JP2008266078A - サファイア単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】引上げ法による不純物を低減した高品質のサファイア単結晶製造方法を提供する。
【解決手段】酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材５をイリジウムるつぼ３付近に使用してサファイア融液１からサファイア単結晶を引上げるサファイア単結晶の製造方法。前記酸化ハフニウム断熱材５の外周にジルコニアを主成分とする断熱材７及び／又はアルミナを主成分とする断熱材８を使用してもよい。サファイア単結晶を引上げる際に、酸素濃度が１０ｐｐｍ以上１％以下のガス雰囲気とすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色発光ダイオードや電子デバイスなどの基板として用いられるサファイア単結晶の製造方法に関する。

サファイアは、雑誌「エレクトロニクス」１９９４年６月号３４−３７頁に掲載されているように、青色発光ダイオードとして使用される窒化ガリウム膜をMOCVD法などで堆積するための基板として用いられている。
この基板は、（０００１）方位（ｃ軸）から０．０５〜１°の範囲において、（１１２０）方位もしくは（１１２０）方位（ａ軸の向き）に傾けるか、又は（１１２０）方位及び（０００１）方位に垂直な方向（ｃ軸の向き）に傾けて使用するのが一般的である。

サファイア単結晶は、一般的に、引上げ法もしくはキロプロス法またはEFG(Edge-defined Film-fed Growth)法などによって、ある決まった方位の種をサファイア融液に浸漬してから、ゆっくり成長させて作製する。

サファイア単結晶を作製する工程として、引上げ法の場合は、イリジウムるつぼに、高純度アルミナ原料を所定量チャージして、融点である２，０４０℃以上に加熱して、融液状態にする。その後、所定の方位を有するサファイア単結晶の種をゆっくり下げて、融液に浸漬して、所定の温度範囲に調整してから、数ｍｍ／ｈｒの速度で、２インチ〜４インチの直径の所定形状に成長させた後に、ゆっくり温度を室温まで下げる。さらに結晶に残っている熱歪を低減するためにアニール処理を行っている。

キロプロス法の場合は、モリブデンるつぼ、もしくはモリブデンタングステン合金るつぼに、高純度アルミナ原料を所定量チャージして、融点である２，０４０℃以上に加熱して、融液状態にする。その後、成長させるための所定の方位を有するサファイア単結晶の種を、水冷したシャフトの先端に取り付けて、その種をゆっくり下げて、融液に浸漬して、所定の温度範囲に調整してから、最初は、１ｍｍ／ｈｒの速度で、所定直径に広げた後に、るつぼ温度を０．数℃〜数℃／日と、ゆっくり温度を下げて、るつぼの中で結晶を成長させていき、るつぼ底まで成長させた後に、ゆっくり温度を室温まで下げる（特許文献１参照）。

一方、引上げ法は、他の育成方法に対して、成長速度が速く、大型化が容易であるため、生産性に優れている。
引上げ法の場合、サファイアの融点が２，０４０℃と高温であるため、その温度に耐えうるるつぼ材料として、イリジウム、モリブデン、タングステン、カーボン、もしくはそれらの合金などという限られた材料しかない。
るつぼの材質として、モリブデン、タングステン又はそれらの合金を使用する場合、るつぼ周囲に使用する断熱材として、カーボン系フエルト断熱材を使用し、不活性雰囲気中で引上げることで、るつぼの酸化を抑制し、るつぼからサファイア融液に混入する不純物を低減することにより高品質のサファイア結晶を引上げる方法が開示されている（特許文献２参照）。

この場合、確かにカーボン系断熱材を使用することで、断熱材の影響によるるつぼの酸化は抑制できるが、サファイア融液にもるつぼは接触しており、その融液では、下記のような不均一化反応が生じて、酸素を生じるので、るつぼがその酸素によって、酸化されてしまい、引上げ中に、サファイア結晶内部にモリブデン、タングステンなどの不純物が混入して、サファイア結晶が着色してしまう問題があった。
Ａｌ₂Ｏ₃→２ＡｌＯ＋０．５Ｏ₂
Ａｌ₂Ｏ₃→Ａｌ₂Ｏ＋Ｏ₂

モリブデン、タングステンは、イリジウムに比して、高温では、非常に酸化されやすいため、カーボン系フエルトを使用して、不活性ガス中の酸素濃度を１ｐｐｍ以下まで抑えても着色する問題の解決にはつながらなかった。

