JP2011011950A - サファイア単結晶の製造方法、当該方法で得られたサファイア単結晶及びサファイア単結晶の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶成長によって製造された塊状のサファイア単結晶の結晶欠陥の除去を図り、塊状のサファイア単結晶から得るサファイア製品の収率を向上させる方法を提供する。
【解決手段】塊状のサファイア単結晶であるサファイアインゴットを製造する「サファイア単結晶成長工程」Ｓ１０１を行う。次に、サファイア単結晶成長工程Ｓ１０１にて得られたサファイアインゴットに対して加熱処理を施す「インゴットの加熱工程」Ｓ１０２を行う。その後、加熱処理が施されたサファイアインゴットに対して機械加工を施す「インゴットの加工工程」Ｓ１０３を行う。ここで、インゴットの加熱工程Ｓ１０２において、大気以上の酸素濃度に高められた雰囲気中によってサファイアインゴットの加熱を行う。こうすることで、サファイアインゴットに機械加工を行う際に生じる、サファイアインゴットのクラックの発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サファイア単結晶の製造方法、当該方法で得られたサファイア単結晶及びサファイア単結晶の加工方法に関する。

近年、サファイア単結晶は、例えば青色ＬＥＤを製造する際のＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ等）のエピ膜成長用の基板材料として広く利用されている。また、サファイア単結晶は、例えば液晶プロジェクタに用いられる偏光子の保持部材等としても広く用いられている。

このようなサファイア単結晶の板材すなわちウエハは、一般的には、塊状のサファイア単結晶から所定の厚さに切り出すことによって得る。塊状のサファイア単結晶を製造する方法については種々の提案がなされているが、その結晶特性が良いことや大きな結晶径のものを得やすいということから、溶融固化法で製造されることが多い。特に、溶融固化法の一つであるチョクラルスキー法（Ｃｚ法）が広く用いられている。

チョクラルスキー法によって、塊状のサファイア単結晶を製造するには、まず坩堝に酸化アルミニウムの原料を充填し、高周波誘導加熱法や抵抗加熱法によって坩堝を加熱し原料を溶融する。原料を溶融した後、所定の結晶方位に切り出した種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら所定の速度で上方に引き上げて単結晶を成長させる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２０７９９２号公報

ところで、結晶成長によって育成された塊状のサファイア単結晶は、その後、製品として用いる部分を残し、他の部分を切断するなどの機械加工が施される。さらに、例えば塊状のサファイア単結晶から板状のサファイア基板を得る場合には、塊状のサファイア単結晶に切断（スライス）加工を行うことで、複数の板状のサファイア単結晶に分割する。ここで、塊状のサファイア単結晶に上記のような機械加工を施す際に、加工対象となる塊状のサファイア単結晶に結晶歪みが生じていると、塊状のサファイア単結晶にクラックなどの損傷が発生し易くなる。通常、塊状のサファイア単結晶にクラックなどの損傷が生じると、クラックが生じている部分は廃棄し、残りの部分を製品として利用することとなる。
多くの溶融固化法から製造された塊状のサファイア単結晶には、単結晶製造工程における熱応力に起因する結晶歪みが生じやすく、その後の機械加工を施す際に塊状のサファイア単結晶にクラックなどの損傷を生じやすいという問題があった。

本発明は、結晶成長によって製造された塊状のサファイア単結晶の結晶歪みの除去を図り、塊状のサファイア単結晶から得るサファイア製品の収率を安定して向上させることを目的とする。

かかる目的のもと、本発明が適用されるサファイア単結晶の製造方法は、機械加工の対象となる塊状のサファイア単結晶を、塊状のサファイア単結晶を加熱するための加熱装置内に設置する第１の工程と、加熱装置内に設置された塊状のサファイア単結晶を、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも１種を含む雰囲気中で加熱する第２の工程とを備えることを特徴とする。

このようなサファイア単結晶の製造方法において、第２の工程における雰囲気は、大気以上の酸素濃度に高められた雰囲気中で行われることを特徴とすることができる。
この場合、酸素以外として、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも１種を用いることができる。
本発明においては、製造コストの面で好ましくは酸素濃度が２１体積％（大気）以上の酸素を含む酸素／窒素混合系の雰囲気ガスを用いることができる。

