JP2010265150A - Method for producing sapphire single crystal and method for producing seed crystal - Google Patents
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Abstract
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、及びサファイア単結晶成長に用いられる種結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a sapphire single crystal using a melt of aluminum oxide, and a method for producing a seed crystal used for growing a sapphire single crystal.
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を保持する部材としても広く用いられている。 In recent years, a sapphire single crystal has been widely used as a substrate material for growing an epitaxial film of a group III nitride semiconductor (such as GaN) when manufacturing a blue LED, for example. In addition, sapphire single crystals are widely used as members for holding polarizers used in, for example, liquid crystal projectors.
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、その結晶特性が良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。 Such a sapphire single crystal plate or wafer is generally obtained by cutting an ingot of sapphire single crystal to a predetermined thickness. Various proposals have been made on methods for producing sapphire single crystal ingots, but they are often produced by melt-solidification methods because of their good crystal characteristics and the ease of obtaining large crystal diameters. In particular, the Czochralski method (Cz method), which is one of the melt solidification methods, is widely used for the production of sapphire single crystal ingots.
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などによって坩堝を加熱させることで原料を溶融させる。原料が溶融した後、種結晶を原料融液面に接触させ、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)。 In order to produce an ingot of a sapphire single crystal by the Czochralski method, a crucible is first filled with a raw material of aluminum oxide, and the raw material is melted by heating the crucible by a high frequency induction heating method or a resistance heating method. After the raw material is melted, the seed crystal is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the seed crystal is pulled upward at a predetermined speed while rotating the seed crystal at a predetermined rotation speed (see, for example, Patent Document 1).
ところで、種結晶は、例えばサファイア単結晶のインゴットから所定のサイズにて切り出される。また、特許文献1のように、例えば引き上げ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、単結晶引き上げ装置における種結晶の取り付け治具に種結晶を固定する。そして、一般には、取り付け治具に種結晶を固定するために、種結晶の一部を削るなど種結晶に加工が施される。 By the way, the seed crystal is cut out in a predetermined size from, for example, an ingot of a sapphire single crystal. Further, as in Patent Document 1, when a sapphire single crystal ingot is manufactured by, for example, a pulling method, the seed crystal is fixed to a seed crystal mounting jig in a single crystal pulling apparatus. In general, in order to fix the seed crystal to the mounting jig, the seed crystal is processed by cutting a part of the seed crystal.
このように、種結晶に対して切削などの加工を施すと、種結晶に結晶歪みやクラックが発生する場合がある。そして、結晶歪みを有する種結晶を用いてサファイアの単結晶を成長させると、種結晶における結晶歪みが引き継がれて、得られたサファイア単結晶のインゴットにおいても結晶歪みが発生するおそれがある。
また、例えば引き上げ法によってサファイア単結晶の成長を行う場合には、サファイア単結晶(サファイアインゴット)の成長に伴って、種結晶にかかる荷重も次第に増加する。このとき、種結晶に結晶歪みやクラックが生じていると、サファイア単結晶(サファイアインゴット)の成長中に種結晶が破断し、そのインゴットが融液に落下するおそれがある。
Thus, when processing such as cutting is performed on the seed crystal, crystal distortion and cracks may occur in the seed crystal. When a sapphire single crystal is grown using a seed crystal having crystal distortion, the crystal distortion in the seed crystal is inherited, and there is a possibility that crystal distortion may occur in the obtained ingot of the sapphire single crystal.
For example, when the sapphire single crystal is grown by the pulling method, the load applied to the seed crystal gradually increases with the growth of the sapphire single crystal (sapphire ingot). At this time, if crystal distortion or cracks occur in the seed crystal, the seed crystal may break during the growth of the sapphire single crystal (sapphire ingot), and the ingot may fall into the melt.
以上のように、サファイア単結晶のインゴットにおいて結晶歪みが生じたり、サファイア単結晶のインゴットが融液に落下したりすると、サファイア単結晶の製造効率が低下することにつながる。
本発明は、サファイア単結晶の結晶成長に用いられる種結晶の結晶歪みやクラックを低減することを目的とする。また、サファイア単結晶の製造効率を向上させることを目的とする。
As described above, when crystal distortion occurs in the sapphire single crystal ingot or the sapphire single crystal ingot falls into the melt, the production efficiency of the sapphire single crystal decreases.
An object of this invention is to reduce the crystal distortion and crack of a seed crystal used for crystal growth of a sapphire single crystal. Moreover, it aims at improving the manufacturing efficiency of a sapphire single crystal.
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、取付け部材に取り付けられたサファイア種結晶を用いて、サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させるサファイア単結晶の製造方法であって、加熱処理が施されたサファイア種結晶を取付け部材に取り付ける取付け工程と、取付け部材に取り付けられたサファイア種結晶をサファイア融液に浸し、サファイア種結晶を引き上げながら、サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる結晶成長工程とを備え、加熱処理では、サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる温度よりも低い温度で、サファイア種結晶を加熱処理することを特徴とする。 For this purpose, a method for producing a sapphire single crystal to which the present invention is applied is a method for producing a sapphire single crystal in which a sapphire single crystal is grown on a sapphire seed crystal using a sapphire seed crystal attached to a mounting member. The sapphire seed crystal is attached to the sapphire seed crystal while the sapphire seed crystal attached to the attachment member is immersed in the sapphire melt and pulled up. A crystal growth step for growing a crystal, and the heat treatment is characterized in that the sapphire seed crystal is heat-treated at a temperature lower than a temperature at which the sapphire single crystal is grown on the sapphire seed crystal.
