JP7477997B2 - サファイアリボンおよび単結晶リボン製造装置 - Google Patents

Description

本開示は、ＥＦＧ法によって製造されるサファイアリボン、およびＥＦＧ法を用いた単結晶リボン製造装置に関する。

リボン状の単結晶体の製造装置として、ＥＦＧ（Edge-Defined Film-Fed Growth）法を用いた製造装置（ＥＦＧ装置）が使用されている。

ＥＦＧ装置１０では、図２に概念的に示すように、坩堝１内に、スリットを挟んで対向する金型３が設置されている。坩堝１に充填した単結晶体の原料を、坩堝１の外周に配置した加熱手段４により加熱し、溶融させる。得られた融液５は、スリット内を毛細管現象によって金型３の上面まで上昇する。この融液５の液面に種結晶６を接触させて、上方に引き上げながら徐冷することで単結晶体（リボン）１１が育成される。リボン１１の水平方向断面の形状は、金型３の上面の形状により決定される。

近年、半導体製造装置用窓部材などの用途で、大型の基板を切り出すための、大型のサファイアリボンが求められている。特許文献１には、幅３０５ｍｍ、特許文献２には、幅８インチ～１２インチのサファイアリボンを育成するためのＥＦＧ装置が記載されている。

ＥＦＧ法の育成条件では金型およびその付近における温度分布の制御が重要となる。しかし、育成する単結晶が大型になるほど、温度分布の制御が困難になり、高品質な単結晶を得ることが難しくなる。

ＥＦＧ法の育成条件では金型およびその付近における温度分布の制御が重要となる。しかし、育成する単結晶が大型になるほど、温度分布の制御が困難になり、高品質な単結晶を得ることが難しくなる。

特表２００７－５３２４５８号公報 特開２０１５－１２４０９６号公報

本開示のサファイアリボンは、それぞれ直交する幅と厚みと長さとを有し、長さ方向が育成方向であり、厚み方向に離間する２つの主面を有し、前記幅が、４０ｃｍ以上である。

また、本開示のＥＦＧ法単結晶リボン製造装置は、幅が奥行きよりも大きい坩堝と、前記坩堝内に設置され、スリットを挟んで前記奥行き方向に相対する金型と、前記坩堝の周囲に、前記奥行き方向に対向して配置される、第１ヒータと第２ヒータと、前記坩堝の周囲に、前記幅方向に対向して配置される、第３ヒータと第４ヒータとを備える。

本開示のサファイアリボンの外観写真である。 本開示のＥＦＧ装置の概略図である。 本開示のＥＦＧ装置の概略図である。 従来のＥＦＧ装置の概略図である。

本開示のサファイアリボン１１について、図を参照しながら説明する。なお、サファイアとは、単結晶アルミナ（化学式Ａｌ_２Ｏ_３）のことである。図１は、サファイアリボン１１の外観写真である。サファイアリボン１１は、幅と厚みと長さとを有する。幅方向と厚み方向と長さ方向は、それぞれ直交し、サファイアリボン１１の育成方向（引き上げ方向）を長さ方向とする。長さ方向と直交する方向のうち、サイズ（幅、厚み）の大きい方を幅方向、小さい方を厚み方向とする。また、厚み方向に離間する２つの大きな表面を主面と呼び、幅方向に離間し、主面同士を接続する２つの面を側面と呼ぶ。

本開示のサファイアリボン１１の幅は、４００ｍｍ以上、例えば４００ｍｍ以上６００ｍｍ以下である。また、厚みは、例えば、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。サファイアリボン１１は、拡がり部１２と直胴部１３とを有している。拡がり部１２は、育成の過程で、サファイアリボン１１の幅が拡張していく部分である。直胴部１３は、幅がほぼ一定の部分である。直胴部１３の長さは、例えば、４００ｍｍ以上、さらに好ましくは５００ｍｍ以上である。サファイアリボン１１は、さらに、直胴部１３に続いて、育成の過程で、サファイアリボン１１の幅が縮小していく部分である、尾部（不図示）を有していてもよい。

