JP2014118317A - サファイア単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直ブリッジマン法において、坩堝に遮蔽体を設置することで、カーボン系化合物の坩堝内への混入を抑制し、良質のサファイアインゴットを提供する。
【解決手段】坩堝１３にサファイア原料２１を収容し、サファイア原料２１を融解した後にサファイア原料２１を凝固させてサファイア単結晶を結晶成長させるサファイア単結晶製造装置１０であって、坩堝１３には、坩堝１３を遮蔽し、坩堝１３に収容されたサファイア原料に外部からの異物の混入を防ぐ第一遮蔽体１６と、前記第一遮蔽体上に載置された第二遮蔽体１７とを備える。第一遮蔽体１６により、加熱部１２や断熱材１４を構成する黒鉛や炭素繊維等のカーボン材料から発生するカーボン系化合物の混入を抑制できる。また、第二遮蔽体１７は、輻射率が０．８〜０．９と高い材料であるため、第一遮蔽体１６に熱を効率的に伝えることができ、坩堝１３の温度を結晶成長に最適な温度に保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、サファイア単結晶製造装置に関する。

サファイアは種々の用途に用いられているが、最近、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）向けの基板材料としての需要が増加している。従って、ＬＥＤチップの生産性をあげるために、高品質なインゴットを効率よく安定的に生産できるサファイア単結晶の製造方法、製造装置が求められている。

サファイア単結晶の作製方法としては、エッジデファインドフィルムフェド成長法（ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ Ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法）、キロプロス法（ＫＰ（Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ）法）、チョクラルスキー法（ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法）、および垂直ブリッジマン法などが知られている。

上記垂直ブリッジマン法は、サファイア原料を坩堝の中で融解させ、上部が高温であり下部が低温である温度分布を有する縦型炉の中でその坩堝を降下させてサファイア原料の融液を下方から順次固化させて結晶成長させる、という一方向凝固法である。この垂直ブリッジマン法では、他の作成方法に比べて、低温度勾配下での結晶成長が可能であり、欠陥密度の低い良質の結晶を得ることができる。よって、垂直ブリッジマン法が特に注目されている。

垂直ブリッジマン法によるサファイア単結晶製造装置に関して、断熱材の材料としては、ＣＩＰ材、押出材などの黒鉛、カーボンフェルトなどの炭素繊維などを組み合わせて用いており、坩堝構成材料としては、タングステン、タングステン−モリブデン合金、モリブデンを用いる技術が開示されている（特許文献１）。

特開２０１１−０５７４８２号公報

垂直ブリッジマン法によるサファイア単結晶製造装置の断熱材として用いられるカーボン材料は、高温（２１００〜２４００℃）になると昇華し、カーボンガスの放出や、カーボン粒子の飛散が発生する。

本発明者らが鋭意研究を行った結果、これらカーボン系化合物が、坩堝内のサファイア融液に混入した状態で結晶成長させると、ボイドなどの結晶欠陥になったり、結晶を着色させたりする原因となり、良品インゴットの歩留まりを低下させることがわかった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、垂直ブリッジマン法において、坩堝に遮蔽体を設置することで、カーボン系化合物の坩堝内への混入を抑制し、良質のサファイアインゴットを提供することにある。

本発明に係るサファイア単結晶製造装置は、坩堝にサファイア原料を収容し、前記サファイア原料を融解した後に該サファイア原料を凝固させてサファイア単結晶を結晶成長させるサファイア単結晶製造装置であって、前記坩堝には、該坩堝を遮蔽し、該坩堝に収容された前記サファイア原料に外部からの異物の混入を防ぐ第一遮蔽体が備えられていることを特徴とする。

このような特定事項により、第一遮蔽体によって坩堝が遮蔽されているため、坩堝に収容されたサファイア原料に外部からの異物の混入を防ぐことができる。これにより、サファイア原料を融解した後に凝固させ、良質なサファイア単結晶を製造するサファイア単結晶製造装置を提供することができる。

上記のサファイア単結晶製造装置であって、前記第一遮蔽体には、前記坩堝と接する側と反対面に第二遮蔽体が載置されており、前記第一遮蔽体の材料は、前記サファイア原料よりも融点が高い材料とし、前記第二遮蔽体の材料は、前記第一遮蔽体よりも輻射率が高い材料とすることとする。

また、上記のサファイア単結晶製造装置であって、前記第一遮蔽体は、タングステン、モリブデン、又はこれらを含む合金を主成分とし、前記第二遮蔽体は、炭素を主成分とすることとする。