また、このようなサファイア単結晶の製造方法において、第２の工程における雰囲気の酸素濃度は、２３体積％以上であることを特徴とすることができる。さらに、第２の工程における雰囲気は、１５００℃以上１８００℃未満に加熱されることを特徴とすることができる。そして、第２の工程は、３０時間以上継続されることを特徴とすることができる。

また、第１の工程では、２以上の板状のサファイア単結晶を得るための機械加工の対象となる塊状のサファイア単結晶を用いることを特徴とすることができる。さらに、第１の工程では、引き上げ法によって製造された得られた塊状のサファイア単結晶を用いることを特徴とすることができる。

別の観点から、本発明は、前記記載のサファイア単結晶の製造方法によって製造されたサファイア単結晶、及びサファイア単結晶の製造方法を経た後に、機械加工を施すサファイア単結晶の加工方法を提供することができる。

本発明によれば、結晶成長によって製造された塊状のサファイア単結晶の結晶歪みの除去が図れ、塊状のサファイア単結晶から得るサファイア製品の収率を安定して向上させることが可能となる。特に、４インチ以上の大口径の塊状サファイア単結晶から得られるサファイア製品の収率を安定的に向上させることができる。また、４インチ以上の大口径のｃ軸サファイア単結晶引上げの製造方法においては、格段に収率を向上させることができる。

本実施形態におけるサファイアインゴットの製造手順の一例を説明するためのフローチャートである。 単結晶引き上げ装置の構成を説明するための一例の図である。 インゴットの加工工程を説明するための一例の図である。 加熱装置の全体構成を説明するための一例の図である。 本実施形態におけるインゴットの加熱工程について説明するための一例の図である。 加熱時の雰囲気条件について説明するための一例の図である。 保持温度の条件について説明するための一例の図である。 保持時間の条件について説明するための一例の図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態におけるサファイアインゴットの製造手順の一例を説明するためのフローチャートである。
本実施形態では、図１に示すように、サファイア単結晶の結晶成長を行って、塊状のサファイア単結晶（以下、サファイアインゴット１０と呼ぶ。）を作製する「サファイア単結晶成長工程」を行う（ステップ１０１）。次に、サファイア単結晶成長工程にて得られたサファイアインゴット１０に対して加熱処理を施す「インゴットの加熱工程」を行う（ステップ１０２）。そして、加熱処理が施されたサファイアインゴット１０に対して機械加工を施す「インゴットの加工工程」を行う（ステップ１０３）。

＜サファイア単結晶成長工程＞
図２は、単結晶引き上げ装置３の構成を説明するための一例の図である。
図２に示す単結晶引き上げ装置３は、サファイア単結晶成長工程において用いられるものである。本実施形態の単結晶引き上げ装置３は、融液凝固法の一つであるチョクラルスキー（Ｃｚ）法によりサファイア単結晶の育成を行うものである。本実施形態の単結晶引き上げ装置３は、図２に示すように、断熱容器３１、るつぼ３２、加熱コイル３３、引き上げ棒４０及び種結晶ホルダ４１を備えている。
断熱容器３１は、円柱状の外形を有しており、その内部には円柱状の空間が形成されている。また、断熱容器３１は、ジルコニア製の断熱材からなる部品を組み立てることで構成されている。るつぼ３２は、断熱容器３１の内側下方に設けられ、酸化アルミニウムを溶融してなるアルミナ融液１００を収容する。るつぼ３２は、図２に示すように、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。

加熱コイル３３は、断熱容器３１を挟んでるつぼ３２の壁面と対向するように配置されている。そして、加熱コイル３３は、下側端部がるつぼ３２の下端よりも下側に位置するように、上側端部はるつぼ３２の上端よりも上側に位置するように配置されている。
加熱コイル３３は、高周波の交流電流が供給されると、るつぼ３２内に渦電流を発生させる。そうすると、るつぼ３２ではジュール熱が発生し、るつぼ３２が加熱されることになる。そして、るつぼ３２の加熱に伴ってるつぼ３２内に収容される酸化アルミニウムがその融点（約２０５０℃）を超えて加熱されると、るつぼ３２内において酸化アルミニウムが溶融しアルミナ融液１００となる。

