(57)【要約】      （修正有）【課題】投入原料に対する結晶化率の高いサファイア単結晶製造方法の提供。【解決手段】坩堝１２の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータ１４と、坩堝１２の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータ１３とにより加熱融解された坩堝１２内の原料融液２１に、種結晶２０を接触させた後、種結晶２０を回転させながら種結晶２０、及びサファイア単結晶２２を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法において、種結晶２０の引き上げ開始後に、円筒状ヒータ１３を降下させる円筒状ヒータ降下工程、及び／又は円盤状ヒータ１３を坩堝１２の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施するサファイア単結晶の製造方法。前記円筒状ヒータ降下工程、及び／又は前記円盤状ヒータ移動工程は、サファイア単結晶の肩部が形成された後、或いは、原料融液の固化率が５０％以上の時に実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
種結晶の引き上げ開始後に、
前記円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および／または前記円盤状ヒータを前記坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施するサファイア単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記円筒状ヒータ降下工程、および／または前記円盤状ヒータ移動工程は、サファイア単結晶の肩部が形成された後に実施する請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記円筒状ヒータ降下工程、および／または前記円盤状ヒータ移動工程は、原料融液の固化率が５０％以上の時に実施する請求項１または２に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記円筒状ヒータ降下工程は、前記円筒状ヒータの最も高温部分の高さが、前記原料融液の表面高さ±３０ｍｍ以内となるように、前記円筒状ヒータを降下させる請求項１乃至３の何れか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記円盤状ヒータ移動工程は、前記円盤状ヒータを、前記種結晶の引上げ速度の１／２０以上１／５以下の速度で上昇させる請求項１乃至４の何れか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
【請求項６】
サファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段と、前記坩堝の外表面のうち側面の温度を測定する手段と、前記坩堝の外表面のうち底部の温度を測定する手段とを備えたサファイア単結晶育成装置を用いる、請求項１乃至５のいずれか一項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。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】
サファイア単結晶を製造する主な方法としては、サファイア多結晶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チョクラルスキー法（Ｃｚ法）やカイロポーラス法（ＫＹ法）などが知られている。なお、育成されたサファイア単結晶は、円盤状に加工され、表面を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。
【０００４】
例えば特許文献１には、チョクラルスキー法によるサファイア単結晶の結晶育成装置が開示されている。特許文献１の結晶育成装置では、原料粉末を入れる坩堝をチャンバ内の支持軸の上に配置し、坩堝側面に側面ヒータ、また、坩堝の下方に円盤状のボトムヒータが支持軸を貫通する形で配置されている。そして、側面ヒータの周囲、ボトムヒータの下方には断熱材が炉体の内面に沿って設けられ、チャンバの頂部と底部にはガス供給管、ガス排出管が取り付けられている。また、坩堝の上部に上下動可能な引き上げ軸が、断熱材を貫通する形で設けられている。そして、単結晶の引き上げでは装置の側面ヒータおよびボトムヒータを作動させて単結晶用原料を加熱して原料融液を生成する。その後、原料融液表面に種結晶を接触させ、引き上げながら単結晶の育成を行うことができる。
【０００５】
ところで、融点が２０５０℃と、高い融点を有するサファイア単結晶をチョクラルスキー法により育成する場合、断熱材で囲まれた断熱空間内は２０００℃を超える高温環境となる。このため、サファイア単結晶の育成においては、断熱空間内の熱伝達は輻射光が主体となっており断熱空間内は均熱化し易く、結晶育成に適した温度勾配を形成することは容易ではない。加えて、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、または、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などの他の酸化物単結晶の原料融液と比較して、サファイア単結晶の原料融液は粘度が非常に低く、対流が不安定である。このため、原料融液内についても温度勾配の適正化が困難になっている。
【０００６】
また、チョクラルスキー法やカイロポーラス法等の引上法によりサファイア単結晶を育成する場合、上述の他の酸化物単結晶や、シリコンやリン化ガリウム等の半導体単結晶の引上法育成時とは異なり、成長界面が原料融液下方に向かって大きく伸びた円錐形となり易い。すなわち成長界面が原料融液下方に向かって凸状で、かつその凸度が非常に大きくなり易い。このため、サファイア単結晶の育成では、原料融液中の成長界面形状及びその前進速度が育成収率、結晶品質に重要な影響を及ぼすことが知られている。結晶の成長界面の形状は、主に固化に伴って発生する潜熱の流れ、つまり、結晶成長場の温度分布、温度勾配で決定される。
【０００７】
従って、引上法によるサファイア単結晶の育成においては、原料融液内を含む断熱空間内における温度および温度勾配を高い精度で制御することが求められている。
【０００８】
一方、サファイア単結晶の生産性を向上させ、低コスト化を図るために、育成結晶サイズをより大型化することが検討されている。これは、結晶サイズの大型化によって、単位時間当たりの収量を増加させることができ、コスト低減が可能となるからである。
【０００９】
