JP5526666B2 - サファイア単結晶の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、サファイア単結晶の製造装置に関し、さらに詳細には、一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置に関する。

サファイアは種々の用途に用いられているが、中でもＬＥＤ製造用のサファイア基板としての用途が重要になってきている。すなわち、サファイア基板上にバッファー層および窒化ガリウム系被膜をエピタキシャルさせることにより、ＬＥＤ発光基板を得ることが主流となってきている。
そのため、サファイアを効率よく安定的に生産できるサファイア単結晶製造装置が求められている。

ＬＥＤ製造用のサファイア基板は、ほとんどがｃ面方位（０００１）の基板である。従来、工業的に採用されているサファイア単結晶の製造方法は、縁端限定成長（ＥＦＧ）法、カイロポーラス（ＫＰ）法、チョクラルスキー（ＣＺ）法等があるが、直径３インチ以上の結晶を得ようとすると種々の結晶欠陥が発生するため、ａ軸方位成長の単結晶を生産して代替している。ａ軸成長サファイア結晶からｃ軸サファイア結晶ブールを加工するためには、結晶を横方向から刳り抜く必要があり、加工が容易でないことに加え、利用できない部分が多く、収率が悪いという課題がある。

酸化物単結晶の製造方法には、いわゆる垂直ブリッジマン法（垂直温度勾配凝固法）も知られている。この垂直ブリッジマン法の場合、生成した単結晶を容易に取り出せるように、薄肉のルツボを用いている。サファイアのような高融点融液からの単結晶を得るためには、薄肉であって且つ高温下で強度的、化学的に耐えられるルツボが必要となり、当該ルツボに関する従来技術が開示されている（特許文献１参照）。

一方、垂直ブリッジマン法による単結晶製造装置に関して、ルツボが配設される結晶育成炉内に、カーボンフェルトを用いた断熱材を設ける従来技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００７−１１９２９７号公報 特開平７−２７７８６９号公報

特に、垂直ブリッジマン法による単結晶製造装置によって、結晶欠陥の無いサファイア単結晶を得るためには、結晶の育成炉内の温度分布（温度勾配を含む）に可能な限り変化が生じないようにすることが必要となる。すなわち、当該温度分布は断熱部材の形状精度、配置精度によっても大きく影響を受けるものであり、それらの精度が低い程、温度勾配を含む温度分布が変化して、結晶育成の再現性が悪くなる。

ところで、従来から断熱部材の材料として用いられているセラミック（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）は、急熱・急冷下によるヒートショックにより割れが生じる課題があり、また、高温下で徐々に分解して、酸素を発生し、カーボン材料が昇華する課題もあり、サファイア単結晶の製造装置の断熱部材の材料としては不向きであった。
その一方で、特許文献２に開示されたカーボンフェルトは軟らかい材料であって、高温下で割れが生じる課題の解決を図り得る反面、耐荷重が低く、荷重をかけると徐々に変形し、大型化しづらいといった課題が生じ得る。また、上記の通り、育成炉内の温度分布が変化することにより結晶育成の再現性が悪くなることを防ぐ観点からも、変形を防止し且つ配置精度を高めることが課題となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、育成炉内の温度分布の形成に影響を与える断熱部材の形状精度と配置精度の確保を容易にするサファイア単結晶の製造装置を提供することを目的とする。

一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。

開示のサファイア単結晶の製造装置は、ルツボ内に種子結晶および原料を収納し、育成炉内の筒状ヒーター内に該ルツボを配置して筒状ヒーターにより加熱して原料および種子結晶の一部を融解して結晶化させるサファイア単結晶の製造装置において、前記筒状ヒーターを取り囲むように前記育成炉内に断熱部材が配設されてホットゾーンが形成され、前記断熱部材は、上下方向に積層された複数の筒状部材と、該複数の筒状部材の全部もしくは一部の重量を鉛直方向に支える骨組部材とを備え、且つ、該複数の筒状部材を積層する際の径方向の位置決めを行う位置決め手段を有し、前記複数の筒状部材は、カーボンフェルトを成形した部材より成ることを要件とする。

