JP2014162698A - Production method of sapphire single crystal - Google Patents

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直人 望月
Masayuki Fukuda
真行 福田
Katsuya Ogawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a sapphire single crystal having no foams, capable of suppressing increase of the impurity concentration of raw material molten liquid even when reuse of the raw material molten liquid is repeated, in production of a sapphire ingot by a Czochralski method.SOLUTION: A sapphire ingot is produced by a Czochralski method, and a shoulder part and a tail part of the sapphire ingot are cut off to obtain a core, and the cut-off shoulder part and tail part are used as a part of a production raw material of the sapphire ingot by the Czochralski method of another batch.

Description

本発明は、エピタキシャル成長用基板や光学材料として使用されるサファイア単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a sapphire single crystal used as an epitaxial growth substrate or an optical material.

サファイア(酸化アルミニウム)単結晶体は、窒化物系化合物半導体やシリコンのエピタキシャル成長用基板、高強度の窓材等として広く利用されている。近年、省エネルギーの観点からLEDテレビやLED照明などとしてLEDの需要が拡大傾向にあることから、特に窒化物系化合物半導体エピタキシャル成長用のサファイア基板の需要が拡大している。   Sapphire (aluminum oxide) single crystals are widely used as nitride compound semiconductors, silicon epitaxial growth substrates, high-strength window materials, and the like. In recent years, demand for LEDs as LED televisions, LED lighting, and the like has been increasing from the viewpoint of energy saving, and thus demand for sapphire substrates for nitride-based compound semiconductor epitaxial growth has been increasing.

サファイア単結晶体の作製方法にはベルヌーイ法、EFG(Edge−defined Film−fed Growth)法、チョクラルスキー法、キロポーラス法、HEM(Heat Exchange Method)法などが知られている。   Known methods for producing a sapphire single crystal include Bernoulli method, EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method, Czochralski method, kiloporous method, HEM (Heat Exchange Method) method and the like.

現在、直径150mmの大型基板(当該業者は一般にこれを6インチ基板と呼ぶ)の材料となるサファイア単結晶体の成長方法として最も一般的なのはキロポーラス法である。キロポーラス法は融液成長法の一種で、原料溶融液面に接触させた種結晶体を引上げず、或いは1mm/時間以下の極端に遅い速度で引上げつつ、ヒーター出力を徐々に下げて坩堝を冷却することにより、原料溶融液面下で単結晶体を成長させる方法であり、優れた結晶特性を有する大口径の単結晶体を比較的容易に得ることができる。   At present, the most common method for growing a sapphire single crystal which is a material for a large substrate having a diameter of 150 mm (which is generally referred to as a 6-inch substrate by those skilled in the art) is the kiloporous method. The kiloporous method is a kind of melt growth method. While the seed crystal in contact with the raw material melt surface is not pulled up or pulled up at an extremely slow speed of 1 mm / hour or less, the heater output is gradually lowered to remove the crucible. By cooling, this is a method of growing a single crystal under the surface of the raw material melt, and a large-diameter single crystal having excellent crystal characteristics can be obtained relatively easily.

しかし、キロポーラス法は結晶方位ごとに異なる成長速度の影響を大きく受けることが知られており、サファイア単結晶の場合、c軸(ミラー指数<0001>)方向に結晶を成長させることが難しく、a軸(同<11−20>)を下面に向けた種結晶を溶融液に接触させ、a軸方向に結晶成長させることが一般的である(例えば、特許文献2参照)。   However, the kiloporous method is known to be greatly affected by the growth rate that varies depending on the crystal orientation. In the case of a sapphire single crystal, it is difficult to grow a crystal in the c-axis (Miller index <0001>) direction, In general, a seed crystal with the a-axis (<11-20>) facing the lower surface is brought into contact with a melt and crystal is grown in the a-axis direction (see, for example, Patent Document 2).

このようにして得られたa軸を成長方向とするサファイア単結晶体から窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長に用いられるc面のサファイア単結晶基板を得るためには、コアドリル等を用いて該単結晶体の側面方向であるc軸方向から希望の直径を持つ円柱体を切り抜き、これをマルチワイヤソー等で円板状に切断する必要がある。   In order to obtain a c-plane sapphire single crystal substrate used for epitaxial growth of a nitride-based compound semiconductor from the sapphire single crystal having the a-axis as the growth direction, the single crystal is obtained using a core drill or the like. It is necessary to cut out a cylindrical body having a desired diameter from the c-axis direction, which is the side direction of the body, and cut it into a disk shape with a multi-wire saw or the like.

一方、チョクラルスキー法はキロポーラス法と同様に融液成長法の一種であるが、原料溶融液面に接触させた種結晶体を0.5〜10mm/時間程度の速度で引上げつつ、引き上げ速度、結晶回転数やヒーター出力を調整することで所望の直径の結晶体を融液面上に成長させる方法である。チョクラルスキー法では、一般にイリジウム製などの坩堝を誘導加熱方式で直接加熱することにより、キロポーラス法で用いられている抵抗加熱方式よりも大きな温度勾配を形成して結晶育成を行う。   On the other hand, the Czochralski method is a kind of melt growth method similar to the kiloporous method, but it is pulled up while pulling up the seed crystal brought into contact with the raw material melt at a speed of about 0.5 to 10 mm / hour. In this method, a crystal having a desired diameter is grown on the melt surface by adjusting the speed, the number of rotations of the crystal, and the heater output. In the Czochralski method, generally, a crucible made of iridium or the like is directly heated by an induction heating method to form a crystal with a larger temperature gradient than the resistance heating method used in the kiloporous method.