拡がり部１２の幅は、種結晶６の幅から直胴部１３の幅まで増加する。拡がり部１２の最大幅、すなわち直胴部１３の幅をＷＢとする。拡がり部１２の両側面の長さのうち、長い方を拡がり部１２の長さＬＡとする。拡がり部１２の上端（種結晶６の下端）を原点（０、０）として、サファイアリボン１１の長さ方向の座標をＬ、座標Ｌにおける幅をＷとする。両側面における拡がり部１２の下端（直胴部の上端）の座標は、（ＬＡ、±ＷＢ／２）である。

座標Ｌにおける拡がり部１２の側面の接線と、長さ方向（Ｌ軸方向）とのなす角をθとする。２θを位置Ｌにおける拡がり角とする。また、ある特定の領域範囲（例えば０≦Ｌ≦ＬＡ）における、拡がり部１２の側面の、長さ方向（Ｌ軸方向）に対する傾き（以下、単に傾きという）を、ＬとＷ／２をプロットした曲線から最小二乗法で求めた傾きで定義する。

拡がり部１２の傾き（０≦Ｌ≦ＬＡにおける傾き）は、０．９以上２．０以下であるとよい。拡がり部１２の傾きが０．９以上であれば、拡がり部１２を短くすることができるので、相対的に、直胴部１３の長いサファイアリボン１１が得られる。拡がり部１２は、製品として使用するには幅が不足することがあるので、相対的に、直胴部１３の長いサファイアリボン１１が好ましい。また、サファイアリボン１１全体の長さが短い方が、結晶欠陥の増加を抑制することができるとともに、生産性の観点からも好適である。拡がり部１２の傾きが、２．０以下であれば、結晶欠陥の少ない、高品質なサファイアリボン１１が提供できる。サファイアリボン１１の品質は、結晶粒界の有無、転位密度、リネージ密度などで表すことができる。

拡がり部１２において、０≦Ｌ≦３０ｍｍである領域を第１領域、３０ｍｍ≦Ｌ、Ｗ≦０．９ＷＢである領域を第２領域、０．９ＷＢ≦Ｗ≦ＷＢである領域を第３領域とする。なお、第１領域の長さは、サファイアリボン１１の幅ＷＢが４００ｍｍ以上であれば、直胴部１３の幅ＷＢによらず、３０ｍｍである。

育成の初期段階である第１領域の傾きが、０．５以上１．５以下であるとよい。第１領域の傾きが、０．５以上であると、拡がり部１２を短くすることができる。第１領域の傾
きが、１．５以下であると結晶欠陥の少ない、高品質なサファイアリボン１１が提供できる。

第２領域は、拡がり部１２を構成する主要部分である。第２領域の傾きは、０．８以上２．０以下であるとよい。傾きが、０．８以上であると、拡がり部１２を短くすることができる。Ｆ傾きが、２．０以下であると、結晶欠陥（転位、リネージ、結晶粒界など）の少ない、高品質なサファイアリボン１１が提供できる。

第１領域の傾きが、第２領域の傾きに対して比較的大きい（拡がりが早い）と、育成中のサファイアリボン１１の下端が金型３に接触することによる、結晶の曲がりが生じにくい。具体的には、第１領域の傾きａ１と、第２領域の傾きａ２の関係が、ａ２＞１．１９×ａ１－０．０１であれば、曲がりが生じにくい。曲がりが生じると、サファイアリボン１１の厚み変動が大きくなるので、曲りの生じやすい条件でサファイアリボン１１を育成する場合、製品の厚みに対して、サファイアリボン１１の厚みをより大きく、つまり、加工代をより大きくする必要があるため、生産コストおよび加工時間が増加する。

また、第１領域において、ＬとＷ／２（つまり側面形状）は、対数関数（Ｗ／２＝ａｌｏｇＬ＋ｂ）で近似できる。第２領域において、ＬとＷ／２（つまり側面形状）は、指数関数（Ｗ／２＝ａＬ^ｂ）で近似できる。ここで、対数関数で近似できるとは、対数近似の相関係数が指数近似の相関係数よりも大きいことを言い、指数関数で近似できるとは、指数近似の相関係数が対数近似の相関係数よりも大きいことを言う。このように、第１領域と第２領域の拡がり形状を制御することにより、良好な品質で、拡がり部１２の短いサファイアリボン１１が得られる。

