JP2016132599A - Sapphire single crystal production device and sapphire single crystal production method - Google Patents

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富男 梶ヶ谷
Tomio Kajigaya
富男 梶ヶ谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sapphire single crystal production device capable of preventing crack generation at cooling time to ambient temperature, after growing a single crystal by a temperature gradient coagulation method.SOLUTION: In the sapphire single crystal production method for growing the single crystal by setting a single crystal 44 at a bottom side in a crucible 41, melting a raw material 45 under temperature gradient of rising temperature from a bottom to a top of the crucible 41, and solidifying the raw material melt, from a single crystal 44 side, includes: the crucible 41 having a side wall 411 of a taper form with an inner diameter getting larger from the bottom to the top; a growing crystal support section 421 for supporting a growing crystal 46 in the crucible 41; a growing crystal transfer mechanism 42 connected to the growing crystal support section 421, including a crystal transfer axis 422 which vertically moves the growing crystal support section 421 in the crucible 41. A bottom opening 412A is provided in the bottom section 412 of the crucible 41, and the crystal transfer axis 422 passes through the bottom opening 412A, with at least a part of that housed in the crucible 41 in the sapphire single crystal production device.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、サファイア単結晶製造装置、及びサファイア単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a sapphire single crystal manufacturing apparatus and a sapphire single crystal manufacturing method.

サファイア単結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的および熱的特性、化学的安定性、光透過性を有することから、多くの分野で利用されている。サファイア単結晶は、特に、半導体分野において、窒化ガリウム(GaN)系発光ダイオードの発光層を成長させるための基板として、あるいは、シリコン・オン・サファイア(SOS)デバイス用の基板などに用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じて、その需要が飛躍的に伸びてきている。   A sapphire single crystal is a crystal having a corundum structure of aluminum oxide, and has excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and light transmittance, and thus is used in many fields. The sapphire single crystal is used as a substrate for growing a light emitting layer of a gallium nitride (GaN) light emitting diode or a substrate for a silicon-on-sapphire (SOS) device, particularly in the semiconductor field. As the importance of these applications increases, the demand for them has increased dramatically.

サファイア単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法(Cz法)やカイロポーラス法(KY法)、EFG法(edge−defined film−fed growth 法)などが知られている。これらの方法は、サファイア原料を坩堝内で融解し、その原料融液表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げることにより単結晶を育成する方法である。   As a method for producing a sapphire single crystal, the Czochralski method (Cz method), the Cairo porous method (KY method), the EFG method (edge-defined film-fed growth method) and the like are known. These methods are methods for growing a single crystal by melting a sapphire raw material in a crucible, bringing a seed crystal into contact with the surface of the raw material melt and gradually pulling it up.

また、その他のサファイア単結晶の製造方法として、ブリッジマン法やグラディエントフリーズ法(GF法)が知られている。これらの方法は、予め坩堝内に原料とともに種結晶を設置し、種結晶部が最も温度が低くなるように形成した温度勾配下で、種結晶を起点として原料融液を一方向凝固させることで単結晶を得る方法である。ブリッジマン法やGF法の中で、種結晶を坩堝底部に設置し、坩堝底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配下で、坩堝底部の種結晶から上方に向かって結晶育成を行う場合は、特に、垂直ブリッジマン法(VB法)、垂直GF法(VGF法)と呼ばれている。   As other sapphire single crystal manufacturing methods, the Bridgman method and the gradient freeze method (GF method) are known. In these methods, a seed crystal is previously placed in a crucible together with the raw material, and the raw material melt is unidirectionally solidified starting from the seed crystal under a temperature gradient formed so that the temperature of the seed crystal portion is lowest. This is a method for obtaining a single crystal. In the Bridgman method or the GF method, when a seed crystal is installed at the bottom of the crucible and crystal growth is performed upward from the seed crystal at the bottom of the crucible under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible Are called the vertical Bridgman method (VB method) and the vertical GF method (VGF method).

なお、これらの方法で育成されたサファイア単結晶は、所定の結晶方位で基板状に加工され、表面を鏡面研磨することによりサファイア単結晶基板として出荷されている。   In addition, the sapphire single crystal grown by these methods is processed into a substrate shape with a predetermined crystal orientation, and the surface is mirror-polished and shipped as a sapphire single crystal substrate.

近年、需要が伸びている発光ダイオード作製用途のサファイア基板は、Cz法、KY法、EFG法で育成されることが一般的である。これらの方法では、種結晶を原料融液に浸す温度(シーディング温度)の制御と育成中及び冷却中の温度勾配の適正化が、結晶育成の収率、再現性を決定する要因である。   In recent years, a sapphire substrate for light-emitting diode production whose demand has been increasing is generally grown by the Cz method, the KY method, and the EFG method. In these methods, control of the temperature at which the seed crystal is immersed in the raw material melt (seeding temperature) and optimization of the temperature gradient during growth and cooling are factors that determine the yield and reproducibility of crystal growth.

しかし、サファイア単結晶の原料となる酸化アルミニウムの融点が2000℃を越えるので、Cz法等によりサファイア単結晶を育成する際、坩堝を設置した炉内の熱の伝達は輻射が主体となっている。従って、低コスト化のために育成結晶を大型化するに伴って、所望の形状の結晶を得るためのシーディング温度の制御や温度勾配の適正化の難易度が高くなる。結晶育成の制御性、再現性を高めるためには、温度勾配を大きくすることが有利であるが、高温度勾配下で育成された結晶は、結晶内の温度差に起因する熱応力で歪を生じ、結晶性が悪化したり、クラックが発生するという欠点がある。   However, since the melting point of aluminum oxide, which is a raw material for the sapphire single crystal, exceeds 2000 ° C., when the sapphire single crystal is grown by the Cz method or the like, the heat transfer in the furnace in which the crucible is installed is mainly radiation. . Therefore, as the growth crystal is enlarged for cost reduction, the difficulty of controlling the seeding temperature and obtaining the appropriate temperature gradient for obtaining a crystal having a desired shape increases. In order to improve the controllability and reproducibility of crystal growth, it is advantageous to increase the temperature gradient, but crystals grown under a high temperature gradient are strained by thermal stress caused by temperature differences within the crystal. This is disadvantageous in that crystallinity is deteriorated and cracks are generated.

それに対して、VB法やVGF法のような容器内(坩堝内)の一部に種結晶を設置し、その種結晶から容器の形状に従って原料融液を固化させることで単結晶育成を行う方法は、結晶形状が容器形状で規定され、結晶形状の制御が不要となる。このため、低温度勾配下での育成が可能で、高品質結晶を得ることが可能である。   On the other hand, a method of growing a single crystal by setting a seed crystal in a part of a container (in a crucible) like the VB method or VGF method and solidifying the raw material melt from the seed crystal according to the shape of the container. Since the crystal shape is defined by the container shape, it is not necessary to control the crystal shape. For this reason, it is possible to grow under a low temperature gradient and to obtain a high quality crystal.

例えば特許文献1には、融点1700℃以上の金属又は金属化合物からなる高融点単結晶材料の製造方法において、溶融原料が封入された坩堝を温度勾配を有する炉内を移動させて単結晶を育成するブリッジマン法を用いて単結晶を製造する方法が開示されている。   For example, in Patent Document 1, in a method for producing a high melting point single crystal material made of a metal or a metal compound having a melting point of 1700 ° C. or higher, a single crystal is grown by moving a crucible filled with a molten raw material through a furnace having a temperature gradient. A method of manufacturing a single crystal using the Bridgman method is disclosed.

ところで、前記のようなVB法、あるいはVGF法によって容器内で容器の内壁形状に沿った形状で育成されたサファイア単結晶においては、クラック発生率が高いことが問題となっている。これは、主にサファイア単結晶と坩堝材の熱膨張係数の違いに起因していると考えられる。つまり、サファイア単結晶の熱膨張係数よりも坩堝に用いている金属部材の熱膨張係数の方が大きい場合は、育成終了後に室温まで冷却する過程において、サファイア単結晶の収縮率よりも、その周囲にある坩堝の収縮率の方が大きくなるために、温度降下に伴って、育成結晶に圧縮応力が加わる。この圧縮応力が育成結晶にクラックを発生させる原因となっている。   By the way, in the sapphire single crystal grown in the shape along the inner wall shape of the container in the container by the VB method or the VGF method as described above, there is a problem that the crack generation rate is high. This is presumably due to the difference in thermal expansion coefficient between the sapphire single crystal and the crucible material. That is, when the thermal expansion coefficient of the metal member used in the crucible is larger than the thermal expansion coefficient of the sapphire single crystal, in the process of cooling to room temperature after completion of the growth, the surrounding area rather than the contraction rate of the sapphire single crystal Therefore, the shrinkage rate of the crucible in (1) becomes larger, so that compressive stress is applied to the grown crystal as the temperature drops. This compressive stress causes cracks in the grown crystal.

そこで、例えば特許文献2には、ルツボに、サファイア融点と常温との2点間における線膨張係数が、製造されるサファイア単結晶の成長軸に垂直な方向のサファイア融点と常温との2点間における線膨張係数よりも小さい材料からなるルツボを用いるサファイア単結晶の製造方法が開示されている。具体的なルツボ材料としては、タングステン、モリブデン、タングステンとモリブデンの合金が開示されている。   Therefore, for example, in Patent Document 2, the crucible has a linear expansion coefficient between two points of the sapphire melting point and room temperature between the sapphire melting point and the room temperature in the direction perpendicular to the growth axis of the produced sapphire single crystal. Discloses a method for producing a sapphire single crystal using a crucible made of a material smaller than the linear expansion coefficient. As specific crucible materials, tungsten, molybdenum, and alloys of tungsten and molybdenum are disclosed.

特開2007−119297号公報JP 2007-119297 A 特開2011−042560号公報JP 2011-042560 A

しかしながら、特許文献2に開示された方法を用いてもクラックを完全に抑制することは困難であった。特に育成するサファイア単結晶のサイズが大型化するに従ってクラック発生率が高くなっており、例えば6インチφのサファイア単結晶を育成する場合は、ほぼ100%の確率でクラックが発生していた。   However, even if the method disclosed in Patent Document 2 is used, it has been difficult to completely suppress cracks. In particular, the crack generation rate increases as the size of the sapphire single crystal to be grown increases. For example, when a 6-inch φ sapphire single crystal is grown, cracks are generated with a probability of almost 100%.

これは、冷却開始からの同一経過時間で比較した場合、育成結晶の直径が大きくなるに従って、坩堝の内側に存在する結晶の中心部温度よりも、結晶の外周部に存在する坩堝の温度の方がより低くなり、冷却時の半径方向の温度差が大きくなる。このため、冷却開始からの同一経過時間で比較した場合、坩堝の方が結晶よりも収縮率が大きくなり、坩堝により結晶に応力が加えられることに起因すると考えられる。   This is because, when compared with the same elapsed time from the start of cooling, as the diameter of the grown crystal increases, the temperature of the crucible existing at the outer periphery of the crystal is higher than the temperature at the center of the crystal existing inside the crucible. Becomes lower, and the temperature difference in the radial direction during cooling increases. For this reason, when compared with the same elapsed time from the start of cooling, it is considered that the crucible has a larger shrinkage rate than the crystal and stress is applied to the crystal by the crucible.

そこで、本発明の一側面では、上記従来技術が有する問題に鑑み、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置を提供することを目的とする。   Accordingly, in one aspect of the present invention, in view of the problems of the above-described conventional technology, a seed crystal is installed on the bottom side in the crucible, and the seed crystal is subjected to a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. It aims at providing the sapphire single crystal manufacturing apparatus which can suppress generation | occurrence | production of a crack when growing a sapphire single crystal by solidifying a raw material melt.

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置であって、
底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝と、
前記坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構と、を備え、
前記坩堝の底部には底部開口部が設けられており、前記結晶移動軸は前記底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容されるサファイア単結晶製造装置を提供することができる。
In order to solve the above-described problem, according to one aspect of the present invention, a seed crystal is installed on the bottom side in the crucible, and under the temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible, A sapphire single crystal manufacturing apparatus for growing a single crystal by solidifying a raw material melt,
A crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top;
A growth crystal support portion for supporting a growth crystal in the crucible, and a growth crystal movement mechanism including a crystal movement axis connected to the growth crystal support portion and capable of moving the growth crystal support portion vertically in the crucible. Prepared,
It is possible to provide a sapphire single crystal manufacturing apparatus in which a bottom opening is provided at the bottom of the crucible, the crystal moving axis passes through the bottom opening, and at least a part of the crystal moving shaft is accommodated in the crucible.

本発明の一態様によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置を提供することができる。   According to one aspect of the present invention, the seed crystal is installed on the bottom side in the crucible, and the raw material melt is solidified from the seed crystal under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. It is possible to provide a sapphire single crystal manufacturing apparatus capable of suppressing the generation of cracks when growing a sapphire single crystal.

VGF法によりサファイア単結晶を製造する場合のサファイア単結晶製造装置の構成例。The structural example of the sapphire single crystal manufacturing apparatus in the case of manufacturing a sapphire single crystal by VGF method. VGF法によりサファイア単結晶を製造する場合の手順、及び温度分布変化の説明図。Explanatory drawing of the procedure in the case of manufacturing a sapphire single crystal by VGF method, and a temperature distribution change. VGF法によりサファイア単結晶を育成、冷却する際の熱の流れの説明図。Explanatory drawing of the heat flow at the time of growing and cooling a sapphire single crystal by VGF method. 本発明の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置の構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Structure explanatory drawing of the sapphire single-crystal manufacturing apparatus in embodiment of this invention. 坩堝の側壁のテーパー角度の説明図。Explanatory drawing of the taper angle of the side wall of a crucible.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
(サファイア単結晶製造装置)
本実施形態のサファイア単結晶製造装置の一構成例について説明する。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and the following embodiments are not departed from the scope of the present invention. Various modifications and substitutions can be made.
(Sapphire single crystal manufacturing equipment)
One structural example of the sapphire single crystal manufacturing apparatus of this embodiment is demonstrated.

本実施形態のサファイア単結晶製造装置は坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置に関し、以下の構成を有することができる。   The sapphire single crystal manufacturing apparatus of this embodiment sets a seed crystal on the bottom side in the crucible, and solidifies the raw material melt from the seed crystal side under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. Thus, the sapphire single crystal manufacturing apparatus that performs single crystal growth can have the following configuration.

