JP2017105710A - サファイア単結晶育成用ダイ及びダイパック、サファイア単結晶育成装置、サファイア単結晶の育成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の育成に使用するダイ上面の曲率Ｒを、長い時間やコストをかけることなく迅速に決定することにより、大口径かつ結晶品質に優れたサファイア単結晶及びサファイア基板を提供すること。並びに、ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の育成に用いられるダイ及びダイパックと、サファイア単結晶の育成方法を提供すること。
【解決手段】
ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の育成に使用するダイであって、上面が長手方向に曲率Ｒを有し、前記曲率Ｒが長手方向の幅Ｗの５倍以下であることを特徴とするダイを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サファイア単結晶育成用ダイ及びダイパック、サファイア単結晶育成装置、サファイア単結晶の育成方法に関する。

従来、単結晶を成長させる方法として、チョクラルスキー（ＣＺ）法、ヒートエクスチェンジ（ＨＥＭ）法、ベルヌイ法、エッジデファインド・フィルムフェッド・グロース（ＥＦＧ）法などが知られている。このうち、平板形状の単結晶を製造する方法としてはＥＦＧ法が唯一の方法として知られている。ＥＦＧ法は、所定の結晶方位を有する単結晶を製造する場合に極めて利用価値が高い結晶製造方法であり、ＥＦＧ法を用いて育成されたサファイア単結晶は、薄板状の基板加工への工数を減らすことができるという利点があることから、青色発光素子のエピタキシャル成長基板をはじめとする様々な用途に用いられている。

ＥＦＧ法を用いたサファイア単結晶の量産方法として、特許文献１が知られている。特許文献１には、平板形状の単結晶材を成長させる原料溶融液面の長手方向に垂直な方向に、結晶成長用の種結晶を配置して引き上げることにより、一枚の種結晶から複数枚の単結晶材を育成するサファイア単結晶の製造方法とダイが開示されている。

特許文献２には、ＥＦＧ法を用いたシリコンリボン単結晶成長装置において、キャピラリ上縁の長辺方向における形状が、その両端に対し中央部分が凹んでいるダイが開示されている。特許文献２のダイは、キャピラリ上縁の長辺方向の幅寸法Ｗに対し３Ｗ乃至２０Ｗの曲率をもって凹形に湾曲していることを特徴としており、幅寸法が２．５４ｃｍのキャピラリを使用して、シリコンリボン結晶の引き上げ速度が毎分２０ｍｍのときには曲率Ｒが２５０ｍｍ、毎分３０ｍｍのときには曲率Ｒが１５０ｍｍのものを用いて良質のリボン結晶が得られると記載されている。特許文献２に記載の湾曲したダイを用いてシリコン単結晶を成長させると、固液界面が水平面になるため育成結晶の結晶欠陥を抑えることができることが記載されている。

特許第４４６５４８１号公報 特開昭５２−１５６１８４号公報

本出願人が従来から製造していたサファイア基板は、年々市場が求める基板サイズが大口径化し、育成結晶を大型化する必要があった。大口径化への対応として、ダイの長手方向の幅を変更して育成結晶を大型化する方法が試みられたが、育成結晶に線欠陥（ｓｌｉｐ）や結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）等の結晶欠陥が多数発生し、良好な大型結晶が得られなかった。

それに加えて、結晶育成中に融液が一時的に固化してしまうフリーズという現象が頻繁に発生していた。フリーズが起こると、結晶品質が悪くなるだけでなく、程度によっては育成を中断しなくてはならなくなり、結果として製品歩留まりが低下するという問題も引き起こしていた。

本発明者は、サファイア単結晶を育成する際、上面が僅かに湾曲したダイを用いることによって、上記の結晶欠陥の発生を抑える効果があるという知見を経験的に得ていた。しかしながら、特許文献２に開示されている３Ｗ乃至２０Ｗを適用しても良好なサファイアの大型結晶は得られなかった。即ち、特許文献２では、単にキャピラリの幅寸法Ｗが２．５４ｃｍの場合の曲率Ｒ１５０ｍｍ及び２５０ｍｍが、３Ｗ乃至２０Ｗの範囲に含まれていたという結果を示しているにすぎず、サファイア単結晶育成には適用できなかった。そのため、サファイア単結晶について、結晶幅に応じた最適な曲率Ｒを決定する手法は確立されておらず、従来は、曲率Ｒを変更したダイを実際に数種類用意し、育成試験を繰り返すことによって結晶幅に応じた最適な曲率Ｒを決定する必要があり、長い時間とコストがかかっていた。