第３領域と直胴部１３との接続部付近では、幅方向と長さ方向に成長していたサファイアリボン１１が、長さ方向のみに成長するようになることによる、育成条件の変化により、結晶欠陥（転位、リネージ、結晶粒界など）が生じやすい。そのため、第３領域は、第２領域よりも拡がり部１２の傾きの上限を小さくするとよい。具体的には、第３領域の傾き（０．９ＷＢ≦Ｗ≦ＷＢにおける傾き）が、０．３以上１．８以下であるとよい。第３領域の傾きが、０．３以上であると、拡がり部１２を短くすることができる。第３領域の傾きが、１．８以下であると、結晶欠陥の少ない、高品質なサファイアリボン１１が提供できる。

サファイアリボン１１の結晶欠陥の一つであるリネージは、ｃ軸方向に成長しやすい。そのため、育成方向である長さ方向がｃ軸に近いと、リネージが生じやすい。逆に、長さ方向がｃ軸から離れていると、リネージは結晶の外部に抜ける方向に成長するので、リネージが生じにくい。また、サファイアリボン１１は、主面がａ面であると、最も強度が高く割れにくい。主面がａ面であれば、長さ方向が、ｃ軸から最も離れるのは、長さ方向がｍ軸方向である場合である。したがって、サファイアリボン１１は、主面がａ面に近く（ａ面からの傾きが１５°以内）、長さ方向がｍ軸に近い（ｍ軸からの傾きが１５°以内）であるとよい。

従来のＥＦＧ装置では、このような高品質な大型のサファイアリボン１１を育成することが難しかった。本開示のＥＦＧ装置は、後述するように坩堝１の周囲の前後左右それぞれに、４つの独立したヒータ４を備えているので、高品質な大型のサファイアリボン１１を育成することができる。

以下、本開示のＥＦＧ法単結晶リボン製造装置（ＥＦＧ装置）について、図を参照しながら説明する。図２、図３は、本開示のＥＦＧ装置１０の概略図であり、図２は垂直断面図、図３は水平断面図である。図４は、従来のＥＦＧ装置２０の概略図（水平断面図）で
ある。

ＥＦＧ装置１０、２０では、坩堝１内に、スリットを挟んで対向する金型３が設置されている。坩堝１に充填した原料（サファイアリボン１１の育成であれば、アルミナ）を、坩堝１の周囲に配置した加熱手段４により加熱し、溶融させる。得られた融液５は、スリット内を毛細管現象によって金型３の上面まで上昇する。この融液５の液面に種結晶６を接触させて、上方に引き上げながら徐冷することでリボン１１が育成される。符号７は、融液５とリボン１１との固液界面である。リボン１１の水平断面の形状（幅と厚み）は、金型３の上面の形状により決定される。

従来のＥＦＧ装置２０の加熱手段４は、高周波加熱用のコイル、または、抵抗加熱式ヒータであり、図４に示すような環状の形状であった。従来のＥＦＧ装置２０では、融液５および金型３に、加熱手段４からの距離に応じた温度分布が存在する。例えば、金型３の幅方向における中央付近は温度が低く、端付近は温度が高い。また、ＥＦＧ装置２０内の坩堝１、金型３、加熱手段４の中心位置のずれが生じると、融液５および金型３の温度分布が生じる。このような温度分布は、育成されるリボン１１の形状不良や結晶品質の低下の原因となり得る。しかし、従来のＥＦＧ装置２０では、このような温度分布を解消するための温度調整が困難であった。

本開示のＥＦＧ装置１０の坩堝１の水平断面は、矩形状、オーバル状など、幅方向と奥行き方向とで長さが異なる形状である。坩堝１の幅方向は、リボン１１の幅方向と一致させ、坩堝１の奥行き方向は、リボン１１の厚み方向と一致させる。つまり、坩堝１は、幅が奥行きよりも大きい。これにより、坩堝１、融液５の断面積、体積を小さくできるとともに、加熱手段４と坩堝１、融液５、金型３との距離を小さくできるので、融液５、金型３の温度、温度分布の調整が容易になる。坩堝１の幅と奥行きの比は、例えば１．５：１以上、好ましくは２：１以上である。

金型３の融液溜りとなる上面の形状は、育成するリボン１１の幅と厚みに合わせて設計される。金型３の上面の幅は、例えば４００ｍｍ以上、例えば４００ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。金型３は、スリットを挟んで厚み方向に相対し、スリットは、上面から見て幅方向に延伸している。

