JP2015048296A - 単結晶の育成装置及び育成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラファイトからなるルツボの使用が可能であり、組立・配置が極めて簡単であり、熱効率が良く、歪の少ない８インチ以上の大口径の単結晶をも育成することができる単結晶の育成装置及び育成方法を提供すること。【解決手段】種結晶２１０を引き上げて単結晶２００を育成させる単結晶育成装置において、ルツボは、タングステンの表面にタングステンの炭化物を有する有底の第１のルツボ１８と、第１のルツボ１８の外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボ１９とからなる単結晶育成装置。【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶の育成装置及び育成方法に係る。

単結晶としてサファイア単結晶を例にとり背景技術を説明する。
単結晶の育成方法としてチョクラルスキー法が知られている。チョクラルスキー法とは、ルツボ中の原料溶融液面に種結晶を接触させ、次いで、その種結晶をルツボの加熱域から徐々に引上げて冷却することにより、該種結晶の下方に単結晶を成長させる方法である。

この単結晶を成長させる方法に用いる引上げ装置の一般的な例を図５に示す。この装置は、結晶成長炉を構成するチャンバ１１を備えており、このチャンバ１１の上壁には、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１２が吊設されている。この単結晶引上げ棒１２の先端には、保持部材１３を介して種結晶２１０が取り付けられており、種結晶２１０がルツボ４１９の中心軸上に位置するように配置されている。また、この単結晶引上げ棒１２の上端には、結晶重量を測定するロードセル（図示せず）を備えている。

ルツボ４１９は、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、ルツボの材質としては、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混合物が一般的に用いられる。

ルツボ４１９は、耐火物で形成された円筒状の支持台により支持されている。

上述した単結晶引上げ装置を用いた単結晶サフアイアの引上げは、ルツボ４１９にサフアイア原料（必要に応じドープ剤としてＣｒ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＮＯを添加したもの）を入れ、加熱コイル２０に電流を流すことによりルツボ４１９を加熱してサフアイア原料を溶融させ、耐火物１５（保温体）１５で保温し、引上げ棒１２ないしルツボ４１９を回転させながら、アルミナ融液２０に引上げ棒１２の下端の種結晶２１０を浸し、引上げ棒１２を引上げることにより行う。
しかし、上述した高周波加熱法を用いた単結晶育成装置においては次なる問題点がある。

（１）高周波加熱法においては、ルツボは、原料融液を保持する容器としての役割と、ルツボ自体が発熱して原料を溶解するヒータとしての役割とを兼ねている。
このため、ルツボには、発熱した部分と発熱していない部分とが混在することになり、ルツボ内の融液の温度勾配が急峻になってしまい、成長させた単結晶に歪みが生じてしまうという問題。

（２）ＭｏやＷからなるルツボは高周波による加熱効率が悪く、それらよりも加熱効率が良いＩｒからなるルツボを使用せざるを得ない。コスト高になってしまうという問題。

特許文献１では、ルツボを、内側に配置されたモリブデン製又はタングステン製ルツボ７６と、それとは近接するが互いに接触しない間隔で外側に配置されたイリジウム製ルツボ７３とからなる二重構造にする、という技術を提示し、ルツボ内の融液の温度勾配が急峻になることを防止し、上記（１）の問題を解決している。
ただ、特許文献１ではＩｒルツボを使用しており、上述した（２）の問題は残っている。

特許文献２では、断で熱容器（加熱室）の内側に、ルツボを配置し、そのルツボの外側にルツボの壁部を取り巻くように発熱体を設けている。そして、発熱体の内側でかつルツボの外側に、ルツボの壁部を取り巻くように、発熱体１７の構成材料がルツボ内のアルミナ融液３００に混入するのを防止する遮蔽体を備えている単結晶育成装置が開示されている。

特許文献１、特許文献２に記載の技術は、ともに、発熱体と融液収納体とを別体とし、発熱体と収納体とを離隔し、発熱体の熱を輻射により収納体に伝達しようとするものである。