底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝。
坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び育成結晶支持部と接続され育成結晶支持部を坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構。
そして、坩堝の底部には底部開口部が設けられており、結晶移動軸は底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容された構成とすることができる。
A crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top.
A growth crystal moving mechanism including a growth crystal support portion that supports a growth crystal in the crucible, and a crystal movement axis that is connected to the growth crystal support portion and can move the growth crystal support portion vertically in the crucible.
And the bottom opening part is provided in the bottom part of the crucible, A crystal moving axis | shaft can be set as the structure accommodated in the said crucible through the bottom part opening part.

上述のように本実施形態のサファイア単結晶製造装置は、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置に関する。具体的には例えばVB法やVGF法によりサファイア単結晶を製造する際に好適に用いることができるサファイア単結晶製造装置に関する。   As described above, the sapphire single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment has the seed crystal installed on the bottom side in the crucible, and the raw material from the seed crystal side under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. The present invention relates to a sapphire single crystal manufacturing apparatus for growing a single crystal by solidifying a melt. Specifically, for example, the present invention relates to a sapphire single crystal manufacturing apparatus that can be suitably used when manufacturing a sapphire single crystal by a VB method or a VGF method.

ここでまず、VGF法によりサファイア単結晶を製造する場合の、従来のサファイア単結晶製造装置の構成例、及びサファイア単結晶の製造手順について図1、図2を用いて説明する。   First, a configuration example of a conventional sapphire single crystal manufacturing apparatus and a sapphire single crystal manufacturing procedure when manufacturing a sapphire single crystal by the VGF method will be described with reference to FIGS.

従来、VGF法によりサファイア単結晶を製造する場合、図1に示すような構成を有するサファイア単結晶製造装置10が用いられていた。図1はサファイア単結晶製造装置の坩堝の中心軸を通る面における断面構成図を示している。   Conventionally, when manufacturing a sapphire single crystal by the VGF method, a sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 having a configuration as shown in FIG. 1 has been used. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration diagram in a plane passing through the central axis of a crucible of a sapphire single crystal manufacturing apparatus.

サファイア単結晶製造装置10はチャンバー11の内壁に沿って断熱材12が設けられている。そして、断熱材12に囲まれた内部空間にはヒーター13、及びヒーター13に囲まれるようにして坩堝14が設けられている。坩堝14は坩堝軸15により底部側から支持することができる。坩堝14内にはサファイア単結晶の製造開始時、坩堝14の底部側に種結晶141を配置し、種結晶141の上部に原料を充填しておくことができる。   The sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 is provided with a heat insulating material 12 along the inner wall of the chamber 11. In the internal space surrounded by the heat insulating material 12, a heater 13 and a crucible 14 are provided so as to be surrounded by the heater 13. The crucible 14 can be supported from the bottom side by the crucible shaft 15. In the crucible 14, when the production of the sapphire single crystal is started, the seed crystal 141 can be disposed on the bottom side of the crucible 14 and the seed crystal 141 can be filled with a raw material.

坩堝14の材質は、サファイアの融点2050℃を越える温度でも安定で、且つ、原料融液と反応しない材料であることが好ましい。このため、坩堝14の材質として例えばイリジウム(Ir)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、モリブデンータングステン合金(Mo−W合金)等を用いることができる。特に、Mo、W、Mo−W合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。   The material of the crucible 14 is preferably a material which is stable even at a temperature exceeding the melting point of sapphire of 2050 ° C. and does not react with the raw material melt. Therefore, for example, iridium (Ir), molybdenum (Mo), tungsten (W), molybdenum-tungsten alloy (Mo—W alloy) or the like can be used as the material of the crucible 14. In particular, a material having a linear expansion coefficient close to that of the sapphire single crystal or smaller than that of the sapphire single crystal, such as Mo, W, and Mo—W alloy, can be preferably used.

ヒーター13と断熱材12の材質については特に限定されないが、例えばタングステン製ヒーターと、タングステン製及びモリブデン製のリフレクタとの構成とすることができる。また、カーボン製ヒーターと、カーボン製積層断熱材との構成とすることもできる。   Although the material of the heater 13 and the heat insulating material 12 is not specifically limited, For example, it can be set as the structure of the heater made from tungsten, and the reflectors made from tungsten and molybdenum. Moreover, it can also be set as the structure of a carbon heater and a carbon laminated heat insulating material.

ヒーター13は坩堝14を配置した該ヒーター13で囲まれた領域内に所望の温度勾配を形成することができるように、例えば高さ方向に複数のヒーターを組み合わせた構成とし、各ヒータ―毎に温度制御するように構成することもできる。   The heater 13 has a structure in which, for example, a plurality of heaters are combined in the height direction so that a desired temperature gradient can be formed in a region surrounded by the heater 13 in which the crucible 14 is disposed. It can also be configured to control the temperature.

そして、サファイア単結晶を育成する際に種結晶141の温度を測定するため、底部側温度測定手段16を設けることができる。底部側温度測定手段16としては例えば放射温度計や熱電対を用いることができ、坩堝軸15を貫通するように形成した貫通孔や、観察窓151を介して温度を測定することができる。また、坩堝14内に充填した原料、または原料が融解した原料融液142の温度を測定するため、上部側温度測定手段17を設けることができる。上部側温度測定手段17としては例えば放射温度計を用いることができ、チャンバー11や断熱材12を貫通する貫通孔、及び観察窓18を介して温度を測定することができる。   And in order to measure the temperature of the seed crystal 141 when growing a sapphire single crystal, the bottom side temperature measuring means 16 can be provided. As the bottom side temperature measuring means 16, for example, a radiation thermometer or a thermocouple can be used, and the temperature can be measured through a through hole formed so as to penetrate the crucible shaft 15 or an observation window 151. Further, in order to measure the temperature of the raw material filled in the crucible 14 or the raw material melt 142 in which the raw material is melted, an upper side temperature measuring means 17 can be provided. As the upper temperature measuring means 17, for example, a radiation thermometer can be used, and the temperature can be measured through a through-hole penetrating the chamber 11 and the heat insulating material 12 and the observation window 18.

なお、チャンバー11内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることができる。必要に応じて任意にさらに各種手段を設けることもできる。   In addition, in order to make the inside of the chamber 11 into a predetermined atmosphere, a gas supply means, a gas exhaust means, etc. which are not shown in figure can be provided. Various means can be optionally provided as required.

そして、図1に示したサファイア単結晶製造装置を用いてVGF法によりサファイア単結晶を製造する際、サファイア単結晶を育成する単結晶育成工程における手順、及び温度分布の変化について図2(a)〜図2(c)を用いて説明する。図2(a)〜図2(c)の各図では右側に坩堝14内の種結晶141、原料融液142、育成したサファイア単結晶21の分布を模式的に示しており、左側に坩堝14内の高さ方向の温度分布を示している。なお、図2(a)〜図2(c)においては坩堝14、及びヒーター13以外の構成については記載を省略している。図2(a)〜図2(c)の左側に示した温度分布のグラフは縦軸が坩堝14の高さ方向の位置を、横軸が温度を示している。横軸におけるTmはサファイア(酸化アルミニウム)の融点を示している。   Then, when a sapphire single crystal is manufactured by the VGF method using the sapphire single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, a procedure in a single crystal growth process for growing the sapphire single crystal and a change in temperature distribution are shown in FIG. This will be described with reference to FIG. 2A to 2C, the distribution of the seed crystal 141, the raw material melt 142, and the grown sapphire single crystal 21 in the crucible 14 is schematically shown on the right side, and the crucible 14 is shown on the left side. The temperature distribution in the height direction is shown. In addition, in FIG. 2 (a)-FIG.2 (c), description is abbreviate | omitted about structures other than the crucible 14 and the heater 13. FIG. In the graphs of the temperature distribution shown on the left side of FIGS. 2A to 2C, the vertical axis indicates the position in the height direction of the crucible 14, and the horizontal axis indicates the temperature. Tm on the horizontal axis indicates the melting point of sapphire (aluminum oxide).

図2(a)は右側の図に示すように坩堝14に充填した原料を融解させ、サファイア単結晶の育成を開始した原料融解ステップを実施している状態を示している。   FIG. 2A shows a state in which the raw material melting step is started in which the raw material filled in the crucible 14 is melted and the growth of the sapphire single crystal is started as shown in the diagram on the right side.

単結晶育成工程を開始する前に予め、坩堝14の底部に種結晶141を設置し、その上部に原料を配置しておくことができる。そして、図2(a)に示した原料融解ステップにおいては坩堝14の底部が坩堝14の上部よりも低温となる温度勾配下で昇温し、原料を全量融解して原料融液142とすることができる。特に左側の図に示すように、種結晶141の部分についてはサファイアの融点以下、原料融液142の部分についてはサファイアの融点以上となるように温度分布を制御することができる。   Before starting the single crystal growing step, the seed crystal 141 can be installed in the bottom of the crucible 14 and the raw material can be placed on the top thereof. In the raw material melting step shown in FIG. 2A, the temperature of the bottom portion of the crucible 14 is raised under a temperature gradient that is lower than the upper portion of the crucible 14, and the entire raw material is melted to form the raw material melt 142. Can do. In particular, as shown in the diagram on the left side, the temperature distribution can be controlled so that the portion of the seed crystal 141 is equal to or lower than the melting point of sapphire and the portion of the raw material melt 142 is equal to or higher than the melting point of sapphire.

図2(a)の原料融解ステップでは、種結晶141の形状加工時に発生し表面に残った加工歪層を取り除くために、種結晶141の上表面部数mmから1cm程度の範囲で融解させることができる。種結晶の上表面部を融解させることにより、歪が取り除かれた種結晶141表面が原料融液142と良く馴染むようにすることができる。   In the raw material melting step of FIG. 2A, the seed crystal 141 is melted in the range of several mm to 1 cm on the upper surface portion of the seed crystal 141 in order to remove the processing strain layer generated during the shape processing of the seed crystal 141 and remaining on the surface. it can. By melting the upper surface portion of the seed crystal, the surface of the seed crystal 141 from which the strain is removed can be made to be well adapted to the raw material melt 142.

そして、図2(a)に示した温度分布の状態まで昇温した後、十分な時間を置き、温度を安定させることが好ましい。この時、種結晶141の融解表面と原料融液142との境界(固液界面)をサファイアの融点である2050℃とすることができる。   And after raising the temperature to the state of the temperature distribution shown in FIG. 2A, it is preferable to allow sufficient time to stabilize the temperature. At this time, the boundary (solid-liquid interface) between the melting surface of the seed crystal 141 and the raw material melt 142 can be set to 2050 ° C., which is the melting point of sapphire.

なお、図2(a)に示した原料融解ステップにおいて、原料、及び種結晶141の融解不足、あるいは、種結晶141の過融解が起こらないように温度を制御することが好ましい。制御は例えば、図1に示したサファイア単結晶製造装置10で説明したように、底部側温度測定手段16、及び上部側温度測定手段17により、坩堝14の底部側の温度、及び原料融液142表面の温度をモニターし、モニターした温度に基づいて実施できる。この際、モニターした温度から坩堝内温度分布が、予備試験で求めた適切な温度プロファイルと一致していることを確認しながら制御を実施することが好ましい。   In the raw material melting step shown in FIG. 2A, it is preferable to control the temperature so that the raw material and the seed crystal 141 are not sufficiently melted or the seed crystal 141 is not excessively melted. For example, as explained in the sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1, the bottom side temperature measuring means 16 and the top side temperature measuring means 17 are used to control the temperature on the bottom side of the crucible 14 and the raw material melt 142. The temperature of the surface can be monitored and implemented based on the monitored temperature. At this time, it is preferable to perform the control while confirming that the temperature distribution in the crucible matches the appropriate temperature profile obtained in the preliminary test from the monitored temperature.

チャンバー11内の雰囲気は、チャンバー内に設置した部材の材質等に応じて任意に選定することができ、特に限定されるものではない。例えば、不活性ガス雰囲気、もしくは真空雰囲気とすることが好ましい。   The atmosphere in the chamber 11 can be arbitrarily selected according to the material of the member installed in the chamber, and is not particularly limited. For example, an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere is preferable.

図2(a)を用いて説明したように原料が完全に融解し、且つ、種結晶141の上表面が融解し原料融液142と馴染んだと判断した後、降温ステップを実施することができる。   As described with reference to FIG. 2A, the temperature lowering step can be performed after determining that the raw material is completely melted and that the upper surface of the seed crystal 141 is melted and has become familiar with the raw material melt 142. .

図2(b)に示すように降温ステップでは、上下方向の温度勾配を保持したまま、所定の速度で全体の温度を降下させることができる。   As shown in FIG. 2B, in the temperature lowering step, the entire temperature can be lowered at a predetermined speed while maintaining the temperature gradient in the vertical direction.

具体的には、図2(b)の左側のグラフに示したように、原料融解ステップでは温度分布が点線Aで示されていたところ、実線Bの温度分布となるように温度勾配を保持したまま、全体の温度を降下させることができる。図2(b)の左側のグラフから明らかなように、温度勾配を保持したまま全体の温度を降下させることによって、温度勾配に従って、坩堝内におけるサファイアの融点と同じ温度になっている位置が上部へ移動する。その移動に伴って、固液界面も上部へ移動して行く。つまり、種結晶を元に、種結晶と同じ結晶方位を持つサファイア単結晶が坩堝底部から上部に向かって育成され、図2(b)の右側の図に示したように、坩堝14内には底部側から種結晶141、育成結晶21、原料融液142が配置された状態となる。   Specifically, as shown in the graph on the left side of FIG. 2B, the temperature distribution was indicated by the dotted line A in the raw material melting step, and the temperature gradient was maintained so as to be the temperature distribution of the solid line B. The overall temperature can be lowered. As is clear from the graph on the left side of FIG. 2B, by lowering the overall temperature while maintaining the temperature gradient, the position where the temperature is the same as the melting point of sapphire in the crucible according to the temperature gradient is Move to. Along with this movement, the solid-liquid interface also moves upward. That is, based on the seed crystal, a sapphire single crystal having the same crystal orientation as the seed crystal is grown from the bottom of the crucible toward the top, and as shown in the right side of FIG. The seed crystal 141, the grown crystal 21, and the raw material melt 142 are arranged from the bottom side.