前述したように、大口径かつ結晶品質に優れたサファイア基板を市場に提供することが求められており、長い時間やコストをかけることなく最適な曲率Ｒを迅速に決定する必要があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長い時間やコストをかけることなく、ダイ上面の曲率Ｒを迅速に決定することにより、大口径かつ結晶品質に優れたサファイア単結晶及びサファイア基板を提供することを目的とする。また、ＥＦＧ法によるサファイア単結晶育成に適用可能なダイ及びダイパックと、サファイア単結晶育成装置、サファイア単結晶の育成方法を提供することを目的とする。

本発明者は、育成結晶幅に応じたダイ上面の曲率Ｒの最適値を迅速に決定する手法を見出し、それによって求められた曲率Ｒを有するダイ及びダイパックを用いると、結晶品質に優れたサファイア単結晶及びサファイア基板を量産できることを見出した。本発明者の検証によると、サファイア単結晶育成に適用可能なダイ上面の曲率Ｒは、特許文献２に示された数値範囲とは異なることが分かった。

（１）即ち、本発明に係るダイは、ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の育成に使用するダイであって、上面が長手方向に曲率Ｒを有し、前記曲率Ｒが長手方向の幅Ｗの５倍以下であることを特徴とする。

（２）また、本発明に係るダイの一実施形態は、前記サファイア単結晶の成長主面がｃ面であることを特徴とする。

（３）また、本発明に係るダイの他の実施形態は、前記曲率Ｒが前記幅Ｗの３倍未満であることを特徴とする。

（４）また、本発明に係るダイの他の実施形態は、前記サファイア単結晶の成長主面がａ面であることを特徴とする。

（５）また、本発明に係るダイパックは、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の前記ダイを複数組平行に対向配置させたダイパックであって、その数が２以上８０以下であることを特徴とする。

（６）また、本発明に係るサファイア単結晶育成装置は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のダイ又は上記（５）に記載のダイパックを用いることを特徴とする。

（７）また、本発明に係るサファイア単結晶の育成方法は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のダイ又は上記（５）に記載のダイパックを使用することを特徴とする。

本発明によれば、長い時間やコストをかけることなく、ダイ上面の曲率Ｒを迅速に決定することにより、大口径かつ結晶品質に優れたサファイア単結晶及びサファイア基板の提供が可能になるという効果を有する。さらには、ＥＦＧ法によるサファイア単結晶育成に適用可能なダイ及びダイパックと、サファイア単結晶育成装置、サファイア単結晶の育成方法を提供することが可能になるという効果を有する。

本発明に係るダイ及びダイパックを説明する（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 ダイの長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフである。 ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の製造装置を示す概略構成図である。 （ａ） 本発明の実施形態における種結晶とダイ及びダイパックの位置関係を模式的に示す図である。（ｂ） 本発明の実施形態における、種結晶の一部を溶融する様子を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るサファイア単結晶のスプレーディング（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）工程を模式的に示す斜視図である。 ＥＦＧ法により得られる複数枚のサファイア単結晶を模式的に示す斜視図である。 育成結晶の主面をｃ面とした場合のダイ長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフである。 育成結晶の主面をａ面とした場合のダイ長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフである。

以下、図１を参照して、本発明に係るダイ及びダイパックについて詳細に説明する。

本発明のダイ１０１及びダイパック１０２の一例は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、一対の仕切り板２０１が微小間隙を空けて対向配置されている。原料溶融液は、該微小間隙を伝ってダイ上部に導かれ、原料溶融液面を形成する。仕切り板２０１は同一の平板形状を有し、微小間隙（スリット２０２）を形成するように平行に配置されている。

