JP6014237B1 - Sapphire single crystal member manufacturing equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】坩堝の外周面を囲うように配置された黒鉛製ヒーターと電極との間を接続する構造が単純であり、かつ、長期間安定して黒鉛製ヒーターを支持固定できること。【解決手段】格納容器内に配置された坩堝の外周面側を囲うと共に、中心軸が鉛直方向と平行を成すように配置され、底面130BTにヒーター側ネジ穴132が設けられた筒状の黒鉛製ヒーター130と、電極側ネジ穴142が設けられた端面140TPを有し、中心軸が鉛直方向と平行を成すように黒鉛製ヒーター130の底面130BTに対して端面140TPが接続された黒鉛製棒状電極140と、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142に螺合する黒鉛製イモネジ150と、を少なくとも備え、黒鉛製ヒーター130の底面130BTおよび黒鉛製棒状電極140の端面140TPが、鉛直方向と直交しているサファイア単結晶部材製造装置。【選択図】図2A structure for connecting a graphite heater and an electrode disposed so as to surround an outer peripheral surface of a crucible is simple, and a graphite heater can be supported and fixed stably for a long period of time. Cylindrical graphite which surrounds the outer peripheral surface side of the crucible disposed in the containment vessel, is disposed so that the central axis is parallel to the vertical direction, and is provided with a heater side screw hole 132 on the bottom surface 130BT. A graphite rod-like shape having a heater 130 and an end surface 140TP provided with electrode-side screw holes 142, and having an end surface 140TP connected to the bottom surface 130BT of the graphite heater 130 so that the central axis is parallel to the vertical direction. The electrode 140 and the graphite screw 150 which is screwed into the heater-side screw hole 132 and the electrode-side screw hole 142 are at least provided, and the bottom surface 130BT of the graphite heater 130 and the end surface 140TP of the graphite rod-shaped electrode 140 are in the vertical direction. A sapphire single crystal member manufacturing apparatus orthogonal to each other. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、サファイア単結晶部材製造装置に関するものである。   The present invention relates to a sapphire single crystal member manufacturing apparatus.

サファイア基板やシリコンウエハーなどの各種の単結晶部材の製造に用いられる単結晶部材製造装置では、坩堝に投入した原料を加熱溶解するために、黒鉛製ヒーターなどの抵抗発熱体が用いられている(特許文献1〜3)。また、抵抗発熱体と共に、坩堝内の融液の対流を防止するために、融液に対して磁場を印加する磁場印加装置としてコイルがさらに用いられることもある(特許文献1)。   In a single crystal member manufacturing apparatus used for manufacturing various single crystal members such as a sapphire substrate and a silicon wafer, a resistance heating element such as a graphite heater is used to heat and dissolve the raw material charged in the crucible ( Patent Documents 1 to 3). Moreover, in order to prevent the convection of the melt in the crucible together with the resistance heating element, a coil may be further used as a magnetic field application device that applies a magnetic field to the melt (Patent Document 1).

特許文献1に示す単結晶部材製造装置においては、坩堝の外周面を囲うように配置された黒鉛製ヒーターの下端が、取付けボルトを介して板状の固定部材の上面に固定されている。また、この固定部材は、単結晶部材製造装置の基台上に固定されている。さらに、電極は、この固定部材に設けられた貫通孔に取付けられる。そして、黒鉛ヒーターと固定部材との間に炭素化または黒鉛化した接着層を設けることで、両者を強固に固定して、放電の原因となる黒鉛ヒーターと固定部材との相対的な移動を抑制すると共に、隙間が生じるのも防いでいる。   In the single crystal member manufacturing apparatus shown in Patent Document 1, the lower end of a graphite heater arranged so as to surround the outer peripheral surface of the crucible is fixed to the upper surface of a plate-like fixing member via a mounting bolt. The fixing member is fixed on the base of the single crystal member manufacturing apparatus. Furthermore, an electrode is attached to the through-hole provided in this fixing member. And, by providing a carbonized or graphitized adhesive layer between the graphite heater and the fixing member, both are firmly fixed, and the relative movement between the graphite heater and the fixing member causing discharge is suppressed. In addition, gaps are prevented from occurring.

特許文献2には、かご型の黒鉛製発熱体と、この黒鉛製発熱体の底面外周側に接続され、黒鉛製発熱体の外周側へと伸びる黒鉛製継手と、黒鉛製継手の外周側底面に接続された全長の極めて短い黒鉛製電極と、さらに黒鉛製電極の底面側に接続された銅製電極と、を備えた導電性構造体が開示されている。この導電性構造体では、(1)黒鉛製発熱体と黒鉛製継手とを引張り強さが98MPaのC/C複合材(炭素繊維強化炭素複合材)からなるボルトで固定しており、(2)黒鉛製継手と黒鉛製電極とを、引張り強さが30MPaの黒鉛製のボルトで固定している。また、(3)黒鉛製電極と銅製電極とは、銅製電極の一端に設けられた雄ネジ部分を介して固定されている。さらに、(1)〜(3)に示す各々の部材の界面には黒鉛シートが配置されている。   Patent Document 2 discloses a cage-shaped graphite heating element, a graphite joint that is connected to the outer peripheral side of the bottom surface of the graphite heating element and extends to the outer peripheral side of the graphite heating element, and an outer peripheral side bottom surface of the graphite joint. There is disclosed a conductive structure including an extremely short graphite electrode connected to a copper electrode and a copper electrode connected to the bottom side of the graphite electrode. In this conductive structure, (1) a graphite heating element and a graphite joint are fixed with a bolt made of a C / C composite material (carbon fiber reinforced carbon composite material) having a tensile strength of 98 MPa, (2 ) The graphite joint and the graphite electrode are fixed with a graphite bolt having a tensile strength of 30 MPa. (3) The graphite electrode and the copper electrode are fixed via a male screw portion provided at one end of the copper electrode. Furthermore, the graphite sheet is arrange | positioned at the interface of each member shown to (1)-(3).

また、特許文献3に示す単結晶部材製造装置においては、坩堝の外周面を囲うように配置された黒鉛製ヒーターの外周面下端側に、円柱状ヒーター電極が接続されている。すなわち、円柱状ヒーター電極によって黒鉛製ヒーターが支持固定されている。   Moreover, in the single crystal member manufacturing apparatus shown in Patent Document 3, a columnar heater electrode is connected to the lower end side of the outer peripheral surface of the graphite heater disposed so as to surround the outer peripheral surface of the crucible. That is, the graphite heater is supported and fixed by the cylindrical heater electrode.

実開平3−53791号公報Japanese Utility Model Publication No. 3-53791 特開平7−288178号公報JP 7-288178 A 特開2010−120831号公報JP 2010-120831 A

しかしながら、特許文献1,2に例示したような従来の単結晶部材製造装置では、坩堝の外周面を囲うように配置されたヒーターと電極との間を接続する構造が複雑であったり、長期間安定してヒーターを支持固定することが困難である。   However, in the conventional single crystal member manufacturing apparatus as exemplified in Patent Documents 1 and 2, the structure for connecting the heater and the electrode arranged so as to surround the outer peripheral surface of the crucible is complicated, or for a long time. It is difficult to stably support and fix the heater.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、坩堝の外周面を囲うように配置された黒鉛製ヒーターと電極との間を接続する構造が単純であり、かつ、長期間安定して黒鉛製ヒーターを支持固定できる構造を備えたサファイア単結晶部材製造装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a simple structure for connecting between a graphite heater and an electrode arranged so as to surround the outer peripheral surface of the crucible, and stably for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a sapphire single crystal member manufacturing apparatus having a structure capable of supporting and fixing a graphite heater.

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
第一の本発明のサファイア単結晶部材製造装置は、格納容器と、格納容器内に配置された有底筒状の坩堝と、坩堝の外周面側を囲うと共に、中心軸が鉛直方向と平行を成すように配置され、底面にヒーター側ネジ穴が設けられた筒状の黒鉛製ヒーターと、電極側ネジ穴が設けられた端面を有し、中心軸が前記鉛直方向と平行を成すように黒鉛製ヒーターの底面に対して端面が接続された黒鉛製棒状電極と、ヒーター側ネジ穴および電極側ネジ穴に螺合する黒鉛製イモネジと、を少なくとも備え、黒鉛製ヒーターの底面および黒鉛製棒状電極の端面が、鉛直方向と直交し、黒鉛製ヒーターの底面側、かつ、周方向においてヒーター側ネジ穴が設けられた近傍における黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みが、黒鉛製ヒーターの底面側、かつ、周方向においてヒーター側ネジ穴が設けられた近傍以外の部分における黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みよりも大きいことを特徴とする。
また、第二の本発明のサファイア単結晶部材製造装置は、格納容器と、格納容器内に配置された有底筒状の坩堝と、坩堝の外周面側を囲うと共に、中心軸が鉛直方向と平行を成すように配置され、底面にヒーター側ネジ穴が設けられた筒状の黒鉛製ヒーターと、電極側ネジ穴が設けられた端面を有し、中心軸が前記鉛直方向と平行を成すように黒鉛製ヒーターの底面に対して端面が接続された黒鉛製棒状電極と、ヒーター側ネジ穴および電極側ネジ穴に螺合する黒鉛製イモネジと、を少なくとも備え、黒鉛製ヒーターの底面および黒鉛製棒状電極の端面が、鉛直方向と直交し、黒鉛製イモネジの直径が、黒鉛製ヒーターの底部側、かつ、周方向においてヒーター側ネジ穴が設けられた近傍における黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みの1/3を超えることを特徴とする。
The above-mentioned subject is achieved by the following present invention. That is,
The apparatus for producing a sapphire single crystal member according to the first aspect of the present invention encloses a storage container, a bottomed cylindrical crucible disposed in the storage container, an outer peripheral surface side of the crucible, and a central axis parallel to the vertical direction. A graphite graphite heater having a heater-side screw hole on the bottom surface, and an end face provided with an electrode-side screw hole, and having a central axis parallel to the vertical direction. A graphite rod-shaped electrode having an end surface connected to the bottom surface of the heater made of graphite, and a graphite screw screwed into the screw hole on the heater side and the electrode side screw hole, and the bottom surface of the graphite heater and the graphite rod electrode The end face of the graphite heater is perpendicular to the vertical direction, the bottom surface side of the graphite heater, and the thickness in the diameter direction of the graphite heater in the vicinity where the heater side screw hole is provided in the circumferential direction, the bottom surface side of the graphite heater, and , Circumferential direction It is larger than the diameter direction of the thickness of the graphite heater in the portion other than the vicinity of the Oite heater side screw holes provided.
Moreover, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the second aspect of the present invention surrounds the storage container, the bottomed cylindrical crucible disposed in the storage container, the outer peripheral surface side of the crucible, and the central axis is in the vertical direction. It has a cylindrical graphite heater with a heater-side screw hole on the bottom and an end face with an electrode-side screw hole, and the central axis is parallel to the vertical direction. At least, a graphite rod-shaped electrode whose end face is connected to the bottom surface of the graphite heater, and a graphite screw screwed into the heater side screw hole and the electrode side screw hole. The end face of the rod-shaped electrode is perpendicular to the vertical direction, and the diameter of the graphite heater screw is the thickness of the graphite heater in the diameter direction near the bottom of the graphite heater and in the vicinity of the heater side screw hole in the circumferential direction. 1/3 Characterized in that it obtain.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の一実施形態は、黒鉛製ヒーターの底面と、黒鉛製棒状電極の端面との間にカーボン接着層が設けられていることが好ましい。   In one embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention, a carbon adhesive layer is preferably provided between the bottom surface of the graphite heater and the end surface of the graphite rod-shaped electrode.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の他の実施形態は、黒鉛製棒状電極および黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の固有抵抗値が10μΩm以下であることが好ましい。   In another embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the specific resistance value of the graphite material constituting the graphite rod-shaped electrode and the graphite immo screw is 10 μΩm or less.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の他の実施形態は、黒鉛製棒状電極および黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の熱伝導率が150W/m・K以上であることが好ましい。   In another embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention, the thermal conductivity of the graphite material constituting the graphite rod-shaped electrode and the graphite immo screw is preferably 150 W / m · K or more.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の他の実施形態は、黒鉛製棒状電極および黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の引張り強さが20MPa以下であることが好ましい。   In another embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the tensile strength of the graphite material constituting the graphite rod-shaped electrode and the graphite immo screw is 20 MPa or less.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の他の実施形態は、坩堝の加熱部材として、黒鉛製ヒーターのみを備えることが好ましい。   Another embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention preferably includes only a graphite heater as the heating member of the crucible.

