JP2010150056A - サファイア単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を成長させる際に、サファイア単結晶の尾部における凸状部の形成をより抑制する。
【解決手段】るつぼ中の酸化アルミニウムを溶融させてアルミナ融液を得る溶融工程と、アルミナ融液に接触させた種結晶を引き上げることにより、種結晶の下方に肩部を形成する肩部形成工程と、融液からサファイア単結晶を引き上げて直胴部を形成する直胴部形成工程と、酸素と不活性ガスとを含み、酸素の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定された混合ガスを供給するとともに、融液からサファイア単結晶を引き離して尾部を形成する尾部形成工程とを実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸化アルミニウムの融液を用いたサファイア単結晶の製造方法に関する。

近年、サファイア単結晶は、例えば青色ＬＥＤを製造する際のＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ等）のエピ膜成長用の基板材料として広く利用されている。また、サファイア単結晶は、例えば液晶プロジェクタに用いられる偏光子の保持部材等としても広く用いられている。

このようなサファイア単結晶の板材すなわちウエハは、一般に、サファイア単結晶のインゴットを所定の厚さに切り出すことによって得られる。サファイア単結晶のインゴットを製造する方法については種々の提案がなされているが、その結晶特性がよいことや大きな結晶径のものが得やすいということから、溶融固化法で製造されることが多い。特に、溶融固化法の一つであるチョクラルスキー法（Ｃｚ法）は、サファイア単結晶のインゴットの製造に広く用いられている。

チョクラルスキー法によってサファイア単結晶のインゴットを製造するには、まず坩堝に酸化アルミニウムの原料を充填し、高周波誘導加熱法や抵抗加熱法によって坩堝を加熱し原料を溶融する。原料が溶融した後、所定の結晶方位に切り出した種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら所定の速度で上方に引き上げて単結晶を成長させる（例えば、特許文献１参照）。
また、結晶用原料を加熱溶融する際に、加熱によって結晶用原料から発生するガスを除去するに十分な程度の圧力に、炉体内の圧を減圧した後、該ガスを除去しながら徐々に結晶用原料を溶融させ、引き続き、酸素および窒素または不活性ガスからなる混合ガスを導入し、十分な酸素分圧下、炉体内の圧を大気圧に戻してから成長結晶を引き上げることも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２０７９９３号公報 特開２００７−２４６３２０号公報

ところで、チョクラルスキー法によってサファイア単結晶のインゴットを製造する際、インゴットの製造中に原料融液と接するインゴットの先端部（尾部という）の形状が凸状となってしまうこともある。このようにインゴットの尾部が凸状になると、インゴットの成長に伴って坩堝中の融液量が低下した状態において、尾部の先端が坩堝の底面に当たってしまい、それ以上の結晶成長が行えなくなってしまう。このようにして形成された凸状部は、ウエハとしては使用できないので、ウエハの切り出しに使用することのできるインゴットの有効長が短くなってしまい、歩留まりの低下を招いてしまう。

また、チョクラルスキー法によってサファイア単結晶のインゴットを製造する場合、インゴットを成長させた後、坩堝内の原料融液に接しているインゴットの尾部を原料融液から引き離す操作が行われる。このとき、インゴットと原料融液との離れが悪いと、インゴットの尾部に尾を引くように酸化アルミニウムが固化した状態で付着し、尾部に形成される凸状部がさらに長くなってしまう。このような現象が生じた場合には、さらなる歩留まりの低下を招いてしまうことになる。

かかる問題に対し、上記特許文献２では、坩堝に充填した酸化アルミニウム原料を減圧下において融解するまで加熱し、原料の融解後に酸素分圧を１０〜５００Ｐａとした常圧の雰囲気下において、原料融液からサファイア単結晶を成長させることが提案されているが、特許文献２記載の条件にてサファイア単結晶のインゴットを製造した場合においても、インゴットの尾部に形成される凸状部の抑制には不十分であった。

本発明は、酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を成長させる際に、サファイア単結晶の尾部における凸状部の形成をより抑制することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明が適用されるサファイア単結晶の製造方法は、チャンバ内に置かれたるつぼ中の酸化アルミニウムを溶融させて酸化アルミニウムの融液を得る溶融工程と、チャンバ内に、酸素濃度が第１の濃度に設定された第１の混合ガスを供給するとともに、融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、チャンバ内に、酸素濃度が第１の濃度よりも高い第２の濃度に設定された第２の混合ガスを供給するとともに、サファイア単結晶をさらに引き上げて融液から引き離して分離させる分離工程とを有することを特徴としている。