降温ステップでは、原料融解ステップにおける温度分布を示す点線Aから上述のように実線Bの温度分布となるように全体の温度を降下させた後、さらに、図2(c)の左側のグラフに示すように、実線Cで示した温度分布まで全体の温度を降下させることができる。実線Cで示した温度分布では、坩堝14内の原料融液142全体がサファイアの融点未満となっており、図2(a)において原料融液142であった部分全体が育成結晶21となり結晶化したところで結晶育成は終了となる。   In the temperature lowering step, after the entire temperature is lowered from the dotted line A indicating the temperature distribution in the raw material melting step to the temperature distribution of the solid line B as described above, it is further shown in the graph on the left side of FIG. Thus, the entire temperature can be lowered to the temperature distribution indicated by the solid line C. In the temperature distribution indicated by the solid line C, the entire raw material melt 142 in the crucible 14 is less than the melting point of sapphire, and the entire portion that was the raw material melt 142 in FIG. At this point, the crystal growth is finished.

その後、所定の冷却速度で室温まで温度を降下させる冷却工程を実施し、坩堝14から育成結晶21を取出しサファイア単結晶とすることができる。得られたサファイア単結晶は例えば製品基板とするため各種加工をすることができる。   Thereafter, a cooling step of lowering the temperature to room temperature at a predetermined cooling rate is performed, and the grown crystal 21 can be taken out from the crucible 14 to be a sapphire single crystal. The obtained sapphire single crystal can be processed in various ways to form a product substrate, for example.

しかし、既述のようにVGF法等によりサファイア単結晶を製造した場合、得られるサファイア単結晶がクラック等を含む場合があった。そこで、本発明の発明者らは、従来のサファイア単結晶の製造装置でサファイア単結晶にクラック等が生じる具体的なメカニズムについて検討を行った。この点について以下に説明する。   However, as described above, when a sapphire single crystal is manufactured by the VGF method or the like, the obtained sapphire single crystal sometimes includes a crack or the like. Therefore, the inventors of the present invention have studied a specific mechanism in which a crack or the like occurs in a sapphire single crystal using a conventional sapphire single crystal manufacturing apparatus. This will be described below.

図3(a)は坩堝14内に種結晶141、及び原料を充填後、ヒーター13により坩堝14の外周部から加熱して原料を融解して原料融液142とした後、全体的に温度を降下させて原料融液142の一部を育成結晶21とした際の状態を示している。図中の矢印は熱の流れを示している。また、図3(a)、(b)は坩堝14及びヒーター13の周辺のみを拡大して示した図であり、断熱材等周囲の部材については記載を省略している。   In FIG. 3A, after the seed crystal 141 and the raw material are filled in the crucible 14, the heater 13 is heated from the outer periphery of the crucible 14 to melt the raw material to obtain the raw material melt 142. A state is shown in which a part of the raw material melt 142 is used as the grown crystal 21 by being lowered. The arrows in the figure indicate the heat flow. 3 (a) and 3 (b) are enlarged views showing only the periphery of the crucible 14 and the heater 13, and the description of the surrounding members such as a heat insulating material is omitted.

図3(a)に示すように、坩堝14の外周部に設置されたヒーター13によって、坩堝14を通して坩堝14内部の種結晶141、原料融液142、育成結晶21を加熱している。このため、坩堝14及び育成結晶21の温度を例えば図中点線X1−X1´に沿って水平方向で比較すると、坩堝14の方が高くなっている。なお、図3(a)中矢印で示したようにヒーター13により原料融液142等に加えられた熱は種結晶141を通って、坩堝軸15の方へ流れることになる。   As shown in FIG. 3A, the seed crystal 141, the raw material melt 142, and the grown crystal 21 inside the crucible 14 are heated through the crucible 14 by the heater 13 installed on the outer periphery of the crucible 14. For this reason, when the temperatures of the crucible 14 and the grown crystal 21 are compared in the horizontal direction along the dotted line X1-X1 ′ in the figure, for example, the crucible 14 is higher. 3A, the heat applied to the raw material melt 142 and the like by the heater 13 flows through the seed crystal 141 toward the crucible shaft 15.

そして、坩堝14の外壁のうち、サファイアの融点である2050℃よりも高温となった部分の水平方向内部に、育成中の結晶の成長界面Yは存在している。また、育成結晶21の直径は、坩堝14の内径で決まる。このため、まず坩堝14はサファイアの融点よりも高温に曝され、その温度で決まる膨張率に応じて坩堝14の内径が拡大されている。そして、育成結晶21は、該拡大した坩堝14の内径により直径が規定されて成長している。   In the outer wall of the crucible 14, the growing interface Y of the crystal being grown exists in the horizontal direction inside the portion that is higher than the melting point of sapphire, 2050 ° C. The diameter of the grown crystal 21 is determined by the inner diameter of the crucible 14. For this reason, the crucible 14 is first exposed to a temperature higher than the melting point of sapphire, and the inner diameter of the crucible 14 is expanded according to the expansion coefficient determined by the temperature. The grown crystal 21 is grown with the diameter defined by the enlarged inner diameter of the crucible 14.

育成中の結晶は、結晶内の温度差に起因する熱歪によって発生するクラックや転位、リネージ等の結晶欠陥の発生を抑制するために、結晶内の温度差を可能な範囲で小さくするように設定した温度勾配下に存在している。そして、結晶育成を進行させるため、原料融液を生成後、温度勾配を保ちつつ全体として温度を降下させるが、この際の降温速度は、急成長による結晶性の悪化を回避するために非常に低速である。   In order to suppress the occurrence of crystal defects such as cracks, dislocations, and lineage caused by thermal strain due to temperature differences in the crystal during growth, the temperature difference in the crystal should be made as small as possible. It exists under the set temperature gradient. And in order to advance crystal growth, after producing the raw material melt, the temperature is lowered as a whole while maintaining the temperature gradient, but the temperature lowering rate at this time is extremely low in order to avoid deterioration of crystallinity due to rapid growth. Slow.

具体的には例えば、サファイア単結晶の単結晶育成工程における縦方向、すなわち坩堝14の高さ方向の温度勾配は10℃/cm程度以下で実施される。また、成長界面の前進速度(結晶成長速度)は結晶性悪化を抑制するために3mm/h〜5mm/h程度以下で実施される。このため、先の温度勾配を保ちつつ全体として温度を降温させる際の降温速度は、1時間当たり数℃程度である。   Specifically, for example, the temperature gradient in the vertical direction in the single crystal growth step of the sapphire single crystal, that is, the height direction of the crucible 14 is performed at about 10 ° C./cm or less. Further, the forward speed (crystal growth speed) at the growth interface is set to about 3 mm / h to 5 mm / h or less in order to suppress deterioration of crystallinity. For this reason, the temperature lowering speed when the temperature is lowered as a whole while maintaining the above temperature gradient is about several degrees C per hour.

また、坩堝14の材質としては既述のように例えば、Mo、W、Mo−W合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。従って、結晶育成が進行している時は、低温度勾配下で且つ低降温速度であるために、既に結晶化した部分とその周囲にある坩堝の収縮率の差に起因する結晶への圧縮応力は非常に小さいか、もしくは0と考えられる。   Further, as described above, as the material of the crucible 14, for example, a material having a linear expansion coefficient close to or smaller than that of a sapphire single crystal, such as Mo, W, or Mo—W alloy, is preferably used. Can do. Therefore, when the crystal growth is in progress, because of the low temperature gradient and the low cooling rate, the compressive stress on the crystal is caused by the difference in shrinkage between the already crystallized portion and the crucible around it. Is considered very small or zero.

しかしながら、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却する冷却工程では、図3(b)に矢印で示すように、熱は坩堝14の外壁や育成結晶21の表面から外側の空間に向かって流れる。従って、坩堝14の温度と育成結晶21の温度とを例えば図中の点線X2−X2´に沿って水平方向で比較した場合、育成結晶21の方が高くなっている。加えて、冷却過程では、育成結晶21を短期間で効率よく取り出すために、降温速度は、単結晶育成工程における降温速度と比較すると一桁以上大きな値とするのが一般的である。   However, in the cooling step of cooling the grown sapphire single crystal to room temperature after completion of the single crystal growth step, heat is transferred from the outer wall of the crucible 14 or the surface of the grown crystal 21 to the outside as indicated by arrows in FIG. It flows toward the space. Therefore, when the temperature of the crucible 14 and the temperature of the grown crystal 21 are compared in the horizontal direction along, for example, the dotted line X2-X2 'in the figure, the grown crystal 21 is higher. In addition, in the cooling process, in order to efficiently take out the grown crystal 21 in a short period of time, the temperature lowering rate is generally set to a value larger by one digit or more than the temperature lowering rate in the single crystal growing step.

そのため、冷却工程における、図中の点線X2−X2´に沿った水平方向での坩堝14の収縮率と育成結晶21の収縮率とを比較すると、坩堝14として線膨張係数がサファイア単結晶よりも僅かに小さいMo−W製坩堝等を用いても、坩堝14の方が大きくなる。従って、冷却工程において坩堝14により、育成結晶21に圧縮応力が加えられる。この圧縮応力によって、育成結晶21にクラックの発生、結晶性の悪化を招いていた。   Therefore, when the shrinkage rate of the crucible 14 in the horizontal direction along the dotted line X2-X2 'in the drawing and the shrinkage rate of the growth crystal 21 are compared in the cooling process, the linear expansion coefficient of the crucible 14 is higher than that of the sapphire single crystal. Even if a slightly smaller Mo-W crucible or the like is used, the crucible 14 is larger. Therefore, compressive stress is applied to the grown crystal 21 by the crucible 14 in the cooling step. This compressive stress caused cracks in the grown crystal 21 and deteriorated crystallinity.

そして、育成する結晶の直径が大きくなればなるほど、水平面内での温度差が大きくなるために、育成結晶に加わる圧縮応力が大きくなり、既述のようにクラック発生率は高くなると考えられる。   And, as the diameter of the crystal to be grown increases, the temperature difference in the horizontal plane increases, so the compressive stress applied to the grown crystal increases, and the crack generation rate is considered to increase as described above.

冷却工程におけるクラックの発生を回避するために、冷却工程における降温速度を、育成時と同程度に低速にすることも考えられる。しかしながら、そのような低速冷却では、2000℃を越えるサファイア単結晶の育成温度から室温まで温度を降下させるのに2週間から1カ月程度の時間が掛ってしまい、非常に効率が悪く生産に用いることはできない。   In order to avoid the generation of cracks in the cooling process, it is also conceivable that the temperature lowering rate in the cooling process is made as low as that during the growth. However, with such slow cooling, it takes 2 weeks to 1 month to lower the temperature from the growth temperature of the sapphire single crystal exceeding 2000 ° C. to room temperature, so it is very inefficient and used for production. I can't.

そこで、本発明の発明者らはクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置について検討を行い、本発明のサファイア単結晶製造装置を完成させた。以下に具体的に説明する。   Therefore, the inventors of the present invention have studied a sapphire single crystal manufacturing apparatus that can suppress the occurrence of cracks, and have completed the sapphire single crystal manufacturing apparatus of the present invention. This will be specifically described below.

図4に本実施形態のサファイア単結晶製造装置の断面構成図を示す。図4は、坩堝の中心軸を通る断面における断面図を示しており、坩堝及びこれに接続された部材を拡大して示している。このため、図4に示した坩堝及びこれに接続された部材以外については記載を省略している。   FIG. 4 shows a cross-sectional configuration diagram of the sapphire single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment. FIG. 4 shows a cross-sectional view in a cross section passing through the central axis of the crucible, and shows an enlarged view of the crucible and members connected thereto. For this reason, description is abbreviate | omitted except the crucible shown in FIG. 4, and the member connected to this.

図4を用いて本実施形態のサファイア単結晶製造装置の構成について説明する。   The structure of the sapphire single crystal manufacturing apparatus of this embodiment is demonstrated using FIG.

図4(a)、(b)に示すように、本実施形態のサファイア単結晶製造装置40は、坩堝41、及び育成結晶移動機構42を有することができる。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40 of this embodiment can include a crucible 41 and a growth crystal moving mechanism 42.

坩堝41は側壁411が底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状を有することができる。すなわち、図4(a)に示した坩堝41の底部(底面)の直径L1よりも上部の直径L2の方が長くなるように構成することができる。   The crucible 41 may have a tapered shape in which the side wall 411 has an inner diameter that increases from the bottom toward the top. That is, the upper diameter L2 can be configured to be longer than the diameter L1 of the bottom (bottom surface) of the crucible 41 shown in FIG.

育成結晶移動機構42は、坩堝41内で育成結晶を支持する育成結晶支持部421と、育成結晶支持部421と接続され育成結晶支持部を坩堝41内で上下方向に移動できる結晶移動軸422とを含む。   The growth crystal moving mechanism 42 includes a growth crystal support portion 421 that supports the growth crystal in the crucible 41, a crystal movement axis 422 that is connected to the growth crystal support portion 421 and can move the growth crystal support portion in the crucible 41 in the vertical direction. including.

育成結晶支持部421は、種結晶44、及び種結晶44上に配置した原料45や、育成した育成結晶46を支持できるように構成されていればよく、その形状は特に限定されないが、例えば図4(a)、(b)に示すように板状形状とすることができる。この場合、育成結晶支持部421は坩堝41の底部の形状にあわせた形状を有することが好ましく、例えば坩堝41の底部(底面)が円形状を有する場合、育成結晶支持部421は円板形状を有することが好ましい。   The grown crystal support part 421 may be configured to support the seed crystal 44, the raw material 45 disposed on the seed crystal 44, and the grown grown crystal 46, and the shape thereof is not particularly limited. 4 (a) and (b) can be plate-shaped. In this case, the grown crystal support 421 preferably has a shape that matches the shape of the bottom of the crucible 41. For example, when the bottom (bottom) of the crucible 41 has a circular shape, the grown crystal support 421 has a disk shape. It is preferable to have.

育成結晶支持部421は、図4(a)、(b)に示すように上面側には種結晶44等を配置することができ、下面側には結晶移動軸422を接続することができる。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the grown crystal support portion 421 can be provided with a seed crystal 44 or the like on the upper surface side, and a crystal moving shaft 422 can be connected to the lower surface side.

そして育成結晶支持部421が上述のように円板形状を有する場合、育成結晶支持部421の直径は、坩堝41の底部(底面)の直径L1と同じ、または直径L1よりもわずかに小さいことが好ましい。   When the grown crystal support portion 421 has a disk shape as described above, the diameter of the grown crystal support portion 421 may be the same as or slightly smaller than the diameter L1 of the bottom portion (bottom surface) of the crucible 41. preferable.

