JP2014156373A

JP2014156373A - サファイア単結晶の製造装置

Info

Publication number: JP2014156373A
Application number: JP2013027573A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Okano; 勝彦岡野; Yoshihiko Sho; 義彦正
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-28

Abstract

【課題】同一のカップ状坩堝を繰り返し利用しても坩堝内壁面と育成されるサファイア単結晶外周面とが固着しないサファイア単結晶の製造装置を提供すること。
【解決手段】この製造装置は、育成炉１と、育成炉内に設けられたカーボン製筒状ヒーター３と、筒状ヒーター内に配置されるタングステン製のカップ状坩堝６と、カップ状坩堝を下側から支持する坩堝支持軸（支持部材）８を備え、カップ状坩堝内に収容された種子結晶９と原料10を筒状ヒーターにより加熱して原料と種子結晶の一部を融解させ、結晶化させる一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置であり、カップ状坩堝に開口部を覆う蓋体７が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直ブリッジマン法あるいは垂直温度勾配凝固法と呼称されている一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置に係り、特に、同一の坩堝を繰り返し利用しても坩堝内壁面と育成されるサファイア単結晶外周面とが固着せずに育成されたサファイア単結晶を坩堝から容易に取り出すことが可能なサファイア単結晶の製造装置に関する。

サファイアは種々の用途に用いられているが、中でもＬＥＤ製造用のサファイア基板としての用途が重要になってきている。すなわち、サファイア基板上にバッファー層および窒化ガリウム系被膜をエピタキシャル成長させることによりＬＥＤ発光基板を得ることが主流となってきている。このため、サファイアを効率よく安定的に生産できるサファイア単結晶の製造装置が求められている。

ところで、ＬＥＤ製造用のサファイア基板は、ほとんどがｃ面方位（0001）の基板である。従来、工業的に採用されているサファイア単結晶の製造方法としては、縁端限定成長（Edge-defined Film-fed Growth：ＥＦＧ）法、カイロポーラス（Kyropulos：ＫＰ）法、チョクラルスキー（Czochralski：ＣＺ）法等がある。但し、ＫＰ法やＣＺ法にて直径３インチ以上でｃ軸成長方位の結晶を得ようとすると種々の結晶欠陥が発生するため、ａ軸方位成長の単結晶を生産して代替している。しかし、ａ軸成長サファイア結晶からｃ軸サファイア結晶ブールを加工するには、結晶を横方向から刳り抜く必要があり、加工が容易でないことに加え、利用できない部分が多く生じて収率が悪いという課題が存在した。

一方、酸化物単結晶の製造方法には、垂直ブリッジマン法あるいは垂直温度勾配凝固法と呼称されている一方向凝固法も知られている。そして、上記垂直ブリッジマン法によりサファイアのような高融点融液からサファイア単結晶を製造するには、高温下で強度的、化学的に耐えられる坩堝が必要となり、例えば、タングステン、モリブデン、タングステン・モリブデン合金といった高融点金属から成るカップ状の坩堝（カップ状坩堝）が用いられている（特許文献１参照）。

特開２０１１−４２５６０号公報（図１参照）

ところで、垂直ブリッジマン法あるいは垂直温度勾配凝固法と呼称されている一方向凝固法による従来のサファイア単結晶の製造装置は、育成炉と、育成炉内に設けられたカーボン製の筒状ヒーターと、筒状ヒーター内に配置されたカップ状坩堝と、カップ状坩堝を底面側から支持する支持部材を備えており、カップ状坩堝内に収容された種子結晶と原料を筒状ヒーターにより加熱して原料と種子結晶の一部を融解しかつ結晶化さてサファイア単結晶を製造している。

そして、一方向凝固法による従来の製造装置において、カップ状坩堝の構成材料としてタングステン若しくはタングステン・モリブデン合金が適用された場合、タングステンとサファイアにおける線膨張係数の違いから、カップ状坩堝の内壁面と育成されたサファイア単結晶の外周面とが非接触の状態となるため、育成されたサファイア単結晶をカップ状坩堝から容易に取り出すことが可能となる。

