JP5650869B1 - サファイア単結晶育成用坩堝およびサファイア単結晶育成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
サファイア単結晶育成用坩堝1を構成する材料としては、サファイア(アルミナ)溶融温度に耐え高温強度が高い金属材料として、モリブデン、タングステン、またはモリブデンとタングステンの合金が好適に用いられる。
円筒部3は、育成するサファイア単結晶のウェハの直径に対応した内径(開口部径D)を有する。ウェハの直径としては4インチウエハ、6インチウエハが挙げられるが、これらのウエハサイズに対応するためには少なくとも坩堝の開口部径Dは200mmであるのが望ましい。また、将来的には開口部径が400mmの坩堝、更に開口部径が660mm坩堝の需要が生じると予測されているため、開口部径Dが200mm以上、660mm以下の範囲が想定される範囲である。
平底7は平坦な形状を有する底部である。
R部5は円筒部3と平底7を連結する部分であり、坩堝の軸方向に平行な断面形状が円弧状を有している。
そのため、R部5の内角寸法5aは20mm以上であるのが望ましい。
サファイア単結晶育成用坩堝1の表面形状は、溶解したサファイアへの坩堝成分の混入を抑制可能な形状であるのが望ましく、具体的にはサファイアと接触する内周がRy7μm以下、Ra1μm以下であるのが望ましい。
本発明のサファイア単結晶育成用坩堝1において、坩堝高さ(H)と開口部径(D)の比率であるH/Dは1.4以下であるのが望ましい。これは、サファイア結晶育成の立場からは、背の高い坩堝がより大きなインゴットの作製に有利であるが、育成設備の設計・製作の観点からは、背の高い坩堝は、外部加熱構造・配置、坩堝の鉛直保持構造など、多くの課題を抱えることとなり、一方、坩堝作製の立場からは、坩堝形状への成型技術の制約が生じるためである。
そのため、H/Dは1.4が限度である。
サファイア単結晶育成用坩堝1の製造方法は、上記の形状、組成を有するサファイア単結晶育成用坩堝が製造できるものであれば、特に限定されるものではないが、以下のようなものを例示することができる。
以下、図2を参照して製造方法の一例を説明する。
まず、坩堝の原料を用意する。
具体的には、サファイア単結晶育成用坩堝1の材料として、純モリブデンを用いる場合は、原料は、Fsss(Fisher Sub-Sieve Sizer)粒度で4〜5μm、純度99.9質量%以上のモリブデン粉末を用いるのが望ましい。
次に、サファイア単結晶育成用坩堝1の材料として、タングステン−モリブデン合金を用いる場合、計量された2種類の粉末を適当な装置(例えば、ボールミル、V型ミキサー、ダブルコーンミキサーなど)を用いて混合し、合金用原料粉末とする。
次に、原料粉末を所望する成形体の形状のラバー内に充填し、開放口を止め具でシールした後ラバー内を真空引きする。真空引きを終えた後、ラバーをCIP(Cold Isostatic Pressing、冷間等方圧加圧)装置内に装填し、所定の手順で水圧を掛けて成形を行う。除圧後、CIP装置内からラバーを取り出して表面の水気を拭き取り、止め具を開放し、粉末成形体を取り出す。
次に、粉末成形体をバッチ式或いは連続式水素焼結炉で、2000℃以上で20時間焼結する。より高温度、長時間の焼結処理が、焼結密度向上に好ましい。焼結素材は例えば、ヘラ絞りで坩堝形状を形成する場合は、厚さ30mm、幅300mm、長さ300mm、重量28kg程度の板状の焼結体であり、焼結で坩堝形状を形成する場合は、坩堝形状の焼結体である。
なお、焼結ままの坩堝(表面研磨を行わない坩堝)の場合、ここで坩堝が完成する。
ヘラ絞りで坩堝形状を加工する場合は、以下のS5〜S7に記載の加工を行う。
具体的には、まず、焼結により得た板状の焼結体に対し、板圧延を4段式熱間圧延機で行う。この熱間圧延による塑性加工工程において、ブランク材並びに絞り成型後の坩堝の品質を作り出す。この際、パススケジュール(落とし率、加熱温度×時間、通し方向など)に工夫を行うことで、更に理論密度比98%以上の絞り加工に好適な圧延材が得られる。
上記した熱間圧延を行った材料は表面が酸化し、薄黄色ないし浅黒い酸化物で覆われている。そのため、水素還元炉を用いて、温度900℃で表面の酸化物を還元した後、強酸によってこれを溶解除去し、金属地肌の表面とする。この圧延板を放電ワイヤカット或いはプラズマ切断など適宜の切断法で切断して、円盤状の絞り加工用ブランク材を得る。