また、育成結晶支持部421の直径は、育成結晶支持部421上に支持する種結晶44の直径よりも3%以上10%以下小さいことが好ましい。すなわち種結晶44の直径を100とした場合に、育成結晶支持部421の直径は90以上97以下であることが好ましい。これは、種結晶44の直径よりも育成結晶支持部421の直径を小さくすることで、原料融液が種結晶44の側面を伝って育成結晶支持部421まで流れ込んだ場合でも、育成結晶支持部421及び結晶移動軸422と、坩堝41との固着を防止できるからである。   Further, the diameter of the grown crystal support part 421 is preferably 3% or more and 10% or less smaller than the diameter of the seed crystal 44 supported on the grown crystal support part 421. That is, when the diameter of the seed crystal 44 is 100, the diameter of the grown crystal support portion 421 is preferably 90 or more and 97 or less. This is because the diameter of the grown crystal support part 421 is made smaller than the diameter of the seed crystal 44, so that even when the raw material melt flows along the side surface of the seed crystal 44 to the grown crystal support part 421, the grown crystal support part This is because adhesion between the 421 and the crystal moving shaft 422 and the crucible 41 can be prevented.

なお、種結晶44の側面は坩堝41の形状にあわせて底部側(坩堝41の底部と対向する面側)から、上部側に向かってテーパー形状としてもよい。   Note that the side surface of the seed crystal 44 may have a tapered shape from the bottom side (the surface side facing the bottom of the crucible 41) toward the top side according to the shape of the crucible 41.

種結晶44の側面がテーパー形状を有する場合、育成結晶支持部421の種結晶44と対向する面の直径と、種結晶44の育成結晶支持部421と対向する面の直径とが上記関係を満たすことが好ましい。
そして坩堝41の底部412には底部開口部412Aが設けられており、結晶移動軸422は底部開口部412Aを通り、少なくとも一部が坩堝41内に収容された構成とすることができる。なお、底部開口部412Aも坩堝41を構成しているため、図4(a)のように底部開口部412A内に結晶移動軸422が配置されている場合でも坩堝41内に結晶移動軸422の一部が収容されていることとなる。
When the side surface of the seed crystal 44 has a tapered shape, the diameter of the surface of the grown crystal support portion 421 facing the seed crystal 44 and the diameter of the surface of the seed crystal 44 facing the grown crystal support portion 421 satisfy the above relationship. It is preferable.
The bottom 412 of the crucible 41 is provided with a bottom opening 412A, and the crystal moving shaft 422 passes through the bottom opening 412A and at least a part of the crystal moving shaft 422 is accommodated in the crucible 41. Since the bottom opening 412A also constitutes the crucible 41, even when the crystal movement shaft 422 is arranged in the bottom opening 412A as shown in FIG. Some will be housed.

結晶移動軸422の直径は特に限定されるものではなく、育成結晶46の重量と結晶移動軸422の材質による強度及び熱伝導率に応じて、任意に決定することができる。   The diameter of the crystal moving shaft 422 is not particularly limited, and can be arbitrarily determined according to the weight of the grown crystal 46 and the strength and thermal conductivity depending on the material of the crystal moving shaft 422.

また、坩堝41の底部412に形成した底部開口部412Aは坩堝41の底部412中心部に形成することが好ましく、その開口径は特に限定されない。ただし、図4(a)、(b)に示すように底部開口部412Aには、結晶移動軸422が挿入されることから、結晶移動軸422の直径に応じて選択できる。   The bottom opening 412A formed in the bottom 412 of the crucible 41 is preferably formed in the center of the bottom 412 of the crucible 41, and the opening diameter is not particularly limited. However, since the crystal moving shaft 422 is inserted into the bottom opening 412A as shown in FIGS. 4A and 4B, it can be selected according to the diameter of the crystal moving shaft 422.

また、坩堝41を支持するため、坩堝41の下部には坩堝軸43を設けることができる。この場合坩堝軸43の中央部にも貫通孔を設けておき、結晶移動軸422を該貫通孔内に収容するように構成することができる。坩堝軸43に設けた貫通孔についても結晶移動軸422を収容できるように結晶移動軸422の直径に応じて貫通孔の直径を選択することができる。この際、結晶移動軸422の上下方向の移動を阻害しない程度に該貫通孔の直径を選択することが好ましい。   Further, in order to support the crucible 41, a crucible shaft 43 can be provided below the crucible 41. In this case, a through hole is also provided in the center of the crucible shaft 43, and the crystal moving shaft 422 can be accommodated in the through hole. Regarding the through hole provided in the crucible shaft 43, the diameter of the through hole can be selected according to the diameter of the crystal moving shaft 422 so that the crystal moving shaft 422 can be accommodated. At this time, it is preferable to select the diameter of the through hole to such an extent that the vertical movement of the crystal moving shaft 422 is not hindered.

坩堝41の材質は特に限定されるものではないが、サファイアの融点2050℃を越える温度でも安定で、且つ、原料融液と反応しない材料であることが好ましい。このため、坩堝41の材質として例えばイリジウム(Ir)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、モリブデンータングステン合金(Mo−W合金)等を用いることができる。特に、Mo、W、Mo−W合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。   The material of the crucible 41 is not particularly limited, but is preferably a material that is stable even at a temperature exceeding the melting point of sapphire of 2050 ° C. and does not react with the raw material melt. For this reason, as a material of the crucible 41, for example, iridium (Ir), molybdenum (Mo), tungsten (W), molybdenum-tungsten alloy (Mo—W alloy), or the like can be used. In particular, a material having a linear expansion coefficient close to that of the sapphire single crystal or smaller than that of the sapphire single crystal, such as Mo, W, and Mo—W alloy, can be preferably used.

また、育成結晶移動機構42についてもその材質は特に限定されるものではないが、坩堝41や坩堝41内に配置される種結晶44と接し、同様にヒーターにより加熱されるため、サファイアの融点を超える温度でも安定であることが好ましい。特に結晶移動軸422は坩堝41の底部開口部412A内に挿入されるため、坩堝41と熱膨張係数が同じ、または近い材質であることが好ましい。特に、育成結晶移動機構42は坩堝41と同じ材質により構成されていることがより好ましい。   Further, the material of the growth crystal moving mechanism 42 is not particularly limited. However, since it is in contact with the crucible 41 and the seed crystal 44 disposed in the crucible 41 and is similarly heated by the heater, the melting point of sapphire is reduced. It is preferable to be stable even at a temperature exceeding. In particular, since the crystal moving shaft 422 is inserted into the bottom opening 412A of the crucible 41, it is preferable that the material has the same or close thermal expansion coefficient as the crucible 41. In particular, the growth crystal moving mechanism 42 is more preferably made of the same material as the crucible 41.

なお、図4に示したサファイア単結晶製造装置40は既述のように坩堝41及びそれに接続された部材のみを拡大して示しており、サファイア単結晶を製造するにあたって必要な各種部材をさらに有することができる。例えば図1における坩堝14、及び坩堝軸15に替えて、図4に示した坩堝41、及び育成結晶移動機構42、坩堝軸43を設けた構成とすることができる。   Note that the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40 shown in FIG. 4 shows only the crucible 41 and the members connected thereto in an enlarged manner as described above, and further includes various members necessary for manufacturing the sapphire single crystal. be able to. For example, instead of the crucible 14 and the crucible shaft 15 in FIG. 1, the crucible 41, the grown crystal moving mechanism 42, and the crucible shaft 43 shown in FIG.

具体的には図1を用いて説明したように坩堝41の側面を取り囲むようにヒーターを設けることができる。また、ヒーター、及び坩堝41を取り囲むようにチャンバーや、チャンバーの内壁面に沿って断熱材を設けることができる。断熱材や、ヒーターについては特に限定されるものではなく、例えば図1のサファイア単結晶製造装置10で説明した場合と同様に構成することができるため、ここでは説明を省略する。   Specifically, a heater can be provided so as to surround the side surface of the crucible 41 as described with reference to FIG. Further, a heat insulating material can be provided along the chamber and the inner wall surface of the chamber so as to surround the heater and the crucible 41. The heat insulating material and the heater are not particularly limited, and for example, they can be configured in the same manner as described in the sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 in FIG.

そして、サファイア単結晶を育成する際に坩堝41の底部側の温度、特に種結晶の温度を測定するため、底部側温度測定手段を設けることができる。また、坩堝41内に充填した原料や原料融液の温度を測定するため、上部側温度測定手段を設けることができる。底部側温度測定手段や、上部側温度測定手段としては、熱電対や放射温度計を用いることができ、図1で説明したように必要に応じて観察窓等を設けることができる。   And when growing a sapphire single crystal, in order to measure the temperature of the bottom part side of the crucible 41, especially the temperature of a seed crystal, a bottom part side temperature measurement means can be provided. Moreover, in order to measure the temperature of the raw material and raw material melt with which the crucible 41 was filled, an upper side temperature measuring means can be provided. As the bottom side temperature measuring means and the top side temperature measuring means, a thermocouple or a radiation thermometer can be used, and an observation window or the like can be provided as necessary as described in FIG.

なお、底部側温度測定手段を設ける場合、底部側温度測定手段により坩堝41の底部側の温度を測定できるように、結晶移動軸422には、図4(a)、(b)に示したように貫通孔422Aを形成し、中空構造とすることが望ましい。貫通孔422Aの下端部には図示しない観察窓を形成し、該観察窓を介して底部側温度測定手段により坩堝41の底部側の温度を測定することができる。   When the bottom side temperature measuring means is provided, the crystal moving shaft 422 has the crystal moving shaft 422 as shown in FIGS. 4A and 4B so that the bottom side temperature measuring means can measure the temperature on the bottom side of the crucible 41. It is desirable to form a through-hole 422A in the hollow structure. An observation window (not shown) is formed at the lower end of the through-hole 422A, and the temperature on the bottom side of the crucible 41 can be measured through the observation window by the bottom side temperature measuring means.

また、本実施形態のサファイア単結晶製造装置については必要に応じてさらに任意の部材を設けることができる。例えば、チャンバー内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることもできる。   Moreover, about the sapphire single crystal manufacturing apparatus of this embodiment, an arbitrary member can be further provided as needed. For example, a gas supply means, a gas exhaust means or the like (not shown) can be provided in order to make the inside of the chamber have a predetermined atmosphere.

ここで、本実施形態のサファイア単結晶製造装置40を用いてサファイア単結晶を育成する場合の手順について説明する。   Here, the procedure in the case of growing a sapphire single crystal using the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40 of the present embodiment will be described.

サファイア単結晶製造装置40を用いてサファイア単結晶を育成する際には、図4(a)に示すように育成結晶移動機構42を構成する育成結晶支持部421が坩堝41の底部412側に位置するように、結晶移動軸422を図中下側に引き下げておくことができる。この場合、図4(a)に示すように育成結晶支持部421は坩堝41の底部と接した状態とすることができる。   When growing a sapphire single crystal using the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40, the grown crystal support portion 421 constituting the grown crystal moving mechanism 42 is positioned on the bottom 412 side of the crucible 41 as shown in FIG. Thus, the crystal movement axis 422 can be pulled down in the drawing. In this case, the grown crystal support portion 421 can be in contact with the bottom of the crucible 41 as shown in FIG.

そして、単結晶育成工程を開始する前に図4(a)に示すように育成結晶支持部421上には種結晶44、及び原料45を配置しておくことができる。   And before starting a single crystal growth process, as shown to Fig.4 (a), the seed crystal 44 and the raw material 45 can be arrange | positioned on the growth crystal support part 421. FIG.

なお、単結晶育成工程を実施している間には原料45を溶融した原料融液や、原料融液から形成した育成結晶46は坩堝41の側壁411と接することになるが、既述のように単結晶育成工程では坩堝41から育成結晶に対して圧縮応力はほとんど加わらない。このため、育成結晶46にクラック等を生じる恐れはない。   During the single crystal growth step, the raw material melt obtained by melting the raw material 45 and the grown crystal 46 formed from the raw material melt are in contact with the side wall 411 of the crucible 41. In the single crystal growth step, almost no compressive stress is applied from the crucible 41 to the grown crystal. For this reason, there is no possibility of causing cracks or the like in the grown crystal 46.

次に、単結晶育成工程終了後、育成結晶46を室温まで冷却する冷却工程の後述する冷却ステップを開始する前、または開始後所定のタイミングに、図4(b)に示すように育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422を坩堝41内に押し上げることができる。これにより、結晶移動軸422と接続された育成結晶支持部421を坩堝41内で上方に移動できる。そして、育成結晶支持部421上には種結晶44及び育成結晶46が支持されているため育成結晶支持部421が坩堝41内で上方に移動するのにあわせて種結晶44及び育成結晶46も、坩堝41内で坩堝41とは独立して上方に移動させることができる。   Next, after the completion of the single crystal growth step, the growth crystal is moved as shown in FIG. 4B before starting a cooling step, which will be described later, of the cooling step for cooling the growth crystal 46 to room temperature or at a predetermined timing after the start. The crystal moving shaft 422 constituting the mechanism 42 can be pushed up into the crucible 41. As a result, the grown crystal support 421 connected to the crystal moving shaft 422 can be moved upward in the crucible 41. Since the seed crystal 44 and the grown crystal 46 are supported on the grown crystal support portion 421, the seed crystal 44 and the grown crystal 46 are also moved as the grown crystal support portion 421 moves upward in the crucible 41. The crucible 41 can be moved upward independently of the crucible 41.

この際、上述のように坩堝41の側壁411は底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状を有するため、育成結晶46の直径よりも、移動後の位置において育成結晶46が対向する坩堝41の側壁の方が直径が大きくなっている。このため、図4(b)に示すように育成結晶46を上方に移動させることにより、育成結晶46の外周部と、坩堝41の側壁411との間に隙間(空間)を形成することができる。   At this time, as described above, the side wall 411 of the crucible 41 has a tapered shape in which the inner diameter increases from the bottom toward the top, so that the grown crystal 46 faces the grown crystal 46 at a position after the movement, rather than the diameter of the grown crystal 46. The side wall has a larger diameter. For this reason, a gap (space) can be formed between the outer peripheral portion of the grown crystal 46 and the side wall 411 of the crucible 41 by moving the grown crystal 46 upward as shown in FIG. .

このようにサファイア単結晶の育成終了後、冷却時に育成結晶46と坩堝41との間に隙間を形成する操作(隙間形成ステップ)を実施することにより育成結晶46と坩堝41の収縮率の差に起因して結晶に圧縮応力が加わることを回避することができる。それによって、育成結晶の結晶性の悪化やクラック発生を防止することができる。   In this way, after the growth of the sapphire single crystal is completed, an operation (gap forming step) is performed to form a gap between the grown crystal 46 and the crucible 41 during cooling, thereby reducing the difference in contraction rate between the grown crystal 46 and the crucible 41. As a result, it is possible to avoid applying compressive stress to the crystal. Thereby, deterioration of crystallinity of the grown crystal and generation of cracks can be prevented.

