KR20130111253A - Sapphire single crystal and process for manufacturing the same - Google Patents

Sapphire single crystal and process for manufacturing the same

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KR20130111253A
KR20130111253A KR1020130003851A KR20130003851A KR20130111253A KR 20130111253 A KR20130111253 A KR 20130111253A KR 1020130003851 A KR1020130003851 A KR 1020130003851A KR 20130003851 A KR20130003851 A KR 20130003851A KR 20130111253 A KR20130111253 A KR 20130111253A
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Abstract

PURPOSE: A sapphire single crystal and a manufacturing method thereof are provided to improve productivity by using a molybdenum crucible. CONSTITUTION: A sapphire seed crystal is immersed in alumina melt (21). The sapphire seed crystal is rotated and is upwardly pulled. A sapphire single crystal (20) is grown on the lower part of the seed crystal in a c-axis. The lateral side of the grown part of the sapphire single crystal is formed with a V shape in the alumina melt. The pulling speed of the sapphire seed crystal is between 0.5 and 10mm/hr.

Description

사파이어 단결정 및 그의 제조 방법{SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL AND PROCESS FOR MANUFACTURING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a sapphire single crystal and a method for manufacturing the sapphire single crystal.

본 발명은 사파이어 단결정 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 초크랄스키(Czochralski)법을 이용한 사파이어 단결정의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a sapphire single crystal and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a manufacturing method of a sapphire single crystal using a Czochralski method.

최근, 발광 다이오드(LED)의 제조용 기판으로서 사파이어 단결정 기판의 수요가 확대되고 있다. 사파이어 단결정 기판은, 사파이어 단결정을 웨이퍼 형상으로 슬라이스함으로써 제작되기 때문에, 대형의 사파이어 기판을 제작하기 위해서는, 대형의 사파이어 단결정을 이용할 필요가 있다. In recent years, the demand for a sapphire single crystal substrate as a substrate for manufacturing a light emitting diode (LED) has been expanding. Since a sapphire single crystal substrate is produced by slicing a sapphire single crystal into a wafer shape, in order to produce a large sapphire substrate, it is necessary to use a large sapphire single crystal.

사파이어 단결정을 제조하는 방법으로서는, 키로플러스(Kyropoulos)법이나 수직 브리지만(Bridgman)법등이 널리 이용되고 있지만, 이들 방법으로는 소망하는 면방위를 갖는 사파이어 단결정의 대형화가 어렵다는 문제가 있다. 이 때문에, 보다 대형의 사파이어 단결정을 얻는 방법으로서, 초크랄스키법(CZ법)이 주목받고 있다(특허문헌 1 참조). CZ법은 실리콘 단결정의 인상 등에도 이용되고 있는 방법이고, 성숙된 기술인 점에서, 이것을 사파이어 단결정의 인상에 응용함으로써, 대형의 사파이어 단결정을 염가로 제작할 수 있는 것으로 기대된다. As a method for producing the sapphire single crystal, the Kyropoulos method, the vertical Brigman method, and the like are widely used, but these methods have a problem that it is difficult to enlarge the sapphire single crystal having a desired surface orientation. For this reason, the Czochralski method (CZ method) attracts attention as a method of obtaining a larger sapphire single crystal (refer patent document 1). The CZ method is a method that is also used for pulling up a silicon single crystal and the like, and since it is a mature technology, it is expected that a large size sapphire single crystal can be produced at low cost by applying it to the pulling up of a sapphire single crystal.

그러나, 동일한 CZ법이라도, 실리콘과 사파이어에서는 물성이 크게 상이하기 때문에, 실리콘 단결정의 인상으로 얻어진 인식을 사파이어 단결정의 인상에 그대로 응용할 수 있는 것은 아니다. 오히려, 실리콘 단결정의 인상과 사파이어 단결정의 인상은 전혀 별개의 기술로 파악할 필요가 있고, 실리콘 단결정의 인상에 있어서는 발생하지 않았던 여러 가지의 문제를 해결하지 않으면 안된다. However, even in the same CZ method, since the physical properties differ greatly between silicon and sapphire, the recognition obtained by the pulling up of the silicon single crystal cannot be applied as it is to the pulling up of the sapphire single crystal. On the contrary, the impression of the silicon single crystal and the impression of the sapphire single crystal need to be grasped by completely different technologies, and various problems that have not occurred in the impression of the silicon single crystal must be solved.

예를 들면, 특허문헌 1에는, CZ법에 의한 사파이어 단결정의 성장에 있어서, 원료를 융해하여 방치할 때의 온도를 정세(精細)하게 관리하고, 필요 이상으로 이리듐(iridium) 도가니를 가열하지 않음으로써 그의 산화를 억제하여, 이에 따라 인클루전(inclusion)의 발생을 억제하여 고품질인 단결정을 효율적으로 제조하는 방법이 기재되어 있다. For example, in Patent Document 1, in the growth of a sapphire single crystal by the CZ method, the temperature at the time of melting and leaving the raw material is finely managed, and the iridium crucible is not heated more than necessary. As a result, a method of suppressing the oxidation thereof, thereby suppressing the occurrence of inclusion and efficiently producing a high quality single crystal is described.

또한, 특허문헌 2에는, 몰리브덴(molybdenum)제 또는 텅스텐제 도가니와, 그의 외측에 배치된 이리듐제 도가니로 이루어지는 이중 구조의 도가니를 이용한 사파이어 단결정 성장 장치가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 융액의 탈(脫)가스 처리에 의해 마이크로 버블의 발생을 억제하여, 고품질인 사파이어 단결정을 제조하는 방법이 기재되어 있다. In addition, Patent Document 2 describes a sapphire single crystal growth apparatus using a crucible having a dual structure composed of a molybdenum or tungsten crucible and an iridium crucible disposed on the outside thereof. In addition, Patent Document 3 describes a method of suppressing the generation of micro bubbles by degassing the melt and producing a high quality sapphire single crystal.

특허문헌 4에는, 사파이어 단결정의 육성축을 c축으로부터 0.1∼15도의 범위 내에서 기울여 단결정 사파이어를 육성하는 방법이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는, 사파이어 단결정을 c축 방향으로 성장시키는 방법에 있어서, 도가니 중의 알루미나 융액의 액면 높이가 도가니의 저부(底部) 내면과 벽부 내면과의 경계부에 도달했을 때, 사파이어 단결정을 인상하여 알루미나 융액으로부터 떼어놓음으로써, 단결정 수율을 향상시키는 것이 기재되어 있다. Patent Document 4 describes a method of growing single crystal sapphire by tilting the growth axis of the sapphire single crystal within the range of 0.1 to 15 degrees from the c axis. Patent Document 5 also discloses a method of growing a sapphire single crystal in the c-axis direction, when the liquid level of the alumina melt in the crucible reaches the boundary between the bottom inner surface of the crucible and the inner surface of the wall portion, the sapphire single crystal is pulled up. It is described to improve the single crystal yield by separating from the alumina melt.

일본공개특허공보 제2008-169069호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-169069 일본공개특허공보 제2008-007353호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-007353 일본공개특허공보 제2008-195575호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-195575 일본공개특허공보 제2008-056518호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-056518 일본공개특허공보 제2010-189242호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-189242

 통상, 청색·백색 LED는, 사파이어 기판 상에 GaN계 박막을 에피택셜(epitaxial) 성장시키는 방법에 의해 제조되지만, 그 기판 재료에는, c축에 수직인 (0001)면(c면)이 주면(主面)이 되도록 잉곳으로부터 잘라진 사파이어 웨이퍼가 이용된다. 따라서, 후공정에서의 편리성이나 재료 수율을 고려하면, c축 방향으로 결정 성장시킨 대구경(大口徑) 그리고 장척인 사파이어 단결정 잉곳을 슬라이스하여 이용하는 것이 바람직하다. Usually, blue and white LEDs are manufactured by a method of epitaxially growing a GaN-based thin film on a sapphire substrate, but the substrate material has a (0001) plane (c plane) perpendicular to the c axis. A sapphire wafer cut out from the ingot so as to be a main surface is used. Therefore, in consideration of the convenience and material yield in a later step, it is preferable to slice and use a large diameter and long sapphire single crystal ingot grown in the c-axis direction.