引き上げ棒４０は、断熱容器３１の上方から下方に伸びている。引き上げ棒４０は、例えばステンレス等の金属棒にて構成されており、鉛直方向への移動及び軸を中心とする回転が可能となるように取り付けられている。また、引き上げ棒４０のるつぼ３２と対向する側には、後述する種結晶１１を取り付けるための種結晶ホルダ４１が設けられている。

そして、引き上げ棒４０は、引き上げ棒４０を鉛直上方に引き上げるための引き上げ駆動部（不図示）、及び引き上げ棒４０を回転させるための回転駆動部（不図示）に接続されている。なお、引き上げ駆動部はモータで構成されており、引き上げ棒４０の引き上げ速度を調整できるようになっている。また、回転駆動部もモータで構成されており、引き上げ棒４０の回転速度を調整できるようになっている。

上述のように構成される単結晶引き上げ装置３によって、サファイア単結晶成長をさせるには、まず、原料となる酸化アルミニウムをるつぼ３２に投入する。そして、加熱コイル３３に通電を行うことでるつぼ３２が誘導加熱され、るつぼ３２内の酸化アルミニウムが融解し、るつぼ３２にアルミナ融液が充填される。その後、るつぼ３２内のアルミナ融液にサファイア単結晶からなる種結晶１１を接触させ、種結晶１１を回転させながら上方に引き上げることで、種結晶１１に順次サファイア単結晶を成長させる。なお、本実施形態では、サファイアインゴット１０のサイズが、引き上げ方向の長さが約３０ｃｍ、最大径（引き上げ方向と直交する断面の幅）が十数ｃｍとなるように育成する。また、本実施形態では、サファイアインゴット１０のサイズが、引き上げ方向の長さが約３０ｃｍ以上、最大径が十数ｃｍ以上になるように育成することができる。
そして、成長したサファイア単結晶すなわちサファイアインゴット１０を取り出し、冷却することでサファイア単結晶成長工程が完了する。
なお、製造後のサファイアインゴット１０は、結晶成長初期に形成される肩部１２と、製品として利用する部位として形成される直胴部１３と、肩部１２の逆側に形成される尾部１４とを有している（後述する図３（ａ）参照）。

＜インゴットの加熱工程＞
インゴットの加熱工程は、上述のサファイア単結晶成長工程において得られたサファイアインゴット１０に対して加熱処理を行うものである。インゴットの加熱工程は、サファイアインゴット１０における結晶歪みの除去を図るための工程である。このように、サファイアインゴット１０を加熱処理し、その結晶歪みを除去することで、例えば後述のインゴットの加工工程を行う際における機械加工の衝撃に伴ったサファイアインゴット１０の損傷を抑制することができる。なお、このインゴットの加熱工程については、後に詳しく説明する。

＜インゴットの加工工程＞
図３は、インゴットの加工工程を説明するための一例の図である。
インゴットの加工工程は、インゴットの加熱工程を経たサファイアインゴット１０に対して機械加工を施すものである。具体的には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、製品として利用する直胴部１３を残し、内周刀切断機などを用いてサファイアインゴット１０から肩部１２及び尾部１４を切断する。そして、図３（ｃ）に示すように、サファイアインゴット１０の側面に形成される凹凸を切除するように、直胴部１３に対して外周研削を行う。

さらに、サファイアインゴット１０を所望とする形状に加工することで、半導体装置の基板や機械部品等の製品として用いる。例えば、サファイアインゴット１０を引き上げ方向（図３（ｃ）に示すサファイアインゴット１０の長手方向）と直交する方向に切断することにより、図３（ｄ）に示すように板状のサファイア単結晶であるサファイアウエハ１５が得られる。なお、本実施形態では、サファイアインゴット１０をｃ軸方向に結晶成長させていることから、得られるサファイアウエハ１５の主面はｃ面（（０００１）面）となる。そして、例えば青色ＬＥＤ（発光ダイオード）の基板としてサファイアウエハ１５を利用する場合には、そのサファイアウエハ１５にＡｌＮ膜、ＧａＮ膜、ＩｎＧａＮ膜などの半導体層が適宜成膜される。