このようなサファイア単結晶の製造方法において、第１混合ガスおよび第２の混合ガスは、不活性ガスと酸素とを混合してなることを特徴とすることができる。
また、分離工程における第２の混合ガスの第２の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定されることを特徴とすることができる。なお、本明細書では気体の体積濃度を単に『％』で表示することもある。
さらに、成長工程における第１の混合ガスの第１の濃度が０．６体積％以上且つ３．０体積％以下に設定されることを特徴とすることができる。
そして、成長工程において、サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させることを特徴とすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明が適用されるサファイア単結晶の製造方法は、チャンバ内に置かれたるつぼ中の酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、チャンバ内に、酸素と不活性ガスとを含み、酸素の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定された混合ガスを供給するとともに、サファイア単結晶をさらに引き上げて融液から引き離して分離させる分離工程とを有することを特徴としている。

このようなサファイア単結晶の製造方法において、分離工程における混合ガスの酸素の濃度が３．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定されることを特徴とすることができる。
また、成長工程において、サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させることを特徴とすることができる。

さらに、他の観点から捉えると、本発明は、るつぼ中の酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を引き上げる、サファイア単結晶の製造方法において、酸素濃度が第１の濃度の雰囲気中で、融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、酸素濃度が第１の濃度よりも高い第２の濃度の雰囲気中で、サファイア単結晶をさらに引き上げて融液から引き離して分離させる分離工程とを有することを特徴としている。

このようなサファイア単結晶の製造方法において、分離工程における第２の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下であることを特徴とすることができる。
また、成長工程における第１の濃度が０．６体積％以上且つ３．０体積％以下であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を成長させる際に、サファイア単結晶の尾部における凸状部の形成をより抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本実施の形態が適用される単結晶引き上げ装置１の構成を説明するための図である。
この単結晶引き上げ装置１は、サファイアの単結晶からなるサファイアインゴット２００を成長させるための加熱炉１０を備えている。この加熱炉１０は断熱容器１１を備えている。ここで、断熱容器１１は円柱状の外形を有しており、その内部には円柱状の空間が形成されている。そして、断熱容器１１は、ジルコニア製の断熱材からなる部品を組み立てることで構成されている。また、加熱炉１０は、内部の空間に断熱容器１１を収容するチャンバ１４をさらに備えている。さらに、加熱炉１０は、チャンバ１４の側面に貫通形成され、チャンバ１４の外部からチャンバ１４を介して断熱容器１１の内部にガスを供給するガス供給管１２と、同じくチャンバ１４の側面に貫通形成され、断熱容器１１の内部からチャンバ１４を介して外部にガスを排出するガス排出管１３とをさらに備えている。

また、断熱容器１１の内側下方には、酸化アルミニウムを溶融してなるアルミナ融液３００を収容するるつぼ２０が、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。るつぼ２０はイリジウムによって構成されており、その底面は円形状となっている。そして、るつぼ２０の直径は１５０ｍｍ、高さは２００ｍｍ、厚さは２ｍｍである。

さらに、加熱炉１０は、断熱容器１１の下部側の側面外側であってチャンバ１４の下部側の側面内側となる部位に巻き回された金属製の加熱コイル３０を備えている。ここで、加熱コイル３０は、断熱容器１１を介してるつぼ２０の壁面と対向するように配置されている。そして、加熱コイル３０の下側端部はるつぼ２０の下端よりも下側に位置し、加熱コイル３０の上側端部はるつぼ２０の上端よりも上側に位置するようになっている。

さらにまた、加熱炉１０は、断熱容器１１、チャンバ１４それぞれの上面に設けられた貫通孔を介して上方から下方に伸びる引き上げ棒４０を備えている。この引き上げ棒４０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。なお、チャンバ１４に設けられた貫通孔と引き上げ棒４０との間には、図示しないシール材が設けられている。そして、引き上げ棒４０の鉛直下方側の端部には、サファイアインゴット２００を成長させるための基となる種結晶２１０（後述する図２参照）を装着、保持させるための保持部材４１が取り付けられている。

