JP4940610B2 - サファイア単結晶の育成方法 - Google Patents

Description

本発明は、サファイア単結晶を育成するための方法、特に高周波加熱型チョクラルスキー法によるサファイア単結晶の育成法に関するものである。

近年開発された青色発光素子等の主要構成部である窒化物発光膜はサファイア基板の上に当該窒化物をエピタキシャル成長させて得られている。こうしたエピタキシャル用に用いられるサファイア基板としては、サファイア単結晶をウエハー状に切断し、表面を鏡面研磨したものが用いられている。

ところで、サファイア等の酸化物単結晶を得る方法の一つとしてチョクラルスキー法（以下、単に「ＣＺ法」と記す。）がある。ＣＺ法により酸化物単結晶を得るには、例えば、金属イリジウム製の坩堝内に原料となる酸化物を充填し、坩堝外周部に設けたワークコイルに高周波を流し、この高周波によりイリジウム坩堝を発熱させ、この熱により坩堝内の酸化物を融解する。

その後、種結晶を坩堝内の酸化物融液に付け、融液温度をコントロールしながら種結晶を回転させつつ引き上げて目標径まで結晶径を拡げて肩部を形成し、次いで直胴部を形成して酸化物単結晶を育成する。育成中、育成中の結晶重量を測定して得られた結晶重量の変化より、直径や育成速度などを計算によって導き出し、この計算結果をワークコイル投入電力にフィードバックし、融液温度をコントロールして良好な形状の酸化物単結晶を得る。

原料をアルミナとするサファイア単結晶を得るためにこのＣＺ法を適用すると、サファイア単結晶固液界面逆円錐状に突き出した（以下、本明細書では円錐状の部分の高さを「凸度」として表記する。）形状のサファイア単結晶が得られる。サファイア単結晶下部が逆円錐状に成長すると、その先端がルツボ底に到達して前記結晶重量の変化が正確に得られなくなるばかりか、甚だしい場合には測定不能となり、安定した形状のサファイア単結晶が得られなくなる。

また、凸度が大きいと、結晶育成終了後にサファイア単結晶を融液から切り離すためのストローク（サファイア単結晶の引き上げ距離）が長くなり、引き上げたサファイア単結晶が加熱領域から離れすぎ、サファイア単結晶が急激に冷却されて、該単結晶が割れてしまうという問題が起こる。
加えて、凸度の大きい結晶から切り出した基板は歪みが大きいという問題もある。

結晶下部が逆円錐状に突き出した単結晶が得られる傾向は、サファイア単結晶の育成のみに限られず、他の酸化物結晶や化合物半導体結晶の育成においても見られる。というのは、単結晶下部が逆円錐状になるのは、融液の加熱が坩堝側面から主として行われることによるからである。即ち、坩堝の側面から融液を加熱するため、融液に、坩堝側面から融液中心部に向かって融液温度が低下するという温度分布が発生する。この結果、坩堝中心部での結晶成長速度が速くなり、外周部での結晶成長速度が遅くなる。これにより単結晶の底部が逆円錐状となる。

これを防止するために、通常、単結晶の回転数を速くして融液の対流を大きくして融液温度の均一化を図り、結晶育成界面を平面化するインバージョンという方法や、ワークコイルとルツボの相対位置を調整することにより前記温度分布を平坦化させて凸度の小さな単結晶を得ている。

しかしながら、これらの方法をサファイア単結晶の育成に適用しても十分な効果は見られない。というのは、アルミナ融液の熱伝導度が大きいため、例えば、単結晶の回転により融液温度の均一化を図ろうとすれば、単結晶の回転数を大幅に上げなければならず、そうすると気泡の巻き込みが起こり、必要とされる透明度のサファイア単結晶が得られないという問題を生じる。