このような大きな温度勾配下で結晶育成を行う場合、育成方位ごとの成長速度差が生じにくくなるためにc軸方向に結晶を育成させることが可能になるという利点がある。チョクラルスキー法では、基板に要する直径と任意の長さを有するc軸方向に成長させたサファイア単結晶体を容易に得ることができるため、コアドリルなどで円柱体を切り抜く必要もなく、育成した単結晶体からの基板取得効率が極めて高いという特徴がある。従来、チョクラルスキー法では大型/長尺の結晶育成が困難であると考えられてきたが、近年、研究開発が進んだことで、チョクラルスキー法で大型/長尺のサファイア単結晶体を育成する技術が確立されつつある。   When crystal growth is performed under such a large temperature gradient, there is an advantage that a crystal can be grown in the c-axis direction because a difference in growth rate for each growth orientation is less likely to occur. In the Czochralski method, a sapphire single crystal grown in the c-axis direction having a diameter and an arbitrary length required for the substrate can be easily obtained. It is characterized by extremely high substrate acquisition efficiency from a single crystal. Conventionally, it has been thought that large / long crystal growth is difficult with the Czochralski method. However, due to the recent progress in research and development, large / long sapphire single crystals can be obtained with the Czochralski method. Technology to train is being established.

特開2000−82676号JP 2000-82676 A 特開2004−83407号JP 2004-83407 A 特開2008−207992号JP 2008-207992 A

イリジウム坩堝を用いた高周波加熱方式のチョクラルスキー法を用いてサファイア単結晶を育成した場合、育成後に坩堝に残存する原料溶融液(以下、残メルトと記載)が坩堝に固着してしまい、坩堝を破損させずにこの残メルトを取り出すことが非常に難しいという問題がある。そのため、サファイア単結晶の連続生産に当たっては、この取り出せない残メルトに、単結晶として育成(消費)した分と等量の新規の原料を追加し、次回の結晶育成の原料とするのが通常である。   When a sapphire single crystal is grown using the high frequency heating Czochralski method using an iridium crucible, the raw material melt remaining in the crucible after the growth (hereinafter referred to as residual melt) adheres to the crucible, and the crucible There is a problem that it is very difficult to take out the residual melt without damaging the steel. Therefore, in the continuous production of sapphire single crystals, it is normal to add new raw materials in an amount equivalent to the amount grown (consumed) as single crystals to the residual melt that cannot be taken out, and use them as raw materials for the next crystal growth. is there.

チョクラルスキー法で単結晶を育成する場合、融液中の不純物は偏析によって液相に残存しやすい傾向があるため、一般に成長させた結晶は原料溶融液と比較して著しく高純度である。逆に言えば、育成終了後の残メルトには不純物が濃縮された状態となる。このことは、連続生産にあたって残メルトの再使用を繰り返すに従って残メルトに不純物が濃縮され、原料溶融液の不純物濃度が増加していくことを示している。原料溶融液の純度の低下が進行すると、結晶育成の固液界面近傍で原料溶融液が組成的過冷却と呼ばれる状態となって結晶の異常成長を引き起こし、結果として育成した単結晶中に泡が混入する原因となる。   When a single crystal is grown by the Czochralski method, impurities in the melt tend to remain in the liquid phase due to segregation, so that generally grown crystals are significantly higher in purity than the raw material melt. In other words, impurities are concentrated in the residual melt after completion of the growth. This indicates that the impurities are concentrated in the residual melt as the reuse of the residual melt is repeated in continuous production, and the impurity concentration of the raw material melt increases. As the purity of the raw material melt progresses, the raw material melt enters a state called compositional supercooling in the vicinity of the solid-liquid interface for crystal growth, causing abnormal growth of the crystal, resulting in bubbles in the grown single crystal. It becomes a cause of mixing.

このように残メルトが一定以上の水準に汚染された場合、坩堝から残メルトを除去する工程が必要となる。この工程はイリジウム坩堝を破損させるリスクを伴い、また残メルト取り出しの際に生じた坩堝の変形やピンホールの修正などに多額のコストを要するため、極力回避することが望ましい。   Thus, when the residual melt is contaminated to a certain level or higher, a step of removing the residual melt from the crucible is required. This process involves a risk of damaging the iridium crucible, and requires a large amount of cost for the deformation of the crucible and the correction of the pinholes that occur when the residual melt is taken out.

そこで発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究した結果、チョクラルスキー法を用いて育成したサファイア単結晶のうち、製品として使用されないショルダー部およびテール部を洗浄し、再び原料として投入することで、溶融原料全体としての不純物の濃縮を低減し、その結果、泡の混入を抑制しうることを見出し、本発明を完成した。   Therefore, as a result of diligent research in view of the above points, the inventors washed shoulder portions and tail portions, which are not used as products, out of sapphire single crystals grown using the Czochralski method, and put them back as raw materials. Thus, the inventors have found that the concentration of impurities as a whole of the molten raw material can be reduced, and as a result, mixing of bubbles can be suppressed, and the present invention has been completed.

すなわち本発明は、チョクラルスキー法でサファイアインゴットを製造し、ショルダー部とテール部を切断してコアを得ると共に、切断されたショルダー部とテール部を他バッチのチョクラルスキー法によるサファイアインゴットの製造原料の一部として用いることを特徴とする、サファイアインゴットの製造方法である。   That is, the present invention manufactures a sapphire ingot by the Czochralski method, cuts the shoulder part and the tail part to obtain a core, and uses the cut shoulder part and tail part of the sapphire ingot by another batch of Czochralski method. It is a manufacturing method of a sapphire ingot characterized by using as a part of manufacturing raw material.

本発明による、ショルダー部とテール部を他バッチのチョクラルスキー法によるサファイアインゴットの製造原料の一部として用いるサファイアインゴットの製造方法を用いることで、従来よりも泡のない単結晶サファイア結晶体を繰り返し製造することがより多く可能となる。   By using the method for producing a sapphire ingot using the shoulder portion and the tail portion as a part of the raw material for producing a sapphire ingot by another batch of the Czochralski method according to the present invention, a single crystal sapphire crystal having less bubbles than conventional ones can be obtained. More repetitive manufacturing becomes possible.

チョクラルスキー法単結晶引上げ炉の構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of a Czochralski method single crystal pulling furnace.

本発明におけるチョクラルスキー法でサファイアインゴットを製造する方法は、公知の方法がそのまま適用できるが、その概略を説明すると以下の通りである。   As a method for producing a sapphire ingot by the Czochralski method in the present invention, a known method can be applied as it is, and an outline thereof will be described as follows.

