WO2014156780A1 - サファイア単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

　（ｉ）成長中のサファイア単結晶と原料溶融液との界面を光学的手段によって観察することにより画像データを得る工程と；（ｉｉ）該画像データを解析することにより、単結晶径の計算値を得る工程と；（ｉｉｉ）該計算値に基づいて単結晶径を制御しながら、サファイア単結晶を成長させる工程とを含み、（Ａ）工程（ｉ）が、光学的手段に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光の少なくとも一部を除去する工程を含むか、又は、（Ｂ）工程（ｉｉ）が、画像データの輝度情報から波長６２０ｎｍ超の光が寄与する成分の少なくとも一部を取り除くことにより二次画像データを生成する工程と、該二次画像データを解析することにより単結晶径の計算値を得る工程とを含む、融液成長法によるサファイア単結晶の製造方法。

Description

サファイア単結晶の製造方法

　本発明は、エピタキシャル成長用基板や光学材料として使用されるサファイア単結晶の製造方法に関する。

　サファイア（酸化アルミニウム）単結晶体は、窒化物系化合物半導体やシリコンのエピタキシャル成長用基板、高強度の窓材等として広く利用されている。近年、省エネルギーの観点からＬＥＤテレビやＬＥＤ照明などとしてＬＥＤの需要が拡大傾向にあることから、特に窒化物系化合物半導体エピタキシャル成長用のサファイア基板の需要が拡大している。ＬＥＤチップは、ｃ面サファイア基板上にＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体発光体層を形成した後、チップに分割して作製する方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。よって、大面積のｃ面を表面に有する安価なサファイア基板を提供することは、ＬＥＤチップの生産の高効率化、低コスト化を達成するために重要な課題である。

　サファイア基板の材料となるサファイア単結晶体の作製方法にはベルヌーイ法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ－ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｆｉｌｍ－ｆｅｄ　Ｇｒｏｗｔｈ）法、チョクラルスキー法、キロポーラス法、ＨＥＭ（Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｔｈｏｄ）法などが知られている。

　チョクラルスキー法は融液成長法の一種で、原料溶融液面に接触させた種結晶体を０．５～１０ｍｍ／時間程度の速度で引上げつつ、引き上げ速度、結晶回転数やヒーター出力を調整することで所望の直径の結晶体を融液面上に成長させる方法である。チョクラルスキー法では、一般にイリジウム製などの坩堝を誘導加熱方式で直接加熱することにより、比較的大きな温度勾配を形成して結晶育成を行う。

　このように比較的大きな温度勾配下で結晶育成を行うことにより、育成方位による成長速度差が生じにくくなるためにｃ軸方向に結晶を育成させることが可能になる。チョクラルスキー法は、基板に要する直径と任意の長さを有する、ｃ軸方向に成長させたサファイア単結晶体を容易に得ることができるため、コアドリルなどで円柱体を切り抜く必要もなく、したがって育成した単結晶体からの基板取得効率が極めて高いという特徴を有する。

　チョクラルスキー法において、単結晶体の直径を正確に制御することは、単結晶体の品質や製品収率を向上させる点において非常に重要である。単結晶体の直径を算出する方法には、ロードセル等の重量検出装置から得られる重量データを元に直径を算出する方法と、炉外に設置されたカメラ等の映像から単結晶体と溶融液面との界面を検出し、検出された固液界面から直径を算出する方法とが知られている。

　シリコン単結晶の製造においては、単結晶体と融液面との界面であるヒュージョンリングをカメラの映像から検出し、検出点に基づいて算出された直径を制御回路に取り込み、ヒーターの出力、結晶引上げ軸の引上げ速度や回転数、及び、ルツボの押し上げ速度にフィードバックすることにより、精度の高い単結晶体の直径制御を行っている（例えば、特許文献２参照）。

　一方、サファイア単結晶の製造においては、ロードセル等の重量検出装置から得られる重量データを元に直径を算出する方法が一般的に用いられている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００－８２６７６号公報 特開２０１０－１００４５３号公報 特開２０１１－６３１４号公報

　成長中のサファイア単結晶体の直径を重量データに基づいて算出する場合、サフイア単結晶体の引上げ速度は０．５～１０ｍｍ／時間程度と、シリコン単結晶の製造と比較して遅いため、単位時間当たりに成長する単結晶体の重量が小さく、そのため得られる重量データが含む誤差が大きくなる。特に単結晶育成の初期段階である、首部、および肩部の育成時にはこの誤差が大きく、そのため重量データから算出される直径値に含まれる誤差が大きい。大きな誤差を含む直径データに基づいて制御が行われる場合には育成される結晶に欠陥が生じやすく、特に単結晶育成の初期段階に形成される首部および肩部の品質が低いと、その下に育成される直胴部の品質までもが低下する傾向にある。

　サファイア単結晶体の直径を、カメラ等による画像からサファイア単結晶体と融液面との界面を検出して算出する場合、被写体の温度がサファイアの融点（２０００℃以上）を超える画像を用いる必要がある。しかしながらその場合、非常に高温の被写体から放射される輻射光により、得られる画像のコントラストが低下するという問題がある。