上述のように本実施形態のサファイア単結晶製造装置を用いた場合、冷却工程で育成結晶にクラック等を生じることを抑制できる。このため、冷却工程において、単結晶育成工程の降温速度と比較して一桁以上大きな、生産上実用的な冷却速度で育成結晶を冷却することが可能となり、高品質サファイア単結晶が効率よく高収率で得ることが可能となる。   As described above, when the sapphire single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment is used, it is possible to suppress the growth crystal from being cracked in the cooling process. For this reason, in the cooling process, it becomes possible to cool the grown crystal at a cooling rate practically higher than that of the single crystal growth process, which is one order of magnitude higher, and the high-quality sapphire single crystal is efficiently and highly It can be obtained in a yield.

ここで、本実施形態のサファイア単結晶製造装置40の構成についてさらに説明する。   Here, the structure of the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40 of this embodiment is further demonstrated.

本実施形態のサファイア単結晶製造装置40において、育成に用いる坩堝41の側壁のテーパー角度は、坩堝41の材質の線膨張係数等により任意に選択することができるが、坩堝41の側壁のテーパー角度は0.3°以上3°以下であることが好ましい。   In the sapphire single crystal manufacturing apparatus 40 of the present embodiment, the taper angle of the side wall of the crucible 41 used for growth can be arbitrarily selected depending on the linear expansion coefficient of the material of the crucible 41, but the taper angle of the side wall of the crucible 41. Is preferably 0.3 ° or more and 3 ° or less.

これは、テーパー角度が0.3°未満の場合、隙間形成ステップにおいて育成結晶46の外周部と坩堝41の側壁との間に、育成結晶46に応力が掛らないようにするに十分な幅の隙間を形成するために行う結晶上昇の距離を長くすることが必要になる場合がある。それに応じて、冷却時の均熱性を確保するために、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更にはサファイア単結晶製造装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じるために、部材、装置が大型化し効率的ではないからである。   When the taper angle is less than 0.3 °, the width is sufficient to prevent stress on the grown crystal 46 between the outer periphery of the grown crystal 46 and the side wall of the crucible 41 in the gap forming step. In some cases, it is necessary to increase the distance of the crystal rise performed to form the gap. Accordingly, in order to ensure the thermal uniformity during cooling, it is necessary to increase the ratio of the heater height to the grown crystal length, the crucible height, and the overall height of the sapphire single crystal manufacturing apparatus. This is because the members and devices are large and not efficient.

なお、上述の隙間形成ステップで、育成結晶の一部を坩堝やヒーターに囲まれた領域よりも上方まで移動させると、育成結晶には、坩堝等で囲まれた領域と、坩堝等で囲まれていない領域とが生じ、該2つの領域間で大きな温度差を生じる場合がある。そして、育成結晶内に上述のような大きな温度差が生じた場合、育成結晶にクラックを生じる恐れがある。   When a part of the grown crystal is moved above the region surrounded by the crucible and the heater in the gap formation step described above, the grown crystal is surrounded by the region surrounded by the crucible and the crucible. In some cases, a non-existing region is generated, and a large temperature difference is generated between the two regions. And when the above big temperature differences arise in the growth crystal | crystallization, there exists a possibility of producing a crack in a growth crystal | crystallization.

このため、隙間形成ステップにおいては、例えば図4(b)に示したように、育成結晶46は坩堝41及び図示しないヒーターで囲まれた領域内に配置することが好ましい。   For this reason, in the gap forming step, for example, as shown in FIG. 4B, the grown crystal 46 is preferably arranged in a region surrounded by the crucible 41 and a heater (not shown).

一方、テーパー角度が例えば3°よりも大きいと、育成結晶の直径が成長後半部に行くに従って、必要径から乖離する割合が高くなるために、育成後、取出した結晶の外周部を必要径に成形する際の削り代が大きくなる場合がある。このため、研削の時間が長時間となり、また研削部分については原料の無駄となり効率的ではないからである。   On the other hand, if the taper angle is larger than 3 °, for example, the diameter of the grown crystal goes away from the required diameter as it goes to the latter half of the growth. There are cases where the machining allowance during molding increases. For this reason, it takes a long time to grind, and the ground portion is wasted raw material, which is not efficient.

特に坩堝41の側壁411のテーパー角度は0.5°以上2°以下であることがより好ましい。   In particular, the taper angle of the side wall 411 of the crucible 41 is more preferably not less than 0.5 ° and not more than 2 °.

なお、テーパー角度とは、坩堝41の底部412と垂直な面からの側壁411の傾き角度のことを意味している。ここで、図4(b)中、点線で囲んだ領域aを拡大した図5を用いてテーパー角度について説明する。図5には、坩堝41の底部(底面)412と、側壁411とを示している。図中点線で、底部412と垂直な面51を示している。そうすると、図5において、坩堝41の底部412と垂直な面51と、側壁411とが形成している角度52が該側壁411のテーパー角度を示している。   The taper angle means an inclination angle of the side wall 411 from a plane perpendicular to the bottom 412 of the crucible 41. Here, the taper angle will be described with reference to FIG. 5 in which a region a surrounded by a dotted line in FIG. 4B is enlarged. FIG. 5 shows the bottom (bottom) 412 and the side wall 411 of the crucible 41. A dotted line in the drawing shows a surface 51 perpendicular to the bottom 412. Then, in FIG. 5, the angle 52 formed by the surface 51 perpendicular to the bottom 412 of the crucible 41 and the side wall 411 indicates the taper angle of the side wall 411.

また、冷却工程開始時等に育成結晶移動機構42により育成結晶46の外周部と、坩堝41の側壁との間に隙間(空間)を形成する際、該隙間の間隔Lは特に限定されるものではなく、坩堝41の材質の線膨張係数等に応じて任意に選択することができる。ただし、係る育成結晶46の外周部と、坩堝41の側壁との間の隙間の幅Lは、例えば0.1mm以上3mm以下とすることが好ましい。   Further, when a gap (space) is formed between the outer periphery of the grown crystal 46 and the side wall of the crucible 41 by the grown crystal moving mechanism 42 at the start of the cooling process, the gap L is particularly limited. Instead, it can be arbitrarily selected according to the linear expansion coefficient of the material of the crucible 41. However, the width L of the gap between the outer peripheral portion of the grown crystal 46 and the side wall of the crucible 41 is preferably set to 0.1 mm or more and 3 mm or less, for example.

これは、該隙間の幅Lが0.1mmよりも小さいと、冷却中に、坩堝41の収縮による圧縮応力が育成結晶46に負荷されてしまう可能性が高くなるためである。   This is because if the width L of the gap is smaller than 0.1 mm, there is a high possibility that a compressive stress due to the shrinkage of the crucible 41 is loaded on the grown crystal 46 during cooling.

一方、該隙間の幅Lが3mmよりも大きいと、隙間を形成するために行う育成結晶上昇の距離を大きくすることが必要になる場合がある。それに応じて、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更にはサファイア単結晶製造装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じる場合がある。このため、効率的ではなくなるからである。   On the other hand, if the width L of the gap is larger than 3 mm, it may be necessary to increase the distance for raising the grown crystal to form the gap. Accordingly, it may be necessary to increase the ratio of the heater height to the grown crystal length, the crucible height, and the overall height of the sapphire single crystal manufacturing apparatus. This is because it is not efficient.

以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶製造装置によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配下、種結晶から原料融液を固化させてサファイア単結晶の育成を行った後、冷却の際に坩堝と育成結晶との間に隙間を形成できる。このため、サファイア単結晶にクラックが発生することを抑制できる。
(サファイア単結晶の製造方法)
次に、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法の一構成例について説明する。
According to the sapphire single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment described above, the seed crystal is placed on the bottom side in the crucible, and the seed crystal is melted from the seed crystal under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. After solidifying the liquid and growing the sapphire single crystal, a gap can be formed between the crucible and the grown crystal during cooling. For this reason, it can suppress that a crack generate | occur | produces in a sapphire single crystal.
(Method for producing sapphire single crystal)
Next, a configuration example of the method for producing a sapphire single crystal of the present embodiment will be described.

本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配のもとで、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造方法に関し、以下の工程を有することができる。   In the method for producing a sapphire single crystal of this embodiment, a seed crystal is installed on the bottom side in the crucible, and the raw material melt is poured from the seed crystal side under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. It can have the following processes regarding the manufacturing method of a sapphire single crystal which grows a single crystal by solidifying.

底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程。
単結晶育成工程終了後、サファイア単結晶を冷却する冷却工程。
A single crystal growth step of growing a sapphire single crystal in a crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top.
A cooling step for cooling the sapphire single crystal after completion of the single crystal growth step.

そして、冷却工程では育成結晶移動機構により、サファイア単結晶の位置を上昇させ、サファイア単結晶の外周部と坩堝の側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを有することができる。なお、育成結晶移動機構は、坩堝内で育成したサファイア単結晶を支持している育成結晶支持部、及び育成結晶支持部と接続され、坩堝の底部に設けられた底部開口部を通り、育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む。   And in a cooling process, it can have a clearance gap formation step which raises the position of a sapphire single crystal by a growth crystal movement mechanism, and forms a clearance gap between the perimeter part of a sapphire single crystal, and the side wall of a crucible. The growth crystal moving mechanism is connected to the growth crystal support portion supporting the sapphire single crystal grown in the crucible and the growth crystal support portion, and passes through the bottom opening provided at the bottom of the crucible, A crystal moving axis that can move the support portion in the vertical direction within the crucible is included.

各工程について以下に具体的に説明する。なお、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては既述のサファイア単結晶製造装置を好適に用いることができる。このため、サファイア単結晶製造装置と説明が重複する部分については一部説明を省略する。   Each step will be specifically described below. In addition, in the manufacturing method of the sapphire single crystal of this embodiment, the above-mentioned sapphire single crystal manufacturing apparatus can be used suitably. For this reason, description is partially abbreviate | omitted about the part which description overlaps with the sapphire single crystal manufacturing apparatus.

単結晶育成工程においては、底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成することができる。   In the single crystal growth step, a sapphire single crystal can be grown in a crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top.

具体的には、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うことができる。特に、VB法(Vertical Bridgeman法)やVGF法(Vertical Gradient Freeze法)によりサファイア単結晶を育成することができる。なお、単結晶育成工程で用いる坩堝には後述する冷却工程で用いるため、育成結晶移動機構を備えておくことができる。   Specifically, a seed crystal is installed on the bottom side in the crucible, and a single crystal is grown by solidifying the raw material melt from the seed crystal under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. It can be carried out. In particular, a sapphire single crystal can be grown by the VB method (Vertical Bridgeman method) or the VGF method (Vertical Gradient Freeze method). Note that the crucible used in the single crystal growth step can be provided with a growth crystal movement mechanism for use in a cooling step described later.

単結晶育成工程は以下のステップを有することができる。   The single crystal growth process can include the following steps.

まず、坩堝内の底部側に種結晶を、その上部に原料である酸化アルミニウム多結晶粒子を配置した後、原料を融解させる原料融解ステップを実施することができる。この際、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配を形成することができ、例えば、種結晶と原料(原料融液)との境界をサファイアの融点になるようにすることができる。   First, after placing the seed crystal on the bottom side in the crucible and the aluminum oxide polycrystalline particles as the raw material on the top, a raw material melting step for melting the raw material can be performed. At this time, a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible can be formed, for example, the boundary between the seed crystal and the raw material (raw material melt) can be made to be the melting point of sapphire. .

そして、原料融解ステップにおいて形成した温度勾配を維持しつつ、全体の温度を降下させることで結晶の成長界面(固液界面)を坩堝の上部の方へ移動させ、サファイア単結晶を育成する降温ステップを実施することができる。   Then, while maintaining the temperature gradient formed in the raw material melting step, the whole temperature is lowered to move the crystal growth interface (solid-liquid interface) toward the upper part of the crucible, and the temperature lowering step to grow the sapphire single crystal Can be implemented.

単結晶育成工程が有するこれらのステップについては、坩堝の形状が異なる点、及び育成結晶移動機構を備えた坩堝を用いる点を除いては図2を用いて説明した場合と同様にして実施することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。   These steps of the single crystal growth process are performed in the same manner as described with reference to FIG. 2 except that the shape of the crucible is different and a crucible equipped with a growth crystal movement mechanism is used. Therefore, detailed description is omitted here.

単結晶育成工程における温度勾配の大きさや、坩堝に充填した原料を融解して原料融液を形成した後、全体の温度を下げる際の降温速度等については特に限定されるものではなく、用いる坩堝のサイズ等に応じて任意に選択することができる。   There are no particular limitations on the magnitude of the temperature gradient in the single crystal growth process, the rate of temperature drop when lowering the overall temperature after melting the raw material filled in the crucible to form the raw material melt, and the crucible to be used. The size can be arbitrarily selected according to the size and the like.

また、単結晶育成工程においては坩堝周辺を不活性雰囲気、または真空雰囲気とすることが好ましい。例えばアルゴン雰囲気とすることができる。   In the single crystal growth step, it is preferable that the crucible periphery is an inert atmosphere or a vacuum atmosphere. For example, an argon atmosphere can be used.

単結晶育成工程において用いることができる底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝については、図4を用いて既に説明したとおりである。該坩堝の、側壁のテーパー角度については特に限定されるものではなく、坩堝の材質の線膨張係数等により任意に選択することができるが、坩堝の側壁のテーパー角度は0.3°以上3°以下であることが好ましい。   A crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top, which can be used in the single crystal growth step, is as already described with reference to FIG. The taper angle of the side wall of the crucible is not particularly limited and can be arbitrarily selected according to the linear expansion coefficient of the material of the crucible, but the taper angle of the side wall of the crucible is 0.3 ° or more and 3 °. The following is preferable.

これはテーパー角度が0.3°未満の場合、後述する冷却工程の隙間形成ステップにおいて育成結晶46の外周部と坩堝の側壁との間に、育成結晶に応力がからないようにするに十分な間隔の隙間を形成するために必要となる結晶上昇の距離が長くなる場合がある。そしてそれに応じて、冷却時の均熱性を確保するために、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更に育成装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じるために、部材、装置が大型化し効率的ではないからである。   This is sufficient when the taper angle is less than 0.3 ° so that stress is not applied to the grown crystal between the outer peripheral portion of the grown crystal 46 and the side wall of the crucible in the gap forming step of the cooling process described later. In some cases, the distance of the crystal rise required to form the gap of the interval becomes long. And accordingly, in order to ensure the thermal uniformity during cooling, there is a need to increase the ratio of the heater height to the growth crystal length, the crucible height, and the overall height of the growth apparatus. This is because the size is large and is not efficient.

