JP2016033102A - Sapphire single crystal and method for manufacturing the same - Google Patents

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正好 松井
勝彦 岡野
Katsuhiko Okano
勝彦 岡野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high quality sapphire single crystal less in pits or particles by suppressing capture of air bubbles and contamination of a crucible material during growth.SOLUTION: The sapphire single crystal is grown by a vertical temperature gradient freezing method or a vertical Bridgman method using a crucible 6 made of tungsten. The method for manufacturing the sapphire single crystal comprises: the growth step of increasing a temperature in a furnace 1 to a constant temperature in a range of 2040-2060°C, adjusting a temperature gradient in a growth axis direction in a region of 2 cm in a vertical direction across a solid-liquid interface to be 5.0-6.0°C/cm and crystallizing a raw material melt 9 while controlling a growth rate in a range of 0.8-1.3 mm/hr; and the cooling step of lowering the temperature in the furnace 1 to a constant temperature in a range of 1900-2000°C, adjusting the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal at 1.9°C/cm or less toward the upper surface of the sapphire single crystal from the bottom of the crucible 6 and lowering the temperature in the furnace 1 at 10-30°C/hr to cool the sapphire single crystal to a room temperature.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、垂直温度勾配凝固法(VGF法)によるサファイア単結晶の製造方法、および、この製造方法によって得られるサフィア単結晶に関する。   The present invention relates to a method for producing a sapphire single crystal by a vertical temperature gradient solidification method (VGF method), and a sapphire single crystal obtained by this production method.

近年、省エネや省スペースなどの要求から、照明装置として白色LED(発光ダイオード)が広く用いられている。この白色LEDは、サファイア単結晶基板上にGaN系半導体を形成した青色LEDと、蛍光体とを組み合わせて構成される。このため、白色LEDの需要の増加に伴い、サファイア単結晶基板の需要も急激に増加している。また、白色LEDの一般照明用途での普及には、その低コスト化が必要とされるため、サファイア単結晶基板に対しても、低価格化が要望されている。   In recent years, white LEDs (light emitting diodes) have been widely used as lighting devices due to demands for energy saving and space saving. This white LED is configured by combining a blue LED in which a GaN-based semiconductor is formed on a sapphire single crystal substrate and a phosphor. For this reason, with the increase in demand for white LEDs, the demand for sapphire single crystal substrates has also increased rapidly. Moreover, since the cost reduction is required for the spread of white LEDs in general lighting applications, the sapphire single crystal substrate is also required to be reduced in price.

一般に、サファイア単結晶基板は、サファイア原料融液(アルミナ融液)より育成したサファイア単結晶インゴットから、円盤状のウェーハを切り出すことによって製造される。サファイア単結晶の育成方法には、チョクラルスキー法(Cz法;回転引き上げ法)やリボン状結晶成長法(EFG法)に代表される、融液から単結晶を引き上げて固化させる引き上げ法と、垂直温度勾配凝固法(VGF法)や垂直ブリッジマン法(VB法)に代表される、サファイア原料融液を坩堝中で固化させる一方向凝固法などがある。   Generally, a sapphire single crystal substrate is manufactured by cutting out a disk-shaped wafer from a sapphire single crystal ingot grown from a sapphire raw material melt (alumina melt). As a method for growing a sapphire single crystal, a pulling method in which a single crystal is pulled from a melt and solidified, represented by the Czochralski method (Cz method; rotational pulling method) and a ribbon-like crystal growth method (EFG method); There is a unidirectional solidification method in which a sapphire raw material melt is solidified in a crucible, such as a vertical temperature gradient solidification method (VGF method) and a vertical Bridgman method (VB method).

一方向凝固法は、育成されたサファイア単結晶を引き上げる必要がないため、結晶育成装置の小型化や簡略化ができるばかりでなく、育成するサファイア単結晶の育成方位の自由度が高く、c軸方向の基板を容易に得ることができ、さらには、直径6インチ(152.4mm)を超えるような大口径のサファイア単結晶の製造にも対応可能であるという点において、引き上げ法よりも優れている。このため、現在、一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造方法の実用化が進められている。   Since the unidirectional solidification method does not require the grown sapphire single crystal to be pulled up, not only can the crystal growing apparatus be miniaturized and simplified, but also the degree of freedom in growing the sapphire single crystal to be grown is high, and the c-axis It is superior to the pulling method in that it can easily obtain a substrate in the direction and can also handle the production of a large-diameter sapphire single crystal exceeding 6 inches (152.4 mm) in diameter. Yes. For this reason, the practical use of the manufacturing method of the sapphire single crystal by the unidirectional solidification method is advancing now.

一方向凝固法によるサファイア単結晶の育成では、育成後に、坩堝からサファイア単結晶を取り出すことが必要とされる。しかしながら、坩堝材料とサファイアの線膨張率の関係によっては、冷却時の熱収縮によりサファイア単結晶が締め付けられ、サファイア単結晶の取り出しに際し、坩堝を破壊する必要がある、サファイア単結晶に欠陥が発生するといった問題がある。また、サファイアの融点が約2040℃と高温であることに起因して、サファイア単結晶育成用の坩堝材料が、高温耐久性に優れた高価な貴金属などに限られ、ランニングコストの低減を図りがたいといった問題もある。   In growing a sapphire single crystal by the unidirectional solidification method, it is necessary to take out the sapphire single crystal from the crucible after the growth. However, depending on the relationship between the linear expansion coefficient of the crucible material and sapphire, the sapphire single crystal is clamped by thermal contraction during cooling, and it is necessary to destroy the crucible when the sapphire single crystal is taken out. There is a problem such as. In addition, because the melting point of sapphire is as high as about 2040 ° C, crucible materials for growing sapphire single crystals are limited to expensive noble metals with excellent high-temperature durability, reducing running costs. There is also the problem of wanting.

これらの問題に対して、特開2011−42650号公報では、一方向凝固法によるサファイア単結晶の育成に使用する坩堝の材料として、タングステン(W)、モリブデン(Mo)または、モリブデンタングステン(MoW)合金を用いることが提案されている。これらの材料は、高温耐久性を備え、かつ、サファイアよりも線膨張率が小さいため、育成後のサファイア単結晶を、坩堝を破壊せずに取り出すことが可能である。また、これらの材料は、貴金属に比べて安価であるため、ランニングコストの低減も図ることができる。   In order to solve these problems, Japanese Patent Laid-Open No. 2011-42650 discloses tungsten (W), molybdenum (Mo), or molybdenum tungsten (MoW) as a crucible material used for growing a sapphire single crystal by a unidirectional solidification method. It has been proposed to use alloys. Since these materials have high-temperature durability and a linear expansion coefficient smaller than that of sapphire, the grown sapphire single crystal can be taken out without destroying the crucible. Further, since these materials are less expensive than noble metals, the running cost can be reduced.

ところで、上下方向に温度勾配を設けて、坩堝内で結晶育成を行う一方向凝固法では、得られるサファイア単結晶に多量の気泡が取り込まれやすいという問題がある。この原因は、一方向凝固法では、坩堝下部側で低温となり、坩堝上部側で高温となる温度勾配が形成されるため、原料融液の熱対流が起こりにくく、原料融液に溶け込んだガスが外部に排出されにくいこと、および、引き上げ法と異なり、結晶育成中の固液界面がほぼ静止しているため、固液界面に一旦気泡が付着すると、そのまま結晶内に取り込まれやすいことにあると考えられる。   By the way, in the unidirectional solidification method in which the temperature gradient is provided in the vertical direction and the crystal is grown in the crucible, there is a problem that a large amount of bubbles are easily taken into the obtained sapphire single crystal. The cause of this is that in the unidirectional solidification method, a temperature gradient is formed at the lower side of the crucible and at a higher temperature on the upper side of the crucible, so that thermal convection of the raw material melt hardly occurs, and the gas dissolved in the raw material melt Difficult to be discharged to the outside, and unlike the pulling method, the solid-liquid interface during crystal growth is almost stationary, so once bubbles are attached to the solid-liquid interface, they are likely to be taken into the crystal as they are Conceivable.