即ち、チョクラルスキー法でのサファイアインゴット製造はバッチ方式となり、通常、図1に例示する如き結晶育成装置の一例(模式図)を用いて、例えば、直胴部直径50〜160mm、長さ50〜500mm程度のインゴットを原料融液から引き上げる。   That is, sapphire ingot production by the Czochralski method is a batch method, and usually using an example (schematic diagram) of a crystal growing apparatus as illustrated in FIG. An ingot of about 500 mm is pulled up from the raw material melt.

この単結晶引上げ装置は、結晶成長炉を構成するチャンバー1を備えており、このチャンバー上壁には、開口部を介して、図示しない駆動機構によって上下動および回転可能な単結晶引上げ棒2が吊設されている。この単結晶引上げ棒の先端には、保持具3を介して種結晶体4が取り付けられており、種結晶体が坩堝5の中心軸上に位置するように配置されている。また、この単結晶引上げ装置の上端には、結晶重量を測定するロードセル6を備えている。   This single crystal pulling apparatus includes a chamber 1 that constitutes a crystal growth furnace, and a single crystal pulling rod 2 that can be moved up and down by a drive mechanism (not shown) through an opening on the upper wall of the chamber. It is suspended. A seed crystal body 4 is attached to the tip of the single crystal pulling rod via a holder 3, and the seed crystal body is disposed on the central axis of the crucible 5. Further, a load cell 6 for measuring the crystal weight is provided at the upper end of the single crystal pulling apparatus.

坩堝5は、チョクラルスキー法に用いられる坩堝として公知の形状の坩堝を使用することができる。一般には、上部から見た開口部が円形状であり、円柱状の胴部を持ち、底面の形状が平面状又は碗状又は逆円錐状のものが用いられる。また、坩堝の材質としては、原料溶融液である酸化アルミニウムの融点に耐え、また酸化アルミニウムとの反応性が低いものが適しており、イリジウム、モリブデン、タングステン、レニウムまたはこれらの合金が一般的に用いられる。とりわけ、耐熱性・耐酸化性に優れたイリジウムを使用することが好ましい。   As the crucible 5, a known crucible can be used as a crucible used in the Czochralski method. In general, an opening viewed from the top is circular, has a cylindrical body, and has a flat bottom surface, a bowl shape, or an inverted conical shape. In addition, the material of the crucible is suitable for a material which can withstand the melting point of aluminum oxide as a raw material melt and has low reactivity with aluminum oxide, and iridium, molybdenum, tungsten, rhenium or alloys thereof are generally used. Used. In particular, it is preferable to use iridium excellent in heat resistance and oxidation resistance.

坩堝の周囲には坩堝の底部及び外周を取り囲むように、断熱壁7aが設置されている。また、坩堝上方の単結晶引上げ域の側周部を環囲する断熱壁7bが設置されている。該断熱壁7a,7bは、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造が制限なく利用できるが、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化したものを含むジルコニア系およびハフニア系の素材、アルミナ系の素材、カーボン系の素材、タングステン、モリブデンなどの金属板を積層させた反射材等が特に好適に利用できる。   A heat insulating wall 7a is installed around the crucible so as to surround the bottom and outer periphery of the crucible. Further, a heat insulating wall 7b surrounding the side periphery of the single crystal pulling area above the crucible is provided. The heat insulating walls 7a and 7b can be used without limitation on known heat insulating materials or structures for heat insulation. A material, an alumina-based material, a carbon-based material, a reflective material in which metal plates such as tungsten and molybdenum are laminated, and the like can be used particularly suitably.

ここで用いられる断熱壁は、内面と外面の温度差が非常に大きい環境下で使用されるため、加熱、冷却の繰り返しによって素材が著しく変形、割れを生じやすい。このような断熱壁の変形や割れによって結晶成長域の温度勾配が刻々と変化すると、安定的な結晶製造を困難にする。そこで、断熱壁は全体を一体の素材で構成するのではなく、いくつかに分割された断熱材の組み合わせで構成することにより、このような変形や応力による断熱壁の割れやそれに伴う温度環境の変化を低減するのが好ましい。   Since the heat insulating wall used here is used in an environment where the temperature difference between the inner surface and the outer surface is very large, the material is likely to be significantly deformed and cracked by repeated heating and cooling. When the temperature gradient in the crystal growth region changes every moment due to such deformation and cracking of the heat insulating wall, stable crystal production becomes difficult. Therefore, the entire heat insulating wall is not composed of a single piece of material, but is composed of a combination of heat insulating materials divided into several parts. It is preferable to reduce the change.

単結晶引上げ域を環囲する断熱壁の上端の開口部は、単結晶引上げ棒の挿入孔が少なくとも穿孔された天井板8により閉塞される。これにより、単結晶引上げ域は、上記断熱壁7a,7bと天井板8とにより形成される単結晶引上げ室内に収まるため、その保熱性が大きく向上する。該天井板は断熱壁と同様、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造で形成されていればよい。また、該天井板は、必ずしも平板状である必要はなく、断熱壁の環囲体の上端開口部を後述する穿孔部分を除いて閉塞するものであれば如何なる形状であっても良い。例えば、平板状以外の形状として円錐台状、逆円錐台状、笠状、逆笠状、ドーム状、逆ドーム状等であっても良い。   The opening at the upper end of the heat insulating wall surrounding the single crystal pulling area is closed by the ceiling plate 8 in which the insertion hole for the single crystal pulling bar is formed at least. Thereby, since the single crystal pulling area is accommodated in the single crystal pulling chamber formed by the heat insulating walls 7a and 7b and the ceiling plate 8, the heat retention is greatly improved. The ceiling board should just be formed with the well-known heat insulating material or the structure for heat insulation similarly to the heat insulation wall. Further, the ceiling plate is not necessarily flat and may have any shape as long as the upper end opening of the enclosure of the heat insulating wall is closed except for a perforated portion described later. For example, the shape other than the plate shape may be a truncated cone shape, an inverted truncated cone shape, a shade shape, an inverted shade shape, a dome shape, an inverted dome shape, or the like.