本発明のサファイア単結晶部材製造装置の他の実施形態は、坩堝内に配置され、上端部から下方へと伸びるスリットを備えたダイと、ダイの上方側において、種結晶が鉛直方向に移動できるように種結晶を保持する種結晶保持部材と、をさらに備えることが好ましい。   In another embodiment of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of the present invention, a seed crystal can be moved vertically in a die provided with a slit disposed in a crucible and extending downward from the upper end, and on the upper side of the die. It is preferable to further include a seed crystal holding member that holds the seed crystal.

本発明によれば、坩堝の外周面を囲うように配置された黒鉛製ヒーターと電極との間を接続する構造が単純であり、かつ、長期間安定して黒鉛製ヒーターを支持固定できる構造を備えたサファイア単結晶部材製造装置を提供することができる。   According to the present invention, the structure for connecting the graphite heater and the electrode arranged so as to surround the outer peripheral surface of the crucible is simple, and the structure capable of supporting and fixing the graphite heater stably for a long period of time. The provided sapphire single crystal member manufacturing apparatus can be provided.

本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置の一例を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the sapphire single-crystal member manufacturing apparatus of this embodiment. 図1に示すサファイア単結晶部材製造装置において、黒鉛製ヒーターと電極との接続部近傍の断面構造の一例を示す拡大端面図である。In the sapphire single-crystal member manufacturing apparatus shown in FIG. 1, it is an enlarged end elevation which shows an example of the cross-sectional structure of the connection part vicinity of a graphite heater and an electrode. 本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置に用いられる黒鉛製ヒーターの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the graphite heater used for the sapphire single-crystal member manufacturing apparatus of this embodiment. 本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置に用いられる黒鉛製ヒーターの他の例を示す概略模式図である。ここで、図4(A)は、黒鉛製ヒーターの上面図であり、図4(B)は、図4(A)中に示す符号A1−A2間の端面図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the graphite heater used for the sapphire single-crystal member manufacturing apparatus of this embodiment. Here, FIG. 4 (A) is a top view of the graphite heater, and FIG. 4 (B) is an end view between A1 and A2 shown in FIG. 4 (A). 本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置に用いられる黒鉛製ヒーターのヒーター側ネジ穴近傍の各部の寸法を示す模式端面図である。It is a model end elevation which shows the dimension of each part of the heater side screw hole vicinity of the graphite heater used for the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of this embodiment.

図1は本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置の一例を示す概略模式図であり、図2は、図1に示すサファイア単結晶部材製造装置において、黒鉛製ヒーターと電極との接続部近傍の断面構造の一例を示す拡大端面図である。なお、図1中、黒鉛製ヒーターと電極との接続部近傍の断面構造の詳細については記載を省略してあり、中心軸C1、C2は、鉛直方向Zに平行である。また、図2中に示すヒーター側ネジ穴、電極側ネジ山およびスタッドのネジ山やネジ溝についても記載を省略してある。これは後述する図5に示す拡大端面図についても同様である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a sapphire single crystal member manufacturing apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a view of the vicinity of a connection portion between a graphite heater and an electrode in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus shown in FIG. It is an enlarged end elevation showing an example of a cross-sectional structure. In FIG. 1, the details of the cross-sectional structure in the vicinity of the connecting portion between the graphite heater and the electrode are omitted, and the central axes C1 and C2 are parallel to the vertical direction Z. Moreover, description is abbreviate | omitted also about the heater side screw hole shown in FIG. 2, the electrode side screw thread, the screw thread of a stud, and a screw groove. The same applies to an enlarged end view shown in FIG.

図1および図2に示すように、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100は、格納容器110と、格納容器110内に配置された有底筒状の坩堝120と、坩堝120の外周面120S側を囲うと共に、中心軸C1が鉛直方向Zと平行を成すように配置され、底面130BTにヒーター側ネジ穴132が設けられた筒状の黒鉛製ヒーター130(以下、「ヒーター130」と略す場合がある)と、電極側ネジ穴142が設けられた端面140TPを有し、中心軸C2が、鉛直方向Zと平行を成すように黒鉛製ヒーター130の底面130BTに対して端面140TPが接続された黒鉛製棒状電極140(以下、「電極140」と略す場合がある)と、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142に螺合する黒鉛製イモネジ150(以下、「スタッド150」と略す場合がある)と、を少なくとも備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment includes a storage container 110, a bottomed cylindrical crucible 120 disposed in the storage container 110, and an outer peripheral surface of the crucible 120. A cylindrical graphite heater 130 (hereinafter abbreviated as “heater 130”) that surrounds the 120S side and is arranged so that the central axis C1 is parallel to the vertical direction Z and has a heater-side screw hole 132 in the bottom surface 130BT. The end surface 140TP is connected to the bottom surface 130BT of the graphite heater 130 so that the central axis C2 is parallel to the vertical direction Z. Graphite rod-like electrode 140 (hereinafter may be abbreviated as “electrode 140”) and graphite-made screw 15 screwed into heater-side screw hole 132 and electrode-side screw hole 142 (Hereinafter sometimes referred to as "stud 150") comprises at least a, the.

すなわち、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100においては、特許文献1、2記載の技術において用いられる固定部材や継手などを介して、ヒーター130と電極140とを接続する必要が無い。このためヒーター130と電極140との間を接続する構造を単純化できる。したがって、サファイア単結晶部材製造装置100の組み立て、分解やメンテナンスがより容易になる。   That is, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, it is not necessary to connect the heater 130 and the electrode 140 via a fixing member or a joint used in the techniques described in Patent Documents 1 and 2. For this reason, the structure which connects between the heater 130 and the electrode 140 can be simplified. Therefore, assembly, disassembly, and maintenance of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 become easier.

なお、ヒーター130と電極140との間には、サファイア単結晶部材製造装置100の使用時に電流が流れる。このため、ヒーター130と電極140との接続部が、特許文献1、2に示されるように、多数の部品により構成されて複雑化するほど、放電の発生原因となる部品間の隙間が多数形成されやすくなる。また、放電の発生は、坩堝120内のアルミナ原料や、このアルミナ原料が溶解したアルミナ融液200の加熱不良を招くため、歩留まりの低下や、プロセス異常による製造中断などの様々な問題を引き起こす。それゆえ、ヒーター130と電極140との接続部が、長期間の放電によって徐々に破壊されることにより、ヒーター130の固定が不安定化し、最悪の場合、たとえば、発熱しているヒーター130が傾いて坩堝120の外周面120Sと接触し、坩堝120の破損を招くなどの問題を引き起こす可能性もある。しかし、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、ヒーター130と電極140との接続部の構造を単に単純化できるのみならず、当該接続部の複雑化に伴う放電の発生も大幅に抑制できる。   A current flows between the heater 130 and the electrode 140 when the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 is used. For this reason, as shown in Patent Documents 1 and 2, the connection between the heater 130 and the electrode 140 is composed of a large number of parts, and the more complicated the gaps between the parts causing the discharge are formed. It becomes easy to be done. Further, the occurrence of electric discharge leads to defective heating of the alumina raw material in the crucible 120 and the alumina melt 200 in which the alumina raw material is dissolved, thereby causing various problems such as a decrease in yield and production interruption due to process abnormality. Therefore, the connection portion between the heater 130 and the electrode 140 is gradually broken by long-term discharge, so that the fixing of the heater 130 becomes unstable. In the worst case, for example, the heater 130 that generates heat is inclined. This may cause problems such as contact with the outer peripheral surface 120S of the crucible 120 and damage of the crucible 120. However, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, not only can the structure of the connection portion between the heater 130 and the electrode 140 be simplified, but also the occurrence of discharge due to the complexity of the connection portion is greatly suppressed. it can.

また、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100においては、ヒーター130と電極140との接続部を構成する部材、すなわち、ヒーター130、電極140およびスタッド150が黒鉛から構成される。このため、ヒーター130が、常温から所定の温度まで加熱されても、ヒーター130と電極140とスタッド150との間での熱膨張係数差より、接続部に隙間が生じたり、接続部の破壊が生じたりするのを抑制できる。なお、機械的強度の点では、ヒーター130以外の部材は、脆い黒鉛製の部材よりも機械的強度に優れた金属やセラミックスを用いた方が好ましいとも考えられる。しかしながら、サファイア単結晶部材を製造する場合、アルミナの融点(2072度)以上にヒーター130を発熱させる必要がある。このような2000度を超える高温域までヒーター130を発熱させる必要がある場合において、接続部が熱膨張係数の根本的に異なる異種材料で構成されていると、接続部を構成する材料の脆弱性よりも、熱膨張係数差に起因する接続部における隙間の形成や破壊の発生という弊害の方が極めて深刻になる。それゆえ、本発明者らは、これらの点を考慮して、接続部を構成する材料として黒鉛のみを用いた。   Moreover, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, the members constituting the connection portion between the heater 130 and the electrode 140, that is, the heater 130, the electrode 140, and the stud 150 are made of graphite. For this reason, even if the heater 130 is heated from room temperature to a predetermined temperature, a gap is generated in the connection portion due to a difference in thermal expansion coefficient between the heater 130, the electrode 140, and the stud 150, or the connection portion is broken. Can be suppressed. In terms of mechanical strength, it is considered that it is preferable to use a metal or ceramic having excellent mechanical strength for the members other than the heater 130 rather than a brittle graphite member. However, when manufacturing a sapphire single crystal member, it is necessary to cause the heater 130 to generate heat at a temperature equal to or higher than the melting point of alumina (2072 degrees). When it is necessary to heat the heater 130 to such a high temperature range exceeding 2000 degrees, if the connecting portion is made of a different material having a fundamentally different coefficient of thermal expansion, the material constituting the connecting portion is vulnerable. Rather, the adverse effect of the formation of a gap in the connecting portion and the occurrence of destruction due to the difference in thermal expansion coefficient becomes extremely serious. Therefore, in consideration of these points, the present inventors used only graphite as a material constituting the connection portion.