このようなサファイア単結晶の製造方法において、サファイア種結晶は、取付け部材に取り付けるための加工がなされた後に、加熱処理が施されることを特徴とすることができる。
また、サファイア種結晶は、1100℃より高く、且つ1900℃より低い温度で加熱処理が施されることを特徴とすることができる。
さらに、サファイア種結晶は、温度に0.5時間以上保持する加熱処理が施されることを特徴とすることができる。
そして、サファイア種結晶は、サファイア種結晶の結晶方位におけるc軸方向が引き上げ方向となるように取付け部材に取り付けられることを特徴とすることができる。
In such a method for producing a sapphire single crystal, the sapphire seed crystal can be characterized by being subjected to a heat treatment after being processed for attachment to the attachment member.
Further, the sapphire seed crystal can be characterized by being subjected to heat treatment at a temperature higher than 1100 ° C. and lower than 1900 ° C.
Furthermore, the sapphire seed crystal can be characterized by being subjected to a heat treatment that maintains the temperature for 0.5 hour or more.
And a sapphire seed crystal can be attached to an attachment member so that the c-axis direction in the crystal orientation of a sapphire seed crystal may become a pulling direction.
さらに他の観点から捉えると、本発明が適用される種結晶の製造方法は、取付け部材に取り付けられ、サファイア融液に浸されてサファイア単結晶を成長させるサファイア種結晶の製造方法であって、サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる温度よりも低い温度に、サファイア種結晶の温度を上昇させる昇温工程と、サファイア種結晶を温度に保持する温度保持工程とを備えることを特徴とすることができる。 From another viewpoint, the method for producing a seed crystal to which the present invention is applied is a method for producing a sapphire seed crystal that is attached to a mounting member and is immersed in a sapphire melt to grow a sapphire single crystal, A temperature raising step for raising the temperature of the sapphire seed crystal to a temperature lower than the temperature for growing the sapphire single crystal on the sapphire seed crystal, and a temperature holding step for keeping the sapphire seed crystal at a temperature are provided. Can do.
このような種結晶の製造方法において、昇温工程の前に、サファイア種結晶に対して、取付け部材に取り付けるための加工を行う加工工程をさらに備えることを特徴とすることができる。 Such a seed crystal manufacturing method may further include a processing step of performing processing for attaching the sapphire seed crystal to the attachment member before the temperature raising step.
また、サファイア種結晶は、加熱された雰囲気中に置かれることで加熱されることを特徴とすることができる。
さらに、サファイア種結晶は、酸化アルミニウム製の部材に保持された状態で加熱されることを特徴とすることができる。
The sapphire seed crystal can be characterized by being heated by being placed in a heated atmosphere.
Furthermore, the sapphire seed crystal can be characterized by being heated while being held by a member made of aluminum oxide.
本発明によれば、サファイア単結晶の結晶成長に用いられる種結晶の結晶歪みやクラックを低減することができる。また、サファイア単結晶の製造効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, crystal distortion and cracks of a seed crystal used for crystal growth of a sapphire single crystal can be reduced. In addition, the production efficiency of the sapphire single crystal can be improved.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本実施形態におけるサファイア単結晶の製造手順の一例のフローチャートである。本実施形態では、溶融固化法の一つであるチョクラルスキー法(Cz法)によって、サファイア単結晶を製造している。そして、図1に示すように、本実施形態のサファイア単結晶の製造手順は3つの工程を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a flowchart of an example of a manufacturing procedure of a sapphire single crystal in the present embodiment. In this embodiment, the sapphire single crystal is manufactured by the Czochralski method (Cz method) which is one of the melt solidification methods. And as shown in FIG. 1, the manufacturing procedure of the sapphire single crystal of this embodiment is equipped with three processes.
まず、サファイアの単結晶からなる種結晶(サファイア種結晶)を加工する種結晶の加工工程を行う(ステップ101)。本実施形態の種結晶の加工工程における加工とは、種結晶用のサファイア単結晶から所望とするサイズの種結晶を切り出す加工や、単結晶引き上げ装置3(後述)の取り付け治具に種結晶を固定するために種結晶を削るなどの加工のことである。
次いで、加工工程を経た種結晶に対し、種結晶を所定の温度まで加熱する種結晶の加熱工程を行う(ステップ102)。この種結晶の加熱工程において、種結晶における結晶歪みやクラックを除去する。こうすることで、本実施形態では、後のサファイア単結晶の成長工程において、サファイアインゴットが融液に落下したり、サファイアインゴットに結晶歪みが生じたりしないようにしている。
そして、加熱工程を経た種結晶を用いて、サファイア単結晶(サファイアインゴット)を成長させる単結晶成長工程を行う(ステップ103)。
First, a seed crystal processing step for processing a seed crystal (sapphire seed crystal) made of a single crystal of sapphire is performed (step 101). The processing in the processing step of the seed crystal of the present embodiment is processing for cutting out a seed crystal of a desired size from a sapphire single crystal for seed crystal, or attaching a seed crystal to a mounting jig of a single crystal pulling device 3 (described later). It is a process such as cutting a seed crystal to fix it.