しかし、同一のカップ状坩堝を繰り返し利用してサファイア単結晶の育成を重ねた場合、カップ状坩堝の内壁面と育成されたサファイア単結晶の外周面が固着してしまい、サファイア単結晶の坩堝からの取り出しが困難となる問題があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、同一のカップ状坩堝を繰り返し利用しても、坩堝の内壁面と育成されるサファイア単結晶の外周面とが固着せずに育成されたサファイア単結晶を坩堝から容易に取り出すことが可能なサファイア単結晶の製造装置を提供することにある。

そこで、カップ状坩堝の内壁面と育成されるサファイア単結晶の外周面とが固着してしまう原因について本発明者等が鋭意分析を行なったところ、育成炉内に設けられた筒状ヒーターやこの周囲に配置される断熱部材等を構成するカーボンが関係していることを発見するに至った。すなわち、カップ状坩堝の構成材料にタングステン若しくはタングステン・モリブデン合金が適用された場合、上記筒状ヒーターや断熱部材等に用いられるカーボンの影響でカップ状坩堝内壁面の一部が炭化されてしまい、サファイア融液と濡れ性がよい炭化タングステンが生成される結果、カップ状坩堝の内壁面と育成されるサファイア単結晶の外周面とが固着してしまうことを発見するに至った。本発明はこのような技術的発見により完成されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明は、
育成炉と、この育成炉内に設けられたカーボン製の筒状ヒーターと、タングステンまたはモリブデン・タングステン合金により構成されかつ筒状ヒーター内に配置されると共にカップ状に成形されたカップ状坩堝と、カップ状坩堝の底面側に設けられ上記坩堝を下側から支持する支持部材とを備え、カップ状坩堝内に収容された種子結晶と原料を上記筒状ヒーターにより加熱して原料と種子結晶の一部を融解させ、結晶化させる一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置において、
上記カップ状坩堝に開口部を覆う蓋体が設けられていることを特徴とし、
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載のサファイア単結晶の製造装置において、
上記蓋体がタングステンまたはタンタルで構成されていることを特徴とする。

本発明に係るサファイア単結晶の製造装置によれば、
タングステンまたはモリブデン・タングステン合金により構成された上記カップ状坩堝に開口部を覆う蓋体が設けられているため、筒状ヒーター等を構成するカーボンがカップ状坩堝内に入り込むことがない。

従って、カップ状坩堝内壁面の炭化が防止されてサファイア融液と濡れ性がよい炭化タングステンの生成が抑制されるため、同一のカップ状坩堝を繰り返し利用してもカップ状坩堝の内壁面と育成されるサファイア単結晶の外周面とが固着することがないことから、育成されたサファイア単結晶をカップ状坩堝から容易に取り出すことが可能となる効果を有している。

実施の形態に係るサファイア単結晶の製造装置の概略構成を示す説明図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るサファイア単結晶の製造装置の概略構成を示す説明図である。まず、本発明の実施の形態に係るサファイア単結晶の製造装置は、垂直ブリッジマン法あるいは垂直温度勾配凝固法と呼称されている公知の一方向凝固法による育成炉１を備えている。この構造を簡単に説明すると、育成炉１は、冷却水が流通される筒状のチャンバー２により密閉された空間内に複数の筒状ヒーターが設置された構造を有している。本発明の実施の形態では３個の筒状ヒーター３が配置されている。尚、育成炉１の寸法は、製造する単結晶の大きさに依存するが、例えば、直径１ｍ、高さ１ｍ程度である。

また、育成炉１内には、図示しない開口部が２箇所設けられており、不活性ガス、好ましくはアルゴンガスが給排されて、結晶育成時には、育成炉１内は不活性ガスで満たされている。尚、図示しないが、育成炉１内には炉内の温度を複数個所で計測する温度計が設置されている。

また、上記筒状ヒーター３はカーボンヒーターで構成され、制御部（図示せず）を介して投入電力が制御され、温度調節がなされる。また、筒状ヒーター３の周りには断熱部材４が配置され、断熱部材４により囲まれてホットゾーン５が形成されている。筒状ヒーター３への投入電力量を制御することによってホットゾーン５内の上下方向に温度勾配を形成する。尚、上記断熱部材４はカーボンフェルトで構成されている。

