JP4905138B2 - Method for producing aluminum oxide single crystal - Google Patents

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本発明は、酸化アルミニウム単結晶の製造方法に関し、より詳しくは、原料を融解放置する温度を精細に管理し、必要以上にルツボを加熱しないことで、インクルージョンの発生を抑えて効率的に高品質な酸化アルミニウム単結晶を製造する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing an aluminum oxide single crystal. More specifically, the temperature at which the raw material is allowed to melt is precisely controlled, and the crucible is not heated more than necessary, thereby suppressing the occurrence of inclusion and efficiently producing high quality. The present invention relates to a method for producing a simple aluminum oxide single crystal.

酸化アルミニウム単結晶は、青色LEDや白色LEDを作製する際のエピ成長基板として多く利用されている。これらのLEDは、省エネルギーの観点で照明分野への普及が拡大することが予想されており多方面から注目されている。   Aluminum oxide single crystals are widely used as an epi growth substrate for producing blue LEDs and white LEDs. These LEDs are expected to spread in the lighting field from the viewpoint of energy saving, and are attracting attention from various fields.

酸化物単結晶の育成方法は様々あるが、LN、LT、YAGや酸化アルミニウムなどの酸化物単結晶材料の大部分は、その結晶特性や大きな結晶径のものが得られることから溶融固化法で育成されている。特に、溶融固化法の一つであるチョクラルスキー法(Cz法)は、汎用性があり技術的完成度が高いことから最も広く用いられている。
チョクラルスキー法によって酸化物単結晶を製造するには、まずルツボに酸化物原料を充填し、高周波誘導加熱法や抵抗加熱法によりルツボを加熱し原料を溶融する。原料が溶融した後、所定の結晶方位に切り出した種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら所定の速度で上方に引き上げて単結晶を成長させる。
There are various methods for growing oxide single crystals, but most of the oxide single crystal materials such as LN, LT, YAG and aluminum oxide are obtained by melt solidification because their crystal characteristics and large crystal diameters are obtained. It is nurtured. In particular, the Czochralski method (Cz method), which is one of the melt solidification methods, is most widely used because of its versatility and high technical perfection.
In order to produce an oxide single crystal by the Czochralski method, first, an oxide raw material is filled in a crucible, and the raw material is melted by heating the crucible by a high frequency induction heating method or a resistance heating method. After the raw material is melted, the seed crystal cut in a predetermined crystal orientation is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the single crystal is grown by pulling upward at a predetermined speed while rotating the seed crystal at a predetermined rotation speed.

しかし、酸化アルミニウム単結晶をチョクラルスキー法で成長させると、結晶中に無数の微小な気泡が発生しやすい。この微小な気泡には、エピ成長基板となるウエハーをポリッシュ研磨したときに、ピット(直径数μmの微小な窪み)を発現させる。
これまで酸化アルミニウム単結晶を育成する際には、高温で原料が分解して生成した酸素原子(O)や酸素分子(O)が融液中に過飽和に存在し、これが育成した単結晶に取り込まれ、単結晶中の気泡となることが知られている。そして、これを回避するために、水素ガスや一酸化炭素ガスなどを用いた還元性雰囲気で単結晶を育成することが提案されている(特許文献1参照)。
これにより融液中に存在する酸素原子(O)や酸素分子(O)が水素ガスや一酸化炭素ガスと反応して除去されるため、育成した単結晶中への気泡の取り込み量は確かに減少する。しかしながら、育成された単結晶からウエハーを切り出し、ポリッシュ研磨したときに、ウエハー表面には多数のピットが存在しており、前記気泡の取り込み量を十分に抑制することはできていない。
However, when an aluminum oxide single crystal is grown by the Czochralski method, innumerable minute bubbles are likely to be generated in the crystal. In these minute bubbles, pits (minute dents with a diameter of several μm) are developed when a wafer to be an epitaxial growth substrate is polished.
Until now, when growing aluminum oxide single crystals, oxygen atoms (O) and oxygen molecules (O 2 ) generated by decomposition of the raw material at high temperature exist in the supersaturated state in the melt. It is known that it is taken in and becomes a bubble in the single crystal. In order to avoid this, it has been proposed to grow a single crystal in a reducing atmosphere using hydrogen gas or carbon monoxide gas (see Patent Document 1).
As a result, oxygen atoms (O) and oxygen molecules (O 2 ) present in the melt are removed by reaction with hydrogen gas or carbon monoxide gas, so the amount of bubbles taken into the grown single crystal is certain. To decrease. However, when a wafer is cut out from the grown single crystal and polished and polished, a large number of pits exist on the surface of the wafer, and the amount of bubbles taken in cannot be sufficiently suppressed.

また、融液に平衡固溶しているガス成分は、結晶化する固液界面で融液より排出される傾向にあり、界面近傍の融液は、ガス成分が過飽和となって気泡が生成されやすい。しかし、融液の対流を強化することによって界面付近で生じるガス成分の過飽和を抑制でき、結晶内へのガス成分の取り込み量を減少させられるとしている(非特許文献1参照)。
したがって、原料に含まれるガス成分を融解前にできるだけ除去して融液中に存在する過飽和のガス成分を減少させ、単結晶育成時に結晶内に取り込まれる微小な気泡の量を少なくすれば、ピットの発生を抑えることができるものと考えられる。
In addition, gas components that are in equilibrium with the melt tend to be discharged from the melt at the solid-liquid interface where crystallization occurs, and in the melt near the interface, gas components become supersaturated and bubbles are generated. Cheap. However, by enhancing the convection of the melt, it is said that the supersaturation of the gas component that occurs near the interface can be suppressed and the amount of the gas component taken into the crystal can be reduced (see Non-Patent Document 1).
Therefore, if the gas component contained in the raw material is removed as much as possible before melting to reduce the supersaturated gas component present in the melt and the amount of minute bubbles taken into the crystal during single crystal growth is reduced, pits can be obtained. It is thought that the occurrence of the occurrence can be suppressed.

このような観点から、本発明者らは、原料を加熱する際に、加熱によって結晶用原料から発生するガスを除去するに十分な程度の圧力に、炉体内の圧を減圧した後、該ガスを除去しながら徐々に結晶用原料を溶融させ、引き続き、酸素及び窒素または不活性ガスからなる混合ガスを導入し、十分な酸素分圧下、炉体内の圧を大気圧に戻してから成長結晶を引き上げることでピットの発生を抑えることができることを見出している。   From such a viewpoint, when heating the raw material, the inventors reduced the pressure in the furnace body to a pressure sufficient to remove the gas generated from the crystallization raw material by heating, and then the gas The raw material for crystallization is gradually melted while removing the oxygen, and subsequently, a mixed gas consisting of oxygen and nitrogen or an inert gas is introduced, and the pressure inside the furnace is returned to atmospheric pressure under a sufficient partial pressure of oxygen, and then the grown crystal is It has been found that pulling up can suppress the occurrence of pits.