Next, a seed crystal heating step of heating the seed crystal to a predetermined temperature is performed on the seed crystal that has undergone the processing step (step 102). In this seed crystal heating step, crystal distortion and cracks in the seed crystal are removed. By doing so, in the present embodiment, the sapphire ingot is prevented from falling into the melt or crystal distortion in the sapphire ingot in the subsequent growth process of the sapphire single crystal.
Then, a single crystal growth step for growing a sapphire single crystal (sapphire ingot) is performed using the seed crystal that has undergone the heating step (step 103).
<種結晶の加工工程>
図2は、本実施形態が適用される種結晶10を説明するための一例の図である。なお、図2は、本実施形態の種結晶10の斜視図である。
種結晶10は、サファイア単結晶の成長に用いられるものである。種結晶10は、種結晶用に作製されたサファイア単結晶から所定の結晶方位に切り出すことで得られる。なお、本実施形態の単結晶成長工程では、サファイアの結晶方位におけるc軸方向に引き上げを行う。種結晶10は、図2において長手方向が引き上げ方向となるように単結晶引き上げ装置3の種結晶ホルダ41(後述する図6参照)に取り付けられる。従って、本実施形態の種結晶10は、図2に示す長手方向が結晶方位におけるc軸方向となっている。
<Process of processing seed crystal>
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the
The
また、種結晶10には、図2に示すように、第1の溝11及び第2の溝12の2本の溝が形成される。これらの溝は、後述する単結晶引き上げ装置3の種結晶ホルダ41(後述する図6参照)に取り付ける際に用いられる部位である。第1の溝11及び第2の溝12は、例えばダイヤモンドヤスリ等によって種結晶10を削ることにより形成される。
In addition, as shown in FIG. 2, the
<種結晶の加熱工程>
図3は、本実施形態における加熱装置2の全体構成を説明するための一例の図である。
加熱装置2は、図3に示すように、炉室21と、種結晶10を載せる積載台22と、熱源となるヒータ23と、ヒータ23の加熱温度などを制御する制御部24とを備えている。
<Heating process of seed crystal>
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of the heating device 2 in the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the heating device 2 includes a
本実施形態の積載台22は、種結晶10を載せる台である。また、本実施形態では、サファイア単結晶からなる種結晶10の加熱を行うため、その種結晶10を載せる積載台22を酸化アルミニウム製としている。このように、積載台22を酸化アルミニウム製とすることで、種結晶10に酸化アルミニウム以外の物質が付着することを防止している。例えば積載台22をサファイア以外の材料によって構成し、種結晶10の加熱を行った場合には、その積載台22を構成する材料と種結晶10とが反応したり、その材料と雰囲気ガスとが反応したりすることで、種結晶10に不純物が付着するおそれがある。そこで、本実施形態では、積載台22を種結晶10と同じ組成である酸化アルミニウム製としている。
また、積載台22を種結晶10と同じ材料とすることにより、両者の熱伝導率が等しくなる。こうすることで、本実施形態では、例えば種結晶10の積載台22と接触する部位の温度が局所的に他の部分よりも高くなること、あるいは低くなることを抑制している。
The loading table 22 of this embodiment is a table on which the
Further, by using the same material as that of the
ヒータ23には、各種熱源を採用することができるが、本実施形態では、ヒータ23としてセラミックヒータやカーボンヒータを用いている。本実施形態では、これらをヒータ23として用いることで、熱源の発熱に伴う種結晶10への不純物の付着を防止している。
制御部24は、後述する保持温度T1、加熱における保持時間t、昇温レート(単位時間当たりの上昇温度)、降温レート(単位時間当たりの降下温度)などの設定を受け付け、炉室21内の温度や種結晶10の温度等に基づいてヒータ23の加熱温度の制御を行う。
Various heat sources can be used for the
The
図4は、本実施形態における種結晶10の加熱工程(昇温工程P1、温度保持工程P2、降温工程P3)について説明するための一例の図である。
まず、加熱装置2の炉室21内に設けられる積載台22に種結晶10を載せる。そして、以下に説明するように、所定の温度まで上昇させる昇温工程P1、所定の温度を一定時間維持するする温度保持工程P2、所定の温度から下げる降温工程P3を経ることにより、種結晶10に加熱処理を施す。なお、以下の説明では、温度保持工程P2において保持する温度を「保持温度T1」と呼び、種結晶10の温度を保持温度T1に維持する時間を「保持時間t」と呼ぶ。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a heating process (a heating process P1, a temperature holding process P2, and a cooling process P3) of the
First, the
(昇温工程)
昇温工程P1では、図4に示すように、種結晶10の温度を、種結晶10の初期温度T0(例えば常温の25℃)から保持温度T1になるまで上昇させる。この保持温度T1は、後述する単結晶成長工程において種結晶10にサファイア単結晶を成長させる温度よりも低い温度としている。なお、本実施形態では、保持温度T1は1400℃としている。また、本実施形態では、炉室21内の雰囲気条件は、大気雰囲気(酸素濃度:21体積%)とした。さらに、種結晶10の初期温度T0から保持温度T1まで上昇させるまでの時間は、雰囲気条件にも依存するものの、例えば昇温レートに基づいて設定する。本実施形態では、昇温レートを10℃/分としている。
(Temperature raising process)
In the temperature raising step P1, as shown in FIG. 4, the temperature of the