図１（ａ）は本発明に係るダイ１０１及びダイパック１０２の正面図、（ｂ）は側面図である。本明細書中で記載する「ダイ」とは、一対の仕切り板（２０１，２０１）によって構成されるものを呼ぶものとする。そして「ダイパック」とは、前記ダイ１０１が複数組、互いのスリットが平行になるように対向配置したものを呼ぶものとする。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明に係るダイ及びダイパックは、その上面がダイの長手方向に対し曲率Ｒを有している。曲率Ｒは、育成する結晶の直胴部分の幅によって決定される。ダイの長手方向の幅Ｗは、育成する結晶の直胴部分の幅と同一の幅を持つように設計される。結晶育成が行われるダイの上面形状は、一例として図１（ａ）に示すように、上面に傾斜面を有し、鋭角の開口部が形成されたものを用いるのが好ましい。

本発明者が実際に曲率Ｒの異なる数種類のダイ及びダイパックを準備して行った育成試験によれば、ＥＦＧ法によるサファイア単結晶育成に適用可能な曲率Ｒは、ダイの長手方向の幅Ｗの５倍以下とするのが好ましい。５倍以下とすることで、ダイの長手方向における中央部分と端の部分での温度分布を小さくすることができるため、サファイア単結晶の成長主面の結晶面にかかわらず、結晶欠陥や育成中におけるフリーズの発生を抑えることが可能となり、結晶品質に優れたサファイア単結晶を製造できる。また、ダイの設計が容易になるという効果も有する。

さらに本発明者の育成試験による検証によれば、成長主面毎に幅Ｗに対する曲率Ｒの最適値を求める場合、幅Ｗの５倍以下とすることに加え、二次関数である数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷを適用するのが好ましい。二次関数を適用して曲率Ｒの最適値を求める手法は、後述する実施例に基づいて本発明者が見出した手法である。図２は、ダイの長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフであり、二次関数であるＲ＝ｅＷ²＋ｆＷを適用する手法によって、あらゆる結晶幅に対して、曲率Ｒの最適値を簡便に決定することが可能となる。

ここで、育成結晶の成長主面にかかわらず、ｅは０．００１以上０．２以下の値とするのが好ましい。ｅに加えて、ｆは０．００１以上３以下とするのが好ましい。ｅ及びｆを上記の数値範囲とすることにより、育成結晶の成長主面にかかわらず、結晶欠陥やフリーズの発生を抑えることが可能となり、結晶品質に優れたサファイア単結晶を製造できる。

本発明者の育成試験による検証によれば、ｅ及びｆは、育成結晶の成長主面によって最適な数値範囲を選択すればよい。例えば成長主面がｃ面の場合は、ｅが０．００１以上０．２以下、且つ、ｆが０．００１以上３以下とするのが好ましく、ｅが０．００１以上０．０５以下、且つ、ｆが０．００１以上３以下とするのがより好ましい。また、ｅ及びｆの条件に加えて、Ｒ／Ｗが３未満の値を有するように設定されるのが好ましい。すなわち、成長主面がｃ面の場合、曲率Ｒはダイの長手方向の幅Ｗの３倍未満とするのが好ましい。ｅ及びｆに数値範囲が設定されていることで、同じ幅Ｗであっても育成結晶の厚みやダイの枚数が異なる場合における若干の設計自由度を確保することが可能となる。

また、主面がａ面の場合は、ｅが０．００１以上０．１以下とするのが好ましく、さらに、ｅを０．００５以上０．０５以下とするのがより好ましい。また、前記ｅに加えてｆの値は０．５以上２．５以下とするのが好ましい。

また、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷにより求められた曲率Ｒは、最大で±２５％、好ましくは±１０％、さらに好ましくは±５％の範囲内で必要に応じて変更することが可能であり、ダイの加工難易度を下げることができる。従って、ダイの加工コストを下げることが可能になる。

