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JP2016130205A - Production method for sapphire single crystal - Google Patents

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JP2016130205A
JP2016130205A JP2015005686A JP2015005686A JP2016130205A JP 2016130205 A JP2016130205 A JP 2016130205A JP 2015005686 A JP2015005686 A JP 2015005686A JP 2015005686 A JP2015005686 A JP 2015005686A JP 2016130205 A JP2016130205 A JP 2016130205A
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Japan
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single crystal
sapphire single
crystal
heater
crucible
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JP2015005686A
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Japanese (ja)
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富男 梶ヶ谷
Tomio Kajigaya
富男 梶ヶ谷
利行 小見
Toshiyuki Komi
利行 小見
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method for sapphire single crystal that has a high crystallization rate with respect to a fed raw material.SOLUTION: The production method for a sapphire single crystal by a Czochralski method is provided in which a seed crystal 20 is brought into contact with a material melt 21 in a crucible 12, which is heated and molten by a cylindrical heater 14 arranged facing a side face of an outer surface of the crucible 12 and a disk-shaped heater 13 arranged facing a bottom face of the outer surface of the crucible 12, then the seed crystal 20 and a sapphire single crystal 22 is pulled up while rotating the seed crystal 20. The production method for a sapphire single crystal performs a cylindrical heater lowering step of lowering the cylindrical heater 13 after the seed crystal 20 starts to be pulled up; and/or a disk-shaped heater moving step of elevating the disk-shaped heater 13 toward the bottom face of the outer surface of the crucible 12. The cylindrical heater lowering step and/or the disk-shaped heater moving step is performed after a shoulder part of the sapphire single crystal is formed or when the material melt has a solidification ratio of 50% or higher.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、サファイア単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a sapphire single crystal.

サファイア単結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的および熱的特性、化学的安定性、光透過性を有することから、多くの分野で利用されている。特に、半導体分野において、窒化ガリウム(GaN)系発光ダイオードの発光層を成長させるための基板として、あるいは、シリコン・オン・サファイア(SOS)デバイス用の基板などに用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じて、その需要が飛躍的に伸びてきている。   A sapphire single crystal is a crystal having a corundum structure of aluminum oxide, and has excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and light transmittance, and thus is used in many fields. In particular, in the semiconductor field, it is used as a substrate for growing a light emitting layer of a gallium nitride (GaN) light emitting diode or as a substrate for a silicon on sapphire (SOS) device. As importance increases, the demand is growing dramatically.

サファイア単結晶を製造する主な方法としては、サファイア多結晶原料を坩堝内で融解し、その原料融液表面に種結晶を接触させて徐々に引き上げるチョクラルスキー法(Cz法)やカイロポーラス法(KY法)などが知られている。なお、育成されたサファイア単結晶は、円盤状に加工され、表面を研磨することによりサファイア単結晶基板として出荷されている。   As a main method for producing a sapphire single crystal, a Czochralski method (Cz method) or a chiloporous method in which a sapphire polycrystal raw material is melted in a crucible and a seed crystal is brought into contact with the surface of the raw material melt and gradually pulled up. (KY method) is known. The grown sapphire single crystal is processed into a disk shape and is shipped as a sapphire single crystal substrate by polishing the surface.