また、単結晶引き上げ装置１は、引き上げ棒４０を鉛直上方に引き上げるための引き上げ駆動部５０および引き上げ棒４０を回転させるための回転駆動部６０を備えている。ここで、引き上げ駆動部５０はモータ等で構成されており、引き上げ棒４０の引き上げ速度を調整できるようになっている。また、回転駆動部６０もモータ等で構成されており、引き上げ棒４０の回転速度を調整できるようになっている。

さらに、単結晶引き上げ装置１は、ガス供給管１２を介してチャンバ１４の内部にガスを供給するガス供給部７０を備えている。本実施の形態において、ガス供給部７０は、Ｏ₂源７１から供給される酸素とＮ₂源７２から供給される不活性ガスの一例としての窒素とを混合した混合ガスを供給するようになっている。そして、ガス供給部７０は、酸素と窒素との混合比を可変することで混合ガス中の酸素の濃度の調整が可能となっており、また、チャンバ１４の内部に供給する混合ガスの流量の調整も可能となっている。

一方、単結晶引き上げ装置１は、ガス排出管１３を介してチャンバ１４の内部からガスを排出する排気部８０を備えている。排気部８０は例えば真空ポンプ等を備えており、チャンバ１４内の減圧や、ガス供給部７０から供給されたガスの排気をすることが可能となっている。

さらにまた、単結晶引き上げ装置１は、加熱コイル３０に電流を供給するコイル電源９０を備えている。コイル電源９０は、加熱コイル３０への電流の供給の有無および供給する電流量を設定できるようになっている。

また、単結晶引き上げ装置１は、引き上げ棒４０を介して引き上げ棒４０の下部側に成長するサファイアインゴット２００の重量を検出する重量検出部１１０を備えている。この重量検出部１１０は、例えば公知の重量センサ等を含んで構成される。

そして、単結晶引き上げ装置１は、上述した引き上げ駆動部５０、回転駆動部６０、ガス供給部７０、排気部８０およびコイル電源９０の動作を制御する制御部１００を備えている。また、制御部１００は、重量検出部１１０から出力される重量信号に基づき、引き上げられるサファイアインゴット２００の結晶直径の計算をおこない、コイル電源９０にフィードバックする。

図２は、図１に示す単結晶引き上げ装置１を用いて製造されるサファイアインゴット２００の構成の一例を示している。
このサファイアインゴット２００は、サファイアインゴット２００を成長させるための基となる種結晶２１０と、種結晶２１０の下部に延在しこの種結晶２１０と一体化した肩部２２０と、肩部２２０の下部に延在し肩部２２０と一体化した直胴部２３０と、直胴部２３０の下部に延在し直胴部２３０と一体化した尾部２４０とを備えている。そして、このサファイアインゴット２００においては、上方すなわち種結晶２１０側から下方すなわち尾部２４０側に向けてｃ軸方向にサファイアの単結晶が成長している。

ここで、肩部２２０は、種結晶２１０側から直胴部２３０側に向けて、徐々にその直径が拡大していく形状を有している。また、直胴部２３０は、上方から下方に向けてその直径がほぼ同じとなるような形状を有している。なお、直胴部２３０の直径は、所望とするサファイア単結晶のウエハの直径よりもわずかに大きな値に設定される。そして、尾部２４０は、上方から下方に向けて徐々にその直径が縮小していくことにより、上方から下方に向けて凸状となる形状を有している。

図３は、図１に示す単結晶引き上げ装置１を用いて、図２に示すサファイアインゴット２００を製造する手順を説明するためのフローチャートである。
サファイアインゴット２００の製造にあたっては、まず、チャンバ１４内のるつぼ２０内に充填された固体の酸化アルミニウムを加熱によって溶融する溶融工程を実行する（ステップ１０１）。
次に、酸化アルミニウムの融液すなわちアルミナ融液３００に種結晶２１０の下端部を接触させた状態で温度調整を行う種付け工程を実行する（ステップ１０２）。
次いで、アルミナ融液３００に接触させた種結晶２１０を回転させながら上方に引き上げることにより、種結晶２１０の下方に肩部２２０を形成する肩部形成工程を実行する（ステップ１０３）。
引き続いて、種結晶２１０を介して肩部２２０を回転させながら上方に引き上げることにより、肩部２２０の下方に直胴部２３０を形成する成長工程の一例としての直胴部形成工程を実行する（ステップ１０４）。
さらに引き続いて、種結晶２１０および肩部２２０を介して直胴部２３０を回転させながら上方に引き上げてアルミナ融液３００から引き離すことにより、直胴部２３０の下方に尾部２４０を形成する尾部形成工程を実行する（ステップ１０５）。
その後、得られたサファイアインゴット２００が冷却された後にチャンバ１４の外部に取り出され、一連の製造工程を完了する。