断熱壁の外周、おおよそ坩堝の高さの位置を環囲して、高周波コイル9が設置されている。該高周波コイルには、図示しない高周波電源が接続される。高周波電源は、一般のコンピュータからなる制御装置に接続され、出力を適宜調節される。該制御装置は、前記ロードセルの重量変化を解析して高周波電源の出力を調整するほかに、結晶引上げ軸や坩堝の回転数、引上げ速度、ガスの流入出のためのバルブ操作なども併せて制御するのが一般的である。   A high-frequency coil 9 is installed around the outer periphery of the heat insulating wall and approximately the height of the crucible. A high frequency power source (not shown) is connected to the high frequency coil. The high-frequency power source is connected to a control device composed of a general computer, and the output is appropriately adjusted. In addition to analyzing the weight change of the load cell and adjusting the output of the high frequency power supply, the control device also controls the rotation speed of the crystal pulling shaft and crucible, the pulling speed, and the valve operation for gas inflow and outflow. It is common to do.

半導体向けサファイア基板用のサファイア単結晶コアを製造するための原料としては、後述するインゴットを切断して得られたショルダー部とテール部以外に、新規原料として、通常、純度4N(99.99%)以上の純度を有する酸化アルミニウム(アルミナ)が用いられる。不純物はサファイア単結晶の格子間又は格子内に混入して結晶欠陥の起点となることから、純度の低い原料を用いるとサブグレインが発生しやすく、また結晶が着色する傾向がある。結晶の着色の原因は不純物によって形成された結晶欠陥に起因する色中心(カラーセンター)であり、結晶欠陥の多さを間接的に示している。特に不純物としてのクロムは着色に顕著な影響を及ぼすことから、クロムの含有量が100ppm未満の原料を使用することが好ましい。   As a raw material for producing a sapphire single crystal core for a sapphire substrate for semiconductors, in addition to a shoulder part and a tail part obtained by cutting an ingot described later, a new raw material usually has a purity of 4N (99.99% ) Aluminum oxide (alumina) having the above purity is used. Since impurities are mixed into or between the lattices of the sapphire single crystal and become the starting point of crystal defects, when raw materials with low purity are used, subgrains tend to occur and the crystals tend to be colored. The cause of coloration of the crystal is a color center (color center) caused by crystal defects formed by impurities, which indirectly indicates the number of crystal defects. In particular, since chromium as an impurity significantly affects the coloring, it is preferable to use a raw material having a chromium content of less than 100 ppm.

また、該原料の嵩密度はなるべく高いものが坩堝に多くの原料を充填することができ、また炉内での原料の飛散を抑制できるため適している。好ましい原料の嵩密度は1.0g/ml以上、さらに好ましくは2.0g/ml以上である。このような性状の原料としては、酸化アルミニウム粉末をローラープレス等で造粒したものや、破砕サファイア(クラックル、クラッシュサファイア等)が知られている。   Further, a material having a bulk density as high as possible is suitable because it can fill a crucible with a large amount of raw materials and suppress scattering of the raw materials in the furnace. The bulk density of a preferable raw material is 1.0 g / ml or more, more preferably 2.0 g / ml or more. As raw materials having such properties, those obtained by granulating aluminum oxide powder with a roller press or the like, and crushed sapphire (crackle, crush sapphire, etc.) are known.

一方、原料とするショルダー部とテール部は、坩堝に充填可能な任意の形状で坩堝中に投入することができる。例えば、ショルダー部、テール部を原形のまま投入することもできるし、任意の形状に破砕/切断して投入することもできる。但し、サファイア単結晶は非常に硬いため破砕/切断に労力を要し、破砕/切断に際して工具等からの不純物の混入も懸念されるため、ショルダー部、テール部を原形のまま坩堝に投入することが特に好ましい。   On the other hand, the shoulder portion and tail portion as raw materials can be put into the crucible in any shape that can be filled in the crucible. For example, the shoulder portion and the tail portion can be input as they are, or can be input after being crushed / cut into an arbitrary shape. However, since the sapphire single crystal is very hard, it requires labor for crushing / cutting, and there is a concern that impurities from tools etc. may be mixed during crushing / cutting, so the shoulder part and tail part should be put into the crucible in their original form. Is particularly preferred.

チョクラルスキー法では通常、原料溶融液をすべて単結晶化することはできず、凸状に成長した育成界面(テール部)の高さ以上の深さの原料溶融液を残して結晶育成を終了する必要がある。この原料溶融液の未使用分(残メルト)は冷却の過程で坩堝に固着してしまうため、坩堝を破損させずこれを除去することは困難である。そのため、従来、連続生産時における原料としては、前回結晶成長に用いた残メルトに、前回結晶成長に単結晶として引き上げた重量と等量の新規原料を加えて次回育成時の原料とする。   In the Czochralski method, it is not usually possible to single-crystalize the raw material melt, and the crystal growth is completed with the raw material melt having a depth greater than the height of the growth interface (tail) grown in a convex shape. There is a need to. Since the unused portion (residual melt) of the raw material melt is fixed to the crucible during the cooling process, it is difficult to remove it without damaging the crucible. Therefore, conventionally, as a raw material at the time of continuous production, a new raw material having an amount equal to the weight of the single crystal raised to the previous crystal growth is added to the residual melt used for the previous crystal growth to obtain a raw material for the next growth.

本発明では従来とは異なり、残メルトに、過去に製造した結晶のショルダー部とテール部を加え、前回結晶成長に単結晶として引き上げた重量から前記ショルダー部とテール部の重量を差し引いた分の新規原料をさらに加えて次回育成時の原料とすることが重要である。このようにショルダー部とテール部を原料の一部とすることで、原料溶融液の不純物濃度の増加を抑制し、結晶中に混入する泡を低減させることが可能である。   In the present invention, unlike the conventional case, a shoulder portion and a tail portion of a crystal manufactured in the past are added to the residual melt, and the weight of the shoulder portion and the tail portion is subtracted from the weight that was pulled up as a single crystal in the previous crystal growth. It is important to add new raw materials as raw materials for the next breeding. Thus, by making the shoulder part and the tail part part of the raw material, it is possible to suppress an increase in the impurity concentration of the raw material melt and to reduce bubbles mixed in the crystal.

