JP6834618B2

JP6834618B2 - 単結晶育成用坩堝および単結晶育成方法

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Inventors: 勝彦岡野
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-02-24
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Description

本発明は、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成方法で使用される単結晶育成用坩堝、およびそれを用いた単結晶育成方法に関する。

サファイア結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的および熱的特性、化学的安定性、光透過性を有することから、多くの分野ですでに利用されている。特に、サファイア単結晶は、半導体分野において、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードの発光層を成長させるための基板として、あるいは、シリコン・オン・サファイア（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＳａｐｐｈｉｒｅ：ＳＯＳ）デバイス用の基板などに用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じて、その需要が飛躍的に伸びてきている。

また近年、省エネや省スペースなどの要求から、照明装置として白色ＬＥＤが広く用いられている。この白色ＬＥＤは、サファイア単結晶基板上にＧａＮ系半導体を形成した青色ＬＥＤと、蛍光体とを組み合わせて構成される。このため、白色ＬＥＤの需要の増加に伴い、サファイア単結晶基板の需要も急激に増加している。また、白色ＬＥＤを一般照明用に用いるには、その低コスト化が必要とされるため、サファイア単結晶基板に対しても、低価格化が要望されている。

単結晶の育成方法としては一般的にチョクラルスキー法（回転引き上げ法）が代表的である。その他の育成法として、ＥＦＧ法（Ｅｄｇｅ−ＤｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ−ｆｅｄＧｒｏｗｔｈＭｅｔｈｏｄ：リボン状結晶成長法）に代表される融液から単結晶を引上げて固化させる方法、あるいはブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）やＶＧＦ法（ＶｅｒｔｉｃａｌＧｒａｄｉｅｎｔＦｒｅｅｚｅＭｅｔｈｏｄ：垂直式温度傾斜凝固法）に代表される融液を坩堝中で固化させる方法などがある。

このうち、単結晶を引き上げて固化させる方法では、育成した単結晶を引き上げるための装置とスペースが必要であり、単結晶育成装置が大型化せざるを得ず初期投資費用が大きくなる。これに対して、ブリッジマン法やＶＧＦ法など、融液を坩堝中で固化させる単結晶育成方法は、育成した単結晶を引き上げていく必要がないため、単結晶育成装置の小型化や簡略化が可能であり初期投資費用を抑えることができる。

しかしその一方、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法では、一般的な形状の融解坩堝を用いて単結晶を育成する場合、坩堝底に種結晶を配置し、その上に必要量の結晶原料を入れ、融解させた後に固化させるが、固化した単結晶が坩堝へ固着することがある。あるいは、シーディング時の不具合などで種結晶が完全融解してしまいそのまま固化された場合には、得られる結晶は多結晶となり、結晶の膨張係数が結晶方位により異なることから、坩堝の収縮による結晶の締め付けなどを起因として、坩堝から取り出すことが不可能となる。結晶の取り出しが出来なかった場合は、坩堝自体を破壊して結晶を取り出したり、また取り出せなくなった結晶を砕いて取り除き坩堝を再利用することが必要で、コストアップや生産性低下の原因となる。特にサファイアなど高硬度の結晶は特別な工具を使用して取り除く必要があるため、よりコストアップとなる。

単結晶育成用坩堝から結晶が取り出せなくなる問題に対して、特許文献１には、坩堝内壁にテーパを設けることで結晶の取り出しが可能となる旨が記載されている。

また、特許文献２ではサファイアと坩堝の線膨張係数に着目し、坩堝の線膨張係数と製造されるサファイア単結晶の成長軸に垂直な方向の線膨張係数との相違に起因する相互応力を、坩堝およびサファイア単結晶の間に全く発生させない、もしくはサファイア単結晶に相互応力による結晶欠陥を発生させず坩堝に相互応力による変形を起こさせないような線膨張係数を持つ坩堝を用いることでサファイア単結晶へのクラック発生を抑制する製造方法が記載されている。

さらに、特許文献３では、坩堝内壁に底部から上部方向に向けて開口面積が大きくなるようなテーパ角を有する坩堝を用いることで、育成した単結晶の坩堝からの取り出しが容易になる旨が記載されている。