例えば特許文献1には、チョクラルスキー法によるサファイア単結晶の結晶育成装置が開示されている。特許文献1の結晶育成装置では、原料粉末を入れる坩堝をチャンバ内の支持軸の上に配置し、坩堝側面に側面ヒータ、また、坩堝の下方に円盤状のボトムヒータが支持軸を貫通する形で配置されている。そして、側面ヒータの周囲、ボトムヒータの下方には断熱材が炉体の内面に沿って設けられ、チャンバの頂部と底部にはガス供給管、ガス排出管が取り付けられている。また、坩堝の上部に上下動可能な引き上げ軸が、断熱材を貫通する形で設けられている。そして、単結晶の引き上げでは装置の側面ヒータおよびボトムヒータを作動させて単結晶用原料を加熱して原料融液を生成する。その後、原料融液表面に種結晶を接触させ、引き上げながら単結晶の育成を行うことができる。   For example, Patent Literature 1 discloses a crystal growth apparatus for a sapphire single crystal by the Czochralski method. In the crystal growth apparatus of Patent Document 1, a crucible for containing raw material powder is disposed on a support shaft in a chamber, and a side heater is provided on the side of the crucible, and a disc-shaped bottom heater passes through the support shaft below the crucible. Has been placed. A heat insulating material is provided around the side heater and below the bottom heater along the inner surface of the furnace body, and a gas supply pipe and a gas discharge pipe are attached to the top and bottom of the chamber. In addition, a lifting shaft that can move up and down is provided at the top of the crucible so as to penetrate the heat insulating material. In the pulling of the single crystal, the side heater and the bottom heater of the apparatus are operated to heat the raw material for single crystal to generate a raw material melt. Thereafter, the seed crystal is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the single crystal can be grown while being pulled up.

ところで、融点が2050℃と、高い融点を有するサファイア単結晶をチョクラルスキー法により育成する場合、断熱材で囲まれた断熱空間内は2000℃を超える高温環境となる。このため、サファイア単結晶の育成においては、断熱空間内の熱伝達は輻射光が主体となっており断熱空間内は均熱化し易く、結晶育成に適した温度勾配を形成することは容易ではない。加えて、タンタル酸リチウム(LT)、ニオブ酸リチウム(LN)、または、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)などの他の酸化物単結晶の原料融液と比較して、サファイア単結晶の原料融液は粘度が非常に低く、対流が不安定である。このため、原料融液内についても温度勾配の適正化が困難になっている。   By the way, when a sapphire single crystal having a melting point of 2050 ° C. and a high melting point is grown by the Czochralski method, the heat insulating space surrounded by the heat insulating material becomes a high temperature environment exceeding 2000 ° C. For this reason, in the growth of a sapphire single crystal, the heat transfer in the heat insulation space is mainly radiant light, and the heat insulation space is easily soaked, and it is not easy to form a temperature gradient suitable for crystal growth. . In addition, compared with other oxide single crystal raw material melts such as lithium tantalate (LT), lithium niobate (LN), or yttrium aluminum garnet (YAG) The liquid has a very low viscosity and unstable convection. For this reason, it is difficult to optimize the temperature gradient in the raw material melt.

また、チョクラルスキー法やカイロポーラス法等の引上法によりサファイア単結晶を育成する場合、上述の他の酸化物単結晶や、シリコンやリン化ガリウム等の半導体単結晶の引上法育成時とは異なり、成長界面が原料融液下方に向かって大きく伸びた円錐形となり易い。すなわち成長界面が原料融液下方に向かって凸状で、かつその凸度が非常に大きくなり易い。このため、サファイア単結晶の育成では、原料融液中の成長界面形状及びその前進速度が育成収率、結晶品質に重要な影響を及ぼすことが知られている。結晶の成長界面の形状は、主に固化に伴って発生する潜熱の流れ、つまり、結晶成長場の温度分布、温度勾配で決定される。   When growing a sapphire single crystal by a pulling method such as the Czochralski method or the Cairo porous method, during the pulling method of the above-mentioned other oxide single crystal or a semiconductor single crystal such as silicon or gallium phosphide. Unlike this, the growth interface tends to be a conical shape extending greatly toward the lower part of the raw material melt. That is, the growth interface is convex toward the lower part of the raw material melt, and the degree of convexity tends to be very large. For this reason, in the growth of a sapphire single crystal, it is known that the growth interface shape in the raw material melt and its forward speed have an important influence on the growth yield and crystal quality. The shape of the crystal growth interface is determined mainly by the flow of latent heat generated with solidification, that is, the temperature distribution and temperature gradient of the crystal growth field.

従って、引上法によるサファイア単結晶の育成においては、原料融液内を含む断熱空間内における温度および温度勾配を高い精度で制御することが求められている。   Therefore, in growing a sapphire single crystal by the pulling method, it is required to control the temperature and temperature gradient in the heat insulating space including the inside of the raw material melt with high accuracy.