凸度の小さいサファイア単結晶を得るべく、本発明者らはチャンバー内に設けられた装置要部が、高周波誘導コイルと、耐火性坩堝と、イリジウム坩堝と、断熱材と、耐火性坩堝支持筒と、筒状ヒーターとからなり、耐火性坩堝内にイリジウム坩堝が断熱材を介して納められており、この耐火性坩堝の底部に、その内部に筒状ヒーターが設けられた耐火性坩堝支持筒が、前記筒状ヒーターの上面が前記耐火性坩堝の底面に接するように設けられており、これらが高周波誘導コイル内の空間部に収納されている構造を採ることを特徴とするサファイア単結晶育成装置を提案した（特許文献１）。そして、この装置を用いれば融液直上の温度勾配を最適化でき、凸度の低い結晶を得ることが可能であることを示した。

その後の検討の結果、該装置については以下の問題があることがわかった。
(1)このような装置は特殊な装置とならざるを得ないため、高価なものとなり、コストア ップにつながる。
(2)このような装置を用いても、成長中の結晶内部の温度勾配はきわめて不安定であるた めに、成長後に得られた結晶を焼鈍す工程が必要となる。そして、この焼き鈍し行程は 複雑なものとなり易い。従って、このような装置を用いて凸度の小さなサファイア単結 晶を安価、かつ簡便に得るには問題がある。
特願 ２００４−０４４５０８号公報

本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、凸度の小さいサファイア単結晶を安価で且つ簡便に育成する方法の提供にある。

本発明者らは前記課題を解決すべく種々の検討を試みた。そして、得られた多くの結果を解析した結果、サファイア単結晶育成時に形成する肩部の形状と凸度とに相関が見られることを見いだし、本発明に至った。
即ち、前記課題を解決する本発明の方法は、ＣＺ法によるサファイア単結晶育成に際して、種結晶部から直胴までの肩部の長さ、すなわち肩部と直胴部との交線で構成される面と種結晶中心を通り引き上げ方向に引いた直線との交点と、前記種結晶中心との距離Ａと、直胴部の平均直径Ｂとの比（Ｂ／Ａ）を制御することにより得られるサファイア単結晶固液界面の凸形状の高さを制御するものであり、前記Ｂ／Ａを２．２９以上に制御するものである。
そして、本発明の別の態様は前記Ｂ／Ａを２．２９〜４．５とするものである。

本発明の方法に従えば、得られるサファイア単結晶において、その凸度をＣとしたときに、直胴部の平均直径ＢとＣの比Ｂ／Ｃが１．４以上となる。従って、直胴部の長い結晶を育成することが可能となり、また切り離し時のストロークも短くすることができるのでクラック発生の問題も回避できる。

また、副次的な効果ではあるが、本発明の方法を用いて得られたサファイア単結晶をアニール処理することなく、切断・加工して得たサファイア基板の歪みは従来のサファイア基板と比較して小さく、その結果、従来のサファイア基板よりも割れにくいものとなる。

本発明は、一般的な結晶育成装置の構成を大きく変更することなく、結晶育成開始時の肩形状をコントロールすることにより、サファイア単結晶の育成界面の形状をコントロールするものである。

ＣＺ法による結晶育成では、融解したアルミナ融液に種結晶を漬け、種結晶を回転させつつ上方に徐々に引き上げながら徐々に融液温度を下げて肩部を育成する。その後、回転数、引き上げ速度、融液温度を調整して直胴部を育成する。

ここで、前記したＢ／Ａを肩開き度と規定する。肩開き度の値が大きいほど肩の開き角度（種結晶を中心とした肩部の開き角度）が大きく、得られる単結晶上部の形状は円柱に近くなる。反対に肩開き度が小さいと肩の開き角度は小さくなり、得られる単結晶上部の形状は円錐に近づく。前記したように単結晶の回転数と引き上げ速度と融液温度とを調整することにより、この肩開き度は調整可能である。

本発明において、なぜ肩開き度を２．２９以上とすると得られるサファイア単結晶の凸度が低下するのは数多くの実験データより得られた結果であり、その理屈は明確ではない。しかし、ながら以下のように考えることができる。