開示のサファイア単結晶の製造装置によれば、育成炉内の温度分布の形成に影響を与える断熱部材の形状精度と配置精度の確保を容易にすることが可能となる。

本発明の実施形態に係るサファイア単結晶の製造装置の例を示す正面断面図（概略図）である。 図１のサファイア単結晶の製造装置の断熱部材（大径の筒状部材）の例を示す概略図である。 図１のサファイア単結晶の製造装置の断熱部材（小径の筒状部材）の例を示す概略図である。 図１のサファイア単結晶の製造装置の骨組部材（リング部）の例を示す概略図である。 図１のサファイア単結晶の製造装置の骨組部材（円筒部）の例を示す概略図である。 図１のサファイア単結晶の製造装置の断熱部材の例を示す正面断面図（概略図）である。 図１のサファイア単結晶の製造装置によるサファイアの結晶化工程およびアニール工程を示す説明図である。

以下本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１にサファイア単結晶の製造装置１の正面断面図（概略図）を示す。本実施形態に係るサファイア単結晶の製造装置１は、公知の垂直ブリッジマン法によってサファイア単結晶を製造する育成炉１０を備える。その構造を簡単に説明すると、育成炉１０は、冷却水が流通される筒状のジャケット１２およびベース１３によって密閉された空間内に、上下に長い筒状ヒーターが１個ないし複数個配設されて構成される。本実施の形態では１個の円筒ヒーター１４を用いている。なお、育成炉１０の寸法は、製造する単結晶の大きさによって当然異なるが、一例として、直径０．５［ｍ］、高さ１［ｍ］程度である。

円筒ヒーター１４は、本実施の形態ではカーボンヒーターで形成され、制御部（図示せず）を通じて通電制御され、温度調節がなされるようになっている。一例として構成材料の物性値を表１に示す。
円筒ヒーター１４の周りには断熱部材１６が配置され、断熱部材１６によって囲まれてホットゾーン１８が形成されている。なお、断熱部材１６の詳細については後述する。
円筒ヒーター１４への通電量を制御することによって、ホットゾーン１８内の上下方向に温度勾配を作ることができる。

図中の符号２０はルツボであり、底部にルツボ軸２２の先端が連結され、ルツボ軸２２の上下動に伴って円筒ヒーター１４内で上下動可能になっている。またルツボ２０は、ルツボ軸２２が軸線周りに回転することによって回転する。
ルツボ軸２２は図示しないがボールネジにより上下動され、これによりルツボ２０は、上昇速度、下降速度を精密に制御されて上下動可能となっている。

育成炉１０内には、図示しないが開口部が２箇所設けられており、不活性ガス、好適にはアルゴンガスが給排され、結晶育成時には、育成炉１０内は不活性ガスで満たされる。なお、図示しないが、育成炉１０内には、炉内の温度を複数個所で計測する温度計が配設されている。

上記ルツボ２０として、ルツボ２０の線膨張係数と製造されるサファイア単結晶の成長軸に垂直な方向の線膨張係数との相違に起因する相互応力を、ルツボ２０およびサファイア単結晶に全く発生させない、もしくはサファイア単結晶に相互応力による結晶欠陥を発生させずルツボに相互応力による変形を起こさせないような線膨張係数を持つ材料からなるルツボ２０を用いると好適である。

あるいはルツボ２０として、サファイア融点と常温との２点間における平均線膨張係数が、製造されるサファイア単結晶の成長軸に垂直な方向のサファイア融点と常温との２点間における平均線膨張係数よりも小さい材料からなるルツボ２０を用いると好適である。