加熱手段４は、坩堝１の周囲に、奥行き方向に対向して配置される、第１ヒータ４ａと第２ヒータ４ｂと、坩堝１の周囲に配置され、幅方向に対向する第３ヒータ４ｃと第４ヒータ４ｄとを備える。第１ヒータ４ａ、第２ヒータ４ｂ、第３ヒータ４ｃ、第４ヒータ４ｄは、それぞれ独立して温度制御される。加熱手段４に電流を供給する電極端子は、各ヒータ４ａ～４ｄそれぞれに独立して設けられてもよいし、隣接する他のヒータ４ａ～４ｄと共有して設けられてもよい。第１ヒータ４ａと第２ヒータ４ｂとは、金型３（リボン１１）と略平行に配置され、第３ヒータ４ｃと第４ヒータ４ｄは、金型３（リボン１１）と略垂直に配置される。

４つの加熱手段４によって囲まれる空間内に、坩堝１と金型３が収納される。つまり、第１ヒータ４ａと第２ヒータ４ｂの幅は、坩堝１の幅よりも大きい。第３ヒータ４ｃと第４ヒータ４ｄの（リボン１１の厚み方向の）幅は、坩堝１の奥行きよりも大きい。

上記構成により、融液５、金型３の温度、温度分布の調整が容易になる。本開示のＥＦＧ装置１０によれば、高品質な大型リボン１１を提供できる。また、第１ヒータ４ａ、第２ヒータ４ｂ、第３ヒータ４ｃ、第４ヒータ４ｄが、それぞれ独立して温度制御できることから、リボン１１の育成中に幅方向や厚み方向の温度分布の調節が容易となる。特に、第３ヒータ４ｃと第４ヒータ４ｄにより、金型３の幅方向両端の温度調節が容易なので、
拡がり部１２の幅Ｗ、拡がり角２θの調整が容易となり、所望の形状の拡がり部１２の形成が容易となる。同様に、所望の形状の尾部の形成が容易となる。

以上、本開示の好ましい実施形態を説明したが、本開示は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の改良や変更が可能である。

本開示のＥＦＧ装置１０を用いて、ａ面を主面とし、ｍ軸を引き上げ方向（長さ方向）とする、幅４２０ｍｍ、厚み８．５ｍｍのサファイアリボン１１の育成を複数回行った。金型３の幅は４２０ｍｍ、厚みは８．５ｍｍである。第１ヒータ４ａと第２ヒータ４ｂの幅は、金型３とサファイアリボン１１の幅よりも大きく、第３ヒータ４ｃと第４ヒータ４ｄの奥行き方向の長さは、金型３とサファイアリボン１１の厚みよりも大きくする。種結晶６は、水平方向断面が矩形状で、主面がａ面、引上げ方向がｍ軸である。

引き上げ速度は同条件（一定）とし、引き上げ時の加熱手段４ａ～４ｂの出力を調整することで、拡がり部１２の形状の異なる条件１～７の７本のサファイアリボン１１を育成した。直胴部１３の幅ＷＢはいずれも４２０ｍｍである。拡がり部１２の傾き（ＷＢ／２ＬＡ）、第１領域、第２領域、第３領域の傾き（ａ１、ａ２、ａ３）と１．１９×ａ１－０．０１の値、第１領域と第２領域の対数近似、指数近似それぞれの相関係数Ｒの２乗（Ｒ^２）、リボン品質を表１に示す。

条件１～３では、結晶欠陥の少ない、良好な品質のリボン１１が得られた。条件４、５も結晶欠陥の少ないリボン１１が得られたが、結晶の曲がりが見られた。条件６、７は、拡がり部１２の傾きが比較的小さく、拡がり部１２が相対的に長い（直胴部１３が相対的に短い）リボン１１となった。条件６は、結晶欠陥が比較的多く、結晶の曲がりも発生した。以上のことから、拡がり部１２の傾きを０．９以上２．０以下、第１領域の傾きａ１を０．５以上１．５以下、第２領域の傾きａ２を０．８以上２．０以下とすることで、直胴部１３が相対的に長く、結晶欠陥の少ないサファイアリボン１１が育成できた（条件１～５）。さらに、ａ２＞１．１９×ａ１－０．０１、となるように育成すると、結晶欠陥も曲がりも少ないサファイアリボン１１が育成できた（条件１～３）。また、第１領域の側面形状が対数近似、第２領域の側面形状が指数近似となるように育成すると、結晶欠陥の少ないサファイアリボン１１が育成できた（条件１～５、７）。