一方、上述したように、黒鉛製部材は、脆く、割れやすいという欠点がある。それゆえ、ヒーター130を支える電極140や、ヒーター130と電極140とを接続するスタッド150の最も脆弱な部分である直径方向に外力が作用した場合、これらの黒鉛製部材が破壊されやすい。しかしながら、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100は、サファイア部材の製造に用いられるため、特許文献1に示す単結晶部材製造装置のように、坩堝中のシリコン融液の対流防止のために、ヒーター130をその周方向に回転させる大きな力を発生する磁場発生装置(コイル)を設ける必要が無い。このため、ヒーター130自体に回転する力が作用しないため、このような回転力に起因して電極140およびスタッド150の直径方向に力が作用することも無い。   On the other hand, as described above, the graphite member has the drawback of being brittle and easy to break. Therefore, when an external force is applied in the diameter direction, which is the most fragile part of the electrode 140 that supports the heater 130 and the stud 150 that connects the heater 130 and the electrode 140, these graphite members are easily destroyed. However, since the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment is used for manufacturing a sapphire member, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 is used to prevent convection of the silicon melt in the crucible as in the single crystal member manufacturing apparatus shown in Patent Document 1. It is not necessary to provide a magnetic field generator (coil) that generates a large force for rotating the heater 130 in the circumferential direction. For this reason, since the rotating force does not act on the heater 130 itself, the force does not act in the diameter direction of the electrode 140 and the stud 150 due to such a rotating force.

これに加えて、ヒーター130の重量は、ヒーター130の鉛直方向Z下方側に配置された電極140やスタッド150により支えられる。言い換えれば、ヒーター130の重量により、電極140およびスタッド150に作用する力は、原理的に、電極140およびスタッド150の軸方向にのみ作用し、機械的に最も脆弱な直径方向に作用することは無い。これらのことから、電極140およびスタッド150として黒鉛製部材を用いても、脆く、割れやすいという黒鉛製部材の欠点が、接続部の強度低下を招くことが無い。   In addition to this, the weight of the heater 130 is supported by the electrode 140 and the stud 150 arranged on the lower side of the heater 130 in the vertical direction Z. In other words, due to the weight of the heater 130, in principle, the force acting on the electrode 140 and the stud 150 acts only in the axial direction of the electrode 140 and the stud 150, and acts on the fragile diameter direction mechanically. No. For these reasons, even if graphite members are used as the electrodes 140 and the studs 150, the disadvantage of the graphite members that are brittle and easy to break does not cause a decrease in the strength of the connection portion.

さらに、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100においては、ヒーター130の底面130BTおよび電極140の端面140TPが、鉛直方向Zと直交している。すなわち、底面130BTと端面140TPとの接続界面が、鉛直方向Zと直交する平面と平行を成している。これに加えて、また、ヒーター130の直下には、ヒーター130の中心軸C1と電極140の中心軸C2とが平行を成すようにヒーター130の重量を支える電極140が配置される。このため、鉛直方向Z下方側に作用するヒーター130の重量が、接続界面の破壊および隙間の形成を促進する剥離力として作用することも無い。   Furthermore, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, the bottom surface 130BT of the heater 130 and the end surface 140TP of the electrode 140 are orthogonal to the vertical direction Z. That is, the connection interface between the bottom surface 130BT and the end surface 140TP is parallel to a plane orthogonal to the vertical direction Z. In addition, an electrode 140 that supports the weight of the heater 130 is disposed immediately below the heater 130 so that the central axis C1 of the heater 130 and the central axis C2 of the electrode 140 are parallel to each other. For this reason, the weight of the heater 130 acting on the lower side in the vertical direction Z does not act as a peeling force that promotes breakage of the connection interface and formation of a gap.

それゆえ、(1)鉛直方向Z下方側に作用するヒーターの重量が、ヒーターの外周側に配置された電極により一端が支持される継手の他端を、下方へと押し込むことで、ヒーター/継手の接続界面および継手/電極の接続界面に剥離力を発生させる特許文献2に示す導電性構造体、および、(2)鉛直方向Z下方側に作用するヒーターの重量が、ヒーターと、ヒーター外周面に接続された電極との接続界面と平行な方向にせん断力(剥離力)を発生させる特許文献3に示す単結晶部材製造装置と比べて、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、ヒーター130と電極140との接続界面での破壊が極めて生じ難い。   Therefore, (1) the heater acting on the lower side of the vertical direction Z pushes the other end of the joint whose one end is supported by the electrode disposed on the outer peripheral side of the heater downward, so that the heater / joint The conductive structure shown in Patent Document 2 that generates peeling force at the connection interface and the joint / electrode connection interface, and (2) the weight of the heater acting on the lower side in the vertical direction Z is the heater and the outer peripheral surface of the heater In the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, compared with the single crystal member manufacturing apparatus shown in Patent Document 3 that generates a shearing force (peeling force) in a direction parallel to the connection interface with the electrode connected to the electrode, Destruction at the connection interface between the heater 130 and the electrode 140 is extremely difficult to occur.

また、スタッド150は、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142に螺合しているため、スタッド150外周面と、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142の内周面とは、実質的に隙間なく密着できる。これに加えて、ヒーター130が2000度を超える高温で発熱しても、ヒーター130、電極140およびスタッド150が黒鉛から構成されるため、熱膨張係数差に起因する隙間も生じ難い。それゆえ、スタッド150と、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142との接続部においても、放電や、放電による破壊が生じ難い。   Further, since the stud 150 is screwed into the heater side screw hole 132 and the electrode side screw hole 142, the outer peripheral surface of the stud 150 and the inner peripheral surface of the heater side screw hole 132 and the electrode side screw hole 142 are substantially the same. Can be tightly attached. In addition, even when the heater 130 generates heat at a high temperature exceeding 2000 degrees, the heater 130, the electrode 140, and the stud 150 are made of graphite, so that a gap due to a difference in thermal expansion coefficient is hardly generated. Therefore, the connection between the stud 150, the heater-side screw hole 132, and the electrode-side screw hole 142 is less likely to be discharged or broken due to the discharge.

したがって、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100は、坩堝120の外周面120Sを囲うように配置されたヒーター130と電極140との間を接続する構造が単純でありながらも、長期間安定してヒーター130を支持固定できる構造を有する。   Therefore, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment has a simple structure for connecting the heater 130 and the electrode 140 disposed so as to surround the outer peripheral surface 120S of the crucible 120, but is stable for a long time. Thus, the heater 130 can be supported and fixed.

なお、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100においては、図2に例示するように、通常、黒鉛製ヒーター130の底面130BTと黒鉛製棒状電極140の端面140TPとの界面には、カーボンセメントを用いて形成されたカーボン接着層160が設けられることが特に好ましい。カーボン接着層160を設けることにより、ヒーター130と電極140とをより強固に固定できる。これに加えて、両部材の界面に隙間が形成されることで放電が発生するのをより確実に防止できる。また、カーボン接着層160は、ヒーター130と電極140との接続部を構成する主要部材であるヒーター130、電極140およびスタッド150を構成する材料と同じ黒鉛から構成される。このため、これら4つの部材間における熱膨張係数差はゼロまたは極めて僅かであるため、熱膨張係数差に起因する部材間の隙間(すなわち放電の発生原因)も形成され難い。なお、カーボンセメントとしては公知のカーボンセメントであれば特に制限なく用いることができるが、一般的に、黒鉛粉末とフルフリルアルコールなどの溶剤とを少なくとも含むものを用いることができる。   In the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, as illustrated in FIG. 2, carbon cement is usually provided at the interface between the bottom surface 130BT of the graphite heater 130 and the end surface 140TP of the graphite rod electrode 140. It is particularly preferable to provide a carbon adhesive layer 160 formed using By providing the carbon adhesive layer 160, the heater 130 and the electrode 140 can be more firmly fixed. In addition to this, it is possible to more reliably prevent the occurrence of discharge by forming a gap at the interface between the two members. The carbon adhesive layer 160 is made of the same graphite as the material constituting the heater 130, the electrode 140, and the stud 150, which are main members constituting the connection portion between the heater 130 and the electrode 140. For this reason, since the difference in thermal expansion coefficient between these four members is zero or very small, it is difficult to form a gap between members due to the difference in thermal expansion coefficient (that is, the cause of discharge). The carbon cement can be used without particular limitation as long as it is a known carbon cement, but generally a carbon cement containing at least a graphite powder and a solvent such as furfuryl alcohol can be used.

スタッド150としては、図2に示すように、頭部を持たず、円柱状のネジ軸部のみからなるいわゆるイモネジが用いられる。ネジ軸部の外周面150Sにはネジ山が刻まれる(図2中、不図示)。なお、ネジ山は、ネジ軸部の外周面150Sの全面に刻まれていてもよいが、ネジ軸部の外周面150Sのうち、軸方向の両端側近傍のみに刻まれていてもよい。また、スタッド150の両端側(ネジ先150TP、150BT)の形状は特に限定されず、たとえば、図2に例示したような平坦面(平先)以外にも、ネジ先に窪みが設けられた形状(くぼみ先)、ネジ先が尖った形状(とがり先)など、公知のネジ先形状を適宜選択できる。   As the stud 150, as shown in FIG. 2, a so-called imor screw having no head and having only a cylindrical screw shaft portion is used. A screw thread is engraved on the outer peripheral surface 150S of the screw shaft portion (not shown in FIG. 2). The thread may be carved on the entire outer peripheral surface 150S of the screw shaft portion, but may be carved only in the vicinity of both end sides in the axial direction on the outer peripheral surface 150S of the screw shaft portion. In addition, the shape of both ends (screw tips 150TP, 150BT) of the stud 150 is not particularly limited. For example, in addition to the flat surface (flat tip) illustrated in FIG. A well-known screw tip shape such as a (dent point) or a pointed point (point of sharpness) can be appropriately selected.

