングステン）製坩堝を用いた。
【０１３８】
ヒーター５３は、高さ方向に分割された３つの領域ごとに温度勾配、及び温度を制御できるように構成された３ゾーン・ヒーターを用いた。ヒーター５３及び断熱材５２の材質はカーボンとした。
【０１３９】
そして、坩堝５４の下部には、坩堝５４を支持する坩堝台５５２、及び坩堝台５５２に接続された坩堝軸５５１とを含む坩堝支持部５５が配置されている。そして、モーター部５９１と、ベルト５９２とを有する回転機構５９が設けられ、坩堝軸５５１と、回転機構５９のモーター部５９１とがベルト５９２により接続され、モーター部５９１の回転を伝達できるように構成されている。また、モーター部５９１は制御手段６０からの指令により坩堝支持部５５上に配置された坩堝５４を坩堝５４の中心軸と平行な軸を回転軸として時計回りと、反時計回りとに交互に回転できるように構成されている。
【０１４０】
サファイア単結晶製造装置内の温度測定は、図５に示すように装置中心軸上の上下方向から上部側温度測定手段５７、及び底部側温度測定手段５６を用いて行った。各温度測定手段としては二色放射温度計を用いた。なお、上部側温度測定手段５７は、チャンバー５１等に形成された貫通孔、及び観察窓５８を介して観察できるように構成した。また、底部側温度測定手段５６は、坩堝台５５２、及び坩堝軸５５１に形成された貫通孔、及び観察窓５５３を介して観察するように構成した。
【０１４１】
また、チャンバー５１内を所定の雰囲気とするため、図示しないガス供給手段、及びガス排気手段を有している。
【０１４２】
次に、本実施例におけるサファイア単結晶の製造方法について説明する。
【０１４３】
まず、坩堝５４の底部に種結晶５４１を配置した。種結晶５４１としては、直径１５０ｍｍφ、厚さ４０ｍｍのサファイア単結晶円板を用いた。種結晶円板の面方位（育成方位）はｃ面であった。
【０１４４】
次いで、坩堝５４内の種結晶５４１上にサファイア単結晶の原料として、酸化アルミニウム多結晶体粒子を２５ｋｇチャージした。
【０１４５】
次に、単結晶育成工程を開始した。
【０１４６】
具体的にはまず、サファイア単結晶製造装置のチャンバー５１を密閉し、チャンバー５１内をＡｒガスで置換した後に昇温を開始して、原料融解ステップを開始した。
【０１４７】
昇温時に、上部側温度測定手段５７、及び底部側温度測定手段５６による測定値を基に、３ゾーン・ヒーターの出力比を調節し、坩堝底部から上部に向かって、平均５℃／ｃｍの勾配で温度が高くなる温度分布を形成した。
【０１４８】
そして、上記温度分布を形成後、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとを交互に実施した。
【０１４９】
時計回り回転ステップでは１回のステップで、坩堝５４をサファイア単結晶製造装置５０の上部側から見て時計回りに、回転速度が１ｒ．ｐ．ｍ．、回転角ω１が３６０°となるように回転させた。
【０１５０】
また反時計回り回転ステップでは１回のステップで、坩堝５４をサファイア単結晶製造装置５０の上部側から見て反時計回りに、回転速度が１ｒ．ｐ．ｍ．、回転角ω２が４２０°となるように回転させた。
【０１５１】
なお、時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップは、後述する冷却工程を終えるまで交互に継続して実施した。
【０１５２】
さらにその後、底部側温度測定手段５６の測定値に基づいてヒーター５３の出力合計値を調整し、種結晶５４１の上端部を５ｍｍ程融解させてシーディングを行った。なお、ここでの種結晶５４１の上端部の融解量は、予め融解試験を行い作成しておいて、温度勾配、及び底部側温度測定手段５６の測定値と、種結晶の融解量との関係式を用いて算出した推定値である。
【０１５３】
種結晶５４１の上端部を５ｍｍ程融解させたシーディング温度で３０分間放置した後に、ヒーター出力を全体的に徐々に降下させる降温ステップを開始し、結晶育成を行った。
【０１５４】
降温ステップにおいてはサファイア単結晶を育成する際のサファイア単結晶の成長界面の形状を視覚化するため降温速度を周期的に変化させて実施した。降温ステップにおける降温速度について図８を用いて説明する。
【０１５５】
図８のうち、下側のグラフが降温ステップ開始後の時間に対する降温速度の変化を示している。また、図８のうち上側の図は下側のグラフに従って降温ステップを実施した場合に得られるサファイア単結晶の中心軸を通る面、すなわち成長方向と平行な面での断面図を模式的に示したものである。図８の上図のうち図中右側端部８１Ａが坩堝の上部側、図中左側端部８１Ｂが坩堝の底部側を示しており、図中右側が成長方向を示している。
【０１５６】
図８下図に示したように、降温ステップ開始後は、炉内温度の降温速度が２．５℃／Ｈとなるように、ヒーター出力の降温速度を調整した（通常育成期間）。上記降温速度とした場合の成長界面の前進速度（成長速度）は５ｍｍ／Ｈとなっている。
【０１５７】
そして、降温ステップ開始後１０時間経過した時間ｔ１において、降温速度を５℃／Ｈとし、時間ｔ２まで３０分間５℃／Ｈの降温速度で冷却した（高速育成期間）。そして、時間ｔ２において再び降温速度を２．５℃／Ｈに戻した。
【０１５８】
降温速度を２．５℃／Ｈに戻した後、図８に示すように、降温速度を２．５℃／Ｈとして１０時間（時間Ｔ）サファイア単結晶を育成する通常育成期間と、降温速度を５℃／Ｈとして３０分間サファイア単結晶を育成する高速育成期間と、を交互に繰り返し実施した。
【０１５９】
ここで、図８の上図は上述のように、図８の下側に示した降温速度の変化に対応して降温ステップを実施した場合に得られるサファイア単結晶の断面図を模式的に示したものである。
【０１６０】
降温速度を５℃／Ｈと速くした高速育成期間は、通常育成期間と比較してボイドの取り込み量が多くなっており高ボイド密度部８２ａ〜８２ｄを形成し、通常育成期間内に育成した低ボイド密度部８１と識別することができる。そして、高速育成期間に育成した高ボイド密度部８２ａ〜８２ｄの形状は育成時の成長界面の形状を反映していると考えられるから、係る高ボイド密度部８２ａ〜８２ｄの形状を育成時の成長界面の形状とすることができる。