このような特定事項により、第一遮蔽体はサファイア原料よりも融点が高いため、坩堝が加熱されても、確実に坩堝を遮蔽することができる。これとともに、第二遮蔽体は第一遮蔽体よりも輻射率が高い材料であるため、第二遮蔽体から第一遮蔽体に熱を効率的に伝えることができ、坩堝の温度を結晶成長に最適な温度に保つことができる。

上記のサファイア単結晶製造装置であって、前記第二遮蔽体は、同心円状の複数の遮蔽部材であることとする。

このような特定事項により、第二遮蔽体は同心円状の複数の遮蔽部材であるため、第二遮蔽体が第一遮蔽体に熱を伝えても、坩堝内の温度分布を均一にすることができる。

上記のサファイア単結晶製造装置であって、前記第一遮蔽体は、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は、これらを含む合金を主成分とすることとする。

このような特定事項により、第一遮蔽体は、サファイア原料よりも融点が高く、輻射率も高いため、第一遮蔽体に第二遮蔽体を載置しなくとも、確実に坩堝を遮蔽し、さらに坩堝内の温度を均一にすることができる。

本発明によれば、垂直ブリッジマン法において、坩堝に遮蔽体を設置することで、カーボン系化合物の坩堝内への混入を抑制し、良質のサファイアインゴットを提供できる。

本発明の第一実施形態に係る単結晶製造装置の縦断面を模式的に示す図である。 本発明の第二実施形態に係る単結晶製造装置の縦断面を模式的に示す図である。 本発明の第三実施形態に係る単結晶製造装置の縦断面を模式的に示す図である。 本発明の単結晶製造装置の坩堝の平面図であり、（ａ）は、第一実施形態に係る坩堝の平面図、（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。

[第一実施形態]
以下、本発明のサファイア単結晶製造装置、サファイア単結晶について図面を参照して説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

＜サファイア単結晶製造装置の構成＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る単結晶製造装置１０の縦断面を模式的に示す図、図４（ａ）は、第一実施形態に係る坩堝の平面図である。以下、図１及び図４（ａ）を参照しながら、所定の温度勾配が付与されたチャンバ１１内において原料２１が収容された坩堝１３を結晶成長方向に摺動させることにより、サファイア単結晶の成長を行う場合について説明する。

図１に示す単結晶製造装置１０は、垂直ブリッジマン法により単結晶（以下、インゴットともいう。）を成長させる装置であり、加熱部１２と坩堝１３と断熱材１４とがチャンバ１１内に設けられて構成されている。

チャンバ１１には開口（不図示）が形成されており、必要に応じてチャンバ１１内へガスを供給できる。チャンバ１１の材料は特に限定されないが、原料２１の加熱溶融時においても軟化、溶融、分解または蒸発しない材料であれば良い。また、必要に応じて、チャンバ１１は、水冷パイプなどを巻きつけるなどして冷却してもよい。

加熱部１２は、チャンバ１１内の上方に位置し、かつ、坩堝１３の側方に配置されており、制御部（図示せず）を通じた通電制御により発熱量をコントロールできる（図１参照）。加熱部１２は、融点が３５００℃以上と高い耐熱性を有することから、黒鉛等のカーボン製が好ましい。

断熱材１４は、加熱部１２の周囲に配されており、断熱材１４の形状、断熱性能等を適宜調整することによって、チャンバ１１内の上下方向に温度勾配が形成されている。断熱材１４は、少なくとも３５００℃以上の融点を必要とすることから、炭素繊維等のカーボン製が好ましい。

坩堝１３は、アルミナの原料２１の融点よりも１００℃以上高い融点を持つ材料からなることが好ましく、たとえばタングステン、モリブデン、またはこれらを含む合金などからなれば良い。これにより、原料２１の加熱溶融時における軟化、溶融、分解または蒸発を防止できる。

また、坩堝１３は、少なくとも原料２１が収容可能で、上方に向かって開口する形状を有していれば、形状を特に限定しない。例えば、４インチインゴットを育成する場合は直径１１０ｍｍの円柱型、６インチインゴットを育成する場合は直径１５０ｍｍの円柱型の坩堝１３を用いることができる。この坩堝１３の底部には坩堝１３を支持する支持部材１５が連結されており、支持部材１５が結晶成長方向に沿って上下に動くことにより、坩堝１３が上昇または下降する。また、坩堝１３の上方には、坩堝１３を遮蔽する第一遮蔽体１６と、第一遮蔽体１６上に載置された第二遮蔽体１７とを備える。