ショルダー部とテール部を原料として用いた場合の不純物濃度の低減効果については、次のように考えることができる。一般に用いられているサファイア単結晶育成用の高純度アルミナ原料には、シリコン、鉄などの不純物が数〜数十ppm含まれている。これらの不純物は偏析のため育成した単結晶中には殆ど取り込まれず、ほぼ全量が残った原料溶融液中に残存・濃縮する。   The effect of reducing the impurity concentration when the shoulder portion and the tail portion are used as raw materials can be considered as follows. A commonly used high-purity alumina raw material for growing sapphire single crystals contains several to several tens of ppm of impurities such as silicon and iron. These impurities are hardly taken into the single crystal grown due to segregation, and remain and concentrate in the raw material melt in which almost the entire amount remains.

ここで、追加する原料として通常用いられている高純度アルミナ原料を使用することは、新たに不純物を含む原料を追加するということであり、ショルダー部、テール部などの育成した単結晶の端材を使用することは、不純物を含まない超高純度な原料を投入することに等しい。この違いによって、ショルダー部・テール部を原料として再投入することは、単に不要な結晶端材の再利用という観点ではなく、融液の不純物濃度の上昇を抑制し、単結晶中への泡の混入を抑制する効果を発揮する。   Here, using a high-purity alumina raw material that is normally used as a raw material to be added means that a raw material containing impurities is newly added. Is equivalent to charging an ultra-pure raw material containing no impurities. Due to this difference, reintroducing the shoulder and tail as raw materials is not merely a viewpoint of reusing unnecessary crystal scraps, but it suppresses the increase in the impurity concentration of the melt and prevents bubbles in the single crystal. Demonstrates the effect of suppressing mixing.

該原料を前記結晶成長炉内に設置された前記坩堝内に装入し、加熱により原料溶融液とする。原料が溶融状態に到達するまでの昇温速度は特に限定されないが、50〜200℃/時間であることが好ましい。   The raw material is charged into the crucible installed in the crystal growth furnace, and heated to obtain a raw material melt. The rate of temperature increase until the raw material reaches a molten state is not particularly limited, but is preferably 50 to 200 ° C./hour.

結晶引上げ軸先端の種結晶保持具に装着された種結晶を該原料溶融液面に接触させ、ついで徐々に引上げて単結晶体を成長させる。単結晶引上げを実施する際の、種結晶が接触する部分の原料溶融液の温度は、結晶が異常成長を起こさず安定的に成長するためには、必然的に融点よりも僅かに低い温度(過冷却温度)となることが知られている。サファイア単結晶の場合は2000〜2050℃の温度で実施することが好ましい。   A seed crystal mounted on a seed crystal holder at the tip of the crystal pulling shaft is brought into contact with the surface of the raw material melt and then gradually pulled to grow a single crystal. The temperature of the raw material melt at the portion where the seed crystal contacts when the single crystal pulling is performed is inevitably a temperature slightly lower than the melting point in order for the crystal to grow stably without causing abnormal growth ( It is known that it becomes a supercooling temperature). In the case of a sapphire single crystal, it is preferably carried out at a temperature of 2000 to 2050 ° C.

引き上げに用いる種結晶は、サファイア単結晶であり、原料溶融液面と接する先端鉛直方向を任意の所望する結晶方位とする。原料溶融液に接触する先端の形状は特に限定されず、平面であっても不特定面で構成されていても良い。また、該種結晶の側面は特に限定されず任意の形状を選択できるが、円柱状、あるいは四角柱状が好ましい。   The seed crystal used for pulling is a sapphire single crystal, and the tip vertical direction in contact with the raw material melt surface is an arbitrary desired crystal orientation. The shape of the tip that contacts the raw material melt is not particularly limited, and may be a flat surface or an unspecified surface. Further, the side surface of the seed crystal is not particularly limited, and an arbitrary shape can be selected, but a cylindrical shape or a quadrangular prism shape is preferable.

また、該種結晶の上方には、保持具で保持するための拡大部及び/又はくびれ部及び/又は貫通孔を有するのが一般的である。   Moreover, it is common to have an enlarged part and / or a constricted part and / or a through-hole for holding with a holder above the seed crystal.

成長させる単結晶の品質は、該種結晶の品質に大きく依存するため、その選定には特に注意を要する。種結晶としては、結晶欠陥や転移と呼ばれる結晶構造の不完全部分が極力少ないものが望ましい。結晶構造の良否は、種結晶の先端面又はその近傍をエッチピット密度測定、AFM、X線トポグラフィ等の方法を用いて評価することができる。また、結晶欠陥は残留応力が大きいほど多くなる傾向があることから、クロスニコル観察や応力複屈折などで応力の程度が小さいものを選定することも効果的である。   Since the quality of the single crystal to be grown largely depends on the quality of the seed crystal, special attention must be paid to its selection. As the seed crystal, one having as few crystal imperfections as possible, called crystal defects and dislocations, is desirable. The quality of the crystal structure can be evaluated by using a method such as etch pit density measurement, AFM, or X-ray topography on the front end surface of the seed crystal or its vicinity. In addition, since the number of crystal defects tends to increase as the residual stress increases, it is also effective to select a crystal having a low degree of stress by crossed Nicols observation or stress birefringence.

該種結晶を原料溶融液に接触させた後、種結晶および/又は坩堝の回転数、引上げ速度、高周波コイルの出力等を制御して肩部(拡径部)を形成し、所望の結晶径まで拡径させた後、当該結晶径を維持するように引き上げを行う。   After contacting the seed crystal with the raw material melt, the shoulder (expanded portion) is formed by controlling the number of revolutions of the seed crystal and / or crucible, the pulling speed, the output of the high frequency coil, etc. After the diameter is expanded, the crystal is pulled up so as to maintain the crystal diameter.

拡径により程度の大きさまでにするかは、どのような大きさの単結晶体を製造するかによって決定されるが、一般にチョクラルスキー法の育成においては結晶径が大きいほどサブグレインや微小な気泡が発生する傾向がある。よって、例えば6インチ級の基板を量産するという観点からは、150〜170mmとするのが好適である。   The extent to which the diameter is increased by the diameter expansion is determined depending on the size of the single crystal to be manufactured. In general, in the growth of the Czochralski method, the larger the crystal diameter, the smaller the subgrain and There is a tendency to generate bubbles. Therefore, for example, from the viewpoint of mass-producing a 6-inch class substrate, the thickness is preferably 150 to 170 mm.