一方、テーパー角度が例えば3°よりも大きいと、育成結晶の直径が成長後半部に行くに従って、必要径から乖離する割合が高くなるために、育成後、取出した結晶の外周部を必要径に成形する際の削り代が大きくなる場合がある。このため、研削の時間も長時間となるため、原料の無駄、時間の無駄が生じ効率的ではないからである。   On the other hand, if the taper angle is larger than 3 °, for example, the diameter of the grown crystal goes away from the required diameter as it goes to the latter half of the growth. There are cases where the machining allowance during molding increases. For this reason, since the grinding time is also long, waste of raw materials and waste of time are generated, which is not efficient.

特にテーパー角度は0.5°以上2°以下であることがより好ましい。   In particular, the taper angle is more preferably 0.5 ° to 2 °.

次に、冷却工程について説明する。冷却工程においては、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却することができる。   Next, the cooling process will be described. In the cooling step, the grown sapphire single crystal can be cooled to room temperature after completion of the single crystal growth step.

なお、単結晶育成工程においては既述のように坩堝の底部側から上部側に向かって温度が高くなる温度勾配を形成し、該温度勾配を維持したまま、全体の温度を下げることによりサファイア単結晶を育成することができる。従って、坩堝の種結晶を配置した底部側から上部側に向かってサファイア単結晶が育成されることになる。このため、坩堝内に充填した原料(原料融液)の上端部の温度がサファイアの融点未満になった時を、単結晶育成工程の終了時とすることができる。   In the single crystal growth step, as described above, a temperature gradient is formed in which the temperature increases from the bottom side to the top side of the crucible, and the entire temperature is lowered while maintaining the temperature gradient, thereby reducing the sapphire unit. Crystals can be grown. Therefore, the sapphire single crystal is grown from the bottom side where the seed crystal of the crucible is arranged to the upper side. For this reason, the time when the temperature of the upper end portion of the raw material (raw material melt) filled in the crucible becomes lower than the melting point of sapphire can be regarded as the end of the single crystal growth step.

既述のように、冷却工程における坩堝の収縮率が、育成したサファイア単結晶の収縮率よりも高く、従来のサファイア単結晶の製造方法においては、坩堝によりサファイア単結晶に対して圧縮応力が加えられ、サファイア単結晶にクラックが生じる場合があった。   As described above, the shrinkage ratio of the crucible in the cooling process is higher than the shrinkage ratio of the grown sapphire single crystal. In the conventional method for producing a sapphire single crystal, a compressive stress is applied to the sapphire single crystal by the crucible. In some cases, cracks may occur in the sapphire single crystal.

そこで、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法の冷却工程は、育成結晶移動機構により、坩堝とは独立にサファイア単結晶の位置を上昇させ、サファイア単結晶の外周部と坩堝の側壁との間に隙間(空間)を形成する隙間形成ステップを有することができる。なお、育成結晶移動機構については図4を用いて既に説明したためここでは説明を省略する。   Therefore, in the cooling process of the method for manufacturing a sapphire single crystal according to the present embodiment, the position of the sapphire single crystal is raised independently of the crucible by a growth crystal moving mechanism, and between the outer periphery of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible. A gap forming step for forming a gap (space). The growth crystal movement mechanism has already been described with reference to FIG.

上述の隙間形成ステップにおいて、育成結晶の外周部と、坩堝の側壁との間に形成する隙間の幅については特に限定されるものではなく、坩堝の材質の線膨張係数等に応じて選択することができる。係る育成結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の隙間の幅は、例えば0.1mm以上3mm以下とすることが好ましい。   In the gap formation step described above, the width of the gap formed between the outer periphery of the grown crystal and the side wall of the crucible is not particularly limited, and should be selected according to the linear expansion coefficient of the crucible material. Can do. The width of the gap between the outer peripheral portion of the grown crystal and the side wall of the crucible is preferably set to 0.1 mm or more and 3 mm or less, for example.

これは、該隙間の間隔が0.1mmよりも小さいと、冷却中に坩堝の収縮による圧縮応力が育成結晶に負荷されてしまう可能性が高くなるためである。   This is because if the gap is smaller than 0.1 mm, there is a high possibility that compressive stress due to crucible contraction will be applied to the grown crystal during cooling.

一方、該隙間の間隔が3mmよりも大きいと、隙間を形成するために行う育成結晶上昇の距離を大きくすることが必要になり、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更に育成装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じる場合がある。このため、効率的ではなくなるからである。   On the other hand, if the gap is larger than 3 mm, it is necessary to increase the distance for raising the grown crystal to form the gap. The heater height relative to the grown crystal length, the crucible height, and the entire growing apparatus There may be a need to increase the height ratio. This is because it is not efficient.

そして、冷却工程は上述のように単結晶育成工程で育成したサファイア単結晶(育成結晶)を室温まで冷却する冷却ステップを有することができる。冷却ステップでは、坩堝の周囲に配置したヒーターの出力を調整することにより所望の降温速度でサファイア単結晶を冷却することができる。   And a cooling process can have a cooling step which cools the sapphire single crystal (growth crystal) grown by the single crystal growth process to room temperature as mentioned above. In the cooling step, the sapphire single crystal can be cooled at a desired temperature drop rate by adjusting the output of the heater arranged around the crucible.

隙間形成ステップを実施するタイミングについては特に限定されるものではないが、坩堝の収縮によりサファイア単結晶に対して圧縮応力が加わる前に実施することが好ましい。   The timing for performing the gap forming step is not particularly limited, but it is preferably performed before compressive stress is applied to the sapphire single crystal due to shrinkage of the crucible.

例えば、冷却ステップと、隙間形成ステップとは平行して実施することもできる。具体的には、単結晶育成工程終了後、ヒーターの出力や温度を制御して冷却ステップを開始しつつ、隙間形成ステップを実施することができる。   For example, the cooling step and the gap forming step can be performed in parallel. Specifically, after completion of the single crystal growth process, the gap forming step can be performed while starting the cooling step by controlling the output and temperature of the heater.

特に、より確実にサファイア単結晶にクラック等が生じることを防ぐため、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却する冷却ステップの開始前に隙間形成ステップを実施することがより好ましい。   In particular, in order to prevent cracks and the like from occurring in the sapphire single crystal more reliably, it is more preferable to carry out a gap forming step after the single crystal growth process is completed and before the cooling step for cooling the grown sapphire single crystal to room temperature. preferable.

冷却工程終了後は坩堝からサファイア単結晶を取り出し、用途に応じて所望の形状に加工することができ、必要に応じて任意の工程を実施することができる。   After completion of the cooling step, the sapphire single crystal can be taken out from the crucible and processed into a desired shape according to the application, and any step can be performed as necessary.

例えばサファイア単結晶基板(サファイアウエハー)とする場合には、サファイア単結晶を板状にスライスする切断工程や、サファイア単結晶基板の主平面や、端面を研磨する研磨工程等を実施することができる。   For example, in the case of a sapphire single crystal substrate (sapphire wafer), a cutting step for slicing the sapphire single crystal into a plate shape, a polishing step for polishing the main plane and end face of the sapphire single crystal substrate, and the like can be performed. .

以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できる。このため、サファイア単結晶を歩留まり良く製造することが可能になる。   According to the sapphire single crystal manufacturing method of the present embodiment described above, the seed crystal is placed on the bottom side in the crucible, and the seed crystal is subjected to a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. From the solidification of the raw material melt, the generation of cracks can be suppressed when growing the sapphire single crystal. For this reason, it becomes possible to manufacture a sapphire single crystal with a high yield.

以下に具体的な実施例、比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Specific examples and comparative examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

ここでまず、以下の実施例および比較例において育成したサファイア単結晶の評価方法について説明する。
(偏光検査)
偏光検査は、育成によって得られたサファイア単結晶をヨウ化メチレンに浸して白色光源を照射することで行った。
(X線トポグラフ像撮影、評価)
X線トポグラフ像撮影は、大試料ラングカメラ(株式会社リガク製、LGL−8)を用いて行い、得られたX線トポグラフ像について評価を行った。
(X線回折の半値全幅)
X線回折の半値全幅(FWHM)は、精密X線回折装置(PANalytical社製、X‘Pert PRO)を用いて測定、算出し、評価した。
Here, first, an evaluation method of a sapphire single crystal grown in the following examples and comparative examples will be described.
(Polarization inspection)
Polarization inspection was performed by immersing a sapphire single crystal obtained by growth in methylene iodide and irradiating with a white light source.
(X-ray topographic imaging and evaluation)
X-ray topographic image photography was performed using a large sample Lang camera (manufactured by Rigaku Corporation, LGL-8), and the obtained X-ray topographic image was evaluated.
(Full width at half maximum of X-ray diffraction)
The full width at half maximum (FWHM) of X-ray diffraction was measured, calculated and evaluated using a precision X-ray diffractometer (manufactured by PANalytical, X'Pert PRO).

次に各実施例、比較例におけるサファイア単結晶の育成条件について説明する。
[実施例1]
本実施例では、以下の構成を有するサファイア単結晶製造装置を用いてサファイア単結晶を製造し、その評価を行った。
Next, the growth conditions of the sapphire single crystal in each example and comparative example will be described.
[Example 1]
In this example, a sapphire single crystal was manufactured using a sapphire single crystal manufacturing apparatus having the following configuration and evaluated.

まず、用いたサファイア単結晶製造装置について説明する。   First, the used sapphire single crystal manufacturing apparatus will be described.

図1における坩堝14、及び坩堝軸15に替えて、図4に示した坩堝41、及び育成結晶移動機構42、坩堝軸43を設けた点以外は、図1に示したサファイア単結晶製造装置と同様の断面構造を有するサファイア単結晶製造装置を用いた。   The sapphire single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1 is the same as the crucible 14 and the crucible shaft 15 shown in FIG. 1 except that the crucible 41, the growth crystal moving mechanism 42, and the crucible shaft 43 shown in FIG. A sapphire single crystal manufacturing apparatus having the same cross-sectional structure was used.

坩堝は、図4(a)、(b)に示したように、底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝41を用いた。具体的には、底部(底面)の直径L1が150mmφ、上方に向かう側壁のテーパー角度を1.5゜、内高500mmのタングステン製の坩堝を用いた。   As the crucible, as shown in FIGS. 4A and 4B, a crucible 41 having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top is used. Specifically, a tungsten crucible having a bottom (bottom) diameter L1 of 150 mmφ, an upward side wall taper angle of 1.5 °, and an inner height of 500 mm was used.

そして、図4(a)、(b)に示したように、育成結晶支持部421、及び結晶移動軸422を有する育成結晶移動機構42を設けた。この際、結晶移動軸422は育成結晶支持部421と接続され、坩堝41の底部412に形成された底部開口部412Aに挿入され、結晶移動軸422は一部が坩堝41内に収容されるように構成している。   Then, as shown in FIGS. 4A and 4B, a grown crystal moving mechanism 42 having a grown crystal support portion 421 and a crystal moving shaft 422 was provided. At this time, the crystal moving shaft 422 is connected to the grown crystal support portion 421 and inserted into the bottom opening 412A formed in the bottom portion 412 of the crucible 41, so that the crystal moving shaft 422 is partially accommodated in the crucible 41. It is configured.

育成結晶支持部421は円板形状を有し、直径95mmφ、厚さ10mmのタングステン製とした。また、結晶移動軸422は直径35mmφの円柱形状を有する棒状体であり、タングステン製とした。   The grown crystal support portion 421 has a disk shape and is made of tungsten having a diameter of 95 mmφ and a thickness of 10 mm. The crystal moving shaft 422 is a rod-shaped body having a cylindrical shape with a diameter of 35 mmφ and made of tungsten.

そして、サファイア単結晶製造装置は、図1に示したように坩堝の側面を囲むようにヒーター13が配置され、坩堝や、ヒーター13はチャンバー11内に配置されている。また、チャンバー11の内壁に沿って断熱材12が設けられている。   In the sapphire single crystal manufacturing apparatus, as shown in FIG. 1, the heater 13 is disposed so as to surround the side surface of the crucible, and the crucible and the heater 13 are disposed in the chamber 11. A heat insulating material 12 is provided along the inner wall of the chamber 11.

本実施例ではヒーター13としては高さ方向に分割された3つの領域ごとに温度勾配、及び温度を制御できるように構成された3ゾーン・ヒーターを用いた。ヒーター13及び断熱材12の材質はカーボンとした。   In this embodiment, as the heater 13, a three-zone heater configured to control the temperature gradient and the temperature for each of the three regions divided in the height direction was used. The material of the heater 13 and the heat insulating material 12 was carbon.

サファイア単結晶製造装置内の温度測定は、図1に示すように装置中心軸上の上下方向から上部側温度測定手段17、及び底部側温度測定手段16を用いて行った。各温度測定手段としては二色放射温度計を用いた。なお、底部側温度測定手段16は、坩堝軸43に設けた貫通孔422Aの下端部に設けた観察窓を介して観察するように構成した。   The temperature in the sapphire single crystal manufacturing apparatus was measured using the upper side temperature measuring means 17 and the bottom side temperature measuring means 16 from the vertical direction on the center axis of the apparatus as shown in FIG. A two-color radiation thermometer was used as each temperature measuring means. The bottom temperature measuring means 16 was configured to observe through an observation window provided at the lower end of the through hole 422A provided in the crucible shaft 43.

また、チャンバー11内を所定の雰囲気とするため、図示しないガス供給手段、及びガス排気手段を有している。   Moreover, in order to make the inside of the chamber 11 into a predetermined atmosphere, it has a gas supply means and a gas exhaust means (not shown).

次に、サファイア単結晶の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of a sapphire single crystal is demonstrated.

まず、坩堝の底部側、すなわち図4(a)における育成結晶支持部421の上に種結晶44を配置した。種結晶44としては、直径150mmφ、厚さ40mmのサファイア単結晶円板を用いた。種結晶円板の面方位(育成方位)はc面であった。次いで、図4(a)に示すように、坩堝41内の種結晶44上にサファイア単結晶の原料45として、酸化アルミニウム多結晶体粒子を25kgチャージした。   First, the seed crystal 44 was placed on the bottom side of the crucible, that is, on the grown crystal support portion 421 in FIG. As the seed crystal 44, a sapphire single crystal disk having a diameter of 150 mmφ and a thickness of 40 mm was used. The plane orientation (growth orientation) of the seed crystal disk was c-plane. Next, as shown in FIG. 4A, 25 kg of aluminum oxide polycrystal particles were charged on the seed crystal 44 in the crucible 41 as a raw material 45 of sapphire single crystal.