また、一方向凝固法では、原料融液が高温環境下で坩堝内周面と接触していることに起因して、坩堝の構成成分が、不純物としてサファイア単結晶内に取り込まれてしまうという問題もある。実際に、タングステン製、モリブデン製、あるいは、モリブデンタングステン合金製の坩堝を用いて育成したサファイア単結晶の構成成分を分析すると、それぞれ坩堝の構成成分が検出される。   Further, in the unidirectional solidification method, the raw material melt is in contact with the inner peripheral surface of the crucible in a high temperature environment, so that the constituent components of the crucible are taken into the sapphire single crystal as impurities. There is also. Actually, when components of a sapphire single crystal grown using a crucible made of tungsten, molybdenum, or molybdenum tungsten alloy are analyzed, the components of the crucible are detected.

このように、気泡や不純物を多く含むサファイア単結晶をウェーハ状に加工すると、加工面にピット(微小な孔)やパーティクル(微小な孔や突起物)が現れ、ウェーハの歩留まりを悪化させることとなる。   In this way, when a sapphire single crystal containing a large amount of bubbles and impurities is processed into a wafer shape, pits (micro holes) and particles (micro holes and protrusions) appear on the processed surface, which deteriorates the yield of the wafer. Become.

特開2011−42560号公報JP 2011-42560 A

本発明は、気泡や不純物の少ない高品質のサファイア単結晶を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなサファイア単結晶を、工業規模の生産において容易に得ることを可能とする製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the high quality sapphire single crystal with few bubbles and impurities. Moreover, an object of this invention is to provide the manufacturing method which makes it possible to obtain such a sapphire single crystal easily in industrial scale production.

本発明は、タングステン製の坩堝内に種結晶および原料を収納し、垂直温度勾配凝固法または垂直ブリッジマン法によって結晶育成を行うサファイア単結晶の製造方法であって、炉内温度を2040℃〜2060℃の範囲の一定温度まで昇温した後、この温度において、固液界面を挟んで上下方向2cmの領域の成長軸方向の温度勾配が5.0℃/cm〜6.0℃/cmとなるように調整し、該温度勾配を維持したまま、成長速度を0.8mm/hr〜1.3mm/hrの範囲に制御しつつ、原料融液を結晶化させ、サファイア単結晶を得る育成工程と、前記育成工程後に、炉内温度を1900℃〜2000℃の範囲の一定温度まで降温するとともに、前記サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝底部から該サファイア単結晶の上面に向って1.9℃/cm以下に調整し、該温度勾配を維持したまま、炉内温度を10℃/hr〜30℃/hrで降温し、サファイア単結晶を室温まで冷却する冷却工程とを備えることを特徴とする。   The present invention is a method for producing a sapphire single crystal in which a seed crystal and a raw material are housed in a tungsten crucible, and crystal growth is performed by a vertical temperature gradient solidification method or a vertical Bridgman method. After raising the temperature to a constant temperature in the range of 2060 ° C., at this temperature, the temperature gradient in the growth axis direction in the region of 2 cm in the vertical direction across the solid-liquid interface is 5.0 ° C./cm to 6.0 ° C./cm. The growth step of obtaining a sapphire single crystal by crystallizing the raw material melt while controlling the growth rate within the range of 0.8 mm / hr to 1.3 mm / hr while maintaining the temperature gradient. After the growth step, the furnace temperature is lowered to a constant temperature in the range of 1900 ° C. to 2000 ° C., and the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is changed from the crucible bottom to the top of the sapphire single crystal. A cooling step of adjusting the temperature in the furnace to 10 ° C./hr to 30 ° C./hr to cool the sapphire single crystal to room temperature while maintaining the temperature gradient. It is characterized by providing.

前記冷却工程において、3時間以上かけて、前記炉内温度を降温するとともに、前記温度勾配を調整することが好ましい。   In the cooling step, it is preferable that the temperature in the furnace is lowered over 3 hours and the temperature gradient is adjusted.

また、本発明のサファイア単結晶は、前記製造方法によって得られ、不純物濃度が5質量ppm以下であることを特徴とする。   Moreover, the sapphire single crystal of the present invention is obtained by the above production method, and has an impurity concentration of 5 mass ppm or less.

前記サファイア単結晶は、円盤状に加工した場合において、その表面に存在するピットおよびパーティクルの単位面積当たりの個数が30個/cm2以下であることが好ましい。 When the sapphire single crystal is processed into a disk shape, the number of pits and particles per unit area on the surface is preferably 30 / cm 2 or less.

本発明により、気泡や不純物の少ない高品質のサファイア単結晶を、工業規模の生産工程において容易に得ることができる。このため、本発明の工業的意義はきわめて大きい。   According to the present invention, a high-quality sapphire single crystal with few bubbles and impurities can be easily obtained in an industrial scale production process. For this reason, the industrial significance of the present invention is extremely large.

図1は、本発明が適用される、垂直温度勾配凝固法によるサファイア単結晶の製造装置の一例の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of an apparatus for manufacturing a sapphire single crystal by a vertical temperature gradient solidification method to which the present invention is applied. 図2は、本発明に従って、タングステン製の坩堝を用いて育成したサファイア単結晶を加工することによって得られたウェーハのパーティクル分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a particle distribution of a wafer obtained by processing a sapphire single crystal grown using a tungsten crucible according to the present invention. 図3は、モリブデンタングステン合金製の坩堝を用いて育成したサファイア単結晶を加工することによって得られたウェーハのパーティクル分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the particle distribution of a wafer obtained by processing a sapphire single crystal grown using a crucible made of molybdenum tungsten alloy.

本発明者らは、上述した問題に鑑みて、鋭意研究を重ねた。この結果、タングステン製の坩堝を用いた垂直温度勾配凝固法(VGF法)および垂直ブリッジマン法(VB法)、特に垂直温度勾凝固法において、育成条件および冷却条件を適切に制御することにより、サファイア単結晶内への気泡の取り込みや不純物の混入を効果的に抑制することができるとの知見を得た。本発明は、この知見に基づき完成されたものである。   In view of the above-described problems, the present inventors have conducted extensive research. As a result, in the vertical temperature gradient solidification method (VGF method) and vertical Bridgman method (VB method) using a crucible made of tungsten, particularly in the vertical temperature gradient solidification method, by appropriately controlling the growth conditions and cooling conditions, The inventor has obtained knowledge that it is possible to effectively suppress the incorporation of bubbles and the incorporation of impurities into the sapphire single crystal. The present invention has been completed based on this finding.

1.サファイア単結晶の製造方法
以下、図1を参照しながら、本発明のサファイア単結晶の製造方法について、詳細に説明する。なお、本発明のサファイア単結晶の製造方法は、得ようとするサファイア単結晶の成長軸方向や大きさに関わらず適用することができるが、以下、本発明を好適に適用することができる、直径が150mm〜250mm、全長が150mm〜800mmの大型のサファイア単結晶を、垂直温度勾配凝固法を用いて、c軸方向を成長軸として育成する場合を例に挙げて説明する。
1. Hereinafter, a method for producing a sapphire single crystal of the present invention will be described in detail with reference to FIG. In addition, although the manufacturing method of the sapphire single crystal of the present invention can be applied regardless of the growth axis direction and the size of the sapphire single crystal to be obtained, the present invention can be preferably applied hereinafter. A case where a large sapphire single crystal having a diameter of 150 mm to 250 mm and a total length of 150 mm to 800 mm is grown using the vertical temperature gradient solidification method as a growth axis will be described as an example.