本発明のダイ及びダイパックにおいて、長手方向の幅Ｗは育成結晶の幅に対応し、その幅は２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが望ましい。幅Ｗが２０ｍｍ未満と小さい場合には、ダイの長手方向に曲率Ｒを設ける効果自体が小さいため好ましくない。また、３００ｍｍを超えると、前述の数式を用いて曲率Ｒの最適値を求めることが困難になるため、好ましくない。２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることによって、結晶品質に優れ、かつ３００ｍｍ以下までの大口径サファイア基板に対応した大型のサファイア単結晶を育成することができる。

図１（ａ）に示されるように、一対の仕切り板によって構成されるダイ１０１の厚みｔは、育成結晶の厚みに対応する。本発明のダイは、その厚みｔを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが望ましい。厚みｔを１ｍｍ以上とすることで、育成されたサファイア単結晶自身の強度と自立性を確保することができる。さらに、サファイア基板に加工する場合でも、十分な加工代を確保することができる。また、厚みｔが１０ｍｍを超えると結晶品質に優れたサファイア単結晶を得ることが困難となるため、１０ｍｍ以下とするのが好ましい。

また本発明のダイパック１０２の一例は、前記ダイが複数組、互いのスリットが平行になるように対向配置したものである。本発明では、その数は２以上８０以下、より好ましくは２以上５０以下とするのが望ましい。本発明のダイパックを用いると、共通の種結晶から複数枚のサファイア単結晶を育成できるため量産性を向上できる。しかしながら、その数は育成結晶幅と結晶厚みによって制限を受ける。育成結晶枚数が８０を超えると、枚数方向の温度バランス調整が難しくなるため好ましくない。

前記ダイ及びダイパックの材質は、サファイア単結晶育成時において２０００℃を超える高温下での使用に適している高融点金属のモリブデン又はモリブデンの合金が好ましい。

前記ダイ及びダイパックは、育成結晶幅及び厚み、育成枚数に応じて作製され、坩堝内に設置される。

以下、本発明に係るダイ及びダイパックを使用して、ＥＦＧ法においてサファイア単結晶を育成する方法について、図３〜図６を参照しながら詳細に説明する。ここでは、ダイパックを使用して複数枚のサファイア単結晶を育成する場合について説明するが、ダイを使用して一枚のサファイア単結晶を育成する場合も同様に育成することができる。

図３に示すように、サファイア単結晶の製造装置３は、サファイア単結晶を育成する育成容器４と、育成したサファイア単結晶を引き上げる引き上げ容器５とから構成され、ＥＦＧ法により複数枚のサファイア単結晶２０を成長させる。
育成容器４は、坩堝６、坩堝駆動部７、ヒータ８、電極９、ダイパック１０２、及び断熱材１０を備える。坩堝６はモリブデン又はモリブデンの合金製であり、酸化アルミニウム原料を溶融する。坩堝駆動部７は、坩堝６をその鉛直方向を軸として回転させる。ヒータ８は坩堝６を加熱する。また、電極９はヒータ８を通電する。

ダイパック１０２は坩堝６内に設置され、サファイア単結晶を引き上げる際の酸化アルミニウム融液（以下、必要に応じて単に「融液」と表記）の液面形状を決定する。また断熱材１０は、坩堝６とヒータ８とダイパック１０２を取り囲んでいる。

更に育成容器４は、雰囲気ガス導入口１１と排気口１２を備える。雰囲気ガス導入口１１は、雰囲気ガスとして例えばアルゴンガスを育成容器４内に導入するための導入口であり、坩堝６やヒータ８、及びダイパック１０２の酸化消耗を防止する。一方、排気口１２は育成容器４内を排気するために備えられる。

引き上げ容器５は、シャフト１３、シャフト駆動部１４、ゲートバルブ１５、及び基板出入口１６を備え、種結晶２１から結晶成長した複数枚のサファイア単結晶２０を引き上げる。シャフト１３は種結晶２１を保持する。またシャフト駆動部１４は、シャフト１３を坩堝６に向けて昇降させると共に、その昇降方向を軸としてシャフト１３を回転させる。ゲートバルブ１５は育成容器４と引き上げ容器５とを仕切る。また基板出入口１６は、種結晶２１を出し入れする。