그러나, 결정에는 성장하기 쉬운 방위와 성장하기 어려운 방위가 존재하며, 사파이어 결정의 경우, a축 방향((1120)방위)으로는 단결정이 비교적 용이하게 성장하지만, c축 방향((0001)방위)으로는 단결정이 성장하기 어렵거나, 혹은 기포나 결함이 도입되기 쉽다. However, there are orientations that are easy to grow and orientations that are difficult to grow. In the case of sapphire crystals, single crystals grow relatively easily in the a-axis direction ((1120) orientation), but c-direction ((0001) orientation) It is difficult for single crystals to grow, or bubbles and defects are easily introduced.

사파이어 단결정의 육성의 어려움은, 기포나 결함의 도입을 억제하여 대구경 그리고 장척인 잉곳을 육성하는 점에 있다. 기포나 결함은, 불규칙한 융액의 흔들림이나 대류, 융액의 온도 분포나 온도 변화 등에 의해 용이하게 도입되어 버린다. 이들 불규칙한 요인을 억제하려면, 잉곳의 성장에 수반하여 변화하는 조건에 대하여 적절하고 그리고 미묘한 제어를 가할 필요가 있다. 현재, 사파이어 단결정은 키로플러스법에 의한 생산·공급이 주류이며, CZ법으로 대구경인 c축 사파이어 단결정을 육성하기에는 많은 과제가 있다. The difficulty in cultivating sapphire single crystals is to suppress the introduction of bubbles or defects to cultivate large diameters and long ingots. Bubbles and defects are easily introduced due to irregular shaking, convection, temperature distribution and temperature change of the melt. In order to suppress these irregular factors, it is necessary to apply appropriate and subtle control over the conditions that change with the growth of the ingot. At present, sapphire single crystal is mainly produced and supplied by the key plus method, and there are many problems to develop a large diameter c-axis sapphire single crystal by the CZ method.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, CZ법에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법에 있어서, 기포나 결함의 도입을 억제하면서, c축 방향으로 결정 성장시켜, 대구경 그리고 장척인 단결정을 얻는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 그러한 제조 방법에 의해 제조되는 고품질인 사파이어 단결정을 제공하는 것에 있다. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a sapphire single crystal by the CZ method, in which crystal growth is performed in the c-axis direction while suppressing the introduction of bubbles or defects, . Further, another object of the present invention is to provide a high quality sapphire single crystal produced by such a production method.

본 발명자들은, 사파이어 단결정의 c축 방향으로의 결정 성장의 메커니즘에 대해서 예의 연구를 행한 결과, CZ법에 의한 사파이어 단결정의 인상에서는, 융액과 접하는 단결정 잉곳의 선단부가 액면하에서 크게 성장하고, 계면 형상이 하방을 향하여 볼록 형상이 되는 경우가 있으며, 인상 조건에 따라서는 이 결정 부분에 기포나 결함이 도입되지 않고, 고품질인 것을 발견했다. 또한, 액 중의 결정 부분에 대해서도 그의 직경의 제어가 가능하다는 것이 확인되었다. The present inventors earnestly studied the mechanism of crystal growth of the sapphire single crystal in the c-axis direction, and as a result, in the impression of the sapphire single crystal by the CZ method, the tip portion of the single crystal ingot in contact with the melt grows greatly under the liquid surface, and the interface shape It may be convex toward this downward direction, and it discovered that air bubbles and a defect were not introduce | transduced into this crystal part depending on pulling conditions, and it was found to be high quality. It was also confirmed that the diameter of the crystal part in the liquid can be controlled.

본 발명은 이러한 기술적 인식에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법은, 도가니 내의 알루미나 융액에 c축 사파이어 종결정을 침지시키고, 상기 종결정을 회전시키면서 상방향으로 인상하여 상기 종결정의 하단에 사파이어 단결정을 c축 방향으로 성장시키는 사파이어 단결정의 제조 방법으로서, 상기 알루미나 융액의 액면하에서 상기 사파이어 단결정을 성장시킴과 함께, 상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분이 상기 도가니의 저면(底面)에 도달하지 않도록 상기 종결정을 상방으로 인상시키는 것을 특징으로 한다. The present invention has been made on the basis of such technical recognition, and in the method for producing sapphire single crystal according to the present invention, the c-axis sapphire seed crystal is immersed in the alumina melt in the crucible, and the top crystal is pulled upward while rotating the seed crystal to terminate it. A method for producing a sapphire single crystal in which a sapphire single crystal is grown in the c-axis direction at the bottom of a positive electrode, wherein the sapphire single crystal is grown under the liquid surface of the alumina melt, and the single crystal growth portion growing in the melt is the bottom surface of the crucible. It is characterized by pulling the seed crystal upwards so as not to reach.

본 발명에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법은, 사파이어 단결정을 알루미나 융액의 액면하에서 적극적으로 육성하면서, 그의 결정 성장 속도에 맞추어, 소정의 인상 속도로 상방향으로 인상하기 때문에, 기포나 결함이 없는 고품질인 c축 사파이어 단결정을 육성할 수 있고, 대구경 그리고 장척인 단결정을 육성할 수 있다. In the method for producing sapphire single crystal according to the present invention, since the sapphire single crystal is actively grown under the liquid level of the alumina melt, the sapphire single crystal is pulled upward at a predetermined pulling speed in accordance with its crystal growth rate. C-axis sapphire single crystal can be grown, large diameter and long single crystal can be grown.

알루미나 융액의 액면하에서 단결정을 육성하는 대표적인 방법으로 키로플러스법이 있지만, 본 발명은 이하의 점에서 키로플러스법과 크게 상이하다. The typical method for growing a single crystal under the liquid level of an alumina melt is the KiroPlus method, but the present invention is greatly different from the Kiroplus method in the following points.

우선 제1로, 키로플러스법에서는 a축 방향으로 결정 성장시키는 것에 대하여, 본 발명에서는 c축 방향으로 결정 성장시키는 것이다. 일반적으로, 사파이어의 c축 방향으로의 결정 성장은, a축 방향에 비해 매우 어렵다고 여겨지고 있다. c축 방향의 결정 성장에서는 다수의 미소한 기포나 결함이 발생하기 쉽기 때문이다. a축 인상은 키로플러스법에 의해 이미 실용화되어 있지만, 재료 수율을 향상시키기 위해서는 c축 인상 기술이 필요 불가결하다. First, crystal growth is carried out in the c-axis direction in the present invention, whereas crystal growth in the a-axis direction is performed in the key plus method. In general, crystal growth in the c-axis direction of sapphire is considered to be very difficult as compared to the a-axis direction. This is because a large number of minute bubbles or defects are likely to occur in crystal growth in the c-axis direction. The a-axis pulling has already been put to practical use by the Keyro Plus method, but a c-axis pulling technique is indispensable for improving the material yield.

제2로, 키로플러스법에서는, 종결정을 융액에 침지시킨 상태로 고정하고, 결정 성장이 진행되어 도가니의 저면에 접촉해도 그대로 육성을 계속하여, 이 이상 성장시키면 도가니로부터의 취출이 불가능해질 정도로 충분히 큰 결정 사이즈가 되고 나서 비로소, 도가니로부터 인상되어 취출되는 것에 대하여, 본 발명에서는, 종결정을 항상 회전시킴과 함께, 액 중에서 성장하는 결정 부분이 도가니의 저면에 도달하지 않도록, 그의 성장 속도에 맞추어 상방향으로 인상하면서 육성을 계속하는 점이 상이하다. Secondly, in the chiroplus method, seed crystals are fixed in a state of being immersed in the melt, and crystal growth proceeds and growth continues as it is even if the bottom surface of the crucible is contacted. In the present invention, the seed crystals are always rotated, and the crystal parts grown in the liquid do not reach the bottom of the crucible so as to be pulled out of the crucible after being brought to a sufficiently large crystal size. It is different in that it continues raising up while raising upwards.