次に、サファイア結晶を、イリジウム製るつぼを用いて、引上げ法で結晶を育成する場合、イリジウムるつぼの周囲に使用する断熱材として、カーボン系断熱材は使用できない。その理由として、１，５００℃以上になると、不活性雰囲気では、イリジウムがカーボンと合金を生成して溶融してしまい、るつぼとして使用できなくなるためである。
そのため、イリジウムるつぼの場合は、２，０４０℃にも耐えうる断熱材として、ジルコニアを含むセラミックスを使用するのが一般的である。
なお、ここでいうジルコニアを含むセラミックスとしては、カルシア、イットリア、希土類元素が数％含有するジルコニア、又は、何もドーピングしていないジルコニアなどがある（特許文献３参照）。

ジルコニアを使用する場合の問題点として、ジルコニアは、１，８００℃以上で分解して、低価数のジルコニアと酸素に分解して揮発することが挙げられる。
ＺｒＯ₂→ＺｒＯ＋０．５Ｏ₂
その揮発したジルコニアは、サファイア融液に溶解して不純物になる。ジルコニアは、高温のアルミナと共融反応するので、サファイア融液に溶解しやすい。サファイア融液に溶融したジルコニアが、引上げ中の結晶に取り込まれると、サファイア結晶に固溶できないものが、微小な析出物として、結晶内部に介在物を生成してしまう。
これは、波長３２０ｎｍの水銀ランプをサファイア結晶に照射すると、全体に、微小な橙色の散乱体としてみえる。これを波長５３０ｎｍの緑色レーザで照射した場合は見えないので、この散乱体は、０．５μｍ以下の大きさである。

さらに、分解して生じた酸素は、るつぼ材料であるイリジウムを酸化させて、酸化イリジウムとし、これもサファイア融液に溶解し、結晶中に取り込まれた場合は、金属イリジウムとして数μｍの散乱介在物になってしまう（非特許文献１参照）。
ＩｒＯ₂→ＩｒＯ＋０．５Ｏ₂

このイリジウムの揮発分解を抑えるために、結晶引上げ時のガス雰囲気を、水素、又は一酸化炭素を含む還元雰囲気にする方法がある（非特許文献２参照）。
しかし、還元雰囲気にした場合、ジルコニアの耐熱温度が、２，２００℃まで低下してしまい、また、上記分解反応が促進されて、一層ジルコニアが分解してしまい、３インチなどの大きいサファイア結晶を引上げる場合は、結晶がピンク色に着色したり、るつぼに接触しているジルコニアが一部溶融してしまったりした。

特開２００４−８３４０７号公報 特開２００５−１９３４号公報 特開２００５−２３１９５８号公報 J. Sehem. Soc. 66(6) p411-418 2001 東ソー研究報告 36(2) p167-177 1992

そこで、本発明の解決しようとする課題は、不純物を低減した高品質のサファイア単結晶を引上げ法で製造することである。

上記の課題は、以下の手段１）により達成された。好ましい実施態様である２）及び３）と共に以下に列記する。
１）酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材をイリジウムるつぼ付近に使用してサファイア融液からサファイア単結晶を引上げるサファイア単結晶の製造方法、
２）酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材の外周にジルコニアを主成分とする断熱材及び／又はアルミナを主成分とする断熱材を使用する１）記載のサファイア単結晶の製造方法、
３）サファイア単結晶を引上げる際に、酸素濃度が１０ｐｐｍ以上１％以下のガス雰囲気とする１）又は２）に記載のサファイア単結晶の製造方法。