なお製造装置３は、図示されない制御部も有し、この制御部により坩堝駆動部７及びシャフト駆動部１４の回転を制御する。

次に、前記製造装置３を使用したサファイア単結晶２０の製造方法について、図４〜図６を参照しながら説明する。最初にサファイア単結晶の原料である造粒された酸化アルミニウム原料粉末（９９．９９％酸化アルミニウム）をダイパック１０２が収納された坩堝６に所定量投入して充填する。酸化アルミニウム原料粉末には、製造しようとするサファイア単結晶の純度又は組成に応じて、酸化アルミニウム以外の化合物や元素が含まれていても良い。

続いて、坩堝６やヒータ８若しくはダイパック１０２を酸化消耗させないために、育成容器４内をアルゴンガスで置換し、酸素濃度を所定値以下とする。
次に、ヒータ８で加熱して坩堝６を所定の温度とし、酸化アルミニウム原料粉末を溶融する。酸化アルミニウムの融点は２０５０℃〜２０７２℃程度なので、坩堝６の加熱温度はその融点以上の温度（例えば２１００℃）に設定する。加熱後しばらくすると原料粉末が溶融して、酸化アルミニウム融液１７が用意される。図４（ａ）に示すように、融液の一部はダイのスリット２０２を毛細管現象により上昇してダイパック１０２の表面に達し、スリット上部に融液溜まり１８が形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、スリット上部の融液溜まり１８の長手方向に対して垂直な角度に種結晶２１を保持しつつ降下させ、種結晶２１を融液溜まり１８の融液面に接触させる。なお、種結晶２１は、予め基板出入口１６から引き上げ容器５内に導入しておく。

図４（ａ），（ｂ）に示す種結晶２１の形状は一例である。種結晶２１の平面方向とダイパック１０２の長手方向が、互いに９０°の角度で直交となるように配置されることによって、一枚の種結晶から複数枚のサファイア単結晶を同時に育成することが可能となる。従って、育成されたサファイア単結晶２０の平面方向も、種結晶２１の平面方向に９０°の角度で直交することになる。
次に、図５に示すようにネック部分２２を形成する。具体的には、まずシャフト１３により基板保持具を高速で上昇させながら細いネック部分２２を作製（ネッキング）する。以降ではこの工程をネッキング工程と称する。

ネック部分２２は、種結晶２１の厚み若しくは融液溜まり１８の幅程度の細い径を有する結晶部分であり、結晶欠陥を低減又は除去するために形成される。またネック部分２２の長さは、その径の３倍程度まで形成される。この程度まで結晶成長されると、ネック部分２２で結晶欠陥が発生しても、その欠陥はサファイア単結晶２０まで形成されることが防止される。従ってネッキング工程を経ることにより、結晶欠陥が低減又は解消された平板形状のサファイア単結晶２０を製造することが可能となる。

ネッキング工程を経た後、ヒータ８を制御して坩堝６の温度を降下させると共に、基板保持具の上昇速度を所定の速度に設定し、種結晶２１を中心に、図５に示すようにサファイア単結晶２０をダイの長手方向に拡幅するように結晶成長させる（スプレーディング工程）。図５は、スプレーディング工程により該サファイア単結晶２０の幅が広がる様子を示した模式図である。

サファイア単結晶２０が、ダイの全幅まで拡幅すると（フルスプレッド）、ダイの長手方向の幅Ｗで規定される結晶幅を有する直胴部分２３の育成が開始される（直胴工程）。直胴工程では、互いに略平行で対向する側面で規定される直胴部分を有する複数のサファイア単結晶２０が製造される。直胴長さは特に限定されないが、２インチ以上（５０．８ｍｍ以上）が好ましい。前述のネッキング工程、スプレーディング工程及び直胴工程を経て、図６に示すような、複数枚のサファイア単結晶２０が得られる。

この後、得られた複数枚のサファイア単結晶２０を放冷し、ゲートバルブ１５を空け、引き上げ容器５側に移動して、基板出入口１６から取り出す。

以上説明したような製造装置３、及びダイパック１０２を用いることにより、共通の種結晶２１から複数枚のサファイア単結晶２０を製造することが出来る。なお、種結晶２１の結晶面を任意に設定することで、サファイア単結晶２０の主面の結晶面も任意に変更することが可能となる。サファイア単結晶２０の主面は、ａ面に限定されず、例えばｃ面、ｒ面、ｍ面等、所望の結晶面に設定することが可能である。