引上げは通常、0.1〜20mm/時間の速度で行うことができるが、引上げ速度が小さすぎると単位時間あたりの結晶成長量が減少して生産性が悪化し、引上げ速度が大きすぎると育成環境の変動が大きくサブグレインや微小な気泡が発生しやすくなる。生産性と結晶品質の両立を勘案すると、引上げ速度は好ましくは0.5〜10mm/時間、さらに好ましくは1〜5mm/時間である。   The pulling can usually be performed at a speed of 0.1 to 20 mm / hour, but if the pulling speed is too low, the amount of crystal growth per unit time is reduced and the productivity is deteriorated, and if the pulling speed is too high, it is grown. Environmental fluctuations are large and subgrains and minute bubbles are likely to occur. Considering the compatibility between productivity and crystal quality, the pulling speed is preferably 0.5 to 10 mm / hour, more preferably 1 to 5 mm / hour.

単結晶の育成中、種結晶は引上げ軸を中心として0.1〜30回転/分で回転させることが好ましい。また、上記種結晶の回転に併せて、坩堝を該種結晶の回転方向と逆方向又は同方向に同様の回転速度で回転させても良い。   During the growth of the single crystal, the seed crystal is preferably rotated at a speed of 0.1 to 30 revolutions / minute about the pulling axis. In addition to the rotation of the seed crystal, the crucible may be rotated at the same rotational speed in the opposite direction or the same direction as the rotation direction of the seed crystal.

単結晶体引上げ中の炉内圧力は、加圧下、常圧下、減圧下のいずれでもよいが、常圧下で行うことが簡便である。雰囲気としては窒素、アルゴン等の不活性ガス、または該不活性ガスに0〜10体積%の任意の量の酸素を含む雰囲気が好ましい。   The furnace pressure during the pulling of the single crystal may be any of under pressure, normal pressure, and reduced pressure, but it is convenient to carry out under normal pressure. The atmosphere is preferably an inert gas such as nitrogen or argon, or an atmosphere containing oxygen in an amount of 0 to 10% by volume in the inert gas.

単結晶の直胴部の長さは任意であるが、基板製造用としてはマルチワイヤソーで効率よく加工できるよう、好ましくは200mm以上、さらに好ましくは250mm以上である。直胴部の長さが200mm未満である場合、マルチワイヤソーで効率よく切断する為には複数のコアを精密に方位を揃えて繋ぎ合わせ、全長を200mm以上としてからマルチワイヤソーで切断するといった追加工程を要することになり、製造効率を低下させ、製造コストの上昇に繋がるため好ましくない。一方、500mmを超える長さとすることは、育成中の炉内のホットゾーンの温度環境変化が大きくなりすぎるため安定した育成が困難となる傾向がある。   The length of the straight body portion of the single crystal is arbitrary, but it is preferably 200 mm or more, more preferably 250 mm or more so that the substrate can be efficiently processed with a multi-wire saw. When the length of the straight body is less than 200 mm, in order to efficiently cut with a multi-wire saw, additional steps such as connecting a plurality of cores with precisely aligned orientations and cutting with a multi-wire saw after increasing the total length to 200 mm or more This is not preferable because the production efficiency is lowered and the production cost is increased. On the other hand, if the length exceeds 500 mm, the temperature environment change in the hot zone in the furnace being grown tends to be too large, and stable growth tends to be difficult.

このようにして所望の直胴部径と長さを有するサファイア単結晶体を引上げた後、該単結晶体を原料溶融液から切り離す。単結晶体を原料溶融液から切り離す方法は特に限定されず、ヒーター出力の増大(原料溶融液の温度の上昇)により切り離す方法、結晶引上げ速度の増加により切り離す方法、坩堝の降下により切り離す方法など、いずれの方法を採用しても良い。なお、単結晶体が原料溶融液から切り離れる瞬間の温度変動(ヒートショック)を小さくするために、ヒーター出力を徐々に上げる、もしくは結晶引上げ速度を徐々に速くすることによって結晶径を徐々に減少させるテール処理を行うことは効果的である。   Thus, after pulling up the sapphire single crystal having a desired straight body diameter and length, the single crystal is separated from the raw material melt. The method of separating the single crystal from the raw material melt is not particularly limited, such as a method of separating by increasing the heater output (increasing the temperature of the raw material melt), a method of separating by increasing the crystal pulling speed, a method of separating by lowering the crucible, etc. Any method may be adopted. In order to reduce the temperature fluctuation (heat shock) at the moment when the single crystal is separated from the raw material melt, the crystal diameter is gradually decreased by gradually increasing the heater output or gradually increasing the crystal pulling speed. It is effective to perform tail processing.

原料溶融液から切り離された単結晶体は、炉内から取り出せる程度の温度まで冷却される。冷却速度は速いほうが育成工程の生産性を上げることができるが、速すぎると単結晶体の内部に残留する応力歪みが大きくなり、冷却時や後の加工時に破砕やひび割れが発生したり、最終的に得られる基板に異常な反りが発生するおそれがある。逆に、冷却速度が遅すぎると結晶育成炉を占有する時間が長くなり、育成工程の生産性が低下する。これらを勘案し、冷却速度としては、10〜200℃/時間が好ましい。   The single crystal separated from the raw material melt is cooled to a temperature at which it can be taken out from the furnace. A faster cooling rate can increase the productivity of the growth process, but if it is too fast, the stress strain remaining inside the single crystal will increase, causing crushing and cracking during cooling and later processing, There is a possibility that an abnormal warpage may occur in the substrate obtained. On the other hand, if the cooling rate is too slow, the time for occupying the crystal growth furnace becomes long, and the productivity of the growth process decreases. Considering these, the cooling rate is preferably 10 to 200 ° C./hour.