あるいはまた、ルツボ２０として、サファイアの融点（２０５０［℃］）から常温までの間において、平均線膨張係数が、製造されるサファイア単結晶の成長軸に垂直な方向のサファイアの平均線膨張係数よりも常に小さい材料からなるルツボ２０を用いると好適である。

上記のような各ルツボ材料として、タングステン、タングステン−モリブデン合金、モリブデンが挙げられる。
特にタングステンは各温度において、線膨張係数がサファイアよりも小さく、したがって、これらの材料からなるルツボを用いることによって、後述するように結晶化過程、アニール処理過程、冷却過程において、収縮率がサファイアよりも小さく、ルツボ２０の内壁面とサファイア単結晶の外壁面とが非接触の状態となって、サファイアに応力が加わらず、サファイアのクラック発生を防止できる。

ここで、本実施形態に特徴的な断熱部材１６について説明する。
断熱部材１６は、少なくとも円筒ヒーター１４の径方向の外周を取り囲む位置において筒状形状を有し、且つ、育成炉１０内に発生させる所望の温度勾配（図７（Ｅ）参照）に対応させて、温度の高い育成炉１０内の上部において下部よりも径方向に厚く、温度の低い育成炉１０内の下部において上部よりも径方向に薄い形状を有する（図１参照）。

本実施形態においては、図２に示す大径の筒状部材１６ａと図３に示す小径の筒状部材１６ｂとの両方を径方向に重ね合わせて配設することにより径方向に厚い部分が形成され、いずれか一方（本実施形態においては、大径の筒状部材１６ａ）を単独で配設することにより径方向に薄い部分が形成される（図１参照）。なお、一例として、筒状部材１６ａ、１６ｂは、カーボンフェルトを成形した部材より成り、その物性値を表１に示す。

また、最上部の筒状部材１６ａ、１６ｂの上に円板状部材すなわち円板状（もしくは円柱状）の断熱部材１６ｃが配設される。本実施形態においては、最上部のリング部１７ａの上に載置しているが、最上部の筒状部材１６ａ、１６ｂの上に直接載置する構造も考えられる。なお、断熱部材１６ｃは複数の円板状部材を積層して形成してもよい。
さらに、底部にも断熱部材１６ｄが配設される。一例として、断熱部材１６ｄは、円板状（もしくは円柱状）であって、ルツボ軸２２用貫通孔等を有する。

なお、一例として、筒状部材１６ａ、１６ｂ、断熱部材１６ｃ、１６ｄは、同一材料（カーボンフェルト）を用いて形成されている。カーボンフェルトの使用が可能となることによって、従来から断熱部材の材料として用いられているセラミック、ジルコニアを使用した場合に高温下で割れが生じるという課題を解決することが可能となる。

以上のように、円筒ヒーター１４の周りには断熱部材１６が配置され、当該断熱部材１６によって囲まれてホットゾーン１８が形成される。
上記の構成によれば、ルツボ２０内に種子結晶２４および原料２６を収納し、育成炉１０内の円筒ヒーター１４内にルツボ２０を配置して円筒ヒーター１４により加熱して原料２６および種子結晶２４の一部を融解すると共に、円筒ヒーター１４に上が高く下が低い温度勾配を形成することによって融液を順次結晶化させる一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置１において、結晶育成に最適な所望の温度勾配（図７（Ｅ）参照）を育成炉１０内に生じさせることが可能となる。加えて、育成炉１０内の上下方向において断熱部材１６（筒状部材１６ａ、１６ｂ）の径方向厚さを適宜設定することで、温度勾配の制御を容易に行うことが可能となる。

ここで、育成炉１０が小型の場合等であれば、上記の断熱部材１６を一体もしくは二、三分割程度で形成することも不可能ではない。しかし、育成炉１０が大型化する程、断熱部材１６も大型化せざるを得ないため、断熱部材１６を一体で形成することが困難になり、仮に一体形成できても取り扱いが不便となる。さらに、断熱部材１６が重くなることにより、設置時、使用時においてその自重によって特に断熱部材１６最下部の変形が生じ得る。当該変形は育成炉１０内の温度分布（温度勾配を含む）に変化を生じさせて、育成される単結晶に結晶欠陥を生じ得る。