なお、本発明においては、昇温レートは雰囲気条件にも依存し、特に限定されるものではないが、通常、大気雰囲気中では0.5℃/分以上50℃/分未満の範囲において任意に設定することが好ましく、また1℃/分以上20℃/分未満の範囲にすることが望ましい。
また、下限を0.5℃/分以下に設定すると当該工程における時間が長くなり製品の生産性が悪くなり、コスト面においても実行的ではない。50℃/分を超えるレートの場合には種結晶10内に大きな温度勾配が生じてしまう。
雰囲気条件としては、大気雰囲気中のほか、酸素濃度を若干高めた環境下やAr(アルゴン)等の希ガス雰囲気下などを採用してもよい。
また、昇温工程P1では、図4に示すように初期温度T0から保持温度T1に一段で昇温させてもよく、また複数の昇温工程を含む複数段の工程を経て初期温度T0から保持温度T1に昇温させても良い。
In the present invention, the rate of temperature rise depends on the atmospheric conditions and is not particularly limited. However, it is usually arbitrarily selected within the range of 0.5 ° C./min to less than 50 ° C./min in the air atmosphere. It is preferable to set it, and it is desirable to set it in the range of 1 ° C./min or more and less than 20 ° C./min.
On the other hand, if the lower limit is set to 0.5 ° C./min or less, the time in the process becomes long, the productivity of the product is deteriorated, and the cost is not practical. When the rate exceeds 50 ° C./minute, a large temperature gradient is generated in the
As the atmospheric conditions, in addition to the air atmosphere, an environment in which the oxygen concentration is slightly increased or a rare gas atmosphere such as Ar (argon) may be employed.
Further, in the temperature raising step P1, as shown in FIG. 4, the temperature may be raised from the initial temperature T0 to the holding temperature T1 in a single step, and the temperature is held from the initial temperature T0 through a plurality of steps including a plurality of temperature raising steps. The temperature may be raised to the temperature T1.
(温度保持工程)
温度保持工程P2では、種結晶10の温度を保持温度T1に維持する。本実施形態では、種結晶10の温度を1400℃とし3時間継続させる。なお、保持温度T1は、保持時間tにも多少依存するものの、通常1100℃以上1900℃未満の温度範囲が好ましく、また1200℃〜1800℃がより好ましく、さらに1300℃〜1700℃が望ましい。
(Temperature holding process)
In the temperature holding step P2, the temperature of the
保持温度T1は、1100℃以上1900℃未満の温度範囲において、保持時間tを短くする場合には高めの温度に任意に設定することができ、また保持時間tを長くする場合には上記温度範囲において低めの温度に任意に設定することができる。
具体的には、保持時間tを、例えば0.5時間にする場合には1300℃以上1900℃未満の範囲とすることが好ましい。保持時間tを例えば、3時間にする場合には1200℃以上1900℃未満の範囲とすることが好ましい。さらに、保持時間tを例えば20時間にする場合には1100℃以上1800℃未満の範囲とすることが好ましい(後述する図7参照)。
一方、保持温度T1が1200℃以上1800℃以下の範囲では、保持時間tは、少なくとも3時間以上に設定することが好ましい。また、保持時間tは、3時間以上に設定することがより好ましい(後述する図7参照)。
The holding temperature T1 can be arbitrarily set to a higher temperature when the holding time t is shortened in the temperature range of 1100 ° C. or more and less than 1900 ° C., and when the holding time t is increased, the above temperature range. Can be arbitrarily set to a lower temperature.
Specifically, when the holding time t is set to 0.5 hours, for example, it is preferably in the range of 1300 ° C. or higher and lower than 1900 ° C. For example, when the holding time t is 3 hours, it is preferable that the holding time t be in a range of 1200 ° C. or higher and lower than 1900 ° C. Furthermore, when the holding time t is set to 20 hours, for example, it is preferable to set the temperature in the range of 1100 ° C. or higher and lower than 1800 ° C. (see FIG. 7 described later).
On the other hand, in the range where the holding temperature T1 is 1200 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower, the holding time t is preferably set to at least 3 hours or longer. The holding time t is more preferably set to 3 hours or more (see FIG. 7 described later).