　従来、観察対象物とカメラ等の撮像装置との間に減光フィルターを配置することにより輻射光を除去することが試みられているが、目視可能な画像は得られるものの、コントラストの高い映像を得ることはできない。コントラストが低い（すなわち不明瞭な）画像を用いて単結晶体と融液面との界面を検出しようとした場合、界面ではない点を界面として検出する誤検出が頻繁に発生するため、そのような画像データを用いてサファイア単結晶体の直径制御を行うことは困難である。

　発明者らは、サファイア単結晶体と融液面との界面を観察する画像において、その画像の赤色成分を除去することによってコントラストの高い画像が得られることを見出し、本発明を完成した。

　本発明のサファイア単結晶の製造方法は、融液成長法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
　（ｉ）成長中のサファイア単結晶と原料溶融液との界面を光学的手段によって観察することにより画像データを得る工程と、
　（ｉｉ）工程（ｉ）で得られた画像データを解析することにより、サファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程と、
　（ｉｉｉ）工程（ｉｉ）で得られた単結晶の結晶径の計算値に基づいてサファイア単結晶の結晶径を制御しながら、サファイア単結晶を成長させる工程と
を、結晶成長の少なくとも一部の過程において含み、
　（Ａ）工程（ｉ）が、光学的手段による検出に供される光の光エネルギーのうち８０％以上が波長範囲３８０～６２０ｎｍに存するように、光学的手段に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光の少なくとも一部を除去する工程を含むか、又は、
　（Ｂ）工程（ｉｉ）が、画像データの輝度情報から波長６２０ｎｍ超の光が寄与する成分の少なくとも一部を取り除くことにより二次画像データを生成する工程と、該二次画像データを解析することによりサファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程とを含み、二次画像データの生成が、光学的手段による検出に供された光の光エネルギーのうち８０％以上が、二次画像データに記録され且つ波長が３８０～６２０ｎｍである光の波長範囲に存するように行われることを特徴とする。

　本発明において、「光学的手段による検出に供される光の光エネルギーのうち８０％以上が波長範囲３８０～６２０ｎｍに存する」とは、光学的手段による検出に供される光のパワースペクトルの波長範囲３８０～８３０ｎｍにおける波長積分値のうち、該パワースペクトルの波長範囲３８０～６２０ｎｍにおける波長積分値の占める割合が８０％以上であることを意味する。
　本発明において、上記（Ａ）の要件が満たされる場合、光学的手段に入射する光は、波長６２０ｎｍ超の光成分の少なくとも一部を除去された後に、光学的手段により検出されることになる。
　また本発明において、「光学的手段による検出に供された光の光エネルギーのうち８０％以上が、二次画像データに記録され且つ波長が３８０～６２０ｎｍである光の波長範囲に存する」とは、光学的手段による検出に供された光のパワースペクトルの波長範囲３８０～８３０ｎｍにおける波長積分値のうち、二次画像データに記録が残る光波長範囲と波長範囲３８０～６２０ｎｍとが重複する波長範囲における該パワースペクトルの波長積分値の占める割合が８０％以上であることを意味する。

　本発明のサファイア単結晶の製造方法は、光学的手段が、撮像素子と、該撮像素子に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルタとを有する形態を採りうる。当該形態は、上記（Ａ）の要件が満たされる場合に好ましく採用できる。

　本発明のサファイア単結晶の製造方法は、光学的手段が電子的ＲＧＢカラーカメラであり、工程（ｉｉ）が、該ＲＧＢカラーカメラから得られたＲＧＢ画像データから少なくともＲ情報を除外することによって得られるデータに基づいてサファイア単結晶の結晶径を計算する工程を含む形態を採りうる。当該形態は、上記（Ｂ）の要件が満たされる場合に好ましく採用できる。

　本発明のサファイア単結晶の製造方法は、
　（Ｘ）成長中のサファイア単結晶と原料溶融液との界面の光学的観察に基づいてサファイア単結晶の結晶径を制御しながら、サファイア単結晶を成長させる工程と、
　（Ｙ）成長中のサファイア単結晶の重量データに基づいて単結晶の結晶径を制御しながら、単結晶を成長させる工程と
を上記順に有し、
　工程（Ｘ）が、上記工程（ｉ）乃至（ｉｉｉ）を含み、且つ、上記要件（Ａ）又は（Ｂ）を満たし、
　工程（Ｙ）が、
　（Ｙ－ｉ）重量検出手段により、成長中のサファイア単結晶の重量データを得る工程と、
　（Ｙ－ｉｉ）工程（Ｙ－ｉ）で得られた重量データを解析することにより、サファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程と、
　（Ｙ－ｉｉｉ）工程（Ｙ－ｉｉ）で得られたサファイア単結晶の結晶径の計算値に基づいてサファイア単結晶の結晶径を制御しながら、サファイア単結晶を成長させる工程と
を含む形態を採りうる。当該形態によれば、サファイア単結晶の結晶径をその成長中全域にわたってより正確に制御することが容易になる。

　上記工程（Ｘ）及び工程（Ｙ）を有する形態の本発明のサファイア単結晶の製造方法においては、例えば、少なくとも成長中のサファイア単結晶の結晶径が６０ｍｍ未満である間には前記工程（Ｘ）を行い、少なくとも成長中のサファイア単結晶の結晶径が１００ｍｍ以上である間には前記工程（Ｙ）を行う態様を好ましく採用できる。なお当該態様において、成長中のサファイア単結晶の結晶径が６０ｍｍ以上１００ｍｍ未満である間には、上記工程（Ｘ）及び工程（Ｙ）のいずれを行ってもよい。また上記工程（Ｙ）の後、単結晶を原料溶融液から分離するプロセス中に、結晶径６０ｍｍ未満で単結晶が成長する場合がある（例えばテーリング処理を行う場合等。）が、そのような場合であっても、工程（Ｙ）の後にまで上記工程（Ｘ）を行う必要はない。