特開２０１２−２３６７３３号公報特許第５６３３７３２号公報特開２０１５−１４０２９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、結晶と坩堝の熱膨張係数差が小さかったり、結晶と坩堝が固着した場合はうまく結晶を取り出すことができず、結局は坩堝を破壊して結晶を取り出さざるを得ないことが多い。

また、特許文献２に記載の製造方法では、育成した結晶が単結晶でクラックが発生しなくとも、単結晶と坩堝が固着した場合はうまく単結晶を取り出すことが出来ない。

また、特許文献３に記載の手法では、育成した単結晶は上面に向かって引き抜かなければならないため、育成した単結晶を毀損する可能性が有り、また引き抜きには複雑な専用の治具を使用しなければならない。

そこで、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の単結晶あるいは多結晶となってしまった結晶を容易に取り出すことができる単結晶育成用坩堝及び単結晶育成方法を提供することが求められている。

本発明の実施形態の一観点に係る単結晶育成用坩堝は、使用時に一方の上側端部が上方に配置され、他方の下側端部が下方に配置される周壁と、前記下側端部に設けられる孔部と、を備え、前記孔部は、前記下側端部における前記周壁の内径と同一に形成され、当該単結晶育成用坩堝は、前記上側端部と前記下側端部とが貫通し、底部を有しない筒型形状であり、前記周壁は、少なくとも前記下側端部側を含む高さ方向の一部に亘り、高さ方向に対して垂直な任意の断面において、より前記下側端部に近い断面の形状が、より前記上側端部に近い断面の形状に常に内包されるよう形成される。

同様に、本発明の実施形態の一観点に係る単結晶育成方法は、上記の単結晶育成用坩堝を用いて単結晶を育成する単結晶育成方法であって、支持台の上に前記単結晶育成用坩堝を設置する設置ステップと、前記支持台の上に設置された前記単結晶育成用坩堝の内部の下部に単結晶の種結晶を配置する種結晶配置ステップと、前記単結晶育成用坩堝の内部に配置された前記種結晶の上に単結晶原料を配置する原料配置ステップと、前記単結晶育成用坩堝の内部に配置された前記単結晶原料を溶解した後に冷却して前記種結晶の上方に向け前記単結晶を育成する育成ステップと、前記育成された単結晶に対して前記単結晶育成用坩堝の下側端部の孔部から力を加えて、前記単結晶育成用坩堝の上側端部の開口部から前記単結晶を取り出す取り出しステップと、を含む。

本開示によれば、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の単結晶あるいは多結晶となってしまった結晶を容易に取り出すことができる単結晶育成用坩堝及び単結晶育成方法を提供することができる。

実施形態に係る単結晶育成用坩堝の概略構成の一例を示す断面図である。実施形態に係る単結晶育成用坩堝を用いた単結晶製造装置を示す断面図である。実施形態に係る単結晶育成方法のフローチャートである。実施形態の変形例に係る単結晶育成用坩堝の概略構成の一例を示す断面図である。実施形態の変形例に係る単結晶育成用坩堝の概略構成の一例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず本実施形態に係る単結晶育成用坩堝及び単結晶育成方法を着想した経緯について説明する。

本発明者らは、坩堝内壁にテーパを設けても固着や多結晶化により結晶を坩堝から取り出せない現象についてその原因と解決策を鋭意検討した。その結果、単結晶と坩堝の熱膨張係数の差が十分でないため冷却時に坩堝と単結晶の間に十分な隙間が出来ないこと、シーディング不具合により多結晶となった結晶はクラックが全面に入り結晶の体積が大きくなるために本来出来るはずの坩堝と結晶との隙間が小さくなってしまうこと、育成後の単結晶の最上端部が坩堝の内周面に接触している部分において単結晶が坩堝に固着してしまうこと、などが原因となっていると解明した。