微小な気泡の発生の他、酸化アルミニウム単結晶に発生する微小な欠陥としてインクルージョンが知られている。このインクルージョンの大きさは、直径数μmから数十μmであるが、このようなインクルージョンを含む結晶から得たウエハーをポリッシュ研磨すると、ウエハー表面には直径数μmから数十μmの突起が多数現れる。
インクルージョンは高温の融点を持つ酸化物結晶に見られており、酸化アルミニウムの他に、光アイソレーターに用いられるGGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)単結晶や波長可変レーザーの発振母体に使用されるアレキサンドライト単結晶においても報告がある。
In addition to the generation of microbubbles, inclusion is known as a micro defect generated in an aluminum oxide single crystal. The size of this inclusion is from several μm to several tens of μm in diameter. However, when a wafer obtained from a crystal containing such inclusions is polished, many protrusions with a diameter of several μm to several tens of μm appear on the wafer surface. .
Inclusions are found in oxide crystals with a high melting point. In addition to aluminum oxide, single crystals of alexandrite used in the oscillation base of GGG (gadolinium gallium garnet) single crystals used in optical isolators and tunable lasers are used. There are also reports on crystals.

イリジウムルツボを用いた酸化アルミニウム単結晶の製造においては、COCKAYNEらによって報告されており、インクルージョンの原因はイリジウムルツボが酸化して蒸発し、これが融液に取り込まれて単結晶のインクルージョンになると説明している(非特許文献2参照)。したがって、育成中の酸素濃度を0.5vol%以下に抑えるとともに、窒素をフローし蒸発した酸化イリジウムをルツボ上空から速やかに除去することが重要としている。   In the production of an aluminum oxide single crystal using an iridium crucible, it has been reported by COCKEYNE et al. That the cause of inclusion is that the iridium crucible is oxidized and evaporated, and this is taken into the melt and becomes a single crystal inclusion. (See Non-Patent Document 2). Accordingly, it is important to suppress the oxygen concentration during growth to 0.5 vol% or less and to quickly remove the iridium oxide evaporated by flowing nitrogen from the crucible.

ところが、窒素または不活性ガスの雰囲気で加熱し、原料から発生するガスを除去しながら溶融し結晶育成してもイリジウムが結晶に取り込まれ、このような結晶から得たウエハーをポリッシュ研磨すると、ウエハー表面には直径数μmの微小な突起が多数存在している場合がある。このような結晶から得たウエハーをポリッシュ研磨すると、ウエハー表面には直径数μmの突起となり、このウエハー基板上にエピタキシャル成長しても突起状の欠陥として残る不具合が生じる。そのため、成長結晶の回転数を、例えば、20回転/分以上、特に30〜120回転/分に上昇させることで融液の過剰な対流を抑制することを提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、このような手段では、結晶収率をあげることができても、単結晶中への微細な気泡の発生を十分に抑制することはできない。
特開平04−132695号 特開平09−278592 第28回結晶成長国内会議予稿集,22Pa2 1997 P15 「JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE」 B.COCKANYE、M.CHESSWAS、D.B.GASSON 2 (1967) P.7−11
However, iridium is incorporated into the crystal even when it is melted and grown while removing the gas generated from the raw material by heating in an atmosphere of nitrogen or an inert gas. When a wafer obtained from such a crystal is polished and polished, There may be many small protrusions with a diameter of several μm on the surface. When a wafer obtained from such a crystal is polished and polished, a protrusion with a diameter of several μm is formed on the wafer surface, and a defect remains as a protrusion-like defect even when epitaxially grown on the wafer substrate. For this reason, it has been proposed to suppress excessive convection of the melt by increasing the number of rotations of the growth crystal to, for example, 20 rotations / minute or more, particularly 30 to 120 rotations / minute (see Patent Document 2). . However, with such means, even if the crystal yield can be increased, the generation of fine bubbles in the single crystal cannot be sufficiently suppressed.
Japanese Patent Laid-Open No. 04-132695 JP 09-278592 A Proceedings of the 28th National Conference on Crystal Growth, 22Pa2 1997 P15 “JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE” COCKANYE, M.C. CHESSSWAS, D.C. B. GASSON 2 (1967) P.M. 7-11

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、原料を融解放置する温度を精細に管理し、必要以上にルツボを加熱しないことで、インクルージョンの発生を抑えて効率的に高品質な酸化アルミニウム単結晶を製造する方法を提供することにある。   In view of the above-mentioned problems of the prior art, the object of the present invention is to precisely control the temperature at which the raw material is allowed to melt and not to heat the crucible more than necessary, thereby suppressing the occurrence of inclusion and efficiently producing high quality aluminum oxide. The object is to provide a method for producing a single crystal.

本発明者らは、炉体内を窒素または不活性ガスのみの雰囲気として原料を加熱し、原料融解後、雰囲気ガスに酸素を導入して加熱を続けてから特定の温度で融液放置を行う際に、ルツボを必要以上に加熱しないことで、原料もしくは雰囲気に含まれる酸素によってルツボが酸化されることを十分に抑えることができ、その結果、ルツボ材料の融液への溶け込みが少なくできることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors heated the raw material in an atmosphere containing only nitrogen or an inert gas inside the furnace, and after melting the raw material, introduced oxygen into the atmospheric gas and continued heating, and then left the melt at a specific temperature. In addition, by not heating the crucible more than necessary, it is possible to sufficiently suppress the crucible from being oxidized by oxygen contained in the raw material or the atmosphere, and as a result, it is found that the melting of the crucible material into the melt can be reduced. The present invention has been completed.

すなわち、本発明の第1の発明によれば、炉体内のイリジウム製ルツボに単結晶用原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げる溶融固化法により酸化アルミニウム単結晶を製造する方法において、単結晶用原料を加熱溶融する際に、まず窒素または不活性ガス雰囲気下、単結晶用原料を融点に達するまで10時間以上かけて徐々に加熱して単結晶用原料から発生するガスを除去しながら溶融し、次に炉内に混合ガスに対して0.01〜0.5容積%の酸素を導入し、酸素および窒素または不活性ガスからなる混合ガス雰囲気下、引き続き原料融液を加熱し、2050〜2150℃において酸素濃度を0.01〜0.5容積%に調整しルツボ内を酸化させないように20時間以内保持し、その後、成長結晶の引き上げを行うことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法が提供される。 That is, according to the first invention of the present invention, an aluminum oxide single crystal is produced by a melt solidification method in which a raw material for a single crystal is put in an iridium crucible in a furnace body and heated and melted, and a grown crystal is pulled up from the raw material melt. In the method, when the single crystal raw material is heated and melted, a gas generated from the single crystal raw material by first gradually heating the single crystal raw material over a period of 10 hours or more in a nitrogen or inert gas atmosphere until the melting point is reached. melted while removing, then introducing 0.01-0.5 volume% oxygen with respect to the gas mixture into the furnace, oxygen and nitrogen, or under a mixed gas atmosphere composed of inert gas, subsequently the material melt It was heated to adjust the oxygen concentration to 0.01 to 0.5 vol% retained within 20 hours so as not to oxidize the crucible at 2,050-2150 ° C., then, this performing pulling the growing crystal Method of manufacturing a single crystalline aluminum oxide, characterized in are provided.