　本発明によれば、サファイア単結晶体と融液面との界面を観察する画像においてコントラストの高い画像を取得できるので、該画像の解析によって成長中の単結晶の結晶径を精度よく把握できる。該把握した値に基づいて結晶径を制御しながらサファイア単結晶を成長させることにより、サファイア単結晶体の直径を精度よく制御することが可能となる。

チョクラルスキー法単結晶引上げ炉の構造及び直径制御方法の一例を模式的に説明する図である。 従来のチョクラルスキー法単結晶引上げ炉の構造及び直径制御方法の一例を模式的に説明する図である。 プランクの放射則に基づく放射エネルギーの波長分布を示すグラフである。 一般的な電子式ＲＧＢカラーカメラの感光素子の各波長における感度特性を示すグラフである。 コントラスト調整後の観察対象物の画像を模式的に説明する図である。 実施例１において算出された結晶直径データを示すグラフである。 実施例１における単結晶体直径の実測データを示すグラフである。 実施例２において算出された結晶直径データを示すグラフである。 実施例２における単結晶体直径の実測データを示すグラフである。 比較例１において算出された結晶直径データを示すグラフである。 比較例２における単結晶体直径の実測データを示すグラフである。

　本発明におけるチョクラルスキー法でサファイアインゴットを製造する方法は、後述する直径制御の元とするデータ取得・解析を別にすれば公知の方法がそのまま適用できるが、その概略を説明すると以下の通りである。

　チョクラルスキー法でのサファイアインゴット製造はバッチ方式である。図２は、従来のチョクラルスキー法単結晶引上げ炉の構造及び直径制御方法の一例を模式的に説明する図である。図２に示すような結晶育成装置を用いて、例えば、直胴部直径５０～１６０ｍｍ、長さ５０～５００ｍｍ程度のインゴットが原料融液から引き上げられる。

　図２に示す単結晶引上げ装置は、結晶成長炉を構成するチャンバー１を備えており、このチャンバー上壁には、開口部を介して、駆動機構（不図示）によって上下動および回転可能な単結晶引上げ棒２が吊設されている。この単結晶引上げ棒２の先端には、保持具３を介して種結晶体４が取り付けられ、種結晶体４は坩堝５の中心軸上に位置するように配置される。また、この単結晶引上げ装置の上端には、結晶重量を測定するロードセル６が設けられている。

　チャンバー１には、カメラ等の撮像装置２０で種結晶体４や、単結晶体（不図示）を観察するための窓１１が設けられており、窓１１を通して光学的手段により炉内の観察が行われる。窓１１を構成する窓材の材質は可視光領域の光を透過する材質であればよく、高温部からの輻射によって加熱されにくいよう、赤外域での吸収の少ない石英、フッ化カルシウム等の材質が好適に用いられる。光学的手段によりデータを得るための撮像装置２０としては、ＣＣＤやＣＭＯＳといった電子的な感光素子を用いた電子カメラを用いることが好ましい。

　坩堝５は、チョクラルスキー法に用いられる坩堝として公知の形状の坩堝を使用することができる。一般には、上部から見た開口部が円形状であり、円柱状の胴部を持ち、底面の形状が平面状、碗状、又は逆円錐状のものが用いられる。また、坩堝５の材質としては、原料溶融液である酸化アルミニウムの融点に耐え、また酸化アルミニウムとの反応性が低いものが適しており、イリジウム、モリブデン、タングステン、レニウムまたはこれらの合金が一般的に用いられる。とりわけ、耐熱性・耐酸化性に優れたイリジウムが好ましい。

　坩堝５の周囲には、坩堝５の底部及び外周を取り囲むように、断熱壁７ａが設置されている。また、坩堝５上方の単結晶引上げ域の側周部を環囲するように断熱壁７ｂが設置されている。該断熱壁７ａ，７ｂは、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造を特に制限なく採用できるが、イットリア、カルシア、マグネシア等を添加して安定化したものを含むジルコニア系およびハフニア系の素材、アルミナ系の素材、カーボン系の素材、タングステン、モリブデンなどの金属板を積層させた反射材等を特に好適に採用できる。

　これらの断熱壁は、内面と外面の温度差が非常に大きい環境下で使用されるため、加熱と冷却の繰り返しによって素材の著しい変形や割れを生じやすい。このような断熱壁の変形や割れによって結晶成長域の温度勾配が刻々と変化すると、安定的な結晶製造が困難になる。そこで、これらの断熱壁は、上記のような変形や応力による断熱壁の割れやそれに伴う温度環境の変化を低減するため、その全体を一体の素材で構成するのではなく、いくつかに分割された断熱部材の組み合わせで構成することが好ましい。