(1)垂直温度勾配凝固法
本発明では、サファイア単結晶の製造方法として、一方向凝固法のうち、垂直温度勾配凝固法(以下、「VGF法」という)を採用することが好ましい。
(1) Vertical temperature gradient solidification method In this invention, it is preferable to employ | adopt the vertical temperature gradient solidification method (henceforth "VGF method") among unidirectional solidification methods as a manufacturing method of a sapphire single crystal.

垂直ブリッジマン法では、育成装置のチャンバ内で、坩堝を垂直方向に大きく移動させることが必要になる。したがって、育成装置に、坩堝の移動機構を組み込むことが必要となるばかりでなく、チャンバの全高を高くすることが必要となるため、育成装置が、大型で高価にならざるを得ないという問題がある。これに対して、VGF法は、坩堝を移動させることなく、複数に区分されたヒータの出力を調整することにより、炉内に一定の温度分布を形成するとともに、この温度分布を幾何学的に移動させて結晶を成長させる方法であるため、このような問題が生じることはない。   In the vertical Bridgman method, it is necessary to largely move the crucible vertically in the chamber of the growing apparatus. Therefore, it is necessary not only to incorporate a crucible moving mechanism into the growth apparatus, but also to increase the overall height of the chamber, so that the growth apparatus has to be large and expensive. is there. On the other hand, the VGF method forms a constant temperature distribution in the furnace by adjusting the output of the heater divided into a plurality of parts without moving the crucible, and geometrically distributes the temperature distribution. Such a problem does not occur because the crystal is grown by moving the crystal.

[製造装置(育成炉)]
本発明の製造方法は、たとえば、図1に示すような、VGF法によるサファイア単結晶の育成が可能であり、かつ、育成工程および冷却工程において、原料融液またはサファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を制御することができる、サファイア単結晶育成装置(育成炉)1を用いて実施される。
[Manufacturing equipment (growing furnace)]
The production method of the present invention can grow a sapphire single crystal by the VGF method as shown in FIG. 1, for example, and in the growth step and the cooling step, the raw material melt or the growth axis direction of the sapphire single crystal It implements using the sapphire single crystal growth apparatus (growth furnace) 1 which can control a temperature gradient.

育成炉1は、従来の育成炉と同様に、筒状のチャンバ2と、チャンバ2の内側に配置される断熱材3とから構成される。育成炉1の大きさは、得ようとするサファイア単結晶の大きさに応じて適宜選択されるが、上述した寸法のサファイア単結晶を育成する場合には、概ね、その直径を600mm〜1000mm、高さを800mm〜2000mm程度とする。また、育成炉1には、開口部(図示せず)が設けられており、この開口部を介して、チャンバ2内に、不活性ガス、好ましくはアルゴンガスが給排され、特に、結晶育成時には、チャンバ2内は不活性ガスで満たされることとなる。   The growth furnace 1 includes a cylindrical chamber 2 and a heat insulating material 3 disposed inside the chamber 2, as in the conventional growth furnace. The size of the growth furnace 1 is appropriately selected according to the size of the sapphire single crystal to be obtained. However, when growing the sapphire single crystal having the dimensions described above, the diameter is generally 600 mm to 1000 mm, The height is about 800 mm to 2000 mm. Further, the growth furnace 1 is provided with an opening (not shown), and an inert gas, preferably argon gas, is supplied / exhausted into the chamber 2 through this opening. Sometimes, the chamber 2 is filled with an inert gas.

断熱材3の内側には、内径250mm〜350mm、高さ450mm〜1200mmの筒状ヒータ4が配置されており、サファイア単結晶の育成時には、筒状ヒータ4によりホットゾーン5が形成されることとなる。また、筒状ヒータ4は、上段ヒータ4a、中段ヒータ4bおよび下段ヒータ4cから構成され、これらのヒータ4a〜4cへの投入電力を調整することにより、育成工程および冷却工程における成長軸方向の温度勾配を制御することが可能となっている。   A cylindrical heater 4 having an inner diameter of 250 mm to 350 mm and a height of 450 mm to 1200 mm is disposed inside the heat insulating material 3, and when the sapphire single crystal is grown, a hot zone 5 is formed by the cylindrical heater 4. Become. Moreover, the cylindrical heater 4 is comprised from the upper stage heater 4a, the middle stage heater 4b, and the lower stage heater 4c, and the temperature of the growth axis direction in a growth process and a cooling process is adjusted by adjusting the input electric power to these heaters 4a-4c. It is possible to control the gradient.

坩堝6は、筒状ヒータ4と同軸に配置された支持軸7上に載置される。この支持軸7は、必要に応じて、垂直方向に移動可能な構成にしてもよく、また、回転可能に構成して、サファイア単結晶の育成時に、坩堝6をホットゾーン5内で回転させてもよい。なお、坩堝6は、カップ状に形成され、その内部に、単結晶8と原料9とが、この順序で積層した状態で収納される。   The crucible 6 is placed on a support shaft 7 disposed coaxially with the cylindrical heater 4. The support shaft 7 may be configured to be movable in the vertical direction, if necessary, and may be configured to rotate so that the crucible 6 is rotated in the hot zone 5 when growing the sapphire single crystal. Also good. In addition, the crucible 6 is formed in a cup shape, and the single crystal 8 and the raw material 9 are accommodated in a stacked state in this order.

このほか、本発明の育成炉1には、坩堝6内の原料融液の表面および坩堝6の底部の温度を測定する温度測定手段(図示せず)が設置される。このような温度測定手段は、特に制限されることはないが、放射温度計などの非接触型温度計を使用することが好ましい。   In addition, the growth furnace 1 of the present invention is provided with temperature measuring means (not shown) for measuring the temperature of the raw material melt in the crucible 6 and the bottom of the crucible 6. Such temperature measuring means is not particularly limited, but it is preferable to use a non-contact type thermometer such as a radiation thermometer.

[坩堝]
本発明のサファイア単結晶の製造方法では、坩堝6として、タングステン製のものを使用することが必要となる。タングステンは、融点が3400℃であり、モリブデンの融点(2600℃)よりも高温であるため、後述する育成条件の下では、育成結晶内に、坩堝材料が不純物として混入することを効果的に抑制することが可能となる。
[crucible]
In the method for producing a sapphire single crystal of the present invention, it is necessary to use a tungsten product as the crucible 6. Tungsten has a melting point of 3400 ° C. and is higher than the melting point of molybdenum (2600 ° C.). Therefore, under the growth conditions described later, the crucible material is effectively suppressed from being mixed as an impurity in the growth crystal. It becomes possible to do.

また、タングステンは、室温から2000℃までの範囲における線膨張率が、サファイアの線膨張率よりも小さいという性質を有する。このため、タングステン製の坩堝は、冷却工程における寸法変化(内径寸法および外径寸法の収縮率)が少なく、冷却後に、サファイア単結晶を容易に取り出すことができる。   Tungsten has a property that the linear expansion coefficient in the range from room temperature to 2000 ° C. is smaller than that of sapphire. For this reason, the crucible made of tungsten has little dimensional change in the cooling process (shrinkage ratio of the inner diameter dimension and the outer diameter dimension), and the sapphire single crystal can be easily taken out after cooling.

