JP5915506B2 - サファイア単結晶の製造方法及び種結晶 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりサファイア単結晶を製造する方法に関する。

サファイア単結晶の製造方法には様々なものがある。Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ法は、タングステンもしくはモリブデンルツボに高純度アルミナを入れ、その外側に配置した抵抗加熱ヒータで溶融を行った後、融液の上方からサファイア単結晶の種結晶を下降させて着液し、以後、温度を徐々に低下させることで種結晶から下方に単結晶を成長させる方法である。
この方法は原料全てを単結晶化させるため、非常に歩留まりの高い製法ではあるが、ＧａＮ基板に用いられるｃ軸結晶の製作が難しいため、一般にはａ軸結晶を製作した後、ａ軸と垂直なｃ軸にインゴットを刳り抜く作業が必要となり、このため、ＬＥＤ用ｃ軸結晶基板を製造する場合には、その歩留まりは低くなってしまう。

一方、ｃ軸結晶の製造が可能なＣＺ法においては、その加熱方式は専ら高周波加熱である。この方法では金属ルツボのみを発熱させるため、ジルコニアやアルミナといった酸化物系の断熱材が使用される。その場合、耐酸化性の高い高融点金属は非常に高価なイリジウムに限定されるため、ｃ軸結晶の歩留まりは高いが、高コストになっていた。

特開２００８−７３５４号公報

ｃ軸結晶の製造が可能なＣＺ法において、そのコストを下げるためタングステンやモリブデンルツボに変更する場合（特許文献１）、イリジウムに比べて耐酸化性が低いため、カーボン系断熱材を使用することになる。カーボンは良導体であるため、高周波加熱方式では熱効率が悪く、必然的に抵抗加熱ヒータを使用することになる。

このような単結晶製造装置において、抵抗加熱ヒータを用いた場合には、イリジウムルツボのみを直接加熱する高周波加熱に比べ、融液やルツボ以外にも炉内の温度が均熱化して高温になる。
ＣＺ法では、原料である高純度アルミナを溶解した後、サファイア単結晶からバンドソー又はワイヤーソーで切り出された種結晶を融液に着液させてから引上げを行う。この際、上記のような抵抗加熱ヒータにより融液を加熱する場合には、融液に着液する前に、種結晶の底面ではなく、側面から溶け落ちるという問題が発生した。

種結晶の切削面の表面粗さは数μｍであり半透明な状態にある。サファイア単結晶は光学材料としても利用されている通り本来は無色透明であり、２０００℃を超える温度域においても赤外線の透過率が非常に高い材料である。しかし、表面が粗いと種結晶の表層で赤外線を吸収しやすくなるため、融液温度を種付けに最適な温度に調整していても、融液に着液する前に、種結晶の底面ではなく、側面から溶け落ちてしまうということを本発明者らは見出した。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、抵抗加熱ヒータを用いた装置によりサファイア単結晶を製造する際に、着液前に種結晶が溶けないように良好に種付けすることができる方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＣＺ法により、タングステン又はモリブデン、あるいはタングステンとモリブデンの両方を主成分とするルツボ内で原料を抵抗加熱ヒータによって加熱溶融して得られた融液に、種結晶を着液させて引上げることによりサファイア単結晶を製造する方法であって、前記融液に着液させる種結晶として、研磨加工が施された種結晶を用いることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法を提供する。

このように、研磨加工が施された種結晶であれば、抵抗加熱ヒータからの赤外線の透過率が高いため、種結晶が高温化することなく、着液前に種結晶が溶け落ちることを効果的に防止することができ、サファイア単結晶の生産性を向上させることができる。

このとき、前記融液に着液させる種結晶として、側面に研磨加工が施された種結晶を用いることが好ましい。
このような側面に研磨加工が施された種結晶を用いることで、側面における吸熱を抑制し、種結晶の底面を着液させて溶融する前に側面が溶け落ちることを、より効果的に防止することができる。

このとき、前記融液に着液させる種結晶として、全面に研磨加工が施された種結晶を用いることが好ましい。
このような全面に研磨加工が施された種結晶を用いることで、赤外線の透過率がさらに高く、着液前に種結晶が溶けることを確実に防止することができる。

このとき、前記融液に着液させる種結晶として、研磨加工が施されて表面粗さＲａ値を１００ｎｍ以下とした種結晶を用いることが好ましい。
このような表面粗さの種結晶を用いることで、赤外線の透過率が十分に高く、熱により種結晶が溶けることを、より効果的に防止できる。