또한, 본 발명이 통상의 CZ법과도 상이한 점은, 알루미나 융액의 액면하에서 적극적으로 결정 성장시키는 점에 있다. 본 발명은, 알루미나 융액 중에서 하향으로 볼록 형상의 큰 c축 결정 부분을 육성하고, 이 부분이 더욱 성장하여 도가니 저면에 도달하기 전에 이것을 상방향으로 인상하여, 액 중 결정으로부터 도가니 저면까지의 마진(margin)을 확보하고, 결정 성장을 더욱 촉진시키는 것이다. In addition, the present invention differs from the ordinary CZ method in that crystal growth is actively performed under the liquid level of the alumina melt. In the present invention, a large c-axis crystal part of a convex shape is raised downward in the alumina melt, and this part is further upwardly raised before reaching the bottom of the crucible, and the margin from the crystal in the liquid to the bottom of the crucible ( margins and further promote crystal growth.

본 발명에 있어서는, 상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분의 측면 형상이 하방향으로 돌출된 대략 V자 형상인 것이 바람직하다. 일반적으로, c축 인상을 행하는 경우에는, 단결정의 계면 형상이 융액면과 평행한 면을 갖는 경우가 많지만, 이 결정면은 c면이며, 최밀면(最密面)인 점에서, 융액 중에 포함되는 무수한 기포가 결정 중에 취입되기 쉽다. In this invention, it is preferable that the side shape of the single crystal growth part which grows in the said melt | dissolution is a substantially V shape which protruded downward. Generally, when performing c-axis pulling, although the interface shape of a single crystal often has a surface parallel to a melt surface, since this crystal surface is c surface and is the closest surface, it is contained in melt Countless bubbles are likely to be blown during the crystal.

예를 들면, 키로플러스법에서는 처음에 네킹(necking)을 실시하기는 하지만, 그 후는 종결정이 융액 중에 방치되고, 회전도 하지 않기 때문에, 결정은 액면의 저하에 맞추어 전체로 퍼지면서 성장하여, 그의 형상은 반드시 U자형이 된다. 게다가, 위로부터 아래를 향하여 나팔 모양의 형상이 된다. 이러한 형상이 되면, 결정의 저면에 c면이 발생하게 되어, 기포가 취입되기 쉽다. 그 때문에 상기와 같이, 키로플러스법에서는 a축 인상이 행해진다. For example, in the Keyro Plus method, necking is performed initially, but after that, the seed crystals are left in the melt and do not rotate. , Its shape is always U-shaped. In addition, it becomes a trumpet shape from the top to the bottom. When it becomes such a shape, c surface will generate | occur | produce in the bottom face of a crystal | crystallization, and a bubble will be easy to blow in. Therefore, as described above, the a-axis pulling is performed in the key plus method.

그러나, 본 발명에서는, 액 중 성장 부분의 하단부의 형상이 대략 V자형이고, c면을 갖지 않는 점에서, 알루미나 융액 중의 기포를 단결정의 외측으로 배제하면서 육성할 수 있다. 따라서, 고품질인 단결정을 제조할 수 있다. However, in the present invention, since the shape of the lower end of the growth portion in the liquid is substantially V-shaped and does not have a c plane, it can be grown while excluding bubbles in the alumina melt from the outside of the single crystal. Therefore, high quality single crystal can be produced.

본 발명에 있어서는, 상기 종결정의 인상 속도가 0.5㎜/hr 이상 10㎜/hr 이하인 것이 바람직하다. 인상 속도가 10㎜/hr를 초과할 때는, 결정 성장이 따라잡지 못하고, 견부(肩部) 아래에서 결정 벗겨짐이 발생하여, 결정 형상이 크게 무너지기 때문이다. 또한, 0.5㎜/hr 미만일 때에는, 결정 성장이 지나치게 진행되어 결정의 하단이 도가니 저면에 도달할 우려가 있기 때문이다. In this invention, it is preferable that the pulling speed of the said seed crystal is 0.5 mm / hr or more and 10 mm / hr or less. This is because when the pulling speed exceeds 10 mm / hr, crystal growth does not catch up, crystal peeling occurs under the shoulder, and the crystal shape collapses significantly. Moreover, when it is less than 0.5 mm / hr, it is because there exists a possibility that crystal growth may progress too much and the lower end of a crystal may reach | attain the crucible bottom.

본 발명에 있어서는, 상기 알루미나 융액으로부터 인상했을 때의 상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분의 직경이, 상기 도가니의 직경의 2/3배 이하인 것이 바람직하다. 단결정의 직경이 도가니 직경의 2/3보다도 커지면, 몰리브덴 도가니 내의 알루미나 융액의 액면 후퇴 속도가 빨라지고, 인상 속도를 빠르게 한 경우와 동일하게, 결정 성장이 따라잡지 못하게 되어, 견부 아래에서 결정 벗겨짐이 발생하여, 결정 형상이 크게 무너지기 때문이다. In this invention, it is preferable that the diameter of the single crystal growth part which grows in the said melt at the time of pulling out from the said alumina melt is 2/3 times or less of the diameter of the said crucible. When the diameter of the single crystal is larger than 2/3 of the crucible diameter, the liquid retreat rate of the alumina melt in the molybdenum crucible is increased, and the crystal growth cannot be caught and the crystal peels off under the shoulder as in the case where the pulling speed is increased. This is because the crystal shape is greatly collapsed.

본 발명에 있어서는, 상기 종결정의 회전 속도가 8rpm 이상 25rpm 이하인 것이 바람직하다. 회전 속도가 8rpm보다 낮으면 액 중 성장 부분의 형상(계면 형상)이 U자형이 되고, 결정 중에 기포가 고밀도로 도입되기 때문이며, 또한 25rpm보다 높으면 결정의 계면 형상에 구부러짐이 발생하여, 결정 성장의 계속이 곤란해지기 때문이다. In this invention, it is preferable that the rotation speed of the said seed crystal is 8 rpm or more and 25 rpm or less. If the rotational speed is lower than 8 rpm, the shape (interface shape) of the growth part in the liquid becomes U-shaped, and bubbles are introduced at high density during the crystal. If the rotation speed is higher than 25 rpm, bending occurs in the interface shape of the crystal. This is because continuation becomes difficult.

본 발명에 있어서는, 알루미나 융액을 저항 가열 방식에 의해 가열하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 상기 도가니는 몰리브덴 도가니인 것이 바람직하고, 상기 몰리브덴 도가니의 주위에 저항 가열 히터를 배치하여, 상기 저항 가열 히터로부터의 복사열에 의해 상기 알루미나 융액을 가열하는 것이 바람직하다. 저항 가열 방식의 경우, 도가니의 주위에 설치된 저항 가열 히터로부터의 복사열에 의해 알루미나 융액이 도가니와 함께 가열된다. 그 결과, 알루미나 융액이 종방향의 온도 구배를 갖게 된다. 알루미나 융액의 점성은 매우 높고, 그다지 교반(stir)되지 않기 때문에, 종방향의 온도 구배가 유지된다. 이에 따라, 알루미나 융액의 액면하에서의 c축 방향의 결정 성장을 촉진시킬 수 있다. 또한, 몰리브덴 도가니는 이리듐 도가니에 비해 염가인 점에서, 사파이어 단결정의 제조 비용을 저감할 수 있다. In this invention, it is preferable to heat an alumina melt by resistance heating system. In this case, it is preferable that the said crucible is a molybdenum crucible, and it is preferable to arrange a resistance heating heater around the molybdenum crucible, and to heat the alumina melt by radiant heat from the resistance heating heater. In the case of the resistance heating system, the alumina melt is heated together with the crucible by radiant heat from a resistance heating heater provided around the crucible. As a result, the alumina melt has a temperature gradient in the longitudinal direction. Since the viscosity of the alumina melt is very high and not very stir, the longitudinal temperature gradient is maintained. Thereby, crystal growth in the c-axis direction can be promoted under the liquid level of the alumina melt. In addition, since molybdenum crucibles are inexpensive compared to iridium crucibles, the production cost of sapphire single crystals can be reduced.