　単結晶引上げ域を環囲する断熱壁７ｂの上端の開口部は、単結晶引上げ棒２を挿入するための貫通孔と、撮像装置２０によってサファイア単結晶体及び溶融液等を撮像するための貫通孔とが少なくとも設けられた天井板８により閉塞されている。これにより、単結晶引上げ域は、断熱壁７ａ、７ｂと天井板８とにより形成される単結晶引上げ室内に収まるため、その保熱性が大きく向上する。天井板８は断熱壁７ａ、７ｂと同様、公知の断熱性の素材、または断熱のための構造で形成されていればよい。また、天井板８は、必ずしも平板状である必要はなく、断熱壁７ｂの環囲体の上端開口部を上記の貫通孔部分を除いて閉塞するものであれば如何なる形状であっても良い。平板状以外の形状として、例えば、円錐台状、逆円錐台状、笠状、逆笠状、ドーム状、逆ドーム状等の形状を天井板８が有していてもよい。

　断熱壁７ａの外周には、おおよそ坩堝の高さの位置を環囲するように、高周波コイル９が設置されている。高周波コイル９には、高周波電源１３が接続されている。高周波電源１３は、一般的なコンピュータによって構成された制御装置２４に接続され、出力を適宜調節される。

　制御装置２４は、ロードセル６によって検出される重量の変化を解析して直径を算出する演算を行い、設定器２５に設定された目標直径と算出された直径とを比較しながら、高周波電源１３の出力を調整する機能を有する。ロードセル６は、後述する画像解析による直径算出方法では直径制御の誤差が大きくなってしまう、単結晶体の直径が１００ｍｍ以上、好ましくは６０ｍｍ以上となった以降の直径制御に用いることができる。

　なお、高周波電源１３の出力のほかに、結晶引上げ軸２や坩堝５の回転数、引上げ速度、ガスの流入出のためのバルブ操作なども併せて制御することが一般的である。

　半導体向けサファイア基板用のサファイア単結晶コアを製造するための原料としては、通常、純度４Ｎ（９９．９９％）以上の純度を有する酸化アルミニウム（アルミナ）が用いられる。不純物はサファイア単結晶の格子間又は格子内に混入して結晶欠陥の起点となることから、純度の低い原料を用いるとサブグレインが発生しやすく、また結晶が着色する傾向がある。結晶の着色の原因は不純物によって形成された結晶欠陥に起因する色中心（カラーセンター）であり、結晶欠陥の多さを間接的に示している。特に不純物としてのクロムは着色に顕著な影響を及ぼすことから、クロムの含有量が１００ｐｐｍ未満の原料を使用することが好ましい。

　また原料は、坩堝により多くの原料を充填する観点、および、炉内での原料の飛散を抑制する観点から、嵩密度が１．０ｇ／ｍＬ以上であることが好ましく、２．０ｇ／ｍＬ以上であることがより好ましい。このような性状の原料としては、酸化アルミニウム粉末をローラープレス等で造粒したものや、破砕サファイア（クラックル、クラッシュサファイア等）を用いることができる。

　原料を結晶成長炉内に設置された坩堝５内に装入し、加熱により原料溶融液とする。原料が溶融状態に到達するまでの昇温速度は特に限定されないが、５０～２００℃／時間であることが好ましい。

　結晶引上げ棒２先端の種結晶保持具３に保持された種結晶４を該原料溶融液面に接触させ、ついで徐々に引上げることにより、単結晶体を成長させる。単結晶引上げを実施する際の、種結晶が接触する部分の原料溶融液の温度は、結晶が異常成長を起こさず安定的に成長するためには、必然的に融点よりも僅かに低い温度（過冷却温度）となる。サファイア単結晶の引き上げは、当該温度が２０００～２０５０℃の温度となるように実施することが好ましい。

　引き上げに用いる種結晶４は、サファイア単結晶であり、任意の所望の結晶方位が原料溶融液面と接する先端の鉛直方向となるように形成および保持される。原料溶融液に接触する先端の形状は特に限定されず、平面であってもよく、不特定面で構成されていてもよい。また、種結晶４の側面の形状は任意の形状を特に制限なく選択できるが、円柱状、あるいは四角柱状が好ましい。種結晶４を溶融液面と接触させる際に保持具３からの輻射の影響により種結晶４が溶融することを避けるため、保持具３下端から種結晶４下端までの長さが９０ｍｍ以上である種結晶４を用いることが好ましい。

　また、種結晶４の上端部には、通常、保持具３で保持するための拡大部、くびれ部、及び／又は貫通孔が設けられる。

　種結晶４を原料溶融液に接触させた後、種結晶４および／又は坩堝５の回転数、引上げ速度、高周波コイル９の出力等を制御しながら肩部（拡径部）を形成する。結晶径が所望の結晶径まで拡径した後、当該所望の結晶径を維持するように引き上げを行う。

　本発明における単結晶体直径の制御について図面に基づいて説明する。サファイア単結晶の育成は、サファイアの融点である２０５０℃付近の温度域で行われる。高温の物体からはプランクの放射則に従い光エネルギーが放射される。図３は、プランクの放射則から求められる各温度の放射エネルギーを可視光領域のみ示したグラフである。図３に示すように、物質の温度が上がるに従い、放射される光エネルギーも大きくなる。また、温度が上がるに従い、長波長側、特に６００ｎｍ以上の波長領域で放射される光エネルギーが増大する。