そこで、本実施形態の断熱部材１６においては、上下方向に積層された複数の筒状部材１６ａ、１６ｂによって、円筒ヒーター１４を取り囲む筒状形状を形成している（図１参照）。さらに、複数の筒状部材１６ａ、１６ｂの全部もしくは一部の重量を鉛直方向に支える（鉛直方向の位置決め作用もなす）と共に当該複数の筒状部材１６ａ、１６ｂの径方向の位置決めを行う骨組部材１７を設けている。

より具体的には、図１に示すように、骨組部材１７は、筒状部材１６ａ、１６ｂ（本実施形態においては、最上部は断熱部材１６ｃとなる）が載置されるリング部１７ａ（図４参照）と、該筒状部材１６ａ、１６ｂ（最上部は断熱部材１６ｃ）が載置された状態のリング部１７ａの重量を鉛直方向に支える円筒部１７ｂ（図５参照）とを備えて構成される。この骨組部材１７（本実施形態においては、リング部１７ａ）は、支柱１５によって、育成炉１０（本実施形態においては、ベース１３）に固定される。一例として、リング部１７ａおよび円筒部１７ｂは、カーボン材料を成形加工した部材より成り、その物性値を表１に示す。一方、支柱１５は、石英を用いて形成される。
なお、図４に示すリング部１７ａは、一例であって、配設位置に応じて内外径、溝形状等が適当に設定される。

さらに、本実施形態では、筒状部材１６ａ、１６ｂおよび断熱部材１６ｃの下面にリング部１７ａが隙間無く嵌合可能な溝部（筒状部材１６ａにおける溝部１６ａｇ、筒状部材１６ａにおける溝部１６ｂｇ、断熱部材１６ｃにおける溝部１６ｃｇ）をそれぞれ設けている（筒状部材１６ａの正面断面図（概略図）である図６（Ａ）、筒状部材１６ｂの正面断面図（概略図）である図６（Ｂ）、断熱部材１６ｃの正面断面図（概略図）である図６（Ｃ）をそれぞれ参照）。
これによって、当該溝部１６ａｇ、１６ｂｇ、１６ｃｇに、対応するリング部１７ａが嵌合することにより、筒状部材１６ａ、１６ｂおよび断熱部材１６ｃがそれぞれ正確に径方向に位置決めされる効果が生じる。
あるいは、溝部１６ａｇ、１６ｂｇ、１６ｃｇを設けると共に、もしくは溝部１６ａｇ、１６ｂｇ、１６ｃｇ設けることに代えて、円筒部１７ｂの外径と大径の筒状部材１６ａの内径を一致させ、且つ、円筒部１７ｂの内径と小径の筒状部材１６ｂの外径を一致させることによっても、筒状部材１６ａ、１６ｂを正確に径方向に位置決めすることが可能となる。

以上のように、骨組部材１７を備えて、断熱部材１６を複数の構成部材（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）によって形成する構造が実現され、断熱部材１６の大型化・重量化に伴う前述の課題の解決が可能となる。
さらに、筒状部材１６ａ、１６ｂはカーボンフェルトからなるため、上下方向に積層された複数の筒状部材１６ａ、１６ｂが変形したり、配置位置にズレが生じたりする恐れがある。特にサファイア単結晶の育成に関しては、育成炉１０内の温度勾配の制御が非常に重要であり、当該筒状部材１６ａ、１６ｂの変形あるいは配置位置のズレが僅かに生じるだけで、育成炉１０内の温度勾配を含む温度分布が変化して結晶育成の再現性が悪くなり、育成される単結晶に結晶欠陥が生じ得る。
しかし、上記の構成によれば、骨組部材１７によって、鉛直方向に作用する重量（積層された断熱部材１６の重量）を支えることが可能となるため、断熱部材１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）に変形が生じることを防止できる。
さらに、骨組部材１７によって、特に筒状部材１６ａ、１６ｂの径方向の位置決めを正確に行うことが可能となり、配置位置のズレが生じることを防止できる。
それらの結果、育成炉１０内の温度勾配を含む温度分布に変化が生じることを防止できるため、育成される単結晶に結晶欠陥が生じることを防止でき、高品質の単結晶製造が可能となる。