본 발명에 있어서는, 상기 알루미나 융액의 액면 위치보다도 상방으로 인상된 단결정 부분의 결정길이 A와, 상기 알루미나 융액의 액면하에서 성장하는 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하가 되도록 상기 사파이어 단결정을 인상하는 것이 바람직하다. In the present invention, the ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion pulled upward from the liquid surface position of the alumina melt and the crystal length B of the single crystal portion grown under the liquid surface of the alumina melt is 0.2 or more and 2 or less. It is preferable to raise the said sapphire single crystal.

또한, 본 발명에 의한 사파이어 단결정은, 확경(擴徑)부로부터 직동(直胴)부까지의 단결정 부분의 결정길이 A와, 축경(縮徑)부의 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하이다. 또한, 본 발명의 다른 측면에 의한 사파이어 단결정은, 알루미나 융액에 c축 사파이어 종결정을 침지시키고, 상기 종결정을 회전시키면서 상방향으로 인상시킴으로써, 상기 종결정의 하단에 사파이어 단결정을 c축 방향으로 성장시켜 이루어지는 것으로서, 상기 알루미나 융액의 액면 위치보다 상방으로 인상된 단결정 부분의 결정길이 A와, 상기 알루미나 융액의 액면하에서 성장하는 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 결정 부분에 기포나 결함이 도입되어 있지 않은 고품질인 사파이어 단결정을 제공할 수 있다. In addition, the sapphire single crystal according to the present invention has a ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion from the enlarged diameter portion to the linear motion portion and the crystal length B of the single crystal portion of the shaft diameter portion. Is 0.2 or more and 2 or less. Further, in the sapphire single crystal according to another aspect of the present invention, by immersing the c-axis sapphire seed crystal in the alumina melt and pulling it upward while rotating the seed crystal, the sapphire single crystal grows in the c-axis direction at the bottom of the seed crystal. And the ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion pulled upward above the liquid surface position of the alumina melt and the crystal length B of the single crystal portion grown under the liquid surface of the alumina melt is 0.2 or more and 2 or less. do. According to the present invention, it is possible to provide a high quality sapphire single crystal in which bubbles or defects are not introduced into the crystal portion.

이와 같이, 본 발명에 의하면, CZ법에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법에 있어서, 기포나 결함의 도입을 억제하면서, c축 방향으로 결정 성장시켜, 대구경 그리고 장척인 단결정을 얻을 수 있다. Thus, according to this invention, in the manufacturing method of the sapphire single crystal by the CZ method, crystal growth is carried out in a c-axis direction, suppressing introduction of a bubble and a defect, and can obtain a large diameter and a long single crystal.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의한 사파이어 단결정의 제조 장치(10)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 사파이어 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 3(a)∼(c)는 사파이어 단결정의 제조 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
1 is a schematic view showing the configuration of an apparatus 10 for producing sapphire single crystal according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a flowchart for explaining a method for producing sapphire single crystal.
3 (a) to 3 (c) are schematic diagrams for explaining a step of manufacturing a sapphire single crystal.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의한 사파이어 단결정의 제조 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 1 is a schematic view showing the configuration of an apparatus for producing sapphire single crystal according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 나타내는 사파이어 단결정의 제조 장치(10)는, 챔버(11)와, 챔버(11)의 저부 중앙을 관통하여 연직 방향으로 설치된 회전축(12)과, 회전축(12)의 상단부에 고정된 지지대(13)와, 지지대(13) 상에 설치된 몰리브덴 도가니(14)와, 몰리브덴 도가니(14)의 주위에 설치된 저항 가열 히터(15)와, 회전축(12)을 회전시키기 위한 회전 기구(16)와, 선단에 종결정이 부착된 시드봉(18)과, 시드봉(18)을 인상하는 인상 기구(19)와, 각 부를 제어하는 컨트롤러(23)를 구비하고 있다. The sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1 has the chamber 11, the rotating shaft 12 installed in the perpendicular direction through the center of the bottom part of the chamber 11, and the support stand fixed to the upper end of the rotating shaft 12. As shown in FIG. (13), the molybdenum crucible 14 provided on the support base 13, the resistance heating heater 15 provided around the molybdenum crucible 14, the rotating mechanism 16 for rotating the rotating shaft 12, And a seed rod 18 having seed crystals attached to the tip, an pulling mechanism 19 for raising the seed rod 18, and a controller 23 for controlling each portion.

챔버(11)에는 관측창(17)이 설치되어 있어, 사파이어 단결정의 인상의 상태를 확인할 수 있다. 또한, 챔버(11) 내에는 두꺼운 단열재(22)가 설치되어 있고, 저항 가열 히터(15)의 외측의 주위를 둘러싸고 있다. 사파이어의 융점은 약 2050℃로 매우 높고, 그 때문에 챔버(11)에는 높은 단열성이 요구되지만, 단열재(22)가 저항 가열 히터(15)의 측방뿐만 아니라 상방이나 하방에도 설치되어 있기 때문에, 충분한 보온성을 확보할 수 있어, 몰리브덴 도가니(14) 내의 사파이어 원료를 효율 좋게 가열할 수 있다. 이와 같이, 단열재(22)를 저항 가열 히터(15)의 측방뿐만 아니라 상방이나 하방에도 설치하는 구조는, 사파이어 단결정의 제조 장치(10)에 특유한 구조 중 하나이다. The observation window 17 is provided in the chamber 11, and the state of the pulling of a sapphire single crystal can be confirmed. Moreover, the thick heat insulating material 22 is provided in the chamber 11, and surrounds the outer periphery of the resistance heating heater 15. As shown in FIG. The melting point of sapphire is very high at about 2050 ° C., and therefore high heat insulating property is required in the chamber 11, but sufficient heat insulating property is provided because the heat insulating material 22 is provided not only on the side of the resistance heating heater 15 but also on the upper side and the lower side. Can be ensured, and the sapphire raw material in the molybdenum crucible 14 can be efficiently heated. Thus, the structure which arrange | positions the heat insulating material 22 not only to the side of the resistance heating heater 15 but also above and below is one of the structures peculiar to the manufacturing apparatus 10 of a sapphire single crystal.

챔버(11)의 상부에는, Ar 가스를 챔버(11) 내에 도입하기 위한 가스 도입구(24)가 설치되어 있다. Ar 가스는 가스관(25)을 통하여 가스 도입구(24)로부터 챔버(11) 내에 도입되고, 그의 도입량은 컨덕턴스 밸브(26)에 의해 제어된다. In the upper part of the chamber 11, the gas introduction port 24 for introducing Ar gas into the chamber 11 is provided. Ar gas is introduced into the chamber 11 from the gas inlet 24 via the gas pipe 25, and the introduction amount thereof is controlled by the conductance valve 26.

