JP5067596B2 - サファイア単結晶製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、サファイア単結晶製造方法およびサファイア単結晶の製造装置に関するものである。

サファイアは、半導体用基板や腕時計用窓材として用いられている。サファイアの合成方法としては、三酸化二アルミニウムの微粉を原料として用いるベルヌーイ法が知られている。
ベルヌーイ法によるサファイア単結晶の製造法では、原料粉末を入れた容器から、酸水素炎中に原料粉末を少量ずつ落下させ、溶融した原料を堆積させ、徐々に成長させることにより単結晶を製造する（特許文献１）。この方法により育成された結晶は適度な大きさの外径の円柱状結晶（ブールと呼ぶ）とすることができるので、上記の基板，時計用窓材に加工するのに適している。
前記ベルヌーイ法は、るつぼを使用しないため、るつぼの構成材料が結晶育成中に混入するという心配がなく、高純度な単結晶が得られる。そして、得られた単結晶は透明性に優れるという利点がある。
しかしながら、ベルヌーイ法は、水素炎の温度を一定に保つ制御が必要であり、その制御が困難であるという問題や、原料粉末を落下させて溶融させるという操作では、原料粉末は微粉末であること、かつ、容器中で粉末が詰まらなくするために流動性が良くする必要があるなど、反応を円滑に進めるうえで原料粉末に施す処理が多いなどの問題がある。このために以下に述べるような手段が開発されている。このような手段の開発は確かに有効であるが、煩雑で複雑な操作を要求されることになる。

アルミナの粒子は約１μ以下、好ましくは０．５μ以下であるとされ、Ｎａ、Ｓｉ、Ｆｅ及びＭｇなどの含有量を２０ｐｐｍ以下、Ｔｉの含有量を１０〜５０ｐｐｍ又はＣａの含有量を１〜５ｐｐｍ以下に制限するなどが必要とさる（特許文献２）。
又、インダクションプラズマ溶射装置のプラズマ炎内にアルミナ粉体を投入し、溶融して、該プラズマ炎内の下部に配置した高温基材上に溶融アルミナを溶射し、徐冷するサファイア単結晶合成方法では、粒径５〜１００μｍ、好ましくは３０μｍのアルミナ粉体を１〜２ｇ／分でキャリアガス供給路内に送り込まれ、サファイアの生成は０．５〜２．０ｍｍ／分とされている（特許文献３）。
この方法の問題点は、大量に生産するためには、自動化の必要があるが、前記の方法の原料供給操作は、自動化が困難であり、大量生産には適さない点にある。

ベルヌーイインゴットでは、数多くの単結晶サファイアの集まりで構成されているため各結晶の結晶方位がバラバラであり、サファイア板にした場合も板全体の結晶軸方向が規定できないなどの問題点が指摘されている（特許文献４）。また、ベルヌーイ法では、製品の多様化に伴い、直径４０ｍｍ以下のサファイア結晶が成長するが、一般的に小角結晶粒界やその他の結晶構造欠陥を有する問題点も指摘されている（特許文献５）。
このようなことから、得られる製品としても、結晶構造上の問題がなく、製造に際しても原料供給に支障がない、大量生産に適した新たな方法の開発が必要とされている。

サファイアの合成方法には、ベルヌーイ法と同じく、溶融固化法が知られている。この方法により得られるサファイア結晶性や大口径化の点で問題がなく、その点で期待されている。
この方法により異種元素を添加した単結晶を育成する場合、異種元素の添加量や育成速度によっては、組成的過冷却現象が起こり、気泡や析出物の発生を防止するために中性又は不活性ガスに特定量の水素又は一酸化炭素を混入したガス雰囲気とするなど煩雑な操作を必要とする（特許文献６）。
また、この溶融後、アニールする際に、酸化雰囲気で行なうと、ブルー着色が薄くなることを避けることができず、特定のアニール操作を必要とされる（特許文献７）問題がある。
種結晶を溶融液から引き上げる操作では、その制御には工夫が必要であるとされている（特許文献８）。
また、結晶核をゆっくりと引き出す際に溶融結晶材料と溶融体から引き出された単結晶との間の特定の温度制御が必要であることが指摘されている（特許文献９）。
確かに、溶融固化法は、安価で簡便な操作であると言われているが、この操作方法には細かい制御を必要とし、溶融液から種結晶を引きあげる操作を確実に行うことには困難が伴うことが指摘されている。