上記の製造方法によって得られるサファイア単結晶体の、実質的に製品として利用する直胴部には蛍光灯などの室内光で確認可能な気泡はもとより、暗室内で高照度ハロゲンランプを結晶内部に照射することによる、目視によって確認できる微少気泡を全く有さないか、泡を有する部分の垂直方向の長さが全長の3%以下である。   In the straight body part of the sapphire single crystal obtained by the above manufacturing method, a high-intensity halogen lamp is placed inside the crystal in the dark room, in addition to bubbles that can be confirmed with room light such as fluorescent lamps. There are no microbubbles that can be visually confirmed by irradiation, or the vertical length of the part having bubbles is 3% or less of the total length.

本発明の製造方法によって得られるサファイアは単結晶体であるが、さらにX線トポグラフで確認可能なサブグレインも有さない、即ち、真の単結晶体若しくはそれに近いものである。当該サブグレインの確認のためのX線トポグラフの測定条件を以下の表1に示す。   The sapphire obtained by the production method of the present invention is a single crystal but does not have subgrains that can be confirmed by X-ray topography, that is, a true single crystal or a material close thereto. The measurement conditions of the X-ray topograph for confirmation of the subgrain are shown in Table 1 below.

Figure 2014162698
Figure 2014162698

本発明においては、上記条件で撮影された、明度0(黒)〜255(白)の256階調の濃淡で表されるグレースケール像において、該明度が16以上異なる境界を有する面(及びそれに伴う粒界)が認められない場合、X線トポグラフで確認可能なサブグレインを有さないとする。なお、簡易的には暗室内でのクロスニコル等によって観察できる脈理(ストライヤ)の有無でも判定が可能である。   In the present invention, in a grayscale image photographed under the above-described conditions and represented by shades of 256 gradations of lightness 0 (black) to 255 (white), the surface having a boundary where the lightness differs by 16 or more (and to it) When the accompanying grain boundary is not recognized, it is assumed that there are no subgrains that can be confirmed by X-ray topography. Note that the determination can be made simply by the presence or absence of striae that can be observed by crossed Nicols or the like in a dark room.

本発明においては、このようにして得られたサファイアインゴットの、ショルダー部とテール部を切断してコアとなる直胴部を得る。当該切断方法は特に限定されず、公知の方法で切断することができるが、具体例を挙げると内周刃、外周刃、バンドソー、ワイヤソーなどを用いて切断する。   In the present invention, a straight body portion serving as a core is obtained by cutting the shoulder portion and the tail portion of the sapphire ingot thus obtained. Although the said cutting method is not specifically limited, Although it can cut | disconnect by a well-known method, if a specific example is given, it will cut | disconnect using an inner peripheral blade, an outer peripheral blade, a band saw, a wire saw, etc.

本発明における特徴は、上記の如くして切断し、製品化されない部分となるショルダー部およびテール部を、他バッチのチョクラルスキー法によるサファイアインゴットの製造原料の一部として用いる点にある。その効果は前述した通りである。   A feature of the present invention is that the shoulder portion and the tail portion, which are cut as described above and are not commercialized, are used as a part of a raw material for producing a sapphire ingot by another Czochralski method. The effect is as described above.

このように原料として使用するショルダー部およびテール部には表面にイリジウムなどの不純物が付着している場合があるが、これらはグラインダー等を用いてあらかじめ除去しておくのが好ましい。また、育成した単結晶体からショルダー部とテール部を切断する際に切削液などで表面が汚染されている可能性があるため、純水で洗浄した後、エタノール、アセトン、イソプロピロアルコール等公知の水溶性有機溶媒で洗浄し、乾燥させてから原料とするのが好ましい。   As described above, impurities such as iridium may adhere to the surface of the shoulder portion and tail portion used as raw materials, but these are preferably removed beforehand using a grinder or the like. Also, when cutting the shoulder and tail from the grown single crystal, the surface may be contaminated with cutting fluid etc., so after washing with pure water, ethanol, acetone, isopropyl alcohol etc. It is preferable to use as a raw material after washing with a water-soluble organic solvent and drying.

以下、具体的な実験例を挙げて本発明の実施態様をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with specific experimental examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
イリジウム製の坩堝に、出発原料として純度が4N(99.99%)の高純度アルミナ(AKX−5 住友化学製)を50kg投入した。原料を投入した前記坩堝を高周波誘導加熱方式のチョクラルスキー型結晶引上げ炉に設置し、炉内を100Pa以下まで真空排気した後に酸素を1.0体積%含む窒素ガスで大気圧まで導入した。大気圧到達後は、上記と同組成のガスを2.0L/分で炉内に導入しながら、炉内圧力が大気圧を維持するよう排気を行った。坩堝の加熱を開始し、坩堝内の酸化アルミニウム原料が溶融する温度に到達するまで9時間かけて徐々に加熱した。原料溶融液表面の対流の様子(スポークパターン)を参考にヒーター出力を適宜調整した後、先端がc面である四角柱状のサファイア単結晶の種結晶を、1回転/分の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を原料溶融液に接触させた。種結晶が溶けず、かつ原料溶融液表面に結晶が成長しないようヒーター出力をさらに微調整した後、引上げ速度2mm/時間の速度で種結晶の引上げを開始した。
Example 1
50 kg of high-purity alumina (AKX-5 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) having a purity of 4N (99.99%) was charged as a starting material into an iridium crucible. The crucible containing the raw materials was placed in a high-frequency induction heating type Czochralski crystal pulling furnace, and the inside of the furnace was evacuated to 100 Pa or less, and then introduced to atmospheric pressure with nitrogen gas containing 1.0 vol% oxygen. After reaching atmospheric pressure, the gas having the same composition as above was introduced into the furnace at 2.0 L / min, and evacuation was performed so that the furnace pressure was maintained at atmospheric pressure. The heating of the crucible was started and gradually heated over 9 hours until reaching the temperature at which the aluminum oxide raw material in the crucible melts. After appropriately adjusting the heater output with reference to the state of convection on the surface of the raw material melt (spoke pattern), while rotating the seed crystal of a square columnar sapphire single crystal whose tip is a c-plane at a speed of 1 revolution / minute The tip of the seed crystal was brought into contact with the raw material melt. After further finely adjusting the heater output so that the seed crystal did not melt and the crystal did not grow on the surface of the raw material melt, the pulling of the seed crystal was started at a pulling rate of 2 mm / hour.