特開２００８−７３５３号公報 特開２０１１−１０５５７５号公報

しかし、特許文献１、特許文献２により提示された技術においても次なる問題点がある。（１）特許文献１記載技術では、Ｉｒルツボを用いており、コスト高となる。
（２）特許文献２記載技術を用いて単結晶を育成すると、図６に示すように、その尾部は、インゴットの直径以上の長さに細長く延びてしまう。このように、
テールだけがのびてしまうとルツボに充填した原料の量に対して必要とされる直径の有効直胴長の長さが短くなり、生産性が低減してしまう。

（３）特許文献２記載技術では、安価なグラファイトを使用している。そして、加熱により発生するカーボンガスあるいはカーボン粒子が融液中に混入することを防止するために、加熱体であるグラファイトと収納体であるルツボとの間に遮蔽板を設ける配置する必要がある。配置にあたっては、ルツボとは接触することなく離隔していること、ルツボに均一に熱を輻射により伝えるために全周にわたりルツボとの距離を均一に保つこと、遮蔽板の上端を発熱体の上端より高く保つこと、という要件を満たす必要がある。

かかる要件を満たしつつ実際に遮蔽板を配置、組立するためには幾多の工夫が必要であり、実際、特許文献２では概念的に配置しているだけである。
（４）特許文献２の技術で実際に単結晶の育成を行うと、熱効率が極めて悪く消費電力が多大なものとなってしまう。
また、従来の単結晶は硬度が高く、加工が困難であった。

本発明は、グラファイトからなるルツボの使用が可能であり、組立・配置が極めて簡単であり、熱効率が良く、歪の少ない８インチ以上の大口径の単結晶をも育成することができる単結晶の育成装置及び育成方法を提供することを目的とする。
本発明は、従来の単結晶よりも硬度が低く加工が容易である単結晶を育成可能な単結晶育成装置及び育成方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイルとを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液に種結晶を接触させた後に、種結晶を引き上げて単結晶を育成させる単結晶育成装置において、
前記ルツボは、タングステンの表面にタングステンの炭化物を有する有底の第１のルツボと、第１のルツボの外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボとからなる単結晶育成装置である。

請求項２に係る発明は、モリブデンからなる有底の第３のルツボが前記第１のルツボの内部にタングステンからなるスペーサを介して配置されている請求項１記載の単結晶育成装置である。

請求項３に係る発明は、前記単結晶は酸化物の単結晶である請求項１又は２記載の単結晶育成装置である。
請求項４に係る発明は、前記酸化物はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）又はＳｃＡｌＭｇＯ_４である請求項１ないし３のいずれか１項記載の単結晶育成装置である。

請求項５に係る発明は、第１のルツボが、第２のルツボと接触して又は離間して配置されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の単結晶育成装置である。

請求項６に係る発明は、第２のルツボの外周にカーボンフェルトが配置されている請求項１ないし５のいずれか１項記載の単結晶育成装置である。

請求項７に係る発明は、前記タングステンの炭化物の厚さは０．５ｍｍ〜５ｍｍである請求項１ないし６のいずれか１項記載のサファイア単結晶育成装置である。

請求項８に係る発明は、前記タングステンの炭化物は、溶射、スパッタリン、ＣＶＤにより形成したものである請求項１ないし７のいずれか１項記載の単結晶育成装置である。

請求項９に係る発明は、該単結晶は直径６インチ以上の単結晶である請求項１ないし８のいずれか１項記載の単結晶育成装置である。
請求項１０に係る発明は、チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイルとを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液に種結晶を接触させた後に、種結晶を引き上げて単結晶を育成させる単結晶育成装置において、
前記ルツボは、有底の第１のルツボと、第１のルツボの外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボとからなり、前記第１のルツボの外周と前記第２のルツボの内周とにより形成される空間にタングステンカーバイドの粉末が装入されている単結晶育成装置である。

請求項１１に係る発明は、請求項１ないし１０いずれか１項記載の単結晶育成装置を用いた単結晶の育成方法であり、
第１のルツボ内に原料粉末を装入し、引き続き、加熱室内を減圧するとともに、加熱コイルに高周波電流を供給して第２のルツボを高温に加熱し、その熱で第１のルツボを加熱することにより内部の原料を溶融せしめた後に、溶融した融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成させる単結晶の育成方法である。