【０１６１】
以上のように降温ステップでは降温速度を周期的に変化させながら、原料全体が結晶化するまで温度降下を行った。そして、上部側温度測定手段により測定された温度がサファイアの融点未満になった時点で単結晶育成工程が終了したと判断した。
【０１６２】
単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を開始した。
【０１６３】
具体的には、上部側温度測定手段と、底部側温度測定手段の温度差が３℃以下となるようにヒーターの出力を調整した後に、炉内温度が約１００℃／ｈの速度で降温するようにヒーターの出力を下げ、炉内を室温まで冷却し結晶を取出した。
【０１６４】
坩堝から結晶を取出したところ、得られた結晶は種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、６インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶には、種結晶表面から５０ｍｍ毎に高ボイド密度部が観察された。
【０１６５】
得られた結晶の一部について、成長方向と平行な面で切断した試料（縦切り試料）を切り出し、ボイド分布形状の観察から成長界面形状を推定した。
【０１６６】
図９に得られた縦切り試料の観察図を模式的に示す。図９中、高ボイド密度部９１ａ〜９１ｃの形状は既述のように成長界面の形状とすることができる。そして、図９に示すように高ボイド密度部９１ａ〜９１ｃの形状は結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域９２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっていること（このような形状を以下「ダレ」とも記載する）が確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。特に上記外周部側領域９２を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも６ｍｍ以下であることが確認できた。
【０１６７】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、残りの９回についても成長界面の形状が上述の場合と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０１６８】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶の残りの結晶塊の高ボイド密度部を除いた領域から結晶の中心軸と垂直に、すなわち成長方向と垂直にサファイア単結晶を切断し、横切り試料を切り出した。そして上記縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。その結果、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られず、育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例２］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも５ｒ．ｐ．ｍ．とした点以外は、実施例１と全く同様の条件でサファイア単結晶を製造した。結晶成長を行った。
【０１６９】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１７０】
図１０に得られた縦切り試料の観察図を模式的に示す。図１０中、高ボイド密度部１０１ａ〜１０１ｃの形状は既述のように成長界面の形状とすることができる。そして、図１０に示すように高ボイド密度部１０１ａ〜１０１ｃの形状は結晶外周部から結晶中央部に向かって５ｍｍ程度の外周部側領域１０２については外周部側から中央側に向かって若干盛り上がったダレが確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。特に上記外周部側領域１０２を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも３ｍｍ以下であることが確認できた。
【０１７１】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、残りの９回についても成長界面の形状が上述の場合と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０１７２】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られず、育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例３］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも２０ｒ．ｐ．ｍ．とした以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０１７３】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１７４】
図１１に得られた縦切り試料の観察図を模式的に示す。図１１中、高ボイド密度部１１１ａ〜１１１ｃの形状は既述のように成長界面の形状とすることができる。そして、図１１に示すように高ボイド密度部１１１ａ〜１１１ｃの形状は結晶中央部よりも半径方向でみて約１／２となる位置、例えば位置１１３が僅かに（２ｍｍ程度）低くなっていることが確認された。また、結晶外周部から結晶中央部に向かって３ｍｍ程度の外周部側領域１１２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がったダレが確認された。しかし、上述のように外周部側領域１１２を除いた領域において成長界面の成長方向の高低差は８ｍｍ程度であり、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。