多結晶アルミナ体から単結晶サファイアを製造する方法として、浮遊帯域溶融法が知られている。この方法は、多結晶アルミナ体を製造した後の方法に限定される。この方法は、概して成長速度の制御が容易で、大型の結晶が得られるという利点があるものの、多結晶アルミナ体を製造した後に単結晶とするものであるから操作工程の増加は防ぐことができない。
多結晶アルミナ体を単結晶サファイアに変換するにあたり、レーザである局在化エネルギー源により加熱して多結晶アルミナ体全体を溶融することなく単結晶にする方法が知られている（特許文献１０）。前記の問題点の他に、又加熱用のレーザを用いる加熱する装置は値段が高いことが問題となる。
添加物の濃度が溶融帯の移動方向に傾斜するように付着させる多孔質の焼成体を高温に溶融後、種結晶又は原料焼成体と同一物質と当接させ、溶融帯部を移動させる方法が知られている（特許文献１１）。前記の問題点の他に、煩雑操作を必要とする。
赤外線集光加熱方式も用いられている。この場合も前記の問題点の他に、多結晶アルミナ体を製造した後に単結晶とするものであるから操作工程の増加は防ぐことができない。又、原料である多結晶体の三酸化二アルミニウム多結晶体の色が白色であるため、添加物を混入しない場合は十分に光を吸収せず、一般的に得られる雰囲気中では純粋な三酸化二アルミニウムを溶融することができないという従来からの問題点がある。

現在、三酸化二アルミニウムを原料とし添加物を用いることなく無色透明なサファイア単結晶を製造するに際し、安定した原料供給と熱供給ができ、溶融操作及び単結晶の引き上げなどを問題のない方法の開発が必要とされている。
特開昭４９−１１５９９８号公報 特公平８−１８９０８号公報、特開平５−２９４６１５号公報 特開平５−９７５８７号公報 特開２００４−７５５００号公報 特開２００４−８３４０７号公報 特開平６−１９９５９７号公報 特開２００３−１３７６９０号公報 特開平９−２５１９２号公報 特開２００４−８３４０７号公報 特開平７−８２０７４号、特開２０００−２５６０８９号 特許３４４３６３９号

本発明の課題は、三酸化二アルミニウムに添加物を用いることなく、三酸化二アルミニウムを融解させて無色透明なサファイア単結晶の新規な製造方法及びその装置を提供することである。

本発明者らは、前記課題について鋭意研究し、以下の知見を新たに見出して、本発明を完成させた。
（１）極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気に維持されている条件下、出発原料物質として、添加物を含まない三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体を回転可能な固定手段上に固定維持するので、直接操作温度域内に微粉末の三酸化二アルミニウムを供給する場合に必要となる煩雑な操作を必要とせず、本発明の焼結体である三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体から直接サフャイア単結晶を製造する反応を行うことができる。
（２）三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を加圧成形後に焼結により得られた成形体であるとすることにより、十分な焼結体が形成されていることとなり、前記（１）の焼結体である三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体からサフャイア単結晶を製造する反応を一層確実に行うことができる。
（３）三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を円柱状に加圧成形して焼結により得られるであるとすることにより、前記（１）及び（２）の焼結体である三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体からサフャイア単結晶を製造する反応をスムースに、一層確実に行うことができることに加えて、三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体を回転可能な固定手段上に固定維持し、固定手段を回転させて前記三酸化二アルミニウム焼結体及び種結晶体の表面に、赤外線を集光照射させて加熱溶融を均一に行うことができる。
（４）極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気に維持されている条件下、具体的には、
酸素分圧が10のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気に、回転可能な固定手段上に三酸化二アルミニウム焼結体及び種結晶体を固定維持することにより、三酸化二アルミニウム焼結体及び種結晶体を加熱溶融してサフャイア単結晶を製造する反応を進行させることが可能となる。
（５）前記（１）から（４）の操作を結合させる結果、赤外線加熱によっては一般の雰囲気で溶融しないはずの三酸化二アルミニウムが、溶融され無色透明なサファイア単結晶を得ることができる結果となる。その際に、焼結体を、溶融し、種結晶を溶融部分による馴染ませて、その溶融部分を移動させることにより、サファイア単結晶を製作することができる。
得られるサファイア単結晶は従来の製法のものと比較して結晶状の問題はなく、添加物を用いなくても無色透明で、また口径が大きいものを得ることが可能となる。