なお、このようにして得られたサファイアインゴット２００は、まず、肩部２２０と直胴部２３０との境界および直胴部２３０と尾部２４０との境界においてそれぞれ切断され、直胴部２３０が切り出される。次に、切り出された直胴部２３０は、さらに、長手方向に直交する方向に切断され、サファイア単結晶のウエハとなる。このとき、本実施の形態のサファイアインゴット２００はｃ軸方向に結晶成長していることから、得られるウエハの主面はｃ面（（０００１）面）となる。そして、得られたウエハは、青色ＬＥＤや偏光子の製造等に用いられる。

では、上述した各工程について具体的に説明を行う。ただし、ここでは、ステップ１０１の溶融工程の前に実行される準備工程から順を追って説明を行う。

（準備工程）
準備工程では、まず、＜０００１＞ｃ軸の種結晶２１０を用意する。次に、引き上げ棒の４０の保持部材４１に種結晶２１０を取り付け、所定の位置にセットする。続いて、るつぼ２０内に酸化アルミニウムの原材料を充填し、ジルコニア製の断熱材からなる部品を用いて、チャンバ１４内に断熱容器１１を組み立てる。
そして、ガス供給部７０からのガス供給を行わない状態で、排気部８０を用いてチャンバ１４内を減圧する。その後、ガス供給部７０がＮ₂源７２を用いてチャンバ１４内に窒素を供給し、チャンバ１４の内部を常圧にする。したがって、準備工程が完了した状態において、チャンバ１４の内部は、窒素濃度が非常に高く、且つ、酸素濃度が非常に低い状態に設定される。

（溶融工程）
溶融工程では、ガス供給部７０が、引き続きＮ₂源７２を用いて５ｌ/minの流量でチャンバ１４内に窒素の供給を行う。このとき、回転駆動部６０は、引き上げ棒４０を第１の回転速度で回転させる。
また、コイル電源９０が加熱コイル３０に高周波の交流電流（以下の説明では高周波電流と呼ぶ）を供給する。コイル電源９０から加熱コイル３０に高周波電流が供給されると、加熱コイル３０の周囲において磁束が生成・消滅を繰り返す。そして、加熱コイル３０で生じた磁束が、断熱容器１１を介してるつぼ２０を横切ると、るつぼ２０の壁面にはその磁界の変化をさまたげるような磁界が発生し、それによってるつぼ２０内に渦電流が発生する。そして、るつぼ２０は、渦電流（Ｉ）によってるつぼ２０の表皮抵抗（Ｒ）に比例したジュール熱（Ｗ＝Ｉ^２Ｒ）が発生し、るつぼ２０が加熱されることになる。るつぼ２０が加熱され、それに伴ってるつぼ２０内に収容される酸化アルミニウムがその融点（２０５４℃）を超えて加熱されると、るつぼ２０内において酸化アルミニウムが溶融し、アルミナ融液３００となる。

（種付け工程）
種付け工程では、ガス供給部７０が、Ｏ₂源７１およびＮ₂源７２を用いて窒素および酸素を所定の割合で混合させた混合ガスをチャンバ１４内に供給する。ただし、種付け工程においては、後述するように、必ずしも酸素と窒素との混合ガスを供給する必要はなく、例えば窒素のみを供給するようにしても差し支えない。
さらに、引き上げ駆動部５０は、保持部材４１に取り付けられた種結晶２１０の下端が、るつぼ２０内のアルミナ融液３００と接触する位置まで引き上げ棒４０を下降させて停止させる。その状態で、コイル電源９０は、重量検出部１１０からの重量信号をもとに加熱コイル３０に供給する高周波電流を調節する。