【０１７５】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、残りの９回についても成長界面の形状が上述の場合と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０１７６】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られず、育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例４］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも５ｒ．ｐ．ｍ．とした点と、時計回り回転ステップにおける回転角ω１を３６０°、反時計回り回転ステップにおける回転角ω２を３９０°とした点以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０１７７】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１７８】
成長界面形状は、図１０とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって５ｍｍ程度の外周部側領域については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、図１０の場合と同様に外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも４ｍｍ以下であることが確認され、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。
【０１７９】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、残りの９回についても成長界面の形状が上述の場合と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０１８０】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られず、育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例５］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも５ｒ．ｐ．ｍ．とした点と、時計回り回転ステップにおける回転角ω１を３６０°、反時計回り回転ステップにおける回転角ω２を４８０°とした点以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０１８１】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１８２】
成長界面形状は、図１０とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって５ｍｍ程度の外周部側領域については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、図１０の場合と同様に外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも４ｍｍ以下であることが確認され、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。
【０１８３】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、残りの９回についても成長界面の形状が上述の場合と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０１８４】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られず、育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例６］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも０．５ｒ．ｐ．ｍ．とした点以外は、実施例１と全く同様の条件でサファイア単結晶を製造した。
【０１８５】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１８６】
成長界面形状は、図９の場合とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域９２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。
【０１８７】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、１０回中、上記１回を含む６回は成長界面の形状が図９と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。すなわち、外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも１５ｍｍ以下であることが確認された。
【０１８８】
しかし、１０回中４回については成長界面が、図３を用いて説明した場合と同様に成長界面全体が上に凸となっており、中央部が周辺部に対して約１８ｍｍ程度高い位置になっていることが確認できた。すなわち外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差は１８ｍｍであることが確認された。また、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。
【０１８９】