(降温工程)
降温工程P3では、温度保持工程P2において保持時間tが経過した後、種結晶10の温度を保持温度T1から降下させる。また、本実施形態では、降温レートを5℃/分に設定している。なお、本発明においては、降温レートは、特に限定されるものではないが、0.5℃/分以上40℃/分未満にすることが好ましく、また1℃/分以上15℃/分未満とすることが望ましい。
昇温レートと降温レートとの大小関係を上記のように設定した理由は、当該レートが大き過ぎると熱衝撃によりクラックが生じてしまう恐れがあり、特に降温時の方が熱衝撃をうけやすいので、降温レートを昇温レートより遅くするのがより好ましい。昇温工程及び降温工程において、下限が0.5℃/分以下とすると当該工程における時間が長くなり製品の生産性が悪くなり、コスト面においても実行的ではない。
(Cooling process)
In the temperature lowering process P3, after the holding time t has elapsed in the temperature holding process P2, the temperature of the
The reason for setting the magnitude relationship between the rate of temperature rise and the rate of temperature drop as described above is that if the rate is too large, cracks may occur due to thermal shock, especially when the temperature is lowered because it is more susceptible to thermal shock. It is more preferable that the temperature lowering rate is slower than the temperature rising rate. In the temperature raising step and the temperature lowering step, if the lower limit is 0.5 ° C./min or less, the time in the step becomes longer, the productivity of the product becomes worse, and the cost is not practical.
<単結晶成長工程>
続いて、単結晶成長工程について説明する。
図5は、単結晶成長工程に用いられる単結晶引き上げ装置3の全体構成を説明するための一例の図である。
本実施形態の単結晶引き上げ装置3は、断熱容器31、るつぼ32、加熱コイル33及び引き上げ棒40を備えている。
断熱容器31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。また、断熱容器31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。るつぼ32は、断熱容器31の内側下方に設けられ、酸化アルミニウムを溶融してなるアルミナ融液100を収容する。るつぼ32は、図5に示すように、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。
<Single crystal growth process>
Next, the single crystal growth process will be described.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of the single
The single
The
加熱コイル33は、断熱容器31を挟んでるつぼ32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33は、下側端部がるつぼ32の下端よりも下側に位置するように、上側端部はるつぼ32の上端よりも上側に位置するように配置されている。
加熱コイル33は、高周波の交流電流が供給されると、るつぼ32内に渦電流を発生させる。そうすると、るつぼ32ではジュール熱が発生し、るつぼ32が加熱されることになる。そして、るつぼ32の加熱に伴ってるつぼ32内に収容される酸化アルミニウムがその融点(約2050℃)を超えて加熱されると、るつぼ32内において酸化アルミニウムが溶融しアルミナ融液100となる。
The
The
引き上げ棒40は、断熱容器31の上方から下方に伸びている。引き上げ棒40は、例えばステンレス等の金属棒にて構成されており、鉛直方向への移動及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。
The pulling
また、引き上げ棒40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(不図示)及び引き上げ棒40を回転させるための回転駆動部(不図示)に接続されている。なお、引き上げ駆動部はモータで構成されており、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、回転駆動部もモータで構成されており、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。
Further, the lifting
図6は、単結晶引き上げ装置3における種結晶ホルダ41を説明するための一例の図である。
引き上げ棒40の鉛直下方側の端部には、種結晶10を装着、保持させるための種結晶ホルダ41が設けられている。図6に示すように、種結晶ホルダ41は、一端側が引き上げ棒40に固定されて、他端側に種結晶10が取り付けられるものである。そして、種結晶ホルダ41は、種結晶10の一部が差し込まれる開口を有している。また、開口には、第1の溝421及び第2の溝422が形成されている。第1の溝421及び第2の溝422は、それぞれ図6の紙面手前から奧に向けて、開口の内側の壁に形成される溝である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the
A
取付け部材の一例としての種結晶ホルダ41に種結晶10を取り付ける際には、まず種結晶ホルダ41の他端側における開口に種結晶10を挿入する。そして、種結晶ホルダ41の第1の溝421と種結晶10の第1の溝11とが、種結晶ホルダ41の第2の溝422と種結晶10の第2の溝12とが対向するように位置合わせを行う。さらに、図6に示すように、種結晶ホルダ41の溝と、種結晶10の溝とが対向することで形成される空間にピン43を挿入することで、種結晶10が種結晶ホルダ41に固定される。
When attaching the
種結晶の加熱工程において加熱処理を行った種結晶10を、単結晶引き上げ装置3の種結晶ホルダ41に取り付ける(図6参照)。一方で、るつぼ32(図5参照)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。このとき、るつぼ32内のアルミナ融液100の温度は、約2050℃以上になっている。
次に、酸化アルミニウムの融液すなわちアルミナ融液100に種結晶10の下端部を接触させた状態で、種結晶10を回転させながら上方に引き上げることにより、種結晶10の下方に、サファイアの単結晶(サファイアインゴット200)を形成する。このとき、種結晶10に結晶成長させる温度は少なくとも2050℃としている。そして、得られたサファイアインゴット200は、冷却された後に外部に取り出される。以上のようにして、サファイア単結晶の成長工程における一連の工程が完了する。
The
Next, in a state where the lower end portion of the
なお、このようにして得られたサファイアインゴット200を切断等によって成形する。さらに、サファイアインゴット200を引き上げ方向と直交する方向に切断することにより、サファイア単結晶のウエハが得られる。このとき、本実施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。
The
次に、上述した種結晶の加熱工程における、保持温度T1と保持時間tとについての好ましい条件について説明する。
本発明者は、種結晶の加工工程を経てクラックや結晶歪みが生じている種結晶10を用い、保持温度T1あるいは保持時間tを異ならせて種結晶の加熱工程を行った。これにより、各条件に基づいて作製された複数の種結晶10を得た。そして、得られた種結晶10の状態(外形、クラックの有無、結晶歪みの程度)を調べ、4段階の評価(A評価、B評価、C評価、D評価)を行った。
Next, preferable conditions for the holding temperature T1 and the holding time t in the above-described seed crystal heating step will be described.