一方、サファイア単結晶の生産性を向上させ、低コスト化を図るために、育成結晶サイズをより大型化することが検討されている。これは、結晶サイズの大型化によって、単位時間当たりの収量を増加させることができ、コスト低減が可能となるからである。   On the other hand, in order to improve the productivity of the sapphire single crystal and reduce the cost, it has been studied to increase the size of the grown crystal. This is because the yield per unit time can be increased and the cost can be reduced by increasing the crystal size.

しかし、大型結晶を育成するためには、当然のこととして、坩堝、及び坩堝を囲む断熱材を大型化し、断熱材で囲まれた断熱空間の容積を大きくする必要がある。そして、坩堝、断熱材、及び断熱空間の容積が大きくなるに伴ってそれらの熱容量も大きくなる。このため、シーディングと呼ばれる種結晶を融液に接触させ育成を開始する工程の融液表面の温度(シーディング温度)の精密な制御や、断熱材で囲まれた断熱空間の温度勾配の適正化等が困難になる。   However, in order to grow a large crystal, as a matter of course, it is necessary to enlarge the crucible and the heat insulating material surrounding the crucible and increase the volume of the heat insulating space surrounded by the heat insulating material. And as the volume of the crucible, the heat insulating material, and the heat insulating space increases, their heat capacities also increase. For this reason, precise control of the melt surface temperature (seeding temperature) in the process of starting seeding called seeding in contact with the melt and the appropriate temperature gradient in the heat insulation space surrounded by the heat insulating material It becomes difficult to make it.

シーディング温度、断熱空間内の温度勾配が不適切な状態で結晶育成を行うと結晶成長速度、及びそれに伴う成長界面形状の制御が困難となり、不良発生率が高くなる。実際に、結晶育成サイズを大型化していくに従って、特に育成結晶の上部(初期に成長した部分に相当)においては、気泡、リネージ、多結晶化等の不良発生率が高くなる傾向がみられており、結晶サイズの大型化から期待される収量の向上、コストダウン効果が十分に得られていないという問題があった。   If crystal growth is performed in a state where the seeding temperature and the temperature gradient in the heat insulating space are inappropriate, it becomes difficult to control the crystal growth rate and the shape of the growth interface accompanying it, and the defect occurrence rate increases. In fact, as the crystal growth size increases, the incidence of defects such as bubbles, lineage, and polycrystallization tends to increase, especially in the upper part of the grown crystal (corresponding to the initial growth). Therefore, there has been a problem that the yield improvement and cost reduction effect expected from the increase in crystal size have not been sufficiently obtained.

そこで、従来大型サファイア単結晶を高品質で育成するために、温度勾配を適正な範囲にする方法について各種検討がなされてきた。例えば、融液上方空間に熱反射板を設置する方法や、原料融液を加熱するヒータを坩堝側面加熱用と、坩堝底面加熱用の2分割として、それらのヒータの出力比を調整する方法等が報告されている。   Thus, various studies have been made on methods for adjusting the temperature gradient to an appropriate range in order to grow large sapphire single crystals with high quality. For example, a method of installing a heat reflecting plate in the upper space of the melt, a method of adjusting the output ratio of these heaters by dividing the heater for heating the raw material melt into two parts for crucible side surface heating and crucible bottom surface heating, etc. Has been reported.

また、原料融液に種結晶を接触させる適切なタイミング、すなわち適切なシーディング温度を求める方法として、原料融液表面の温度や、原料融液を内在している坩堝の底部外表面温度を放射温度計、熱電対を用いて測定する方法等が報告されている。   In addition, as a method for obtaining an appropriate timing for bringing the seed crystal into contact with the raw material melt, that is, an appropriate seeding temperature, the surface temperature of the raw material melt and the outer surface temperature of the bottom of the crucible containing the raw material melt are radiated. Methods such as measurement using a thermometer and thermocouple have been reported.