本発明者らは、この知見を出発点として、単結晶育成用坩堝についてさらなる研究を重ねた結果、坩堝から結晶を取り出す際に、坩堝上方から結晶を引く抜く手法だけではなく、坩堝底から結晶を押し出す手法を試みた。坩堝底から結晶を押し出すためには、坩堝底は開放されていなければならない。また、坩堝に下方から上方にかけて広くなるようなテーパを施すことで、熱膨張係数差が十分でない場合や、多結晶化により坩堝と結晶の隙間が小さい場合、および結晶が坩堝上方で坩堝壁面と固着していた場合、すべての場合で結晶を容易に取り出すことができることを発見し、本実施形態を完成するに至ったものである。

育成した単結晶を坩堝底部より押し出すには、育成した単結晶の押し出し方向に垂直な断面の形状が、より底部に近い部分の断面形状がより上部に近い部分の断面形状に内包される形状であることが必要である。育成される単結晶は坩堝形状と同じ形状の単結晶となるので、前記の坩堝で育成された単結晶を坩堝底部から押し出す際には、単結晶の断面が同位置の坩堝断面よりも大きくなることがなく、スムーズな単結晶取り出しが可能となる。もし、より底部に近い部分の断面形状がより上部に近い部分の断面形状より大きなものであると、育成した単結晶は上部に向かって押し出すことが出来なくなる。

［実施形態］
次に図１を参照して、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１（以下では単に「坩堝１」とも表記する）の構成について説明する。図１は、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１の概略構成の一例を示す断面図である。坩堝１は、使用時に周壁２の一方の端部３（以下では「上側端部３」という）が上方に配置され、他方の端部４（以下では「下側端部４」という）が下方に配置されるように支持台の上に設置されるものであり、これらの上側端部３と下側端部４とが貫通した筒型形状である。より詳細には、坩堝１は、設置時の高さ方向に対して垂直な全ての周壁２の断面が円形であり、底部（下側端部４）の断面直径が上部（上側端部３）の断面直径よりも小さい円錐台形状である。図１は、この高さ方向に沿った坩堝１の断面形状を示している。

なお、以下の説明では、「坩堝１及び周壁２の高さ方向に対して垂直な断面形状」とは、環状の断面のうち内側の輪郭の形状を意味する。言い換えると、周壁２の内周面７の断面である。

図１に示すように、坩堝１の上側端部３には、育成された単結晶（または多結晶）の取り出し用の開口部５が設けられている。また、坩堝１の底部（下側端部４）には、育成された単結晶（または多結晶）の押し出し用の開口部６（孔部）が設けられている。本実施形態では、坩堝１は円筒形状であるので、取り出し用開口部５及び押し出し用開口部６は、共に周壁２の内径と同一の円形状である。

坩堝１の周壁２の内周面７には、底部の押し出し用開口部６から上部の取り出し用開口部５に向けて拡張する向きでテーパ角θが付けられている。本実施形態では、坩堝１は円錐台形状であるので、上側端部３と下側端部４との間の高さ方向の全体に亘って、内周面７が同一のテーパ角θとなるように形成されている。すなわち、単結晶が育成される坩堝１の内部空間も、外形状と同じく、底部の押し出し用開口部６が上部の取り出し用開口部５よりも小さい円錐台形状である。

本実施形態のように坩堝１が円錐台形状であると、育成した単結晶を坩堝１の底部から押し出して取り出すことがより容易である。この理由は、坩堝１の内部にて育成した単結晶が冷却により収縮すると、坩堝１と単結晶の間に空隙が出来るが、坩堝１形状が円錐台形状であると、坩堝１と単結晶の間の空隙がどの部分でも同じ割合程度で出来るためである。

坩堝１の内周面７のテーパ角θは、０．１度以上、２．０度以下であることが好ましい。テーパ角θが０．１度よりも小さいと、育成された単結晶を坩堝１の底部側から押し出す際に、単結晶の断面形状と、坩堝１の内周面７の断面形状とが高さ方向の全体に亘って常に近いものとなってしまい、取り出し用開口部５側への押し出しが容易でなくなる。一方、テーパ角θが２．０度を超えると、育成後の単結晶取り出しは容易となるものの、目的のウェハサイズを得るために単結晶の外周部を切削した時の切削量が増加して、育成した単結晶に対する製品歩留まりが悪化する。