챔버(11)의 저부에는, 챔버(11) 내의 Ar 가스를 배기하기 위한 가스 배출구(27)가 설치되어 있다. 밀폐된 챔버(11) 내의 Ar 가스는 가스 배출구(27)로부터 배기 가스관(28)을 경유하여 외부로 배출된다. 배기 가스관(28)의 도중에는 컨덕턴스 밸브(29) 및 진공 펌프(30)가 설치되어 있고, 진공 펌프(30)로 챔버(11) 내의 Ar 가스를 흡인하면서 컨덕턴스 밸브(29)로 그의 유량을 제어함으로써 챔버(11) 내의 감압 상태가 유지되고 있다. At the bottom of the chamber 11, a gas outlet 27 for exhausting Ar gas in the chamber 11 is provided. Ar gas in the sealed chamber 11 is discharged | emitted from the gas discharge port 27 via the exhaust gas pipe 28 to the outside. A conductance valve 29 and a vacuum pump 30 are provided in the middle of the exhaust gas pipe 28, and the flow rate is controlled by the conductance valve 29 while sucking Ar gas in the chamber 11 with the vacuum pump 30. The decompression state in the chamber 11 is maintained.

몰리브덴 도가니(14)의 주위에는, 저항 가열 히터(15)가 설치되어 있다. 저항 가열 히터(15)는, 상하 방향으로 분할된 복수의 히터의 조합이라도 좋다. 예를 들면, 높이가 225㎜인 몰리브덴 도가니(14)를 이용하는 경우, 저항 가열 히터(15)의 높이는, 350㎜ 정도인 것이 바람직하다. 저항 가열 히터(15)의 출력은, 컨트롤러(23)에 의해 제어된다. A resistance heating heater 15 is provided around the molybdenum crucible 14. The resistance heating heater 15 may be a combination of a plurality of heaters divided in the vertical direction. For example, when using the molybdenum crucible 14 whose height is 225 mm, it is preferable that the height of the resistance heating heater 15 is about 350 mm. The output of the resistance heating heater 15 is controlled by the controller 23.

본 실시 형태에 있어서는 몰리브덴 도가니(14)가 사용된다. 사파이어 단결정의 제조에 이용되는 도가니로서 이리듐 도가니가 잘 알려져 있지만, 이리듐은 몰리브덴에 비해 매우 고가이고, 사파이어 단결정의 비용을 올리는 큰 요인 중 하나이다. 그러나, 몰리브덴 도가니를 이용한 경우에는 제조 비용을 저감할 수 있어, 양산성을 높일 수 있다. In this embodiment, the molybdenum crucible 14 is used. Although iridium crucibles are well known as crucibles used in the production of sapphire single crystals, iridium is very expensive compared to molybdenum and is one of the great factors that raises the cost of sapphire single crystals. However, when molybdenum crucible is used, manufacturing cost can be reduced and mass productivity can be improved.

또한, 가열 방식으로서는, 고주파 유도 가열 방식도 알려져 있다. 고주파 유도 가열 방식에 있어서는, 가열 코일에 전류를 흘림으로써 도가니 내에 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 도가니 자체가 발열하여, 도가니 내의 융액이 가열된다. 그 때문에, 융액의 온도 구배는 도가니의 형상의 영향을 받는다. 그러나, 저항 가열 방식을 채용하는 경우에는, 저항 가열 히터로부터의 복사열에 의해 도가니와 융액의 양방이 가열되기 때문에, 융액의 온도 구배는 도가니의 형상의 영향을 받기 어렵다. 따라서, 융액 중에서의 c축 방향의 결정 성장에 적합한 온도 구배를 용이하게 실현할 수 있다. Moreover, as a heating system, the high frequency induction heating system is also known. In the high frequency induction heating system, an eddy current is generated in a crucible by flowing a current through a heating coil, and the crucible itself generates heat by this eddy current, and the melt in the crucible is heated. Therefore, the temperature gradient of the melt is affected by the shape of the crucible. However, in the case of employing the resistance heating system, since both the crucible and the melt are heated by the radiant heat from the resistance heater, the temperature gradient of the melt is hardly affected by the shape of the crucible. Therefore, a temperature gradient suitable for crystal growth in the c-axis direction in the melt can be easily realized.

사파이어 단결정(20)의 인상에 있어서는, 컨트롤러(23)에 의한 제어에 의해, 사파이어 단결정(20)의 인상 속도와, 사파이어 단결정(20)과 사파이어 융액(21) 사이의 온도 구배가 고정밀도로 제어된다. 사파이어 단결정(20)의 인상 속도는, 주로 인상 기구(19)에 의한 시드봉(18)의 인상 속도에 의해 제어되고, 온도 구배는, 주로 저항 가열 히터(15)의 출력에 의해 조정된다. In the pulling-up of the sapphire single crystal 20, by the control of the controller 23, the pulling speed of the sapphire single crystal 20 and the temperature gradient between the sapphire single crystal 20 and the sapphire melt 21 are controlled with high precision. . The pulling speed of the sapphire single crystal 20 is controlled mainly by the pulling speed of the seed rod 18 by the pulling mechanism 19 and the temperature gradient is adjusted mainly by the output of the resistance heating heater 15. [

종결정에는 c축 방향으로 잘라낸 결정(c축 종결정)이 이용된다. 사파이어 결정의 경우, a축 방향으로는 비교적 용이하게 성장하지만, c축 방향으로는 단결정이 성장하기 어렵거나, 혹은 기포나 결함이 도입되기 쉽다. 또한, c축이란 (0001)의 방향을 말하며, a축이란 (1120)의 방향을 말한다. 본 발명은, 이러한 성장하기 어려운 c축 종결정을 이용하여, CZ법에 의한 인상을 실시하는 것이다. As seed crystals, crystals cut in the c-axis direction (c-axis seed crystals) are used. In the case of sapphire crystal, it grows relatively easily in the a-axis direction, but single crystal hardly grows in the c-axis direction, or bubbles or defects are easily introduced. In addition, the c-axis refers to the direction of (0001), and the a-axis refers to the direction of (1120). This invention uses the C-axis seed crystal which is hard to grow, and raises by a CZ method.

도 2는, 본 실시 형태에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 또한, 도 3(a)∼(c)는, 사파이어 단결정의 제조 공정을 설명하기 위한 개략도이다. 2 is a flowchart for explaining a method for producing a sapphire single crystal according to the present embodiment. 3 (a) to 3 (c) are schematic diagrams for explaining the manufacturing process of the sapphire single crystal.

사파이어 단결정의 제조에서는, 우선 몰리브덴 도가니(14)에 알루미나 분말 등의 사파이어 원료를 투입하고(스텝 S1), 이어서 원료의 탈가스 처리를 행한다(스텝 S2). 탈가스 처리는, 감압하의 Ar 분위기 중에서 원료를 일정 시간 방치함으로써 행할 수 있다. 이 탈가스 처리에 의해, 원료 분말의 표면에 흡착되어 있는 가스 성분을 제거할 수 있고, 그 결과, 알루미나 융액 중의 가스 기포를 줄일 수 있다. 이 효과에 의해, 육성된 사파이어 단결정 중에 다량의 기포가 도입되는 것을 억제할 수 있다. In the production of sapphire single crystal, first, a sapphire raw material such as alumina powder is put into the molybdenum crucible 14 (step S1), and then degassing treatment of the raw material is performed (step S2). The degassing treatment can be performed by leaving the raw material for a certain time in Ar atmosphere under reduced pressure. By this degassing process, the gas component adsorbed on the surface of raw material powder can be removed, and as a result, the gas bubble in an alumina melt can be reduced. By this effect, the introduction of a large amount of bubbles in the grown sapphire single crystal can be suppressed.

다음으로, 저항 가열 히터(15)로 원료를 가열하여 융해하고, 알루미나 융액을 생성한다(스텝 S3). 이어서 알루미나 융액의 탈가스 처리를 행한다(스텝 S4). 탈가스 처리는, 감압하의 Ar 가스 분위기 중에서 알루미나 융액을 일정 시간 방치함으로써 행할 수 있다. 이 탈가스 처리에 의해, 알루미나 융액 중에 잔존하고 있는 기포를, 알루미나 융액 표면을 통하여 외부로 방출할 수 있고, 그 결과, 육성된 사파이어 단결정 중에 다량의 기포가 도입되는 것을 더욱 억제할 수 있다. Next, the raw material is heated and melted by the resistance heating heater 15 to produce an alumina melt (step S3). Subsequently, the alumina melt is degassed (step S4). The degassing treatment can be performed by leaving the alumina melt for a certain time in an Ar gas atmosphere under reduced pressure. By this degassing treatment, bubbles remaining in the alumina melt can be released to the outside through the alumina melt surface, and as a result, the introduction of a large amount of bubbles in the grown sapphire single crystal can be further suppressed.