本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気に維持されている条件下に、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を焼結処理して得られる三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体を回転可能な固定手段上に固定維持し、固定手段を回転させて、前記三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融することを特徴とする三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
（２）前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を加圧成形後に焼結により得られたものであることを特徴とする（１）記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
（３）前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を円柱状に加圧成形して焼結により得られるであることを特徴とする（１）又は（２）いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
（４）前記極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気が、酸素分圧が10のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気中であることを特徴とする（１）から（３）いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶を製造する方法。
（５）管状反応管壁の内部には、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体が、回転可能な固定手段により固定されており、管状反応管頂部及び底部は、管状反応管壁の保持固定手段及び下蓋及び上蓋により閉鎖されている管状反応管、集光用の楕円ミラーが背後に設置されており、赤外線加熱用ランプが楕円ミラーの一つの焦点に、他の焦点に管状反応管の固定手段上の三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体となる配置の赤外線加熱装置が配置されおり、又、管状反応管下蓋及び上蓋には、酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置からの循環経路が接続されていることを特徴とする三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶製造装置。
（６）前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を加圧成形後に焼結により得られたものであることを特徴とする（５）記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体からサフャイア単結晶製造装置。
（７）前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を円柱状に加圧成形して焼結により得られるであることを特徴とする（５）又は（６）いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶製造装置。
（８）前記酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置により管状反応管内の極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気が、酸素分圧が10のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気とすることができることを特徴とする（５）から（７）いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶製造装置。
（９）前記赤外線加熱装置は、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶表面に赤外線を集光照射して加熱溶融するものであること特徴とする（５）から（８）いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶を製造装置。

本発明によれば、三酸化二アルミニウムを出発原料とし添加物を用いることなく無色透明なサファイア単結晶を製造することができる。微粉体である三酸化二アルミニウムを焼結体とした後に溶融処理を行うので、他の方法で見られる原料供給に伴う問題点と熱供給に伴う問題点が解決でき、又単結晶を製造する際に必要となる単結晶の引き上げ操作も必要ない。本発明の方法は、従来の方法の問題点を解決することができたものである。

本発明では、三酸化二アルミニウムは粉末状で用いられる。
三酸化二アルミニウムは不純物を含有しないものを用いる。三酸化二アルミニウムの再結晶を繰り返して純度を高める。９９．９９％以上の純度である。α、δ、θ、γ-アルミナ、いずれでもよい。Ｎａ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｔｉ原子は、含んでいないことが望ましいが、ごく微量のものを含む程度のものであれば差し支えない。

三酸化二アルミニウムの平均粒子径は、焼結しやすさを考慮して適宜決定されるが、通常、０．１μから１０μｍの範囲にあるものを用いる。
三酸化二アルミニウムの平均粒子径が０．１μ未満の場合には成形体を形成する際に十分なものが得られないし、１０μｍを超える場合には焼結を十分に行うことができないこととなる。
三酸化二アルミニウムを粉砕して前記の範囲の粒子径のものとする。前記平均粒子径の三酸化二アルミニウムを円柱状の成形体とし、次に焼結体として焼結する。そのために、以下に述べる成形体に成形する工程及び成形体の焼結工程が必要となる。

前記平均粒子径の三酸化二アルミニウム粉末粒子から成形体を製造する工程は以下のとおりである。
前記平均粒子径の三酸化二アルミニウム粉末粒子を加圧して棒状に成形する。成形するに際しては、三酸化二アルミニウム粉末粒子を、容器内に充填し、100〜3000気圧の圧力でプレスする。成形体の形状は、加熱融解を均一に行うことを考えると一般的には円柱状である。円柱状の形状は、例えば、直径3〜２0mm、長さ20〜100mmである。
円柱状の形状は、前記三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融するためのサファイア単結晶製造装置の処理能力や規模に応じて定めることができる。サファイア単結晶製造装置の処理能力や規模の拡大をはかった場合には、更に大きな円柱状の形状のものを用いることができる。本発明ではサファイア単結晶製造装置の赤外線を照射するハロゲンランプの出力を２ｋＷとしたことと石英管の内径を約５０ｍｍ としたことにより前記の形状の値が設定された。
円柱状の形状が定まった段階で、其の形状に適した成形体の製造装置及び成形体をプレスする装置が定まり、円柱状形状が最終的に決定される。
プレスの圧力は一軸性の圧力よりも静水圧力下であることが望ましく、５００〜３０００気圧の静水圧力下とする。５００未満の場合には十分な成形体を得ることができず、焼結するときに十分な焼結体を得ることができない。３０００気圧を超える場合には、その条件を用いることは差し支えないが、格別の効果を期待することができない。この範囲の圧力を採用すると、次の焼結工程において良好な焼結の結果をえることができる。