一般に、単結晶成長界面の形状は、固液界面の熱の出入りで決まる。固液界面の熱流は結晶が育成するためには融液側から結晶側に向かう。この熱流が成長面で均一であれば固液界面の形状は平坦な形状となるが、不均一な場合は凸形状となったり凹形状となったりする。Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体結晶においては、前記熱流は、融液温度と結晶の温度差と結晶内部の熱伝導率で決まる。つまり、高温である融液の熱が熱伝導により結晶内部を伝わり外に放出される。しかしながら、サファイア単結晶のような透明度の高い単結晶育成においては、結晶内部を伝わる熱伝導に加え、結晶内部を輻射熱が伝わることで融液から熱が放出される。サファイア単結晶の場合輻射により放出される熱量と、熱伝導により放出される熱量を比べた場合、前者が圧倒的に大きいと考えられる。本発明で提案した肩開き度にてサファイア単結晶を育成した場合、肩部を含めた単結晶上部がより円筒状に近い形状となり、その結果、輻射熱が、固液界面近傍の温度分布がより均一化される方向に結晶内部から結晶外部に放射されると考えられる。これにより、固液界面形状は、小さな肩開き度の場合より平坦な形状に近づくと考えられる。

以下実施例を用いて本発明をさらに説明する。

図１に示した市販の装置（第一機電社製）を用いて直径約５０ｍｍと８０ｍｍとのサファイア単結晶を育成した。用いたイリジウム坩堝は外径１６０mm、内径１５６mm、高さ１６０mmのものである。

イリジウム坩堝内に必要量のアルミナを充填し、高周波誘導加熱によりこのアルミナを溶融して融液を得た。サファイア単結晶を用いて作成した種結晶をこの融液に接触させ、種結晶を回転しつつ引き上げ、サファイア単結晶を得た。この際、サファイア単結晶の回転速度と引き上げ速度と融液温度を調節して肩の開き度を変化させた。表１に得られた結晶の肩の開き度と直胴部直径と凸度、及び直胴部直径／凸度との関係を示した。

表１の実施例３〜２２と比較例５〜８の肩の開き度と凸度との関係を図２に示した。横軸を肩の開き度とし、縦軸を凸度とした。

図２より、肩の開き度が２．２９前後で凸度が歴然と異なり、２．２９以上では大きく低減されることが解る。

次に得られた各単結晶をアニール処理することなく切断して基板を作成し、Ｘ線ラング法トポグラフ写真を取り、歪み程度を観察した。その結果、凸度の小さいＮｏ１〜２２の単結晶から得た基板は、凸度の大きいＮｏ２３〜３０の単結晶から得た基板と比較して歪みが少なくなっていることが確認できた。

なお、得られた結晶に泡を含む部分はほとんどなく、結晶育成過程で特に問題は見られなかった。

実施例で使用した汎用タイプの酸化物結晶育成装置の断面図である。 実施例３〜２２と比較例５〜８の肩の開き度と凸度との関係を示した図である。横軸が肩の開き度であり、縦軸が凸度である。

符号の説明

１―――耐火性ルツボ
２―――耐火ルツボ支持筒
３―――ルツボ台
４―――断熱材
５―――結晶原料融液
６―――単結晶
７―――種結晶
８―――ワークコイル
９―――ルツボ

Claims (2)

1. 引き上げ法によりサファイア単結晶を育成するに際して、種結晶部から直胴までの肩部の長さ、すなわち肩部と直胴部との交線で構成される面と種結晶中心を通り引き上げ方向に引いた直線との交点と、前記種結晶中心との距離Ａと、直胴部の平均直径Ｂとの比（Ｂ／Ａ）を制御することにより得られるサファイア単結晶固液界面の凸形状の高さを制御するものであり、前記Ｂ／Ａを２．２９以上に制御することを特徴とするサファイア単結晶の育成方法。
2. 請求項１記載の発明において前記Ｂ／Ａを２．２９〜４．５に制御することを特徴とするサファイア単結晶の育成方法。

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