次に、ブランク材を坩堝形状に加工するため、ヘラ絞りを行う。
具体的には、ヘラ絞り装置に金型をセットし、これにブランク材を押し当て、押し棒でブランク材を固定する。次に、この状態で金型、ブランク材、押し棒を一体回転させる。さらに、ブランク材を赤熱程度に大気中加熱しながら、ローラー(ヘラ)を繰り出してS6と同じ表面酸化物除去処理を行い、金属地肌の坩堝を得る。
得られた坩堝に対し、刃具類を用いて、製品寸法・形状に切削加工、研磨加工による仕上げ加工を行う。切削加工には旋盤、マシニングセンター等を使用する。
成形加工の際に表面に酸化変色を認めた場合、先ず、S6(表面酸化物除去処理)と同様の処理によって、金属地肌の表面を出す。その後、ブラスト処理を行い、電解研磨処理の下準備を行う。切削加工仕上げでは、バイト目などの模様が残るため、ブラスト処理を行う。ブラスト処理は乾式あるいは湿式いずれの処理でも同様な効果が得られる。電解研磨処理は坩堝内面に対してのみ実施する。このブラスト処理と電解研磨処理の結果、Ry7μm以下、Ra1μm以下の表面粗さの坩堝製品が完成する。
以上がサファイア単結晶育成用坩堝1の製造方法の一例である。
焼結により9MW合金(理論密度:10.70g/cm3)のサファイア単結晶育成用坩堝1の製造を試みた。具体的な手順は以下の通りである。
開口部径300mm、高さ300mm、厚さ10mmの9MW合金坩堝をヘラ絞りにより製作した。具体的な手順は以下の通りである。
R部5の内角寸法が及ぼす壁内側のアルミナによる浸食の低減効果を確認するために、実施例1と同様の条件にて、9MW合金および純モリブデンを材料とし、開口部径が300mm、高さ300mm、厚さ10mm、R部5の内角寸法がそれぞれ10mm、20mm、30mm、40mm、50mmの坩堝を作製し、サファイア育成に供して浸食の度合いを着色と厚さ変化を測定することにより、評価した。
実施例3と同様の手順でR部5の内角寸法が30mmの9MW、7MW、5MW合金製坩堝を製作した。内面の面粗さがサファイア着色に及ぼす影響を調査するために、上述と同じ手順で電解研磨処理を行った。坩堝を湿式ブラスト処理装置に設置し、アルミナ砥粒(粒度100メッシュ)を内外面に吹きつけて面処理を行った。ブラスト終了後は、坩堝表面に残った砥粒を噴流水で除去し、乾燥した。
条件A:電圧35V、電流密度300mA/cm2、研磨時間60分
条件B:電圧35V、電流密度1300mA/cm2、研磨時間30分
3 :円筒部
5 :R部
5a :内角寸法
7 :平底
Claims (6)
- モリブデンまたはタングステン、もしくはモリブデンとタングステンの合金と不可避不純物で構成され、
円筒部と、前記円筒部の一方の端部にR部を介して一体となって設けられた平底と、を有する円筒状であり、
前記円筒部は、開口部径が200mm以上、660mm以下であり、
高さ/開口部径の比率が1.4以下であり、
少なくとも内周の最大高さRyが7μm以下であり、
少なくとも内周の算術平均粗さRaが1μm以下であり、
前記R部の内角寸法が20mm以上、40mm以下である、サファイア単結晶育成用坩堝。 - 前記円筒部は等厚円筒状であり、
前記平底は、前記円筒部の一方の端部にR部を介して一体となってつなぎ目なしで設けられる、請求項1に記載のサファイア単結晶育成用坩堝。 - タングステンを5質量%以上、50質量%以下含有するタングステンーモリブデン合金と不可避不純物で構成される、請求項1または2に記載のサファイア単結晶育成用坩堝。
- 理論密度比95%以上、純度99.9質量%以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のサファイア単結晶育成用坩堝。
- 粉末焼結工法、或いはヘラ絞り工法によって成型された、請求項1〜4のいずれか一項に記載のサファイア単結晶育成用坩堝。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のサファイア単結晶育成用坩堝を用いたサファイア単結晶育成方法。
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