坩堝１の材料は、育成する結晶の熱膨張係数よりも小さい材質のもので形成されるのが好ましい。これにより、坩堝１の内部にて育成した結晶が冷却により収縮すると、坩堝１の内周面７と結晶との間に発生する空隙が相対的に大きくなり、育成した結晶を取り出すことを容易にできる。

育成する結晶がサファイア単結晶である場合、坩堝１の材料には、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、または、Ｍｏ−Ｗ合金が好ましい。Ｍｏの融点（約２６２０℃）と、Ｗの融点（約３３８０℃）は、いずれもサファイアの融点（約２０４０℃）よりも高く、高温耐久性を有している。また、サファイアは育成方向であるｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数が、２０５０℃において約１１×１０^−６／℃程度であるため、坩堝１の材質としては、同程度の温度での熱膨張係数が、サファイア単結晶のｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数よりも十分に低い値であることが望ましい。このような融点および熱膨張係数を有する材料としては、種々のものが考えられるが、コストや加工性などを考慮すると、Ｍｏ（２０５０℃における熱膨張係数：約８．５×１０^−６／℃）、Ｗ（２０５０℃における熱膨張係数：約６．５×１０^−６／℃）を使用することが好ましい。また、Ｍｏ−Ｗ合金も、ＭｏやＷと同様に融点が十分に高く、かつ、サファイアよりも十分に低い熱膨張係数を有するため、本実施形態のサファイア単結晶育成用の坩堝１の材料として適している。坩堝１の材料として、Ｍｏ−Ｗ合金を使用する場合には、Ｗの含有率が大きいほど好ましい。

次に図２及び図３を参照して、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いる単結晶育成方法を説明する。図２は、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いた単結晶製造装置１０を示す断面図である。図３は、実施形態に係る単結晶育成方法のフローチャートである。

単結晶製造装置１０は、基本的には、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いることを除いて、従来のＶＧＦ法用や垂直ブリッジマン法用の育成炉と同様の構成である。また、本実施形態に係る単結晶育成方法も、基本的には、実施形態に係る単結晶育成用坩堝１を用いることを除いて、従来の一方向凝固法による単結晶の製造方法と同様である。

単結晶製造装置１０は、図示しないチャンバや断熱材の内側に、図２に示す筒状の発熱体１１が配置される。結晶育成時には、チャンバ内はアルゴンガスなどの不活性ガスで満たされ、発熱体１１の内部側にホットゾーン１２が形成される。また、発熱体１１は、高さ方向の上側から下側に沿って上段ヒータ１１ａ、中段ヒータ１１ｂ、下段ヒータ１１ｃを有し、これらの各ヒータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃへの投入電力を調整することにより、ホットゾーン１２内の温度勾配を制御することができる。

坩堝１は、ホットゾーン１２に配置される受け皿１３（支持台）の上に載置される。受け皿１３は、図示しない支持軸などによって上下方向に移動可能、または、回転可能に構成することができる。

本実施形態に係る単結晶育成方法では、まず、下側端部４及び押し出し用開口部６が下向きで受け皿１３と接触するように、坩堝１を受け皿１３の上に設置する（図３のステップＳ１：設置ステップ）。

次に、取り出し用開口部５から坩堝１内の下部に種結晶１４を配置する（ステップＳ２：種結晶配置ステップ）。このとき、種結晶１４が内周面７に引っ掛かり、坩堝１の下側端部４まで到達せず、これにより、坩堝１の下端から種結晶１４の下端までの間に空間１５が形成されるように、種結晶１４（特に下端）の形状を加工しておく。より詳細には、種結晶１４の下端の最大径が、坩堝１の下側端部４の内径より大きくなるよう種結晶１４が形成される。この空間１５の高さは１〜３０ｍｍ程度が好ましい。

種結晶１４の上には、同じく取り出し用開口部５から顆粒状もしくは単結晶を粉砕した単結晶原料１６（例えばサファイア）を必要量配置する（ステップＳ３：原料配置ステップ）。