(2)育成工程
育成工程では、はじめに、種結晶8および原料9が収納された坩堝6をホットゾーン内に配置する。この状態で、筒状ヒータ4に電力を投入し、種結晶および原料9をアルミナの融点(約2040℃)以上に加熱し、原料9と、種結晶8のうち原料9と当接する部分を融解する。その後、筒状ヒータ4を構成する上段ヒータ4a、中段ヒータ4bおよび下段ヒータ4cへの投入電力を調整し、固液界面を挟んで上下方向2cmの領域(以下、「固液界面近傍」という)の成長軸方向の温度勾配を5.0℃/cm〜6.0℃/cmの範囲に制御する。続いて、この固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を維持したまま、育成結晶の成長速度が0.8mm/hr〜1.3mm/hrとなるように、ホットゾーン5の温度(炉内温度)を徐々に低下させ、サファイア単結晶の育成を行う。
(2) Growing process In the growing process, first, the crucible 6 in which the seed crystal 8 and the raw material 9 are stored is placed in the hot zone. In this state, power is applied to the cylindrical heater 4 to heat the seed crystal and the raw material 9 to the melting point of alumina (about 2040 ° C.) or higher, and melt the raw material 9 and the portion of the seed crystal 8 that contacts the raw material 9. To do. Thereafter, the electric power supplied to the upper heater 4a, middle heater 4b, and lower heater 4c constituting the cylindrical heater 4 is adjusted, and a region of 2 cm in the vertical direction across the solid-liquid interface (hereinafter referred to as “the vicinity of the solid-liquid interface”). The temperature gradient in the growth axis direction is controlled in the range of 5.0 ° C./cm to 6.0 ° C./cm. Subsequently, while maintaining the temperature gradient in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface, the temperature of the hot zone 5 (in the furnace is adjusted so that the growth rate of the grown crystal becomes 0.8 mm / hr to 1.3 mm / hr. Temperature) is gradually decreased to grow a sapphire single crystal.

なお、本発明の育成工程では、育成後のサファイア単結晶から効率的にc軸方向の基板を切り出すために、成長軸をc軸とすることが好ましい。ただし、本発明では、サファイア単結晶の成長軸は特に制限されることはなく、本発明は、a軸やr軸をサファイア単結晶の成長軸とする場合にも適用可能である。   In the growth step of the present invention, the growth axis is preferably the c-axis in order to efficiently cut out the substrate in the c-axis direction from the grown sapphire single crystal. However, in the present invention, the growth axis of the sapphire single crystal is not particularly limited, and the present invention can also be applied when the a-axis or the r-axis is used as the growth axis of the sapphire single crystal.

[炉内温度]
育成工程の初期段階においては、原料9と、種結晶8のうち原料9と当接する部分とを融解するため、筒状ヒータ4により、炉内温度を原料9(アルミナ)の融点以上に加熱することが必要となる。具体的には、炉内温度を、2040℃以上、好ましくは2050℃以上になるまで昇温させる。なお、炉内温度の上限は特に制限されることはないが、過度に高温にすると、エネルギの消費量が増大するばかりでなく、育成炉1への負荷も増大することとなる。このため、炉内温度の上限は、2060℃程度となる。
[In-furnace temperature]
In the initial stage of the growth process, in order to melt the raw material 9 and the portion of the seed crystal 8 that comes into contact with the raw material 9, the temperature inside the furnace is heated to the melting point of the raw material 9 (alumina) by the cylindrical heater 4. It will be necessary. Specifically, the temperature in the furnace is raised to 2040 ° C. or higher, preferably 2050 ° C. or higher. The upper limit of the furnace temperature is not particularly limited, but if the temperature is excessively high, not only the energy consumption increases, but the load on the growth furnace 1 also increases. For this reason, the upper limit of the furnace temperature is about 2060 ° C.

[固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配]
炉内温度を上述した範囲まで昇温し、原料9および種結晶8のうち原料9との当接する部分を融解した後、ヒータ4a〜4cの電力比などを調整することにより、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を、成長軸方向上方(坩堝の底部側から上部側)に向かって、5.0℃/cm〜6.0℃/cm、好ましくは5.2℃/cm〜6.0℃/cm、より好ましくは5.2℃/cm〜5.8℃/cm、さらに好ましくは5.6℃/cmに制御する。
[Temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface]
The temperature inside the furnace is raised to the above-described range, and the portion of the raw material 9 and the seed crystal 8 that contacts the raw material 9 is melted, and then the power ratio of the heaters 4a to 4c is adjusted, thereby near the solid-liquid interface The temperature gradient in the growth axis direction is 5.0 ° C./cm to 6.0 ° C./cm, preferably 5.2 ° C./cm to 6 in the upward direction of the growth axis (from the bottom side to the top side of the crucible). It is controlled to 0.0 ° C./cm, more preferably 5.2 ° C./cm to 5.8 ° C./cm, and still more preferably 5.6 ° C./cm.

ここで、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配とは、サファイア単結晶(固相)と原料融液(液相)の界面を挟んで、その上下方向2cmの領域における温度勾配(固相の温度Ts(℃)と液相の温度Tl(℃)の温度差(Tl―Ts)を単位長さ当たりの温度差に換算した値)を意味する。この温度勾配は、ヒータ4a〜4cの電力比や坩堝の設定位置を調整し、原料融液の上部から下部へ向かう熱伝導の状態を調整することにより制御することができる。たとえば、坩堝下端を下段ヒータの下端よりも下げて、より温度の低い領域に晒すことで放熱を増やし、温度勾配を急峻にするなどにより制御することができる。 Here, the temperature gradient in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface is the temperature gradient (solid phase) in the region of 2 cm in the vertical direction across the interface between the sapphire single crystal (solid phase) and the raw material melt (liquid phase). The temperature difference (T 1 −T s ) between the temperature T s (° C.) and the liquid phase temperature T l (° C.) is converted into a temperature difference per unit length. This temperature gradient can be controlled by adjusting the power ratio of the heaters 4a to 4c and the setting position of the crucible, and adjusting the state of heat conduction from the upper part to the lower part of the raw material melt. For example, lowering the lower end of the crucible below the lower end of the lower heater and exposing it to a lower temperature region can increase heat dissipation and control the temperature gradient.

固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配が5.0℃/cm未満では、気泡の発生を防止するために成長速度を遅くしなければならず、育成サイクルが長くなるという問題が生じる。一方、固液界面近傍の成長軸方向に6.0℃/cmを超える温度勾配を形成するためには、原料融液の成長軸方向の温度差を大きくしなければならないため、育成炉に過大な負荷がかかるという問題が生じる。   If the temperature gradient in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface is less than 5.0 ° C./cm, the growth rate must be slowed in order to prevent the generation of bubbles, resulting in a problem that the growth cycle becomes long. On the other hand, in order to form a temperature gradient exceeding 6.0 ° C./cm in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface, the temperature difference in the growth axis direction of the raw material melt must be increased. Problem arises that a heavy load is applied.

なお、従来技術において、一方向凝固法によりサファイア単結晶を育成する場合、熱電対の耐熱性や温度測定の簡便性の観点から、昇温段階における任意の温度(1500℃程度)で、坩堝底部や原料融液表面の温度を測定し、温度勾配を調整することが一般的である。   In the prior art, when a sapphire single crystal is grown by a unidirectional solidification method, the bottom of the crucible is at an arbitrary temperature (about 1500 ° C.) at the temperature rising stage from the viewpoint of heat resistance of the thermocouple and simplicity of temperature measurement. In general, the temperature of the raw material melt is measured to adjust the temperature gradient.

これに対して、本発明では、サファイア単結晶の育成の初期段階から育成が完了する段階までにおいて、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を調整することとしている。これにより、サファイア単結晶の育成中の温度勾配を高い精度で制御することができ、残留応力を抑制しつつ、気泡の発生を防止することが可能となる。   In contrast, in the present invention, the temperature gradient in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface is adjusted from the initial stage of growth of the sapphire single crystal to the stage of completion of the growth. As a result, the temperature gradient during the growth of the sapphire single crystal can be controlled with high accuracy, and the generation of bubbles can be prevented while suppressing the residual stress.