しかし、大型結晶を育成するためには、当然のこととして、坩堝、及び坩堝を囲む断熱材を大型化し、断熱材で囲まれた断熱空間の容積を大きくする必要がある。そして、坩堝、断熱材、及び断熱空間の容積が大きくなるに伴ってそれらの熱容量も大きくなる。このため、シーディングと呼ばれる種結晶を融液に接触させ育成を開始する工程の融液表面の温度（シーディング温度）の精密な制御や、断熱材で囲まれた断熱空間の温度勾配の適正化等が困難になる。
【００１０】
シーディング温度、断熱空間内の温度勾配が不適切な状態で結晶育成を行うと結晶成長速度、及びそれに伴う成長界面形状の制御が困難となり、不良発生率が高くなる。実際に、結晶育成サイズを大型化していくに従って、特に育成結晶の上部（初期に成長した部分に相当）においては、気泡、リネージ、多結晶化等の不良発生率が高くなる傾向がみられており、結晶サイズの大型化から期待される収量の向上、コストダウン効果が十分に得られていないという問題があった。
【００１１】
そこで、従来大型サファイア単結晶を高品質で育成するために、温度勾配を適正な範囲にする方法について各種検討がなされてきた。例えば、融液上方空間に熱反射板を設置する方法や、原料融液を加熱するヒータを坩堝側面加熱用と、坩堝底面加熱用の２分割として、それらのヒータの出力比を調整する方法等が報告されている。
【００１２】
また、原料融液に種結晶を接触させる適切なタイミング、すなわち適切なシーディング温度を求める方法として、原料融液表面の温度や、原料融液を内在している坩堝の底部外表面温度を放射温度計、熱電対を用いて測定する方法等が報告されている。
【００１３】
これらを組み合わせて、且つ温度環境に対応した適切な引上速度や結晶回転速度を設定することで、結晶成長初期の成長界面形状を適切な形状に制御し、結晶重量１００ｋｇ級の高品質サファイア単結晶が育成されるようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−１９５４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述の方法においても、坩堝内にチャージした原料量の８割未満までしか結晶育成を継続することが出来なかった。これは、坩堝内にチャージした原料重量に対するサファイア単結晶の重量が８割以上になるまで育成を継続すると、育成結晶底部が坩堝底内壁と固着する現象（底付き）や、坩堝内に残った原料が育成途中で瞬時に固化する現象（融液固化）が起こり、育成中止に至っていたためである。
【００１６】
それに対して、サファイア基板の大口径化、コストダウンに対する市場の要求は益々強まり、それに伴って、育成結晶のより大型化、育成コストの低減が求められている。このため育成結晶のより大型化、および育成コストの低減のために、投入原料に対する結晶化率（固化率）をさらに向上させることが求められていた。
【００１７】
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、投入原料に対する結晶化率の高いサファイア単結晶の製造方法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】
【００１８】
上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
種結晶の引き上げ開始後に、
前記円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および／または前記円盤状ヒータを前記坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施するサファイア単結晶の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一態様によれば、投入原料に対する結晶化率の高いサファイア単結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態においてサファイア単結晶を製造する際に用いることができるサファイア単結晶育成装置の断面図。
【図２】サファイア単結晶育成時のサファイア単結晶及びその周囲の説明図。
【図３】サファイア単結晶育成時のサファイア単結晶及びその周囲の説明図。
【図４】サファイア単結晶の各部の名称の説明図。
【図５】本発明の実施例１においてサファイア単結晶を製造する際に用いたサファイア単結晶育成装置の構成の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は、坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法を用いることができる。
【００２４】
そして、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は、種結晶の引き上げ開始後に、円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータを坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施できる。
【００２５】
ここでまず、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法に好適に用いることができるサファイア単結晶育成装置の構成例について図１を用いて説明する。
【００２６】
図１は、サファイア単結晶育成装置（サファイア単結晶製造装置）１０の坩堝１２の中心軸を通る断面における断面図を模式的に示したものである。
【００２７】
図１に示したサファイア単結晶育成装置１０は、炉体１１により形成されるチャンバ内に、サファイア原料が充填される坩堝１２と、坩堝１２の底面を加熱する円盤状ヒータ１３、および坩堝１２の外周面を加熱する円筒状ヒータ１４を配置することができる。更に断熱空間１５を構成する断熱材１６とを備えることができる。円盤状ヒータ１３、及び円筒状ヒータ１４のヒータの種類は特に限定されるものではないが、例えば抵抗加熱方式であることが好ましい。また、断熱材１６としては例えばカーボン製の断熱材を好適に用いることができる。
【００２８】
そして、断熱材１６の底面部１６１に設けられた開口部を介して、断熱空間１５の外側から内側に延在し、円盤状ヒータ１３および円筒状ヒータ１４のそれぞれに接続され、電力を供給するための２つの円筒状ヒータ電極１７ａ、１７ｂを設けることができる。
【００２９】
そして、断熱材１６の底面部１６１と円盤状ヒータ１３の開口を貫通して、坩堝１２を支持する支持軸１８を設けることができる。さらに、断熱材１６の上面部１６２に設けられた開口を通じて、先端にホルダ１９ａを介して種結晶２０が取り付けられた引き上げ軸１９を挿入することができる。引き上げ軸１９は図中上下方向に移動が可能であり、種結晶２０を原料融液２１に接触させるシーディングを行ったり、育成時に、坩堝１２内の原料融液２１からチョクラルスキー法によりサファイア単結晶２２を引上げ、育成できるようになっている。
【００３０】