次に、坩堝１の周りの発熱体１１を作動して、坩堝１の内部で単結晶を育成する（ステップＳ４：育成ステップ）。具体的には、発熱体１１を用いて、種結晶１４及び単結晶原料１６が収納された坩堝１を高さ方向の上方が高く、下方が低い温度分布となるように加熱する。この状態で炉内の温度を種結晶１４が高さ方向の上半分位まで融解するまで昇温し、シーディングを行う。その後、そのままの炉内温度勾配を維持しながら発熱体１１の出力を徐々に低下させ、すべての融液を固化させた後、所定速度で冷却を行う。

次に、炉内温度が室温程度になったことを確認した後、育成された単結晶が入った坩堝１を受け皿１３から取り外し、単結晶に対して坩堝１の下側端部４の押し出し用開口部６から力を加える。これにより、坩堝１の上側端部３の取り出し用開口部５から育成された単結晶を取り出す（ステップＳ５：取り出しステップ）。

次に、本実施形態に係る単結晶育成用坩堝１の効果を説明する。本実施形態の単結晶育成用坩堝１は、使用時に一方の上側端部３が上方に配置され、他方の下側端部４が下方に配置される周壁２と、下側端部４に設けられる孔部としての押し出し用開口部６と、を備える。周壁２は、高さ方向の全体に亘り、高さ方向に対して垂直な任意の断面において、より下側端部４に近い断面の形状が、より上側端部３に近い断面の形状に常に内包されるよう形成される。より詳細には、本実施形態では、単結晶育成用坩堝１は、高さ方向に対して垂直な全ての断面が円形状であり、下側端部４の断面直径が上側端部３の断面直径よりも小さい円錐台形状である。

この構成により、坩堝１の内部にて育成された結晶に対して、下側端部４の押し出し用開口部６から力を加えて、上側端部３の取り出し用開口部５から結晶を押し出すことが可能となり、坩堝１内部の結晶に効率良く取り出し方向の力を加えることができる。また、坩堝１の断面形状は、下側端部４の押し出し用開口部６から上側端部３の取り出し用開口部５へ進むにつれて徐々に外側へ広がるよう形成されているので、育成された結晶が押し出し力によって周壁２の内周面７から外れやすくでき、結晶取り出しに必要な力を低減できる。これにより、本実施形態の単結晶育成用坩堝１は、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において、育成後の単結晶あるいは多結晶となってしまった結晶を容易に取り出すことができる。

例えば、上述のように従来の上側端部３側から引き抜く手法では坩堝１から結晶を取り出すことが不可能な状況でも、得られた単結晶を取り出す際に坩堝を破壊することなく取り出すことが可能となる。また、育成した結晶が多結晶化してしまった場合にも、特別な工具を使わず、結晶を粉砕することなく容易に取り出すことが可能となる。このように、坩堝１や育成結晶の破砕が不要となると、坩堝１の再利用率の向上や、単結晶育成に関する開発時間の短縮、単結晶製造の生産性向上が期待できる。

また、本実施形態の単結晶育成用坩堝１において、孔部としての押し出し用開口部６は下側端部４における周壁２の内径と同一に形成される。つまり、単結晶育成用坩堝１は、上側端部３と下側端部４とが貫通した筒型形状である。

この構成により、押し出し用開口部６を最大の大きさにできるので、坩堝１内の結晶の押し出し用開口部６側への露出面も増え、外部から結晶に力を加えやすくなる。また、単結晶育成用坩堝１を有底に加工する必要がなくなるので、坩堝１の製造を容易かつ迅速にできる。

また、本実施形態に係る単結晶育成方法は、上記の単結晶育成用坩堝１を用いて単結晶を育成する。具体的には、受け皿１３の上に単結晶育成用坩堝１を設置する設置ステップＳ１と、受け皿１３の上に設置された単結晶育成用坩堝１の内部の下部に単結晶の種結晶１４を配置する種結晶配置ステップＳ２と、単結晶育成用坩堝１の内部に配置された種結晶１４の上に単結晶原料１６を配置する原料配置ステップＳ３と、単結晶育成用坩堝１の内部に配置された単結晶原料１６を溶解した後に冷却して種結晶１４の上方に向け単結晶を育成する育成ステップＳ４と、育成された単結晶に対して単結晶育成用坩堝１の下側端部４の押し出し用開口部６から力を加えて、単結晶育成用坩堝１の上側端部３の取り出し用開口部５から単結晶を取り出す取り出しステップＳ５と、を含む。