ただし、工業規模の生産を前提とした場合、この段階において、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を直接測定することは実質的に不可能である。この点について、本発明者らは、シミュレーション結果と、非接触型温度計を用いて、坩堝底部および原料融液の表面の温度を測定することにより実測した坩堝内の成長軸方向の温度勾配から、サファイア単結晶の育成段階における固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配は、坩堝内の成長軸方向の温度勾配と実質的に同じであることを確認している。このため、本発明では、上述した固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を、非接触型温度計を用いて、原料融液の表面の温度と坩堝底部の温度から求められる坩堝内の成長軸方向の温度勾配で代替することとしている。   However, when assuming production on an industrial scale, it is practically impossible to directly measure the temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface at this stage. In this regard, the present inventors calculated the temperature gradient in the growth axis direction in the crucible measured by measuring the temperature of the bottom of the crucible and the surface of the raw material melt using a non-contact type thermometer. It has been confirmed that the temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface in the growth stage of the sapphire single crystal is substantially the same as the temperature gradient in the growth axis direction in the crucible. For this reason, in the present invention, the temperature gradient in the growth axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface described above is determined by the growth in the crucible obtained from the surface temperature of the raw material melt and the temperature at the bottom of the crucible using a non-contact thermometer An axial temperature gradient will be substituted.

[成長速度]
本発明において、育成時におけるサファイア単結晶の成長速度は、0.8mm/hr〜1.3mm/hr、好ましくは0.8〜1.2mm/hr、より好ましくは1.0mm/hr〜1.2mm/hrの範囲に制御される。なお、サファイア単結晶の成長速度は、最終的に得られるサファイア単結晶の全長L、種結晶の全長をL0、育成時間をtとした場合に、下記の式(A)によって求められる値を意味する。
サフィア単結晶の成長速度=(L−L0)/t ・・・(A)
[Growth speed]
In the present invention, the growth rate of the sapphire single crystal during growth is 0.8 mm / hr to 1.3 mm / hr, preferably 0.8 to 1.2 mm / hr, more preferably 1.0 mm / hr to 1.mm. It is controlled in the range of 2 mm / hr. The growth rate of the sapphire single crystal is a value obtained by the following formula (A), where L is the total length of the finally obtained sapphire single crystal, L 0 is the total length of the seed crystal, and t is the growth time. means.
Safia single crystal growth rate = (L−L 0 ) / t (A)

サファイア単結晶の成長速度がこのような範囲にあれば、育成中における固液界面の移動を十分に遅くすることができるため、固液界面に一旦気泡が付着した場合であっても、この気泡が育成結晶内に取り込まれることを効果的に抑制することができる。成長速度が0.8mm/hr未満では、気泡の取り込みを抑制することはできるが、生産性が大幅に悪化してしまう。一方、成長速度が1.3mm/hrを超えると、育成結晶中に取り込まれる気泡が増加し、高品質のサファイア単結晶を得ることができなくなる。   If the growth rate of the sapphire single crystal is within such a range, the movement of the solid-liquid interface during growth can be sufficiently slowed down. Can be effectively suppressed from being taken into the grown crystal. If the growth rate is less than 0.8 mm / hr, the entrapment of bubbles can be suppressed, but the productivity is greatly deteriorated. On the other hand, if the growth rate exceeds 1.3 mm / hr, the number of bubbles taken into the grown crystal increases, making it impossible to obtain a high-quality sapphire single crystal.

(2)冷却工程
冷却工程では、炉内温度を1900℃〜2000℃の範囲の一定温度まで降温するとともに、育成したサファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配が、坩堝底部からサファイア単結晶の上面に向って1.9℃/cm以下となるようにヒータ4a〜4cへの投入電力を調整した後、この温度勾配を維持したまま、10℃/hr〜30℃/hrで炉内温度を降温し、サファイア単結晶を室温まで冷却させる。サファイア単結晶の冷却条件をこのように制御することで、育成工程において、サファイア単結晶内に取り込まれた微小気泡を、結晶内に拡散させ、外部に放出することが可能となる。
(2) Cooling step In the cooling step, the furnace temperature is lowered to a constant temperature in the range of 1900 ° C to 2000 ° C, and the temperature gradient in the growth axis direction of the grown sapphire single crystal is changed from the bottom of the crucible to the upper surface of the sapphire single crystal. After adjusting the electric power supplied to the heaters 4a to 4c so as to become 1.9 ° C./cm or less toward the temperature, the temperature in the furnace is lowered at 10 ° C./hr to 30 ° C./hr while maintaining this temperature gradient. The sapphire single crystal is cooled to room temperature. By controlling the cooling conditions of the sapphire single crystal in this way, it is possible to diffuse the microbubbles taken into the sapphire single crystal into the crystal and release it outside in the growth process.

[炉内温度]
育成工程終了後、炉内温度を1900℃〜2000℃、好ましくは1900℃〜1950℃、より好ましくは1900℃〜1920℃の範囲の一定温度まで降温することが必要となる。
[In-furnace temperature]
After the growth step, the furnace temperature needs to be lowered to a constant temperature in the range of 1900 ° C to 2000 ° C, preferably 1900 ° C to 1950 ° C, more preferably 1900 ° C to 1920 ° C.

この段階の炉内温度は、サファイアの融点以下の温度であることが必要とされるが、1900℃未満にすると、サファイア単結晶内に取込まれた微小気泡が拡散しにくくなり外部に放出されなくなり、また、サファイア単結晶の内部に生じる熱ひずみを抑制することができず、冷却後にクラックが生じやすくなる。一方、この段階の炉内温度が2000℃を超えると、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝底部からサファイア単結晶の上面に向かって1.9℃/cm以下に調整するためのヒータ4a〜4cの制御が困難となる。   The furnace temperature at this stage is required to be lower than the melting point of sapphire, but if it is lower than 1900 ° C., the microbubbles taken into the sapphire single crystal are difficult to diffuse and discharged to the outside. In addition, the thermal strain generated inside the sapphire single crystal cannot be suppressed, and cracks are likely to occur after cooling. On the other hand, when the furnace temperature at this stage exceeds 2000 ° C., the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is adjusted to 1.9 ° C./cm or less from the bottom of the crucible toward the upper surface of the sapphire single crystal. It becomes difficult to control the heaters 4a to 4c.

[サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配]
冷却工程では、上述のように炉内温度を降温するとともに、育成工程によって得られたサファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝底部からサファイア単結晶の上面に向って1.9℃/cm以下、好ましくは1.8℃/cm以下に調整し、冷却工程を通じて、この温度勾配を維持することが必要となる。なお、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配は、育成されたサファイア単結晶の上面の温度と坩堝底部の温度を、非接触型温度計を用いて測定することにより求めることができる。
[Temperature gradient in the growth axis direction of sapphire single crystal]
In the cooling step, the temperature in the furnace is lowered as described above, and the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal obtained by the growth step is 1.9 ° C./from the bottom of the crucible toward the upper surface of the sapphire single crystal. It is necessary to adjust the temperature gradient to not more than cm, preferably not more than 1.8 ° C./cm, and maintain this temperature gradient throughout the cooling process. The temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal can be obtained by measuring the temperature of the upper surface of the grown sapphire single crystal and the temperature of the bottom of the crucible using a non-contact thermometer.

サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配が1.8℃/cmを超えると、他の冷却条件によっては、残留応力が十分に緩和されず、冷却速度を30℃/hr以下とした場合であっても、育成時に生じた残留応力を十分に解消することができず、クラックの発生を招くおそれがある。特に、温度勾配が1.9℃/cmを超えると、この傾向が顕著となる。なお、温度勾配の下限は特に制限されることはないが、サファイア単結晶の生産性を確保する観点から、0.2℃/cm以上とすることが好ましく、0.4℃/cm以上とすることがより好ましい。   When the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal exceeds 1.8 ° C./cm, the residual stress is not sufficiently relaxed depending on other cooling conditions, and the cooling rate is 30 ° C./hr or less. However, the residual stress generated at the time of growth cannot be sufficiently eliminated, and there is a risk of causing cracks. In particular, when the temperature gradient exceeds 1.9 ° C./cm, this tendency becomes remarkable. The lower limit of the temperature gradient is not particularly limited, but is preferably 0.2 ° C./cm or more, and preferably 0.4 ° C./cm or more from the viewpoint of securing the productivity of the sapphire single crystal. It is more preferable.

[サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配の調整]
冷却工程では、好ましくは3時間以上、より好ましくは5時間以上かけて、炉内温度を1900℃〜2000℃の範囲の一定温度まで降温するとともに、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を1.9℃/cm以下に調整することが好ましい。これにより、サファイア単結晶内の気泡の拡散を妨げることなく、温度勾配の調整に伴う熱衝撃に起因するクラックの発生を効果的に防止することができる。
[Adjustment of temperature gradient in the growth axis direction of sapphire single crystal]
In the cooling step, the temperature in the furnace is preferably lowered to a constant temperature in the range of 1900 ° C. to 2000 ° C. over 3 hours or more, more preferably 5 hours or more, and the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is 1 It is preferable to adjust to 9 ° C./cm or less. Thereby, generation | occurrence | production of the crack resulting from the thermal shock accompanying adjustment of a temperature gradient can be prevented effectively, without preventing the spreading | diffusion of the bubble in a sapphire single crystal.

なお、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を調整する手段は、特に制限されることはなく、ヒータ4a〜4cを調整することにより行ってもよく、坩堝6を適宜移動し、ホットゾーン5内の均熱ゾーンに配置することにより行ってもよい。   In addition, the means for adjusting the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is not particularly limited, and may be performed by adjusting the heaters 4a to 4c. You may carry out by arrange | positioning in an inner soaking zone.

[冷却速度]
冷却工程では、上述した温度勾配を維持したまま、炉内温度を、10℃/hr〜30℃/hr、好ましくは20℃/hr〜30℃/hr、より好ましくは30℃/hrの冷却速度で降温し、サファイアや単結晶を室温まで冷却することが必要となる。
[Cooling rate]
In the cooling step, the temperature in the furnace is maintained at a cooling rate of 10 ° C./hr to 30 ° C./hr, preferably 20 ° C./hr to 30 ° C./hr, more preferably 30 ° C./hr while maintaining the temperature gradient described above. It is necessary to cool the sapphire and the single crystal to room temperature.

冷却速度が10℃/hr未満では、十分な生産性を確保することができない。一方、冷却速度が30℃/hrを超えると、サファイア単結晶内に取込まれた微小気泡が拡散しにくくなり、これらが、十分に結晶外部に放出されなくなる。また、残留応力を十分に解消することができず、クラックが発生するおそれがある。   When the cooling rate is less than 10 ° C./hr, sufficient productivity cannot be ensured. On the other hand, when the cooling rate exceeds 30 ° C./hr, the microbubbles taken into the sapphire single crystal are difficult to diffuse and are not sufficiently released outside the crystal. In addition, the residual stress cannot be sufficiently eliminated, and cracks may occur.

2.サファイア単結晶
本発明のサファイア単結晶は、上述した製造方法により得られ、結晶内の不純物や気泡がきわめて少ないことを特徴とする(図2および図3参照)。
2. Sapphire Single Crystal The sapphire single crystal of the present invention is obtained by the production method described above, and is characterized by extremely few impurities and bubbles in the crystal (see FIGS. 2 and 3).

具体的には、本発明のサファイア単結晶では、坩堝材料などに起因する不純物濃度を、好ましくは5質量ppm以下、より好ましくは2質量ppm以下、さらに好ましくは1質量ppm以下とすることができる。なお、サファイア単結晶の不純物濃度は、たとえば、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析法)により測定することができる。   Specifically, in the sapphire single crystal of the present invention, the impurity concentration caused by the crucible material or the like can be preferably 5 ppm by mass or less, more preferably 2 ppm by mass or less, and even more preferably 1 ppm by mass or less. . The impurity concentration of the sapphire single crystal can be measured by, for example, ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry).

また、本発明のサファイア単結晶は、円盤状のウェーハに加工した場合において、その表面に存在するピットおよびパーティクルの単位面積当たりの個数(以下、「欠陥密度」という)を、好ましくは30個/cm2以下、より好ましくは22個/cm2以下とすることができる。なお、欠陥密度は、円盤状に加工したすべてのウェーハについて、その表面に存在するピットおよびパーティクルの個数を、ウェーハ表面検査装置を用いて測定した後、ウェーハ1枚あたりのピットおよびパーティクルの個数(平均個数)を算出し、この平均個数を、ウェーハの表面積で除することにより求めることができる。 Further, when the sapphire single crystal of the present invention is processed into a disc-shaped wafer, the number of pits and particles present on the surface per unit area (hereinafter referred to as “defect density”) is preferably 30 / cm 2 or less, more preferably 22 pieces / cm 2 or less. The defect density is the number of pits and particles per wafer after measuring the number of pits and particles present on the surface of all wafers processed into a disk shape using a wafer surface inspection device ( The average number can be calculated by dividing the average number by the surface area of the wafer.

(実施例1)
[育成工程]
内径が155mm、深さが400mm、厚さ10mmのタングステン製の坩堝6の底部に、外径が150mm、高さが50mmで、質量が3.6kgのc軸サファイア単結晶の種結晶8を収納した後、その上部にサファイア顆粒原料とサファイア単結晶端材からなる原料9を合計で11.4kg収納した。この坩堝6を、育成炉1の支持軸7上に載置し、チャンバ2を密封した後、チャンバ2内に4L/分の流量で窒素ガスを導入した。その後、ヒータ4a〜4cに、合計で46kWの電力を投入し、チャンバ2内のホットゾーン5の温度(炉内温度)を2040℃まで昇温し、原料9と、種結晶8のうち原料9と当接する部分を融解させた。続いて、非接触型温度計(LumaSense Technolgies製、IMPAC ISR 12−L0)を用いて、原料融液9の表面および坩堝6底部の温度を測定し、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を求めた。この温度勾配が、坩堝6の底部から原料融液9の表面に向って5.6℃/cmとなるように、ヒータ4a〜4cの電力比を、上段ヒータ4a:中段ヒータ4b:下段ヒータ4c=6:3:2に調整した。この状態で16時間ほど放置し、炉内温度および原料融液9の温度が安定したことを確認した後、上述した温度勾配を維持したまま、成長速度が1.2mm/hrとなるように、ヒータ4a〜4cの出力を徐々に低下させ、サファイア単結晶を育成した。
Example 1
[Growth process]
A seed crystal 8 of a c-axis sapphire single crystal having an outer diameter of 150 mm, a height of 50 mm, and a mass of 3.6 kg is stored in the bottom of a tungsten crucible 6 having an inner diameter of 155 mm, a depth of 400 mm, and a thickness of 10 mm. After that, a total of 11.4 kg of raw material 9 consisting of a sapphire granule raw material and a sapphire single crystal end material was stored in the upper part. The crucible 6 was placed on the support shaft 7 of the growth furnace 1 and the chamber 2 was sealed. Then, nitrogen gas was introduced into the chamber 2 at a flow rate of 4 L / min. Thereafter, a total of 46 kW of electric power is applied to the heaters 4 a to 4 c, the temperature of the hot zone 5 in the chamber 2 (in-furnace temperature) is raised to 2040 ° C. The part in contact with was melted. Subsequently, using a non-contact type thermometer (manufactured by LumaSense Technologies, IMPAC ISR 12-L0), the temperature of the surface of the raw material melt 9 and the bottom of the crucible 6 is measured, and the temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface Asked. The power ratio of the heaters 4a to 4c is set so that the temperature gradient becomes 5.6 ° C./cm from the bottom of the crucible 6 toward the surface of the raw material melt 9; the upper heater 4a: the middle heater 4b: the lower heater 4c. = 6: 3: 2 After standing in this state for about 16 hours and confirming that the furnace temperature and the temperature of the raw material melt 9 were stable, the growth rate was 1.2 mm / hr while maintaining the temperature gradient described above. The outputs of the heaters 4a to 4c were gradually reduced to grow sapphire single crystals.