また、本発明の第2の発明によれば、第1の発明において、前記加熱温度が、ルツボ底から20mm以内の位置に設置された熱電対によって測定されることを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第の発明において、前記熱電対が、白金ロジウム合金製のB熱電対であることを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記保持時間が、5〜20時間であることを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法が提供される。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the aluminum oxide single crystal according to the first aspect, wherein the heating temperature is measured by a thermocouple installed at a position within 20 mm from the bottom of the crucible. A manufacturing method is provided.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for producing an aluminum oxide single crystal according to the second aspect , wherein the thermocouple is a B thermocouple made of a platinum rhodium alloy. .
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the method for producing an aluminum oxide single crystal according to the first aspect, wherein the holding time is 5 to 20 hours.

本発明によれば、原料をイリジウムなどのルツボ内で加熱する際、窒素または不活性ガスのみの雰囲気とすることで、原料に吸着または内包している酸素を排除され、しかも、その後に雰囲気ガスに酸素を導入して加熱を続けてから加熱放置する際、ルツボ温度を適切な温度で適切な時間保つことによって酸化イリジウムの生成が抑えられ、融液中へのイリジウムの溶け込みを抑制できる。こうして得られた単結晶は、インクルージョンがなくなるために高品質なものとなり、この単結晶を用いれば優れた特性を有する電子部品材料、光学用部品材料を提供できる。   According to the present invention, when the raw material is heated in a crucible such as iridium, the oxygen adsorbed or contained in the raw material is eliminated by setting the atmosphere to only nitrogen or an inert gas, and then the atmospheric gas When oxygen is introduced into the glass and the heating is continued and then left to stand, the generation of iridium oxide is suppressed by maintaining the crucible temperature at an appropriate temperature for an appropriate time, and the dissolution of iridium into the melt can be suppressed. The single crystal obtained in this way is of high quality because there is no inclusion, and if this single crystal is used, electronic component materials and optical component materials having excellent characteristics can be provided.

以下、本発明の酸化アルミニウム単結晶の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
本発明の酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、炉体内のイリジウム製ルツボに単結晶用原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げる溶融固化法により酸化アルミニウム単結晶を製造する方法において、単結晶用原料を加熱溶融する際に、まず窒素または不活性ガス雰囲気下、単結晶用原料を融点に達するまで10時間以上かけて徐々に加熱して単結晶用原料から発生するガスを除去しながら溶融し、次に炉内に混合ガスに対して0.01〜0.5容積%の酸素を導入し、酸素および窒素または不活性ガスからなる混合ガス雰囲気下、引き続き原料融液を加熱し、2050〜2150℃において酸素濃度を0.01〜0.5容積%に調整しルツボ内を酸化させないように20時間以内保持し、その後、成長結晶の引き上げを行うことを特徴とする。
Hereinafter, the manufacturing method of the aluminum oxide single crystal of this invention is demonstrated in detail using drawing.
The method for producing an aluminum oxide single crystal according to the present invention is a method for producing an aluminum oxide single crystal by a melt solidification method in which a raw material for a single crystal is put in an iridium crucible in a furnace and heated and melted, and a grown crystal is pulled up from the raw material melt. When the single crystal raw material is heated and melted, first, the gas generated from the single crystal raw material is gradually heated in a nitrogen or inert gas atmosphere over 10 hours until the single crystal raw material reaches the melting point. Melting while removing, then introducing 0.01 to 0.5% by volume of oxygen with respect to the mixed gas into the furnace, and subsequently continuing the raw material melt in a mixed gas atmosphere consisting of oxygen and nitrogen or inert gas heating, to adjust the oxygen concentration to 0.01 to 0.5 vol% retained within 20 hours so as not to oxidize the crucible at 2050 to 2,150 ° C., then the pulling of the growing crystal And wherein the Ukoto.

1.単結晶用原料の加熱温度と融液から発生する酸素濃度の関係
本発明のような炉体内のルツボに原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げる溶融固化法により酸化アルミニウム単結晶を製造する方法では、原料を加熱する際に、炉体内の雰囲気を窒素または不活性ガスのみとし、加熱によって原料から発生するガスを排除しながら溶融する。こうして原料をルツボ内で加熱する際、窒素または不活性ガスのみの雰囲気とすることで、原料に吸着または内包しているガス成分は排除されるが、このガス成分のひとつとして酸素がある。
1. Relationship between heating temperature of single crystal raw material and oxygen concentration generated from melt The raw material is put in a crucible in the furnace as in the present invention, heated and melted, and the aluminum oxide single crystal is melted and solidified by pulling up the grown crystal from the raw material melt. In the method for producing a crystal, when a raw material is heated, the atmosphere in the furnace body is only nitrogen or an inert gas, and melting is performed while removing gas generated from the raw material by heating. In this way, when the raw material is heated in the crucible, the gas component adsorbed or contained in the raw material is eliminated by setting the atmosphere of only nitrogen or an inert gas. One of the gas components is oxygen.

図1は、高周波誘導加熱炉において、窒素を毎分3リットル炉体上部から導入し、炉内をフローさせながら典型的な材料である酸化アルミニウムを加熱した際の温度および酸素濃度を測定した結果を示している。測定した温度は、イリジウムルツボの底から下に10mm離して設置した熱電対の温度である。また、酸素濃度は、炉体の下部に設置した窒素フローの出口において測定したものである。   FIG. 1 shows the results of measuring the temperature and oxygen concentration when a typical material, aluminum oxide, was heated while introducing nitrogen from the top of the furnace 3 liters per minute in a high-frequency induction heating furnace and flowing in the furnace. Is shown. The measured temperature is the temperature of a thermocouple placed 10 mm below the bottom of the iridium crucible. The oxygen concentration is measured at the outlet of the nitrogen flow installed at the lower part of the furnace body.

このグラフによれば、炉内が昇温されるにしたがって酸素濃度が増加し、600ppm程度になって、その後減少したことが分かる(第1のピーク)。この酸素濃度の一時的な増加は、保温材として用いている酸化ジルコニウムやアルミナからの酸素、および原料の表面に吸着している酸素である。ルツボ底に熱電対を設置して温度測定しているが、酸化ジルコニウムおよび原料に吸着した酸素を放出し始める温度は1500℃以下であると推測できる。この温度域においては、窒素フローの雰囲気ではイリジウムルツボの酸化はほとんど起きない。   According to this graph, it can be seen that as the temperature in the furnace is increased, the oxygen concentration increases to about 600 ppm and then decreases (first peak). This temporary increase in oxygen concentration is oxygen from zirconium oxide or alumina used as a heat insulating material, and oxygen adsorbed on the surface of the raw material. Although the temperature is measured by installing a thermocouple at the bottom of the crucible, the temperature at which the zirconium oxide and oxygen adsorbed on the raw material start to be released can be estimated to be 1500 ° C. or lower. In this temperature range, the iridium crucible is hardly oxidized in an atmosphere of nitrogen flow.