焼結工程は、以下のとおりである。
前記平均粒子径の三酸化二アルミニウムを加圧処理した成形体を、空気の存在下に融点より低い温度で数時間にわたり熱処理をし、三酸化二アルミニウムの焼結棒を得る工程を言う。
前記熱処理温度は、熱処理の結果、三酸化二アルミニウムの成形体を焼結できる温度であればよい。融点を超えると、焼結操作が困難となり適切でない。
三酸化二アルミニウムの融点は、２０５０℃であり、熱処理温度の上限はこの温度よりもやや低い温度であることが望ましい。熱処理温度の下限は焼結操作が可能である温度であれば問題ない。通常１４００℃以上であれば問題ない。
加熱手段には一般的に用いられている抵抗加熱炉が用いられる。
加熱時間は成形体の大きさ及び加熱温度に応じて適宜決定すればよい。

図１は、三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融してサフャイア単結晶を製造するための装置全体であり、図２は三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融してサフャイア単結晶を製造するための反応器及び反応器に取り付けられている赤外線加熱装置を示す。これらの図を用いて本発明を説明する。

三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融してサフャイア単結晶を製造するための装置全体は、三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融してサフャイア単結晶を製造するための反応器（１）及びこの反応器に取り付けられている極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気に維持するための酸素分圧制御装置（２）及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置（３）から構成される。
反応器（１）については後述する。

酸素分圧制御装置（２）は、反応器内を低酸素分圧に制御するために採用されるものであり、酸素の検出には固体電解質であるジルコニアを主成分とするセンサーにより行う。具体的には、円筒状の固体電解質の内側と外側に電極を塗布し、その電極間に電圧を加えることにより、固体電解質のイオンの伝導を用いて、円筒の管の内側にある酸素分子を管の外側に移動させるというものである。反応器には酸素分圧を検知するセンサーが取り付けられており（図２には図示されていない。）、これにより反応器内の不活性ガス中の酸素分圧を測定し、測定結果に基づいて酸素分圧が決められた値を超える場合には吸引するように固体電解質に加える電圧を変化させて反応器内の酸素分圧を制御することができる。
反応器内の酸素分圧が制御された不活性ガスが存在するように制御するための循環装置（３）を酸素分圧制御装置（２）に結合わせて設けることにより、試料作成に使用した使用済みの不活性ガスを酸素分圧制御装置にリターンさせる。これにより、反応器内の酸素分子は繰り返し酸素分圧制御装置を通過することになるため、極めて低い酸素分圧の制御が可能となる。固体電解質であるジルコニアを主成分とする酸素分圧制御装置については、本発明者等による特願2003-42403に記載されている。

図２により、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体からサファイア単結晶の製造装置を説明する。
管状反応管壁（４３）の内部には、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体が、回転可能な固定手段（３６、３８）により固定されており、管状反応管頂部及び底部は、管状反応管壁の保持固定手段（１２）及び下蓋（４１）及び上蓋（４０）により閉鎖されている管状反応管（１）、集光用の楕円ミラー（３１、３２）が背後に設置されており、赤外線加熱用ランプが楕円ミラーの一つの焦点に、他の焦点に管状反応管の固定手段上の三酸化二アルミニウム焼結体及び種結晶となる配置の赤外線加熱装置（３０）が配置されおり、又、管状反応管下蓋（４１）及び上蓋(４０)には、酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置からの循環経路（１５、１６）が接続されている。