[冷却工程]
育成工程終了後、3時間以上かけて、ヒータ4a〜4cの電力比を、上段ヒータ4a:中段ヒータ4b:下段ヒータ4c=1:1:2.5となるように変更することで、炉内温度を1900℃まで降温するとともに、この温度を維持したまま、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝6の底部からサファイア単結晶の上面に向って1.8℃/cmとなるように調整した。その後、この温度勾配を維持しつつ、炉内温度の冷却速度が30℃/hrとなるように、ヒータ4a〜4cの出力を徐々に低下させ、室温まで冷却し、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
[Cooling process]
In the furnace, the power ratio of the heaters 4a to 4c is changed so that the upper heater 4a: the middle heater 4b: the lower heater 4c = 1: 1: 2.5 over 3 hours after the completion of the growing process. While the temperature is lowered to 1900 ° C., the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is 1.8 ° C./cm from the bottom of the crucible 6 toward the upper surface of the sapphire single crystal while maintaining this temperature. Adjusted. Thereafter, while maintaining this temperature gradient, the outputs of the heaters 4a to 4c are gradually reduced so that the cooling rate of the furnace temperature becomes 30 ° C./hr, and cooled to room temperature. The diameter is 153 mm and the total length is 200 mm. A sapphire single crystal having a mass of 15.0 kg was obtained.

[評価]
得られたサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置(KLA−Tencor製、Candela)を用いて観察した結果、ウェーハ1枚当たりには、平均して1500個(欠陥密度:8.5個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。この結果を図2に示す。なお、図2において、着色部がピットおよびパーティクルなどの欠陥を表す。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。
[Evaluation]
The obtained sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of the wafer using a wafer surface inspection apparatus (Candela, manufactured by KLA-Tencor), an average of 1500 pieces per wafer (defect density: 8.5 pieces / cm 2 ). It was confirmed that pits and particles were present. The result is shown in FIG. In FIG. 2, the colored portion represents defects such as pits and particles. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

なお、実施例1〜8および比較例1〜6では、これらの結果に基づき、欠陥密度が30個/cm2以下、かつ、不純物濃度が5質量ppm以下のものを「良(○)」と評価した。また、欠陥密度が30個/cm2を超え、あるいは、不純物濃度が5質量ppmを超えるものを「不良(×)」と評価した。 In Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 6, based on these results, those having a defect density of 30 / cm 2 or less and an impurity concentration of 5 mass ppm or less are referred to as “good (◯)”. evaluated. A defect density exceeding 30 / cm 2 or an impurity concentration exceeding 5 ppm by mass was evaluated as “defective (×)”.

(実施例2)
タングステン製の坩堝6に収納した原料が11.3kgであったこと、および、冷却工程において、冷却速度を10℃/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が14.9kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 2)
The diameter was 153 mm and the total length was the same as in Example 1 except that the raw material stored in the tungsten crucible 6 was 11.3 kg and the cooling rate was 10 ° C./hr in the cooling step. A sapphire single crystal with a mass of 14.9 kg.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、ウェーハ1枚当たりには、平均して1300個(7.4個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it was confirmed that an average of 1300 (7.4 / cm 2 ) pits and particles existed per wafer. It was done. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例3)
育成工程において、サファイア単結晶の成長速度を1.0℃/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 3)
In the growth step, a sapphire single crystal having a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.0 kg was obtained in the same manner as in Example 1 except that the growth rate of the sapphire single crystal was 1.0 ° C./hr. It was.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、ウェーハ1枚当たりには、平均して1200個(6.8個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it was confirmed that 1200 (6.8 / cm 2 ) pits and particles exist on average per wafer. It was done. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例4)
タングステン製の坩堝6に収納した原料が11.5kgであったこと、および、冷却工程において、炉内温度を2000℃まで降温するとともに、この温度で温度勾配の調整を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.1kgのサファイア単結晶を得た。
Example 4
Except that the raw material stored in the tungsten crucible 6 was 11.5 kg and that the temperature in the furnace was lowered to 2000 ° C. and the temperature gradient was adjusted at this temperature in the cooling process. In the same manner as in Example 1, a sapphire single crystal having a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.1 kg was obtained.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して1500個(8.5個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that an average of 1500 (8.5 / cm 2 ) pits and particles exist per wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例5)
育成工程において、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を5.0℃/cmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 5)
In the growth step, the diameter was 153 mm, the total length was 200 mm, and the mass was 15.0 kg, except that the temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface was 5.0 ° C./cm. A sapphire single crystal was obtained.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して2000個(11.3個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of the wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that 2000 (11.3 / cm 2 ) pits and particles exist on average per wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例6)
育成工程において、固液界面近傍の成長軸方向の温度勾配を6.0℃/cmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 6)
In the growth step, the diameter is 153 mm, the total length is 200 mm, and the mass is 15.0 kg, except that the temperature gradient in the growth axis direction near the solid-liquid interface is 6.0 ° C./cm. A sapphire single crystal was obtained.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して800個(4.5個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that an average of 800 (4.5 / cm 2 ) pits and particles exist per wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例7)
育成工程において、サファイア単結晶の成長速度を0.8mm/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 7)
In the growth step, a sapphire single crystal having a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.0 kg was obtained in the same manner as in Example 1 except that the growth rate of the sapphire single crystal was 0.8 mm / hr. .

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して1100個(6.2個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that on average, 1100 (6.2 / cm 2 ) pits and particles exist per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(実施例8)
育成工程において、サファイア単結晶の成長速度を1.3mm/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Example 8)
In the growth step, a sapphire single crystal having a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.0 kg was obtained in the same manner as in Example 1 except that the growth rate of the sapphire single crystal was 1.3 mm / hr. .

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して3600個(20.4個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that 3600 (20.4 / cm 2 ) pits and particles exist on average per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(比較例1)
タングステン製の坩堝6に収納した原料が11.5kgであったこと、および、育成工程において、サファイア単結晶の成長速度を1.5℃/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.1kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 1)
Except that the raw material stored in the tungsten crucible 6 was 11.5 kg and that the growth rate of the sapphire single crystal was set to 1.5 ° C./hr in the growth step, the same as in Example 1. A sapphire single crystal having a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.1 kg was obtained.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して10000個(56.6個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that there are on average 10,000 (56.6 / cm 2 ) pits and particles per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(比較例2)
タングステン製の坩堝6に収納した原料が11.5kgであったこと、および、冷却工程において、冷却速度を35℃/hrとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.1kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 2)
The diameter was 153 mm and the total length was the same as in Example 1 except that the raw material stored in the tungsten crucible 6 was 11.5 kg and that the cooling rate was 35 ° C./hr in the cooling step. A sapphire single crystal having a mass of 200 mm and a mass of 15.1 kg.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して10000個(56.6個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that there are on average 10,000 (56.6 / cm 2 ) pits and particles per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(比較例3)
冷却工程において、炉内温度を1850℃まで降温するとともに、この温度で温度勾配の調整を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 3)
In the cooling step, the temperature in the furnace was lowered to 1850 ° C., and the temperature gradient was adjusted at this temperature, as in Example 1, with a diameter of 153 mm, a total length of 200 mm, and a mass of 15.0 kg. A sapphire single crystal was obtained.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して30000個(169.9個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that an average of 30,000 (169.9 / cm 2 ) pits and particles exist per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing impurities contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm of tungsten was detected.