다음으로, 챔버(11) 내를 대기압 분위기로 되돌린 후, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 종결정(20a)의 착액(着液)을 행하고(스텝 S5), 종결정을 몰리브덴 도가니(14) 내의 알루미나 융액(21)에 침지시킨 채로 그 위치를 고정한다. 그리고, 알루미나 융액(21)을 소정의 온도 구배를 유지한 채로, 액면하에서의 결정 육성을 진행시킨다(스텝 S6). 또한, 본 발명에 있어서 「액면」이란, 평탄한 액면을 의미하고, 결정 성장에 의해 뒤틀린 단결정과 융액과의 접촉면(고액(固液) 계면)을 포함하는 것은 아니다. 따라서, 「액면 위치」라고 할 때는, 평탄한 액면의 높이 방향의 위치를 의미한다. Next, after returning the inside of the chamber 11 to atmospheric pressure atmosphere, as shown in FIG.3 (a), the liquid crystal of seed crystal 20a is performed (step S5), and a seed crystal is molybdenum crucible ( The position is fixed while being immersed in the alumina melt 21 in 14). And the crystal growth under liquid level is advanced, keeping the alumina melt 21 at a predetermined temperature gradient (step S6). In addition, in this invention, a "liquid surface" means a flat liquid surface, and does not include the contact surface (solid-liquid interface) of the single crystal twisted by crystal growth and melt. Therefore, when it says "liquid position", it means the position of the height direction of the flat liquid level.

액면하에서의 결정 육성 중에 있어서는, 종결정(20a)을 소정의 회전 속도로 회전시키는 것이 바람직하다. 이때의 회전 속도는, 8rpm 이상 25rpm 이하인 것이 바람직하고, 10rpm 이상 18rpm 이하인 것이 보다 바람직하다. 회전 속도가 8rpm보다 낮으면 액 중 성장 부분의 형상(계면 형상)이 U자형이 되어, 결정 중에 기포가 고밀도로 도입되기 때문이고, 또한 25rpm보다 높으면 결정의 계면 형상에 구부러짐이 발생하여, 결정 성장의 계속이 곤란해지기 때문이다. During crystal growth under liquid level, it is preferable to rotate the seed crystal 20a at a predetermined rotational speed. It is preferable that they are 8 rpm or more and 25 rpm or less, and, as for the rotation speed at this time, it is more preferable that they are 10 rpm or more and 18 rpm or less. If the rotational speed is lower than 8 rpm, the shape (interface shape) of the growth part in the liquid becomes U-shaped, and bubbles are introduced at high density during the crystal. If the rotation speed is higher than 25 rpm, bending occurs in the interface shape of the crystal, resulting in crystal growth. This is because it becomes difficult to continue.

도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 액면하에서의 결정 성장이 진행되면, 알루미나 융액(21)의 액면보다도 하방에는, c축 방향으로 결정 성장한 대략 V자 형상의 액 중 사파이어 단결정(20)의 성장부분이 형성된다. 또한, 결정 성장에 수반하여 알루미나 융액(21)의 액면 위치는 ΔL만큼 저하된다. 이와 같이, 액면 상에 나타나고 있는 종결정(20a)의 상부는 정말로 빙산의 일각이다. As shown in FIG. 3 (b), when the crystal growth under the liquid level progresses, the growth portion of the sapphire single crystal 20 in the substantially V-shaped liquid grown in the c-axis direction below the liquid level of the alumina melt 21 is grown. Is formed. In addition, with the crystal growth, the liquid surface position of the alumina melt 21 is lowered by ΔL. Thus, the upper part of the seed crystal 20a appearing on the liquid surface is really the tip of the iceberg.

그 후, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, 액 중 성장 부분의 결정 성장이 더욱 진행되어 몰리브덴 도가니(14)의 저면에 도달하기 전에, 시드봉(18)을 상승시켜 종결정(20a)을 상방으로 인상한다(스텝 S7). 이때의 인상 속도는, 0.5㎜/hr 이상 10㎜/hr 이하인 것이 바람직하다. 인상 속도가 10㎜/hr를 초과할 때에는, 결정 성장이 따라잡지 못하고, 견부 아래에서 결정 벗겨짐이 발생하여, 결정 형상이 크게 무너지기 때문이다. 또한, 0.5㎜/hr 미만일 때에는, 결정 성장이 지나치게 진행되어 결정의 하단이 도가니 저면에 도달하기 때문이다. 여기에서 상방향으로의 결정 인상을 개시하는 타이밍은, 시드 착액 후의 결정에, c축 인상으로 보이는 정벽선(晶癖線; crystal habit line)을 확인할 수 있었던 단계이다. 정벽선이 보이기 전에 결정을 인상해 버리면, 다결정화나 결정 벗겨짐이 발생해 버릴 위험이 있다. After that, as shown in FIG. 3 (c), the seed rods 18 are raised to raise the seed crystals 20a before the crystal growth of the growth portion in the liquid proceeds further to reach the bottom surface of the molybdenum crucible 14. It raises upwards (step S7). It is preferable that the pulling speed at this time is 0.5 mm / hr or more and 10 mm / hr or less. This is because when the pulling speed exceeds 10 mm / hr, crystal growth does not catch up, crystal peeling occurs under the shoulder, and the crystal shape collapses significantly. When the thickness is less than 0.5 mm / hr, crystal growth proceeds excessively so that the lower end of the crystal reaches the bottom of the crucible. Here, the timing of starting the crystal pulling in the upward direction is a step at which the crystal habit line, which appears as the c-axis pulling, can be confirmed in the crystal after the seed liquid. If the crystal is raised before the wall is visible, there is a risk of polycrystallization or crystal peeling.

인상되는 단결정의 직경은, 몰리브덴 도가니(14)의 직경의 2/3 이하로 하는 것이 바람직하다. 단결정의 직경이 도가니 직경의 2/3보다도 커지면, 몰리브덴 도가니 내의 알루미나 융액의 액면 후퇴 속도가 빨라지고, 인상 속도를 빠르게 한 경우와 동일하게, 결정 성장이 따라잡지 못하게 되고, 견부 아래에서 결정 벗겨짐이 발생하여, 결정 형상이 크게 무너지기 때문이다. The diameter of the single crystal to be pulled is preferably 2/3 or less of the diameter of the molybdenum crucible 14. When the diameter of the single crystal is larger than two thirds of the crucible diameter, the liquid retreat rate of the alumina melt in the molybdenum crucible is increased, and the crystal growth cannot be caught and the crystal peels off under the shoulder as in the case where the pulling speed is increased. This is because the crystal shape is greatly collapsed.

그 후, 단결정이 소정의 길이에 도달한 시점에서 단결정을 알루미나 융액으로부터 취출하고, 인상을 종료한다. 이때, 인상 기구(19)에 의해 사파이어 단결정(20)을 인상하여, 단결정을 융액으로부터 분리한다(스텝 S8). 이상에 의해, 사파이어 단결정(20)이 완성된다. Thereafter, when the single crystal reaches the predetermined length, the single crystal is taken out from the alumina melt and the pulling is finished. At this time, the sapphire single crystal 20 is pulled up by the pulling mechanism 19 to separate the single crystal from the melt (step S8). By the above, the sapphire single crystal 20 is completed.