The inventor used the
A評価は、加熱工程の前後で種結晶10の外形に変化がみられず、さらに、種結晶10にクラックがみられないものである。また、A評価の種結晶10は、結晶歪みがみられないものである。
なお、A評価の種結晶10は、この種結晶10を用いて単結晶成長工程を行った場合に、結晶成長時に種結晶10が破断しない程度の状態である。さらに、A評価の種結晶10は、一度サファイアインゴット200の引き上げに用いた後、再度種結晶の加熱工程を経ることなく、別途新たなサファイアインゴット200の引き上げに用いること(以下、単結晶成長工程での種結晶10の再利用と呼ぶ)が可能なものである。
In the A evaluation, the outer shape of the
In addition, the
B評価は、加熱工程の前後で種結晶10の外形(外観)に若干の変化がみられ(B1評価)、また種結晶10に若干のクラックがみられた(B2評価)ものである。なお、B評価の種結晶10は、結晶歪みがみられないものである。
なお、B評価の種結晶10は、この種結晶10を用いて単結晶成長工程を行った場合に、種結晶10が破断しない程度の状態である。さらに、B評価の種結晶10は、A評価と同様に、単結晶成長工程での再利用が可能なものである。
In the B evaluation, a slight change was observed in the outer shape (appearance) of the
In addition, the
C評価は、加熱工程の前後で種結晶10の外形に若干の変化がみられ(C1評価)、また種結晶10にクラックがみられるもの(C2評価)である。なお、C評価の種結晶10は、結晶歪みはみられないものである。
なお、C評価の種結晶10は、この種結晶10を用いて単結晶成長工程を行った場合に、種結晶10が破断しない程度の状態である。また、C評価の種結晶10は、単結晶成長工程での再利用ができないものである。
In the C evaluation, a slight change is observed in the outer shape of the
The
D評価は、加熱工程の前後で種結晶10の外形が顕著に変化したもの(D1評価)、また種結晶10にクラックが著しく多くみられるもの(D2評価)である。また、D評価の種結晶10は、その結晶の状態を観察すると、結晶歪みがみられるものである。
なお、D評価の種結晶10は、その種結晶10を用いて単結晶成長を行った場合に、種結晶10におけるクラックや結晶歪みを原因として、サファイア単結晶のインゴットにおいて結晶歪みが生じる可能性が高いものである。さらに、D評価の種結晶10は、この種結晶10を用いて単結晶成長工程を行った場合に、種結晶10が破断する可能性が高いものである。
The D evaluation is one in which the outer shape of the
The
図7は、保持温度T1の条件について説明するための一例の図である。
種結晶の加熱工程において、保持温度T1と保持時間tとの条件を異ならせて複数の種結晶10を作製した。なお、雰囲気条件は大気雰囲気とした。
図7に示すように、保持時間tが0.5時間と短い場合には、保持温度T1を1100℃未満(1000℃)に設定した場合は、評価がC2評価となった。保持温度T1を1100℃未満(1000℃)に設定した場合には、種結晶10におけるクラックや結晶歪みが十分に除去されなかったものと考えられる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the condition of the holding temperature T1.
