(57)【要約】【課題】  低いコストで着色の少ないサファイアを生産性よく製造する。【解決手段】  本開示における１つのサファイアの製造方法は、１次原料であるアルミナのＳｉの含有量を確認する工程と、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように２次原料を調合する工程と、前記２次原料を溶融して融液とする工程と、前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含む。本開示における他のサファイアの製造方法は、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であるアルミナ原料を準備する工程と、前記アルミナ原料を溶融して融液とする工程と、前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次原料であるアルミナのＳｉの含有量を確認する工程と、
Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように２次原料を調合する工程と、
前記２次原料を溶融して融液とする工程と、
前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含むことを特徴とするサファイアの製造方法。
【請求項２】
Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であるアルミナ原料を準備する工程と、
前記アルミナ原料を溶融して融液とする工程と、
前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含むことを特徴とするサファイアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、サファイアの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＫＹ法（カイロポーラス法）などの単結晶製造方法によって製造されたサファイアが、様々な用途に使用されている。サファイアはアルミナの単結晶からなり、透過率が高い、機械的強度が高い、薬品等に対する耐食性が高い、などの様々な特徴を有している。
【０００３】
例えば真空チャンバの窓部材や、半導体発光素子の成長基板として用いられる場合など、サファイアはなるべく無色透明、すなわち着色されていないことが望まれている。
【０００４】
しかしながら、サファイアは、サファイアの内部（アルミナ単結晶の内部）に含まれるＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ（以下、金属元素と記載する。）の影響で、黄色や赤色などの色味がかった状態になり易い（着色し易い）ことが知られている。特に紫外光が照射された場合など、この色味の変化が顕著に現れることが知られている。
【０００５】
下記特許文献１〜３には、このような色味の変化を抑制するために、金属元素の含有量を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２９４６１５号公報
【特許文献２】特開２００４−１２３４６７号公報
【特許文献３】特開平６−１１５９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
着色成分となる金属元素の含有量を抑制する、すなわち、サファイアの原料となるアルミナの純度を高くするには、精製には多大なコストを要するため、アルミナの価格が高くなっていた。また、着色成分となる金属元素は、サファイアの製造過程において、単結晶製造装置を構成する部材から混入する場合もあるが、金属元素を含まない部材により構成した単結晶製造装置は高価であった。また、混入の抑制を目的に部材の交換頻度を高めれば、生産性が低下するとともに、掛かるコストが大きいものとなる。
【０００８】
本開示は、低いコストで着色の少ないサファイアを生産性よく製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示における１つのサファイアの製造方法は、１次原料であるアルミナのＳｉの含有量を確認する工程と、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように２次原料を調合する工程と、前記２次原料を溶融して融液とする工程と、前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含む。
【００１０】
本開示における他のサファイアの製造方法は、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であるアルミナ原料を準備する工程と、前記アルミナ原料を溶融して融液とする工程と、前記融液を用いて単結晶からなるサファイアを成長させる工程とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
金属元素である、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉをそれぞれ３０ｐｐｍ含む原料であっても、低いコストで着色が少ないサファイアを生産性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示のサファイア製造方法の一例における単結晶製造装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示の実施形態を、図を参照しながら説明する。
【００１４】
＜単結晶サファイア製造装置＞
図１は、本開示のサファイアの製造方法の一例における単結晶製造装置１の概略断面図である。この単結晶製造装置１は、ＫＹ法（カイロポーラス法）を実施するための製造装置である。なお、本開示は、ＫＹ法に限らず、ＣＺ法（チョクラススキー法）、ＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed法）、ブリッジマン法など、原料であるアルミナの融液を固化してサファイアを得るサファイア製造方法の全般に適用することができる。
【００１５】
単結晶製造装置１は、断熱部材１１、チャンバ１２、坩堝１３、加熱手段１４を備える。断熱部材１１は、例えばジルコニアを主成分とする部材である。断熱部材１１の内側下方には、例えばイリジウムを主成分とする坩堝１３が配置されている。坩堝１３は、原料であるアルミナが収容されるものであり、タングステン、モリブデンなどの高融点金属を主成分とする。加熱手段１４は、例えば、カーボン製の抵抗加熱ヒータであり、ヒータに電流が供給されて抵抗加熱によって昇温し、坩堝１３の内部に収容されたアルミナを加熱するものである。坩堝１３の内部においてアルミナは、加熱手段１４による加熱によって溶融され、融液１８となり坩堝１３内に貯溜される。
【００１６】
チャンバ１２の内部にはアルゴンなどの不活性ガスと酸素とを混合した混合ガスが供給される。単結晶製造装置１は、チャンバ１２の上面を貫通して鉛直方向に伸びる支持棒１５を備えている。支持棒１５は、鉛直方向への移動および軸を中心とする回転が可能となるように取り付けられている。支持棒１５の下方先端には種結晶１６が取り付けられている。
【００１７】
＜サファイアの製造方法＞
まず、１次原料であるアルミナのＳｉの含有量を確認する。サファイアの製造に用いられるアルミナにおけるＳｉの含有量は、数ｐｐｍ以下である。次に、１次原料のアルミナのＳｉの含有量に応じて、例えば、Ｓｉ単結晶の粉末等を混合させ、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下となるように調合して２次原料とする。