（肩部形成工程）
肩部形成工程では、コイル電源９０が加熱コイル３０に供給する高周波電流を調節したのち、アルミナ融液３００の温度が安定するまでしばらくの間保持し、その後、引き上げ棒４０を第１の回転速度で回転させながら第１の引き上げ速度にて引き上げる。

すると、種結晶２１０は、その下端部がアルミナ融液３００に浸った状態で回転されつつ引き上げられることになり、種結晶２１０の下端には、鉛直下方に向かって拡開する肩部２２０が形成されていく。
なお、肩部２２０の直径が所望とするウエハの直径よりも数ｍｍ程度大きくなった時点で、肩部形成工程を完了する。

（直胴部形成工程）
直胴部形成工程では、ガス供給部７０がＯ₂源７１およびＮ₂源７２を用いて窒素および酸素を所定の割合で混合させ、酸素濃度を０．６体積％以上且つ３．０体積％以下の範囲に設定した混合ガスをチャンバ１４内に供給する。
また、コイル電源９０は、引き続き加熱コイル３０に高周波電流の供給を行い、るつぼ２０を介したアルミナ融液３００を加熱する。
さらに、引き上げ駆動部５０は、引き上げ棒４０を第２の引き上げ速度にて引き上げる。ここで第２の引き上げ速度は、肩部形成工程における第１の引き上げ速度と同じ速度であってもよいし、異なる速度であってもよい。
さらにまた、回転駆動部６０は、引き上げ棒４０を第２の回転速度で回転させる。ここで、第２の回転速度は、肩部形成工程における第１の回転速度と同じ速度であってもよいし、異なる速度であってもよい。

種結晶２１０と一体化した肩部２２０は、その下端部がアルミナ融液３００に浸った状態で回転されつつ引き上げられることになるため、肩部２２０の下端部には、好ましくは円柱状の直胴部２３０が形成されていく。直胴部２３０は、所望とするウエハの直径以上の胴体であればよい。

（尾部形成工程）
尾部形成工程では、ガス供給部７０がＯ₂源７１およびＮ₂源７２を用いて窒素および酸素を所定の割合で混合させた混合ガスをチャンバ１４内に供給する。なお、尾部形成工程における混合ガス中の酸素濃度については、るつぼ２０の酸化による劣化を抑制するという観点からすれば、直胴部形成工程と同程度とするかあるいは直胴部形成工程よりも低濃度とすることが好ましいが、得られるサファイアインゴット２００における尾部２４０の鉛直方向長さＨ（図２参照）を短くし、生産性の向上を図るという観点からすれば、直胴部形成工程よりも高濃度とすることが好ましい。
また、コイル電源９０は、引き続き加熱コイル３０に高周波電流の供給を行い、るつぼ２０を介したアルミナ融液３００を加熱する。
さらに、引き上げ駆動部５０は、引き上げ棒４０を第３の引き上げ速度にて引き上げる。ここで第３の引き上げ速度は、肩部形成工程における第１の引き上げ速度あるいは直胴部形成工程における第２の引き上げ速度と同じ速度であってもよいし、これらとは異なる速度であってもよい。
さらにまた、回転駆動部６０は、引き上げ棒４０を第３の回転速度で回転させる。ここで、第３の回転速度は、肩部形成工程における第１の回転速度あるいは直胴部形成工程における第２の回転速度と同じ速度であってもよいし、これらとは異なる速度であってもよい。
なお、尾部形成工程の序盤において、尾部２４０の下端は、アルミナ融液３００と接触した状態を維持する。
そして、所定の時間が経過した尾部形成工程の終盤において、引き上げ駆動部５０は、引き上げ棒４０の引き上げ速度を増速させて引き上げ棒４０をさらに上方に引き上げさせることにより、尾部２４０の下端をアルミナ融液３００から引き離す。これにより、図２に示すサファイアインゴット２００が得られる。

本実施の形態では、尾部形成工程においてチャンバ１４内に酸素濃度を１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定した混合ガスを供給するようにした。ここで、尾部形成工程における混合ガス中の酸素濃度を１．０体積％以上に設定することにより、酸素濃度を１．０体積％未満とした場合と比較して、得られるサファイアインゴット２００における尾部２４０の鉛直方向長さＨ（図２参照）を短くすることができる。その結果、従来の製法と比較して、尾部２４０がるつぼ２０の底面にあたるまでの期間を長くすることができ、同一の容量のアルミナ融液３００からより多くの直胴部２３０を有するサファイアインゴット２００を得ることができる。また、尾部形成工程における混合ガス中の酸素濃度を５．０体積％以下に設定することにより、混合ガス中の酸素濃度を５．０体積％超とした場合と比較して、イリジウム製のるつぼ２０の酸化による劣化が抑制されるようになり、るつぼ２０を長寿命化させることができる。