　図４は、一般的なＲＧＢ電子カラーカメラの各感光素子（Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ）の各波長における感度特性を示すグラフである。可視光領域全体に感度を有することが読み取れる。

　サファイアの単結晶育成において、観察対象物である単結晶体や溶融液表面からは、図３中に「２４００Ｋ」として示した放射エネルギーの波長分布を有する光が放射され、カメラはその光エネルギーを感光素子で受光して画像データに変換する。放射される光は長波長領域、特には６００ｎｍ以上の赤色領域において高いエネルギーを有するため、カメラの感光素子が長波長側の光によって感光することにより、得られる画像のコントラストが低下することになる。

　本発明のサファイア単結晶の製造方法においては、長波長側の光を除去することにより、３８０～６２０ｎｍの波長の光の光エネルギーが８０％以上となる画像データを得て、この画像データに基づいて単結晶の直径の解析を行う。なお「長波長側の光を除去する」ことは、必ずしも光学フィルター等の物理的な手段による除去を意味するものではなく、データ処理による除去であってもよい。

　長波長側の光を除去する方法の具体的な形態としては、（ａ）波長６２０ｎｍ超の光を除去する光学フィルターを観察対象物とカメラの間に配置する形態や、（ｂ）カラーカメラに取り込まれた画像データをＲＧＢ分解し、Ｒ成分のみを除去する形態やＲ成分とＢ成分を除去する形態を例示できる。

　（ａ）波長６２０ｎｍ以上の光を除去するフィルターを観察対象物とカメラの間に配置し、コントラストの高い画像を得て直径制御を行う形態について、図１を参照しつつ説明する。上記のようにカメラ等の撮像装置２０は、窓１１を介して観察対象物（ここでは種結晶体、単結晶体や溶融液表面など）の像を撮像している。波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルター１２は窓１１とカメラ２０の間に配置されることによって、カメラ２０の感光素子は波長６２０ｎｍ超の光がカットないし減衰された光を受光する。カメラ２０よって撮影された画像は画像入力装置２１によってコンピュータ等の演算装置に電子データとして取り込まれる。この場合、３８０～６２０ｎｍの波長範囲に感度があればカメラはカラーカメラでもモノクロカメラでもよい。

　波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルターとしては、そのような光学特性を有する商業的に入手可能な光学フィルターを特に制限なく採用可能である。なお、フィルター透過後の光における３８０～６２０ｎｍの波長域の光エネルギーが８０％以上であればよいため、除去する光の波長端が厳密に６２０ｎｍである必要はない。そのような光学フィルターの例としては、朝日分光株式会社製「長波長カットフィルター VIS 610nm」、Edmund Optics社製「TS OD2 ショートパスフィルター 600NM」等を挙げることができる。また短波長側の光エネルギーが十分高ければ、６２０ｎｍよりも短波長の光を一部除去してもよく、例えば、６２０ｎｍを超える波長を有する光に加えて、４５０ｎｍ未満の波長を有する光を除いてもよい。
　さらには、例えば結晶及び溶融液から発せられる光がカメラ感度に対して明るすぎる場合などには、全波長において光エネルギーを減少させてもよい。具体的には、例えばカメラに減光フィルターを取り付けることにより、全波長にわたって光エネルギーを減少させることができる。減光フィルターは種々の減光率のものが多数商業的に入手可能であり、それらを特に制限なく用いることができる。

　上記のように結晶育成に適切な温度で種結晶体を溶融液に接触させると、種結晶体の先端には単結晶体が成長する。カメラ２０による観察対象物である種結晶体、単結晶体、及び溶融液面の画像は上記のようにコンピュータ等の演算装置に電子データとして取り込まれる。取り込まれた画像は、３８０～６２０ｎｍの波長の光の光エネルギーが全体の８０％以上となっている。すなわち、カメラ２０による検出に供される光の光エネルギーのうち８０％以上が波長範囲３８０～６２０ｎｍに存するように、カメラ２０に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光の少なくとも一部が除去されている。取り込まれた画像のコントラストは、画像処理装置２２によって調整される。

　図５は、コントラスト調整後の観察対象物（種結晶体３０、単結晶体３１及び溶融液面３２）の画像の模式図である。また、図５下部には、取り込まれた画像の仮想線Ｌ上の輝度分布を模式的に説明する図を配している。

　コントラスト調整後の画像データは直径演算回路２３に送られて解析される。直径演算回路２３において、該データは、適切な閾値（図５においてはＴＶ線）をもって二値化される。閾値によって単結晶体３１と溶融液面３２との界面３３が検出され、閾値よりも輝度の低い部分の距離が単結晶体の直径Ｄとして算出される。

　算出された直径データは制御装置２４に送られる。制御装置２４は、当該算出された直径データと設定器２５に設定された目標直径との差異から高周波電源１３の出力を調整し、単結晶体の直径を制御する。

　（ｂ）カメラから得られたＲＧＢ画像情報のうちＲ情報を除外して、コントラストの高い画像を得て直径制御を行う形態について、図１を参照しつつ説明する。前記のようにカメラ等の撮像装置２０は、窓１１を介して観察対象物を撮像している。なお、本実施形態のおいては図１中のフィルター１２は配置しない。カメラ２０によって撮影された画像は、画像入力装置２１によってコンピュータ等の演算装置に電子データとして取り込まれる。