これらを組み合わせて、且つ温度環境に対応した適切な引上速度や結晶回転速度を設定することで、結晶成長初期の成長界面形状を適切な形状に制御し、結晶重量100kg級の高品質サファイア単結晶が育成されるようになった。   By combining these and setting the appropriate pulling speed and crystal rotation speed corresponding to the temperature environment, the growth interface shape at the initial stage of crystal growth is controlled to an appropriate shape, and a high-quality sapphire unit with a crystal weight of 100 kg class. Crystals began to grow.

特開2011−195423号公報JP 2011-195423 A

しかしながら、上述の方法においても、坩堝内にチャージした原料量の8割未満までしか結晶育成を継続することが出来なかった。これは、坩堝内にチャージした原料重量に対するサファイア単結晶の重量が8割以上になるまで育成を継続すると、育成結晶底部が坩堝底内壁と固着する現象(底付き)や、坩堝内に残った原料が育成途中で瞬時に固化する現象(融液固化)が起こり、育成中止に至っていたためである。   However, even in the above method, crystal growth could be continued only to less than 80% of the amount of raw material charged in the crucible. This is because when the growth is continued until the weight of the sapphire single crystal with respect to the weight of the raw material charged in the crucible becomes 80% or more, the bottom of the grown crystal adheres to the crucible bottom inner wall (with a bottom) or remains in the crucible. This is because a phenomenon in which the raw material instantly solidifies during the growth (melt solidification) occurred and the growth was stopped.

それに対して、サファイア基板の大口径化、コストダウンに対する市場の要求は益々強まり、それに伴って、育成結晶のより大型化、育成コストの低減が求められている。このため育成結晶のより大型化、および育成コストの低減のために、投入原料に対する結晶化率(固化率)をさらに向上させることが求められていた。   On the other hand, market demands for increasing the diameter and cost of sapphire substrates are becoming stronger, and accordingly, the growth of growing crystals and the reduction of growing costs are required. For this reason, in order to increase the size of the grown crystal and reduce the growth cost, it has been required to further improve the crystallization rate (solidification rate) of the input raw material.

そこで、本発明の一側面では、上記従来技術が有する問題に鑑み、投入原料に対する結晶化率の高いサファイア単結晶の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems of the prior art, an object of one aspect of the present invention is to provide a method for producing a sapphire single crystal having a high crystallization rate with respect to an input raw material.

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
種結晶の引き上げ開始後に、
前記円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および/または前記円盤状ヒータを前記坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施するサファイア単結晶の製造方法を提供することができる。
In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a cylindrical heater disposed to face the side surface of the outer surface of the crucible, and a disk shape disposed to face the bottom surface of the outer surface of the crucible A method for producing a sapphire single crystal by the Czochralski method in which a seed crystal is brought into contact with a raw material melt in a crucible heated and melted by a heater and then the seed crystal and the sapphire single crystal are pulled up while rotating the seed crystal. There,
After starting to raise the seed crystal,
Provided is a method for producing a sapphire single crystal, which performs a cylindrical heater lowering step for lowering the cylindrical heater and / or a disk-shaped heater moving step for raising the disk-shaped heater toward the bottom surface of the outer surface of the crucible. can do.

本発明の一態様によれば、投入原料に対する結晶化率の高いサファイア単結晶の製造方法を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, a method for producing a sapphire single crystal with a high crystallization rate relative to an input raw material can be provided.

本発明の実施形態においてサファイア単結晶を製造する際に用いることができるサファイア単結晶育成装置の断面図。Sectional drawing of the sapphire single crystal growth apparatus which can be used when manufacturing a sapphire single crystal in embodiment of this invention. サファイア単結晶育成時のサファイア単結晶及びその周囲の説明図。Explanatory drawing of the sapphire single crystal at the time of sapphire single crystal growth, and its circumference | surroundings. サファイア単結晶育成時のサファイア単結晶及びその周囲の説明図。Explanatory drawing of the sapphire single crystal at the time of sapphire single crystal growth, and its circumference | surroundings. サファイア単結晶の各部の名称の説明図。Explanatory drawing of the name of each part of a sapphire single crystal. 本発明の実施例1においてサファイア単結晶を製造する際に用いたサファイア単結晶育成装置の構成の説明図。Explanatory drawing of a structure of the sapphire single crystal growth apparatus used when manufacturing a sapphire single crystal in Example 1 of this invention.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and the following embodiments are not departed from the scope of the present invention. Various modifications and substitutions can be made.