また、図１に示したサファイア単結晶育成装置１０は、炉内を所望の雰囲気に制御するために、図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を有することができる。
【００３１】
チョクラルスキー法においては既述のように、ヒータにより加熱溶融された原料融液に、種結晶を接触させるシーディングを実施した後、種結晶を回転させながらサファイア単結晶を引き上げることでサファイア単結晶を製造することができる。しかしながら、原料融液を含む断熱空間内の温度勾配や温度、シーディング温度が適切ではない場合、育成したサファイア単結晶内に気泡、リネージ等の不良が発生する場合があった。また、育成中止になる場合等があった。この点について図２を用いて以下に説明する。なお、図２は種結晶３１を原料融液３３にシーディングした後、種結晶３１を引き上げ、サファイア単結晶３２を育成している様子を模式的に示した図であり、種結晶３１を通り原料融液３３の表面と垂直な面での断面図を示している。
【００３２】
まず、図２（ａ）を用いて種結晶３１を原料融液３３にシーディングした時、及びその後の育成初期段階における原料融液の温度が適正な温度範囲より低かったり、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも小さかったりした場合の結晶成長の様子を説明する。シーディング時や、育成初期段階において、原料融液の温度が適正な温度範囲よりも低かったり、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも小さかったりした場合、結晶はシーディング直後から急成長してしまう。このため、図２（ａ）に示すように、育成初期のサファイア単結晶３２の成長界面（固液界面）３２ａの形状が融液に向かって凹状となってしまう。
【００３３】
そして、原料融液３３中に微量に含まれている不純物ガス成分の溶解度が、液相である原料融液３３は高いのに対して、固相であるサファイア単結晶３２は低く、固相と液相とで異なっている。このため、図２（ａ）に示すように成長界面３２ａの形状が原料融液３３に向かって凹状となった場合、原料融液の固化、すなわち成長界面３２ａの前進に伴って、固相と液相との溶解度差から液相中に吐き出されたガス成分の濃度が成長界面３２ａ近傍で高くなる。吐き出されたガス成分の原料融液中の濃度が原料融液３３の溶解量を越えると気泡３４が形成され、成長界面３２ａの形状が原料融液３３に向かって凹状の場合、気泡３４は成長界面３２ａ近傍に留まる。そして、気泡３４が成長界面３２ａの前進によってサファイア単結晶３２中に取り込まれることで気泡（ボイド）欠陥が生じる。
【００３４】
また、成長界面３２ａの前進速度が速い場合、固相と液相との溶解度差分のガス成分を液相中に吐き出しきれずに、ガス成分が過飽和状態で固相中に取り込まれ、結晶化後に拡散によって集積し、マイクロボイドとして顕在化する場合もある。
【００３５】
更に、このように成長界面３２ａが凹状の状態で結晶成長が進行すると、図２（ｂ）に示すように、サファイア単結晶３２の成長界面３２ａに対して垂直方向に伝搬するリネージ３５と呼ばれる結晶欠陥の集積が起こる。その結果、このリネージ３５の集積によって結晶方位の回転領域３６が発生し、多結晶化が引き起こされる。
【００３６】
一方、シーディングした時の原料融液の温度が適正な温度範囲よりも高い場合は、種結晶が融点以上の温度環境下に曝されるため、シーディング作業中、もしくは育成開始直後に、種結晶が融解してしまい育成中止となってしまう。
【００３７】
また、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも大きい場合は、育成結晶中の温度差も大きくなるため、結晶育成中にその温度差に起因する熱歪を発生させ、育成結晶が割れてしまう可能性が高くなる。
【００３８】
以上に説明したように、サファイア単結晶の育成時、成長界面の形状が原料融液に向かって凹状の場合、気泡、リネージ、多結晶化等の不良が発生し易く好ましくない。
【００３９】
そこで、気泡の取り込みや結晶欠陥の発生を防止する観点から、結晶育成の初期段階である肩部形成時から、サファイア単結晶と原料融液との成長界面の形状は原料融液側に凸状であることが好ましい。
【００４０】
そして、凸状成長界面の先端角度θを所望の範囲に制御することがより好ましい。この点について図３を用いて以下に説明する。
【００４１】
図３は種結晶４１を原料融液４２にシーディングした後、種結晶４１を引き上げ、サファイア単結晶４３を育成している様子を模式的に示した図であり、種結晶４１を通り原料融液４２の表面と垂直な面での断面図を示している。図３においてサファイア単結晶４３の成長界面４３ａは原料融液４２側に凸状になっており、その先端角度をθとする。
【００４２】
そして、先端角度θが所望の範囲よりも鋭角となる場合は、原料融液４２の深さ方向の温度勾配の設定が適切ではなく、サファイア単結晶４３が原料融液４２の深さ方向へ高速で成長している場合となる。このような状況では、凸状の成長界面４３ａの先端部で単位時間当りに吐き出されるガス成分の量が多くなり、凸状の成長界面４３ａの先端部はガス成分濃度が高過飽和となった原料融液４２中で成長することになる。従って、成長界面４３ａ先端部近傍では、気泡の結晶中への取り込みや、結晶中に取り込まれた過飽和ガス成分の拡散、集積によるマイクロボイドが発生し易くなる。加えて、高速成長による結晶性の悪化や、結晶内の温度差に起因した応力による転位の発生、その転位の移動によるリネージの発生、及び、それらの集積による多結晶化が起こり易くなる。
【００４３】
一方、先端角度θが所望の範囲よりも鈍角となる場合は、育成しているサファイア単結晶４３の直径が高速で拡大している場合である。このような場合は、上述の場合と同様の理由で高速成長部（結晶径拡大部）の成長界面４３ａ近傍に気泡が高濃度で生成するために、それらが成長界面４３ａにおいてサファイア単結晶４３中に取り込まれ、いわゆる結晶肩部と呼ばれる結晶表面付近の気泡密度が高くなる。加えて、上述の場合と同様に、固化後に結晶内部に取り込まれた過飽和ガス成分の集積によるマイクロボイドも生じる。結晶肩部の気泡密度が高くなると、そこで輻射光が散乱されるために結晶内部の温度差が小さくなり、成長に伴って発生する固化潜熱が種結晶４１方向へ逃げ難くなる。その結果、熱の流れは結晶肩部表面から上方空間へ逃げる割合が高くなる。加えて、坩堝外周部から中心部に向かって流れる融液の熱対流が育成結晶の成長界面直下で正面衝突に近い角度で衝突するために、サファイア単結晶４３直下において対流に乱れが生じる。ここで、対流の乱れとは、熱対流の他に、衝突によって上方（つまり、成長界面方向）の流れが生じることをいう。これらによって、凹状の成長界面が形成され、前記の結晶径拡大部だけでなく、結晶中心部においても気泡が取り込まれ易くなる。更に、凹界面成長によるリネージの集積による多結晶化も起こり易くなる。
【００４４】