また、本発明は、ＣＺ法によりサファイア単結晶を製造する際に用いられる種結晶であって、該種結晶は、研磨加工が施されたものであることを特徴とする種結晶を提供する。

このように、研磨加工が施されたものであれば、赤外線の透過率が高く、種付けの際、着液前に側面が溶け落ちることを効果的に防止することができ、サファイア単結晶の生産性を向上させることができる種結晶となる。

このとき、前記種結晶の研磨加工が施された面は、表面粗さＲａ値が１００ｎｍ以下であることが好ましい。
このような表面粗さであれば、赤外線の透過率が十分に高く、熱により溶けることをより効果的に防止できる種結晶となる。

以上のように、本発明によれば、種付けの際、着液前に側面が溶け落ちることを効果的に防止することができ、サファイア単結晶の生産性を向上させることができる。

本発明の種結晶の一例を示す概略図である。 本発明のサファイア単結晶の製造方法に用いることができる装置の概略図である。 種結晶が溶ける様子を説明するための図である。 波長によるサファイアの透過率を示すグラフである。 サファイアの吸収係数の温度依存性を示すグラフである。

抵抗加熱ヒータを用いた装置で、種結晶を融液に着液して引上げることによりサファイア単結晶をＣＺ法によって製造する際、図３（ａ）のような形状の種結晶１００を融液に着液させる前に、図３（ｂ）のように側面が溶けて、その後、図３（ｃ）のように種結晶１００の下部が溶け落ちてしまうという問題が発生した。
このような問題に対して、本発明者らは以下のような検討を行った。

半透明材料に対する輻射伝熱量は、表面での反射と材料を透過する分を除いた量として計算される。図４に波長域によるサファイアの透過率を示す。図５にサファイアの吸収係数の温度依存性を示す。
図４に示すように、室温において、サファイアは、０．５μｍから５μｍの波長域で８５％程度の透過率を有する。また、図５に示すように、温度が上がると吸収しやすくはなるが、それでも吸収熱量はごく僅かである。しかし、バンドソーやワイヤーソーから切り出された種結晶の場合、その表面が粗いために赤外線が透過しにくく、表層温度が高くなってしまい溶損に至るものと考えられる。本発明者らは、この問題を解決するため、切削された種結晶に、例えばダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理を施すことで、種結晶の表面での赤外線吸収を抑制して、溶損を防止できることを見出して、本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の種結晶の一例を示す概略図である。

本発明は、ＣＺ法により、タングステン又はモリブデン、あるいはタングステンとモリブデンの両方を主成分とするルツボ内で原料を抵抗加熱ヒータによって加熱溶融して得られた融液に、種結晶を着液させて引上げることによりサファイア単結晶を製造する方法である。
そして、本発明では、融液に着液させる種結晶として、研磨加工が施された種結晶を用いる。

このように種結晶を研磨して透明化することで、抵抗加熱ヒータからの赤外線の透過率をサファイア本来の透過率に近づけて高くすることができる。このような種結晶を用いることで、種付けの着液前に側面等が溶け落ちることを効果的に防止することができ、サファイア単結晶の生産性を向上させることができる。

本発明の種結晶としては、サファイア単結晶から、図１に示すような直方体の単結晶をバンドソーやワイヤーソーにより切り出して、その表面を例えばダイヤモンド砥粒を用いた研磨装置で研磨して、種結晶１０とする。なお、種結晶の形状としては、これに限定されず、円柱形状等のものを用いることもできる。

このとき、側面に研磨加工が施された種結晶１０を用いることが好ましい。
側面は、抵抗加熱ヒータからの熱を受けやすく、また、側面が溶けると着液させる底面とともに種結晶の下部が溶け落ちてしまうため、例えば側面のみを研磨することで、効率的に種結晶の溶損を防止することができる。

また、さらに全面に研磨加工が施された種結晶１０を用いることが好ましい。
上記のように全面を研磨することで、種結晶の赤外線透過率をより高くすることができ、溶損をより効果的に防止することができる。

このとき、研磨加工が施されて表面粗さＲａ値を１００ｎｍ以下、特には１０ｎｍ以下とした種結晶を用いることが好ましい。
このような表面粗さであれば、赤外線の透過率が十分に高く、種結晶が抵抗加熱ヒータからの熱で溶けることをより効果的に防止できる。

上記のような本発明の種結晶を用いてサファイア単結晶を引上げる際には、例えば図２に示すような単結晶製造装置を用いることができる。

図２の単結晶製造装置２３は、ＣＺ法により、ルツボ１４内でアルミナ原料を加熱溶融して得られた融液１５からサファイア単結晶１７を引上げて製造する装置である。ルツボ１４は、タングステン又はモリブデン、あるいはタングステンとモリブデンの両方を主成分とするものである。これらは、イリジウムより安価で、コスト低減に有利である。
単結晶製造装置２３は、ルツボ１４を囲繞し、ルツボ１４内の原料を加熱する抵抗加熱ヒータ２２と、ルツボ１４を配置するメインチャンバー１１とを備えたものである。さらに、メインチャンバー１１上にゲートバルブ１２で仕切り可能に接続されたプルチャンバー１３を備えることもできる。このようなプルチャンバー１３を有することで、ヒータ電源を落とすことなく原料のチャージを行うことができる。