さらに温度を上昇させ原料が融解する温度になると、酸素濃度が再び上昇し750ppm以上となったが、その後減少している(第2のピーク)。これは原料中に内包していた酸素が融解とともに放出したためである。酸素濃度は炉体下部のガス出口で測定しているから、ルツボ付近は少なくとも0.5容積%以上の酸素濃度になったと考えられる。
こうして原料が融解する際、酸素に代表されるガスが放出され出口から炉体外へ排出されるが、高周波加熱炉において最も高温となるのはルツボ側面の表面であるのため、原料が完全に融解する時点では、ルツボ内壁の温度は融点よりも50〜100℃程度高いと推定される。この温度が必要以上に高いと、ルツボが酸化されこれが酸化イリジウムとなって原料に溶け込むことになる。また、さらに高温では、原料である酸化アルミニウムの分解が起き、新たなガス成分の発生を引き起こし、これがルツボと反応してしまう。
When the temperature is further raised to a temperature at which the raw material melts, the oxygen concentration rises again to 750 ppm or more, but then decreases (second peak). This is because oxygen contained in the raw material was released with melting. Since the oxygen concentration is measured at the gas outlet at the bottom of the furnace body, it is considered that the oxygen concentration in the vicinity of the crucible has reached at least 0.5% by volume or more.
In this way, when the raw material melts, a gas typified by oxygen is released and discharged from the outlet to the outside of the furnace body. However, the highest temperature in the high-frequency heating furnace is the surface of the crucible side, so the raw material is completely melted. At that time, the temperature of the inner wall of the crucible is estimated to be about 50 to 100 ° C. higher than the melting point. If this temperature is higher than necessary, the crucible is oxidized and becomes iridium oxide, which dissolves in the raw material. Further, at higher temperatures, the raw material aluminum oxide is decomposed to generate new gas components, which react with the crucible.

したがって、融液固化法により、炉体内のルツボに原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げて酸化アルミニウム単結晶を製造するにあたり、該単結晶を育成するための炉体内の酸素濃度をモニターする手段を設け、原料を加熱した際に保温材として用いている酸化ジルコニウムからの酸素および、原料表面に吸着している酸素の放出を酸素濃度計の挙動により確認し、また、原料融解時には原料中に内包していた酸素の放出量を確認しながら温度上昇を制御することで酸素が高温で急激に放出されないようにすることが望ましいことになる。そして原料融解後は温度の上昇を2150℃以下に抑えながら高周波出力を調整し、融液を所定時間保持する作業を行って原料中に含まれていた酸素をはじめとするガス成分の放出を行うことが有効といえる。   Therefore, when a raw material is put into a crucible in the furnace body by the melt solidification method and heated and melted, and the growth crystal is pulled up from the raw material melt to produce an aluminum oxide single crystal, the inside of the furnace body for growing the single crystal A means for monitoring the oxygen concentration is provided, and the release of oxygen from the zirconium oxide used as a heat insulating material and the oxygen adsorbed on the raw material surface when the raw material is heated is confirmed by the behavior of the oximeter, It is desirable to prevent oxygen from being rapidly released at a high temperature by controlling the temperature rise while confirming the amount of released oxygen contained in the raw material when the raw material is melted. After melting the raw material, the high frequency output is adjusted while suppressing the temperature rise to 2150 ° C. or lower, and the work of holding the melt for a predetermined time is performed to release the gas components including oxygen contained in the raw material. Can be said to be effective.

2.装置の構成
本発明において、酸化アルミニウム単結晶を育成するには、従来のチョクラルスキー法による酸化物単結晶育成装置、例えば、貴金属で形成されたルツボと、ルツボの周囲に保温材としてアルミナなどで形成された炉材と、炉材の外側に加熱装置としての高周波コイルが配置された装置を使用できるが、上記のことから、該単結晶を育成するための炉体内の酸素濃度をモニターする手段を設け、原料を加熱した際に保温材として用いている酸化ジルコニウムからの酸素および、原料表面に吸着している酸素の放出を酸素濃度計の挙動により確認できるようにする。
2. In the present invention, in order to grow an aluminum oxide single crystal, an oxide single crystal growing apparatus by a conventional Czochralski method, for example, a crucible formed of a noble metal, and alumina as a heat insulating material around the crucible Can be used, and a device in which a high-frequency coil as a heating device is disposed outside the furnace material. From the above, the oxygen concentration in the furnace body for growing the single crystal is monitored. Means are provided so that release of oxygen from zirconium oxide used as a heat insulating material and oxygen adsorbed on the surface of the raw material when the raw material is heated can be confirmed by the behavior of the oxygen concentration meter.

原料であるアルミナの融点はおよそ2050℃であるため、ルツボとしてはイリジウム製のものを用いることが好ましい。また、ルツボ底に設置される熱電対は、たとえ高温用の熱電対であっても、ルツボの底から離して設置しなければならない。しかし、あまり距離を大きくすると原料の温度上昇や融解熱などの挙動が精密に観測できないため、ルツボ底から離す距離は20mm以下とする。ここで使用する熱電対は白金ロジウム合金製の熱電対(B熱電対)とすることが望ましい。B熱電対は、+脚がロジウム30%を含む白金ロジウム合金、−脚がロジウム6%を含む白金ロジウム合金である(JIS C1602−1995:熱電対の構成材料を参照)。この熱電対は、1000℃以上の高温測定に適しており、常温での熱電能が極めて小さいので補償導線が不要であって、耐酸化、耐薬品性が良好であるとされている。   Since the melting point of alumina as a raw material is about 2050 ° C., it is preferable to use an iridium-made crucible. Further, the thermocouple installed at the bottom of the crucible must be installed away from the bottom of the crucible even if it is a high temperature thermocouple. However, if the distance is too large, behaviors such as temperature rise and heat of fusion cannot be observed precisely, so the distance away from the crucible bottom is 20 mm or less. The thermocouple used here is preferably a platinum rhodium alloy thermocouple (B thermocouple). The B thermocouple is a platinum rhodium alloy whose + leg contains 30% rhodium, and a platinum rhodium alloy whose-leg contains 6% rhodium (see JIS C1602-1995: Thermocouple Constituent Materials). This thermocouple is suitable for high temperature measurement of 1000 ° C. or higher, and has a very low thermoelectric power at room temperature, so that no compensation lead wire is required, and oxidation resistance and chemical resistance are good.