これは回転速度が０．５ｒ．ｐ．ｍ．と小さかったため、回転軸となる坩堝軸５５１の位置と、坩堝５４の中心軸の位置によっては、坩堝５４内の原料融液中の乱流の流れが弱く、成長界面の高低差が若干大きくなったものと考えられる。
【０１９０】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られないことが確認できた。このことから、１回目に作製した成長界面がフラットになった場合の育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例７］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも２５ｒ．ｐ．ｍ．とした点以外は、実施例１と全く同様の条件でサファイア単結晶を製造した。
【０１９１】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１９２】
成長界面形状は、図９の場合とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域９２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、１０回中、上記１回を含む６回は成長界面の形状が図９と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。すなわち、外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも５ｍｍ以下であることが確認された。
【０１９３】
しかし１０回中４回については成長界面が図１２に示すようにＷ型形状となっていた。図１２に得られた縦切り試料の観察図を模式的に示す。
【０１９４】
図１２中、高ボイド密度部１２１ａ〜１２１ｃの形状は既述のように成長界面の形状とすることができる。そして、図１２に示すように高ボイド密度部１２１ａ〜１２１ｃの形状は、結晶半径で約１／２にあたる付近が、結晶外周部、結晶中央部に対して約５ｍｍ程低くなったＷ型となった。また、結晶外周部から結晶中央部に向かって３ｍｍ程度の外周部側領域１２２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。すなわち外周部側領域１２２を除いた成長界面の成長方向の高低差は約５ｍｍであることが確認された。
【０１９５】
これは回転速度が２５ｒ．ｐ．ｍ．と速かったため、回転軸となる坩堝軸５５１の位置と、坩堝５４の中心軸の位置によっては、坩堝５４内の原料融液中の全体に十分な乱流を起こすことができず、成長界面の高低差が若干大きくなったものと考えられる。
【０１９６】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られないことが確認できた。このことから、１回目に作製した成長界面がフラットになった場合の育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例８］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも５ｒ．ｐ．ｍ．とした点と、時計回り回転ステップにおける回転角ω１を３６０°、反時計回り回転ステップにおける回転角ω２を３７５°とした点以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０１９７】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０１９８】
成長界面形状は、図９の場合とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域９２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。すなわち、外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも４ｍｍ以下であることが確認された。
【０１９９】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、１０回中、上記１回を含む６回は成長界面の形状が図９と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０２００】
しかし１０回中４回については成長界面が図１３に示すように一部傾斜した形状となっていた。図１３に得られた縦切り試料の観察図を模式的に示す。
【０２０１】
図１３中、高ボイド密度部１３１ａ〜１３１ｃは既述のように成長界面の形状とすることができる。そして、図１３に示すように高ボイド密度部１３１ａはほぼフラットな形状を有しているのに対して、高ボイド密度部１３１ｂ、１３１ｃについてはフラットであるものの、若干傾斜した形状を有することが確認できる。また、高ボイド密度部１３１ａ〜１３１ｃによってその幅にはばらつきがみられたが、いずれの高ボイド密度部においても結晶外周部から結晶中央部に向かって３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の外周部側領域１３２に外周部側から中央側に向かって若干盛り上がったダレが確認された。
【０２０２】
なお、外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差は最大でも１５ｍｍであることが確認された。
【０２０３】
これは、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとにおける坩堝の回転角との差が小さく、坩堝を時計回りに回転している時間と、反時計回りに回転している時間との差が十分ではなく、原料融液内に十分な乱流が生じない場合があったため考えられる。
【０２０４】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られないことが確認できた。このことから、１回目に作製した成長界面がフラットになった場合の育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［実施例９］