三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融してサフャイア単結晶を製造するための反応器及び反応器の周囲に配置されている赤外線加熱装置（３０）を説明する。
反応器は、管状反応管壁（４３）の内部に、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体を接触させない状態で固定するために、反応器内に固定手段（３８、３６）が設けられている。管状反応管壁（４３）は、赤外光を透過させる必要があり、また高温となることから石英ガラスにより作成させる。
三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体を反応器内に固定するための固定手段として、上部固定手段（３６）と下部固定手段（３８）が設けられている。上部及び下部固定手段は結晶を製造する上において昇降可能な駆動手段を設けている。
上部固定手段（３６）と下部固定手段（３８）の間に、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体が固定される。下部固定手段には、三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶体を固定するために把持手段（２１）が取り付けられている。上部分固定手段（３６）は、三酸化二アルミニウム焼結体を押さえつけて固定するというのではなく、安定して保持する状態となるように固定する。又、上部固定手段に三酸化二アルミニウム焼結体を保持して吊り下げるようにし（図示せず）、下部固定手段として把持手段（２１）を取り付けて、三酸化二アルミニウムのその種結晶体を固定することもできる。この場合には、上部固定手段の先端に白金の細線を固定し、その細線に三酸化二アルミニウム焼結体を吊り下げる。一方、下部固定手段には、先端にその種結晶体を固定するための把持手段（２１）を取り付け、白金線を用いて種結晶を把持手段に固定する。
吊り下げる装置は、上部固定手段に取り付けられた金属製吊り下げ部分の先端に取り付けられた三酸化二アルミニウム焼結体と種結晶の取り付け装置から構成される。
前記上部固定手段及び下部固定手段は、いずれも回転できるように駆動手段が設けられている（駆動手段については図示せず。）。
固定手段は駆動手段により回転することにより、固定されている三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶は回転する。その結果、赤外線を集光照射して加熱溶融する際に、均一な加熱溶融を可能にすることができる。

反応器の頂部及び底部には、管状反応管壁（４３）の保持固定手段（１２）及び下蓋（４１）及び上蓋（４０）が固定されている。下蓋（１３）及び上蓋（１４）には、酸素分圧制御装置（図１に示す。２）及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置（図１に示す。３）からの循環経路が設けられている（１５、１６）。

反応器内は、酸素分圧制御装置（図１に示す。２）及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置（図１に示す。３）の作用により、反応器（１）内の極低酸素分圧状態に不活性ガス雰囲気に維持されている。具体的には、酸素分圧が１０のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気中である。反応器内の不活性ガス中の酸素分圧は大気圧で２×１０のマイナス１乗から1×１０のマイナス３０乗気圧に制御することが出来る。このとき用いる不活性ガスは窒素、アルゴン、ヘリウムガスが用いられ、このうちアルゴン、ヘリウムガスが望ましい。

反応器内に固定されている三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体の加熱溶融には、反応器の外側を取り囲んで設けられている反応器に取り付けられている赤外線加熱装置（３０）を用いる。
具体的には、集光用の楕円ミラー（３１、３２）を背後に設置された赤外線加熱手段であるハロゲンランプもしくはキセノンランプ（３３、３４）を楕円ミラーの一つの焦点に設置する。
もう一つの焦点に、前記上部固定手段により固定されている三酸化二アルミニウム焼結体（３７）及びと下部固定手段に固定されているその種結晶体（３９）を置く。加熱初期段階まではアルミニウム焼結体（３７）とその種結晶体（３９）は接触状態になく配置されている。
ハロゲンランプもしくはキセノンランプからの赤外線及びミラーにより反射された赤外線を含めて、三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に集光させて加熱融解する。

三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に集光させる際に、赤外光が均一に照射されることが必要であり、三酸化二アルミニウム焼結棒及び種結晶を回転させて赤外光が均一に照射されるようにする。三酸化二アルミニウム焼結棒及び種結晶の回転には、三酸化二アルミニウム焼結棒及びその種結晶体の固定手段を回転させる事により行う。
その回転数は5から50rpmが望ましく、10から30rpmがより望ましい。また、育成速度は0.1から50mm/hrが望ましく、1から10mm/hrがより望ましい。
又、三酸化二アルミニウム焼結棒及びその種結晶体の垂直方向に移動させることにより三酸化二アルミニウム焼結棒及びその種結晶体の全体を融解させることができるので垂直方向の移動も行われる。
焼結体を融解した後、種結晶の一部を溶融、接合して三酸化二アルミニウム焼結体３５を形成する。

アルミナ単結晶の冷却処理及び取り出しは、以下のようにして行う。溶融操作により得られたサフアイア単結晶は冷却した後に取り出す必要がある。溶融操作が終了後、酸素分圧の制御のための不活性ガスの循環を停止し、反応器を大気中に開放する。その後、固定手段に固定されている単結晶、及び三酸化二アルミニウム焼結体を固定手段からはずし、反応器外に単結晶を取り出す。

前記の工程で得られる本発明のファイア単結晶については、Ｘ線解析の結果により、結晶構造及び純度は良好なものであることを確認することができる。

［成形体の形成から焼結工程まで］
99.9%の三酸化二アルミニウム(Al₂O₃)微粉末（平均粒径3μm）を、3000気圧の静水圧力下でプレスし、直径10mm、長さ100mmに成形した。得られた成形体を空気中において、摂氏1300度で4時間熱処理をし、三酸化二アルミニウムの焼結棒を作成した。