ルツボの周辺を被う保温材としては、発泡ジルコニア等の断熱材を充填してもよいが、保温する条件を出来るだけ一定にすることが重要である。そして、原料の融解状態や放射温度計による融液温度を実測することによって、ルツボ底の熱電対温度と実際の融液の温度との関係を調べておかねばならない。ルツボの上方には、材料融液から単結晶を回転させながら引き上げるための引き上げ装置が設けられ、炉材の上方は遮蔽板で遮蔽しておく。   A heat insulating material covering the periphery of the crucible may be filled with a heat insulating material such as foamed zirconia, but it is important to keep the temperature maintaining condition as constant as possible. Then, it is necessary to investigate the relationship between the thermocouple temperature at the bottom of the crucible and the actual melt temperature by actually measuring the melting state of the raw material and the melt temperature with a radiation thermometer. Above the crucible, a pulling device for pulling up the single crystal from the material melt is provided, and the furnace material is shielded by a shielding plate.

3.単結晶原料の加熱溶融と単結晶の育成
次に、本発明において単結晶原料溶融工程の好ましい態様を示す。原料溶融工程は、(1)単結晶原料を加熱する際に、炉体内を窒素または不活性ガスのみの雰囲気とし、加熱によって原料から発生するガスを除去しながら溶融する段階と、(2)その後、酸素および窒素または不活性ガスとの混合雰囲気下でさらに加熱保持する単結晶原料の加熱溶融段階からなり、引き続き、(3)結晶育成を行う融液の単結晶育成工程を行う。本発明では、加熱保持段階で原料を融解放置する温度を精細に管理し、必要以上にルツボを加熱しないことで、インクルージョンの発生を抑えて効率的に高品質な酸化アルミニウム単結晶を製造しようとするものである。
3. Next, a preferred embodiment of the single crystal raw material melting step in the present invention will be described. The raw material melting step includes (1) a stage of heating a single crystal raw material with an atmosphere of only nitrogen or an inert gas while removing the gas generated from the raw material by heating, and (2) thereafter And a step of heating and melting the single crystal raw material which is further heated and held in a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen or an inert gas, followed by (3) a single crystal growth step of the melt for crystal growth. In the present invention, the temperature at which the raw material is melted and left in the heating and holding stage is precisely controlled, and the crucible is not heated more than necessary, thereby suppressing the occurrence of inclusion and efficiently producing a high-quality aluminum oxide single crystal. To do.

(1)まず、単結晶原料の加熱溶融段階では、ルツボに前記した原料を入れ、原料を加熱する前に真空引きを開始し、炉内の圧力が20Paまで減圧したところで真空引きを停止して窒素ガスを導入する。炉内の圧力が0.1MPaに達した後は、窒素ガスのみ毎分1〜5リットルの流量でフローさせる。 (1) First, in the heating and melting stage of the single crystal raw material, the above-mentioned raw material is put in a crucible, evacuation is started before the raw material is heated, and the evacuation is stopped when the pressure in the furnace is reduced to 20 Pa. Nitrogen gas is introduced. After the pressure in the furnace reaches 0.1 MPa, only nitrogen gas is allowed to flow at a flow rate of 1 to 5 liters per minute.

本発明においては、単結晶用原料として酸化アルミニウム粉末を用いてもよいが、焼結体またはクラックル原料を用いることが望ましい。通常の酸化アルミニウム粉末は、比表面積が5〜10m/g程度と大きいので、多くのガス成分が吸着または内包されているが、焼結原料は、比表面積が0.1〜10m/gの表面に吸着しているガスは少なくガス出しに効果的である。
また、クラックル原料は、ベルヌーイ法で製造された酸化アルミニウム単結晶原料を直径20mm以下に粉砕して得ているが、比表面積が0.1m/g未満と非常に小さく吸着ガスは少ない。しかし、酸化アルミニウム粉末を溶解し、得られた融液より作製された単結晶を粉砕しているため、その内部に無数の泡を内包することが多い。クラックル原料では、酸化アルミニウム融液の粘性が高く表面張力が大きいにも拘らず、加熱溶融後に融液放置することで、微小な気泡となって融液に溶解したガス成分もほとんど除去される。クラックル原料は、密度が高いので、酸化アルミニウム粉末など他の原料形態と比べると育成前の原料投入回数が少なくてすむ利点がある。
酸化アルミニウムはAlとOの2元素からなるが、目的とする酸化アルミニウム単結晶の種類に合わせて、AlとOのほかに、Ti、Cr、Si、Ca、Mgなどを含んでいてもよい。このうちSi、Ca、Mgなどは、焼結助剤の成分として不可避的に含まれうるが、その含有量は極力少ないことが望ましい。また、酸化アルミニウムの直径や密度は、特に制限されないが、取り扱い上、例えば、直径は、10mm以下、好ましくは5mm以下であるものがよく、密度は、5g/cm以下、好ましくは3g/cm以下であるものがよい。
In the present invention, aluminum oxide powder may be used as the single crystal raw material, but it is desirable to use a sintered body or a crackle raw material. Since normal aluminum oxide powder has a large specific surface area of about 5 to 10 m 2 / g, many gas components are adsorbed or encapsulated, but the sintering raw material has a specific surface area of 0.1 to 10 m 2 / g. The gas adsorbed on the surface is small and effective for outgassing.
The crackle raw material is obtained by pulverizing an aluminum oxide single crystal raw material produced by the Bernoulli method to a diameter of 20 mm or less. However, the specific surface area is very small, less than 0.1 m 2 / g, and the adsorbed gas is small. However, since the aluminum oxide powder is dissolved and the single crystal produced from the obtained melt is pulverized, innumerable bubbles are often included therein. In the crackle raw material, although the viscosity of the aluminum oxide melt is high and the surface tension is large, by leaving the melt after heating and melting, the gas components dissolved in the melt as microbubbles are almost removed. Since the crackle raw material has a high density, there is an advantage that the number of raw material inputs before the growth can be reduced as compared with other raw material forms such as aluminum oxide powder.
Aluminum oxide is composed of two elements, Al and O, but may contain Ti, Cr, Si, Ca, Mg, etc. in addition to Al and O in accordance with the type of target aluminum oxide single crystal. Among these, Si, Ca, Mg and the like can be inevitably contained as components of the sintering aid, but the content is desirably as small as possible. The diameter and density of aluminum oxide are not particularly limited, but for handling, for example, the diameter is preferably 10 mm or less, preferably 5 mm or less, and the density is 5 g / cm 3 or less, preferably 3 g / cm. What is 3 or less is good.