以上に説明した理由から、高品質のサファイア単結晶を再現性良く得るためには、サファイア単結晶育成の初期段階である肩部形成時から、成長界面の形状を原料融液側に凸状とし、この際の先端角度を所望の範囲に制御することが好ましい。
【００４５】
そして、成長界面の形状を原料融液側に凸状とし、この際の先端角度を所望の範囲とするためには、サファイア単結晶育成時、断熱空間の温度勾配を適正な範囲とし、適切なシーディング温度とすることが好ましい。
【００４６】
そこで、図１に示した本実施形態のサファイア単結晶の製造方法で好適に使用できるサファイア単結晶育成装置１０は、既述のように坩堝１２の底面を加熱する円盤状ヒータ１３、および坩堝１２の外周面を加熱する円筒状ヒータ１４を有することが好ましい。そして、円盤状ヒータ１３、及び円筒状ヒータ１４の出力比を調整できるように構成していることが好ましい。具体的には例えば図示しない制御手段により両ヒータに対する出力比を調整するように構成することができる。
【００４７】
このように原料融液を加熱するヒータを、坩堝１２の底面加熱用の円盤状ヒータ１３と、坩堝１２の側面加熱用の円筒状ヒータ１４とで２分割し、ヒータの出力比を調整することで原料融液２１内を含む断熱空間１５の温度勾配を適正な範囲に精密に制御することができる。このため、気泡の取り込みや結晶欠陥の発生を防止し、結晶育成の初期段階である肩部形成時から、成長界面の形状を適切な開き角をもつ原料融液側に凸状の形状とすることができる。
【００４８】
なお、上述したようにサファイア単結晶を製造する際、サファイア単結晶の凸状の成長界面の先端角度θは所望の範囲であることが好ましい。係る先端角度θの好適な範囲や、そのための温度制御の条件は、装置のサイズ等により異なるため、例えば予め予備試験を実施することにより実験的に求めることができる。
【００４９】
また、図１に示したサファイア単結晶育成装置１０において、原料融液２１内を含む断熱空間１５の温度勾配を適正な範囲とする方法は、上述の方法に限られるものではない。例えば原料融液２１上方空間に図示しない熱反射板を設けたり、円盤状ヒータ１３、及び円筒状ヒータ１４の位置と、原料融液との位置を調整し、原料融液２１を含む断熱空間１５内の温度勾配を適切なものとすることもできる。また、これらの方法（手段）を組み合わせて用いることもできる。
【００５０】
サファイア単結晶育成装置に熱反射板を設ける場合、その形態としては特に限定されるものではなく任意の構成とすることができる。例えば図１に示したサファイア単結晶育成装置１０の断熱空間１５内における坩堝１２の上方の空間に、引き上げ軸１９の軸方向に所定間隔をもって配置され、径方向中央部に開口を有する複数の円輪状の板状体を含む多層型熱反射板とすることができる。なお、この場合熱反射板を構成する板状体に形成された開口部の大きさは特に限定されないが、例えば坩堝１２側から上方に向かうにしたがって、順次小さくなるように構成することができる。
【００５１】
図１に示したサファイア単結晶育成装置１０はさらに、原料融液２１表面の温度や、原料融液２１を内在している坩堝１２の底部外表面温度を放射温度計や、熱電対を用いて測定することができる。これによりシーディング温度を適正化することができる。
【００５２】
具体的には例えば図１に示すように、観察窓２３ａを介して原料融液表面の温度を測定する原料融液表面温度測定手段２３を設けることができる。原料融液表面温度測定手段２３としては例えば放射温度計を用いることができる。
【００５３】
坩堝１２の底部外表面温度を測定する手段として例えば支持軸１８を貫通する貫通孔を設け、該貫通孔内に坩堝底部温度測定手段２４を設けることができる。坩堝底部温度測定手段２４としては例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。
【００５４】
また、上記温度測定手段以外にもサファイア単結晶育成装置１０の側面に設けたポート（観察窓）２５ａから坩堝１２の外表面のうち側面の温度を測定する坩堝側面温度測定手段２５を設けることができる。坩堝側面温度測定手段２５は例えば放射温度計や熱電対を用いることができる。なお、坩堝側面温度測定手段２５は、坩堝１２の側面の任意の位置において測定できるように高さ方向の位置を変更、調整できるように構成することもできる。この場合、ポート（観察窓）２５ａは、例えば高さ方向に長いスリット状の形状とすることもできる。また、円筒状ヒータ１４についても坩堝側面温度測定手段２５と干渉しないように、必要に応じてスリットや開口部等を設けておくこともできる。
【００５５】
以上のように原料融液２１内を含む断熱空間１５内の温度勾配や、シーディング温度を適切な温度とすることにより育成するサファイア単結晶内に気泡、リネージ、多結晶化等の不良が発生することを抑制することができる。
【００５６】
しかしながら、サファイア単結晶を製造する際、結晶化率を高めようとすると、上述のようにサファイア単結晶の育成後半において、底付きや、融液固化と呼ばれる現象が生じ、結晶化率を高めることが困難であった。なお、底付きとは育成結晶底部が坩堝底内壁と固着してしまう現象を、融液固化とは坩堝内に残った原料が育成途中で瞬時に固化してしまう現象を指す。
【００５７】
そこで、本発明の発明者らはサファイア単結晶の育成後半において、上述した底付き、もしくは融液固化が発生し、育成結晶の結晶化率が制限される理由について検討を行った。
【００５８】
本発明の発明者らの検討によると、サファイア単結晶の育成後半において底付きや、融液固化が発生するのは、サファイア単結晶の育成の進行に伴って、成長界面から、育成したサファイア単結晶内を通って流れる熱量が増大することに起因すると考えられる。
【００５９】
サファイア単結晶の結晶成長は、原料融液との成長界面において、融点以上に保持された原料融液から潜熱を奪い、その奪われた熱が成長界面近傍に留まることなく、融点以下である結晶低温部へ流れることで進行する。結晶成長が進行し、それに伴って育成結晶の体積が増大し、結晶表面からの放熱量が大きくなると、結晶内の熱流量も大きくなる。結晶成長が制御可能な状態で進行している時は、ヒータから原料融液に供給される熱量に対して、成長界面から奪う熱量が若干多い状態で定常状態となっており、成長界面は準平衡状態で前進している。
【００６０】
しかし、ヒータから原料融液に供給される熱量の方が多い方向にこのバランスが崩れると、成長界面の前進停止、更には後退が起こる。つまり、育成結晶の成長停止、更には融解が起こる。一方、成長界面から奪う熱量がより多い方向にバランスが崩れると、成長界面の前進速度が増大する。更には、急成長や、残原料融液の全量固化に至る。
【００６１】
サファイア単結晶の育成後半においては、原料融液の残量が育成初期と比較すると大きく減少しており、且つ、原料融液表面から上方の空間に存在している育成結晶の体積が大きくなっている。加えて、育成結晶上部は融点からの温度差が大きい低温部へ引上られている。それゆえ、育成結晶表面からの放熱量が非常に大きくなり、成長界面から育成結晶を通して流れる熱量が増大している。一方、育成後半においては、育成結晶の成長界面と、坩堝の側壁、及び底面との距離が近接しており、結晶側面と坩堝の側壁の間に存在する融液の厚さ、結晶底面と坩堝の底面の間に存在する融液の深さが小さくなっている。従って、結晶成長が進行するに伴い、熱流量が多くなる上に熱交換が短距離で行われるために、ヒータから融液に供給される熱量と成長界面から奪われる熱量のバランス制御が困難となる。