また、本実施の形態では、直胴部形成工程においてチャンバ１４内に酸素濃度を０．６体積％以上且つ３．０体積％以下に設定した混合ガスを供給するようにした。ここで、直胴部形成工程における混合ガス中の酸素濃度を０．６体積％以上に設定することにより、酸素濃度を０．６体積％未満とした場合と比較して、直胴部２３０を構成するサファイア単結晶への気泡の取り込みが抑制されるようになり、直胴部２３０における泡欠陥の発生を抑制することができる。特に、本実施の形態では、ａ軸方向に結晶成長させた場合よりも気泡が取り込まれやすく、結果として泡欠陥が生じやすいことが知られているｃ軸方向に結晶成長を行わせることで直胴部２３０を形成する場合においても、泡欠陥の発生を抑制することが可能になる。また、直胴部形成工程における混合ガス中の酸素濃度を３．０体積％以下に設定することにより、混合ガス中の酸素濃度を３．０体積％超とした場合と比較して、イリジウム製のるつぼ２０の酸化による劣化が抑制されるようになり、るつぼ２０を長寿命化させることができる。

また、本実施の形態において、肩部形成工程において酸素濃度を０．６体積％以上且つ３．０体積％以下の範囲に設定した混合ガスを断熱容器１１内に供給した場合には、肩部２２０における泡欠陥の発生を抑制することが可能となり、肩部２２０の下ににさらに形成される直胴部２３０の結晶性がより良好なものとなる。

なお、本実施の形態では、酸素と窒素とを混合した混合ガスを用いていたが、これに限られるものではなく、例えば酸素と不活性ガスの一例としてのアルゴンとを混合したものを用いてもかまわない。
また、本実施の形態では、所謂電磁誘導加熱方式を用いてるつぼ２０の加熱を行っていたが、これに限られるものではなく、例えば抵抗加熱方式を採用するようにしても差し支えない。

では次に、本発明の実施例について説明を行うが、本発明は実施例に限定されない。
本発明者は、図１に示す単結晶引き上げ装置１を用いて、サファイア単結晶の成長工程における各種製造条件、特にここでは尾部形成工程においてチャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度を異ならせた状態でサファイアインゴット２００の製造を行い、得られたサファイアインゴット２００における尾部２４０の鉛直方向長さＨの状態、使用したるつぼ２０の劣化の状態および４インチ結晶の直胴部２３０中に発生する泡欠陥の状態について検討を行った。

図４は、実施例１〜９および比較例１〜３における各種製造条件と、各々の評価結果との関係を示している。

ここで、図４には、製造条件として、肩部形成工程における引き上げ棒４０の回転速度（第１の回転速度に対応）、引き上げ棒４０の引き上げ速度（第１の引き上げ速度に対応）、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度と、直胴部形成工程における引き上げ棒４０の回転速度（第２の回転速度に対応）、引き上げ棒４０の引き上げ速度（第２の引き上げ速度に対応）、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度と、尾部形成工程における引き上げ棒４０の回転速度（第３の回転速度に対応）、引き上げ棒４０の引き上げ速度（第３の引き上げ速度に対応）、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度とを記載している。

さらに、図４には、評価項目として、尾部２４０の鉛直方向長さＨの状態（尾部長さ）をＡ〜Ｄの４ランクで、サファイアインゴット２００を製造した後のるつぼ２０の劣化状態をＡ〜Ｄの４ランクで、また、直胴部２３０内に存在する泡欠陥の状態をＡ〜Ｄの４ランクで、それぞれ示している。なお、評価「Ａ」は「良」、評価［Ｂ］はやや良、評価「Ｃ」は「やや不良」、そして評価「Ｄ」は「不良」を、それぞれ意味している。