　上記のように結晶育成に適切な温度で種結晶体４を原料溶融液に接触させると、種結晶体４の先端には単結晶体３１が成長する。カメラ２０による観察対象物（種結晶体４、単結晶体３１、溶融液面３２）の画像は、上記のようにコンピュータ等の演算装置に電子データとして取り込まれる。画像処理装置２２は取り込まれた画像に対して画像処理を行う。画像処理装置２２は、取り込まれた画像をＲＧＢ分解し、さらにＲ（Ｒｅｄ）成分のみを除去する。画像処理後の画像データは、３８０ｎｍから６２０ｎｍまでの波長の光の光エネルギーが全体の８０％以上となっている。すなわち、画像処理装置２２は、取り込まれた画像データの輝度情報から波長６２０ｎｍ超の光が寄与する成分の少なくとも一部を取り除くことにより二次画像データを生成し、且つ、該二次画像データの生成は、カメラ２０による検出に供された光の光エネルギーのうち８０％以上が、該二次画像データに記録され且つ波長が３８０～６２０ｎｍである光の波長範囲に存するように行われる。その後、画像処理装置２２は、該二次画像データに対してコントラストの調整を施す。
　なお上記においては取り込まれた画像をＲＧＢ分解してＲ成分のみを除去する形態を例示したが、Ｒ成分に加えて例えばＢ（Ｂｌｕｅ）成分を除去する形態とすることも可能である。
　また、本形態（ｂ）においても、上記形態（ａ）と同様に、減光フィルターを用いて、カメラに入射する全ての波長の光を減少させてもよい。

　コントラスト調整後の画像データからの単結晶体３１の直径Ｄの算出方法は、上記（ａ）の形態と同様である。

　種結晶体３０を原料溶融液に接触させた後、拡径によって到達する最終的な直径の値は、製造する単結晶体の大きさによって決定される。ただし一般にチョクラルスキー法の育成においては結晶径が大きいほどサブグレインや微小な気泡が発生しやすい傾向がある。よって、例えば６インチ級の基板を量産するという観点からは、直径１５０～１７０ｍｍまで拡径することが好ましい。

　単結晶体３１の直径Ｄの算出はカメラからの画像を用いて行うが、拡径により単結晶体３１の直径が或る程度大きくなると、溶融液面３２が下降することにより、回転中心３４から単結晶体と溶融液面との界面３３までの距離に誤差が生じる。よってサファイア単結晶の結晶径を或る程度まで拡径した後は、画像解析によって得られる直径の計算値に代えて、ロードセル６からの重量データを解析することにより得られる直径の計算値に基づいて直径制御を行いながらサファイア単結晶を成長させることが好ましい。具体的には単結晶体３１の直径が１００ｍｍ以上となると、上記の誤差が大きくなり、算出される直径の誤差も大きくなる。したがって単結晶体の直径が１００ｍｍ以上、好ましくは６０ｍｍ以上のときには、ロードセル６からの重量データに基づいて直径制御を行うことが望ましい。

　単結晶の引上げは、通常、０．１～２０ｍｍ／時間の速度で行うことができるが、引上げ速度が小さすぎると単位時間あたりの結晶成長量が減少して生産性が低下し、引上げ速度が大きすぎると育成環境の変動が大きくなるためにサブグレインや微小な気泡が発生しやすくなる。生産性と結晶品質の両方を考慮すると、引上げ速度は好ましくは０．５～１０ｍｍ／時間、さらに好ましくは１～５ｍｍ／時間である。

　単結晶の育成中、種結晶４は引上げ棒２を中心として０．１～３０回転／分の速度で回転させることが好ましい。また、種結晶４の回転と同時に、坩堝５を種結晶４の回転方向と逆方向又は同方向に回転させても良く、その回転速度は例えば０．１～３０回転／分等とすることができる。

　単結晶体引上げ中の炉内圧力は、加圧下、常圧下、減圧下のいずれでもよいが、常圧下で行うことが簡便である。炉内の雰囲気としては、窒素、アルゴン等の不活性ガス、または不活性ガスに０～１０体積％の任意の量の酸素を含む雰囲気が好ましい。

　単結晶の直胴部の長さは任意であるが、基板製造用としてはマルチワイヤソーで効率よく加工できるよう、好ましくは２００ｍｍ以上、さらに好ましくは２５０ｍｍ以上である。直胴部の長さが２００ｍｍ未満である場合、マルチワイヤソーで効率よく切断する為には複数のコアを精密に結晶方位を揃えて繋ぎ合わせ、全長を２００ｍｍ以上としてからマルチワイヤソーで切断するといった追加工程を要することになるので、製造効率を低下させ、製造コストの上昇に繋がる。一方、直胴部の長さが５００ｍｍを超える場合には、育成中の炉内のホットゾーンの温度環境変化が大きくなりすぎるため、安定した育成が困難となる傾向がある。

　このようにして所望の直胴部径と長さを有するサファイア単結晶体を引上げた後、該単結晶体を原料溶融液から切り離す。単結晶体を原料溶融液から切り離す方法は特に限定されず、ヒーター出力の増大（原料溶融液の温度の上昇）により切り離す方法、結晶引上げ速度の増加により切り離す方法、坩堝の降下により切り離す方法など、いずれの方法を採用しても良い。なお、単結晶体が原料溶融液から切り離れる瞬間の温度変動（ヒートショック）を小さくするために、ヒーター出力を徐々に上げる、もしくは結晶引上げ速度を徐々に速くすることによって結晶径を徐々に減少させるテール処理を行うことは効果的である。