この構成により、ブリッジマン法やＶＧＦ法に代表される融液を坩堝中で固化させる単結晶育成手法において単結晶育成用坩堝１を用いることで、上述の単結晶育成用坩堝１の作用効果によって、育成後の単結晶あるいは多結晶となってしまった結晶を坩堝１から容易に取り出すことができる。

また、本実施形態に係る単結晶育成方法では、種結晶１４の下端の最大径が、単結晶育成用坩堝１の下側端部４の内径より大きくなるよう種結晶１４が形成され、種結晶配置ステップＳ３において、単結晶育成用坩堝１の下側端部４から種結晶１４の下端までの間に空間１５が形成されるように種結晶１４が配置される。

この構成により、種結晶１４が単結晶育成用坩堝１の下側端部４から抜け出ることを防止でき、種結晶１４を坩堝１の内部に確実に配置することができる。また、下側端部４から種結晶１４の下端までの間に空間１５があると、坩堝１で育成される結晶を上側端部３の取り出し用開口部５の側へ底上げでき、取り出しステップＳ５において単結晶を取り出しやすくできる。

［変形例］
図４及び図５を参照して上記実施形態の変形例を説明する。

上記実施形態では、単結晶育成用坩堝１の形状として、高さ方向に対して垂直な全ての断面が円形状であり、下側端部４の断面直径が上側端部３の断面直径よりも小さい円錐台形状である構成を例示したが、円錐台形状以外の形状でもよい。例えば、高さ方向の全体に亘り、高さ方向に対して垂直な任意の断面において、より下側端部４に近い断面の形状が、より上側端部３に近い断面の形状に常に内包されるよう形成されればよい。このような形状としては、例えば図４に示す坩堝１Ａのように、内周面７Ａが高さ方向に沿って湾曲し、外側に膨らんだ形状が挙げられる。図４の形状は、任意の高さ方向の位置のテーパ角θが、下側端部４から高さ方向に沿って上側端部３側に進むにつれて小さくなる形状、とも表現できる。

同様に、例えば図５に示す坩堝１Ｂのように、上述した「より下側端部４に近い断面の形状が、より上側端部３に近い断面の形状に常に内包される」との形状が、坩堝１の高さ方向の全体ではなく、下側端部４側の一部のみに形成にされる構成でもよい。図５では、坩堝１Ｂの内周面７Ｂは、下側端部４から高さ方向の中間位置あたりまでテーパがとられ、それより上の部分ではテーパ角が０度となっている。この場合、単結晶は、好ましくは、テーパがとられている部分で育成される。

また、坩堝１の断面形状は、上述した「より下側端部４に近い断面の形状が、より上側端部３に近い断面の形状に常に内包される」との要件を満たせれば、円形状以外でもよい。

また、上記実施形態では、坩堝１が筒型形状である構成を例示したが、坩堝１は下側端部４に押し出し用開口部６に相当する孔部を設けることができればよく、筒型形状以外でもよい。例えば、坩堝１の下側端部４に底壁を設け、この底壁の一部に内部と連通する孔部を設ける構成としてもよい。この場合、押し出し用開口部６に相当する孔部の径は、下側端部４における周壁２の内径より小さくなる。

また、押し出し用開口部６（孔部）の径は、下側端部４における周壁２の内径以上に形成されてもよい。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

（実施例１〜５）
図１に示すような形状を有する、Ｍｏからなる坩堝１を用意し、テーパ角θがそれぞれ０．１度、０．５度、１．０度、１．５度、２．０度のものを実施例１〜５とした。これら実施例１〜５の坩堝１を用いて、図２に示す単結晶製造装置１０によるサファイア単結晶の育成試験を実施した。単結晶製造装置１０の受け皿１３は炭化タンタル製のものを用いた。種結晶１４が坩堝１内に配置されたときに、坩堝１の下端から種結晶１４の下端までが約１５ｍｍの空間１５となるよう種結晶１４の端部を加工した。単結晶原料１６は、サファイア単結晶原料を用いた。発熱体１１はカーボン製とした。