ここで、尾部２４０の鉛直方向長さＨについては、インゴット直径４インチに対する、融液側への凸部長さが２０ｍｍ未満である場合を「Ａ」、２０ｍｍ以上４０ｍｍ未満である場合を「Ｂ」、４０ｍｍ以上６０ｍｍ未満である場合を「Ｃ」、そして６０ｍｍ以上である場合を「Ｄ」とした。

また、るつぼ２０の劣化については、使用前後のるつぼ２０の重量減の変化率(質量％）で評価し、『０．０１質量％未満』である場合を「Ａ」、『０．０１質量％以上０．０３質量％未満』である場合を「Ｂ」、『０．０３質量％以上０．０８質量％未満』である場合を「Ｃ」、そして『０．０８質量％以上』である場合を「Ｄ」とした。

さらに、直胴部２３０中の泡欠陥については、『気泡なし（透明）』の場合を「Ａ」、『気泡があるが局所的に存在する』場合を「Ｂ」、『全域で気泡があるが一部に透明な部分（気泡がない）』がある場合を「Ｃ」、そして『全域で気泡があり白濁（気泡がある）している』場合を「Ｄ」とした。

実施例１〜９においては、いずれも、尾部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下となっており、尾部長さの評価結果については「Ａ」または「Ｂ」となった。特に、混合ガス中の酸素濃度が３．０体積％以上５．０体積％以下の範囲では、尾部長さの評価結果がすべて「Ａ」となった。なお、この理由は、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度が高まることにより、この酸素の一部がるつぼ２０内のアルミナ融液３００に取り込まれるか、あるいは、るつぼ２０内のアルミナ融液３００からの酸素の離脱を抑制するかにより、尾部形成工程におけるアルミナ融液３００の粘度が従来よりも低下し、尾部２４０からアルミナ融液３００が離れやすくなったことに起因するものと考えられる。

また、実施例１〜９のうち、実施例１〜６および実施例８、９については、るつぼ２０の劣化の評価結果が「Ａ」または「Ｂ」となった。なお、実施例７では、るつぼ２０の劣化の評価結果が「Ｃ」となったが、これは、直胴部形成工程における混合ガス中の酸素濃度が４．０体積％と非常に高くなっていることから、これについては、尾部形成工程よりも長時間にわたって行われる直胴部形成工程においてるつぼ２０の酸化が促進されたことに起因するものと考えられる。

さらに、実施例１〜９のうち、実施例１〜６および実施例８、９については、、直胴部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が０．６体積％以上且つ３．０体積％以下となっており、泡欠陥の評価結果については「Ａ」または「Ｂ」となった。特に、混合ガス中の酸素濃度が１．５体積％以上３．０体積％以下の範囲では、泡欠陥の評価結果がすべて「Ａ」となった。なお、この理由は、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度が高まることにより、この酸素の一部がるつぼ２０内のアルミナ融液３００に取り込まれるか、あるいは、るつぼ２０内のアルミナ融液３００からの酸素の離脱を抑制するかにより、直胴部形成工程におけるアルミナ融液３００の粘度が従来よりも低下し、結果として単結晶中に気泡が取り込まれにくくなったことに起因するものと考えられる。

一方、比較例１〜３のうち、比較例１においては、尾部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が０．５体積％と低くなっており、尾部長さの評価結果は「Ｄ」となった。また、比較例２、３においては、尾部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が６．０体積％と高くなっており、泡欠陥の評価結果は「Ａ」または「Ｂ」となった。

また、比較例１については、るつぼ２０の劣化の評価結果が「Ａ」となったが、比較例２、３については、るつぼ２０の劣化の評価結果が「Ｄ」となった。これは、尾部形成工程における混合ガス中の酸素濃度が高いことにより、尾部形成工程においてるつぼ２０の酸化が促進されたことに起因するものと考えられる。

さらに、比較例１〜３のうち、比較例１においては、直胴部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が０．５体積％と低くなっており、泡欠陥の評価結果は「Ｄ」となった。さらにまた、比較例２においては、直胴部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が３．０体積％であるため、泡欠陥の評価結果は「Ａ」となった。そして、比較例３においては、直胴部形成工程においてチャンバ１４内に供給される混合ガス中の酸素濃度が４．０体積％と高くなっており、泡欠陥の評価結果は「Ｂ」となった。