次に、単結晶育成工程を開始した。   Next, the single crystal growing process was started.

具体的にはまず、サファイア単結晶製造装置のチャンバー11を密閉し、チャンバー11内をArガスで置換した後に昇温を開始して原料を融解させた(原料融解ステップ)。   Specifically, first, the chamber 11 of the sapphire single crystal manufacturing apparatus was sealed, the inside of the chamber 11 was replaced with Ar gas, and then the temperature was started to melt the raw material (raw material melting step).

なお、予め融解試験を実施し、上部側温度測定手段17及び底部側温度測定手段16による測定温度と、坩堝内の種結晶の融解量、温度勾配、及び結晶台下面の温度の関係を求めておいた。   In addition, a melting test is carried out in advance, and the relationship between the temperature measured by the upper side temperature measuring means 17 and the bottom side temperature measuring means 16, the amount of melting of the seed crystal in the crucible, the temperature gradient, and the temperature of the lower surface of the crystal stage is obtained. Oita.

そして昇温時に、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段による測定値と、溶融試験の結果とを基に、3ゾーン・ヒーターの出力比を調節し、坩堝底部から上部に向かって、平均5℃/cmの勾配で温度が高くなる温度分布を形成した。   And at the time of temperature rise, based on the measured value by the upper side temperature measuring means and the bottom side temperature measuring means and the result of the melting test, the output ratio of the three zone heater is adjusted, from the crucible bottom to the upper part, A temperature distribution was formed in which the temperature increased with a gradient of 5 ° C./cm on average.

またこの際、底部側温度測定手段の測定値が所望の値となるようにヒーターの出力合計値を調整し、種結晶の上端面を5mm程融解させた。   At this time, the total output value of the heater was adjusted so that the measured value of the bottom side temperature measuring means became a desired value, and the upper end surface of the seed crystal was melted by about 5 mm.

上述の種結晶の上端面が5mm程融解させた際の温度分布の状態で30分間放置した後に、ヒーター出力を全体的に徐々に降下させて結晶育成を開始した(降温ステップ)。具体的には、炉内温度の降温速度が2.5℃/Hとなるように、ヒーター出力の降温速度を調整した。   After standing for 30 minutes in the temperature distribution state when the upper end surface of the seed crystal was melted by about 5 mm, the heater output was gradually lowered overall to start crystal growth (temperature lowering step). Specifically, the temperature decrease rate of the heater output was adjusted so that the temperature decrease rate of the furnace temperature was 2.5 ° C./H.

この時の成長界面の前進速度(成長速度)は5mm/Hとなっていると推定される。この降温速度で一定として、原料全体が結晶化するまで温度降下を行った。上部側温度測定手段により測定された温度がサファイアの融点未満になった時点で単結晶育成工程が終了したと判断した。   It is estimated that the forward speed (growth speed) of the growth interface at this time is 5 mm / H. The temperature was kept constant until the entire raw material was crystallized at a constant temperature drop rate. When the temperature measured by the upper temperature measuring means became lower than the melting point of sapphire, it was judged that the single crystal growth process was completed.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段と、底部側温度測定手段の温度差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして、冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で4mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.1mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal moving mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised 4 mm at a speed | rate of 1 mm / min, and a sapphire single-crystal outer peripheral part A gap forming step was performed in which a gap having a width of 0.1 mm was formed between the crucible and the crucible side wall.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、50℃/Hとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。   Next, as described above, the cooling step is performed such that a gap is formed between the outer periphery of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible as described above, and then the heater output is set so that the average cooling rate becomes 50 ° C./H. Was cooled to room temperature.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、クラックが全くない6インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径(結晶上端部直径)は、約168mmであった。   Then, it was confirmed that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, and the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the growth part excluding the seed crystal part had a length of about 310 mm and was a 6 inch φ crystal with no cracks. The maximum diameter of the obtained crystal (crystal upper end diameter) was about 168 mm.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks could be obtained 10 times.

得られたサファイア単結晶について評価を行った。   The obtained sapphire single crystal was evaluated.

得られたサファイア単結晶のうち、1回目に作製したサファイア単結晶について上述のように偏光検査による結晶性の評価を行ったところ、粒界が全くない単結晶であることが確認できた。   Among the obtained sapphire single crystals, when the sapphire single crystal produced for the first time was evaluated for crystallinity by polarization inspection as described above, it was confirmed that the single crystal had no grain boundaries.

また、同様に1回目に作製したサファイア単結晶からc面基板を切り出して鏡面加工した後に、X線トポグラフ像の撮影、評価、及びX線回折の半値全幅の評価を行った。これらの評価は、種結晶直上部、結晶長の1/2部、育成最終部近傍の3ヵ所から切り出された基板1枚ずつ、合計3枚を用いて行った。更に、X線回折の半値全幅の評価は、それら基板の中央部と最外周部から10mm内側を90゜おきに4点の計5点を3枚全ての基板で測定した。   Similarly, a c-plane substrate was cut out from the first-produced sapphire single crystal and mirror-finished, and then X-ray topographic images were photographed and evaluated, and the full width at half maximum of X-ray diffraction was evaluated. These evaluations were performed using a total of three substrates, one each cut out from three locations immediately above the seed crystal, ½ part of the crystal length, and the vicinity of the final growth part. Furthermore, the evaluation of the full width at half maximum of X-ray diffraction was performed on all three substrates, a total of 5 points of 4 points at 90 ° intervals 10 mm inside from the central part and the outermost peripheral part of the substrates.

X線トポグラフ像を撮影したところ、3枚の基板ともリネージ等の転位の集積が見られず、結晶全体に渡って均質な結晶性であることが確認できた。   When an X-ray topographic image was taken, no accumulation of dislocations such as lineage was observed on the three substrates, and it was confirmed that the crystal was homogeneous throughout the crystal.

X線回折の半値全幅の評価結果は、種結晶直上部基板の5点平均値で10”、結晶長1/2部の基板の5点平均値9”、育成最終部基板の5点平均値で9”と、これらも結晶内で分布が無く、高品質結晶であることが確認できた。
[実施例2]
用いた坩堝の材質と、育成結晶移動機構を構成する育成結晶支持部、及び結晶移動軸の材質とをMoとした以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
The evaluation result of the full width at half maximum of X-ray diffraction is 10 ″ as the average value of 5 points on the substrate immediately above the seed crystal, 9 ″ as the average value of 5 points for the substrate having a crystal length of ½ part, It was confirmed that this was a high quality crystal with no distribution in the crystal.
[Example 2]
Single crystal growth process under the same configuration and conditions as in Example 1 except that the material of the crucible used, the growth crystal support part constituting the growth crystal movement mechanism, and the material of the crystal movement axis were changed to Mo. Carried out.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で120mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が3mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal moving mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised by 120 mm at a speed of 1 mm / min, and the sapphire single crystal outer peripheral part and The clearance gap formation step which forms a clearance gap with a width of 3 mm between the crucible side wall was implemented.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、50℃/Hとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。   Next, as described above, the cooling step is performed such that a gap is formed between the outer periphery of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible as described above, and then the heater output is set so that the average cooling rate becomes 50 ° C./H. Was cooled to room temperature.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、実施例1と同様に、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、クラックが全くない6インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径(結晶上端部直径)は、約168mmであった。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, as in Example 1, it was confirmed that it was a 6-inch φ crystal having a growth part length of about 310 mm excluding the seed crystal part and having no cracks. The maximum diameter of the obtained crystal (crystal upper end diameter) was about 168 mm.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks could be obtained 10 times.

得られたサファイア単結晶について実施例1と同様に評価を行った。   The obtained sapphire single crystal was evaluated in the same manner as in Example 1.

偏光検査、X線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅評価結果とも、実施例1と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
[実施例3]
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を0.3゜とした点以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
The results of polarization inspection, X-ray topographic image photographing, evaluation, and full width at half maximum evaluation of X-ray diffraction were the same as in Example 1, and it was confirmed that the crystals were high quality.
[Example 3]
The single crystal growth step was performed under the same configuration and the same conditions as in Example 1 except that the taper angle of the side wall of the crucible used was 0.3 °.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で50mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.1mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal moving mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised by 50 mm at a speed of 1 mm / min, and a sapphire single crystal outer peripheral part and A gap forming step for forming a gap having a width of 0.1 mm between the side wall of the crucible and the crucible was performed.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が50℃/Hとなるように冷却を行った。   Next, the cooling step is performed so that the average temperature decreasing rate is 50 ° C./H after the gap forming step for forming a gap between the outer periphery of the sapphire single crystal and the crucible side wall as described above. It was.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、クラックが全くない6インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径(結晶上端部直径)は約156mmであった。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the growth part excluding the seed crystal part had a length of about 310 mm and was a 6 inch φ crystal with no cracks. The maximum diameter of the obtained crystal (diameter at the upper end of the crystal) was about 156 mm.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks could be obtained 10 times.

得られた結晶の評価を実施例1と同様に行ったところ、偏光検査、X線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅評価結果とも、実施例1と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
[実施例4]
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を3゜とした点以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
When the obtained crystal was evaluated in the same manner as in Example 1, the results of polarization inspection, X-ray topographic image photographing, evaluation, and full width at half maximum evaluation of X-ray diffraction were the same as in Example 1. It was confirmed to be a crystal.
[Example 4]
The single crystal growth step was performed with the same configuration and the same conditions as in Example 1 except that the taper angle of the side wall of the crucible used was 3 °.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で2mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.1mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal movement mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised 2 mm at a speed | rate of 1 mm / min, and a sapphire single-crystal outer peripheral part and A gap forming step for forming a gap having a width of 0.1 mm between the side wall of the crucible and the crucible was performed.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が50℃/Hとなるように冷却を行った。   Next, the cooling step is performed so that the average temperature decreasing rate is 50 ° C./H after the gap forming step for forming a gap between the outer periphery of the sapphire single crystal and the crucible side wall as described above. It was.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、クラックが全くない6インチφであることが確認できた。得られた結晶の最大径(結晶上端部直径)は約186mmであった。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the length of the growing portion excluding the seed crystal portion was about 310 mm and that it was 6 inches φ with no cracks. The maximum diameter of the obtained crystal (crystal upper end diameter) was about 186 mm.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks could be obtained 10 times.

得られた結晶の評価を実施例1と同様に行ったところ、偏光検査、X線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅評価結果とも、実施例1と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
[実施例5]
実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
When the obtained crystal was evaluated in the same manner as in Example 1, the results of polarization inspection, X-ray topographic image photographing, evaluation, and full width at half maximum evaluation of X-ray diffraction were the same as in Example 1. It was confirmed to be a crystal.
[Example 5]
The single crystal growth step was carried out under the same configuration and the same conditions as in Example 1.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で2mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.05mmの隙間を形成した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal movement mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised 2 mm at a speed | rate of 1 mm / min, and a sapphire single-crystal outer peripheral part and A gap having a width of 0.05 mm was formed between the side wall and the crucible.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が50℃/Hとなるように冷却を行った。   Next, the cooling step is performed so that the average temperature decreasing rate is 50 ° C./H after the gap forming step for forming a gap between the outer periphery of the sapphire single crystal and the crucible side wall as described above. It was.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、6インチφ結晶であることが確認できた。しかし、結晶の約1/3の領域にクラックが発生していた。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Then, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the length of the growing part excluding the seed crystal part was about 310 mm and was a 6 inch φ crystal. However, cracks occurred in about 1/3 of the crystal.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回中6回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that sapphire single crystal without any cracks was obtained 6 times out of 10 times.

最初に作製したクラックを含有するサファイア単結晶について、クラックが無い部分から6インチφ基板を加工し、実施例1と同様のX線トポグラフ像の撮影、X線回折の半値全幅の評価を行った。   About the sapphire single crystal containing the crack produced initially, the 6-inch (phi) board | substrate was processed from the part without a crack, the imaging | photography of the X-ray topograph image similar to Example 1, and the evaluation of the full width at half maximum of X-ray diffraction were performed. .

X線トポグラフ像を撮影したところ、特に基板外周付近に、転位の集積であるリネージが多数存在していることが確認できた。   When an X-ray topographic image was photographed, it was confirmed that there were many lineages that are accumulation of dislocations, particularly in the vicinity of the outer periphery of the substrate.

また、X線回折の半値全幅の評価結果は、基板中心部の値は10”と実施例1で得られた結晶と同程度の結果であったが、基板外周部の値は、20〜30”の範囲にあり、実施例1で得られた結晶よりも結晶性に劣る結果であった。
[実施例6]
用いた坩堝の材質と、育成結晶移動機構を構成する育成結晶支持部、及び結晶移動軸の材質とをMoとした以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
Further, the evaluation result of the full width at half maximum of X-ray diffraction was 10 ″, which was the same as the crystal obtained in Example 1, but the value at the outer periphery of the substrate was 20-30. In other words, the crystallinity was inferior to that of the crystal obtained in Example 1.
[Example 6]
Single crystal growth process under the same configuration and conditions as in Example 1 except that the material of the crucible used, the growth crystal support part constituting the growth crystal movement mechanism, and the material of the crystal movement axis were changed to Mo. Carried out.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で140mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が3.5mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal moving mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised by 140 mm at a speed of 1 mm / min, and the sapphire single crystal outer peripheral part and The clearance gap formation step which forms a clearance gap with a width of 3.5 mm between the crucible side wall was implemented.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、50℃/Hとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。   Next, as described above, the cooling step is performed such that a gap is formed between the outer periphery of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible as described above, and then the heater output is set so that the average cooling rate becomes 50 ° C./H. Was cooled to room temperature.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、6インチφ結晶であることが確認できた。しかし、結晶の上端部にクラックが発生していた。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Then, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the length of the growing part excluding the seed crystal part was about 310 mm and was a 6 inch φ crystal. However, cracks occurred at the upper end of the crystal.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回中6回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that sapphire single crystal without any cracks was obtained 6 times out of 10 times.