育成試験では、図３のフローチャートに基づき実施形態に係る単結晶育成方法を実施した。単結晶の育成中には単結晶製造装置１０の炉内は低酸素雰囲気（窒素ガス注入）とした。炉内温度は、種結晶１４が高さ半分位まで融解するまで昇温し、その後、そのままの炉内温度勾配を維持しながら育成速度５ｍｍ／ｈとなるよう発熱体１１の出力を徐々に低下させ、すべての融液を固化させた後、５０℃／ｈの速度で冷却を行った。炉内温度が室温程度になった後、育成された単結晶が入った坩堝１をひっくり返して、下側端部４の押し出し用開口部６から単結晶に取り出し用開口部５の方向へ力を加えて、育成した単結晶の坩堝１からの取り出し可否を確認した。

また、単結晶を育成して坩堝１からの取り出しが可能であった実施例については、種結晶１４を全融解させてから冷却して意図的に多結晶を育成し、育成された結晶と坩堝１の内周面７との隙間を小さくした場合の取り出し可否も併せて確認した。

（比較例１〜７）
坩堝１の下側端部４に底壁を設けて押し出し用開口部６が無い点を除いて実施例１〜５と同様の坩堝を比較例２〜６とした。同様に坩堝１の押し出し用開口部６が無く、かつ、テーパ角θを０度としたものを比較例１とした。また、実施例と同様に坩堝１の下側端部４に底壁を設けず押し出し用開口部６を有するが、テーパ角θを０度としたものを比較例７とした。

これらの比較例１〜７の坩堝を用いて実施例１〜５と同様の育成試験を実施し、育成した単結晶の坩堝１からの取り出し可否を確認した。また、単結晶を育成して坩堝からの取り出しが可能であった比較例については、意図的に多結晶を育成したときの取り出し可否も併せて確認した。

Ｍｏ坩堝を用いて行った各実施例１〜５および比較例１〜７の結晶取り出しの確認試験の結果を表１に示す。表１では、確認試験の結果を、結晶を抵抗無くかつ毀損せず坩堝１から取り出せた場合は「○」、若干の抵抗はあったが毀損せず結晶を取り出せた場合は「△」、坩堝１から結晶の取り出しが出来なかった場合、または、取り出せても結晶が毀損した場合は「×」として示している。

表１に示すように、比較例１〜３（テーパ角０〜０．５度）では単結晶を育成した場合の坩堝１からの取り出しは行えなかった。比較例４〜６（テーパ角１．０度〜２．０度）では単結晶を取り出すことは出来たものの、特に比較例４，５では取り出し時にやや抵抗があり単結晶の一部が毀損した。また、比較例４〜６では多結晶を育成した場合には取り出しが出来なかった。

また、比較例７は、実施例と同様に坩堝底が無い坩堝１だが、テーパ角が０度すなわち坩堝上部から坩堝底部まで直径の変わらない円筒形の坩堝を用いた場合であるが、単結晶を育成した場合の坩堝からの取り出しは出来なかった。

一方、実施例１〜５では、テーパ角度０．１〜２．０度の範囲で、単結晶、多結晶に関わらず、坩堝１内に育成された結晶の底部に押し込む力（手で押し込む程度）を加えることで、坩堝１から結晶を取り出すことができた。

（実施例６〜１０）
坩堝１の材料をＷとした点を除き、実施例１〜５とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

（比較例８〜１４）
坩堝１の材料をＷとした点を除き、比較例１〜７とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

Ｗ坩堝を用いて行った各実施例６〜１０および比較例８〜１４の結晶取り出しの確認試験の結果を表２に示す。

表２に示すように、坩堝１の材料をＭｏからＷに変更して実施した試験でも、表１と同様の傾向が確認された。

（実施例１１〜１５）
坩堝１の材料をＭｏ―Ｗ合金（Ｍｏ：Ｗ＝５０：５０）とした点を除き、実施例１〜５とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

（比較例１５〜２１）
坩堝１の材料をＭｏ―Ｗ合金（Ｍｏ：Ｗ＝５０：５０）とした点を除き、比較例１〜７とそれぞれ同一条件で坩堝を作成し、結晶の育成試験及び取り出しの確認試験を行った。