また、上記筒状ヒーター３内には、カップ状に形成されたタングステンまたはモリブデン・タングステン合金製のカップ状坩堝６が配置され、かつ、このカップ状坩堝６を底面側から支持する坩堝支持軸（支持部材）８を備えていると共に、カップ状坩堝６の開口部を覆うタングステンまたはタンタル製の蓋体７が設置されている。尚、上記坩堝支持軸（支持部材）８を軸線周りに回転させることにより、カップ状坩堝６が、筒状ヒーター３内において回転される構造にしてもよい。

そして、カップ状坩堝６内に種子結晶９および原料１０を収容し、筒状ヒーター３内にカップ状坩堝６を設置すると共に、筒状ヒーター３によりカップ状坩堝６を加熱して、筒状ヒーター３内に上が高く下が低い温度勾配を形成する。そして、カップ状坩堝６内の原料１０および種子結晶９の一部を融解し、その後、徐々に温度を下げることによってカップ状坩堝６内の融液を下方から上方に向けて順次結晶化させ、サファイア単結晶の育成を行う。尚、サファイア単結晶の育成に係る一連の温度モニターは、上記坩堝支持軸（支持部材）８の長さ方向に亘り設けられた連通孔１１を通し、放射温度計（図示せず）によりカップ状坩堝６の底面を測定することにより行なわれている。

ここで、上記蓋体７を備えていない従来の製造装置を用いてサファイア単結晶を育成した場合、筒状ヒーター３や断熱部材４に用いられるカーボンの影響でタングステンまたはモリブデン・タングステン合金製のカップ状坩堝６内壁面が炭化され、内壁面の一部若しくは全体が炭化タングステンとなる。そして、カップ状坩堝６内壁面の一部若しくは全体が炭化タングステンになってしまうと、本来、線膨張係数の違いから結晶育成終了後にカップ状坩堝６の内壁面とサファイア単結晶の外周面とが非接触状態になるものが、サファイア融液と炭化タングステンの濡れ性が良いためカップ状坩堝６の内壁面とサファイア単結晶の外周面とが固着してしまう問題が発生する。

これに対し、実施の形態に係る製造装置では、上述したようにカップ状坩堝６に開口部を覆う蓋体７が設けられているため、カップ状坩堝６内壁面における炭化が抑制される結果、同一のカップ状坩堝６を繰り返し利用してサファイア単結晶の育成を重ねたとしてもカップ状坩堝６の内壁面とサファイア単結晶の外周面が固着しないことから、育成されたサファイア単結晶をカップ状坩堝６から容易に取り出すことが可能となる。

以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。

［実施例１］
図１に示す製造装置を用い、下記条件にてサファイア単結晶を製造した。

まず、タングステン製のカップ状坩堝６内の一番下側に、直径１５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍ、質量３．５ｋｇ、厚さ方向の結晶方位がｃ軸であるサファイア単結晶を種子結晶９として配置し、その上に、原料１０として塊状のサファイア多結晶を１１．３ｋｇ配置した。尚、種子結晶９については、昇温時に坩堝６とサファイアの熱膨張率の差に起因して坩堝６から応力を受けないようにし、かつ、上部の原料融液がカップ状坩堝６の底に流れ込んで多結晶化を起こさせないようにするため、カップ状坩堝６の内壁と種子結晶９との間隙が０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下となるような寸法に加工されている。

そして、種子結晶９と原料１０が収容されたカップ状坩堝６を育成炉１内の坩堝支持軸（支持部材）８上に乗せ、カップ状坩堝６の開口部にタングステン製の蓋体７を被せた後、育成炉１を密閉した。そして、育成炉１内を０．１Ｐａ程度まで真空引きした後、毎分４リットル程度の流量のアルゴンガスを導入して育成炉１内をアルゴンガスで満たした。次に、カーボン製筒状ヒーター３に電力を投入し、２４時間かけて昇温し、原料１０が融解しかつ種子結晶９の上部１０ｍｍ程度が融解するような温度分布に達した後、約１２時間静置し、坩堝支持軸（支持部材）８の連通孔１１を通し、図示外の放射温度計で測定したカップ状坩堝６の底面における温度が所定の温度範囲で安定していることを確認してから、一定速度でカーボン製筒状ヒーター３の投入電力を降下させるプログラムをスタートさせた。そして、原料１０融液の最上部が融点を下回る温度になるまで約１５０時間かけて降温し、サファイア単結晶の成長を行なった後、６０時間かけて室温まで冷却した。