続いて、インゴットの加熱工程（昇温工程、温度保持工程、降温工程）について詳しく説明する。なお、本実施形態では、窒素及び酸素からなる群から選ばれた少なくとも１種を含む雰囲気で加熱工程が主に行われる。
図４は、加熱装置２の全体構成を説明するための一例の図である。
図４に示す加熱装置２は、インゴットの加熱工程において、サファイアインゴット１０を加熱するために用いるものである。加熱装置２は、図４に示すように、炉室２１と、サファイアインゴット１０を載せる積載台２２と、熱源となるヒータ２３と、ヒータ２３の加熱温度などを制御する制御部２４、炉室２１内に、例えば酸素ガス及び窒素ガスとを含む雰囲気ガスを供給するガス供給部２５と、炉室２１内の雰囲気ガスを排気するガス排気部２７とを備える。
なお、本実施形態のガス供給部２５は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも１種を含む雰囲気ガスを作り、炉室２１内に供給することができる。

本実施形態の積載台２２は、サファイアインゴット１０を載せる台である。本実施形態では、サファイアインゴット１０を加熱対象とするため、積載台２２をサファイアインゴット１０と同種となる酸化アルミニウム製としている。こうすることで、サファイアインゴット１０の加熱時において、サファイアインゴット１０に酸化アルミニウム以外の異物が付着することを防止している。例えば、積載台２２を酸化アルミニウム以外の材料によって構成した場合、その積載台２２の材料とサファイアインゴット１０とが反応したり、その材料と雰囲気ガスとが反応したりすることで、サファイアインゴット１０に異物が付着するおそれがある。そこで、本実施形態では、積載台２２をサファイアインゴット１０と同種の酸化アルミニウム製としている。

また、積載台２２をサファイアインゴット１０と同じ材料とすることにより、両者の熱伝導率が等しくなる。こうすることで、本実施形態では、例えばサファイアインゴット１０の積載台２２と接触する部位の温度が他の部分よりも高くなること、あるいは低くなることを抑制し、サファイアインゴット１０が均一に加熱されるように構成している。

ガス供給部２５は、ガス供給管２５１を介して炉室２１の内部に雰囲気ガスを供給するものである。本実施の形態において、ガス供給部２５は、例えば、Ｏ₂源２６１から供給される酸素とＮ_２源２６２から供給される不活性ガスの一例としての窒素とを混合した混合ガスを供給できるようになっている。そして、ガス供給部２５は、酸素と窒素との混合比を可変することで混合ガス中の酸素の濃度の調整が可能となっており、また、炉室２１の内部に供給する混合ガスの流量の調整も可能となっている。

ガス排気部２７は、ガス排気管２７１を介して炉室２１の内部から雰囲気ガスを排出する。ガス排気部２７は、例えばポンプ等で構成されており、炉室２１の内部から排出する雰囲気ガスの流量の調整も可能となっている。

ヒータ２３は、炉室２１内の雰囲気ガスを加熱し、その雰囲気ガスを介してサファイアインゴット１０の加熱を行う。また、本実施形態のヒータ２３には、セラミックヒータを用いている。ヒータ２３には、適宜各種熱源を用いて構わない。ただし、後述するように、本実施形態では、炉室２１内の雰囲気ガスの酸素濃度を大気以上に設定しながら、サファイアインゴット１０の加熱を行う。そこで、本実施形態では、高酸素雰囲気下において用いられる場合であっても、劣化等の影響が小さいセラミックヒータを用いている。

制御部２４は、後述する保持温度Ｔ１、加熱における保持時間ｔ、昇温レート（単位時間当たりの上昇温度）、降温レート（単位時間当たりの降下温度）などの設定を受け付け、炉室２１内の温度や、サファイアインゴット１０の温度等に基づいてヒータ２３の加熱温度の制御を行う。また、制御部２４は、炉室２１内の酸素濃度を所定の条件とするために、ガス供給部２５によるガスの供給量の調整、あるいはガス排気部２７によるガスの排出量の調整も行う。
なお、図示はしていないが、加熱装置２には、炉室２１内の雰囲気ガスの温度を測定する温度計や、炉室２１内の雰囲気ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度検知装置が適宜設けられている。また、加熱装置２にサファイアインゴット１０自体の温度を検知する温度検知装置を設け、サファイアインゴット１０の温度を直接的に検出するように構成しても良い。