【００６２】
サファイア単結晶の結晶育成においては、育成の進行に合わせて、ヒータ出力、引上速度を調整し成長速度を制御することもなされている。しかし、ヒータには発熱分布が存在する。特に、坩堝側面を加熱する円筒状ヒータは通常、ヒータの高さ方向での中心位置が最も発熱量が多く、そこから上下方向に離れるに従って発熱量が減少する。育成が進行し、原料融液残量が少なくなってくると、原料融液表面位置は側面ヒータの発熱量が小さい下方向へ移動することになる。それに対して、育成結晶の表面積、体積は増大していくので、成長界面から奪う熱量は増大する。それに対応して、ヒータ出力の調整等を実施しても、上述したヒータ内の発熱分布の影響で結晶成長速度の調整は非常に困難となっている。
【００６３】
特に、原料融液の残量が、初期原料融液量の２割程度となると、成長界面から奪われる熱量が非常に大きくなっているために、ヒータ出力の調整、引上速度の調整のみでは成長界面の前進速度を制御出来ずに、急成長が発生し、底付き、融液固化を回避することが出来なかった。
【００６４】
そこで、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法では既述のように、種結晶の引き上げ開始後に、円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータを坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施できる。
【００６５】
このように、サファイア単結晶の育成の進行に伴って、坩堝に対するヒータの相対位置を変化させることで、育成後半においても原料融液に対して適切な熱量を供給することが可能になり、成長速度の制御を容易にし、育成中の底付き、融液固化を防止できる。
【００６６】
このため、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、投入原料重量に対する結晶化率（固化率）が８０％以上のサファイア単結晶を育成することができる。特に本実施形態のサファイア基板の製造方法においては投入原料重量に対する結晶化率は８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
【００６７】
なお、投入原料重量に対する結晶化率は以下の式（１）により算出することができる。（投入原料重量に対する結晶化率）＝１００×（得られたサファイア単結晶の重量）／（投入原料重量）・・・式（１）
円筒状ヒータ降下工程においては、例えば育成の進行に伴う原料融液表面位置の降下速度に対応して、坩堝１２の側壁を加熱する円筒状ヒータ１４を降下させることができる。上述のように円筒状ヒータ１４は高さ方向での中心位置またはその近傍に発熱量のピークがある。このため、円筒状ヒータ降下工程を実施することにより、原料融液の表面位置の降下に応じて円筒状ヒータ１４を降下させることで原料融液２１に適切な熱量を供給することが可能になる。
【００６８】
円筒状ヒータ降下工程において、円筒状ヒータを降下させる速度は特に限定されるものではなく、例えば算出した原料融液表面位置の降下速度に応じて選択することができる。特に円筒状ヒータ降下工程では、円筒状ヒータ１４の最も高温部分の高さが、原料融液２１の表面高さ±３０ｍｍ以内となるように、円筒状ヒータ１４を降下させることが好ましい。
【００６９】
これは、円筒状ヒータ１４の最も高温部分の高さを原料融液の表面高さ±３０ｍｍ以内となるように円筒状ヒータ１４を降下させることで、原料融液の表面近傍に円筒状ヒータ１４の最も高温部分を配置することができ、原料融液２１に十分な熱量を供給できるためである。特に、円筒状ヒータ降下工程では、円筒状ヒータ１４の最も高温部分の高さが、原料融液２１の表面高さ±１５ｍｍとなるように円筒状ヒータ１４を降下させることがより好ましい。
【００７０】
なお、円筒状ヒータ１４の最も高温部分の高さは、例えば予め円筒状ヒータ１４の高さ方向について最も高温になる部分を検出しておき、その位置を該円筒状ヒータ１４の最も高温になる部分の高さとすることができる。また、円筒状ヒータ１４の高さ方向の中央部分を円筒状ヒータの最も高温部分とみなしてもよい。
【００７１】
また、円盤状ヒータ移動工程においては、坩堝１２の底部を加熱する円盤状ヒータ１３を上昇させることができる。図１に示したように、坩堝１２内に入れた原料を溶融させ、シーディングを行う際や単結晶の育成初期には、円盤状ヒータ１３は坩堝１２の底部から離隔して配置することができる。そして、円盤状ヒータ移動工程では、円盤状ヒータ１３を上昇させることにより、円盤状ヒータ１３と、坩堝１２との間の距離を縮めることができる。円盤状ヒータ１３を坩堝１２の底面に近づけることにより、原料融液２１に対して十分な熱量を供給することができるためである。
【００７２】
円盤状ヒータ移動工程において、円盤状ヒータ１３を移動させる速度は特に限定されるものではなく、例えば予備試験等により算出した速度や、断熱空間１５内の温度、その他の制御条件等に応じて任意に選択することができる。例えば、円盤状ヒータ移動工程は、円盤状ヒータ１３を、種結晶の引上げ速度の１／２０以上１／５以下の速度で上昇させることができる。
【００７３】
これは円盤状ヒータ１３を上昇させる際の移動速度が、結晶引上げ速度の１／２０未満であると、原料融液２１の減少に伴い必要となる熱量を十分に供給できない恐れがあるためである。また、円盤状ヒータ１３を上昇させる際の移動速度が、結晶引上げ速度の１／５よりも速いと原料融液２１に対して供給する熱量が過剰になる恐れがあるためである。特に円盤状ヒータ移動工程は、円盤状ヒータ１３を結晶引上げ速度の１／１５以上１／５以下の速度で上昇させることがより好ましい。
【００７４】
円筒状ヒータ降下工程と、円盤状ヒータ移動工程とは、いずれか一方のみを実施しても底付きや融液固化を回避することができ、結晶化率を高めることができるが、特に両工程を実施することがより確実に底付きや融液固化の発生を抑制する観点からは好ましい。
【００７５】
円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程を実施するタイミングは上述のように種結晶の引き上げ開始後の任意のタイミングで実施することができるが、例えば、サファイア単結晶の肩部が形成された後に実施することが好ましい。
【００７６】
なお肩部が形成された後、サファイア単結晶の直胴部が確認された後に円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程を実施することもできる。また、原料融液の固化率が５０％以上の時に実施することもできる。