上記１）に記載の発明は、酸化ハフニウム（ハフニア）を１０重量％以上含む断熱材をイリジウムるつぼ付近、特にるつぼの側面外周、好ましくは側面外周及び底面に使用してサファイア融液からサファイア単結晶を引上げる単結晶の製造方法である。この製造方法では、イリジウムるつぼ中のサファイア融液から引上げる場合に、るつぼ付近の最も温度が高くなる領域に、酸化ハフニウムを１０％以上含むジルコニア断熱材を使用する。
ハフニア断熱材中の酸化ハフニウム含有量は、５０重量％以上が好ましく（ハフニアを主成分とする断熱材）、９０重量％以上がより好ましく、１００重量％であることが特に好ましい。断熱材の形状はシート状であることが好ましい。シートの厚さは適宜選択できるが、２〜１０ｍｍの厚さが好ましい。
酸化ハフニウムシートは、酸化ハフニウム約９５部と有機バインダ約５部とを混合した後に成型して焼成することにより作成することができる。有機バインダーとしては結着材として公知の材料を使用することができ、ポリビニルアルコールや、例えば、信越化学工業(株)より登録商標「メトローズ」として市販されているエーテル化セルロースが含まれる。
断熱構造の好ましい態様としては、酸化ハフニウムを１０％以上含む断熱材、好ましくはハフニアを主成分とする断熱材（ハフニア断熱材）の外周にジルコニアを主成分とする断熱材（ジルコニア断熱材）及び／又はアルミナを主成分とする断熱材（アルミナ断熱材）を併用することができる。ハフニア断熱材の外周にジルコニア断熱材を併用した場合ジルコニアの分解を抑えて、ジルコニアがサファイア融液に不純物として取り込まれることを低減し、サファイア単結晶の高品質化を達成することができる。ジルコニア断熱材には、ハフニア、カルシア、イットリア、希土類元素を数％含有するジルコニアが好ましい。

サファイア単結晶を引上げ法で作製する場合において、酸化ハフニウムを含む、好ましくは主成分として含む断熱材をるつぼ外周に使用することで、断熱材の熱分解を防止することができた。特に酸化ハフニウムを含む断熱材の外周にジルコニア断熱材を併用しても、ジルコニアが分解して揮散する不純物量を抑制することができた。また、引上げ中のガス雰囲気の酸素濃度を、１０ｐｐｍ以上１％以下の範囲にすることで、イリジウムの揮散も抑えることができ、引上げ法で作製した結晶内部に入る微小な散乱介在物、および、気泡介在物などの結晶欠陥を抑制することが可能になった。

ジルコニアを断熱材として用いる場合、その耐熱温度、すなわち軟化が始まる温度は、約２，２００℃である。一方、サファイア融点は２，０５０℃であり、イリジウムるつぼの中で結晶育成する場合は、るつぼ側面の温度は、サファイア融点よりも１００℃以上高くなってしまう。特に、引上げるサファイア結晶が２インチより大型化した場合は、るつぼも、直径が１００φよりも大きくなるため、るつぼの熱容量が大きくなり、さらにるつぼ側面温度が上がってしまう。そのため、るつぼ周辺にジルコニア断熱材を使用すると、その温度は溶融温度の２，２００℃近傍になってしまうことがあった。このため、ジルコニアの分解も促進されて、分解したジルコニアが、サファイア融液と反応してしまった。

そこで、サファイア結晶引上げ時に、ガルバニ電池式酸素濃度計にて、雰囲気中の酸素濃度を測定すると、温度が低いときは、５ｐｐｍであったのが、るつぼ温度が１，８００℃以上になると、約６０ｐｐｍに急激に増加していた。
この状態では、イリジウムるつぼが酸化されて、酸化イリジウムとなり、これもサファイア融液に溶解し、金属イリジウムとして、１−５μｍの散乱介在物として、サファイア結晶全体に取り込まれていた。なお、この散乱介在物は、水銀ランプなどの強い光をサファイア結晶に照射すると、キラキラと光るので観察できる。
また、この状態では、酸素と同じく揮発したジルコニアが、サファイア融液に溶融して、ピンク色に着色してしまった。このときのサファイア融液を室温に冷却して、固まった単結晶からサンプリングして、ＩＣＰ発光分光分析によりサンプルに含有するジルコニウム不純物量を測定すると、１２０ｐｐｍであった。さらに、この融液で成長したサファイア結晶は、うすくピンク色に着色し、結晶全体に数μｍ以下の微小介在物が入ってしまった。
この散乱介在物も、水銀ランプなどの強い光をサファイア結晶に照射することで、縞状に見えて、観察できる。

上記の微小介在物の低減解決策として、ハフニア（酸化ハフニウム）は、ジルコニア（酸化ジルコニウム）よりも、溶融温度が、２，７８０℃と、約５００℃も高い。したがって、酸素を出して下記の反応式のように分解する温度も、２，０００℃以上にならないと、顕著にならない。
ＨｆＯ₂ → ＨｆＯ ＋ ０．５Ｏ₂

そこで、酸化ハフニウムを主成分とする断熱材を使用することにより、高温における断熱材の分解反応を抑えて、結晶中に混入する、断熱材からの不純物を低減することが可能になった。