なお、例えば育成炉１０が小型である場合等において、骨組部材１７を用いずに、上下方向に積層された筒状部材１６ａ、１６ｂおよび断熱部材１６ｃの径方向の位置決めを行う方法として、前記溝部１６ａｇ、１６ｂｇ、１６ｃｇに対応して嵌合可能な突起部（図示せず）を筒状部材１６ａ、１６ｂの上面に設ける構成も考えられる。

続いて図７（Ａ）〜図７（Ｆ）により、結晶化工程およびアニール工程を説明する。
ルツボ２０内にはサファイアの種子結晶２４と原料２６が入れられる（図７（Ａ））。
育成炉１０の円筒ヒーター１４で囲まれたホットゾーンは、サファイアの融点を跨いで、上部側が融点の温度以上、下部側が融点の温度以下の温度となるように温度制御されている（図７（Ｆ））。
サファイアの種子結晶２４と原料２６が入れられたルツボ２０は、ホットゾーンを下部から上部側へと上昇させられ、原料２６が融解し、種子結晶２４の上部が融解した段階で上昇を停止され（図７（Ｂ））、次いでゆっくりと所要の下降速度で下降される（図７（Ｃ））。これにより種子結晶２４の結晶面に沿って融液が徐々に結晶、析出する（図７（Ｃ）、（Ｄ））。
種子結晶２４はｃ面が水平になるようにルツボ２０中に配置され、融液はこのｃ面に沿って、すなわちｃ軸方向に成長する。

ルツボ２０に前述の材料、特にタングステンを用いることによって、結晶化工程、および後述するアニール工程、および冷却工程において、ルツボ２０の内壁面とサファイア単結晶の外壁面とが非接触の状態となる効果が得られる。これにより、サファイアに外部応力が加わらず、サファイアにクラックが発生するのを防止できる。また、結晶を取り出す際にも結晶とルツボ２０内壁面との間に応力が加わってないため、結晶を取り出すことも支障なく行えると共に、ルツボ２０も変形することなく繰り返し使用することができる。

本実施の形態では、結晶化後、同じ育成炉１０内で、円筒ヒーター１４への出力を低下させて円筒ヒーター１４内を所要温度（例えば１８００［℃］）にまで低下させると共に、ルツボ２０を円筒ヒーター１４中間部の他の部位よりも温度勾配の少ない均熱ゾーン２８（図７（Ｆ））にまで上昇させて（図７（Ｅ））、この均熱ゾーン２８に所要時間（例えば１時間）にわたって位置させて、そのままルツボ２０内でサファイア単結晶のアニール処理を行う工程としている。

上記のように、結晶化後、同じ育成炉１０内においてそのままルツボ２０内でアニール処理を行うことによって、アニール処理を手早く効率よく行うことができ、結晶内部の熱応力を除去して結晶欠陥の少ない高品質なサファイア単結晶を得ることができる。また、結晶化とアニール処理とを同じ育成炉１０内においてルツボ２０内で連続的に行うので、所望の結晶の生産効率がよく、エネルギーの無駄を省くことができる。なお、上記アニール処理は、成長結晶の残留応力を除去する有効な手段であるが、残留応力が少ない成長結晶の場合は必ずしも必要ではない。