図１に示したダイパック１０２及び図３に示したサファイア単結晶の製造装置３を用いて、上述した方法でｃ面を主面とする複数のサファイア単結晶２０を製造した。ダイ上面の曲率Ｒ（ｍｍ）、ダイの長手方向の幅Ｗ（ｍｍ）を表１に示すようにダイパック１０２の各パラメータとして変更し、実施例１〜５および比較例１、２のサファイア単結晶２０を得た。なお、幅Ｗが１０５ｍｍである実施例２〜４、及び比較例１におけるダイの厚みｔは同一である。また、実施例３、４、及び比較例１における育成枚数は同一であり、実施例１、２とは育成枚数が異なっている。また、幅Ｗが１５５ｍｍである実施例５と比較例２における、ダイの厚みｔ及び育成枚数は同一である。

得られたサファイア単結晶２０の結晶性を評価したところ、実施例１〜５では線欠陥や結晶粒界といった結晶箇所が無く良好な単結晶であったが、比較例１、２では線欠陥や結晶粒界が存在し結晶性が良好ではなかった。

図７は、育成結晶の主面をｃ面とした場合のダイ長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフである。グラフ中では実施例１〜５を◆でプロットし、比較例１、２を×でプロットしている。また、グラフ中に示した曲線は実施例１〜５のデータを最小二乗法により近似した近似曲線であり、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの関係を示す二次曲線である。

図７に示したように、良好な単結晶が得られた実施例１〜５は前述した数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの関係式を満たしているが、比較例１、２は関係式からやや外れており、グラフ中に示した直線Ｒ＝３Ｗを境界にＲが３Ｗ未満で良品となり、Ｒが３Ｗ以上では不良品であった。また、Ｒが０．０５Ｗ未満の範囲では上述した数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの係数ｅ及びｆの下限値を満たすことが困難である。

したがって、本発明のＥＦＧ法におけるサファイア単結晶育成装置を用いたサファイア単結晶の育成方法では、サファイア単結晶の成長主面がｃ面とした場合には、ダイ上面の曲率Ｒをダイ長手方向の幅Ｗの３倍未満とすることで、良好なサファイア単結晶を育成できることがわかった。さらに、Ｒが３Ｗ未満を満たしつつ、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷを満たすものがより好ましいことが分かった。

次に、図１に示したダイパック１０２及び図３に示したサファイア単結晶の製造装置３を用いて、上述した方法でａ面を主面とするサファイア単結晶２０を製造した。ダイ上面の曲率Ｒ（ｍｍ）、ダイの長手方向の幅Ｗ（ｍｍ）を表１に示すようにダイパック１０２の各パラメータとして変更し、実施例６〜９および比較例３、４の複数のサファイア単結晶２０を得た。なお、幅Ｗが１３８ｍｍである実施例７、８、及び比較例３におけるダイの厚みｔ及び育成枚数は同一である。また、幅Ｗが１５０ｍｍである実施例９と比較例４におけるダイの厚みｔ及び育成枚数は同一である。

得られたサファイア単結晶２０の結晶性を評価したところ、実施例６〜９では線欠陥及び結晶粒界といった結晶箇所が無く良好な単結晶であったが、比較例３、４では線欠陥や結晶粒界が存在し結晶性が良好ではなかった。

図８は、育成結晶の主面をａ面とした場合のダイ長手方向の幅Ｗとダイ上面の曲率Ｒの関係を示すグラフである。グラフ中では実施例６〜９を◆でプロットし、比較例３、４を×でプロットしている。図７と同様に、図８のグラフ中に示した曲線は実施例６〜９のデータを最小二乗法により近似した近似曲線であり、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの関係を示す二次曲線である。