【００７７】
ここで、図４を用いてサファイア単結晶の肩部、及び直胴部について説明する。図４は得られるサファイア単結晶の中心軸を通る面における断面図を模式的に示したものである。育成するサファイア単結晶は、既述のように原料融液に種結晶を接触させた後、該種結晶を回転させながら引き上げることにより育成することができる。種結晶の引き上げ開始当初は、サファイア単結晶は幅方向へも成長する。そして、幅方向への成長が飽和した後は、幅方向への成長はほとんど観察されず、引き上げ方向に沿って成長することとなる。
【００７８】
このため、図４に示した様に得られるサファイア単結晶のうち、種結晶５１側であって、種結晶の引き上げ開始後、幅方向の成長が生じていた部分は略円錐形状となり、この部分Ａを肩部と呼ぶ。
【００７９】
そして、幅方向への成長が飽和した後は上述の様に幅方向の成長はほとんど見られなくなるため略柱状形状となり、この部分Ｂを直胴部と呼ぶ。
【００８０】
なお、本実施形態の説明においては既に肩部との用語を用いているが、ここで説明したものと同様の意味を有している。
【００８１】
従って上述のようにサファイア単結晶の肩部が形成された後に円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程を実施するとは、育成しているサファイア単結晶の幅方向の成長が飽和したことを確認した後に上述の工程を実施することを意味している。すなわち、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては、サファイア単結晶育成後半の直胴部育成時において、円筒状ヒータ降下工程および／または円盤状ヒータ移動工程を実施することができる。
【００８２】
既述のように円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程は、底付きや融液固化が生じることの防止を主な目的として実施する工程であり、底付きや融液固化は主にサファイア単結晶の育成後半に生じる。このため、上述のように円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程は、サファイア単結晶育成の育成後期である肩部が形成された後に好適に実施することができる。
【００８３】
なお、上述した円筒状ヒータ降下工程および／または円盤状ヒータ移動工程を実施する際の各ヒータの出力等の制御方法は特に限定されるものではなく、例えば予め予備試験等より求めておいた条件により制御することもできる。
【００８４】
特に、精密に制御できるように、サファイア単結晶育成中に実際に計測した温度等の測定値にあわせてヒータの出力を最適な条件に制御し、結晶成長速度を所望の値とすることが好ましい。この場合、本実施形態のサファイア単結晶製造方法に用いることができる図１に示したサファイア単結晶育成装置１０は温度等を検出するための任意の測定手段を有することができる。
【００８５】
具体的には例えば、サファイア単結晶育成装置は、サファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段と、坩堝の外表面のうち側面の温度を測定する手段と、坩堝の外表面のうち底部の温度を測定する手段とを備えることができる。
【００８６】
図１に示したサファイア単結晶育成装置１０の場合、例えばサファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段として、観察窓２６ａを介してサファイア単結晶肩部表面温度を測定するサファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６を有することができる。サファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６としては例えば放射温度計を用いることができる。
【００８７】
また、坩堝１２の外表面のうち側面の温度を測定する手段としては、例えば既述のようにサファイア単結晶育成装置１０の側面に設けたポート（観察窓）２５ａから坩堝１２の外表面のうち側面の温度を測定する坩堝側面温度測定手段２５を設けることができる。坩堝側面温度測定手段２５は例えば放射温度計や熱電対を用いることができる。
【００８８】
なお、坩堝側面温度測定手段２５はその温度測定位置を任意に変更できるように構成することもできる。この場合、例えば予め計算した原料融液表面位置の降下速度に対応して温度の測定位置を変化できるように構成することができる。具体的には原料融液表面位置に対応した側面部分の温度を測定できるように構成することが好ましい。
【００８９】
坩堝１２の外表面のうち底部の温度を測定する手段としては、例えば既述のように支持軸１８を貫通する貫通孔を設け、該貫通孔内に坩堝底部温度測定手段２４を設けることができる。坩堝底部温度測定手段２４としては例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。
【００９０】
なお、図１に示したサファイア単結晶育成装置１０には、原料融液表面温度測定手段２３と、サファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６とを設けた例を示しているが、係る形態に限定されるものではない。例えば、原料融液２１の表面温度、およびサファイア単結晶２２肩部の表面温度は１つの温度測定手段により検出するように構成してもよい。
【００９１】
そして上述のように、サファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６、坩堝側面温度測定手段２５、坩堝底部温度測定手段２４により測定したサファイア単結晶肩部表面温度と、坩堝側面温度、坩堝底面温度に基づいて円筒状ヒータ１４および／または円盤状ヒータ１３の出力を制御するように構成することもできる。
【００９２】
なお、制御のパラメータとしては上述の各種温度測定手段により検出した温度に限定されるものではない。例えば育成しているサファイア単結晶の重量を検出できるように構成し、育成しているサファイア単結晶の重量もヒータ出力の制御の際のパラメータとして用いることもできる。
【００９３】
また、ここではヒータの出力の制御についてのみ説明したが、円筒状ヒータ降下工程、および／または円盤状ヒータ移動工程における各ヒータの位置や移動速度についても上述の各種温度測定手段により検出した温度等により制御するように構成することもできる。
【００９４】
以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶製造方法によれば、結晶育成後半における育成結晶の底付きや、融液固化の発生を抑制することができる。このため、投入原料に対する結晶化率を高くすることができ、大型のサファイア単結晶を収率よく製造することができる。
【実施例】
【００９５】