冷却終了後、育成炉１からカップ状坩堝６を取り出し、種子結晶９を含めて長さ２００ｍｍ、質量１４．８ｋｇのサファイア単結晶が得られた。サファイア単結晶の外周面とカップ状坩堝６の内壁面との間には間隙ができており、かつ、両者は固着しておらず、カップ状坩堝６からサファイア単結晶を容易に取り出すことができた。

更に、同一のカップ状坩堝６を再利用し、上述の製造条件と同一に設定して３回の結晶育成を繰り返したが、カップ状坩堝６の内壁面と育成されるサファイア単結晶の外周面とが固着せず、育成されたサファイア単結晶をカップ状坩堝６から容易に取り出すことができることが確認された。

［実施例２］
タングステン製のカップ状坩堝に代えてモリブデン・タングステン合金製のカップ状坩堝６を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてサファイア単結晶の育成を行ったところ、実施例１と同様、種子結晶を含めて長さ２００ｍｍ、質量１４．８ｋｇのサファイア単結晶が得られ、かつ、サファイア単結晶の外周面とカップ状坩堝６の内壁面とは固着しておらず、サファイア単結晶を容易に取り出すことができた。

［実施例３］
タングステン製の蓋体に代えてタンタル製の蓋体を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてサファイア単結晶の育成を行ったところ、実施例１と同様、種子結晶を含めて長さ２００ｍｍ、質量１４．８ｋｇのサファイア単結晶が得られ、かつ、サファイア単結晶の外周面とカップ状坩堝６の内壁面とは固着しておらず、サファイア単結晶を容易に取り出すことができた。

［比較例］
タングステン製のカップ状坩堝に蓋体を被せなかったこと以外は、実施例１と同様にしてサファイア単結晶の育成を行ったところ、初回の結晶育成では、種子結晶を含めて長さ２００ｍｍ、質量１４．８ｋｇのサファイア単結晶が得られ、かつ、サファイア単結晶の外周面とカップ状坩堝６の内壁面との固着の程度は僅かで、サファイア単結晶をカップ状坩堝６から取り出すことは可能であった。

次に、同一のカップ状坩堝６を再利用し、初回と同一の製造条件で２回目の結晶育成を試みたところ、育成したサファイア結晶の外周面とカップ状坩堝６の内壁面との固着が顕著となり、カップ状坩堝６からサファイア結晶を取り出すことができなかった。

すなわち、サファイア結晶の育成を完了し、かつ、冷却終了後、育成炉からカップ状坩堝６を取り出して坩堝上部の開口部から観察したところ、サファイアは多結晶であった。更に、種子結晶を含めて質量１４．８ｋｇのサファイア多結晶を取り出そうとしたが、サファイア多結晶と坩堝内壁とが固着しており、取り出すことができなかった。

本発明に係るサファイア単結晶の製造装置によれば、同一のカップ状坩堝を繰り返し再利用してもカップ状坩堝内壁面と育成されるサファイア単結晶外周面とが固着せずにカップ状坩堝からサファイア単結晶を容易に取り出せるため、ＬＥＤ製造用サファイア基板の量産を可能とする製造装置として利用される産業上の利用可能性を有している。

１育成炉
２チャンバー
３筒状ヒーター
４断熱部材
５ホットゾーン
６カップ状坩堝
７蓋体
８坩堝支持軸（支持部材）
９種子結晶
１０原料
１１連通孔

Claims

育成炉と、この育成炉内に設けられたカーボン製の筒状ヒーターと、タングステンまたはモリブデン・タングステン合金により構成されかつ筒状ヒーター内に配置されると共にカップ状に成形されたカップ状坩堝と、カップ状坩堝の底面側に設けられ上記坩堝を下側から支持する支持部材とを備え、カップ状坩堝内に収容された種子結晶と原料を上記筒状ヒーターにより加熱して原料と種子結晶の一部を融解させ、結晶化させる一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置において、
上記カップ状坩堝に開口部を覆う蓋体が設けられていることを特徴とするサファイア単結晶の製造装置。
上記蓋体がタングステンまたはタンタルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶の製造装置。