請求項１２に係る発明は、単結晶はサファイア単結晶であり、装置内にアルゴンガスを導入しながら育成を行う請求項１１に記載の単結晶の育成方法である。

請求項１３に係る発明は、前記アルゴンガスは、装置下方から導入する請求項１２記載の単結晶育成装置である。

請求項１４に係る発明は、第２のルツボを２３００℃以下に加熱する請求項１２又は１３記載の単結晶の育成方法である。

本発明によれば、次の諸々の効果を奏する。
グラファイトからなるルツボの使用が可能であり、安価に単結晶を育成することができる。
単結晶の育成装置の組立・配置が極めて簡単である。
熱効率が良く、育成単結晶に歪の発生を少なくすることができる。
従来より硬度が低く、加工が容易な単結晶を得ることができる。

形態１に係る単結晶育成装置を示す概念図である。 形態２に係る単結晶育成装置を示す概念図である。 形態１に係る単結晶育成装置を用いて育成した単結晶のインゴットを概念的に示す図である。 形態３に係る単結晶育成装置を示す概念図である。 従来の単結晶育成装置を示す概念図である。 他の従来技術に係る単結晶育成装置を用いて育成した単結晶のインゴットを概念的に示す図である。 円形コイル周辺における磁場を示す図である。

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。

［育成装置についての第１の形態］
図１は、本発明を実施するための第１の形態に係る単結晶引き上げ装置を説明するための図である。
チャンバ１１内に設けられた断熱材で形成される加熱室１５と、加熱室１５の内部に設けられたルツボと、加熱室１５の外周に配置された加熱コイル２０とを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液３００に種結晶２１０を接触させた後に、種結晶２１０を引き上げて単結晶２００を育成させる単結晶育成装置において、
前記ルツボは、タングステンの表面にタングステンの炭化物を有する有底の第１のルツボ１８と、第１のルツボ１８の外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボ１９とからなる単結晶育成装置である。

以下本形態をより詳細に説明する。
（第１のルツボ）
第１のルツボの母体（本体）はタングステン（Ｗ）からなる。底部を有し、底部周縁から立ち上がる側壁を有している。その母体の外表面（底部外表面を含む）はタングステンカーバイド（ＷＣ）で被覆されている。
特許文献２では、ＷＣからなる遮蔽板はＭｏルツボに接触しないように配置していた。接触すると融液に温度勾配が生じ、それが育成した単結晶に歪をもたらすと考えられてからである。

しかし、本発明者は、ＷＣは融液を保持するルツボと接触しても融液に温度勾配をもたらすことはないことを知見した。ＷＣはＷよりもはるかに低い熱伝導率を有しており、そのため、熱のバッファ層として働き均一にＷからなる母体ひいては融液に熱を伝達するのではないかと推測される。ＷＣは熱放射率が低く、それが熱効率を悪くしている原因ではないかと推測される。

ＷＣによる被覆は、溶射、ＣＶＤ、スパッタリングにより行えばよい。
ＷＣ被覆層の厚さは、０．３ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。０．３ｍｍ以上とすることにより繰り返し使用を行ってもＷＣ被覆層の剥離が生じ難くなる。１ｍｍ以下とすることにより第２のルツボからの熱をより効率的に第１のルツボの母体ひいては原料融液に伝えることが可能となる。融液の温度を修正する場合、より速やか修正することができ、制御性により優れる。かかる観点から、０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下がより好ましい。

（第２のルツボ）
第２のルツボ１９はグラファイトから構成される。グラファイトはＩｒに比べてはるかに安価である。また、高周波（ＲＦ）に対する発熱効率が極めて良好である。
第２のルツボは、底部を有し（有底）、底部の周縁から上方に立ち上げる側壁を有している。