なお、上記では垂直ブリッジマン法で説明したが、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）の、垂直ブリッジマン法と同じ一方向凝固法によって結晶化、アニール処理を行ってサファイア結晶を得るようにすることもできる。この垂直温度勾配凝固法の場合にあっても、アニール処理の際は、ルツボを円筒ヒーター内で上昇させて、円筒ヒーターの均熱ゾーン内に位置させてアニール処理を行うのである。
また、結晶の成長軸は、上記実施の形態ではｃ軸としたが、ａ軸を成長軸としてもよく、またｒ面に垂直な方向を成長軸としてもよい。

以上、説明した通り、開示のサファイア単結晶の製造装置によれば、従来のセラミック、ジルコニアに代えて、カーボンフェルトを用いた断熱部材による育成炉内の断熱構造を実現している。
また、複数の構成部材の積層構造等によって、断熱部材の大型化・重量化の課題解決を図りつつ、上下方向における断熱部材の径方向厚さを変化させて、結晶育成に最適な温度勾配を生じさせ、さらに、変形防止・ズレ防止を図ることによって、育成炉内の温度分布の形成に影響を与える断熱部材の形状精度と配置精度を確保している。
それらの結果、結晶欠陥が生じることを防止して高品質のサファイア単結晶を製造することを可能としている。

なお、本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。特に、本製造装置は、サファイア単結晶の製造に好適であるが、他の単結晶の製造にも適用できることはもちろんである。

１ サファイア単結晶の製造装置
１０ 育成炉
１２ ジャケット
１３ ベース
１４ 円筒ヒーター
１６ 断熱部材
１７ 骨組部材
１８ ホットゾーン
２０ ルツボ
２２ ルツボ軸
２４ 種子結晶
２６ 原料
２８ 均熱ゾーン

Claims (5)

1. ルツボ内に種子結晶および原料を収納し、育成炉内の筒状ヒーター内に該ルツボを配置して筒状ヒーターにより加熱して原料および種子結晶の一部を融解して結晶化させるサファイア単結晶の製造装置において、
   前記筒状ヒーターを取り囲むように前記育成炉内に断熱部材が配設されてホットゾーンが形成され、
   前記断熱部材は、上下方向に積層された複数の筒状部材と、該複数の筒状部材の全部もしくは一部の重量を鉛直方向に支える骨組部材とを備え、且つ、該複数の筒状部材を積層する際の径方向の位置決めを行う位置決め手段を有し、
   前記複数の筒状部材は、カーボンフェルトを成形した部材より成ること
   を特徴とするサファイア単結晶の製造装置。
2. 前記製造装置は、筒状ヒーターに上が高く下が低い温度勾配を形成することによって融液を順次結晶化させる一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造装置であって、
   前記断熱部材は、少なくとも前記筒状ヒーターの径方向の外周を取り囲む位置において筒状形状を有し、且つ、前記温度勾配に対応させて、温度の高い前記育成炉内の上部において下部よりも径方向に厚く、温度の低い下部において上部よりも径方向に薄い形状を有すること
   を特徴とする請求項１記載のサファイア単結晶の製造装置。
3. 前記育成炉内の上部において径方向に厚く、下部において径方向に薄い形状を有する前記断熱部材は、
   大径の前記筒状部材と小径の前記筒状部材との両方を径方向に重ね合わせて配設することにより径方向に厚い形状が形成され、いずれか一方を単独で配設することにより径方向に薄い形状が形成されること
   を特徴とする請求項２記載のサファイア単結晶の製造装置。
4. 前記骨組部材は、前記筒状部材が載置されるリング部と、該筒状部材が載置された該リング部の重量を鉛直方向に支える円筒部とを備え、
   前記リング部および前記円筒部は、カーボン材料を成形加工した部材より成ること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のサファイア単結晶の製造装置。
5. 前記断熱部材は、最上部の前記筒状部材の上に直接もしくは前記骨組部材を介して配設される円板状部材を備え、
   前記円板状部材は、カーボンフェルトを用いて形成されていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のサファイア単結晶の製造装置。

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