(比較例4)
直径が155mm、深さが400mmのタングステンーモリブデン合金(質量比で、W:Mo=1:1)製の坩堝6内に、直径が150mm、高さが50mmで、質量が3.6kgのc軸サファイア単結晶の種結晶8を収納した後、その上部にサファイア顆粒原料とサファイア単結晶端材からなる原料9を合計で11.3kg収納したこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が195mm、質量が14.9kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 4)
In a crucible 6 made of a tungsten-molybdenum alloy (mass ratio, W: Mo = 1: 1) having a diameter of 155 mm and a depth of 400 mm, the diameter is 150 mm, the height is 50 mm, and the mass is 3.6 kg. In the same manner as in Example 1, except that the seed crystal 8 of the axial sapphire single crystal was accommodated and then a total of 11.3 kg of the raw material 9 composed of the sapphire granule raw material and the sapphire single crystal end material was accommodated in the upper part. Was 153 mm, the total length was 195 mm, and the mass was 14.9 kg.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して41000個(232.1個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。この結果を図3に示す。なお、図3において、着色部がピットおよびパーティクルを表す。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、3質量ppmのタングステンと10質量ppmのモリブデンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that an average of 41,000 (232.1 / cm 2 ) pits and particles exist per one wafer. confirmed. The result is shown in FIG. In FIG. 3, the colored portions represent pits and particles. Moreover, as a result of analyzing the impurity contained in this wafer using ICP-MS, 3 mass ppm tungsten and 10 mass ppm molybdenum were detected.

(比較例5)
直径が155mm、深さが400mmのタングステンーモリブデン合金(質量比で、W:Mo=7:3)製の坩堝6内に、直径が150mm、高さが50mmで、質量が3.6kgのc軸サファイア単結晶の種結晶8を収納した後、その上部にサファイア顆粒原料とサファイア単結晶端材からなる原料9を合計で11.3kg収納したこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が196mm、質量が14.9kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 5)
In a crucible 6 made of a tungsten-molybdenum alloy (mass ratio, W: Mo = 7: 3) having a diameter of 155 mm and a depth of 400 mm, the diameter is 150 mm, the height is 50 mm, and the mass is 3.6 kg. In the same manner as in Example 1, except that the seed crystal 8 of the axial sapphire single crystal was accommodated and then a total of 11.3 kg of the raw material 9 composed of the sapphire granule raw material and the sapphire single crystal end material was accommodated in the upper part. Was 153 mm, the total length was 196 mm, and the mass was 14.9 kg.

このサファイア単結晶を、外径が150mm、厚さが1mmのウェーハに加工した。このウェーハの表面を、ウェーハ表面検査装置を用いて観察した結果、このウェーハ1枚当たりには、平均して34000個(192.5個/cm2)のピットおよびパーティクルが存在していることが確認された。また、このウェーハに含まれる不純物をICP−MSを用いて分析した結果、1質量ppmのタングステンと6質量ppmのモリブデンが検出された。 This sapphire single crystal was processed into a wafer having an outer diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm. As a result of observing the surface of this wafer using a wafer surface inspection apparatus, it is found that 34,000 (192.5 / cm 2 ) pits and particles exist on average per one wafer. confirmed. Moreover, as a result of analyzing the impurity contained in this wafer using ICP-MS, 1 mass ppm tungsten and 6 mass ppm molybdenum were detected.

(比較例6)
冷却工程において、サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝底部からサファイア単結晶の上面に向って2.0℃/cmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、直径が153mm、全長が200mm、質量が15.0kgのサファイア単結晶を得た。
(Comparative Example 6)
In the cooling step, the diameter is 153 mm as in Example 1 except that the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is 2.0 ° C./cm from the bottom of the crucible toward the top surface of the sapphire single crystal. A sapphire single crystal having a total length of 200 mm and a mass of 15.0 kg was obtained.

このウェーハは、クラックが多数発生しており、ウェーハに加工することができなかった。このため、本比較例では、ウェーハの表面検査および不純物濃度の測定を行わなかった。
This wafer had many cracks and could not be processed into a wafer. For this reason, in this comparative example, the wafer surface inspection and the impurity concentration measurement were not performed.

1 サファイア単結晶育成装置(育成炉)
2 チャンバ
3 断熱材
4 筒状ヒータ
4a 上段ヒータ
4b 中段ヒータ
4c 下段ヒータ
5 ホットゾーン
6 坩堝
7 支持軸
8 種結晶
9 原料(原料融液)
1 Sapphire single crystal growth equipment (growing furnace)
2 Chamber 3 Heat insulating material 4 Cylindrical heater 4a Upper heater 4b Middle heater 4c Lower heater 5 Hot zone 6 Crucible 7 Support shaft 8 Seed crystal 9 Raw material (raw material melt)

Claims (4)

タングステン製の坩堝内に種結晶および原料を収納し、垂直温度勾配凝固法または垂直ブリッジマン法によって結晶育成を行うサファイア単結晶の製造方法であって、
炉内温度を2040℃〜2060℃の範囲の一定温度まで昇温した後、この温度において、固液界面を挟んで上下方向2cmの領域の成長軸方向の温度勾配が5.0℃/cm〜6.0℃/cmとなるように調整し、該温度勾配を維持したまま、成長速度を0.8mm/hr〜1.3mm/hrの範囲に制御しつつ、原料融液を結晶化させ、サファイア単結晶を得る育成工程と、
前記育成工程後に、炉内温度を1900℃〜2000℃の範囲の一定温度まで降温するとともに、前記サファイア単結晶の成長軸方向の温度勾配を、坩堝底部から該サファイア単結晶の上面に向って1.9℃/cm以下に調整し、該温度勾配を維持したまま、炉内温度を10℃/hr〜30℃/hrで降温し、サファイア単結晶を室温まで冷却する冷却工程と、
を備える、サファイア単結晶の製造方法。
A method for producing a sapphire single crystal in which a seed crystal and a raw material are stored in a crucible made of tungsten, and crystal growth is performed by a vertical temperature gradient solidification method or a vertical Bridgman method,
After raising the furnace temperature to a constant temperature in the range of 2040 ° C. to 2060 ° C., at this temperature, the temperature gradient in the growth axis direction in the region of 2 cm in the vertical direction across the solid-liquid interface is 5.0 ° C./cm While adjusting the temperature to 6.0 ° C./cm and maintaining the temperature gradient, the raw material melt is crystallized while controlling the growth rate within the range of 0.8 mm / hr to 1.3 mm / hr, A growth process for obtaining a sapphire single crystal;
After the growth step, the temperature in the furnace is lowered to a constant temperature in the range of 1900 ° C. to 2000 ° C., and the temperature gradient in the growth axis direction of the sapphire single crystal is 1 from the bottom of the crucible toward the upper surface of the sapphire single crystal. A cooling step of adjusting the temperature to 9 ° C./cm or less and lowering the furnace temperature at 10 ° C./hr to 30 ° C./hr while maintaining the temperature gradient, and cooling the sapphire single crystal to room temperature;
A method for producing a sapphire single crystal.
前記冷却工程において、3時間以上かけて、前記炉内温度を降温するとともに、前記温度勾配を調整する、請求項1に記載のサファイア単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the sapphire single crystal of Claim 1 which adjusts the said temperature gradient while lowering | hanging the said furnace temperature over 3 hours or more in the said cooling process. 請求項1または2に記載の製造方法によって得られ、不純物濃度が5質量ppm以下である、サファイア単結晶。   A sapphire single crystal obtained by the production method according to claim 1 or 2 and having an impurity concentration of 5 mass ppm or less. 円盤状に加工した場合において、その表面に存在するピットおよびパーティクルの単位面積当たりの個数が30個/cm2以下である、請求項3に記載のサファイア単結晶。 The sapphire single crystal according to claim 3, wherein the number of pits and particles per unit area existing on the surface is 30 pieces / cm 2 or less when processed into a disk shape.
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