グラファイトが発熱した場合に発生するカーボンガスあるいはカーボン粒子が融液に混入しないように、第２のルツボの上端（側壁の最上部）の高さは、第１のルツボの上端よりも高くなく設定される。図１に示す例では、両者の上端は面一状態となっている。
第２のルツボの内部は、第１のルツボの外面全体と第２のルツボの内面全体が接触するようにするように、外径、内径を適宜設定しておくことが好ましい。底部においても、第２のルツボの底部内面が、第１のルツボの底部外面と接触第２のルツボ１９内に第１のルツボをスライドさせてはめ込み可能な形状としておくことが好ましい。
第２のルツボの内面及び第１のルツボの外面は鏡面仕上げしておけば、第１のルツボを容易に第２のルツボ内にスライドさせて収納させることができる。
なお、図１では、第１のルツボと第２のルツボとを接触させて配置した例を示したが、第１のルツボの側壁と第２のルツボの側壁とを離隔して配置してもよい。
なお、本形態では、第２のルツボ１９の上端が第１のルツボの上端より高くないようにしてある。

（カーボンフェルト材）
図１に示す例では、加熱室１５はジルコニア耐火物により構成されている。
ジルコニア（ＺｒＯ_２）は高温（１８００℃以上）になると、酸化・還元反応を起こして、下記式（１）のように酸素が放出されルツボ材のモリブデンを酸化させる。Ｍｏを酸化させた際には、黒青色の煙を発生させ、この煙がサファイア原料表面、又はサファイア融液に混入し着色及び純度低下を引き起こす。これはルツボ材としてタングステンを使用した場合も同様である。また、ジルコニア以外の耐火物であっても温度の違いはあるにせよ式（１）の反応が生ずる。
２ＺｒＯ_２ ⇔ ２ＺｒＯ＋Ｏ_２ ・・・ （１）
そこで、本形態では、第２のルツボ１９の外壁の周囲にカーボンフェルト材１６を設けてある。第２のルツボ１９から耐火物１５への輻射をカーボンフェルト１６が防止するため、耐火物１６の温度が酸化・還元反応を起こす温度まで上昇することを防止する。そのため、ルツボとしてＭｏやＷ製ルツボを使用することがより一層容易になる。

（単結晶材料）
本発明における単結晶はいかなる材料でもよく、半導体材料、化合物半導体材料、酸化物その他の材料の単結晶を育成することができる。
特に、酸化物材料に適用した場合に効果的であり、その中でも、サファイア、ＳｃＡｌＭｇＯ４に適用した場合より効果的である。
また、育成する単結晶の寸法には限定されるものではなくいかなる寸法の単結晶の育成も可能である。ただ、従来は、単結晶の外径が６インチ以上になると、ルツボ内の融液の温度分布が大きくなり、育成単結晶の品質の劣化を招いていた。
本発明による方法を採用すると温度勾配が緩くなり、かつ対流が安定するため、結晶の品質に影響する固液界面の形状が下凸形状から平らな形状に誘導される。それは大口径になるにつれてさらに平になる。平らになるほど結晶品質が安定する。従って、本発明では、６インチを以上であってもそれ未満の単結晶と同等の品質を保持することが可能であるため、６インチ以上の単結晶に適用することが効果が顕著に現れる。なお、８インチ以上においても同様である。
（他の構成物）
図１には図示していないが、単結晶引上げ装置には、真空ポンプ、高周波誘導加熱用発振機、発振機の制御及び、単結晶引き上げ成長炉のコンピュータ制御、温度制御、駆動系制御、成長結晶直径制御等を行う制御装置その他の装置が設けられている。

［育成装置についての第２の形態］
図２に他の形態を示す。
この形態においては、モリブデンからなる有底の第３のルツボ１７が、第１のルツボ１８の内部に、側壁同士を離隔させ、底部にタングステンからなるスペーサ２１を介して載置されている。
本形態では、ルツボは三重構造をなしている。第１のルツボ１８の内面はタングステンであり、その面からの輻射により第３のルツボ１７が加熱される。第３のルツボ１７内における融液３００中の温度勾配はより一層低減され、より一層歪の少ない単結晶が得られる。