ロードセルの重量変化から推測される結晶直径が希望の直径となるよう適宜ヒーター出力を制御しながら結晶成長を行った。直径165mmまでの拡径が終了した後は、直径160〜170mmを維持しながら引上げ速度を3mm/時間に増加させて引き上げを続けた。直胴部の長さが300mmに到達した後、ヒーター出力を徐々に上げてテール処理を行い、その後引上げ速度10mm/分で単結晶を原料溶融液から切り離した。   Crystal growth was performed while appropriately controlling the heater output so that the crystal diameter estimated from the change in the weight of the load cell would be the desired diameter. After the diameter expansion to 165 mm was completed, the pulling rate was increased to 3 mm / hour while maintaining the diameter of 160 to 170 mm, and the pulling was continued. After the length of the straight body part reached 300 mm, the heater output was gradually increased to perform tail treatment, and then the single crystal was separated from the raw material melt at a pulling rate of 10 mm / min.

切り離した単結晶は30時間かけて室温まで冷却した。その結果、鉛直方向にc軸を有する、直径160mm、直胴部の長さが300mmのサファイア単結晶体を得た。この単結晶体の重量はおよそ30kgだった。また、この単結晶体を暗室内で高照度ハロゲンランプで観察したところ、結晶内部に気泡等は観察されず、クロスニコル観察でも脈理等は観察されなかった。   The separated single crystal was cooled to room temperature over 30 hours. As a result, a sapphire single crystal having a c-axis in the vertical direction and a diameter of 160 mm and a length of the straight body portion of 300 mm was obtained. This single crystal weighed approximately 30 kg. Further, when this single crystal was observed with a high-intensity halogen lamp in a dark room, no bubbles or the like were observed inside the crystal, and no striae or the like was observed even in crossed Nicol observation.

上記の単結晶体から、バンドソーで結晶上部(ショルダー部)および結晶下部(テール部)を切断し、得られた単結晶体直胴部の上下切断面を平面研削装置でc面に整えた。その後、円筒研削装置で直径150mmの円筒状とした後、既定の側面にオリエンテーションフラットを形成し、軸方向がc軸で直径150mm、長さ300mmの泡のないサファイア単結晶コアを得た。   The upper part (shoulder part) and the lower part (tail part) of the crystal were cut from the above single crystal with a band saw, and the obtained upper and lower cut surfaces of the straight body of the single crystal were adjusted to a c-plane with a surface grinder. Then, after making it cylindrical shape with a diameter of 150 mm with a cylindrical grinding device, an orientation flat was formed on a predetermined side surface, and a sapphire single crystal core without a bubble having an axial direction of c axis with a diameter of 150 mm and a length of 300 mm was obtained.

前記のショルダー部およびテール部の表面に付着しているイリジウム等の不純物をグラインダーで除去した後、水洗し、次いでエタノールで洗浄した。結晶育成終了後の残メルトに、このショルダー部とテール部(合計約5kg)を投入し、さらに前記の高純度アルミナ原料を約25kg加えて次回結晶育成の原料とし、前記の手順で再び結晶育成を行った。この操作を繰り返したところ、連続して12回の泡のない結晶の育成が可能であった。   Impurities such as iridium adhering to the surfaces of the shoulder and tail were removed with a grinder, then washed with water, and then washed with ethanol. The shoulder part and tail part (total of about 5 kg) are added to the residual melt after the completion of crystal growth, and about 25 kg of the high-purity alumina raw material is added to make the raw material for the next crystal growth. Went. When this operation was repeated, it was possible to grow 12 crystals without bubbles continuously.

比較例1
ショルダー部、テール部を原料として使用せず、育成終了後の残メルトに前記の高純度アルミナ原料を約30kgを加えて次回結晶育成の原料とする他は実施例と同様の手順で結晶育成を実施した。その結果、連続して10回の泡のない結晶の育成が可能であったが、11回目以降に育成した結晶では、直胴部において直胴長の3%を越える領域に泡が混入していた。
Comparative Example 1
Crystal growth is carried out in the same procedure as in the embodiment except that the shoulder and tail portions are not used as raw materials, and about 30 kg of the high-purity alumina raw material is added to the residual melt after completion of the growth and used as the raw material for the next crystal growth. Carried out. As a result, it was possible to grow crystals without bubbles 10 times in succession, but in the crystals grown after the 11th time, bubbles were mixed in a region exceeding 3% of the length of the straight body in the straight body. It was.

1:チャンバー
2:単結晶引上げ棒
3:種結晶体保持具
4:種結晶体
5:坩堝
6:ロードセル
7a,7b:断熱壁
8:天井板
9:高周波コイル
1: chamber 2: single crystal pulling rod 3: seed crystal holder 4: seed crystal body 5: crucible 6: load cell 7a, 7b: heat insulating wall 8: ceiling plate 9: high frequency coil

Claims (2)

チョクラルスキー法でサファイアインゴットを製造し、該サファイアインゴットのショルダー部とテール部を切断してコアを得ると共に、切断されたショルダー部とテール部を他バッチのチョクラルスキー法によるサファイアインゴットの製造原料の一部として用いることを特徴とする、サファイアインゴットの製造方法。   Manufacture a sapphire ingot by the Czochralski method, cut the shoulder and tail of the sapphire ingot to obtain a core, and manufacture the sapphire ingot by the Czochralski method of another batch of the cut shoulder and tail A method for producing a sapphire ingot, which is used as a part of a raw material. ショルダー部とテール部を他バッチのチョクラルスキー法によるサファイアインゴットの製造原料の一部とするに際し、該ショルダー部とテール部を水洗し、ついで水溶性有機溶媒で洗浄してから原料として用いる請求項1記載の製造方法。   When using the shoulder and tail as part of a raw material for producing sapphire ingots by other batches of the Czochralski method, the shoulder and tail are washed with water and then washed with a water-soluble organic solvent before being used as a raw material. Item 2. The production method according to Item 1.
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