第一遮蔽体１６は、少なくとも坩堝１３の開口の全体を覆うことが可能であり、かつ坩堝１３の上下動時に加熱部１２と干渉しないような大きさ及び形状とする。第一遮蔽体１６の厚みは特に指定されないが、５〜２０ｍｍが好ましい。５ｍｍより薄いと特に高温での剛性に問題があり、２０ｍｍより厚いと重量面、コスト面で問題がある。

また、第一遮蔽体１６は、坩堝１３に投入された原料２１の融点付近の温度（サファイアの場合は、２０５０℃）において、溶解しないこと（安定であること）が好ましい。このような観点から、第一遮蔽体１６は、タングステン、モリブデン、又はこれらを含む合金を主成分とする材料が用いられる。

第二遮蔽体１７は、第一遮蔽体１６の全体または一部を覆うことが可能であり、かつ坩堝１３の上下動時に加熱部１２と干渉しないような大きさ及び形状とされる。また、第一遮蔽体１６に載置された第二遮蔽体１７からの輻射により、第一遮蔽体１６に熱が伝わるため、第二遮蔽体１７は第一遮蔽体１６より輻射率が大きいものが好ましい。このような観点から、第二遮蔽体１７は、炭素を主成分とし、輻射率が０．８〜０．９と高い材料が用いられる。

また、第一遮蔽体１６及び第二遮蔽体１７には、これらの両方を貫通する穴を設けることが好ましい。この穴を介して原料２１の融解中に坩堝１３内で発生したアルミナ蒸発物を坩堝１３外に排出することができる。このアルミナ蒸発物を坩堝１３外に排出せずに、坩堝１３内に蓄積すると、アルミナ蒸発物が凝固してインゴット内に取り込まれ、ボイド等の欠陥原因となりうる。穴の大きさは特に指定されないが、直径１〜２０ｍｍが好ましい。５ｍｍより小さいと穴がアルミナ蒸発物で閉塞されうる。また２０ｍｍより大きいと、カーボン系化合物混入抑制の効果が小さくなる。

＜サファイア単結晶製造装置の動作＞
まず、原料２１を坩堝１３内に収容した後、その坩堝１３をチャンバ１１内に導入する。その後、支持部材１５を稼働して坩堝１３を適切な速度で上昇させ、加熱部１２に導入する。なお、チャンバ１１内には、チャンバ１１内の上部から下部に向けて適切な温度勾配を付与した領域が設けられている。これにより、坩堝１３内の原料２１は、加熱部１２により一旦溶解する。なお、原料２１の主成分であるアルミナ（Ａ１₂Ｏ₃）の融解温度が約２０５０℃であるので、チャンバ１１内の最高温度をアルミナの溶解温度よりも高い２０６０〜２１００℃程度とすることが好適である。つまり、加熱部１２の設定温度を２０６０〜２１００℃に設定する。

ここで、加熱部１２や断熱材１４を構成する黒鉛や炭素繊維等のカーボン材料は、高温（２１００〜２４００℃）になると昇華し、カーボンガスや、カーボン粒子が発生する。これらカーボン系化合物が、坩堝１３内のサファイア融液に混入した状態で結晶化すると、ボイドなどの結晶欠陥や、結晶着色の原因となる。

しかし、坩堝１３には、第一遮蔽体１６と、第一遮蔽体１６上に設置された第二遮蔽体１７とを備えるため、第一遮蔽体１６によりカーボン系化合物混入を抑制できる。また、第二遮蔽体１７は、輻射率が０．８〜０．９と高い材料であるため、第一遮蔽体１６に熱を効率的に伝えることができ、坩堝１３の温度を結晶成長に最適な温度に保つことができる。その後、この領域内において、原料２１が収容された坩堝１３をチャンバ１１内の上部から下部に向けて適切な速度で移動させる。これにより、坩堝１３内の原料２１は、加熱部１２により一旦溶解したのち、一方向に凝固してサファイアインゴットが製造される。

以上説明したとおり、本実施形態においては、第一遮蔽体１６と、第一遮蔽体１６上に載置された第二遮蔽体１７とを備えるている。ここで、第一遮蔽体１６のみを備える場合には、カーボン系化合物混入は抑制できるものの、第一遮蔽体１６を構成する材料の赤外域における輻射率が０．１〜０．３と低いため、第一遮蔽体１６がない場合に比べて坩堝１３内の温度が低下する。その結果、融解に必要な電源電力が増加し、装置コスト、ランニングコストの増大をもたらす。

一方、第二遮蔽体１７のみを備える場合には、第二遮蔽体１７自体が輻射熱により加熱され、カーボン系化合物の発生源となり得るので、坩堝１３内へのカーボン系化合物混入の抑制効果は小さい。