　原料溶融液から切り離された単結晶体は、炉内から取り出せる程度の温度まで冷却される。冷却速度は速いほうが育成工程の生産性を上げることができるが、速すぎると単結晶体の内部に残留する応力歪みが大きくなり、その結果、冷却時や後の加工時に破砕やひび割れが発生するおそれや、最終的に得られる基板に異常な反りが発生するおそれがある。逆に、冷却速度が遅すぎると結晶育成炉を占有する時間が長くなり、育成工程の生産性が低下する。これらの点を考慮すると、冷却速度としては、１０～２００℃／時間が好ましい。

　以下、具体的な実験例を挙げて本発明の実施態様をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　＜実施例１＞
　チョクラルスキー法結晶引上げ炉に、電子式ＲＧＢカラーカメラ（ソニー製XC-505）、波長６２０ｎｍ超の光をカットするフィルター（Edmund Optics社製「TS OD2 ショートパスフィルター 600NM」）及び、減光フィルター（HOYA製HMCフィルター）を、図１に示すように炉内からの光が該フィルターを介してカメラに入光する配置で設置した（但し、減光フィルターは図示していない）。イリジウム製の坩堝に、出発原料として純度が４Ｎ（９９．９９％）の高純度アルミナ（ＡＫＸ－５　住友化学製）を５０ｋｇ投入した。先端がｃ面である直径１０ｍｍの円柱状の種結晶を用いた。原料を投入した坩堝を高周波誘導加熱方式のチョクラルスキー型結晶引上げ炉内に設置し、炉内を１００Ｐａ以下まで真空排気した後に酸素を１．０体積％含む窒素ガスを大気圧まで導入した。大気圧到達後は、上記と同組成のガスを２．０Ｌ／分で炉内に導入しながら、炉内圧力が大気圧を維持するよう排気を行った。

　画像入力装置、画像処理装置、直径演算回路もカメラからの入力に備えて稼動させた。画像入力装置、画像処理装置、直径演算回路、及び制御装置は、単一の電子計算機によって構成されている。坩堝の加熱を開始し、坩堝内の酸化アルミニウム原料が溶融する温度に到達するまで９時間かけて徐々に加熱した。原料溶融液表面の対流の様子（スポークパターン）を参考にヒーター出力を適宜調整した後、サファイア単結晶の種結晶を、１回転／分の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を原料溶融液に接触させた。種結晶が溶けず、かつ原料溶融液表面に結晶が成長しないようヒーター出力をさらに微調整した。

　カメラによって撮影した種結晶体、単結晶体及び、溶融液面の画像を画像入力装置によりコンピュータに取り込み、画像処理装置によって、コントラスト調整を行った。コントラスト調整を行った画像をモニターに表示し、単結晶体と溶融液の界面が直径演算回路によって算出される直径と一致するように、閾値となる輝度（図５中のＴＶ線を参照）を設定した。これにより直径演算回路は単結晶体の直径を算出した。引上げ速度２ｍｍ／時間の速度で種結晶の引上げを開始した。

　引き上げを開始した後は、設定器から入力された表１に示す育成プログラムを制御装置に実行させ、結晶直径及び結晶引き上げ棒上昇速度が当該育成プログラムに示した目標値となるよう制御装置に炉の運転を制御させながら結晶育成を行った。

　直径演算回路によって算出された引上げ開始後の直径の値を図６に示す。単結晶体の直径データを非常に安定して取得することができた。このデータを基に制御回路にて高周波出力を調整、単結晶体のステップ番号１乃至５の首部及び、肩部を育成した。ステップ番号６番より、直径算出をロードセルからの重量データを基に算出する方法に変更し、肩部、直胴部及び、テール部を前記プログラムに従い育成した。当該育成プログラム終了後、引き上げ軸上昇速度１０ｍｍ／ｍｉｎで単結晶を原料溶融液から切り離した。切り離した単結晶は２０時間かけて室温まで冷却した。その結果、鉛直方向（単結晶体の長手方向）にｃ軸を有する、直径１６０ｍｍ、直胴部の長さが１５０ｍｍのサファイア単結晶体を得た。得られた結晶の直径の実測値を図７に示す。直径の細い首部においても目標直径との差異が少ない結晶が得られた。

　＜実施例２＞
　チョクラルスキー法結晶引上げ炉に実施例１で用いたカメラと同一のカメラを設置した。ただし実施例１とは異なり、カメラと窓との間には減光フィルターのみを設け、波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルターは設置しなかった。カメラによって撮影した種結晶体、単結晶体及び、溶融液面の画像を画像入力装置によりコンピュータに取り込み、画像処理装置によって、ＲＧＢ分解を行い、Ｒ成分のみを除去した画像を取得した後、コントラスト調整を行った。これらの点以外は実施例１と同様に結晶育成を行った。

　直径演算回路によって算出された引上げ開始後の直径の値を図８に示す。単結晶体の直径データが非常に安定して取得できた。得られた結晶の直径の実測値を図９に示す。直径の細い首部においても目標直径との差異が少ない結晶が得られた。