本実施形態のサファイア単結晶の製造方法の一構成例について説明する。   One structural example of the manufacturing method of the sapphire single crystal of this embodiment is demonstrated.

本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は、坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法を用いることができる。   The method for producing a sapphire single crystal of the present embodiment includes a cylindrical heater disposed so as to face the side surface of the outer surface of the crucible, and a disk-shaped heater disposed so as to face the bottom surface of the outer surface of the crucible. It is possible to use a method for producing a sapphire single crystal by the Czochralski method of pulling up the seed crystal and the sapphire single crystal while rotating the seed crystal after bringing the seed crystal into contact with the raw material melt in the heat-melted crucible. it can.

そして、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は、種結晶の引き上げ開始後に、円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータを坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施できる。   And the manufacturing method of the sapphire single crystal of this embodiment is a cylindrical heater descent | fall process which lowers a cylindrical heater after the pulling start of a seed crystal, and / or a disk-shaped heater toward the bottom surface among the outer surfaces of a crucible. The disk-shaped heater moving process to raise can be implemented.

ここでまず、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法に好適に用いることができるサファイア単結晶育成装置の構成例について図1を用いて説明する。   First, a configuration example of a sapphire single crystal growth apparatus that can be suitably used in the method for manufacturing a sapphire single crystal of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図1は、サファイア単結晶育成装置(サファイア単結晶製造装置)10の坩堝12の中心軸を通る断面における断面図を模式的に示したものである。   FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a cross section passing through the central axis of a crucible 12 of a sapphire single crystal growing apparatus (sapphire single crystal manufacturing apparatus) 10.

図1に示したサファイア単結晶育成装置10は、炉体11により形成されるチャンバ内に、サファイア原料が充填される坩堝12と、坩堝12の底面を加熱する円盤状ヒータ13、および坩堝12の外周面を加熱する円筒状ヒータ14を配置することができる。更に断熱空間15を構成する断熱材16とを備えることができる。円盤状ヒータ13、及び円筒状ヒータ14のヒータの種類は特に限定されるものではないが、例えば抵抗加熱方式であることが好ましい。また、断熱材16としては例えばカーボン製の断熱材を好適に用いることができる。   A sapphire single crystal growth apparatus 10 shown in FIG. 1 includes a crucible 12 in which a sapphire material is filled in a chamber formed by a furnace body 11, a disk-shaped heater 13 for heating the bottom surface of the crucible 12, and a crucible 12 A cylindrical heater 14 for heating the outer peripheral surface can be arranged. Furthermore, the heat insulating material 16 which comprises the heat insulation space 15 can be provided. The types of heaters of the disk heater 13 and the cylindrical heater 14 are not particularly limited, but for example, a resistance heating method is preferable. Moreover, as the heat insulating material 16, for example, a carbon heat insulating material can be suitably used.

そして、断熱材16の底面部161に設けられた開口部を介して、断熱空間15の外側から内側に延在し、円盤状ヒータ13および円筒状ヒータ14のそれぞれに接続され、電力を供給するための2つの円筒状ヒータ電極17a、17bを設けることができる。   And it extends from the outside of the heat insulation space 15 to the inside through an opening provided in the bottom surface portion 161 of the heat insulating material 16 and is connected to each of the disk heater 13 and the cylindrical heater 14 to supply electric power. Two cylindrical heater electrodes 17a and 17b can be provided.