본 실시 형태에 의해 얻어진 사파이어 단결정(20)은, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, 알루미나 융액의 액면 위치보다도 상방으로 인상된 단결정 부분의 결정길이 A와, 상기 알루미나 융액의 액면하에서 성장하는 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하이다. 바꾸어 말하면, 확경부로부터 직동부까지의 단결정 부분의 결정길이 A와, 축경부의 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하이다. 이러한 사파이어 단결정 잉곳의 형상은, 상기 제조 방법에 의해 제조되는 기포가 적은 사파이어 단결정에 특유한 형상이다. The sapphire single crystal 20 obtained by this embodiment has the crystal length A of the single crystal part pulled upward above the liquid surface position of an alumina melt, and the single crystal which grows under the liquid surface of the said alumina melt, as shown to FIG. 3 (c). Ratio B / A with the crystal length B of a part is 0.2 or more and 2 or less. In other words, the ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion from the enlarged diameter portion to the linear motion portion and the crystal length B of the single crystal portion of the shaft diameter portion is 0.2 or more and 2 or less. The shape of such a sapphire single crystal ingot is a shape peculiar to the sapphire single crystal with few bubbles produced by the above production method.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 사파이어 단결정의 제조 방법은, 사파이어 단결정을 알루미나 융액의 액면하에서 적극적으로 육성하면서, 그의 결정 성장 속도에 맞추어, 소정의 인상 속도로 상방향으로 인상하기 때문에, 기포나 결함이 없는 고품질인 c축 사파이어 단결정을 CZ법에 의해 제조할 수 있어, 대구경 그리고 장척인 단결정을 육성할 수 있다. As described above, in the method for producing sapphire single crystal according to the present embodiment, since the sapphire single crystal is actively grown under the liquid level of the alumina melt, the sapphire single crystal is pulled upward at a predetermined pulling speed in accordance with its crystal growth rate. High-quality c-axis sapphire single crystal without defects can be produced by the CZ method, and large diameters and elongated single crystals can be grown.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시 형태로 한정되는 일 없이, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하고, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것은 말할 필요도 없다. As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the main point of this invention, and they also of the invention It goes without saying that it is included in the range.

[실시예][Example]

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 하등 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, although the Example of this invention is described, this invention is not limited to this Example at all.

(실시예 1)(Example 1)

도 1에 나타낸 사파이어 단결정 제조 장치(10)를 이용하여 사파이어 단결정의 육성을 행했다. 우선 원료가 되는 알루미나 분말을 몰리브덴 도가니에 투입하고, 이것을 챔버 내에 설치하고, 저항 가열 히터로 가열하여 원료를 용융했다. 몰리브덴 도가니에는 직경 225㎜, 깊이 225㎜인 것을 이용했다. The sapphire single crystal was grown using the sapphire single crystal manufacturing apparatus 10 shown in FIG. First, the alumina powder used as a raw material was put into the molybdenum crucible, it was installed in the chamber, it heated with the resistance heating heater, and the raw material was melted. As the molybdenum crucible, one having a diameter of 225 mm and a depth of 225 mm was used.

다음으로, 융점 이상의 온도로 유지되는 알루미나 융액에 c축 사파이어 종결정을 침지시켜, 종결정을 12rpm의 회전 속도로 회전시키면서, 목표 결정길이 200㎜, 목표 직경 100㎜가 되도록 단결정의 액 중 성장을 행했다. Next, c-axis sapphire seed crystals are immersed in an alumina melt maintained at a temperature equal to or higher than the melting point, and the single crystals are grown in a liquid such that the target crystal length is 200 mm and the target diameter is 100 mm while rotating the seed crystals at a rotation speed of 12 rpm. Done.

단결정이 상기 결정길이 및 직경에 도달한 후, 당해 단결정의 인상 속도를 서서히 증가시켜 단결정을 추가로 육성했다. 이때의 인상 속도는, 0.3, 0.5, 1, 3, 5, 10, 15(㎜/hr)의 7조건으로 했다. 또한, 각 인상 속도의 적용 시간은 모두, 당해 인상 속도로 성장한 결정 부위의 결정길이가 약 20㎜가 되도록 설정했다. After the single crystal reached the crystal length and diameter, the pulling speed of the single crystal was gradually increased to further grow the single crystal. The pulling speed at this time was made into 7 conditions of 0.3, 0.5, 1, 3, 5, 10, 15 (mm / hr). In addition, the application time of each pulling speed was set so that the crystal length of the crystal | crystallization site | part grown at the said pulling speed may be set to about 20 mm.

그 후, 광학 현미경을 이용하여 육성된 단결정 중에 있어서의 기포의 유무를 관찰하고, 각 인상 속도에 대응하는 결정 부위마다 평가했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. Then, the presence or absence of the bubble in the single crystal grown using the optical microscope was observed, and it evaluated for every crystal part corresponding to each pulling speed. The results are shown in Table 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1로부터 분명한 바와 같이, 인상 속도가 10㎜/hr 이하로 낮을 때에는 기포가 없었지만, 인상 속도가 15㎜/hr일 때에는, 결정 성장이 따라잡지 못하고, 견부 아래에서 결정 벗겨짐이 발생하여, 결정 형상이 크게 무너졌다. 또한, 결정 내부에 다수의 기포가 도입되어, 결정이 하얗게 흐려졌다. 이는 고액 계면의 성장의 불안정함으로부터 기포가 고밀도로 도입된 것이라고 생각된다. 또한, 인상 속도가 0.3㎜/hr인 경우라도 결정이 성장할 수 있지만, 이 경우의 1일당의 결정길이는 7.2㎜가 되어, 결정 비용이 매우 높아진다. As apparent from Table 1, there was no bubble when the pulling speed was lower than 10 mm / hr, but when the pulling speed was 15 mm / hr, crystal growth did not catch up, and crystal peeling occurred under the shoulder, resulting in crystal shape. This collapsed greatly. In addition, a large number of bubbles were introduced into the crystal, and the crystal was clouded white. This is considered to be that bubbles are introduced at a high density from the unstable growth of the solid-liquid interface. Further, even when the pulling speed is 0.3 mm / hr, the crystal can grow, but the crystal length per day in this case is 7.2 mm, and the crystal cost is very high.

(실시예 2)(Example 2)

다음으로, 단결정의 목표 직경을 여러 가지 변화시킨 점 이외는 실시예 1과 동일 조건하에서 사파이어 단결정의 육성을 행했다. 육성하는 단결정의 목표 직경은 70, 100, 150, 180(㎜)의 4조건으로 했다. 또한, 결정 인상 속도를 3㎜/hr, 결정 회전 속도를 12rpm으로 했다. Next, the sapphire single crystal was grown on the conditions similar to Example 1 except having changed the target diameter of the single crystal in various ways. The target diameter of the single crystal to grow was made into four conditions of 70, 100, 150, and 180 (mm). In addition, the crystal pulling speed was 3 mm / hr and the crystal rotation speed was 12 rpm.

그 후, 광학 현미경을 이용하여 육성된 단결정 중의 기포의 유무를 관찰하고, 목표 직경이 되도록 제어한 결정 부위마다 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. Then, the presence or absence of the bubble in the single crystal grown using the optical microscope was observed, and it evaluated for every crystal site | part controlled to be a target diameter. The results are shown in Table 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

표 2로부터 분명한 바와 같이, 단결정의 직경이 150㎜ 이하로 작을 때에는 기포가 없었지만, 결정 직경이 180㎜일 때에는, 결정 내부에 다수의 기포가 관찰되었다. 육성하는 결정의 직경이 커지면, 도가니 직경에 대한 결정 직경의 비가 커지고, 그 결과 액면 후퇴 속도가 빨라진다. 이는, 인상 속도가 빨라지는 것과 실질적으로 동일하여, 기포가 도입되기 쉬워진다. 이상의 결과로부터, 단결정의 직경은, 150㎜ 이하, 즉 도가니 직경의 2/3 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. As is apparent from Table 2, when the diameter of the single crystal was small to 150 mm or less, there was no bubble. When the crystal diameter was 180 mm, many bubbles were observed inside the crystal. As the diameter of the grown crystals increases, the ratio of the crystal diameters to the crucible diameter increases, and as a result, the liquid retreat speed increases. This is substantially the same as the pulling speed is increased, so that bubbles are easily introduced. From the above results, it was found that the diameter of the single crystal is preferably 150 mm or less, that is, 2/3 or less of the crucible diameter.