ヒータールツボが小さい時（８インチｄ満の時）は比較的融液加熱側壁（ヒータールツボ）が均一に加熱され、融液の自然対流は保持される。ところがヒータールツボが大きくなると（８インチ以上になると）コイルに発生する高周波磁束の密度がヒータールツボの中心になるにつれて弱まり、ルツボ外壁の一部が特に加熱されるホットエリアが出来き、温度勾配がきつくなる。図７に円形コイル周辺における磁場の様子を示す。

この現象を弱めるために直接的にヒータールツボによって融液を加熱するよりもクッション的に直接加熱されないルツボを内側に配置することで比較的、側面側からの加熱を弱め、融液の温度分布のばらつきをマイルドにして温度勾配が急峻にならないようになる。融液の温度勾配が緩くなると自然対流が安定して結晶の欠陥やひずみを抑制する効果が生ずる。
また、３重構造にすると各々のルツボの高寿命化が達成される。

なお、第１のルツボの底部内壁にはタングステンのスペーサ２１が配置され、第３のルツボはこのスペーサ２１上に載置される。すなわち、側壁においては離隔して輻射により熱を供与するが、底壁においては離隔せず熱伝導により熱を供与する。これにより、温度勾配をより少なくすることができる。

［育成装置についての第３の形態］
図４に形態３に係る育成装置を示す。
チャンバ１１内に設けられた断熱材１５で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイル２０とを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液３００に種結晶２１０を接触させた後に、種結晶２１０を引き上げて単結晶２００を育成させる単結晶育成装置において、
前記ルツボは、有底の第１のルツボ１７と、第１のルツボ１７の外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボ１９とからなり、前記第１のルツボ１７の外周と前記第２のルツボ１９の内周とにより形成される空間にタングステンカーバイドの粉末３５０が装入されている。

本形態に係る育成装置は例えば次の手順で作成する。
（１）第２のルツボであるグラファイトルツボ１９を、加熱室内の台座上に設置した後にタングステンカーバイドの粉末３５０をグラファイトルツボ１９の内側の底面に１〜5mmぐらいの厚さで敷き詰める。
（２）本例では第１のルツボ１７はタングステンルツボであり、タングステンルツボ１７をタングステンカーバイドの粉末の３５０上に、各々のルツボ１７、１９の中心が一致するように設置する。
（３）そのタングステンルツボ１７の外形はグラファイトルツボ１９の内径より例えば、１０ｍｍぐらい小さいものにする。そのようにするとグラファイトルツボ１９とタングステンルツボ１７の隙間は５ｍｍになる。

（４）その隙間にタングステンカーバイドの粉末を注入する。
本形態によれば、次の諸々の効果が達成される。
タングステンカーバイドをコーティングするよりもはるかに安価で簡易的に結晶育成が行える。タングステンカーバイドのコーティングは熱膨張率の差異により、使用回数が多くなった時、クラックや劣化が心配されるが、粉末の場合には熱膨張の差異を吸収できる。
また、充填密度を制御することにより第１のルツボから第２のルツボへの熱の伝達量や伝達速度を制御することができるため、温度勾配が生じない最適な伝達量、伝達速度の設定が容易に可能となる。

［育成方法の形態］
＜準備工程＞
準備工程では種結晶を用意して、引上げ棒１２の保持部材１３に取り付ける。続いて表皮に炭化物を有するタングステンのルツボ１８が内側に配置され、その外側にグラファイトのルツボ１９が配置された二重構造一体型ルツボの底にタングステン板２１を置き、その上にモリブデン製ルツボ１７を設けることで三重構造のルツボとする。さらに原料粉末を充填し、チャンバ１１内にルツボを取り囲むように断熱容器としてカーボンフェルト材１６とジルコニア耐火物１５を組み立てる。さらにまた加熱コイル２０と断熱容器１５の間に石英管１４を配置する。この準備作業が終了した後にガス供給部２２からガス供給を行わないで、排気部２３を用いてチャンバ内を減圧する。