この酸化ハフニウムを含む断熱材を用いた場合、サファイア結晶引上げ時に、ガルバニ電池式酸素濃度計にて、雰囲気中の酸素濃度を測定すると、温度が低いときは、２ｐｐｍであったのが、るつぼ温度が１，８００℃以上でも、５ｐｐｍにしか上らず、酸素の量が低減していることが明らかである。一方、酸化ハフニウムを使用せずに、酸化ジルコニウムを用いた場合は、るつぼ温度が１，８００℃以上になると約６０ｐｐｍに上がってしまう。

酸化ハフニウム断熱材を用いた条件で引上げたサファイア結晶は、金属イリジウムの１−５μｍの散乱介在物が、結晶全体には見られず、コーン部のところのみ見られた。これは、ウエーハに切り出す場合、問題ない箇所にある。
また、このときのサファイア融液に含有するジルコニウム不純物量は、２０ｐｐｍになり、この融液で成長したサファイア結晶は、ピンク色に着色せずに、無色透明であり、結晶中心部には、１μｍ以下の微小介在物が観察されなかった。

なお、酸化ハフニウムを含む断熱材を使用する条件として、ガス雰囲気中の酸素濃度を所定の低い範囲に保つ方がよく、１０ｐｐｍ−１％の範囲内に保つのが好ましく、２０−５００ｐｐｍの範囲がより好ましい。前記の酸素濃度範囲内であると、ハフニアの分解を防止でき、ハフニウムのサファイア融液中への混入を防止でき、又、るつぼ材料であるイリジウムの酸化も防止することができ、イリジウムのサファイア融液中への混入を防止することができる。
上記の酸素濃度範囲で使用した酸化ハフニウムを含む断熱材は、サファイア結晶引上げ時に使用する場合は、クラックが入らないかぎり、何度でも使用が可能であり、また、繰り返し、１，８００℃以上に温度を上げても、酸素濃度が上ることはない。

イリジウムるつぼの外周に設けた酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材、好ましくは酸化ハフニウムを５０重量％以上含む（主成分とする）断熱材（ハフニア断熱材）より外側に公知の断熱材を併用することができる。このような公知の断熱材としては、通常のジルコニア断熱材及び／又はアルミナ断熱材を使用することができ、ジルコニア断熱材及びアルミナ断熱材を併用することが好ましい。また、るつぼよりも上部については、通常のジルコニア断熱材及び／又はアルミナ断熱材を使用することができる。これらのジルコニア断熱材及びアルミナ断熱材の厚みは、５〜３０ｍｍであることが好ましく、１０〜３０ｍｍであることがより好ましい。

以下、図面を参照しながら本発明のサファイア単結晶の製造方法及びこれに使用する引上げ装置を説明する。
図１は、サファイア単結晶を融液から引上げる引上げ装置１０におけるイリジウムるつぼ中のサファイア融液（メルト）外周の断熱構造の一例を示す概念的な断面図である。
サファイア単結晶の引上げ装置１０において、サファイア融液（メルト）１は、イリジウム製のるつぼ３の中で高周波加熱手段９によりサファイア融点（２，０５０℃）以上に加熱されている。るつぼ３は、引上げ装置１０の底面からジルコニア断熱材７により支持されており、るつぼ３の外周に設けられたハフニアを含む断熱材（ハフニア断熱材）５により保温されている。ハフニア断熱材５は、厚さがほぼ均一なシート状である。ハフニア断熱材の外周にはジルコニア断熱材７及び／又はアルミナ断熱材８を使用することができる。
るつぼ３の上面中央部には開口部が設けられており、サセプターに固定された種結晶２をサファイア融液１の表面迄上下方向に自在に昇降させることができる。サセプターは必要に応じて不図示の動力源によりその中心軸の周りに回転させることができる。るつぼの上面に設けられた開口部から種結晶を固定したサセプターが高周波加熱炉内に挿入されており、るつぼの上部はジルコニア断熱材７及び／又はアルミナ断熱材８により保温されている。
引上げ装置１０は、単結晶の引上げ時には、酸素濃度を制御したアルゴンガス等の不活性ガスによりサファイア融液及び単結晶の周辺の雰囲気ガスを置換するための雰囲気ガス置換手段（不図示）を具備していることが好ましい。