図２に示すように、この単結晶製造装置２３は、ガス導入管２５とガス排出管２６を有し、例えば、単結晶成長時等の通常時はプルチャンバー１３の上方から不活性ガス等を炉内にガス導入管２５を介して導入し、この導入したガスを、メインチャンバー１１の底部のガス排出管２６から真空ポンプ２４等により炉外へ排出することができる。一方、原料チャージ等の際には、ゲートバルブ１２を閉めてプルチャンバー１３内で作業を行い、その後、プルチャンバー１３内を不図示のプルチャンバー用のガス排出管とガス導入管２５を用いてガス置換して、プルチャンバー１３をメインチャンバー１１と同じ条件にしてからゲートバルブ１２を開くことで、引き続いて単結晶育成工程を行うことができる。

また、単結晶製造装置２３は、ルツボ１４や抵抗加熱ヒータ２２を囲む黒鉛系フェルト材等の断熱材１６と、サファイア単結晶１７の引上げに用いる引上げ軸２０と、種結晶１０を保持する種ホルダー２１と、ルツボ１４を支えるモリブデン等の金属製保持具１８と、ルツボ１４をモリブデン等の金属製保持具１８を介して支持する例えばモリブデン製のルツボ支持軸１９とを備える。

上記のような単結晶製造装置２３を用いて、本発明の種結晶１０を融液１５に着液させて引上げることで、サファイア単結晶１７を育成することができる。本発明であれば、たとえ抵抗加熱ヒータ２２を用いた温度分布が均一になり易い炉内構造であっても、種付けの際の種結晶１０の溶損を効果的に防止できるため、サファイア単結晶の歩留まりを向上することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
図２の装置を用いて、等方性黒鉛ならびに、炭素繊維を成型した断熱材を用いた炉内に、１５ｋｇの高純度アルミナを入れたモリブデンルツボをセットし、抵抗加熱ヒータで加熱して溶融した。その後、１０ｍｍ角×１００ｍｍ長さの直方体のｃ軸種結晶をゆっくりと降ろしていき、着液させて種付けを行った。

種結晶としては、切削面をそのまま有するもの（比較例）、及び、切削面に、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨を施した研磨面を有するもの（実施例）を２種類用い、また、融液温度を３水準で変えて種結晶の溶損状況を比較した。結果を表１に示す。

また、上記研磨した研磨面の表面粗さは、Ｒａ値で１０ｎｍ程度であった。なお、表１における融液の最適温度とは、種付け後にメニスカスが形成され、なおかつ、その後、半径方向に結晶成長しない状態となる融液温度を意味する。

表１に示すように、研磨を施した種結晶は、いずれの温度でも種結晶の下部が溶け落ちる溶損は生じなかった。温度が最適温度＋５℃の場合には、わずかに側面が溶けたが、種付けは実施可能であった。一方、研磨を施さなかった種結晶は、種結晶の下部が溶け落ちて溶損が生じた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…種結晶、 １１…メインチャンバー、
１２…ゲートバルブ、 １３…プルチャンバー、 １４…ルツボ、 １５…融液、
１６…断熱材、 １７…サファイア単結晶、 １８…金属製保持具、
１９…ルツボ支持軸、 ２０…単結晶引上げ軸、 ２１…種ホルダー、
２２…ヒータ、 ２３…単結晶製造装置、 ２４…真空ポンプ、
２５…ガス導入管、 ２６…ガス排出管。

Claims (4)

1. ＣＺ法により、タングステン又はモリブデン、あるいはタングステンとモリブデンの両方を主成分とするルツボ内で原料を抵抗加熱ヒータによって加熱溶融して得られた融液に、種結晶を着液させて引上げることによりサファイア単結晶を製造する方法であって、
   前記融液に着液させる種結晶として、研磨加工が施されて表面粗さＲａ値を１００ｎｍ以下とした種結晶を用いることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
2. 前記融液に着液させる種結晶として、側面に研磨加工が施された種結晶を用いることを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
3. 前記融液に着液させる種結晶として、全面に研磨加工が施された種結晶を用いることを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
4. ＣＺ法によりサファイア単結晶を製造する際に用いられる種結晶であって、該種結晶は、表面粗さＲａ値が１００ｎｍ以下の研磨面を有するものであることを特徴とする種結晶。

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