その後、ガス供給部２２からアルゴンガスを供給し、チャンバ１１の内部を不活性ガス雰囲気で常圧にする。ガスを供給するに際しては、ガスの流れが下方から上方に向かうように供給することが好ましい。これにより、不純物等が融液３００中に混入することを低減させることができる。
＜溶融工程＞
溶融工程では、ガス供給部２２からアルゴンガスをチャンバ１１に供給する。 コイル電源が加熱コイル２０に高周波電流を供給し、加熱コイル２０で磁束が発生し、発熱体であるグラファイトルツボ１９には渦電流が発生する。

グラファイトルツボ１９の融点は３０００℃であるので、グラファイトルツボ１９を２５００℃以上に加熱することも可能であり、２５００℃以上に加熱した方が作業効率は上昇する。しかし、グラファイトルツボ１９の加熱は２５００℃以下とすることが好ましく、２３００℃以下とすることがより好ましい。グラファイトルツボ１９の加熱温度をこのように制限することによりルツボの寿命がはるかに長くなる。

そして、発熱体であるグラファイトルツボ１９からの熱伝導によって、タングステンルツボ１８が加熱され、さらにタングステンルツボ１８からの熱輻射または熱伝導によって、モリブデンルツボ１７が加熱される。このようにしてモリブデンルツボ１７の底部および璧部が加熱され、これに伴ってモリブデンルツボ１７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、モリブデンルツボ１７内においてアルミナ原料すなわち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２２が、アルゴンガスをチャンバ２３内に供給する。そして、引上げ駆動部は、保持部材１３に取り付けられた種結晶２００の下端が、モリブデンルツボ１７内のアルミナ融液３００と接触する位置まで引上げ棒１２を下降させて停止させる。その状態で、コイル電源は、重量検出部からの重量信号をもとに加熱コイル２０に供給する高周波電流の電流値を調節する。

＜肩部形成工程＞
肩部形成工程では、コイル電源が加熱コイル２０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、引上げ棒１２を第一の回転速度で回転させながら第一の引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、鉛円直下方に向かって拡開する肩部２２０が形成されていく。肩部２２０の直径が所望とする基板の直径よりも数ｍｍほど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２２がアルゴンガスをチャンバ１１内に供給する。コイル電源は、引き続き加熱コイル２０に高周波電流の供給を行い、モリブデンルツボ１７を介してアルミナ融液３００を加熱する。引き上げ駆動部は、引き上げ棒１２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の引き上げ速度と異なる速度である。さらに、回転駆動部は、引き上げ棒１２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の回転速度と異なる速度である。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、円柱状の直胴部２３０が形成されていく。直胴部２３０の直径は、所望とする基板の直径より数ｍｍほど大きなっていればよい。

＜尾部形成工程＞
尾部形成工程では、ガス供給部２２がアルゴンガスをチャンバ１１内に供給する。また、コイル電源は、引き続き加熱コイル２０に高周波電流の供給を行い、モリブデンルツボ１７を介したアルミナ融液３００を加熱する。さらに、引き上げ駆動部は、引き上げ棒１２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の引き上げ速度と異なる速度である。

さらにまた、回転駆動部は、引き上げ棒１２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の回転速度とは異なる速度である。なお、尾部形成工程の序盤において、尾部２４０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、引き上げ駆動部は、引き上げ棒１２の引き上げ速度を増速させて引き上げ棒１２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。

＜冷却工程＞
冷却工程では、ガス供給部２２がアルゴンガスをチャンバ１１内に供給する。また、コイル電源は、加熱コイル２０へ高周波電流の供給を停止し、ルツボ１７を介したアルミナ融液３００の加熱を中止する。さらに、引き上げ駆動部は引き上げ棒１２の引き上げを停止させ、回転駆動部は引き上げ棒１２の回転を停止させる。このとき、ルツボ１７内には、サファイアインゴット２００を形成しなかった酸化アルミニウムがアルミナ融液３００として少量残存している。このため、加熱の停止に伴って、ルツボ１７中のアルミナ融液３００は徐々に冷却され、酸化アルミニウムの融点を下回った後にルツボ１７中で固化し、酸化アルミニウムの固体となる。そして、チャンバ１１内が十分に冷却された状態で、チャンバ１１内からサファイアインゴット２００が取り出される。