時計回り回転ステップ、及び反時計回り回転ステップにおける坩堝の回転速度をいずれも５ｒ．ｐ．ｍ．とした点と、時計回り回転ステップにおける回転角ω１を３６０°、反時計回り回転ステップにおける回転角ω２を５００°とした点以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０２０５】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０２０６】
成長界面形状は、図９の場合とほぼ同等で、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域９２については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。しかし、育成初期から末期まで成長界面の形状はほぼフラット形状であることを確認できた。すなわち、外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差はいずれも５ｍｍ以下であることが確認された。
【０２０７】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、１０回中、上記１回を含む６回は成長界面の形状が実施例１と同様にほぼフラットな形状を有するサファイア単結晶を得られていることが確認できた。
【０２０８】
しかし１０回中４回については成長界面が中央部が周辺部に対して約１０ｍｍ程度高い位置となった凸形状となることが確認できた。また、結晶外周部から結晶中央部に向かって１０ｍｍ程度の外周部側領域については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。すなわち外周部側領域１２２を除いた成長界面の成長方向の高低差は約１０ｍｍであることが確認された。
【０２０９】
これは、時計回り回転ステップと、反時計回り回転ステップとにおける坩堝の回転角との差が大きいため、坩堝を時計回りに回転している時間と、反時計回りに回転している時間との差が大きくなり、原料融液内に十分な乱流が生じない場合があったため考えられる。
【０２１０】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に横切り試料を作製し、縦切り試料、及び横切り試料についてＸ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。そして、縦切り試料、横切り試料どちらにおいても育成初期から末期までリネージの生成は見られないことが確認できた。このことから、１回目に作製した成長界面がフラットになった場合の育成結晶はリネージ・フリーの高品質結晶であることが確認できた。
［比較例１］
回転機構５９、及び制御手段６０を有さない、図１に示した従来のサファイア単結晶製造装置１０を用い、坩堝を回転させることなく単結晶育成工程、および冷却工程を実施した点以外は、実施例１と全く同様の条件で結晶成長を行った。
【０２１１】
冷却工程終了後に、炉内から結晶を取り出し、実施例１と同様の方法で成長界面形状、結晶性の評価を行った。
【０２１２】
成長界面形状は、図３を用いて説明したように、中央部が周辺部に対して約２０ｍｍ程度高い位置となった凸形状であることが確認できた。また、結晶外周部から結晶中央部に向かって１５ｍｍ程度の領域については外周部側から中央部側に向かって若干盛り上がっているダレが確認された。すなわち、すなわち外周部側領域を除いた成長界面の成長方向の高低差は約２０ｍｍであることが確認され、成長界面の形状が大きく湾曲した形状であることが確認できた。
【０２１３】
同じ条件で上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶の製造を実施したところ、１０回中、上記１回を含む１０回とも成長界面の形状は上記の場合と同様になることが確認できた。
【０２１４】
次に、１回目に作製したサファイア単結晶から実施例１と同様に縦切り試料、及び横切り試料を作製し、Ｘ線トポグラフ法による結晶性評価を行った。その結果、育成初期からリネージが観察され、縦切り試料の観察からそれらが育成結晶後半部に向かって伝搬していることが確認された。さらに、横切り試料の観察では、図４に示した場合と同様に、半径方向の温度差起因の応力によって発生したと考えられる複数のリネージ４１が観察された。
【０２１５】
実施例１〜実施例９と比較例１とを比較すると、坩堝を回転させる回転機構、及び制御手段を備えていないサファイア単結晶製造装置を用いた比較例１においては、製造した全てのサファイア単結晶について、成長界面が大きく湾曲していることが確認できた。
【０２１６】
これに対して、坩堝を回転させる回転機構、及び制御手段を備えたサファイア単結晶製造装置を用い、坩堝を回転させながらサファイア単結晶の育成を行った、実施例１〜実施例９においては、成長界面がフラットなサファイア単結晶を製造できることが確認できた。
【符号の説明】
【０２１７】
５０    サファイア単結晶製造装置
５４    坩堝
５４１  種結晶
５４２  原料融液
５９    回転機構
６０    制御手段
【図１】
2016132600.tif 000003
【図２】
2016132600.tif 000004
【図３】
2016132600.tif 000005
【図５】
2016132600.tif 000006
【図６】
2016132600.tif 000007
【図７】
2016132600.tif 000008
【図８】
2016132600.tif 000009
【図９】
2016132600.tif 000010
【図１０】
2016132600.tif 000011
【図１１】
2016132600.tif 000012
【図１２】
2016132600.tif 000013
【図１３】
2016132600.tif 000014
【図４】
2016132600.tif 000015