［サファイア単結晶の製造工程］
得られた焼結体と予め用意をしたその種結晶体を極低酸素分圧に保たれた反応器内に固定した。
次に、低酸素分圧制御技術を用いて、反応器内を１気圧のアルゴンガス中において，10のマイナス２９乗気圧の酸素分圧にした。
前記雰囲気下で２ｋＷを出力とする二つのハロゲンランプからの赤外線加熱により、上記の三酸化二アルミニウム焼結体を加熱する。焼結体の昇温過程で吸着ガスの脱離のため、一度、反応器内の酸素分圧が上昇した。ガスの脱離が終わると酸素分圧は再び低下した。その後、加熱部分の温度が１５００℃以上になると炉内の酸素分圧は、再度、上昇した。後者の酸素分圧の上昇は、三酸化二アルミニウムが還元され、酸素が発生しているためと考えられる。さらに加熱すると、空気中では赤外線加熱では溶融しない三酸化二アルミニウムが溶融した。焼結棒が溶融後、その種結晶体も溶融させ、焼結棒溶融部分と結合し馴染ませた後、育成速度10mm/hrでサファイア単結晶を得た。
図3に得られた単結晶の写真を示す。また、図４は得られたサファイア単結晶の背面ラウエ写真を示す。X線は単結晶成長時に出来る成長面を撮影した。アルミナの結晶構造である三方晶系の特徴の３回対称性が確認した。

反応器、酸素濃度制御装置及び循環装置の構成図。 本発明の反応装置を示す図。 本発明で得られるサファイア単結晶を示す図。 本発明で得られるサファイア単結晶の背面ラウエ写真。

符号の説明

１：管状反応器
２：酸素分圧制御装置
３：循環装置
３０：赤外線加熱装置
４３：管状反応管壁
１２：管状反応管壁の保持固定手段
４０：下蓋
４１：上蓋
１５：酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置からの循環経路
１６：酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置からの循環経路
２１：把持手段
３１、３２：楕円ミラー
３３、３４：赤外線ランプ
３５：被加熱部
３６：上部固定手段
３７：アルミナ焼結体
３８：下部固定手段
３９：種結晶
４３：石英管

Claims (9)

1. 極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気に維持されている条件下に、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体を回転可能な固定手段上に固定維持し、固定手段を回転させて、前記三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶体の表面に赤外線を集光照射して加熱溶融することを特徴とする三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
2. 前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を加圧成形後に焼結により得られたものであることを特徴とする請求項１記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
3. 前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を円柱状に加圧成形して焼結により得られるであることを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶の製造方法。
4. 前記極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気が、酸素分圧が10のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気中であることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶を製造する方法。
5. 管状反応管壁の内部には、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶が、回転可能な固定手段により固定されており、管状反応管頂部及び底部は、管状反応管壁の保持固定手段及び下蓋及び上蓋により閉鎖されている管状反応管、集光用の楕円ミラーが背後に設置されており、赤外線加熱用ランプが楕円ミラーの一つの焦点に、他の焦点に管状反応管の固定手段上の三酸化二アルミニウム焼結体及びその種結晶となる配置の赤外線加熱装置が配置されおり、又、管状反応管下蓋及び上蓋には、酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置からの循環経路が接続されていることを特徴とする三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶製造装置。
6. 前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を加圧成形後に焼結により得られたものであることを特徴とする請求項５記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶製造装置。
7. 前記三酸化二アルミニウム焼結体は、三酸化二アルミニウム微粉末の成形体を円柱状に加圧成形して焼結により得られるであることを特徴とする請求項５又は６いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサフャイア単結晶製造装置。
8. 前記酸素分圧制御装置及び不活性ガス雰囲気に維持するための気体循環装置により管状反応管内の極低酸素分圧の不活性ガス雰囲気が、酸素分圧が10のマイナス３０乗気圧以上、１０のマイナス４乗気圧以下の不活性ガス雰囲気とすることができることを特徴とする請求項５から７いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶製造装置。
9. 前記赤外線加熱装置は、三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶表面に赤外線を集光照射して加熱溶融するものであること特徴とする請求項５から８いずれか記載の三酸化二アルミニウム焼結体とその種結晶体から得られるサファイア単結晶を製造装置。

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