また、スタッド150によりヒーター130と電極140とを接続する場合、たとえば、電極140の電極側ネジ穴142に軽くスタッド150を差し込んで固定した後に、スタッド150の先端をヒーター側ネジ穴132に差し込んで、電極140を工具代わりにして、スタッド150をヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142の双方に深くねじ込むことができる。このため、ネジ先150TP、150BTの形状として、レンチやスパナ、ドライバーなどの金属製の工具によりスタッド150を締め付けるのに適した形状を採用しなくてもよい。また、黒鉛製のスタッド150は、脆く、割れやすいため、黒鉛よりも硬い金属製の工具を使用すると、スタッド150が割れたり、欠けたりする可能性があるが、スタッド150と同じ黒鉛製の電極140を工具の代用部材として使用すれば、このような問題を抑制できる。なお、工具によりスタッド150を締め付けるのに適した形状とは、ネジ先150TP、150BT部分に工具と篏合する穴または突起が設けられている場合や、ネジ先150TP、150BT部分の外周輪郭線が、工具と篏合する多角形状となっている場合が挙げられる。具体的には、ネジ先150TP、150BTに、六角形の穴が設けられた形状、十字状あるいは一直線状の溝が設けられた形状、ネジ先150TP、150BTに、六角柱や四角柱などの柱状突起が設けられた形状、あるいは、ネジ先150TP、150BT部分の平面形状が六角形や四角形などの多角形状である場合などである。   Further, when the heater 130 and the electrode 140 are connected by the stud 150, for example, after the stud 150 is lightly inserted and fixed into the electrode side screw hole 142 of the electrode 140, the tip of the stud 150 is inserted into the heater side screw hole 132. The stud 150 can be screwed deeply into both the heater side screw hole 132 and the electrode side screw hole 142 by using the electrode 140 as a tool. For this reason, it is not necessary to adopt a shape suitable for tightening the stud 150 with a metal tool such as a wrench, spanner or screwdriver as the shape of the screw tips 150TP and 150BT. Further, since the graphite stud 150 is brittle and easily broken, if a metal tool harder than graphite is used, the stud 150 may be cracked or chipped, but the same graphite electrode as the stud 150 is used. If 140 is used as a substitute member of a tool, such a problem can be suppressed. The shape suitable for tightening the stud 150 with a tool is a case where a hole or a protrusion that engages with the tool is provided in the screw tip 150TP or 150BT part, or the outer peripheral contour line of the screw tip 150TP or 150BT part. The case where it becomes the polygonal shape which meshes with a tool is mentioned. Specifically, a shape in which a hexagonal hole is provided in the screw tips 150TP and 150BT, a shape in which a cross or straight groove is provided, and a screw shape such as a hexagonal column and a quadrangular column is provided in the screw tips 150TP and 150BT. This is the case where the protrusion is provided or the planar shape of the screw tips 150TP and 150BT is a polygonal shape such as a hexagon or a quadrangle.

また、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142は、少なくとも内周面132S、142Sが、スタッド150に対して実質的に隙間なく螺合できる縦穴形状であればよく、図2に例示したように、縦穴状を成すヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142の底面132BT、142BTも、スタッド150のネジ先150TP、150BTと実質的にほぼ隙間が形成されない形状であることがさらに好ましい。なお、図2に示す例では、底面132BT、142BTは、平先型のスタッド150に対応させて、平坦面とされている。   Further, the heater-side screw hole 132 and the electrode-side screw hole 142 may have a vertical hole shape in which at least the inner peripheral surfaces 132S and 142S can be screwed into the stud 150 with substantially no gap, as illustrated in FIG. In addition, it is more preferable that the heater side screw hole 132 and the bottom surfaces 132BT and 142BT of the electrode side screw hole 142 having a vertical hole shape have substantially no gap with the screw tips 150TP and 150BT of the stud 150. In the example shown in FIG. 2, the bottom surfaces 132BT and 142BT are flat surfaces corresponding to the flat-tip studs 150.

ヒーター130、電極140およびスタッド150を構成する材料としては黒鉛材料であれば炭素繊維強化炭素複合材も含めて公知のものが特に制限無く利用できる。黒鉛材料には、その原料や製法の違いにより、固有抵抗値、曲げ強度、引張り強度、熱膨張係数、熱伝導率などの諸物性が互いに異なる様々な品種がある。たとえば、市販されている黒鉛材料の物性値の典型的な数値範囲は、固有抵抗値が1〜40μΩm、曲げ強度が5〜350MPa、引張り強度が5〜350MPa、熱膨張係数が0〜10×10―6/℃、熱伝導率が5〜200W/m・K程度である。このため、ヒーター130、電極140およびスタッド150に要求される機能や役割を考慮して、使用する黒鉛材料を選択できる。ここで、ヒーター130は、発熱効率を高めるために、ヒーター130を構成する固有抵抗値は高い方が望ましく、具体的には、13μΩm以上が好ましく、16μΩm以上がより好ましい。なお、固有抵抗値の上限は特に限定されないが、実用上は、40μΩm以下が好ましい。 As a material constituting the heater 130, the electrode 140, and the stud 150, any known material including a carbon fiber reinforced carbon composite material can be used without particular limitation as long as it is a graphite material. There are various varieties of graphite materials having different physical properties such as specific resistance, bending strength, tensile strength, thermal expansion coefficient, thermal conductivity, etc., depending on the raw materials and the production method. For example, typical numerical ranges of physical properties of commercially available graphite materials include a specific resistance value of 1 to 40 μΩm, a bending strength of 5 to 350 MPa, a tensile strength of 5 to 350 MPa, and a thermal expansion coefficient of 0 to 10 × 10. −6 / ° C. and thermal conductivity of about 5 to 200 W / m · K. For this reason, the graphite material to be used can be selected in consideration of functions and roles required for the heater 130, the electrode 140, and the stud 150. Here, in order to increase the heat generation efficiency, the heater 130 preferably has a higher specific resistance value that constitutes the heater 130. Specifically, it is preferably 13 μΩm or more, more preferably 16 μΩm or more. The upper limit of the specific resistance value is not particularly limited, but is practically preferably 40 μΩm or less.

一方、電極140およびスタッド150は、ヒーター130と電源との間の導通路である。したがって、ヒーター130が発熱した際の無駄な電力消費を抑制するためには、電極140およびスタッド150を構成する黒鉛材料の固有抵抗値は低い方が好ましく、具体的には、10μΩm以下が好ましく、5μΩm以下がより好ましい。なお、固有抵抗値の下限値は特に限定されないが、実用上は、1μΩm以上が好ましい。また、電極140およびスタッド150には、ヒーター130が発熱して常温から2000度を超える温度に到達する加熱段階などにおいて、軸方向C2に急峻な温度勾配が形成されることで熱応力が発生し易くなる。このような熱応力は、電極140およびスタッド150の破壊を招きやすくなる。よって、熱応力を緩和するためには、電極140およびスタッド150を構成する黒鉛材料の熱伝導率は高い方が好ましく、具体的には、150W/m・K以上が好ましく、170W/m・K以上がより好ましい。なお、熱伝導率の上限値は特に限定されないが、実用上は、200W/m・K以下が好ましい。   On the other hand, the electrode 140 and the stud 150 are a conduction path between the heater 130 and the power source. Therefore, in order to suppress wasteful power consumption when the heater 130 generates heat, the specific resistance value of the graphite material constituting the electrode 140 and the stud 150 is preferably low, specifically, 10 μΩm or less is preferable. 5 μΩm or less is more preferable. The lower limit value of the specific resistance value is not particularly limited, but is practically preferably 1 μΩm or more. The electrode 140 and the stud 150 generate a thermal stress due to a steep temperature gradient in the axial direction C2 in a heating stage in which the heater 130 generates heat and reaches a temperature exceeding room temperature to 2000 degrees. It becomes easy. Such a thermal stress tends to cause the electrode 140 and the stud 150 to be destroyed. Therefore, in order to relieve the thermal stress, it is preferable that the thermal conductivity of the graphite material constituting the electrode 140 and the stud 150 is higher, specifically, 150 W / m · K or more is preferable, and 170 W / m · K is more preferable. The above is more preferable. In addition, although the upper limit of heat conductivity is not specifically limited, 200 W / m * K or less is preferable practically.

さらに、電極140は、ヒーター130を支持固定する構造部材として利用されており、スタッド150も、ヒーター130と電極140とを接続する構造部材として利用されている。したがって、これらの構造部材を構成する材料としては、通常であれば、さらに、機械的物性にも優れた黒鉛材料を用いる必要がある。しかしながら、複数の物性値について所望の値を満たす黒鉛材料を入手することは、物性値の種類が増えるほど困難になり、ある物性値の充足を優先させると他の物性値を犠牲にしなければならなくなるなど、トレードオフの問題が生じやすい。また、本発明者らが、市販の黒鉛材料について調査したところ、低い固有抵抗値と、高い熱伝導率と、優れた機械的物性値とを同時に満たす黒鉛材料については存在しておらず、いずれかの物性値を犠牲にしなければ市販の黒鉛材料を利用できないことが分かった。   Further, the electrode 140 is used as a structural member that supports and fixes the heater 130, and the stud 150 is also used as a structural member that connects the heater 130 and the electrode 140. Therefore, as a material constituting these structural members, it is usually necessary to use a graphite material having excellent mechanical properties. However, obtaining a graphite material satisfying a desired value for a plurality of physical property values becomes more difficult as the types of physical property values increase, and if the satisfaction of a certain physical property value is prioritized, other physical property values must be sacrificed. Trade-off problems are likely to occur. In addition, when the present inventors investigated a commercially available graphite material, there is no graphite material that simultaneously satisfies a low specific resistance value, a high thermal conductivity, and an excellent mechanical property value. It has been found that a commercially available graphite material cannot be used without sacrificing these physical properties.

しかしながら、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、上述したようにヒーター130の重量が、電極140の最も機械的強度の高い方向、すなわち軸方向によって受け止められている。このため、電極140やスタッド150に対して、ヒーター130の重量に起因する曲げ応力や引張り応力が加わり難い。これに加えて、本発明者らは、市販されている様々な黒鉛材料のうち、引張り強さや曲げ強さが極めて低い黒鉛材料を用いて電極140やスタッド150を作製して、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100に適用してみたが、サファイア単結晶部材製造装置100で使用する構造材という点で、実用上、特に問題が生じないことも確認した。   However, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, as described above, the weight of the heater 130 is received in the direction in which the electrode 140 has the highest mechanical strength, that is, the axial direction. For this reason, it is difficult to apply bending stress or tensile stress due to the weight of the heater 130 to the electrode 140 or the stud 150. In addition to this, the present inventors manufactured the electrode 140 and the stud 150 using a graphite material having extremely low tensile strength and bending strength among various commercially available graphite materials. Although it applied to the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100, it confirmed that a problem did not arise practically especially at the point of the structural material used with the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100.