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。
【００９６】
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。
（偏光検査）
偏光検査は、育成によって得られたサファイア単結晶をヨウ化メチレンに浸して白色光源を照射することで行った。
（Ｘ線トポグラフ）
Ｘ線トポグラフは、大試料ラングカメラ（株式会社リガク製、ＬＧＬ−８）を用いて評価した。
【００９７】
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について説明する。
［実施例１］
以下に説明する多層反射板、および重量センサ等をさらに設けた点以外は、図１に示したサファイア単結晶育成装置１０と同様の構成を有するサファイア単結晶育成装置を使用して、サファイア単結晶の育成を行った。
【００９８】
図５を用いて本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置に設置した多層反射板の構成について説明する。図５は図１における坩堝１２及びその上部を模式的に示したものであり、その他の構成については記載を省略している。また、図１と同じ部材については同じ番号を付している。
【００９９】
図５に示す様に多層反射板６１は坩堝１２及び坩堝１２内に配置された原料融液２１の上方に設けた。多層反射板６１は、引き上げ軸１９の軸方向に所定間隔をもって、円輪状の板状体である熱反射板が複数枚配置された構造を有している。そして、各熱反射板の径方向の中央部には、引き上げ軸１９、ホルダ１９ａを介して取り付けられた種結晶２０、及び種結晶２０の先に成長したサファイア単結晶２２と干渉しないように、開口部が設けられている。該開口部は、坩堝１２側から上方に向かうに従って、開口径が順次小さくなるように形成されている。
【０１００】
育成中のサファイア単結晶重量を測定するため、引き上げ軸１９に図示しない重量センサを設けている。そして、重量センサで検出した重量増加速度に対応してヒータ出力を制御するように構成している。
【０１０１】
なお、本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置１０においては、図１に示したサファイア単結晶装置と同様に、上部に観察窓２３ａを介して原料融液２１の表面温度を測定するための原料融液表面温度測定手段２３として放射温度計が設けられている。また、支持軸１８を貫通して坩堝１２の底部温度を測定するための坩堝底部温度測定手段２４として熱電対が設置され、観察窓２５ａを介して坩堝１２の外表面のうち側面部の温度を測定するための坩堝側面温度測定手段２５として放射温度計が設置されている。さらに、観察窓２６ａを介してサファイア単結晶肩部の表面温度を測定するためのサファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６として放射温度計が設置されている。
【０１０２】
また、育成中の炉内の観察は図１には図示しない観察窓を介してビデオカメラ、または目視で行っており、ビデオカメラ画像は炉外に設置したモニタでリアルタイムに確認できる。育成中に炉内観察を実施する場合には、遮光フィルターを介して行っている。
【０１０３】
さらに、本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置は、炉内を所望の雰囲気に制御するための図示しないガス供給手段、およびガス排気手段等を有している。
【０１０４】
以下に具体的に本実施例でサファイア単結晶を育成した際の手順、条件について説明する。なお、本実施例で育成したサファイア単結晶の育成方位は、ａ軸とした。
【０１０５】
まず、原料として１２０ｋｇの多結晶酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を坩堝１２（直径：４００ｍｍφ）に充填し、この坩堝１２をサファイア単結晶育成装置の支持軸１８上に設置した。原料の純度は、４Ｎであった。また、Ｍｏ製の引き上げ軸１９の先端部に、Ｍｏ製のホルダを１９ａ介して種結晶２０を保持した。
【０１０６】
その後、炉内の雰囲気をＡｒガス雰囲気とした後、カーボン製の円盤状ヒータ１３および円筒状ヒータ１４により坩堝１２内の原料を２０５０℃以上に加熱し、融解した。
【０１０７】
原料が完全に融解したことを炉内観察用の観察窓を介して撮影したビデオカメラ画像、及び原料融液表面温度測定手段２３、及び坩堝側面温度測定手段２５の放射温度計、坩堝底部温度測定手段２４の熱電対の温度測定値から確認した。次いで、原料融液表面温度測定手段２３を用いて原料融液表面の温度を測定し、該温度を酸化アルミニウムの融点より２℃高い温度となるように調整した。この時、坩堝底部温度測定手段２４の熱電対の測定値は酸化アルミニウム融点よりも１５℃高い値であった。更に、融液表面位置に対応する位置で坩堝側面温度測定手段２５により測定した坩堝側面の温度は、酸化アルミニウム融点よりも１２℃高い値であった。予め実施した予備試験によれば、各測定値が上記値となることで、原料融液内を含む断熱空間１５内の温度勾配、及び原料融液の温度がサファイア単結晶の育成、及びシーディングにとって適した温度になっている。
【０１０８】
なお、この時の円盤状ヒータの出力（Ｗ１）と、円筒状ヒータ１４の出力（Ｗ２）との比であるヒータ出力比は（Ｗ２／Ｗ１）は１．５とした。
【０１０９】
この状態で、十分に放置し温度を上述の温度で安定させた後に、シーディング作業を実施した。種結晶２０の先端部が原料融液２１と馴染んだことをビデオカメラ画像で確認した後に、引上速度２ｍｍ／ｈｒで種結晶の引上を開始した。引上開始後、円盤状ヒータ１３、円筒状ヒータ１４の出力を徐々に降下させて、育成結晶径を拡大し、肩部形成を行った。
【０１１０】
結晶肩部形成後、直胴部育成に移行する際に、種結晶、及びサファイア単結晶の引上速度を１ｍｍ／ｈｒに変更した。直胴部育成時は、単位時間当たりの結晶重量増加量が５００ｇ／ｈｒとなるように円盤状ヒータ１３、及び円筒状ヒータ１４の温度を設定した。育成結晶重量が、投入原料重量の５０％に達した時点で、円盤状ヒータ移動工程と、円筒状ヒータ降下工程と、同時に開始した。円盤状ヒータ移動工程では速度０．１ｍｍ／ｈｒで円盤状ヒータ１３を上昇させた。円筒状ヒータ降下工程では速度１ｍｍ／ｈｒで円筒状ヒータの降下を実施した。
【０１１１】
円盤状ヒータ移動工程と、円筒状ヒータ降下工程と、同時に開始した際の、坩堝底部温度測定手段２４の熱電対の測定値は酸化アルミニウム融点よりも１２℃高かった。また、両工程開始時の融液表面位置に対応する位置で坩堝側面温度測定手段２５により測定した坩堝側面の温度は酸化アルミニウム融点よりも１０℃高かった。さらに、両工程開始時のサファイア単結晶肩部表面温度測定手段２６により測定したサファイア単結晶肩部表面温度は酸化アルミニウム融点よりも１４℃低くなっていた。
【０１１２】