図５は、本実施形態におけるインゴットの加熱工程について説明するための一例の図である。
まず、図４を参照しながら説明したように、加熱装置２の炉室２１内に設けられる積載台２２にサファイアインゴット１０を設置する（第１の工程）。そして、以下に説明するように、温度を上昇させる昇温工程Ｐ１、所定の温度を一定時間維持する温度保持工程Ｐ２、所定の温度から下げる降温工程Ｐ３を経ることにより、サファイアインゴット１０に加熱処理を施す（第２の工程）。
なお、以下の説明では、温度保持工程Ｐ２において保持する温度を「保持温度Ｔ１」と呼び、サファイアインゴット１０の温度を保持温度Ｔ１に維持する時間を「保持時間ｔ」と呼ぶ。

（昇温工程）
まず、ガス供給部２５及びガス排気部２７を調整することによって、炉室２１内の雰囲気ガスにおける酸素濃度が例えば、２１体積％濃度（大気並）あるいはそれ以上の濃度となるように、炉室２１内の雰囲気条件を調整する。そして、ヒータ２３の加熱を開始することにより、図５に示すように、炉室２１内の雰囲気ガスの温度が初期温度Ｔ０（例えば常温の２５℃）から保持温度Ｔ１になるように、ヒータ２３を制御する。なお、本実施形態では、保持温度Ｔ１は例えば１６００℃に設定している。また、本実施形態において、加熱時における炉室２１内の雰囲気条件は、例えば、大気中の酸素濃度（２１体積％）以上になるように設定している。

なお、初期温度Ｔ０から保持温度Ｔ１まで上昇させるまでの時間は、雰囲気条件にも依存するものの、例えば昇温レートに基づいて設定する。本実施形態では、例えば、昇温レートを２℃／分としている。本発明においては、昇温レートは雰囲気条件にも依存し、特に限定されるものではないが、通常、大気雰囲気中では０．５℃／分以上５０℃／分未満の範囲において任意に設定することが好ましく、また１℃／分以上５℃／分未満の範囲にすることが望ましい。
また、下限を０．５℃／分以下に設定すると当該工程における時間が長くなり製品の生産性が悪くなり、コスト面においても実行的ではない。５０℃／分を超えるレートの場合にはサファイアインゴット１０内に大きな温度勾配を生じ熱応力が発生してしまう。
さらに、昇温工程Ｐ１では、図５に示すように初期温度Ｔ０から保持温度Ｔ１に一段で昇温させてもよく、また複数の昇温工程を含む複数段の工程を経て初期温度Ｔ０から保持温度Ｔ１に昇温させても良い。

（温度保持工程）
温度保持工程Ｐ２では、雰囲気ガスの温度を保持温度Ｔ１に維持する。本実施形態では、例えば、この保持温度Ｔ１を１６００℃としている。さらに、炉室２１内の温度がこの保持温度Ｔ１を維持するように制御しながら、温度保持工程Ｐ２を５０時間継続させる。なお、保持温度Ｔ１は、１５００℃以上１８００℃未満に設定することが好ましい。また、保持時間ｔは、例えば３０時間以上に設定することが好ましい。

（降温工程）
降温工程Ｐ３では、温度保持工程Ｐ２において保持時間ｔが経過した後、サファイアインゴット１０の温度を保持温度Ｔ１から降下させる。なお、本発明においては、降温レートは、特に限定されるものではないが、０．５℃／分以上２℃／分未満とすることが望ましい。
なお、昇温レートと降温レートとの大小関係を上記のように設定した理由は、これらのレートが大き過ぎると熱衝撃によりサファイアインゴット１０にクラックが生じてしまう恐れがあり、特に降温時の方が熱衝撃を受け易いので、降温レートを昇温レートより遅くすることが好ましい。また、昇温工程及び降温工程において、下限が０．５℃／分以下とすると当該工程における時間が長くなり製品の生産性が悪くなり、コスト面においても実行的ではない。

次に、上述したサファイアインゴット１０の加熱工程における加熱条件についての詳細な説明を行う。
以下では、サファイアインゴット１０の加熱工程における、雰囲気ガスの酸素濃度、保持温度Ｔ１、及び保持時間ｔについての好ましい条件の例を挙げる。
本発明者らは、サファイア単結晶成長工程を経たサファイアインゴット１０を用い、雰囲気条件、保持温度Ｔ１及び保持時間ｔを異ならせたインゴットの加熱工程を行った。これにより、各条件に基づいて作製された複数のサファイアインゴット１０を得た。そして、得られた複数のサファイアインゴット１０のサンプルに対して、インゴットの加工工程と同様に、肩部１２及び尾部１４を切断する加工を行った。そして、切断によってクラックが発生する割合に基づいて、４段階の評価（Ａ評価、Ｂ評価、Ｃ評価、Ｄ評価）を行った。