したがって、比較例１では、るつぼ２０の劣化に対しては効果的であるものの、尾部長さの短縮化および泡欠陥の発生に対しては不十分であるといえる。また、比較例２、３では、尾部長さの短縮化および泡欠陥の発生に対しては効果的であるものの、るつぼ２０の劣化に対しては不十分であるといえる。

以上説明したように、サファイアインゴット２００の尾部２４０を形成する尾部形成工程において、チャンバ１４内に供給する混合ガス中の酸素濃度を１．０体積％以上且つ５．０体積％以下、より好ましくは３．０体積％以上且つ５．０体積％以下とすることにより、得られたサファイアインゴット２００における尾部２４０の鉛直方向長さＨが短くなり、且つ、るつぼ２０の劣化も抑制されることが理解される。

本実施の形態が適用される単結晶引き上げ装置の構成を説明するための図である。 単結晶引き上げ装置を用いて得られたサファイアインゴットの構成の一例を示す図である。 単結晶引き上げ装置を用いてサファイアインゴットを製造する手順を説明するためのフローチャートである。 各実施例および各比較例におけるサファイアインゴットの製造条件および評価結果を示す図である。

符号の説明

１…単結晶引き上げ装置、１０…加熱炉、１１…断熱容器、１２…ガス供給管、１３…ガス排出管、１４…チャンバ、２０…るつぼ、３０…加熱コイル、４０…引き上げ棒、４１…保持部材、５０…引き上げ駆動部、６０…回転駆動部、７０…ガス供給部、７１…Ｏ₂源、７２…Ｎ₂源、８０…排気部、９０…コイル電源、１００…制御部、１１０…重量検出部、２００…サファイアインゴット、２１０…種結晶、２２０…肩部、２３０…直胴部、２４０…尾部、３００…アルミナ融液

Claims (11)

1. チャンバ内に置かれたるつぼ中の酸化アルミニウムを溶融させて当該酸化アルミニウムの融液を得る溶融工程と、
   前記チャンバ内に、酸素濃度が第１の濃度に設定された第１の混合ガスを供給するとともに、当該融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、
   前記チャンバ内に、酸素濃度が前記第１の濃度よりも高い第２の濃度に設定された第２の混合ガスを供給するとともに、前記サファイア単結晶をさらに引き上げて当該融液から引き離して分離させる分離工程と
   を有することを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
2. 前記第１の混合ガスおよび前記第２の混合ガスは、不活性ガスと酸素とを混合してなることを特徴とする請求項１記載のサファイア単結晶の製造方法。
3. 前記分離工程における前記第２の混合ガスの前記第２の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定されることを特徴とする請求項１または２記載のサファイア単結晶の製造方法。
4. 前記成長工程における前記第１の混合ガスの前記第１の濃度が０．６体積％以上且つ３．０体積％以下に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のサファイア単結晶の製造方法。
5. 前記成長工程において、前記サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のサファイア単結晶の製造方法。
6. チャンバ内に置かれたるつぼ中の酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、
   前記チャンバ内に、酸素と不活性ガスとを含み、当該酸素の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定された混合ガスを供給するとともに、前記サファイア単結晶をさらに引き上げて当該融液から引き離して分離させる分離工程と
   を有することを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
7. 前記分離工程における前記混合ガスの前記酸素の濃度が３．０体積％以上且つ５．０体積％以下に設定されることを特徴とする請求項６記載のサファイア単結晶の製造方法。
8. 前記成長工程において、前記サファイア単結晶をｃ軸方向に成長させることを特徴とする請求項６または７記載のサファイア単結晶の製造方法。
9. るつぼ中の酸化アルミニウムの融液からサファイア単結晶を引き上げる、サファイア単結晶の製造方法において、酸素濃度が第１の濃度の雰囲気中で、当該融液からサファイア単結晶を引き上げて成長させる成長工程と、
   酸素濃度が前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の雰囲気中で、前記サファイア単結晶をさらに引き上げて当該融液から引き離して分離させる分離工程と
   を有することを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
10. 前記分離工程における前記第２の濃度が１．０体積％以上且つ５．０体積％以下であることを特徴とする請求項９記載のサファイア単結晶の製造方法。
11. 前記成長工程における前記第１の濃度が０．６体積％以上且つ３．０体積％以下であることを特徴とする請求項９または１０記載のサファイア単結晶の製造方法。

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