最初に作製したクラックを含有するサファイア単結晶について、クラックが無い部分から6インチφ基板を加工し、実施例1と同様のX線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅の評価を行ったところ、何れの検査においても実施例1と同様な結果であり、結晶上端部を除けば高品質結晶であることが確認できた。
[実施例7]
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を0.2゜とした点以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
For the first produced sapphire single crystal containing cracks, a 6-inch φ substrate was processed from the crack-free part, and the X-ray topographic image was photographed and evaluated in the same manner as in Example 1, and the full width at half maximum of X-ray diffraction was evaluated. As a result, the results were the same as in Example 1 in any of the tests, and it was confirmed that the crystals were high quality except for the upper end of the crystal.
[Example 7]
The single crystal growth step was performed under the same configuration and the same conditions as in Example 1 except that the taper angle of the side wall of the crucible used was 0.2 °.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で140mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.1mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. And while starting a cooling step, the crystal moving shaft 422 which comprises the growth crystal moving mechanism 42, and the growth crystal support part 421 connected to this are raised by 140 mm at a speed of 1 mm / min, and the sapphire single crystal outer peripheral part and A gap forming step for forming a gap having a width of 0.1 mm between the side wall of the crucible and the crucible was performed.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が50℃/Hとなるように冷却を行った。   Next, the cooling step is performed so that the average temperature decreasing rate is 50 ° C./H after the gap forming step for forming a gap between the outer periphery of the sapphire single crystal and the crucible side wall as described above. It was.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、6インチφの結晶であることが確認できた。しかし、結晶の上端部にクラックが発生していた。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the grown portion excluding the seed crystal portion had a length of about 310 mm and was a 6 inch φ crystal. However, cracks occurred at the upper end of the crystal.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、6回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown ten times in total including the above-mentioned one time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks was obtained six times.

クラックが無い部分から6インチφ基板を加工し、実施例1と同様のX線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅の評価を行ったところ、何れの検査においても実施例1と同様な結果であり、結晶上端部を除けば高品質結晶であることが確認できた。
[実施例8]
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を3.5゜とした点以外は、実施例1と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。
A 6-inch φ substrate was processed from a portion free from cracks, and X-ray topographic images were taken and evaluated in the same manner as in Example 1, and the full width at half maximum of X-ray diffraction was evaluated. It was the same result, and it was confirmed that it was a high quality crystal except for the upper end of the crystal.
[Example 8]
The single crystal growth step was performed under the same configuration and the same conditions as in Example 1 except that the taper angle of the side wall of the crucible used was 3.5 °.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed.

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が3℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構42を構成する結晶移動軸422、及びこれに接続された育成結晶支持部421を1mm/minの速度で0.5mm上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が0.1mmの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。   First, the cooling step was started by adjusting the output and the output ratio of the heater so that the temperature difference between the upper temperature measuring means and the lower temperature measuring means was 3 ° C. or less. Then, the cooling step is started, and the crystal movement shaft 422 constituting the growth crystal movement mechanism 42 and the growth crystal support portion 421 connected thereto are raised by 0.5 mm at a speed of 1 mm / min, and the outer periphery of the sapphire single crystal A gap forming step for forming a gap having a width of 0.1 mm between the part and the crucible side wall was performed.

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が50℃/Hとなるように冷却を行った。   Next, the cooling step is performed so that the average temperature decreasing rate is 50 ° C./H after the gap forming step for forming a gap between the outer periphery of the sapphire single crystal and the crucible side wall as described above. It was.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約310mmで、最大径(結晶上端部直径)は約192mmのクラックを全く含まない結晶であることが確認できた。しかし、結晶の外周部を6inφに研削する際の時間と削り代のロスが実施例1等と比較すると生産効率が下がった。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. After that, when the crystal was taken out from the crucible, it was confirmed that the growth portion excluding the seed crystal portion had a length of about 310 mm and the maximum diameter (crystal upper end portion diameter) was a crystal containing no cracks at all. It was. However, when the outer peripheral portion of the crystal was ground to 6 inφ, the production efficiency was reduced in comparison with Example 1 and the like in terms of time and cutting allowance loss.

同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。   Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, it was confirmed that a sapphire single crystal having no cracks could be obtained 10 times.

得られた結晶の評価を実施例1と同様に行ったところ、偏光検査、X線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅評価結果とも、実施例1と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
[比較例1]
育成結晶移動機構を有しない点以外は実施例1と同様の構成を有するサファイア単結晶製造装置を用いて単結晶育成工程を実施した。なお、育成結晶移動機構を有していないため、坩堝の底部には底部開口部が設けられておらず、坩堝の底部に種結晶を直接配置した。また、単結晶育成工程における条件は実施例1と同様の条件とした。
When the obtained crystal was evaluated in the same manner as in Example 1, the results of polarization inspection, X-ray topographic image photographing, evaluation, and full width at half maximum evaluation of X-ray diffraction were the same as in Example 1. It was confirmed to be a crystal.
[Comparative Example 1]
A single crystal growth step was performed using a sapphire single crystal manufacturing apparatus having the same configuration as in Example 1 except that the growth crystal movement mechanism was not provided. In addition, since it does not have a growth crystal movement mechanism, the bottom part of the crucible was not provided with the bottom part opening part, but the seed crystal was directly arrange | positioned at the bottom part of the crucible. The conditions for the single crystal growth step were the same as those in Example 1.

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。冷却工程では、隙間形成ステップは実施せずに、冷却ステップのみを実施した。   Immediately after judging that the single crystal growth process was completed, the cooling process was performed. In the cooling process, only the cooling step was performed without performing the gap forming step.

冷却ステップでは、平均降温速度50℃/Hで室温まで冷却を行った。   In the cooling step, cooling was performed to room temperature at an average temperature drop rate of 50 ° C./H.

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約2日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、結晶のサイズは、実施例1と同様の6インチφで育成部の長さが約310mmのものであったが、結晶の約2/3の領域にクラックが発生していた。同様にして上記1回を含めて合計10回サファイア単結晶を育成したところ、10回ともサファイア単結晶にクラックが発生した。   After confirming that the grown sapphire single crystal was cooled to room temperature, the crucible and the crystal were taken out from the growing apparatus about two days after the completion of the single crystal growing process. Thereafter, when the crystal was taken out from the crucible, the size of the crystal was 6 inches φ, which was the same as in Example 1, and the length of the growing portion was about 310 mm. Had occurred. Similarly, when the sapphire single crystal was grown a total of 10 times including the above 1 time, cracks occurred in the sapphire single crystal in all 10 times.

最初に作製したサファイア単結晶のクラックが無い部分から6インチφの基板を加工し、実施例1と同様の手順でX線トポグラフ像の撮影、評価、X線回折の半値全幅の評価を行った。   A 6-inch φ substrate was processed from the crack-free portion of the sapphire single crystal produced first, and the X-ray topographic image was photographed and evaluated in the same procedure as in Example 1, and the full width at half maximum of X-ray diffraction was evaluated. .

X線トポグラフ像を撮影したところでき、特に基板外周付近に、転位の集積であるリネージが多数存在していることが確認できた。   An X-ray topographic image was taken, and it was confirmed that a large number of lineage, which is an accumulation of dislocations, was present particularly near the periphery of the substrate.

また、X線回折の半値全幅の評価結果は、基板中心部の値は10”と実施例1で得られた結晶と同程度の結果であったが、基板外周部の値は、25〜30”の範囲にあり、実施例1で得られた結晶よりも結晶性に劣る結果であることを確認できた。   Further, the evaluation result of the full width at half maximum of X-ray diffraction was 10 ″, which was the same as the crystal obtained in Example 1, but the value at the outer periphery of the substrate was 25-30. It was confirmed that the result was inferior in crystallinity to the crystal obtained in Example 1.

実施例1〜8と比較例1とを比較すると、育成結晶移動機構を備えていないサファイア単結晶製造装置を用いた比較例1においては、製造した全てのサファイア単結晶にクラックが発生することを確認できた。   When Examples 1-8 are compared with Comparative Example 1, in Comparative Example 1 using a sapphire single crystal manufacturing apparatus that does not have a growth crystal movement mechanism, it is confirmed that cracks occur in all manufactured sapphire single crystals. It could be confirmed.

これに対して、実施例1〜4、8は10回実施した場合に10回ともクラックを含まないサファイア単結晶を製造できることが確認できた。また、実施例5〜7においても10回実施した場合6回はクラックを含まないサファイア単結晶を製造できることを確認できた。これらの結果から、育成結晶移動機構を備えたサファイア単結晶製造装置を用いることで、クラックの発生を抑制できることを確認できた。   On the other hand, when Examples 1-4 and 8 were implemented 10 times, it has confirmed that the sapphire single crystal which does not contain a crack could be manufactured 10 times. Moreover, when it implemented 10 times also in Examples 5-7, it has confirmed that the sapphire single crystal which does not contain a crack can be manufactured 6 times. From these results, it was confirmed that the occurrence of cracks could be suppressed by using a sapphire single crystal manufacturing apparatus equipped with a growth crystal moving mechanism.

なお、実施例5においては、育成結晶移動機構を備えていたものの、サファイア単結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の隙間の間隔が小さかったため、サファイア単結晶を10回作製したうち、4回クラックが発生したものと考えられる。   In Example 5, although the growth crystal movement mechanism was provided, the gap between the outer peripheral portion of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible was small, so the sapphire single crystal was produced 10 times. It is thought that cracks occurred four times.

実施例6においては、育成結晶移動機構によりサファイア単結晶を上昇させることで、3.5mmとサファイア単結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の距離を十分に確保できた。しかし、サファイア単結晶の一部が坩堝や、ヒーターで覆われている領域から外れたため、サファイア単結晶内に大きな温度勾配が形成され、サファイア単結晶を10回作製したうち、4回クラックが発生したものと考えられる。   In Example 6, by raising the sapphire single crystal by the growth crystal moving mechanism, it was possible to sufficiently secure the distance between the outer periphery of 3.5 mm and the sapphire single crystal and the side wall of the crucible. However, since a part of the sapphire single crystal was removed from the region covered with the crucible or heater, a large temperature gradient was formed in the sapphire single crystal, and cracks occurred four times after the sapphire single crystal was produced ten times. It is thought that.

実施例7においては、坩堝の側壁のテーパー角度が0.2°と他の実施例と比較して小さかったため、サファイア単結晶の外周部と坩堝の内壁との間の距離を十分に取ろうとすると、育成結晶移動機構によるサファイア単結晶の上昇幅が大きくなった。このため、実施例6の場合と同様に、サファイア単結晶の一部が坩堝や、ヒーターで覆われている領域から外れたため、サファイア単結晶内に温度勾配が形成され、サファイア単結晶を10回作製したうち、4回クラックが発生したものと考えられる。   In Example 7, since the taper angle of the side wall of the crucible was 0.2 °, which was small compared to other examples, an attempt was made to make a sufficient distance between the outer peripheral portion of the sapphire single crystal and the inner wall of the crucible. The increase of the sapphire single crystal due to the crystal growth mechanism has been increased. For this reason, as in the case of Example 6, since a part of the sapphire single crystal was removed from the region covered with the crucible or the heater, a temperature gradient was formed in the sapphire single crystal, and the sapphire single crystal was It is considered that cracks occurred four times during the production.

10 サファイア単結晶製造装置
14、41 坩堝
411 側壁
412 底部
412A 底部開口部
141、44 種結晶
142 原料融液
421 育成結晶支持部
422 結晶移動軸
42 育成結晶移動機構
21、46 育成結晶(サファイア単結晶)
52 テーパー角度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sapphire single crystal manufacturing apparatus 14, 41 Crucible 411 Side wall 412 Bottom part 412A Bottom part opening part 141, 44 Seed crystal 142 Raw material melt 421 Growth crystal support part 422 Crystal movement axis 42 Growth crystal movement mechanism 21, 46 Growth crystal (sapphire single crystal )
52 Taper angle

Claims (4)

坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置であって、
底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝と、
前記坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構と、を備え、
前記坩堝の底部には底部開口部が設けられており、前記結晶移動軸は前記底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容されるサファイア単結晶製造装置。
A sapphire single crystal is grown by setting a seed crystal on the bottom side in the crucible and solidifying the raw material melt from the seed crystal side under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. A crystal manufacturing apparatus,
A crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top;
A growth crystal support portion for supporting a growth crystal in the crucible, and a growth crystal movement mechanism including a crystal movement axis connected to the growth crystal support portion and capable of moving the growth crystal support portion vertically in the crucible. Prepared,
An apparatus for producing a sapphire single crystal, wherein a bottom opening is provided at the bottom of the crucible, the crystal movement axis passes through the bottom opening, and at least a part thereof is accommodated in the crucible.
坩堝の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配のもとで、前記種結晶側から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行うサファイア単結晶の製造方法であって、
底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程と、
前記単結晶育成工程終了後、前記サファイア単結晶を冷却する冷却工程と、を有し、
前記冷却工程は、前記坩堝内で育成したサファイア単結晶を支持している育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され、前記坩堝の底部に設けられた底部開口部を通り、前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構により、前記サファイア単結晶の位置を上昇させ、前記サファイア単結晶の外周部と前記坩堝の側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを有するサファイア単結晶の製造方法。
A seed crystal is placed on the bottom side of the crucible, and a sapphire single crystal is grown by solidifying the raw material melt from the seed crystal side under a temperature gradient in which the temperature increases from the bottom to the top of the crucible. A method for producing a sapphire single crystal,
A single crystal growth step of growing a sapphire single crystal in a crucible having a tapered side wall whose inner diameter increases from the bottom toward the top;
A cooling step of cooling the sapphire single crystal after completion of the single crystal growth step;
The cooling step is connected to the grown crystal support unit supporting the sapphire single crystal grown in the crucible and the grown crystal support unit, and passes through the bottom opening provided at the bottom of the crucible and the grown The position of the sapphire single crystal is raised by a growth crystal movement mechanism including a crystal movement axis capable of moving the crystal support portion in the vertical direction in the crucible, and between the outer periphery of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible. The manufacturing method of the sapphire single crystal which has the clearance gap formation step which forms a clearance gap.
前記隙間形成ステップにおいて形成する、前記サファイア単結晶の外周部と、前記坩堝の側壁との隙間の幅が0.1mm以上3mm以下である請求項2に記載のサファイア単結晶の製造方法。   The method for producing a sapphire single crystal according to claim 2, wherein a width of a gap between the outer peripheral portion of the sapphire single crystal and the side wall of the crucible formed in the gap forming step is 0.1 mm or more and 3 mm or less. 前記坩堝の、側壁のテーパー角度が0.3゜以上3゜以下である請求項2または3に記載のサファイア単結晶の製造方法。   The method for producing a sapphire single crystal according to claim 2 or 3, wherein a side wall taper angle of the crucible is not less than 0.3 ° and not more than 3 °.
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