図８に示したように、良好な単結晶が得られた実施例６〜９は前述した数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの関係式を満たしているが、比較例３、４は関係式からやや外れており、グラフ中に示した直線Ｒ＝５Ｗを境界にＲが５Ｗ以下で良品となり、Ｒが５Ｗより大きいと不良品であった。また、Ｒが０．０５Ｗ未満の範囲では上述した数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの係数ｅ及びｆの下限値を満たすことが困難である。

したがって、本発明のＥＦＧ法におけるサファイア単結晶育成装置を用いたサファイア単結晶の育成方法では、サファイア単結晶の成長主面がａ面とした場合には、ダイ上面の曲率Ｒをダイ長手方向の幅Ｗの５倍以下とすることで、良好なサファイア単結晶を育成できることがわかった。さらに、Ｒが５Ｗ以下を満たしつつ、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷを満たすものがより好ましいことが分かった。

図７ではＷが約２２０ｍｍよりも大きい領域において、数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷはＲが３Ｗ以上となっている。この領域では、図８に示したようにＲが５Ｗ以下であれば数式Ｒ＝ｅＷ²＋ｆＷの関係式を満たすことで良好な単結晶を育成できると予想されるが、ｃ面での育成では図７に示したようにＲ＝３Ｗを境界として線欠陥や結晶粒界が生じたため、余裕をもってＲが３Ｗ未満とすることが好ましい。図８に示したａ面の場合にも、同様にＲが５Ｗ以下とすることが好ましい。

本発明のダイ及びダイパックを用いて育成されたサファイア単結晶は、直胴部分に線欠陥（ｓｌｉｐ）や結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）等の結晶欠陥がなく、結晶品質に優れている。「直胴部分に結晶欠陥を有さない」とは、育成結晶の直胴部分のうち、基板加工に使用される領域に上記のような結晶欠陥が存在しないことを意味する。具体的には、育成結晶の幅に対し９５％以内の領域に結晶欠陥がないため、製品歩留まりを向上させることができる。また、育成結晶の直胴部分の下端面形状が、引き上げ方向に対し凹面に形成されるという特徴を有する。これは、本発明のダイ上面が長手方向に曲率を有することによる。このようにして得られたサファイア単結晶に研磨加工を施し、結晶品質に優れたサファイア基板を提供することができる。

１０１ ダイ
１０２ ダイパック
２０１ 仕切り板
２０２ スリット
３ サファイア単結晶の製造装置
４ 育成容器
５ 引き上げ容器
６ 坩堝
７ 坩堝駆動部
８ ヒータ
９ 電極
１０ 断熱材
１１ 雰囲気ガス導入口
１２ 排気口
１３ シャフト
１４ シャフト駆動部
１５ ゲートバルブ
１６ 基板出入口
１７ 酸化アルミニウム融液
１８ 酸化アルミニウム融液溜まり
２０ 複数枚のサファイア単結晶
２１ 種結晶
２２ ネック部分
２３ 直胴部分
Ｒ ダイ上面の曲率
Ｗ ダイの長手方向の幅
ｔ ダイの厚み

Claims (7)

1. ＥＦＧ法によるサファイア単結晶の育成に使用するダイであって、上面が長手方向に曲率Ｒを有し、前記曲率Ｒが長手方向の幅Ｗの５倍以下であることを特徴とするダイ。
2. 前記サファイア単結晶の成長主面がｃ面であることを特徴とする請求項１記載のダイ。
3. 前記曲率Ｒが前記幅Ｗの３倍未満であることを特徴とする請求項２記載のダイ。
4. 前記サファイア単結晶の成長主面がａ面であることを特徴とする請求項１に記載のダイ。
5. 請求項１〜４の何れか一つに記載の前記ダイを複数組平行に対向配置させたダイパックであって、その数が２以上８０以下であることを特徴とするダイパック。
6. ＥＦＧ法におけるサファイア単結晶育成装置であって、請求項１〜４の何れか一つに記載のダイ又は請求項５に記載のダイパックを用いるサファイア単結晶育成装置。
7. ＥＦＧ法におけるサファイア単結晶の育成方法であって、請求項１〜４の何れか一つに記載のダイ又は請求項５に記載のダイパックを使用することを特徴とするサファイア単結晶の育成方法。

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