すなわち、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、電極140およびスタッド150の構成材料として、一般的な黒鉛材料の平均値と比べて、曲げ強さや引張り強さのかなり低い黒鉛材料であっても用いることができるため、曲げ強さや引張り強さを考慮せずに黒鉛材料を選択できる。このため、電極140やスタッド150として利用できる黒鉛材料の選択の自由度を非常に大きくすることができる。たとえば、上述した典型的な数値範囲内において、曲げ強さとして35MPa以下、さらには28MPa以下の黒鉛材料も利用でき、引張り強さとして20MPa以下、さらには15MPa以下の黒鉛材料も利用できる。   That is, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, the constituent material of the electrode 140 and the stud 150 is a graphite material whose bending strength and tensile strength are considerably lower than the average value of a general graphite material. However, since it can be used, a graphite material can be selected without considering bending strength and tensile strength. For this reason, the freedom degree of selection of the graphite material which can be utilized as the electrode 140 or the stud 150 can be enlarged greatly. For example, within the above-described typical numerical range, a graphite material having a bending strength of 35 MPa or less and further 28 MPa or less can be used, and a tensile material having a tensile strength of 20 MPa or less and further 15 MPa or less can be used.

また、曲げ強さや引張り強さを考慮しなくてもよい場合は、市販の黒鉛材料の中から、上述した低抵抗かつ高熱伝導率の黒鉛材料を調達して電極140およびスタッド150を作製することも可能となる。なお、このような黒鉛材料としては、市販の黒鉛材料のうち、機械的特性に優れた炭素繊維強化炭素複合材以外の非複合材系の黒鉛材料の中から選択できる。具体的には、市販の黒鉛材料のうち、引張り強さが20MPa以下であり、機械的物性値としては劣るものの、固有抵抗値が10μΩm以下、かつ、熱伝導率が150W/m・K以上である黒鉛材料を利用でき、これらの中でも特に、引張り強さが15MPa以下であり、機械的物性値としてはさらに劣るものの、固有抵抗値が5μΩm以下、かつ、熱伝導率が170W/m・K以上である黒鉛材料を利用することもできる。   In addition, when it is not necessary to consider bending strength and tensile strength, the electrode 140 and the stud 150 are manufactured by procuring the above-described low-resistance and high-thermal conductivity graphite material from commercially available graphite materials. Is also possible. In addition, as such a graphite material, it can select from non-composite type graphite materials other than the carbon fiber reinforced carbon composite material excellent in mechanical characteristics among commercially available graphite materials. Specifically, among commercially available graphite materials, the tensile strength is 20 MPa or less, and the mechanical properties are inferior, but the specific resistance value is 10 μΩm or less and the thermal conductivity is 150 W / m · K or more. A certain graphite material can be used, and among these, the tensile strength is 15 MPa or less, and the mechanical property value is further inferior, but the specific resistance value is 5 μΩm or less and the thermal conductivity is 170 W / m · K or more. It is also possible to use a graphite material.

また、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、坩堝120内のアルミナ融液200の対流を抑制することを目的としたコイルは不要である。また、アルミナ原料の溶解の促進や、アルミナ融液200の加熱を促進・維持する観点からは、坩堝120の外周面120S側を加熱する黒鉛製ヒーター130(側面加熱ヒーター)以外にも、特許文献3に示す単結晶部材製造装置のように、坩堝120の底面120BT側を加熱する黒鉛製ヒーター(底部加熱ヒーター)を新たに設けることもできる。しかしながら、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100では、坩堝120の加熱部材として、ヒーター130のみを備えることが望ましく、底部加熱ヒーターは用いないことが好ましい。底部加熱ヒーターの使用は、溶解・加熱時間の短縮という点では有利であるが、以下に説明するデメリットも生じるためである。   Moreover, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, a coil for the purpose of suppressing convection of the alumina melt 200 in the crucible 120 is unnecessary. Further, from the viewpoint of promoting the melting of the alumina raw material and promoting / maintaining the heating of the alumina melt 200, in addition to the graphite heater 130 (side heater) that heats the outer peripheral surface 120S side of the crucible 120, patent literature As in the single crystal member manufacturing apparatus shown in FIG. 3, a graphite heater (bottom heater) for heating the bottom surface 120BT side of the crucible 120 can be newly provided. However, in the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, it is desirable to provide only the heater 130 as the heating member of the crucible 120, and it is preferable not to use the bottom heater. The use of the bottom heater is advantageous in terms of shortening the melting / heating time, but also has the disadvantages described below.

すなわち、底部加熱ヒーターを設けた場合、側面加熱ヒーター(ヒーター130)を支持する電極140の外周面のうち、底部加熱ヒーターに近い部分のみが加熱されることになる。このため、電極140の直径方向において温度勾配が生じ、底部加熱ヒーター側と、底部加熱ヒーターの反対側とで熱膨張量に差が発生するため、電極140に反りが生じ、結果的に電極140が折れやすくなる。また、アルミナ融液200の温度制御という観点では、制御因子が1つ(ヒーター130)ではなく、2つ(ヒーター130および底部加熱ヒーター)に増えるため、温度制御がより複雑化する。   That is, when the bottom heater is provided, only the portion close to the bottom heater is heated on the outer peripheral surface of the electrode 140 that supports the side heater (heater 130). For this reason, a temperature gradient is generated in the diameter direction of the electrode 140, and a difference in thermal expansion occurs between the bottom heater side and the opposite side of the bottom heater, so that the electrode 140 is warped, resulting in the electrode 140. Is easy to break. Further, from the viewpoint of temperature control of the alumina melt 200, the control factor increases to two (the heater 130 and the bottom heater) instead of one (the heater 130), so that the temperature control becomes more complicated.

ヒーター130は、底面130BTにヒーター側ネジ穴132が設けられた筒状を成すヒーターであればその形状は特に限定されない。しかしならが、ヒーター130は円筒状のヒーターであることが好ましく、特に、図3に例示するヒーター130A(130)のように、頂面130TPから中心軸C1方向の下方側へと伸びる第一スリット134Aと、底面130BTから中心軸C1方向の上方側へと伸びる第二スリット134Bとが、周方向に沿って交互に設けられた円筒状のヒーターであることが好ましい。なお、これらスリット134A、134Bの長さは、周方向においてヒーター130Aが分断されず、かつ、適度な強度が維持できる程度に、ヒーター130Aの中心軸C方向の長さよりも短くなるように設定される。   The shape of the heater 130 is not particularly limited as long as the heater 130 has a cylindrical shape in which the heater side screw hole 132 is provided on the bottom surface 130BT. However, the heater 130 is preferably a cylindrical heater, and in particular, like the heater 130A (130) illustrated in FIG. 3, the first slit extending from the top surface 130TP to the lower side in the direction of the central axis C1. It is preferable that 134A and the second slits 134B extending from the bottom surface 130BT to the upper side in the direction of the central axis C1 are cylindrical heaters provided alternately along the circumferential direction. The lengths of the slits 134A and 134B are set to be shorter than the length of the heater 130A in the central axis C direction so that the heater 130A is not divided in the circumferential direction and an appropriate strength can be maintained. The

また、ヒーター130の直径方向の厚みは、図3に例示したように、周方向および中心軸C1方向において一定であってもよい。しかしながら、図4に例示するヒーター130B(130)のように、ヒーター130Bの底面130BT側、かつ、周方向においてヒーター側ネジ穴132が設けられた近傍(ネジ穴近傍部136A)におけるヒーター130Bの直径方向の厚みt11が、ネジ穴近傍部136A以外の部分(非ネジ穴近傍部136B)におけるヒーター130の直径方向の厚みt12よりも大きいことが好ましい。この場合、ヒーター130B全体の厚みおよび重量増加を抑えつつ、ネジ穴近傍部136Aの厚みt11のみを大きくすることができるため、ネジ穴近傍部136Aの強度を高めることができる。これに加えて、接続部全体の強度を高めるために、より大径のヒーター側ネジ穴132およびスタッド150を採用することも容易になる。なお、図4に示すヒーター130Bにおいて、図3に例示したようなスリット134A、134Bを設ける場合、ネジ穴近傍部136Aは、周方向において隣接する2つの第二スリット134Bの間に設けられる。   Further, the thickness in the diameter direction of the heater 130 may be constant in the circumferential direction and the central axis C1 direction as illustrated in FIG. However, like the heater 130B (130) illustrated in FIG. 4, the diameter of the heater 130B in the vicinity of the bottom surface 130BT of the heater 130B and in the vicinity where the heater-side screw hole 132 is provided in the circumferential direction (screw hole vicinity 136A). The thickness t11 in the direction is preferably larger than the thickness t12 in the diameter direction of the heater 130 in a portion other than the screw hole vicinity portion 136A (non-screw hole vicinity portion 136B). In this case, since only the thickness t11 of the screw hole vicinity portion 136A can be increased while suppressing an increase in the thickness and weight of the entire heater 130B, the strength of the screw hole vicinity portion 136A can be increased. In addition to this, in order to increase the strength of the entire connecting portion, it is also easy to employ a larger diameter heater side screw hole 132 and stud 150. When the slits 134A and 134B illustrated in FIG. 3 are provided in the heater 130B illustrated in FIG. 4, the screw hole vicinity portion 136A is provided between the two second slits 134B adjacent in the circumferential direction.

スタッド150の直径は、ヒーター側ネジ穴132および電極側ネジ穴142の内径に対応するものであれば特に制限されない。ヒーター側ネジ穴132が設けられた近傍について、ヒーター130単独の機械的強度を考慮した場合、ヒーター130の直径方向の構造は、以下に説明する構造が理想的であると考えられる。すなわち、図5に示すように、スタッド150の直径に対応するヒーター側ネジ穴132の直径をT2とし、ヒーター130の内周面130S1からヒーター側ネジ穴132までの厚みをT1とし、ヒーター130の外周面130S2からヒーター側ネジ穴132までの厚みをT3とした場合、T1とT2とT3とは同一であることが理想的であると考えられる。このような構成を採用することで、ヒーター側ネジ穴132の内周側部分(厚みT1部分)および外周側部分(厚みT3部分)、ならびに、スタッド150(厚みT2部分)それぞれのヒーター130の直径方向における機械的強度を偏りなく極大化できる。一方、厚みT1部分、厚みT2部分、あるいは、厚みT3部分のいずれかの破損は、隙間の形成や、隙間に起因する放電の発生を招くことになる。このため、T1,T2およびT3の厚みを等しくすることは、各部分の破損確率を等しくできる(偏りが無くなる)ため、隙間に起因する放電の発生確率を極小化できると考えられる。   The diameter of the stud 150 is not particularly limited as long as it corresponds to the inner diameters of the heater side screw hole 132 and the electrode side screw hole 142. When the mechanical strength of the heater 130 alone is taken into consideration in the vicinity where the heater-side screw hole 132 is provided, the structure in the diameter direction of the heater 130 is considered to be ideal as described below. That is, as shown in FIG. 5, the diameter of the heater side screw hole 132 corresponding to the diameter of the stud 150 is T2, the thickness from the inner peripheral surface 130S1 of the heater 130 to the heater side screw hole 132 is T1, and the heater 130 When the thickness from the outer peripheral surface 130S2 to the heater-side screw hole 132 is T3, it is considered that T1, T2, and T3 are ideally the same. By adopting such a configuration, the diameter of the heater 130 of each of the inner peripheral side portion (thickness T1 portion) and the outer peripheral side portion (thickness T3 portion) of the heater side screw hole 132 and the stud 150 (thickness T2 portion). The mechanical strength in the direction can be maximized without bias. On the other hand, the breakage of any of the thickness T1 portion, the thickness T2 portion, or the thickness T3 portion leads to the formation of a gap and the occurrence of discharge due to the gap. For this reason, equalizing the thicknesses of T1, T2, and T3 can equalize the probability of breakage of each part (no bias), and thus it is considered that the probability of occurrence of discharge due to the gap can be minimized.