【００１８】
そして、上記２次原料を坩堝１３内に収容する。次に、加熱手段１４に電流を流し、２次原料が投入された坩堝１３を加熱する。坩堝１３の内部においてアルミナは、加熱手段１４による加熱によって溶融され、融液１８となり坩堝１３内に貯溜される。
【００１９】
次に、支持棒１５の下端に取り付けられた種結晶１６を下方に移動させ、融液１８と接触した状態の所定位置に固定する。この状態で加熱手段１４に流す電流の大きさを調節して加熱手段１４による加熱の程度を徐々に小さくして、坩堝１３の温度、ひいては融液１８の温度を徐々に低下させる。融液１８の温度の低下にともなって、種結晶１６を核としてサファイアのインゴット１７が成長していく。このサファイアのインゴット１７の成長の際、融液１８に接触させた種結晶１６をゆっくり回転させてもよい。また、ゆっくりと上方に引き上げながら成長させてもよい。そして、サファイアのインゴット１７が所定の大きさになった後に、支持棒１５を引き上げてサファイアのインゴット１７の全体を取り出す。
【００２０】
本実施形態では、２次原料におけるＳｉの含有量を１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下に調整していることにより、金属元素である、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉをそれぞれ３０ｐｐｍ含む原料であっても、低いコストで生産性よく製造することができる。
【００２１】
Ｓｉはサファイアを構成するＡｌやＯと異なる元素であり、サファイアの不純物の１つである。当然、アルミナ原料に含まれるＳｉも、なるべく少ない方が好ましいと考えられていた。また、アルミナ原料に含まれる不純物には、製造されるサファイアのインゴット１７に含まれる気泡（泡不良と呼ばれる）の原因となるものがあり、Ｓｉを過剰に添加するとインゴット１７に含まれる気泡が増加する。しかしながら、原料となるアルミナ（上記においては２次原料）のＳｉの含有量を１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下に調整することにより、Ｓｉの含有に起因する気泡の発生を抑えつつ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉの含有量がそれぞれ３０ｐｐｍ以下程度であれば、サファイアの着色が抑制されることを本願発明者は見出した。
【００２２】
原料となるアルミナのＳｉの含有量を１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とすることで、製造したサファイアの着色が少なくなるのは、融液１８において、Ｓｉが、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉなどの着色の原因となる金属元素と反応して、これらの元素が製造したサファイア（サファイアのインゴット１７）へ取り込まれることを阻害するためと考えられる。あるいは、製造したサファイア（サファイアのインゴット１７）に取り込まれたＳｉが、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉなどの着色の原因となる金属元素と反応して、これら金属元素による着色を不活性化させている可能性も考えられる。
【００２３】
このように、本実施形態のサファイアの製造方法は、従来のように、着色を抑制するために原料の精製を必要としないため、安価なプロセスである。また、単結晶製造装置１を構成する部材からの混入があっても、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉの含有量がそれぞれ３０ｐｐｍ以下であれば、着色が少ないため、生産性を低下させることが少ない。さらに、混入の抑制を目的に部材の交換頻度を高める必要も無いため、コストの増加も抑制できる。
【００２４】
また、上述したように、サファイアの製造にあたり、Ｓｉは不純物の１つであるため、１５ｐｐｍ以上含むようなものは一般的に用いられないが、本実施形態においては、Ｓｉの含有量が１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であるアルミナ原料を用いることが可能である。
【００２５】
なお、１次原料、２次原料、アルミナ原料中のＳｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等の含有量は、グロー放電質量分析法(Glow Discharge Mass Spectroscopy、ＧＤＭＳ) 、固体発光分光分析法 ( Optical Emission Spectroscopy、ＯＥＳ)などにより測定することができる。各元素の含有量は、各原料中のＡｌの原子数に対する、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等の原子数の比（ｐｐｍ）を算出して、含有量とすればよい。
【００２６】
なお、１次原料中へのＳｉの添加は、Ｓｉ単結晶のようにＳｉ単体として添加してもよいし、シリカ（ＳｉＯ２）などの化合物として添加してもよい。また、Ｓｉの含有量が異なるアルミナを適宜混合して、上記範囲内となるようにしてもよい。以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。
【実施例】
【００２７】
実施例として、ＫＹ法単結晶製造装置を用いて、上述の製造方法に沿ってサファイアのインゴット１７を製造した。具体的には、アルミナからなる１次原料（Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉをそれぞれ３０ｐｐｍ含む）に、シリカの粉末等を混合して含有量を調整した２次原料を用意した。そして、タングステン製の坩堝１３に各２次原料を１２０ｋｇ投入し、カーボンヒータによる抵抗加熱法にて坩堝と原料をサファイアの融点２０４０℃以上に加熱して、原料を融解させた。種結晶として、主面がａ軸の単結晶を用い、直径１０インチ、長さ３００ｍｍの結晶を成長させた。
【００２８】
そして、作製したインゴット１７の泡不良の発生状況、紫外光照射前後のインゴットの色を確認した。紫外光の照射は、光源として、メタルハライドランプを使用し、ピーク強度２００ｍｗ／ｃｍ２  積算光量５０００ｍｊ／ｃｍ２という条件で照射した。着色・変色の有無は、白色蛍光灯の照明のもと、目視で確認した。
【００２９】
表１に、２次原料中の各種元素の添加量と泡不良の発生状況、紫外光照射前後のインゴット１７の色の変化を示す。ア２次原料中のＳｉの含有量を１５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とすることで、気泡の発生を抑えつつ、紫外光の照射によって変色・着色しないサファイア単結晶を製造できることがわかった。
【００３０】
【表１】
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【符号の説明】
【００３１】
１  単結晶製造装置
１１  断熱部材
１２  チャンバ
１３  坩堝
１４  加熱手段
１５  指示棒
１６  種結晶
１７  インゴット
１８  融液
【図１】
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