次に高周波コイルによってルツボを加熱し、原料の加熱を開始する。高周波誘導加熱炉は、その原理からわかるように、ルツボに高周波を誘導させ、ルツボ表面に発生する渦電流によってルツボが発熱し原料を融解させる。したがって、炉体の内部で最も高温となっているのはルツボ表面である。
原料の加熱溶融段階では、原料を融点に達するまで10時間以上、好ましくは12時間以上かけて徐々に加熱する。原料が融点に達するまでの加熱速度が特に制限されるわけではないが、急速に加熱せずに長時間かけて徐々に加熱することによって酸素の急激な発生が抑制され、ルツボ付近での急激な酸素濃度の増大を招くことがない。その結果、融液へのガスの取り込みやルツボの酸化を抑えることができる。
上述したように、温度が1500℃程度に上昇すると、保温材として用いている酸化ジルコニウムやアルミナからの酸素、および原料の表面に吸着している酸素が発生するが、この温度領域ではルツボの酸化はさほど進行しない。
Next, the crucible is heated by the high frequency coil, and the heating of the raw material is started. As can be understood from the principle of the high-frequency induction heating furnace, the crucible induces a high frequency, and the crucible generates heat by the eddy current generated on the surface of the crucible to melt the raw material. Therefore, it is the crucible surface that has the highest temperature inside the furnace body.
In the heating and melting stage of the raw material, the raw material is gradually heated over 10 hours or more, preferably 12 hours or more until reaching the melting point. Although the heating rate until the raw material reaches the melting point is not particularly limited, the rapid generation of oxygen is suppressed by heating gradually over a long period of time without rapidly heating, and a rapid increase in the vicinity of the crucible. There is no increase in oxygen concentration. As a result, gas uptake into the melt and oxidation of the crucible can be suppressed.
As described above, when the temperature rises to about 1500 ° C., oxygen from zirconium oxide or alumina used as a heat insulating material and oxygen adsorbed on the surface of the raw material are generated. In this temperature range, the crucible is oxidized. It doesn't progress very much.

(2)加熱保持段階では、温度をさらに上昇させる。温度が2050℃となると原料が融解を始めるが、さらに完全に融解する温度まで上昇させる。
この際、酸素濃度を0.01〜0.5容積%、好ましくは0.1〜0.3容積%の範囲に調整し、融液の温度を2150℃以下に抑えながら、ルツボ内を酸化させない程度の十分な時間保持する。保持時間は、用いる装置や原料によっても異なるので一概に規定できないが、5〜20時間保持することが好ましい。このような条件で原料を融解させると、原料中のガス成分は十分取り払われ、また、ルツボの酸化によるインクルージョンを抑えることができる。これに対して、酸素濃度が0.01容積%未満では、酸素が不足し良好な品質の単結晶が得られず、酸素濃度が0.5容積%を超えるか、20時間以上放置するとルツボの酸化が懸念される。
(2) In the heating and holding stage, the temperature is further increased. When the temperature reaches 2050 ° C., the raw material starts to melt, but is further raised to a temperature at which it completely melts.
At this time, the inside of the crucible is not oxidized while the oxygen concentration is adjusted to 0.01 to 0.5% by volume, preferably 0.1 to 0.3% by volume, and the temperature of the melt is suppressed to 2150 ° C. or lower. Hold for a sufficient amount of time. The holding time varies depending on the apparatus and raw materials used, and therefore cannot be specified unconditionally, but it is preferably held for 5 to 20 hours. If the raw material is melted under such conditions, gas components in the raw material are sufficiently removed, and inclusion due to oxidation of the crucible can be suppressed. On the other hand, if the oxygen concentration is less than 0.01% by volume, oxygen is insufficient and a single crystal of good quality cannot be obtained. If the oxygen concentration exceeds 0.5% by volume or is left for 20 hours or more, the crucible There is concern about oxidation.

(3)次の段階である単結晶の育成では、通常の方法に従い、回転数や引き上げ速度を調整してネック部および肩部を形成し、引き続き直胴部を形成する。結晶形状の調節は、育成中の結晶重量を測定し直径や育成速度などを計算によって導き出し、回転速度や引き上げ速度を調整して行う。また、結晶重量の変化を高周波誘導コイル投入電力にフィードバックして融液温度をコントロールする。 (3) In the growth of the single crystal, which is the next stage, according to a normal method, the rotation speed and the pulling speed are adjusted to form the neck portion and the shoulder portion, and subsequently the straight body portion is formed. The crystal shape is adjusted by measuring the weight of the crystal during growth, deriving the diameter, growth speed, and the like by calculation, and adjusting the rotation speed and pulling speed. In addition, the melt temperature is controlled by feeding back the change in crystal weight to the power applied to the high frequency induction coil.

単結晶の育成時も、酸素濃度を0.01〜0.5容積%、好ましくは0.1〜0.3容積%の範囲に調整する。この酸素濃度の範囲で結晶育成すると微小な気泡の発生が抑えられる。また、ルツボの酸化も起こりにくいためインクルージョンが発生しない。さらに、この酸素濃度の範囲では、成長界面が融液側に著しく凸とならず、原料に対して得られる結晶がそれほど大きくできないという不具合も解消される。
このようにして、混合ガス雰囲気下で原料を溶融、融液温度を2150℃以下に管理し0.01〜0.5容積%の酸素濃度で放置させた後、単結晶を育成することで、ルツボの酸化によるインクルージョンの発生が抑えられ、なおかつ融液中に含まれる過剰なガスが減少し、単結晶育成時に結晶内に取り込まれる微小な気泡を少なくなくすることができる。そして、このような条件下で得られる単結晶中のピットや突起を少なくすることができる。
Also during the growth of the single crystal, the oxygen concentration is adjusted to a range of 0.01 to 0.5% by volume, preferably 0.1 to 0.3% by volume. When the crystal is grown in this oxygen concentration range, generation of minute bubbles can be suppressed. In addition, since the crucible is hardly oxidized, no inclusion occurs. Further, within this oxygen concentration range, the growth interface does not protrude significantly on the melt side, and the problem that crystals obtained with respect to the raw material cannot be made so large is solved.
In this way, by melting the raw material in a mixed gas atmosphere, controlling the melt temperature to 2150 ° C. or less and allowing it to stand at an oxygen concentration of 0.01 to 0.5% by volume, and growing a single crystal, The occurrence of inclusion due to the oxidation of the crucible can be suppressed, and the excess gas contained in the melt can be reduced, so that the number of minute bubbles taken into the crystal during single crystal growth can be reduced. And the pit and protrusion in a single crystal obtained under such conditions can be decreased.

次に、育成された単結晶を切断し、例えば直径3インチ程度のウエハーを得、研磨してピットの発生状況を確認すると、ピット、突起の発生はいずれのウエハーも5個以下となる。
このような製造方法で造られた酸化アルミニウム単結晶には微小な気泡やインクルージョンが極めて少ないので、ピットおよび突起が少なく優れた特性を有する電子部品材料、光学用部品材料を提供できる。
Next, when the grown single crystal is cut, a wafer having a diameter of about 3 inches, for example, is obtained and polished to check the occurrence of pits, the number of occurrences of pits and protrusions is 5 or less for all wafers.
Since the aluminum oxide single crystal produced by such a manufacturing method has very few microbubbles and inclusions, it is possible to provide electronic component materials and optical component materials having few pits and protrusions and having excellent characteristics.