しかしながら、本発明者らが検討したところ、スタッド150の直径(厚みT2)を、
ヒーター130の底部側、かつ、周方向においてヒーター側ネジ穴132が設けられた近傍におけるヒーター130の直径方向の厚み(T1+T2+T3)の1/3とする、言い換えれば、T2/(T1+T2+T3)を1/3とするのではなく、1/3を超えるものとし、さらには1/2以上とした方がより放電の発生をより一層抑制できることを確認した。
However, when the present inventors examined, the diameter (thickness T2) of the stud 150 is
The thickness of the heater 130 in the diameter direction (T1 + T2 + T3) in the vicinity of the bottom side of the heater 130 and in the vicinity of the heater side screw hole 132 is set to 1/3, in other words, T2 / (T1 + T2 + T3) is 1 / It was confirmed that the occurrence of discharge could be further suppressed by setting the ratio to not less than 3, but exceeding 1/3, and more than 1/2.

このような効果が得られる理由の詳細は不明であるが、本発明者らは以下のように推定している。すなわち、スタッド150の両側に位置する厚みT1部分および厚みT3部分に対して、ヒーター130の直径方向に作用する何がしかの応力が加わった場合、厚みT1部分についてはヒーター130の内周側へと応力を分散させることができ、厚みT3部分についてはヒーター130の外周側へと応力を分散させることができる。しかし、スタッド150(厚みT2部分)については、その両側が厚みT1部分および厚みT2部分に囲まれている。このためスタッド150に、ヒーター130の直径方向に作用する何がしかの応力が加わった場合、応力の逃げ場がないため、スタッド150は応力が加わった状態から解放されない。このため、T1,T2およびT3の厚みが等しい場合、ヒーター側ネジ穴132の内周側部分(厚みT1部分)および外周側部分(厚みT2部)と比較して、相対的にスタッド150(厚みT2部分)が最も破壊され易いと考えられる。   Although the details of the reason why such an effect is obtained are unknown, the present inventors presume as follows. That is, when some stress acting in the diameter direction of the heater 130 is applied to the thickness T1 portion and the thickness T3 portion located on both sides of the stud 150, the thickness T1 portion is directed to the inner peripheral side of the heater 130. The stress can be dispersed to the outer peripheral side of the heater 130 with respect to the thickness T3 portion. However, both sides of the stud 150 (thickness T2 portion) are surrounded by the thickness T1 portion and the thickness T2 portion. Therefore, when any stress acting on the stud 150 in the diametrical direction of the heater 130 is applied, the stud 150 is not released from the stressed state because there is no stress escape. For this reason, when the thicknesses of T1, T2, and T3 are equal, the stud 150 (thickness) is relatively compared with the inner peripheral side portion (thickness T1 portion) and the outer peripheral side portion (thickness T2 portion) of the heater side screw hole 132. (T2 portion) is considered to be most easily destroyed.

したがって、厚みT1部分および厚みT3部分に対して相対的にスタッド150(厚みT2部分)の厚みをより大きくすることで、スタッド150と、厚みT1部分および厚みT3部分との破壊確率の差をより小さくすることができる。また、スタッド150(厚みT2部分)の厚みが相対的に大きくなりすぎることで、厚みT1部分あるいは厚みT3部分の破壊確率が逆に大きくなったとしても、これらの部分は、破壊によりヒーター130本体から剥離して、ヒーター130の内周側あるいは外周側へと脱落しやすい。このため、破壊が生じてもこのような脱落が生じた場合には、スタッド150(厚みT2部分)と、厚みT1部分あるいは厚みT3部分との間で放電が生じやすい隙間が形成されることも防止できる。   Accordingly, by increasing the thickness of the stud 150 (thickness T2 portion) relative to the thickness T1 portion and the thickness T3 portion, the difference in the fracture probability between the stud 150 and the thickness T1 portion and the thickness T3 portion is further increased. Can be small. Further, even if the probability of destruction of the thickness T1 portion or the thickness T3 portion is increased due to the relative increase in the thickness of the stud 150 (thickness T2 portion), these portions are not affected by the destruction of the heater 130 main body. And easily fall off to the inner peripheral side or outer peripheral side of the heater 130. For this reason, even if breakage occurs, if such dropout occurs, a gap where a discharge is likely to occur may be formed between the stud 150 (thickness T2 portion) and the thickness T1 portion or the thickness T3 portion. Can be prevented.

ヒーター130に接続される電極140の数は最低2本であればよいが、3本以上用いることもできる。しかしながら、ヒーター130を安定して支持固定する観点からは、通常は4本の電極140を用いることが好ましい。なお、3本以上の電極140を用いる場合、3本以上の電極140のうち、いずれか2本の電極140が電源に接続されているのであれば、残りの電極140は、電源に接続されないダミー電極であってもよい。また、ヒーター130を安定して支持固定する観点からは、電極140は、ヒーター130の周方向に対して、等間隔に配置されることが好ましい。たとえば、ヒーター130が円筒状のヒーターであり、かつ、4本の電極140を用いる場合、ヒーター130の中心軸C1を基準として0度、90度、180度および270度の位置に電極140を配置することが好ましい。また、電極140の下端側は電極140を固定部材(図1中、不図示)により支持されると共に、電源に接続される。但し、電極140の長手方向の中央部近傍で、電極140を支持固定したり、電源に接続してもよい。また、ダミー電極として機能する電極140については、電源に接続されない。なお、図1に例示するように、電極140の下端側が、格納容器110底部の下面側に位置する場合、格納容器110の底部には、電極140を挿通させる貫通孔110Hが設けられると共に、貫通孔110Hの内周面と電極140との間は、必要に応じて絶縁部材を配置するなどにより電気的に絶縁される。   The number of electrodes 140 connected to the heater 130 may be at least two, but three or more may be used. However, from the viewpoint of stably supporting and fixing the heater 130, it is usually preferable to use four electrodes 140. When three or more electrodes 140 are used, if any two of the three or more electrodes 140 are connected to the power source, the remaining electrodes 140 are dummy that are not connected to the power source. It may be an electrode. Further, from the viewpoint of stably supporting and fixing the heater 130, the electrodes 140 are preferably arranged at equal intervals in the circumferential direction of the heater 130. For example, when the heater 130 is a cylindrical heater and four electrodes 140 are used, the electrodes 140 are disposed at positions of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees with respect to the central axis C1 of the heater 130. It is preferable to do. The lower end side of the electrode 140 is supported by a fixing member (not shown in FIG. 1) and connected to a power source. However, the electrode 140 may be supported and fixed near the center of the electrode 140 in the longitudinal direction or connected to a power source. Further, the electrode 140 functioning as a dummy electrode is not connected to a power source. In addition, as illustrated in FIG. 1, when the lower end side of the electrode 140 is positioned on the lower surface side of the bottom of the storage container 110, the bottom of the storage container 110 is provided with a through hole 110 </ b> H through which the electrode 140 is inserted. The inner peripheral surface of the hole 110H and the electrode 140 are electrically insulated by, for example, disposing an insulating member as necessary.

また、電極140の長さは特に限定されないが、短すぎる場合は、電源と電極140とを接続する配線や金属製の接続端子などが、ヒーター130の熱によってダメージを受けやすくなる。それゆえ、電極140の長さは、電極140の直径の3倍以上が好ましく、12倍以上がより好ましい。なお、長さの上限は特に限定されないが、実用上は、電極140の直径の50倍以下である。   Further, the length of the electrode 140 is not particularly limited, but if it is too short, the wiring connecting the power source and the electrode 140, the metal connection terminal, and the like are easily damaged by the heat of the heater 130. Therefore, the length of the electrode 140 is preferably at least 3 times the diameter of the electrode 140, more preferably at least 12 times. The upper limit of the length is not particularly limited, but is practically 50 times or less the diameter of the electrode 140.

次に、上述した以外の本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100の各部の構成について説明する。まず、格納容器110は、その内部の空間を、外部と遮断して密閉空間としたり、格納容器110内で育成したサファイア単結晶部材220を外部に取り出したり等できるように、シャッターなどの開閉部(図中、不図示)が設けられる。また、格納容器110の内部と外部とを接続するために、ガス導入口およびガス排出口(図1中、不図示)を、格納容器110の任意の部分に設けることができる。この場合、ガス導入口の格納容器110外部側の端は、たとえば、Arガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給源に接続され、ガス排出口の格納容器110外部側の端は、大気に開放されていてもよいが、ロータリーポンプなどの排気装置に接続されていることが好ましい。   Next, the structure of each part of the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment other than those described above will be described. First, the storage container 110 has an open / close section such as a shutter so that the internal space is sealed off from the outside and the sapphire single crystal member 220 grown in the storage container 110 can be taken out. (Not shown in the figure) is provided. Further, in order to connect the inside and the outside of the storage container 110, a gas inlet and a gas outlet (not shown in FIG. 1) can be provided in any part of the storage container 110. In this case, the end of the gas introduction port outside the storage container 110 is connected to an inert gas supply source that supplies an inert gas such as Ar gas, and the end of the gas discharge port outside the storage container 110 is It may be open to the atmosphere, but is preferably connected to an exhaust device such as a rotary pump.

坩堝120は、アルミナの融点を超える融点を持つMoなどの高融点金属からなる有底筒状の部材が利用できるが、通常、有底円筒状の部材を用いることが好ましい。また、坩堝120は、格納容器110内の底部側に配置される。この場合、坩堝120を格納容器110の底部に接するように配置してもよいが、通常は、図1に例示するように格納容器110の底部に設置された盤状の坩堝支持部190上に配置することが好ましい。この坩堝支持部190には、図1に示すように、電極140を挿通させる貫通孔190Hが設けられていてもよい。また、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100には、坩堝120内のアルミナ融液200の加熱状態をモニターするために、通常、熱電対や放射温度計などの公知の加熱状態検出装置が適当な位置に設置される。たとえば、熱電対を、坩堝120の底面近傍に配置することができる。   The crucible 120 can be a bottomed cylindrical member made of a high melting point metal such as Mo having a melting point exceeding the melting point of alumina, but it is usually preferable to use a bottomed cylindrical member. The crucible 120 is disposed on the bottom side in the storage container 110. In this case, the crucible 120 may be disposed so as to be in contact with the bottom of the storage container 110, but normally, as illustrated in FIG. 1, the crucible 120 is placed on a plate-shaped crucible support 190 installed at the bottom of the storage container 110. It is preferable to arrange. The crucible support 190 may be provided with a through hole 190H through which the electrode 140 is inserted, as shown in FIG. In addition, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment usually includes a known heating state detection device such as a thermocouple or a radiation thermometer in order to monitor the heating state of the alumina melt 200 in the crucible 120. Installed at an appropriate position. For example, a thermocouple can be placed near the bottom of crucible 120.