円盤状ヒータ移動工程、および円筒状ヒータ降下工程を開始後は、結晶肩部表面温度の降下速度に比例して坩堝底温度、坩堝側壁温度が変化するようにヒータ出力変化速度を調整した。なお、円筒状ヒータ降下工程において、予め検出しておいた円筒状ヒータの最も高温部分の高さは、原料融液の表面高さ±１５ｍｍ以内に維持されていた。この際の原料融液の表面高さは、種結晶、及びサファイア単結晶の引上げ速度から算出したものである。
【０１１３】
その結果、重量１１７ｋｇ（最大直径：３００ｍｍ、長さ４８０ｍｍ）のサファイア単結晶を得た。すなわち、投入原料重量（１２０ｋｇ）に対する結晶化率は９７．５％にまで到達することが確認できた。
【０１１４】
得られたサファイア単結晶の結晶性を偏光検査によって観察した結果、粒界のない単結晶であること、および、ボイド欠陥は育成開始直後に若干あるだけで、直胴部には全くない高品質な単結晶であることが確認された。
【０１１５】
本結晶から、引上軸と平行に且つ引上軸を含むｃ面で切り出した試料（縦切り試料）を作製し、Ｘ線トポグラフにより結晶欠陥の分布観察を行ったところ、ボイドは偏光観察結果と同様に、結晶の上半部に僅かに存在するのみであった。また、縦切り試料の全領域において、リネージの形成も無いことが確認できた。
【０１１６】
さらに、本条件と同一の条件で結晶を育成し、その下半部と上半部とからそれぞれｃ軸６インチφインゴットを２本打抜き、それぞれのインゴットをワイヤソーにより基板状に切り出した後に、研磨加工をして６インチφ、１ｍｍ厚のｃ面サファイア単結晶基板を得た。得られた単結晶基板から１０枚おきにサンプリングして、前記縦切り試料と同様に、Ｘ線トポグラフ観察を行ったところ、全ての基板でリネージは観察されなかった。
【０１１７】
次いで、これらのｃ面サファイア単結晶基板の半値幅（ＦＷＨＭ）の測定をＸ線回折装置を用いて行った。その結果、全ての基板のＦＷＨＭ値が、６″±２″の範囲であり、育成結晶全体に渡って非常に優れた結晶性であることが確認された。
［実施例２］
育成結晶重量が、投入原料重量の５０％に達した後に円盤状ヒータ移動工程を実施せず、円筒状ヒータ降下工程のみを実施した点以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
【０１１８】
その結果、結晶重量が１１２ｋｇに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量１１２ｋｇ（最大直径：３００ｍｍ、長さ４６５ｍｍ）のサファイア単結晶であった。すなわち、投入原料重量（１２０ｋｇ）に対する結晶化率は９３．３％にまで到達することが確認できた。
【０１１９】
得られたサファイア単結晶について実施例１と同様に、偏光検査、及びＸ線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、Ｘ線トポグラフを用いた評価は実施例１の場合と同様に縦切り試料と、ｃ面サファイア単結晶基板について実施した。
【０１２０】
また、実施例１と同様に作製したｃ面サファイア単結晶についてＸ線回折測定を実施したところ、実施例１と同等の結晶性を有することも確認できた。
［実施例３］
育成結晶重量が、投入原料重量の５０％に達した後に円筒状ヒータ降下工程を実施せず、円盤状ヒータ移動工程のみを実施した点以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
【０１２１】
その結果、結晶重量が１０８ｋｇに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量１０８ｋｇ（最大直径：３００ｍｍ、長さ４５２ｍｍ）のサファイア単結晶であった。すなわち、投入原料重量（１２０ｋｇ）に対する結晶化率は９０．０％にまで到達することが確認できた。
【０１２２】
得られたサファイア単結晶について実施例１と同様に、偏光検査、及びＸ線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、Ｘ線トポグラフを用いた評価は実施例１の場合と同様に縦切り試料と、ｃ面サファイア単結晶基板について実施した。
【０１２３】
また、実施例１と同様に作製したｃ面サファイア単結晶についてＸ線回折測定を実施したところ、実施例１と同等の結晶性を有することも確認できた。
［比較例１］
育成結晶重量が、投入原料重量の５０％に達した後に円筒状ヒータ降下工程、および円盤状ヒータ移動工程を実施しなかった点以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
【０１２４】
その結果、結晶重量が９５ｋｇに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量９５ｋｇ（最大直径：３００ｍｍ、長さ４１５ｍｍ）の単結晶であった。すなわち、投入原料重量（１２０ｋｇ）に対する結晶化率は７９．１％と低くなることが確認された。
【０１２５】
得られたサファイア単結晶について実施例１と同様に、偏光検査、及びＸ線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、Ｘ線トポグラフを用いた評価は実施例１の場合と同様に縦切り試料と、ｃ面サファイア単結晶基板について実施した。
【０１２６】
また、実施例１と同様に作製したｃ面サファイア単結晶についてＸ線回折測定を実施したところ、実施例１と同等の結晶性を有することも確認できた。
［比較例２］
育成結晶重量が、投入原料重量の５０％に達した後に円筒状ヒータ降下工程、および円盤状ヒータ移動工程を実施しなかった点以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶の育成を実施した。
【０１２７】
そして、結晶重量が９５ｋｇに達したところで成長速度の制御が困難となったが、ヒータ出力変化速度、引上速度の再調整を行い育成を継続した。しかし、結晶重量が９７ｋｇに達した時点で結晶の底付きが発生し、育成を中止せざるを得なくなった。引上を停止し、ヒータ出力を上げて、結晶と坩堝の固着を解消した後に冷却した。得られた結晶は重量８９ｋｇ（最大直径：３００ｍｍ、長さ３９０ｍｍ）であったが、クラックが発生しており、単結晶を得ることが出来なかった。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  サファイア単結晶育成装置
１２  坩堝
１３  円盤状ヒータ
１４  円筒状ヒータ
２０  種結晶
２１  原料融液
２２  サファイア単結晶
２４  坩堝底部温度測定手段
２５  坩堝側面温度測定手段
２６  サファイア単結晶肩部表面温度測定手段
【図１】
2016130205.tif 000003
【図２】
2016130205.tif 000004
【図３】
2016130205.tif 000005
【図４】
2016130205.tif 000006
【図５】
2016130205.tif 000007