以上説明したように、本実施の形態では、加熱コイル２０によりルツボ１７の壁部を直接加熱することなく、ルツボ１７を間接的に加熱している。このため、加熱コイル２０によりルツボ１７の壁部を直接加熱した場合に比べ、ルツボ１７内の融液の温度勾配を緩和することができる。よって、急激な温度勾配によって成長させた単結晶に発生する歪みを抑制することができる。

（実施例１）
本例では、チャンバ内径１０００φの高周波加熱コイルを備えた高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いた。内径φ２９５ｍｍのタングステン製ルツボの外壁に０．５ｍｍの厚みを持ったタングステンカーバイドをコーティングしたルツボの外側にグラファイトルツボを密接して配置した一体型二重ルツボに出発原料として４Ｎ（９９．９９％）の酸化アルミニウム原料を５２ｋｇ投入した。原料を投入したルツボを前記育成炉の加熱室に投入した。前記一体型二重ルツボの外周にはカーボンフェルト材およびジルコニアによって断熱構造を設け、加熱室内部の最外周に高周波加熱コイルが配置され、その内側に石英管を配置した。炉内を真空にした後に装置下方からアルゴンガスを導入し、１．０Ｌ／ｍｉｎの流量でフローさせ装置上方に排気口を設け、加熱室内の雰囲気ガスを循環させるために、前記石英管は雰囲気ガスを密封するように配置した。

炉内が大気圧になった時点でルツボの加熱を開始し、酸化アルミニウムの融点に達するまで１２時間かけて徐々に加熱した。溶融後、酸化アルミニウム単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分２回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引上速度２ｍｍ／ｈの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。

その結果、直径２０５ｍｍ、直胴部の長さ１５０ｍｍの単結晶が得られた。この単結晶を観察したところ、微小な気泡は観察されなかった。さらに、ウエハ状に切断・研磨し、偏光により内部を観察した所、サブグレインの発生は認められなかった。

（実施例２）
本例では、チャンバ内径１０００ｍｍφの高周波加熱コイルを備えた高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いた。内径φ２９５ｍｍのタングステン製ルツボの外壁に０．５ｍｍの厚みを持ったタングステンカーバイドをコーティングしたルツボの外側にグラファイトルツボを密接して配置した一体型二重ルツボの内側に内径φ２３０ｍｍのモリブデンルツボを配置し、該モリブデンルツボはタングステンスペーサーを介してタングステンカーバイドを内壁にコーティングしたタングステンルツボ内に配置される。

出発原料として４Ｎ（９９．９９％）の酸化アルミニウム原料２２ｋｇをモリブデンルツボに投入した。原料を投入したルツボを前記育成炉の加熱室に投入した。前記一体型二重ルツボの外周にはカーボンフェルト材およびジルコニアによって断熱構造を設け、加熱室内部の最外周に高周波加熱コイルが配置され、その内側に石英管を配置した。炉内を真空にした後に装置下方からアルゴンガスを導入し、１．０Ｌ／ｍｉｎの流量でフローさせ装置上方に排気口を設け、加熱室内の雰囲気ガスを循環させるために、前記石英管は雰囲気ガスを密封するように配置した。炉内が大気圧になった時点でルツボの加熱を開始し、酸化アルミニウムの融点に達するまで１２時間かけて徐々に加熱した。溶融後、酸化アルミニウム単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分１０回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引上速度２ｍｍ／ｈの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。