これに対し、本実施形態には上記したように、第一遮蔽体１６と第二遮蔽体とを備えるため、第一遮蔽体１６によりカーボン系化合物混入を抑制できるとともに、輻射率が０．８〜０．９と高い材料である第二遮蔽体１７からの熱伝導により第一遮蔽体１６及び第一遮蔽体１６に接する坩堝１３に熱が伝わるため、第一遮蔽体１６のみの場合に起こる必要電源電力の増加は起こらずに、坩堝１３の温度を結晶成長に最適な温度に保つことができる。

これにより、坩堝１３の開口を第一遮蔽体１６で遮蔽し、第一遮蔽体１６上に第二遮蔽体１７を載置することにより、カーボン系化合物の坩堝１３内への混入を抑制し、良質のサファイアインゴットを提供することができる。

なお、本実施形態において、坩堝１３に収容する収容物は、原料２１のみとして説明したが、製造されるサファイアインゴットの結晶軸を制御するために、適切な方位の種結晶を坩堝１３内に配置しておくことが好ましい。例えば、上下方向（坩堝移動方向）にｃ軸配向した種結晶を坩堝１３に収容した後に、種結晶上に原料２１を収容し、この種結晶及び原料２１を融解し冷却することで、サファイア単結晶の成長方位をｃ軸に沿うように調整することができる。

また、坩堝１３の降下速度は、０．１ｍｍ／ｈ以上５０ｍｍ／ｈ程度とすることが好ましい。坩堝１３の降下速度が０．１ｍｍ／ｈに満たなければ、単結晶の育成は可能であるが、単結晶の生産性が著しく低下することがある。一方、坩堝１３の降下速度が５０ｍｍ／ｈを超えると、坩堝１３の径方向中央付近から坩堝１３の側壁へ向かう方向の成長が十分に完了しない状態で凝固されるため、内部応力が大きくなって欠陥を多く含んだり、多結晶化しやすくなる。

また、サファイア単結晶の結晶成長を行う際、高温環境下（たとえば２０６０℃〜２１００℃）における坩堝１３の軟化や融解以外にも坩堝１３の分解や蒸発を抑制すべく、成長時の雰囲気を制御することも非常に重要である。特に、本発明においては、酸素による坩堝１３の変質を抑制するため、アルゴン、窒素、あるいはヘリウム等の不活性ガス雰囲気で結晶成長を行うことが好ましい。これらのガスはチャンバ１１に形成された開口（上述）から供給されれば良い。一方、雰囲気内の酸素濃度が低すぎると、成長したサファイア単結晶内において、酸素空孔（酸素の格子空孔）による欠陥が発生する虞がある。そのため、坩堝１３の変質などに影響が及ばない程度の分圧で、微量の酸素を添加してもよい。

[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

本実施形態では、第一実施形態のサファイア単結晶製造装置と比較して、第二遮蔽体の形状のみが異なるため、以下、その相違点について図２及び図４（ｂ）を参照しながら説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

図２は、本発明の第二実施形態に係る単結晶製造装置１０の縦断面を模式的に示す図、図４（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。

元来、垂直ブリッジマン法では、坩堝１３の側壁と加熱されて液化した原料２１とが直接接するため、原料２１を凝固した際に、坩堝１３の側壁に接する部分でサファイアインゴットの欠陥等が生じやすい。

サファイアインゴットの欠陥等の抑制には、坩堝１３の温度分布を欠陥を抑制する温度分布とすることが要求される。つまり、坩堝１３の径方向における温度を坩堝１３の中央から側壁に亘って緩やかに高くする必要がある。

ここで、坩堝１３の径方向における温度が坩堝１３の中央よりも側壁側が高くなりすぎた場合は、坩堝１３の中央から坩堝１３の側壁に向かう方向の成長速度が速くなりすぎて、内部応力の増加をもたらす。この内部応力を緩和させる方向にサファイアインゴット内で力が働くために、サファイアインゴット内に転位などの欠陥等が発生する。

一方、坩堝１３の径方向における温度が坩堝１３の中央と坩堝１３の側壁とで変わらない場合（温度分布がフラットな場合）は、坩堝１３の中央から坩堝１３の側壁に向かう方向の成長速度が遅くなり、坩堝１３の側壁付近で核生成が起こるため、サファイアインゴットの欠陥等が発生する。

そこで、本実施形態では、第一実施形態の第二遮蔽体１７と形状を異なるものとしている（図４（ａ）参照）。すなわち、本実施形態では、第二遮蔽体は第一遮蔽体１６の上に一体に形成され、同心円状の複数の遮蔽部材１８で構成されている（図４（ｂ）参照）。