In the seed crystal heating step, a plurality of
As shown in FIG. 7, when the holding time t was as short as 0.5 hours, the evaluation was C2 evaluation when the holding temperature T1 was set to less than 1100 ° C. (1000 ° C.). When the holding temperature T1 is set to less than 1100 ° C. (1000 ° C.), it is considered that cracks and crystal distortion in the
保持温度T1を1100℃〜1200℃に設定した場合、評価結果はB2評価となった。保持温度T1が1200℃になると、若干クラックがみられるものの、種結晶10の結晶歪みが除去され始めることが分かった。これは、保持温度T1を1200℃より高く設定することで、種結晶10を構成する原子が移動し易くなり、結晶歪みが緩和されたものと考えられる。
When the holding temperature T1 was set to 1100 ° C to 1200 ° C, the evaluation result was B2 evaluation. It was found that when the holding temperature T1 reached 1200 ° C., the crystal distortion of the
また、保持温度T1を1300℃〜1800℃に設定した場合は、その評価がA評価となった。保持温度T1をこれらの温度範囲に設定した場合は、加熱前後での種結晶10の外形に変化がみられないとともに、結晶歪み、クラックが除去され、さらに種結晶10の再利用が可能となることが明らかとなった。
Moreover, when the holding temperature T1 was set to 1300 ° C. to 1800 ° C., the evaluation was A evaluation. When the holding temperature T1 is set within these temperature ranges, the outer shape of the
保持温度T1を1900℃に設定した場合は、その評価がB1評価となった。保持温度T1が1900℃になると、加熱工程により種結晶10全体として若干の変形が生じることが分かった。
When holding temperature T1 was set to 1900 degreeC, the evaluation became B1 evaluation. It was found that when the holding temperature T1 reached 1900 ° C., the
保持温度T1を2000℃に設定した場合は、その評価がD1評価となった。上記までの保持温度T1と種結晶10の状態との関係に基づくと、保持温度T1が高くなるにつれて、種結晶10におけるクラックが除去される傾向にある。しかしながら、保持温度T1が1900℃より高くなると、加熱によって種結晶10自体が変形することが分かった。
When holding temperature T1 was set to 2000 degreeC, the evaluation became D1 evaluation. Based on the relationship between the holding temperature T1 and the state of the
ここで、サファイアの融点が約2050℃であることから、保持温度T1を2000℃以下に抑制する必要がある。
以下、保持時間tが3時間の場合と20時間の場合に関しても、図7に示し、詳細な説明を省略するが、保持温度T1に依っては種結晶の評価が異なる。しかしながら、保持温度T1が1300℃〜1700℃の温度範囲においては少なくとも0.5時間以上の保持時間tでもその評価がA評価であった。
Here, since the melting point of sapphire is about 2050 ° C., it is necessary to suppress the holding temperature T1 to 2000 ° C. or less.
Hereinafter, the cases where the holding time t is 3 hours and 20 hours are also shown in FIG. 7 and will not be described in detail, but the evaluation of the seed crystals differs depending on the holding temperature T1. However, in the temperature range where the holding temperature T1 is 1300 ° C. to 1700 ° C., the evaluation was A evaluation even at a holding time t of at least 0.5 hour or more.
図8は、保持時間tの条件について説明するための一例の図である。
加熱装置2を用いて、保持時間tの条件を異ならせて複数の種結晶10を作製した。なお、保持温度T1は1200℃及び1800℃とし、雰囲気条件は大気雰囲気とした。
図8に示すように、保持温度T1が1200℃では、保持時間tを2時間以下に設定した場合は、その評価がB2評価となった。この保持温度T1では、保持時間tを2時間以下にすると、種結晶10のクラックを除去できる程度の原子の移動が起こらなかったものと考えられる。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the condition for the holding time t.
A plurality of
As shown in FIG. 8, when the holding temperature T1 is 1200 ° C., when the holding time t is set to 2 hours or less, the evaluation is B2 evaluation. At this holding temperature T1, it is considered that when the holding time t is 2 hours or less, the atoms have not moved to such an extent that the cracks of the
そして、保持時間tを3時間以上(または2時間を越えて)に設定した場合、評価結果はA評価となった。
ここで、保持時間tを例えば20時間など3時間より長く設定しても、種結晶10におけるクラック、変形の程度に大きな差異はみられなかった。なお、種結晶の加熱工程におけるコストを鑑みると、保持時間tは少なくとも3時間あれば良い。
また、図8に示すように、保持温度T1が1800℃では、保持時間tは、0.5時間あればよく、評価結果はA評価となった。一方、1時間以上の保持時間tでは、その評価がB1評価となり、種結晶10の外形に若干の変化がみられた。
When the holding time t was set to 3 hours or more (or more than 2 hours), the evaluation result was A evaluation.
Here, even when the holding time t was set longer than 3 hours such as 20 hours, for example, there was no significant difference in the degree of cracking and deformation in the
Further, as shown in FIG. 8, when the holding temperature T1 is 1800 ° C., the holding time t may be 0.5 hours, and the evaluation result is A evaluation. On the other hand, at the holding time t of 1 hour or more, the evaluation was B1 evaluation, and a slight change was observed in the outer shape of the
なお、D評価(D1評価またはD2評価)の種結晶10は、外形が大きく変動していたり、またその種結晶10を用いて単結晶成長を行った場合には、種結晶10におけるクラックや結晶歪みを原因として、サファイア単結晶のインゴットにおいて結晶歪みが生じる可能性が高く、その後の単結晶成長工程において使用上好ましくなかった。
さらに、C評価の種結晶10は、この種結晶10を用いて単結晶成長工程を行った場合に、種結晶10が破断する可能性が高く、推奨できるものではなかった。
なお、A評価及びB評価(B1評価又はB2評価)は、その後の単結晶成長工程において種結晶として使用できるものであった。
It should be noted that the
Furthermore, when the
In addition, A evaluation and B evaluation (B1 evaluation or B2 evaluation) could be used as a seed crystal in the subsequent single crystal growth process.