(実施例１)
サファイアを引上げるときに、イリジウム１５０φるつぼ外周面の直近に使用するセラミックスとして、酸化ハフニウムが９５重量％で残５重量％は有機バインダーとした(焼成前組成)の厚さ３ｍｍのシート状とした断熱材を１６０φの円柱状にして、るつぼから約５ｍｍ離してセットした。そのシートの外周には、酸化ハフニウム５％＋ジルコニア９０％＋酸化カルシウム５％の厚さ１０ｍｍの成型体断熱材（ジルコニア断熱材）として、上記酸化ハフニウムシートを支えるようにしてセットした。それより外側の断熱材は、通常のジルコニア断熱材及びアルミナの断熱材を使用した。るつぼ上部については、従来通りの通常のジルコニア断熱材及びアルミナの断熱材を使用した（図１参照）。

次に、サファイア単結晶（化学式：Ａｌ₂Ｏ₃）を引上げるためのイリジウム１５０φるつぼに、住友化学(株)製の４Ｎ焼結原料を５，０００ｇ仕込み、高周波加熱法にてイリジウムるつぼをサファイアの融点２，０４０℃以上に加熱して、原料を溶解させた。

引上げるときの融液直上５０ｍｍまでの温度勾配を２０℃／ｃｍになるように、先ほど記述したジルコニアセラミックなどを用いて断熱構造を組立てた（図１参照）。
ここで、ジルコニアなどの断熱材の分解を抑えるために、引上げ時には、ガス中の酸素濃度を５０ｐｐｍとしたアルゴンガスを雰囲気ガスとして使用した。

先ほどの４Ｎアルミナ焼結原料を溶解させて、１２時間保持して室温まで冷却して凝固させたサファイア融液から１ｇをサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると５０ｐｐｍ含まれていた。なお、４Ｎアルミナ焼結原料に含まれるジルコニウムは、同じ分析方法で３ｐｐｍであった。

溶融したサファイアメルトに、（０００１）方位のサファイア単結晶の種をゆっくり浸漬させてから、回転数２０ｒｐｍ、引上げ速度３ｍｍ／ｈで引上げて直径８０ｍｍ長さ５０ｍｍの結晶を成長させた。このときの雰囲気中の酸素濃度を測定すると、６０ｐｐｍであった。その後１００℃／ｈｒでゆっくり温度を下げて結晶を取り出した。その結晶を、水銀ランプで観察したところ、イリジウムによる散乱中心が少なく、またジルコニアなどの不純物による微小散乱介在物は入っていなかった。また、結晶下部から、１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると５ｐｐｍ含まれていた。

(実施例２)
サファイアを引上げるときに、イリジウム１５０φるつぼ外面の直近に使用するセラミックスとして、酸化ハフニウムが９５重量％及び有機バインダ５重量％より焼成した厚さ３ｍｍのシート状断熱材を１６０φの円柱状にして、るつぼから約５ｍｍ離してセットした。そのシートの外周には、酸化ハフニウム５％＋ジルコニア９０％＋酸化カルシウム５％の厚さ１５ｍｍの成型体断熱材（ジルコニア断熱材）を、上記酸化ハフニウムシートを支えるようにしてセットした。それより外側の断熱材は、通常のジルコニア断熱材及びアルミナ断熱材を使用した。るつぼ上部については、従来通りの通常のジルコニア断熱材及びアルミナ断熱材を使用した。

次に、サファイア単結晶（化学式：Ａｌ₂Ｏ₃）を引上げるためのイリジウム１５０φるつぼに、住友化学(株)製の４Ｎ焼結原料を５，０００ｇ仕込み、高周波加熱法にてイリジウムるつぼをサファイアの融点２，０４０℃以上に加熱して、原料を溶解させた。

引上げるときの融液直上５０ｍｍまでの温度勾配を２０℃／ｃｍになるように、前記のジルコニアセラミックシートなどを用いて断熱構造を組立てた（図１参照）。
ここで、ジルコニアなどの断熱材の分解を抑えるために、ガス中の酸素濃度を８，０００ｐｐｍとしたアルゴンガスを、引上げ時に、雰囲気ガスとして使用した。
先ほどの４Ｎアルミナ焼結原料を溶解させて、１２時間保持して室温まで冷却して凝固させたサファイア融液から１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると３０ｐｐｍ含まれていた。なお、４Ｎアルミナ焼結原料に含まれるジルコニウムは、同じ分析方法で、３ｐｐｍであった。