以下に、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

〔ピットの評価〕
育成した単結晶から50枚のウエハーをスライスし、ポリッシュ研磨して、ピットおよび突起がどの程度あるか測定した。ピットや突起数は少ないほど良好な単結晶が育成されていることを示している。
[Evaluation of pits]
Fifty wafers were sliced from the grown single crystal and polished to determine how many pits and protrusions exist. The smaller the number of pits and protrusions, the better the single crystal is grown.

〔実施例1〕
最大出力40kWの高周波誘導加熱方式の育成炉を用い、イリジウム製ルツボにルツボ底から10mm離してB熱電対を設置した。装置には、炉体内を減圧する手段、減圧度をモニターする手段、および酸素および窒素または不活性ガスの混合ガス供給手段、酸素濃度をモニターする手段を設けた。
まず、ルツボに4N(99.99%)の酸化アルミニウム原料を10kg投入した。酸化アルミニウム原料はクラックルとよばれるもので、これはベルヌーイ法で育成した酸化アルミニウム単結晶を20mm角程度の大きさに粉砕したものである。
原料を加熱する前に真空引きを開始し、炉内の圧力が20Paまで減圧したところで真空引きを停止して窒素ガスを導入した。炉内の圧力が0.1MPaに達した後は、窒素ガスのみ毎分3リットルの流量でフローさせ、原料の加熱を開始した。この時の炉内の酸素濃度は0.1ppmであった。この原料が融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。ルツボ底から10mm離して設置した熱電対がおよそ1000℃となったところで、炉体のガス出口で測定していた酸素濃度の上昇が始まり、1500℃で500ppmを超える酸素濃度となった。その後さらに昇温を続けると酸素濃度は減少し始め400ppmまで減少した。さらに昇温して原料が溶融すると再び酸素濃度は400ppmから750ppmに急上昇した。原料溶融から30分後、酸素濃度が500ppmまで減少したところで炉内に酸素ガスを導入し、酸素および窒素の混合ガス雰囲気とし、ガス出口の酸素濃度が0.3%となるよう調整した。
原料が溶融している状態で温度が融点から50℃を上回らないように5時間放置した後、a軸方向に切り出した酸化アルミニウム単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分2回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら引上速度2mm/hで種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径102mm、直胴部の長さ135mmで、目視では気泡が観察されない結晶を得た。また、結晶底部の成長界面を測定したところ、50mmの凸であった。この結晶をウエハーにし、ポリッシュ研磨したところピットと突起は確認できなかった。
[Example 1]
Using a high-frequency induction heating type growth furnace with a maximum output of 40 kW, a B thermocouple was installed in an iridium crucible 10 mm away from the crucible bottom. The apparatus was provided with means for depressurizing the furnace body, means for monitoring the degree of decompression, means for supplying a mixed gas of oxygen and nitrogen or an inert gas, and means for monitoring the oxygen concentration.
First, 10 kg of 4N (99.99%) aluminum oxide raw material was charged into the crucible. The aluminum oxide raw material is called crackle, which is obtained by grinding an aluminum oxide single crystal grown by Bernoulli method to a size of about 20 mm square.
Vacuuming was started before the raw material was heated, and when the pressure in the furnace was reduced to 20 Pa, the vacuuming was stopped and nitrogen gas was introduced. After the pressure in the furnace reached 0.1 MPa, only nitrogen gas was allowed to flow at a flow rate of 3 liters per minute to start heating the raw material. At this time, the oxygen concentration in the furnace was 0.1 ppm. The raw material was gradually heated for 12 hours until reaching the melting point. When the thermocouple installed 10 mm away from the bottom of the crucible reached about 1000 ° C., the increase in oxygen concentration measured at the gas outlet of the furnace body began, and the oxygen concentration exceeded 500 ppm at 1500 ° C. Thereafter, when the temperature was further increased, the oxygen concentration began to decrease and decreased to 400 ppm. When the temperature was further increased and the raw material was melted, the oxygen concentration rapidly increased again from 400 ppm to 750 ppm. Thirty minutes after melting the raw material, when the oxygen concentration decreased to 500 ppm, oxygen gas was introduced into the furnace to make a mixed gas atmosphere of oxygen and nitrogen, and the oxygen concentration at the gas outlet was adjusted to 0.3%.
After leaving the material in a molten state for 5 hours so that the temperature does not exceed 50 ° C. from the melting point, the aluminum oxide single crystal cut in the a-axis direction is used as a seed crystal, and the seed crystal is lowered to near the melt. It was. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 2 revolutions per minute, and the seed crystal is raised at a pulling speed of 2 mm / h while gradually lowering the temperature by bringing the tip of the seed crystal into contact with the melt. Crystal growth was performed.
As a result, a crystal having a diameter of 102 mm and a length of the straight body portion of 135 mm, in which bubbles were not observed visually, was obtained. Further, when the growth interface at the bottom of the crystal was measured, it was 50 mm convex. When this crystal was made into a wafer and polished, no pits and protrusions could be confirmed.

〔実施例2〕
原料として粉末の酸化アルミニウム原料を用いた以外は実施例1と同様にして行った。その結果、直径100mm、直胴部の長さ119mmで目視では気泡が観察されない結晶が得られた。また、結晶底部の成長界面を測定したところ、42mmの凸であった。この結晶をウエハーにし、ポリッシュ研磨したところピットと突起は確認できなかった。
[Example 2]
This was carried out in the same manner as in Example 1 except that powdered aluminum oxide raw material was used as the raw material. As a result, a crystal having a diameter of 100 mm and a length of the straight body portion of 119 mm, in which bubbles were not observed visually, was obtained. Further, when the growth interface at the bottom of the crystal was measured, it was 42 mm convex. When this crystal was made into a wafer and polished, no pits and protrusions could be confirmed.

〔比較例1〕
比較のために、原料を加熱溶融する際、加熱開始から酸素および窒素の混合雰囲気とし、原料が溶融している状態で融点から120℃上回った状態すなわち2170℃で5時間放置した以外は実施例1と同様にして121mm、直胴部の長さ120mm、結晶底部の成長界面は49mm凸であった。この結晶をウエハーにし、ポリッシュ研磨したところ、ピットは全く確認できなかったが、どのウエハーにも差し渡し数μmの大きさの突起状異物が数個程度ウエハー上に観察された。これをEPMAで分析したところイリジウムであった。
[Comparative Example 1]
For comparison, when the raw material was heated and melted, the mixed oxygen and nitrogen atmosphere was started from the start of heating, and the raw material was melted and the temperature was 120 ° C. higher than the melting point, that is, the sample was left at 2170 ° C. for 5 hours. 1 was 121 mm, the length of the straight body was 120 mm, and the growth interface at the bottom of the crystal was 49 mm convex. When this crystal was polished to a wafer and polished, no pits could be confirmed, but several protruding foreign matters having a size of several μm were observed on the wafer. When this was analyzed by EPMA, it was iridium.