　＜比較例１＞
　カメラと窓との間に波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルターを配置しないこと、及び、画像処理装置においてＲＧＢ分解及びＲ成分の除去を行わず撮影した画像のコントラスト調整のみを行った画像に基づいて直径演算装置に単結晶の直径を演算させたこと以外は実施例１及び２と同様に結晶育成を行った。

　直径演算回路によって算出された引上げ開始後の直径の値を図１０に示す。コントラスト調整後の画像において、スポークパターン部の輝度が単結晶体の輝度と同等となることが多く、輝度の閾値による検出が、単結晶体と溶融液面との界面を正しく検出できない事象が頻繁に発生した。そのため、算出された直径の値のばらつきは非常に大きかった。該算出された直径データを基に制御回路にて高周波電源の出力調整を行ったため、出力の調整が不良となり、ステップ番号３の首部育成中に単結晶体が溶融液面から離れる「界面切れ」を起こし、育成を継続できなかった。

　＜比較例２＞
　ロードセルの重量を基に直径を算出し、直径制御を行ったこと以外は実施例１と同様に結晶育成を行った。得られた結晶の直径の実測値を図１１に示す。直径の細い首部において目標直径との差異が大きく、くびれのある結晶であった。

１：チャンバー
２：単結晶引上げ棒
３：種結晶体保持具
４：種結晶体
５：坩堝
６：ロードセル
７ａ，７ｂ：断熱壁
８：天井板
９：高周波コイル
１１：窓
１２：バンドパスフィルター
１３：高周波電源
２０：カメラ
２１：画像入力装置
２２：画像処理装置
２３：直径演算回路
２４：制御装置
３０：種結晶体
３１：単結晶体
３２：溶融液面
３３：単結晶体と溶融液面の界面
３４：回転中心

Claims (6)

1. 　融液成長法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
   　（ｉ）成長中のサファイア単結晶と原料溶融液との界面を光学的手段によって観察することにより画像データを得る工程と、
   　（ｉｉ）前記工程（ｉ）で得られた画像データを解析することにより、前記サファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程と、
   　（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）で得られた単結晶の結晶径の計算値に基づいて前記サファイア単結晶の結晶径を制御しながら、前記サファイア単結晶を成長させる工程と
   を、結晶成長の少なくとも一部の過程において含み、
   　（Ａ）前記工程（ｉ）が、前記光学的手段による検出に供される光の光エネルギーのうち８０％以上が波長範囲３８０～６２０ｎｍに存するように、前記光学的手段に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光の少なくとも一部を除去する工程を含むか、又は、
   　（Ｂ）前記工程（ｉｉ）が、前記画像データの輝度情報から波長６２０ｎｍ超の光が寄与する成分の少なくとも一部を取り除くことにより二次画像データを生成する工程と、該二次画像データを解析することにより前記サファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程とを含み、前記二次画像データの生成が、前記光学的手段による検出に供された光の光エネルギーのうち８０％以上が、前記二次画像データに記録され且つ波長が３８０～６２０ｎｍである光の波長範囲に存するように行われる、
   サファイア単結晶の製造方法。
2. 　前記光学的手段が、
   　撮像素子と、
   　該撮像素子に入射する光から波長６２０ｎｍ超の光を除去するフィルタと
   を有する、請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
3. 　前記光学的手段が電子的ＲＧＢカラーカメラであり、
   　前記工程（ｉｉ）が、前記ＲＧＢカラーカメラから得られたＲＧＢ画像データから少なくともＲ情報を除外することによって得られるデータに基づいて前記サファイア単結晶の結晶径を計算する工程を含む、請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
4. 　融液成長法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
   　（Ｘ）成長中のサファイア単結晶と原料溶融液との界面の光学的観察に基づいて前記サファイア単結晶の結晶径を制御しながら、前記サファイア単結晶を成長させる工程と、
   　（Ｙ）成長中のサファイア単結晶の重量データに基づいて前記単結晶の結晶径を制御しながら、前記単結晶を成長させる工程と
   を上記順に有し、
   　前記工程（Ｘ）が、前記工程（ｉ）乃至（ｉｉｉ）を含み、且つ、前記要件（Ａ）又は（Ｂ）を満たし、
   　前記工程（Ｙ）が、
   　（Ｙ－ｉ）重量検出手段により、成長中のサファイア単結晶の重量データを得る工程と、
   　（Ｙ－ｉｉ）前記工程（Ｙ－ｉ）で得られた重量データを解析することにより、前記サファイア単結晶の結晶径の計算値を得る工程と、
   　（Ｙ－ｉｉｉ）前記工程（Ｙ－ｉｉ）で得られたサファイア単結晶の結晶径の計算値に基づいて前記サファイア単結晶の結晶径を制御しながら、前記サファイア単結晶を成長させる工程と
   を含む、
   請求項１～３のいずれかに記載のサファイア単結晶の製造方法。
5. 　少なくとも成長中のサファイア単結晶の結晶径が６０ｍｍ未満である間には前記工程（Ｘ）が行われ、
   　少なくとも成長中のサファイア単結晶の結晶径が１００ｍｍ以上である間には前記工程（Ｙ）が行われる、
   請求項４に記載のサファイア単結晶の製造方法。
6. 　前記融液成長法がチョクラルスキー法である、請求項１～５のいずれかに記載のサファイア単結晶の製造方法。

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