溶融したサファイアメルトに、（０００１）方位のサファイア単結晶の種をゆっくり浸漬させてから、回転数２０ｒｐｍ、引上げ速度３ｍｍ／ｈで引上げて直径８０ｍｍ長さ５０ｍｍの結晶を成長させた。このときの雰囲気中の酸素濃度を測定すると、９，０００ｐｐｍであった。その後１００℃／ｈｒでゆっくり温度を下げて結晶を取り出した。その結晶を、水銀ランプで観察したところ、イリジウムによる散乱中心が少なく、またジルコニアなどの不純物による微小散乱介在物は入っていなかった。また、結晶下部から、１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると３ｐｐｍ含まれていた。

（実施例３）
サファイアを引上げるときに、イリジウム１５０φるつぼ外面の直近に使用するセラミックスとして、酸化ハフニウムが９５重量％及び有機バインダ５重量％より焼成した厚さ３ｍｍのシート状になったものを、１６０φの円柱状にして、るつぼから約５ｍｍ離してセットした。そのシートの外周には、（酸化ハフニウム５％＋ジルコニア８７％＋酸化イットリウム８％）の厚さ１５ｍｍの成型体断熱材（ジルコニア断熱材）を、上記酸化ハフニウムシートを支えるようにしてセットした。それより外側の断熱材は、通常のジルコニア断熱材及び／又はアルミナ断熱材を使用した。るつぼ上部については、従来通りの通常のジルコニア又はアルミナの断熱材を使用した。
次に、サファイア単結晶（化学式：Ａｌ₂Ｏ₃）を引上げるためのイリジウム１５０φるつぼに、住友化学(株)製の４Ｎ焼結原料を５，０００ｇ仕込み、高周波加熱法にてイリジウムるつぼをサファイアの融点２，０４０℃以上に加熱して、原料を溶解させた。

引上げるときの融液直上５０ｍｍまでの温度勾配を２０℃／ｃｍになるように、先ほど記述したジルコニアセラミックなどを用いて断熱構造を組立てた（図１参照）。
ここで、ジルコニアなどの断熱材の分解を抑えるために、ガス中の酸素濃度を８，０００ｐｐｍとしたアルゴンガスを、引上げ時に、雰囲気ガスとして使用した。
先ほどの４Ｎアルミナ焼結原料を溶解させて、１２時間保持して室温まで冷却して凝固させたサファイア融液から１ｇサンプリングして、ＩＣＰにて、ジルコニウム含有量を定量分析すると３０ｐｐｍ含まれていた。なお、４Ｎアルミナ焼結原料に含まれるジルコニウムは、同じ分析方法で、３ｐｐｍであった。

溶融したサファイアメルトに、（０００１）方位のサファイア単結晶の種をゆっくり浸漬させてから、回転数２０ｒｐｍ、引上げ速度３ｍｍ／ｈで引上げて直径８０ｍｍ長さ５０ｍｍの結晶を成長させた。このときの雰囲気中の酸素濃度を測定すると、９，０００ｐｐｍであった。その後１００℃／ｈｒでゆっくり温度を下げて結晶を取り出した。その結晶を、水銀ランプで観察したところ、イリジウムによる散乱中心が少なく、またジルコニアなどの不純物による微小散乱介在物は入っていなかった。また、結晶下部から、１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると、２ｐｐｍ含まれていた。

（比較例１）
サファイアを引上げるときに、イリジウム１５０φるつぼ外面の直近に使用するセラミックスとして、酸化ハフニウムを含まない通常のジルコニア及びアルミナ断熱材を使用した。るつぼ上部については、従来通りの通常のジルコニア断熱材及びアルミナ断熱材を使用した。

次に、サファイア単結晶（化学式：Ａｌ₂Ｏ₃）を引上げるためのイリジウム１５０φるつぼに、住友化学(株)製の４Ｎ焼結原料を５，０００ｇ仕込み、高周波加熱法にてイリジウムるつぼをサファイアの融点２，０４０℃以上に加熱して、原料を溶解させた。
引上げるときの融液直上５０ｍｍまでの温度勾配を２０℃／ｃｍになるように、先ほど記述したジルコニアセラミックなどを用いて断熱構造を組立てた（図２参照）。

ここで、ガス中の酸素濃度を５ｐｐｍとしたアルゴンガスを、引上げ時に、雰囲気ガスとして使用した。
先ほどの４Ｎアルミナ焼結原料を溶解させて、１２時間保持して室温まで冷却して凝固させたサファイア融液から１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると、１００ｐｐｍ含まれていた。なお、４Ｎアルミナ焼結原料に含まれるジルコニウムは、同じ分析方法で、３ｐｐｍであった。