Ｍｏ―Ｗ合金の坩堝を用いて行った各実施例１１〜１５および比較例１５〜２１の結晶取り出しの確認試験の結果を表３に示す。

表３に示すように、坩堝１の材料をＭｏからＭｏ―Ｗ合金に変更して実施した試験でも、表１と同様の傾向が確認された。

表１〜表３に示す結果より、本実施形態による坩堝底を開放して、テーパ角θを設けた坩堝１は、単結晶および多結晶の取り出しにきわめて有効であることが示された。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

上記実施形態の単結晶育成用坩堝１において育成される単結晶としては、サファイア単結晶以外を適用することもできる。また、上記実施形態の単結晶育成用坩堝１の材料には、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ−Ｗ合金以外のものを適用することもできる。

１単結晶育成用坩堝
２周壁
３上側端部
４下側端部
５取り出し用開口部（開口部）
６押し出し用開口部（孔部）
１３受け皿（支持台）
１４種結晶
１６単結晶原料
θ テーパ角
Ｓ１設置ステップ
Ｓ２種結晶配置ステップ
Ｓ３原料配置ステップ
Ｓ４育成ステップ
Ｓ５取り出しステップ

Claims

単結晶育成用坩堝であって、
使用時に一方の上側端部が上方に配置され、他方の下側端部が下方に配置される周壁と、
前記下側端部に設けられる孔部と、を備え、
前記孔部は、前記下側端部における前記周壁の内径と同一に形成され、
当該単結晶育成用坩堝は、前記上側端部と前記下側端部とが貫通し、底部を有しない筒型形状であり、
前記周壁は、少なくとも前記下側端部を含む高さ方向の一部に亘り、高さ方向に対して垂直な任意の断面において、より前記下側端部に近い断面の形状が、より前記上側端部に近い断面の形状に常に内包されるよう形成される、単結晶育成用坩堝。
前記周壁は、高さ方向の全体に亘り、高さ方向に対して垂直な任意の断面において、より前記下側端部に近い断面の形状が、より前記上側端部に近い断面の形状に常に内包されるよう形成される、
請求項１に記載の単結晶育成用坩堝。
高さ方向に対して垂直な全ての断面が円形状である、
請求項１または２に記載の単結晶育成用坩堝。
前記下側端部の断面直径が前記上側端部の断面直径よりも小さい円錐台形状である、
請求項３に記載の単結晶育成用坩堝。
前記周壁の内部のテーパ角が０．１度以上、２．０度以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
坩堝材料の熱膨張係数が、育成する結晶の熱膨張係数よりも小さい、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
坩堝材料がＭｏ、Ｗ、ＭｏとＷの合金、のいずれかである、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
育成する結晶がサファイア単結晶である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の単結晶育成用坩堝を用いて単結晶を育成する単結晶育成方法であって、
支持台の上に前記単結晶育成用坩堝を設置する設置ステップと、
前記支持台の上に設置された前記単結晶育成用坩堝の内部の下部に単結晶の種結晶を配置する種結晶配置ステップと、
前記単結晶育成用坩堝の内部に配置された前記種結晶の上に単結晶原料を配置する原料配置ステップと、
前記単結晶育成用坩堝の内部に配置された前記単結晶原料を溶解した後に冷却して前記種結晶の上方に向け前記単結晶を育成する育成ステップと、
前記育成された単結晶に対して前記単結晶育成用坩堝の下側端部の孔部から力を加えて、前記単結晶育成用坩堝の上側端部の開口部から前記単結晶を取り出す取り出しステップと、
を含む単結晶育成方法。
前記種結晶の下端の最大径が、前記単結晶育成用坩堝の下側端部の内径より大きくなるよう前記種結晶が形成され、
前記種結晶配置ステップにおいて、前記単結晶育成用坩堝の下側端部から前記種結晶の下端までの間に空間が形成されるように前記種結晶が配置される、
請求項９に記載の単結晶育成方法。
前記育成ステップにおいて、育成される単結晶がサファイア単結晶である、
請求項９または１０に記載の単結晶育成方法。