ここで、Ａ評価は、クラックの発生率が１０％未満となったものである。
Ｂ評価は、クラックの発生率が１０％以上４０％未満となったものである。
Ｃ評価は、クラックの発生率が４０％以上７０％未満となったものである。
Ｄ評価は、クラックの発生率が７０％以上となったものである。

図６は、加熱時の雰囲気条件について説明するための一例の図である。
インゴットの加熱工程において、加熱時の雰囲気（加熱装置２における炉室２１内の雰囲気）の条件を異ならせて複数のサファイアインゴット１０を作製し、各条件にて得られたサファイアインゴット１０の評価を行った。なお、図６に示す例では、保持温度Ｔ１を１６００℃とし、保持時間ｔを５０時間に設定している。
図６に示すように、酸素濃度を０体積％、５体積％及び１０体積％に設定した場合では、その評価がＤ評価となった。酸素濃度を上記の範囲に設定してインゴットの加熱工程を行った場合には、多数のサンプルにおいてクラックが発生した。上記の酸素濃度の条件では、サファイアインゴット１０に生じている結晶歪みを除去するには、酸素濃度が十分でないことが伺える。

次に、酸素濃度を１５体積％に設定した場合では、その評価がＣ評価となった。酸素濃度を１５体積％にすることで、クラックの発生率が若干ながら抑えることができると分かった。しかしながら、約半数以上のサンプルにおいてクラックが発生していることから、この酸素濃度の条件であっても、結晶歪みを除去するにあたっては、酸素濃度が不十分であることが分かった。

そして、酸素濃度を２１体積％に設定した場合では、その評価はＢ評価となった。つまり、酸素濃度を大気雰囲気と同じとなる２１体積％に設定した場合は、上記までの酸素濃度に設定した場合と比較して、クラックの発生率が大幅に低下した。また、上記までの傾向から、酸素濃度が高まるにつれてクラックの発生率が次第に低下しており、酸素濃度が高くなればなるほど結晶歪みの除去率が向上することが伺える。

そして、酸素濃度を２３体積％及び２５体積％に設定した場合では、その評価はＡ評価となった。つまり、酸素濃度を大気雰囲気よりも高くなる２３体積％に設定した場合は、上記までの酸素濃度に設定した場合と比較して、クラックの発生をほぼ無くせることが明らかとなった。これは、大気雰囲気下よりも高い酸素濃度のもとで、サファイアインゴット１０の加熱を行うことによって、サファイアインゴット１０の内部に生じている酸素欠陥に雰囲気ガスの酸素が入り込み、原子の移動が起こることで結晶歪みが除去されたものと考えられる。その結果、サファイアインゴット１０に機械加工を行うといった衝撃を与えた場合であっても、クラックが生じにくくなったものと考えられる。

さらに、酸素濃度を３０体積％、５０体積％、１００体積％と設定した場合においても、評価結果がＡ評価となることが確認できた。ここで、酸素濃度が５０体積％を超えて、さらに高くなるにつれて、クラックの発生率がより低減されることが確認された。しかしながら、例えば酸素濃度が５０体積％である場合と１００体積％である場合とでは、クラック発生率にそれほど大きな差異はみられなかった。なお、加熱時の雰囲気の酸素濃度は少なくとも２１体積％であれば良く、また、コストと結晶歪みの除去との効果を鑑みると、酸素濃度を５０体積％以下にすることがより好ましい。

図７は、保持温度Ｔ１の条件について説明するための一例の図である。
インゴットの加熱工程において、保持温度Ｔ１の条件を異ならせて複数のサファイアインゴット１０を作製し、それぞれについて評価を行った。なお、図７に示す例では、雰囲気条件における酸素濃度を２３体積％とし、保持時間ｔを５０時間に設定している。また、図７には、サファイアインゴット１０の加熱温度の上昇に伴って発生し得る散乱体の有無を併記している。散乱体とは、結晶内部の欠陥が生じることによって見られる現象であり、例えば集光照明下で観察することによって目視にて確認することができる。