また、図1に例示するように、断熱部材192を、ヒーター130および坩堝120を取り囲む位置に適宜配置してもよい。なお、坩堝支持部190が断熱材から構成される場合には、断熱部材192は、坩堝支持部190と一体的に形成された部材であってもよい。また、断熱部材192は、少なくともヒーター130の外周側を囲むように配置されるが、図1に例示するように、ヒーター130の外周側に加えて、ヒーター130の上方側や坩堝120の上方外周部側を囲むように配置されていてもよい。   Further, as illustrated in FIG. 1, the heat insulating member 192 may be appropriately disposed at a position surrounding the heater 130 and the crucible 120. In addition, when the crucible support part 190 is comprised from a heat insulating material, the heat insulation member 192 may be a member formed integrally with the crucible support part 190. Further, the heat insulating member 192 is disposed so as to surround at least the outer peripheral side of the heater 130, but as illustrated in FIG. 1, in addition to the outer peripheral side of the heater 130, the upper side of the heater 130 and the upper outer periphery of the crucible 120. You may arrange | position so that the part side may be enclosed.

さらに、坩堝120内にアルミナ原料を供給する原料供給装置を必要に応じて設けることもできる。原料供給装置としては、たとえば、坩堝120の上方に配置された原料供給パイプと、これに接続された原料供給タンク等の原料供給源(図1中、不図示)とを有する装置などが利用できる。   Furthermore, a raw material supply device for supplying an alumina raw material into the crucible 120 may be provided as necessary. As the raw material supply device, for example, a device having a raw material supply pipe disposed above the crucible 120 and a raw material supply source (not shown in FIG. 1) such as a raw material supply tank connected thereto can be used. .

また、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置を用いてサファイア単結晶部材を製造する場合、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置が利用可能な公知の製造方法が適宜利用できるが、代表的には、EFG(Edge−defined Film−fed Growth)法、あるいは、CZ(Czochralski)法が利用できる。   Moreover, when manufacturing a sapphire single crystal member using the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of this embodiment, the well-known manufacturing method which can utilize the sapphire single crystal member manufacturing apparatus of this embodiment can be utilized suitably, but it is typical. For this, an EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method or a CZ (Czochralski) method can be used.

EFG法を利用する場合は、図1に示すように、本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100は、坩堝120内に配置され、上端部から下方へと伸びるスリット172を備えたダイ170と、ダイ170の上方側において、種結晶210が鉛直方向Zに移動できるように種結晶210を保持する種結晶保持部材180と、をさらに備える。   When using the EFG method, as shown in FIG. 1, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment includes a die 170 having a slit 172 disposed in the crucible 120 and extending downward from the upper end. And a seed crystal holding member 180 that holds the seed crystal 210 so that the seed crystal 210 can move in the vertical direction Z above the die 170.

ダイ170は、通常、坩堝120の中央部付近に配置され、Moなどの高融点金属から構成される。そして、サファイア単結晶部材220の育成時には、ダイ170の下部側は坩堝120内に保持されるアルミナ融液200中に浸される。このため、坩堝120内に保持されるアルミナ融液200は、毛細管現象によりスリット172内を上昇し、スリット172の上端側の開口部に到達できる。なお、図1に示す例では、ダイ170は、坩堝120内に固定した状態で配置され、固定に際しては固定部材(たとえば、坩堝120の上端部側とダイ170の上部側とを接続する支持棒など)を用いることもできる。ダイ170の構造は、坩堝120内に保持されるアルミナ融液200を、毛細管現象を利用してダイ170の上端部へと導けるように、ダイ170の上端部から下方へと伸びるスリット172を備えたものであれば特に限定されないが、一般的には、図1に示すようにダイ170を鉛直方向Zに貫通するスリット172が設けられた構造を有することが好ましい。   The die 170 is usually disposed near the center of the crucible 120 and is made of a refractory metal such as Mo. When the sapphire single crystal member 220 is grown, the lower side of the die 170 is immersed in the alumina melt 200 held in the crucible 120. For this reason, the alumina melt 200 held in the crucible 120 rises in the slit 172 by capillary action and can reach the opening on the upper end side of the slit 172. In the example shown in FIG. 1, the die 170 is disposed in a state of being fixed in the crucible 120, and a fixing member (for example, a support rod that connects the upper end side of the crucible 120 and the upper side of the die 170 is used for fixing. Etc.) can also be used. The structure of the die 170 includes a slit 172 extending downward from the upper end of the die 170 so that the alumina melt 200 held in the crucible 120 can be guided to the upper end of the die 170 using a capillary phenomenon. However, it is generally preferable to have a structure provided with a slit 172 that penetrates the die 170 in the vertical direction Z as shown in FIG.

ダイ170としては、図1に例示するように、2枚の仕切り板を、スリット172を形成するように微小間隔をあけて平行に配置した部材などが利用できる。したがって、図1に示すダイ170を用いた例では、1枚の板状のサファイア単結晶部材220を製造することができる。また、ダイ170として、3枚以上の仕切り板をスリット172を形成するように微小間隔をあけて平行に配置した部材を用いれば、2枚の以上の板状のサファイア単結晶部材220を同時に製造することができる。また、ダイ170を鉛直方向Zと直交する平面で切断した断面におけるスリット172の断面形状を適宜選択することにより、板状以外にも円筒状や半円筒状などの様々な形状のサファイア単結晶部材220を製造することもできる。   As the die 170, as illustrated in FIG. 1, a member in which two partition plates are arranged in parallel with a small interval so as to form a slit 172 can be used. Therefore, in the example using the die 170 shown in FIG. 1, one plate-like sapphire single crystal member 220 can be manufactured. Further, if a member having three or more partition plates arranged in parallel with a small interval so as to form a slit 172 is used as the die 170, two or more plate-like sapphire single crystal members 220 are simultaneously manufactured. can do. Further, by appropriately selecting the cross-sectional shape of the slit 172 in the cross section obtained by cutting the die 170 along a plane orthogonal to the vertical direction Z, the sapphire single crystal member having various shapes such as a cylindrical shape and a semicylindrical shape in addition to the plate shape. 220 can also be manufactured.

また、サファイア単結晶部材製造装置100は、ダイ170の上方側において、種結晶210が鉛直方向Zに移動できるように種結晶210を保持する種結晶保持部材180を備える。図1に示す例では、種結晶保持部材180は、その長手方向が、鉛直方向Zと平行を成す棒状部材からなり、種結晶保持部材180の下端には種結晶210が固定されている。また、種結晶保持部材180は、モーターなどの駆動装置(図中、不図示)によって、鉛直方向Zに移動できる。サファイア単結晶部材220の製造に際しては、まず、種結晶210を、ダイ170のスリット172の上端開口部まで上昇してきたアルミナ融液200と接触させる。続いて、種結晶保持部材180を徐々に上方に移動させることで種結晶210の下方側にサファイア単結晶部材220を成長させることができる。なお、ダイ170に複数のスリット172が設けられている場合には、複数のスリット172の上端開口部に同時に接触できるサイズの種結晶210を用いたり、個々のスリット172毎に対応させて複数個の種結晶210を用いることができる。   Moreover, the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 includes a seed crystal holding member 180 that holds the seed crystal 210 on the upper side of the die 170 so that the seed crystal 210 can move in the vertical direction Z. In the example shown in FIG. 1, the seed crystal holding member 180 is a rod-shaped member whose longitudinal direction is parallel to the vertical direction Z, and the seed crystal 210 is fixed to the lower end of the seed crystal holding member 180. The seed crystal holding member 180 can be moved in the vertical direction Z by a driving device (not shown in the drawing) such as a motor. In manufacturing the sapphire single crystal member 220, first, the seed crystal 210 is brought into contact with the alumina melt 200 that has risen to the upper end opening of the slit 172 of the die 170. Subsequently, the sapphire single crystal member 220 can be grown on the lower side of the seed crystal 210 by gradually moving the seed crystal holding member 180 upward. In the case where a plurality of slits 172 are provided in the die 170, a seed crystal 210 having a size capable of simultaneously contacting the upper end openings of the plurality of slits 172 is used, or a plurality of slits 172 are provided corresponding to each slit 172. The seed crystal 210 can be used.

一方、CZ法を利用する場合は、図1に示すサファイア単結晶部材製造装置100からダイ170を省略した装置を用いる。CZ法では、種結晶210をアルミナ融液200に接触させた後、種結晶保持部材180を、その中心軸を回転軸として回転させながら上方へ徐々に引き上げる。これにより、円柱状のサファイア単結晶部材220を得ることができる。   On the other hand, when the CZ method is used, an apparatus in which the die 170 is omitted from the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 is used. In the CZ method, after the seed crystal 210 is brought into contact with the alumina melt 200, the seed crystal holding member 180 is gradually pulled upward while rotating with its central axis as a rotation axis. Thereby, the cylindrical sapphire single crystal member 220 can be obtained.

なお、EGF法およびCZ法のいずれの方法においても、種結晶210としては、サファイア単結晶が用いられる。   In both the EGF method and the CZ method, a sapphire single crystal is used as the seed crystal 210.

次に、図1に示す本実施形態のサファイア単結晶部材製造装置100を用いてEFG法によりサファイア単結晶部材220を製造する場合の製造プロセスの一例について説明する。サファイア単結晶部材220の製造に際しては、坩堝120内にアルミナ原料を供給する原料供給工程と、坩堝120内に供給されたアルミナ原料を溶解することでアルミナ融液200を得る溶解工程と、毛細管現象によりダイ170のスリット172上端側の開口部に到達したアルミナ融液200を、種結晶210と接触させた後、種結晶210を上方へ引き上げることでサファイア単結晶部材220を結晶成長させる結晶成長工程と、を少なくとも実施する。   Next, an example of a manufacturing process in the case of manufacturing the sapphire single crystal member 220 by the EFG method using the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 of the present embodiment shown in FIG. 1 will be described. In manufacturing the sapphire single crystal member 220, a raw material supply step for supplying an alumina raw material into the crucible 120, a melting step for obtaining the alumina melt 200 by dissolving the alumina raw material supplied into the crucible 120, and a capillary phenomenon After the alumina melt 200 that has reached the opening on the upper end side of the slit 172 of the die 170 is brought into contact with the seed crystal 210, the seed crystal 210 is pulled upward to crystal-grow the sapphire single crystal member 220. And at least.