その結果、直径１５５ｍｍ、直胴部の長さ１５０ｍｍの単結晶が得られた。この単結晶を観察したところ、微小な気泡は観察されなかった。さらに、ウエハ状に切断・研磨し、偏光により内部を観察した所、サブグレインの発生は認められなかった。
（実施例３）
本例では、第１のルツボと第２のルツボとの間にタングステンカーバイドの粉末を挿入した装置を用いて単結晶を育成した例を示す。
実施例１〜３で製造した単結晶はいずれも従来に比べて硬度が低かった。なお、本実施例に係る単結晶が従来の単結晶よりも硬度が低い理由は次の通りであると推測される。
従来は、従来の育成装置においては、ルツボにイリジウムを使用しており、また、保温室はジルコニアから形成されていた。そのため、従来の育成装置では、酸素が炉内に発生し、発生した酸素が単結晶の硬度を高めていたものと推測される。それに対し本実施例では、アルゴンガスにより炉内をパージして炉内から酸素を排除しているため単結晶は従来の育成装置で育成されたサファイア結晶と比較して結晶が軟らかく、加工が容易となったものと推測される。なお、アルゴンガスとしては酸素、水分の含有量が１００ｐｐｂ以下（より好ましくは１００ｐｐｔ以下）のガスを用いることが好ましい。

１１ チャンバ
１２ 引上げ棒
１３ 保持部材
１４ 石英管
１５ 加熱室
１６ カーボンフェルト
１７ 第３のルツボ
１８ 第１のルツボ
１９ 第２のルツボ
２０ 加熱コイル
２２ ガス供給部
２３ ガス排気部
２００ インゴット
２１０ 種結晶
２２０ 肩部
２３０ 直胴部
２４０ 尾部
３００ 原料融液
３５０ タングステンカーバイドの粉末

Claims (14)

1. チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイルとを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液に種結晶を接触させた後に、種結晶を引き上げて単結晶を育成させる単結晶育成装置において、
   前記ルツボは、タングステンの表面にタングステンの炭化物を有する有底の第１のルツボと、第１のルツボの外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボとからなる単結晶育成装置。
2. モリブデンからなる有底の第３のルツボが前記第１のルツボの内部にタングステンからなるスペーサを介して配置されている請求項１記載の単結晶育成装置。
3. 前記単結晶は酸化物の単結晶である請求項１又は２記載の単結晶育成装置。
4. 前記酸化物はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）又はＳｃＡｌＭｇＯ_４である請求項１ないし３のいずれか１項記載の単結晶育成装置。
5. 第１のルツボが、第２のルツボと接触して又は離間して配置されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の単結晶育成装置。
6. 第２のルツボの外周にカーボンフェルトが配置されている請求項１ないし５のいずれか１項記載の単結晶育成装置。
7. 前記タングステンの炭化物の厚さは０．２ｍｍ〜５ｍｍである請求項１ないし６のいずれか１項記載のサファイア単結晶育成装置。
8. 前記タングステンの炭化物は、溶射、スパッタリン、ＣＶＤにより形成したものである請求項１ないし７のいずれか１項記載の単結晶育成装置。
9. チャンバ内に設けられた断熱材で形成される加熱室と、加熱室の内部に設けられたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイルとを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液に種結晶を接触させた後に、種結晶を引き上げて単結晶を育成させる単結晶育成装置において、
   前記ルツボは、有底の第１のルツボと、第１のルツボの外側に配置されたグラファイトからなる有底の第２のルツボとからなり、前記第１のルツボの外周と前記第２のルツボの内周とにより形成される空間にタングステンカーバイドの粉末が装入されている単結晶育成装置。
10. 該単結晶は直径６インチ以上の単結晶である請求項１ないし９のいずれか１項記載の単結晶育成装置。
11. 請求項１ないし１０いずれか１項記載の単結晶育成装置を用いた単結晶の育成方法であり、
    第１のルツボ内に原料粉末を装入し、引き続き、加熱室内を減圧するとともに、加熱コイルに高周波電流を供給して第２のルツボを高温に加熱し、その熱で第１のルツボを加熱することにより内部の原料を溶融せしめた後に、溶融した融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成させる単結晶の育成方法。
12. 単結晶はサファイア単結晶であり、装置内にアルゴンガスを導入しながら育成を行う請求項１１に記載の単結晶の育成方法。
13. 前記アルゴンガスは、装置下方から導入する請求項１２記載の単結晶育成装置。
14. 第２のルツボを２３００℃以下に加熱する請求項１２又は１３記載の単結晶の育成方法。

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