これにより、遮蔽部材１８が同心円状に配置されているため、遮蔽部材１８から第一遮蔽体１６に均一に温度が伝わることとなり、欠陥を発生させない適度な温度分布を実現させることができる。

なお、遮蔽部材１８の形状及び配置は適宜調整することが可能である。つまり、坩堝１３内の温度分布の観点から、遮蔽部材１８は同心円状の配置が最適な配置であるが、この配置・形状に限られない。

[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

本実施形態では、第一実施形態のサファイア単結晶製造装置と比較して、第二遮蔽体の有無のみが異なるため、以下、その相違点について図３を参照しながら説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

図３は、本発明の第三実施形態に係る単結晶製造装置１０の縦断面を模式的に示す図である。

坩堝１３の上方に第一遮蔽体１６のみを備える。ここで、坩堝１３の遮蔽を第一遮蔽体１６のみで行う場合、カーボン系化合物混入は抑制できるものの、第一遮蔽体１６を構成する材料がモリブデン、タングステン等の炭素を含まない材料である場合は、赤外域における輻射率が０．１〜０．３と低いため、熱が効率的に坩堝１３に伝わらず、坩堝１３内の温度が低下する。その結果、原料２１の融解に必要な電源電力が増加し、装置コスト、ランニングコストの増大をもたらす。

しかし、本実施形態では、第一遮蔽体１６には、炭化タングステン、炭化モリブデン、又はこれらを含む合金が用いられており、これらの材料の輻射率は０．６程度と炭素より小さいものの、タングステンよりは十分大きく、第一遮蔽体１６としてタングステン、モリブデン、またはこれらを含む合金を主成分とする材料を用いた場合に生じる必要電源電力の増加は起こらない。

また、炭化タングステン、炭化モリブデン、またはこれらを含む合金は高温での特性安定性が高く、第一遮蔽体１６としてタングステン、モリブデン、またはこれらを含む合金を主成分とする材料を用いた場合と同程度の、坩堝１３内へのカーボン系化合物混入の抑制効果がある。

従って、第一遮蔽体１６として炭化タングステン、炭化モリブデン、またはこれらを含む合金を主成分とする材料を用いれば、第一実施形態や第二実施形態に記載した、第二遮蔽体１７を載置する必要がなくなり、部材コストダウンが可能である。

以上説明したとおり、坩堝１３の開口に第一遮蔽体１６を備え、第一遮蔽体１６に、炭化タングステン、炭化モリブデン、またはこれらを含む合金を主成分とする材料を用いることで、カーボン系化合物の坩堝１３内への混入を抑制し、良質のサファイアインゴットを提供することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ サファイア単結晶製造装置
１１ チャンバ
１２ 加熱部
１３ 坩堝
１４ 断熱材
１５ 支持部材
１６ 第一遮蔽体
１７ 第二遮蔽体
１８ 遮蔽部材
２１ 原料

Claims (5)

1. 坩堝にサファイア原料を収容し、前記サファイア原料を融解した後に該サファイア原料を凝固させてサファイア単結晶を結晶成長させるサファイア単結晶製造装置であって、
   前記坩堝には、該坩堝を遮蔽し、該坩堝に収容された前記サファイア原料に外部からの異物の混入を防ぐ第一遮蔽体
   が備えられていることを特徴とするサファイア単結晶製造装置。
2. 請求項１に記載のサファイア単結晶製造装置であって、
   前記第一遮蔽体には、前記坩堝と接する側と反対面に第二遮蔽体が載置されており、
   前記第一遮蔽体の材料は、前記サファイア原料よりも融点が高い材料とし、
   前記第二遮蔽体の材料は、前記第一遮蔽体よりも輻射率が高い材料とすること
   を特徴とするサファイア単結晶製造装置。
3. 請求項２に記載のサファイア単結晶製造装置であって、
   前記第二遮蔽体は、同心円状の複数の遮蔽部材であること
   を特徴とするサファイア単結晶製造装置。
4. 請求項２又は３に記載のサファイア単結晶製造装置であって、
   前記第一遮蔽体は、タングステン、モリブデン、又はこれらを含む合金を主成分とし、
   前記第二遮蔽体は、炭素を主成分とすること
   を特徴とするサファイア単結晶製造装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載のサファイア単結晶製造装置であって、
   前記第一遮蔽体は、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は、これらを含む合金を主成分とすることを特徴とするサファイア単結晶製造装置。

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