原料供給工程におけるアルミナ原料の坩堝120への供給は、サファイア単結晶部材製造装置100の外部で実施してもよいし、サファイア単結晶部材製造装置100の内部で実施してもよい。   The supply of the alumina raw material to the crucible 120 in the raw material supply step may be performed outside the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100 or may be performed inside the sapphire single crystal member manufacturing apparatus 100.

溶解工程では、坩堝120内に供給された原料を溶解する。これによりアルミナ融液200を得る。サファイア単結晶部材220の結晶成長前段階においては、まず、格納容器110内を真空排気して十分に減圧した後あるいは減圧しながら、ヒーター130による加熱を開始する。また、格納容器110内の温度が、たとえば、800度〜1800度の範囲内(好ましくは、1300度〜1700度の範囲内)において一定温度まで加熱された後にArガス等の不活性ガスを格納容器110内にさらに導入し、格納容器110内を不活性ガスで置換してもよい。格納容器110内を不活性ガスで置換した場合、結晶成長工程の実施中においては、格納容器110内において、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が、たとえば、1000ppm以下に制御されることが好ましく、100ppm以下に制御されることがより好ましい。   In the melting step, the raw material supplied into the crucible 120 is melted. Thereby, the alumina melt 200 is obtained. In the stage before crystal growth of the sapphire single crystal member 220, first, heating by the heater 130 is started after the inside of the storage container 110 is evacuated and sufficiently decompressed or while decompressing. In addition, the inert gas such as Ar gas is stored after the temperature in the storage container 110 is heated to a certain temperature within a range of 800 to 1800 degrees (preferably within a range of 1300 to 1700 degrees), for example. It may be further introduced into the container 110 and the inside of the storage container 110 may be replaced with an inert gas. When the inside of the containment vessel 110 is replaced with an inert gas, the oxygen concentration in the inert gas atmosphere is preferably controlled to, for example, 1000 ppm or less in the containment vessel 110 during the execution of the crystal growth step. More preferably, it is controlled to 100 ppm or less.

結晶成長工程では、最初に、毛細管現象によりダイ170のスリット172上部側の開口部に達したアルミナ融液200を、種結晶210と接触させる。そして、その後、種結晶210を上方側へと引き上げることでサファイア単結晶部材220を結晶成長させる。結晶成長工程を終えた後は、サファイア単結晶部材220を適宜放冷した後、種結晶保持部材180をさらに上方に引き上げることで、種結晶210と共に種結晶210の下部に結晶成長したサファイア単結晶部材220を、格納容器110外へと移動させて取り出す。   In the crystal growth step, first, the alumina melt 200 that has reached the opening on the upper side of the slit 172 of the die 170 by capillary action is brought into contact with the seed crystal 210. Then, the sapphire single crystal member 220 is grown by pulling the seed crystal 210 upward. After finishing the crystal growth step, the sapphire single crystal member 220 is appropriately cooled, and then the seed crystal holding member 180 is further lifted upward, so that the sapphire single crystal grown under the seed crystal 210 together with the seed crystal 210. The member 220 is moved out of the storage container 110 and taken out.

100 :サファイア単結晶部材製造装置
110 :格納容器
110H :貫通孔
120 :坩堝
120BT:底面
120S :外周面
130、130A、130B、130C :ヒーター(黒鉛製ヒーター)
130TP:頂面
130BT:底面
130S1:内周面
130S2:外周面
132 :ヒーター側ネジ穴
132BT:底面
132S :内周面
134A :第一スリット
134B :第二スリット
136A :ネジ穴近傍部
136B :非ネジ穴近傍部
140 :電極(黒鉛製棒状電極)
140TP:端面
142 :電極側ネジ穴
142BT:底面
142S :内周面
150 :スタッド(黒鉛製イモネジ)
150TP:ネジ先
150BT:ネジ先
150S :外周面
160 :カーボン接着層
170 :ダイ
172 :スリット
180 :種結晶保持部材
190 :坩堝支持部
190H :貫通孔
192 :断熱部材
200 :アルミナ融液
210 :種結晶
220 :サファイア単結晶部材

100: Sapphire single crystal member manufacturing apparatus 110: Containment vessel 110H: Through hole 120: Crucible 120BT: Bottom surface 120S: Outer peripheral surface 130, 130A, 130B, 130C: Heater (graphite heater)
130TP: Top surface 130BT: Bottom surface 130S1: Inner peripheral surface 130S2: Outer peripheral surface 132: Heater side screw hole 132BT: Bottom surface 132S: Inner peripheral surface 134A: First slit 134B: Second slit 136A: Screw hole vicinity 136B: Non-screw Hole vicinity 140: Electrode (graphite rod electrode)
140TP: End surface 142: Electrode side screw hole 142BT: Bottom surface 142S: Inner peripheral surface 150: Stud (graphite thread screw)
150TP: screw tip 150BT: screw tip 150S: outer peripheral surface 160: carbon adhesive layer 170: die 172: slit 180: seed crystal holding member 190: crucible support 190H: through hole 192: heat insulating member 200: alumina melt 210: seed Crystal 220: Sapphire single crystal member

Claims (8)

格納容器と、
前記格納容器内に配置された有底筒状の坩堝と、
前記坩堝の外周面側を囲うと共に、中心軸が鉛直方向と平行を成すように配置され、底面にヒーター側ネジ穴が設けられた筒状の黒鉛製ヒーターと、
電極側ネジ穴が設けられた端面を有し、中心軸が前記鉛直方向と平行を成すように前記黒鉛製ヒーターの底面に対して前記端面が接続された黒鉛製棒状電極と、
前記ヒーター側ネジ穴および前記電極側ネジ穴に螺合する黒鉛製イモネジと、を少なくとも備え、
前記黒鉛製ヒーターの底面および前記黒鉛製棒状電極の端面が、前記鉛直方向と直交し、
前記黒鉛製ヒーターの底面側、かつ、周方向において前記ヒーター側ネジ穴が設けられた近傍における前記黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みが、前記黒鉛製ヒーターの底面側、かつ、周方向において前記ヒーター側ネジ穴が設けられた近傍以外の部分における前記黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みよりも大きいことを特徴とするサファイア単結晶部材製造装置。
A containment vessel,
A bottomed cylindrical crucible disposed in the containment vessel;
A cylindrical graphite heater that surrounds the outer peripheral surface side of the crucible and is arranged so that the central axis is parallel to the vertical direction and has a heater-side screw hole on the bottom surface;
A graphite rod-shaped electrode having an end surface provided with an electrode-side screw hole, the end surface of which is connected to the bottom surface of the graphite heater so that a central axis is parallel to the vertical direction;
A graphite screw that is screwed into the heater-side screw hole and the electrode-side screw hole;
The bottom surface of the graphite heater and the end surface of the graphite rod-shaped electrode are orthogonal to the vertical direction ,
The thickness in the diameter direction of the graphite heater in the vicinity of the bottom surface side of the graphite heater and in the vicinity where the heater side screw hole is provided in the circumferential direction is the bottom surface side of the graphite heater and the heater in the circumferential direction. The sapphire single crystal member manufacturing apparatus characterized by being larger than the thickness of the graphite heater in the diameter direction in a portion other than the vicinity where the side screw holes are provided .
格納容器と、A containment vessel,
前記格納容器内に配置された有底筒状の坩堝と、A bottomed cylindrical crucible disposed in the containment vessel;
前記坩堝の外周面側を囲うと共に、中心軸が鉛直方向と平行を成すように配置され、底面にヒーター側ネジ穴が設けられた筒状の黒鉛製ヒーターと、A cylindrical graphite heater that surrounds the outer peripheral surface side of the crucible and is arranged so that the central axis is parallel to the vertical direction and has a heater-side screw hole on the bottom surface;
電極側ネジ穴が設けられた端面を有し、中心軸が前記鉛直方向と平行を成すように前記黒鉛製ヒーターの底面に対して前記端面が接続された黒鉛製棒状電極と、A graphite rod-shaped electrode having an end surface provided with an electrode-side screw hole, the end surface of which is connected to the bottom surface of the graphite heater so that a central axis is parallel to the vertical direction;
前記ヒーター側ネジ穴および前記電極側ネジ穴に螺合する黒鉛製イモネジと、を少なくとも備え、A graphite screw that is screwed into the heater-side screw hole and the electrode-side screw hole;
前記黒鉛製ヒーターの底面および前記黒鉛製棒状電極の端面が、前記鉛直方向と直交し、The bottom surface of the graphite heater and the end surface of the graphite rod-shaped electrode are orthogonal to the vertical direction,
前記黒鉛製イモネジの直径が、前記黒鉛製ヒーターの底部側、かつ、周方向において前記ヒーター側ネジ穴が設けられた近傍における前記黒鉛製ヒーターの直径方向の厚みの1/3を超えることを特徴とするサファイア単結晶部材製造装置。The diameter of the graphite screw is more than one third of the thickness of the graphite heater in the diameter direction in the vicinity of the bottom side of the graphite heater and in the vicinity of the heater side screw hole in the circumferential direction. A sapphire single crystal member manufacturing apparatus.
前記黒鉛製ヒーターの底面と、前記黒鉛製棒状電極の端面との間にカーボン接着層が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のサファイア単結晶部材製造装置。 And the bottom surface of the graphite heater, a sapphire single crystal component manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the carbon bonding layer is provided between the end surface of the graphite rod electrode. 前記黒鉛製棒状電極および前記黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の固有抵抗値が10μΩm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のサファイア単結晶部材製造装置。 The apparatus for producing a sapphire single crystal member according to any one of claims 1 to 3, wherein a specific resistance value of the graphite material constituting the graphite rod electrode and the graphite screw is 10 µΩm or less. 前記黒鉛製棒状電極および前記黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の熱伝導率が150W/m・K以上であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のサファイア単結晶部材製造装置。 The sapphire single crystal member according to any one of claims 1 to 4 , wherein the graphite rod-shaped electrode and the graphite material constituting the graphite immobilizer have a thermal conductivity of 150 W / m · K or more. manufacturing device. 前記黒鉛製棒状電極および前記黒鉛製イモネジを構成する黒鉛材料の引張り強さが20MPa以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のサファイア単結晶部材製造装置。 The apparatus for producing a sapphire single crystal member according to any one of claims 1 to 5 , wherein a tensile strength of the graphite material constituting the graphite rod-shaped electrode and the graphite screw is 20 MPa or less. 前記坩堝の加熱部材として、前記黒鉛製ヒーターのみを備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のサファイア単結晶部材製造装置。 The sapphire single crystal member manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 6 , wherein only the graphite heater is provided as a heating member of the crucible. 前記坩堝内に配置され、上端部から下方へと伸びるスリットを備えたダイと、
前記ダイの上方側において、種結晶が鉛直方向に移動できるように前記種結晶を保持する種結晶保持部材と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のサファイア単結晶部材製造装置。
A die disposed in the crucible and provided with a slit extending downward from the upper end;
A seed crystal holding member that holds the seed crystal so that the seed crystal can move in the vertical direction on the upper side of the die;
The sapphire single crystal member manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 7 , further comprising:
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