〔比較例2〕
比較のために、加熱開始から結晶育成終了まで0.7%の酸素濃度雰囲気とした以外は実施例1と同様にして行った。
その結果、直径120mm、直胴部の長さ121mmの結晶を得た。結晶底部の成長界面を測定したところ、33mm凸と小さかった。この結晶をウエハーにしポリッシュ研磨したところ、ピットは確認できなかったがどのウエハーにも差し渡し数μmの大きさの突起状異物が数個程度ウエハー上に観測された。
[Comparative Example 2]
For comparison, the same procedure as in Example 1 was performed except that the atmosphere was 0.7% oxygen concentration from the start of heating to the end of crystal growth.
As a result, a crystal having a diameter of 120 mm and a length of the straight body part of 121 mm was obtained. When the growth interface at the bottom of the crystal was measured, it was as small as 33 mm convex. When this crystal was polished to a wafer and polished, no pits could be confirmed, but several protruding foreign matters having a size of several μm were observed on the wafer.

〔比較例3〕
比較のために、結晶育成の放置時間を30時間とした以外は実施例1と同様にして行った。
その結果、直径120mm、直胴部の長さ120mmの結晶を得た。また、結晶底部の成長界面凸度は、50mm凸と実施例1の結果とほぼ同じであった。この結晶をウエハーにしてポリッシュ研磨したところ、ピットは確認できなかったが、どのウエハーにも差し渡し数μmの大きさの突起状異物が数個程度ウエハー上に観測された。
[Comparative Example 3]
For comparison, the same procedure as in Example 1 was performed except that the crystal growth was left for 30 hours.
As a result, a crystal having a diameter of 120 mm and a length of the straight body portion of 120 mm was obtained. Further, the growth interface convexity at the bottom of the crystal was 50 mm convex, which was almost the same as the result of Example 1. When this crystal was polished with a wafer, no pits could be confirmed, but several protruding foreign matters having a size of several μm were observed on the wafer.

以上説明したように、実施例では、原料をルツボ内で加熱中に炉体内の雰囲気を窒素または不活性ガスのみとし、原料溶融後は酸素濃度が混合ガスに対して0.01〜0.5容積%となるような酸素および窒素または不活性ガスとの混合雰囲気にして2150℃を上回らない温度で一定時間融液を維持することにより、原料に吸着または内包しているガスを排除することができ、また、ルツボの酸化によってイリジウムが原料へ溶け込むことが抑えられた。その結果、育成された単結晶へのガスの取り込みを抑えることができ、また、インクルージョンの発生をも抑制することができた。
これに対して、比較例では、融液を過剰に加熱し、あるいは酸素過多の条件とした結果、ルツボの酸化が促進され、融液にイリジウムが混入しこれが結晶に取り込まれインクルージョンとなった。
As described above, in the examples, the atmosphere in the furnace is only nitrogen or an inert gas while the raw material is heated in the crucible, and after the raw material is melted, the oxygen concentration is 0.01 to 0.5 with respect to the mixed gas. By removing the gas adsorbed or contained in the raw material by maintaining the melt for a certain period of time at a temperature not exceeding 2150 ° C. in a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen or an inert gas that makes volume% In addition, iridium was prevented from dissolving into the raw material due to the oxidation of the crucible. As a result, it was possible to suppress the gas uptake into the grown single crystal and to suppress the occurrence of inclusion.
On the other hand, in the comparative example, as a result of heating the melt excessively or setting the oxygen excess, the oxidation of the crucible was promoted, iridium was mixed into the melt, and this was taken into the crystal and included.

図1は、高周波誘導加熱炉において、窒素を毎分3リットル炉体上部から導入し、炉内をフローさせながら酸化アルミニウムを加熱した際のルツボ底の熱電対温度および酸素濃度を測定した結果を示す説明図である。FIG. 1 shows the results of measuring the thermocouple temperature and oxygen concentration at the bottom of the crucible when nitrogen was introduced from the top of the furnace 3 liters per minute and aluminum oxide was heated while flowing in the furnace in a high frequency induction heating furnace. It is explanatory drawing shown.

Claims (4)

炉体内のイリジウム製ルツボに単結晶用原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げる溶融固化法により酸化アルミニウム単結晶を製造する方法において、
単結晶用原料を加熱溶融する際に、まず窒素または不活性ガス雰囲気下、単結晶用原料を融点に達するまで10時間以上かけて徐々に加熱して単結晶用原料から発生するガスを除去しながら溶融し、次に炉内に混合ガスに対して0.01〜0.5容積%の酸素を導入し、酸素および窒素または不活性ガスからなる混合ガス雰囲気下、引き続き原料融液を加熱し、2050〜2150℃において酸素濃度を0.01〜0.5容積%に調整しルツボ内を酸化させないように20時間以内保持し、その後、成長結晶の引き上げを行うことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
In a method for producing an aluminum oxide single crystal by a melt solidification method in which a raw material for a single crystal is placed in an iridium crucible in a furnace and heated and melted, and a growth crystal is pulled up from the raw material melt,
When the single crystal raw material is heated and melted, the gas generated from the single crystal raw material is removed by gradually heating the single crystal raw material over a period of 10 hours or more in a nitrogen or inert gas atmosphere until the melting point is reached. while melted, then introducing 0.01-0.5 volume% oxygen with respect to the gas mixture into the furnace, oxygen and nitrogen, or under a mixed gas atmosphere composed of inert gas, and subsequently heating the raw material melt The aluminum oxide is characterized in that the oxygen concentration is adjusted to 0.01 to 0.5% by volume at 2050 to 2150 ° C. and kept within 20 hours so as not to oxidize the crucible, and then the grown crystal is pulled up. Crystal production method.
前記加熱温度が、ルツボ底から20mm以内の位置に設置された熱電対によって測定されることを特徴とする請求項1に記載の酸化アルミニウム単結晶の製造方法。   The method for producing an aluminum oxide single crystal according to claim 1, wherein the heating temperature is measured by a thermocouple installed at a position within 20 mm from the bottom of the crucible. 前記熱電対が、白金ロジウム合金製のB熱電対であることを特徴とする請求項に記載の酸化アルミニウム単結晶の製造方法。 The said thermocouple is B thermocouple made from a platinum rhodium alloy, The manufacturing method of the aluminum oxide single crystal of Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記保持時間が、5〜20時間であることを特徴とする請求項1に記載の酸化アルミニウム単結晶の製造方法。 The method for producing an aluminum oxide single crystal according to claim 1, wherein the holding time is 5 to 20 hours.
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