(실시예 3)(Example 3)

다음으로, 인상 중의 결정 회전 속도를 여러 가지 변화시킨 점 이외는 실시예 1과 동일 조건하에서 사파이어 단결정의 육성을 행했다. 결정 회전 속도는 6, 8, 10, 18, 25, 30(rpm)의 6조건으로 했다. 또한, 결정 인상 속도는 3㎜/hr, 목표 직경은 100㎜로 했다. Next, the sapphire single crystal was grown on the conditions similar to Example 1 except having changed the crystal rotation speed in pulling variously. The crystal rotation speed was made into 6 conditions of 6, 8, 10, 18, 25, 30 (rpm). In addition, the crystal pulling speed was 3 mm / hr and the target diameter was 100 mm.

그 후, 광학 현미경을 이용하여 육성된 단결정 중의 기포의 유무를 관찰하고, 각 회전 속도로 제어한 결정 부위마다 평가했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. Thereafter, the presence or absence of bubbles in the grown single crystal was observed using an optical microscope, and the evaluation was performed for each crystal site controlled at each rotational speed. The results are shown in Table 3.

Figure pat00003
Figure pat00003

표 3으로부터 분명한 바와 같이, 결정 회전 속도가 6rpm으로 낮을 때에는 계면 형상이 U자형이 되어, 기포가 고밀도로 도입되었다. 또한, 결정 회전 속도가 30rpm으로 높을 때에는 결정의 계면 형상에 구부러짐이 발생하여, 결정 성장의 계속이 불가능해졌다. 한편, 결정 회전 속도가 8rpm 및 25rpm일 때에는 계면 형상이 V자형이 되어, 기포는 적었다. 또한, 결정 회전 속도가 10rpm 및 18rpm일 때에는 계면 형상이 V자형이 되어, 기포는 없었다. 이상의 결과로부터, 결정 회전 속도는 8rpm 이상 25rpm 이하로 하는 것이 바람직하고, 10rpm 이상 18rpm 이하로 하는 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있었다. As apparent from Table 3, when the crystal rotation speed was low at 6 rpm, the interface shape became U-shaped, and bubbles were introduced at high density. In addition, when the crystal rotation speed was as high as 30 rpm, bending occurred in the interface shape of the crystal, and continuation of crystal growth became impossible. On the other hand, when the crystal rotation speeds were 8 rpm and 25 rpm, the interface shape became V-shaped, and there were few bubbles. In addition, when the crystal rotation speeds were 10 rpm and 18 rpm, the interface shape became V-shaped and there were no bubbles. From the above results, it was found that the crystal rotation speed is preferably 8 rpm or more and 25 rpm or less, and more preferably 10 rpm or more and 18 rpm or less.

10 : 사파이어 단결정의 제조 장치
11 : 챔버
12 : 회전축
13 : 지지대
14 : 몰리브덴 도가니
15 : 저항 가열 히터
16 : 회전 기구
17 : 관측창
18 : 시드봉
19 : 인상 기구
20 : 사파이어 단결정
21 : 사파이어 융액(알루미나 융액)
22 : 단열재
23 : 컨트롤러
24 : 가스 도입구
25 : 가스관
26 : 컨덕턴스 밸브
27 : 가스 배출구
28 : 배기 가스관
29 : 컨덕턴스 밸브
30 : 진공 펌프
10: apparatus for producing sapphire single crystal
11: chamber
12:
13: Support
14 molybdenum crucible
15: resistance heating heater
16: rotating mechanism
17: observation window
18 seed rod
19: impression mechanism
20: sapphire single crystal
21: sapphire melt (alumina melt)
22: heat insulation
23: controller
24 gas inlet
25 gas pipe
26: conductance valve
27 gas outlet
28: exhaust gas pipe
29: conductance valve
30: vacuum pump

Claims (8)

도가니 내의 알루미나 융액에 c축 사파이어 종결정을 침지시키고, 상기 종결정을 회전시키면서 상방향으로 인상하여 상기 종결정의 하단에 사파이어 단결정을 c축 방향으로 성장시키는 사파이어 단결정의 제조 방법으로서,
상기 알루미나 융액의 액면하에서 상기 사파이어 단결정을 성장시킴과 함께, 상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분이 상기 도가니의 저면(底面)에 도달하지 않도록 상기 종결정을 상방으로 인상하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정의 제조 방법.
A method of producing a sapphire single crystal in which a c-axis sapphire seed crystal is immersed in an alumina melt in a crucible, the seed crystal is pulled upward while being rotated, and a sapphire single crystal is grown at the bottom of the seed crystal in the c-axis direction.
The sapphire single crystal is grown under the liquid level of the alumina melt, and the seed crystal is pulled upward so that the single crystal growth portion growing in the melt does not reach the bottom of the crucible. Manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분의 측면 형상이 하방향으로 돌출된 대략 V자 형상인 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method of producing a sapphire single crystal in which the side shape of the single crystal growing portion growing in the melt has a substantially V-shaped shape projecting downward.
제1항에 있어서,
상기 종결정의 인상 속도가 0.5㎜/hr 이상 10㎜/hr 이하인 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
The manufacturing method of the sapphire single crystal whose pulling speed of the said seed crystal is 0.5 mm / hr or more and 10 mm / hr or less.
제1항에 있어서,
상기 알루미나 융액으로부터 인상했을 때의 상기 융액 중에서 성장하는 단결정 성장 부분의 직경이, 상기 도가니의 직경의 2/3배 이하인 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method for producing sapphire single crystal, wherein the diameter of the single crystal growth portion growing in the melt when pulled from the alumina melt is 2/3 times or less of the diameter of the crucible.
제1항에 있어서,
상기 종결정의 회전 속도가 8rpm 이상 25rpm 이하인 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
The rotation speed of the said seed crystal is 8 rpm or more and 25 rpm or less, The manufacturing method of the sapphire single crystal.
제1항에 있어서,
상기 도가니에 몰리브덴 도가니를 이용하고, 상기 몰리브덴 도가니의 주위에 저항 가열 히터를 배치하여, 상기 알루미나 융액을 저항 가열 방식에 의해 가열하는 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method of producing a sapphire single crystal in which a molybdenum crucible is used in the crucible, a resistance heating heater is arranged around the molybdenum crucible, and the alumina melt is heated by a resistance heating method.
제1항에 있어서,
상기 알루미나 융액의 액면 위치보다도 상방으로 인상된 단결정 부분의 결정길이 A와, 상기 알루미나 융액의 액면하에서 성장하는 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하가 되도록 상기 사파이어 단결정을 인상하는 사파이어 단결정의 제조 방법.
The method of claim 1,
The sapphire single crystal is pulled up so that the ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion pulled up above the liquid surface position of the alumina melt and the crystal length B of the single crystal portion growing under the liquid surface of the alumina melt is 0.2 or more and 2 or less. Sapphire single crystal manufacturing method.
확경(擴徑)부로부터 직동(直胴)부까지의 단결정 부분의 결정길이 A와, 축경(縮徑)부의 단결정 부분의 결정길이 B와의 비 B/A가 0.2 이상 2 이하인 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정. The sapphire characterized by the ratio B / A of the crystal length A of the single crystal portion from the enlarged diameter portion to the linear motion portion and the crystal length B of the single crystal portion of the shaft diameter portion being 0.2 or more and 2 or less. Single crystal.
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