溶融したサファイアメルトに、（０００１）方位のサファイア単結晶の種をゆっくり浸漬させてから、回転数２０ｒｐｍ、引上げ速度３ｍｍ／ｈで引上げて直径８０ｍｍ長さ５０ｍｍの結晶を成長させた。このときの雰囲気中の酸素濃度を測定すると、８ｐｐｍであった。その後１００℃／ｈｒでゆっくり温度を下げて結晶を取り出した。その結晶を、水銀ランプで観察したところ、イリジウムによる数μｍの散乱介在物がみられ、かつ１μｍ以下の微小介在物が、育成方向に層状に入っていた。また、結晶下部から、１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると、２０ｐｐｍ含まれていた。

（比較例２）
サファイアを引上げるときに、イリジウム１５０φるつぼ外面の直近に使用するセラミックスを、酸化ハフニウムを含まない断熱材を用いた。この場合、通常のジルコニア又はアルミナの断熱材のどちらかを使用した。るつぼ上部については、従来通りの通常のジルコニアもしくはアルミナの断熱材のどちらかを使用した。
次に、サファイア単結晶（化学式：Ａｌ₂Ｏ₃）を引上げるためのイリジウム１５０φるつぼに、住友化学(株)製の４Ｎ焼結原料を５，０００ｇ仕込み、高周波加熱法にてイリジウムるつぼをサファイアの融点２，０４０℃以上に加熱して、原料を溶解させた。

引上げるときの融液直上５０ｍｍまでの温度勾配を２０℃／ｃｍになるように、ジルコニア顆粒及びジルコニア断熱材を用いて断熱構造を組立てた（図３参照）。
ここで、ジルコニアなどの断熱材の分解を抑えるために、ガス中の酸素濃度を５００ｐｐｍとしたアルゴンガスを、引上げ時に、雰囲気ガスとして使用した。
先ほどの４Ｎアルミナ焼結原料を溶解させて、１２時間保持して室温まで冷却して凝固させたサファイア融液から１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると、１００ｐｐｍ含まれていた。なお、４Ｎアルミナ焼結原料に含まれるジルコニウムは、同じ分析方法で、３ｐｐｍであった。

溶融したサファイアメルトに、（０００１）方位のサファイア単結晶の種をゆっくり浸漬させてから、回転数２０ｒｐｍ、引上げ速度３ｍｍ／ｈで引上げて直径８０ｍｍ長さ５０ｍｍの結晶を成長させた。このときの雰囲気中の酸素濃度を測定すると、６００ｐｐｍであった。その後１００℃／ｈｒでゆっくり温度を下げて結晶を取り出した。その結晶を、水銀ランプで観察したところ、イリジウムによる数μｍの散乱介在物がみられ、かつ１μｍ以下の微小介在物が、育成方向に層状に入っていた。また、結晶下部から、１ｇサンプリングして、ジルコニウム含有量をＩＣＰにて定量分析すると、２０ｐｐｍ含まれていた。
上記の実施例及び比較例のまとめを表１に示した。

サファイア単結晶を融液から引上げるときに使用するイリジウムるつぼ中の融液周辺の断熱構造の一例を示す概念的な断面図である。 サファイア単結晶を融液から引上げるときに使用するイリジウムるつぼ中の融液周辺の断熱構造の他の一例を示す概念的な断面図である（比較例１）。 サファイア単結晶を融液から引上げるときに使用するイリジウムるつぼ中の融液周辺の断熱構造の他の一例を示す概念的な断面図である（比較例２）。

符号の説明

１：サファイア融液（メルト）
２：種結晶
３：るつぼ
５：ハフニア断熱材
６：ジルコニア顆粒が充填された断熱層
７：ジルコニア断熱材
８：アルミナ断熱材
９：高周波加熱手段
１０：引上げ装置

Claims (3)

1. 酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材をイリジウムるつぼ付近に使用してサファイア融液からサファイア単結晶を引上げることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
2. 酸化ハフニウムを１０重量％以上含む断熱材の外周にジルコニアを主成分とする断熱材及び／又はアルミナを主成分とする断熱材を使用する請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
3. サファイア単結晶を引上げる際に、酸素濃度が１０ｐｐｍ以上１％以下のガス雰囲気とする請求項１又は２に記載のサファイア単結晶の製造方法。

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