１ ：坩堝
３ ：金型
４ ：加熱手段
４ａ ；第１ヒータ
４ｂ ；第２ヒータ
４ｃ ；第３ヒータ
４ｄ ；第４ヒータ
５ ：融液
６ ：種結晶
１０、２０：ＥＦＧ装置
１１、２１：サファイアリボン（リボン、単結晶体）
１２ ：拡がり部
１３ ：直胴部

Claims (8)

1. それぞれ直交する幅と厚みと長さとを有し、長さ方向が育成方向であり、厚み方向に離間する２つの主面を有し、
   拡がり部と直胴部と、幅方向に離間し前記主面を接続する２つの側面とを有し、前記拡がり部の長さ方向に対する前記側面の傾き（前記直胴部の幅をＷＢ、前記拡がり部の長さをＬＡとしたとき、ＷＢ／２ＬＡ）が、０．９以上２．０以下である、
   前記幅が、４０ｃｍ以上のサファイアリボン。
2. 前記拡がり部のうち、長さ方向の座標Ｌと幅方向の座標Ｗが、０≦Ｌ≦３０ｍｍである領域を第１領域、３０ｍｍ≦Ｌ、Ｗ≦０．９ＷＢである領域を第２領域、０．９ＷＢ≦Ｗ≦ＷＢである領域を第３領域としたとき、前記第１領域の直線近似（Ｗ／２＝ａＬ＋ｂ）の傾きａ１が、０．５以上１．５以下、前記第２領域の直線近似の傾きａ２が、０．８以上２．０以下である、請求項１に記載のサファイアリボン。
3. さらに、ａ２＞１．１９×ａ１－０．０１である、請求項２に記載のサファイアリボン。
4. それぞれ直交する幅と厚みと長さとを有し、長さ方向が育成方向であり、厚み方向に離間する２つの主面を有し、
   拡がり部と直胴部と、幅方向に離間し前記主面を接続する２つの側面とを有し、
   前記拡がり部の長さ方向に対する前記側面の傾き（前記直胴部の幅をＷＢ、前記拡がり部の長さをＬＡとしたとき、ＷＢ／２ＬＡ）が、０．９以上２．０以下であり、
   前記拡がり部のうち、長さ方向の座標Ｌと幅方向の座標Ｗが、０≦Ｌ≦３０ｍｍである領域を第１領域、３０ｍｍ≦Ｌ、Ｗ≦０．９ＷＢである領域を第２領域、０．９ＷＢ≦Ｗ≦ＷＢである領域を第３領域としたとき、前記第１領域の対数近似（Ｗ／２＝ａｌｏｇＬ＋ｂ）の相関係数が指数近似（Ｗ／２＝ａＬ^ｂ）の相関係数よりも大きく、前記第２領域の指数近似の相関係数が対数近似の相関係数よりも大きい、
   前記幅が、４０ｃｍ以上のサファイアリボン。
5. 前記主面のａ面からの傾きが１５°以内で、前記長さ方向のｍ軸からの傾きが１５°以内である、請求項１から４のいずれかに記載のサファイアリボン。
6. ＥＦＧ法を用いて、幅が４０ｃｍ以上の単結晶リボンを製造するための単結晶リボン製造装置であって、
   幅が奥行きよりも大きい坩堝と、
   前記坩堝内に設置され、スリットを挟んで前記奥行き方向に相対する金型と、
   前記坩堝の周囲に、前記奥行き方向に対向して配置される、第１ヒータと第２ヒータと、
   前記坩堝の周囲に、前記幅方向に対向して配置される、第３ヒータと第４ヒータとを備え、
   前記第１ヒータと前記第２ヒータと前記第３ヒータと前記第４ヒータは、それぞれ独立して温度制御される、単結晶リボン製造装置。
7. 前記第１ヒータと前記第２ヒータは、前記金型と略平行に配置され、前記第３ヒータと前記第４ヒータは前記金型と略垂直に配置される、請求項６に記載の単結晶リボン製造装置。
8. 前記第１ヒータと前記第２ヒータの幅は、前記坩堝の幅よりも大きく、前記第３ヒータと前記第４ヒータの奥行き方向の幅は、前記坩堝の奥行きよりも大きい、請求項６または７に記載の単結晶リボン製造装置。