まず、図７に示すように、保持温度Ｔ１を１１００℃及び１２００℃に設定した場合、その評価はＤ評価となった。保持温度Ｔ１がこれらの温度域であると、クラックの発生を抑制できるだけの結晶歪みの除去が難しいことが分かった。
そして、保持温度Ｔ１を１３００℃及び１４００℃に設定した場合、その評価はＣ評価となった。保持温度Ｔ１を１３００℃以上にすることで、若干ながらクラックの発生率を低減できることが分かった。しかしながら、この保持温度Ｔ１がこの温度域であっても、約半数以上のサンプルにクラックが発生した。

保持温度Ｔ１を１５００℃に設定した場合には、その評価がＢ評価となった。保持温度Ｔ１をこの温度域に設定することで、多くのサファイアインゴット１０における結晶歪みを除去できることが分かった。これは、保持温度Ｔ１を１５００℃以上にすることで、サファイアインゴット１０の内部においてサファイアインゴット１０を構成する原子が移動し易くなり、結晶歪みが緩和されたもとの推測できる。

そして、保持温度Ｔ１を１６００℃及び１７００℃に設定した場合には、その評価がＡ評価となった。保持温度Ｔ１をこれらの温度域にすることで、結晶が移動し易すくなり、結晶歪みが緩和されたものと考えられる。さらに、外部の酸素原子がサファイアインゴット１０の内部深くまで入り込み易くなり、その結果として、サファイアインゴット１０における結晶歪みが除去され、クラックの発生率を極めて低く抑えることができたものと理解される。

保持温度Ｔ１を１８００℃及び１９００℃に設定した場合には、クラックの発生率が著しく高くなることが分かった。ここで、得られたサファイアインゴット１０を観察したところ、サファイアインゴット１０に散乱体が発生していることが確認された。保持温度Ｔ１が高くなればなるほど、上述の傾向から結晶歪みなどの除去がされるものと考えられるが、保持温度Ｔ１が１８００℃以上となると、逆に加熱に起因して、サファイアインゴット１０に結晶欠陥が発生してしまうことが分かった。
なお、サファイア単結晶の融点が約２０５０℃であることから、保持温度Ｔ１は、少なくともサファイアの融点より低く設定する必要がある。

図８は、保持時間ｔの条件について説明するための一例の図である。
インゴットの加熱工程において、保持時間ｔの条件を異ならせて複数のサファイアインゴット１０を作製し、各条件にて得られたサファイアインゴット１０の評価を行った。ここでは、図６及び図７を参照しながら説明したように、好ましい条件であった雰囲気ガスの酸素濃度（２３体積％、５０体積％）、及び保持温度Ｔ１（１５００℃、１７００℃）を例として説明する。

図８に示すように、保持時間ｔが長くなるにつれて、クラックの発生率が低下することが明らかとなった。また、同じ保持時間ｔであっても、酸素濃度が高い方がその評価は良くなり、保持温度Ｔ１が高い方がその評価は良くなることが分かった。例えば、保持温度Ｔ１が１７００℃であって、酸素濃度を５０体積％に設定した場合には、保持時間ｔを１０時間に設定しても、その評価がＢ評価となることが分かった。さらに、酸素濃度に着目すると、酸素濃度を５０体積％に設定した場合には、保持時間ｔを２０時間に設定することで、Ａ評価及びＢ評価となった。
そして、図８に示す結果から、保持温度Ｔ１が１５００℃以上１７００℃以下の範囲では、インゴットの加熱工程において、保持時間ｔを３０時間以上にした場合、Ａ評価及びＢ評価であり、クラックの発生率を大幅に低減することができるものと理解される。

なお、保持時間ｔを７０時間、９０時間、１００時間に設定した場合においては、図８に示すように、評価がＡ評価とるものの、これらの保持時間ｔで加熱が行われたサファイアインゴット１０におけるクラックの発生率には大きな差異がみられないこととなる。以上により、保持時間ｔは少なくとも３０時間とし、インゴットの加熱工程にかける時間やコストと、クラックの発生率の程度とを鑑みると、保持時間ｔは５０時間〜６０時間に設定することがより好ましい。