以上説明したように、図7に示す種結晶の加熱工程において、保持温度T1を1100℃以上1900℃未満にすることによって、より好ましくは1200℃以上1900℃未満にすることによって、さらに望ましくは1300℃以上1800℃未満にすることによって、種結晶10の変形を抑制しながら、種結晶10におけるクラック、結晶歪みを除去できることが理解される。
また、図8に示す結果から、保持温度T1が1200℃以上1800℃以下の範囲では、種結晶の加熱工程において、少なくとも保持時間tを0.5時間以上にした場合、B評価(B1評価又はB2評価)及びA評価であり、種結晶10の変形を抑制しながら、種結晶10におけるクラック、結晶歪みを除去できることが理解できる。
As described above, in the step of heating the seed crystal shown in FIG. 7, the holding temperature T1 is set to 1100 ° C. or higher and lower than 1900 ° C., more preferably 1200 ° C. or higher and lower than 1900 ° C., further desirably 1300. It is understood that by setting the temperature to 1 ° C. or more and less than 1800 ° C., cracks and crystal distortion in the
Further, from the results shown in FIG. 8, when the holding temperature T1 is in the range of 1200 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower, when the holding time t is at least 0.5 hour or more in the seed crystal heating step, B evaluation (B1 evaluation or B2 evaluation) and A evaluation, and it can be understood that cracks and crystal distortion in the
特に、本実施形態のように、サファイア単結晶をc軸方向に結晶成長させる場合は、例えばa軸方向などに結晶成長させた場合と比較して、結晶歪みが生じやすいことが知られている。これに対して、本実施形態では、種結晶10における結晶歪みの除去を図ることにより、その種結晶10を用いてサファイア単結晶の成長を行う際に、サファイア単結晶における結晶歪みの発生を抑制することが可能となる。
In particular, as in this embodiment, when a sapphire single crystal is grown in the c-axis direction, it is known that crystal distortion is more likely to occur than when grown in the a-axis direction, for example. . On the other hand, in this embodiment, by removing the crystal distortion in the
また、種結晶の加熱工程において、種結晶10を局所的に加熱する加熱方法を用いた場合には、局所的に加熱されることによる種結晶10の変形や、結晶歪みの発生を招きかねない。これに対し、本実施形態では、加熱装置2の炉室21内に種結晶10を配置し、加熱された雰囲気中に種結晶10を置くことで、種結晶10の全体にわたってほぼ均一に種結晶10を加熱している。
さらに、本実施形態では、所定の時間、加熱された雰囲気中に種結晶10を置くことで、種結晶10の原子が移動できるように十分に加熱するようにしている。こうすることで、種結晶10の内部におけるクラックや結晶歪みの除去を図っている。
In addition, when a heating method in which the
Furthermore, in this embodiment, by placing the
なお、本実施形態における種結晶の加熱工程では、保持温度T1が一定になるようにして、種結晶10の加熱を行っている。ここで、上述したように、保持温度T1が1100℃より高ければ、種結晶10の結晶歪みやクラックの除去を行うことができる。従って、温度保持工程P2において、保持温度T1が1100℃以上1900℃未満の温度範囲内であれば、保持温度T1が上下に変動しても構わない。
In the seed crystal heating step in this embodiment, the
2…加熱装置、3…単結晶引き上げ装置、10…種結晶、41…種結晶ホルダ 2 ... heating device, 3 ... single crystal pulling device, 10 ... seed crystal, 41 ... seed crystal holder
Claims (9)
加熱処理が施されたサファイア種結晶を前記取付け部材に取り付ける取付け工程と、
前記取付け部材に取り付けられた前記サファイア種結晶をサファイア融液に浸し、当該サファイア種結晶を引き上げながら、当該サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる結晶成長工程とを備え、
前記加熱処理では、前記サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる温度よりも低い温度で、当該サファイア種結晶を加熱処理することを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。 Using a sapphire seed crystal attached to an attachment member, a sapphire single crystal manufacturing method for growing a sapphire single crystal on the sapphire seed crystal,
An attachment step of attaching the heat-treated sapphire seed crystal to the attachment member;
A step of immersing the sapphire seed crystal attached to the attachment member in a sapphire melt and pulling up the sapphire seed crystal while growing a sapphire single crystal on the sapphire seed crystal; and
In the heat treatment, the sapphire seed crystal is heat-treated at a temperature lower than a temperature at which the sapphire seed crystal is grown on the sapphire seed crystal.
前記サファイア種結晶にサファイア単結晶を成長させる温度よりも低い温度に、当該サファイア種結晶の温度を上昇させる昇温工程と、
前記サファイア種結晶を前記温度に保持する温度保持工程と
を備えることを特徴とする種結晶の製造方法。 A method for producing a sapphire seed crystal that is attached to a mounting member and is immersed in a sapphire melt to grow a sapphire single crystal,
A temperature raising step for raising the temperature of the sapphire seed crystal to a temperature lower than the temperature at which the sapphire single crystal is grown on the sapphire seed crystal;
And a temperature holding step of holding the sapphire seed crystal at the temperature.
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