以上説明したように、本実施形態では、インゴットの加熱工程における加熱条件を、雰囲気条件で酸素濃度を大気中の酸素濃度（２１体積％）以上とし、保持温度Ｔ１を１５００℃以上１８００℃未満とし、保持時間ｔを少なくとも３０時間に設定することによって、サファイアインゴット１０における結晶歪みを除去し、その後に機械加工を行った場合であっても、クラックの発生を抑制している。

ここで、図２を参照しながら説明したように、本実施形態では引き上げ法の一例としてのチョクラルスキー法によって、最大径十数ｃｍ程度またはそれ以上（４インチ以上）の塊状のサファイア単結晶であるサファイアインゴット１０の製造を行っている。このように、引き上げ法を用いたサファイア単結晶の成長の場合、その結晶に歪みが生じやすいことが知られている。また、引き上げ法において、サファイア単結晶の結晶方位におけるｃ軸方向に結晶成長を行うと、さらに結晶歪みが発生し易くなることも知られている。
これに対し、本実施形態では、インゴットの加工工程の前に、サファイアインゴット１０に対してインゴットの加熱工程を施している。こうすることで、特に、結晶歪みが生じ易い引き上げ法を用いてサファイアインゴット１０の製造を行った場合に、そのサファイアインゴット１０の結晶歪みを効果的に除去することができる。特に、最大径４インチ以上のサファイアインゴット１０の結晶歪みを効果的に除去することができる。

なお、図５に示すように、インゴットの加熱工程の温度保持工程Ｐ２において、保持温度Ｔ１を一定に保つようにして、インゴットの加熱を行う例を示しているが、必ずしも保持温度Ｔ１を一定に維持することに限定されない。上述のように、保持温度Ｔ１を１５００℃以上１８００℃未満に設定することで、サファイアインゴット１０における結晶欠陥を低減することが可能となる。従って、温度保持工程Ｐ２において、保持温度Ｔ１が１５００℃以上１８００℃未満となる温度範囲内であれば、この範囲内において保持温度Ｔ１が上下に変動しても構わない。

このように、本発明が適用されるサファイア単結晶の製造方法は、機械加工の対象となる塊状のサファイア単結晶を、当該塊状のサファイア単結晶を加熱するための加熱装置内に設置する第１の工程と、加熱装置内に設置された塊状のサファイア単結晶を、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも１種を含む雰囲気中で加熱する第２の工程とを備えることを特徴として実施することができる。そして、製造方法によって製造されたサファイア単結晶は、その後の切断工程でのクラックの発生率を格段に低下させることができ、機械加工を施す、有望なサファイア単結晶の加工方法も提供することができる。
また、サファイア単結晶の製造方法は、特に、４インチ以上の大口径の塊状サファイア単結晶を製造する場合、その収率を安定して向上させることができる。さらに、４インチ以上の大口径であってｃ軸サファイア単結晶引上げの製造方法においては、極めて効果的である。

２…加熱装置、３…単結晶引き上げ装置、１０…サファイアインゴット

Claims (9)

1. 機械加工の対象となる塊状のサファイア単結晶を、当該塊状のサファイア単結晶を加熱するための加熱装置内に設置する第１の工程と、
   前記加熱装置内に設置された前記塊状のサファイア単結晶を、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも１種を含む雰囲気中で加熱する第２の工程と
   を備えることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
2. 前記第２の工程における前記雰囲気の酸素濃度は、大気中の酸素濃度以上であることを特徴とする請求項１に記載のサファイア単結晶の製造方法。
3. 前記第２の工程における前記雰囲気の酸素濃度は、２３体積％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサファイア単結晶の製造方法。
4. 前記第２の工程における前記雰囲気は、１５００℃以上１８００℃未満に加熱されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
5. 前記第２の工程は、３０時間以上継続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
6. 前記第１の工程では、２以上の板状のサファイア単結晶を得るための機械加工の対象となる前記塊状のサファイア単結晶を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
7. 前記第１の工程では、引き上げ法によって得られた前記塊状のサファイア単結晶を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法によって製造されたサファイア単結晶。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のサファイア単結晶の製造方法を経た後に、機械加工を施すサファイア単結晶の加工方法。

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