そして、断熱材16の底面部161と円盤状ヒータ13の開口を貫通して、坩堝12を支持する支持軸18を設けることができる。さらに、断熱材16の上面部162に設けられた開口を通じて、先端にホルダ19aを介して種結晶20が取り付けられた引き上げ軸19を挿入することができる。引き上げ軸19は図中上下方向に移動が可能であり、種結晶20を原料融液21に接触させるシーディングを行ったり、育成時に、坩堝12内の原料融液21からチョクラルスキー法によりサファイア単結晶22を引上げ、育成できるようになっている。   A support shaft 18 that supports the crucible 12 can be provided through the bottom surface portion 161 of the heat insulating material 16 and the opening of the disk-shaped heater 13. Further, the pulling shaft 19 to which the seed crystal 20 is attached can be inserted at the tip through the holder 19a through the opening provided in the upper surface portion 162 of the heat insulating material 16. The pulling shaft 19 can move in the vertical direction in the figure, and performs seeding for bringing the seed crystal 20 into contact with the raw material melt 21 or sapphire from the raw material melt 21 in the crucible 12 by the Czochralski method at the time of growth. The single crystal 22 can be pulled up and grown.

また、図1に示したサファイア単結晶育成装置10は、炉内を所望の雰囲気に制御するために、図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を有することができる。   Further, the sapphire single crystal growing apparatus 10 shown in FIG. 1 can have a gas supply means, a gas exhaust means, etc. (not shown) in order to control the inside of the furnace to a desired atmosphere.

チョクラルスキー法においては既述のように、ヒータにより加熱溶融された原料融液に、種結晶を接触させるシーディングを実施した後、種結晶を回転させながらサファイア単結晶を引き上げることでサファイア単結晶を製造することができる。しかしながら、原料融液を含む断熱空間内の温度勾配や温度、シーディング温度が適切ではない場合、育成したサファイア単結晶内に気泡、リネージ等の不良が発生する場合があった。また、育成中止になる場合等があった。この点について図2を用いて以下に説明する。なお、図2は種結晶31を原料融液33にシーディングした後、種結晶31を引き上げ、サファイア単結晶32を育成している様子を模式的に示した図であり、種結晶31を通り原料融液33の表面と垂直な面での断面図を示している。   In the Czochralski method, as described above, seeding is performed by bringing the seed crystal into contact with the raw material melt heated and melted by the heater, and then the sapphire single crystal is pulled up while rotating the seed crystal. Crystals can be produced. However, when the temperature gradient, temperature, and seeding temperature in the heat insulating space containing the raw material melt are not appropriate, defects such as bubbles and lineage may occur in the grown sapphire single crystal. In addition, there were cases where the breeding was canceled. This point will be described below with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing a state in which the seed crystal 31 is seeded in the raw material melt 33 and then the seed crystal 31 is pulled up to grow a sapphire single crystal 32. A cross-sectional view in a plane perpendicular to the surface of the raw material melt 33 is shown.

まず、図2(a)を用いて種結晶31を原料融液33にシーディングした時、及びその後の育成初期段階における原料融液の温度が適正な温度範囲より低かったり、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも小さかったりした場合の結晶成長の様子を説明する。シーディング時や、育成初期段階において、原料融液の温度が適正な温度範囲よりも低かったり、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも小さかったりした場合、結晶はシーディング直後から急成長してしまう。このため、図2(a)に示すように、育成初期のサファイア単結晶32の成長界面(固液界面)32aの形状が融液に向かって凹状となってしまう。   First, when the seed crystal 31 is seeded on the raw material melt 33 with reference to FIG. 2A, and the temperature of the raw material melt in the initial growth stage is lower than the appropriate temperature range, The state of crystal growth when the gradient is smaller than the appropriate range will be described. If the temperature of the raw material melt is lower than the appropriate temperature range during seeding or at the initial stage of growth, or if the temperature gradient in the heat insulation space is smaller than the appropriate range, the crystals grow rapidly immediately after seeding. Resulting in. For this reason, as shown to Fig.2 (a), the shape of the growth interface (solid-liquid interface) 32a of the sapphire single crystal 32 in the initial stage of growth becomes concave toward the melt.

そして、原料融液33中に微量に含まれている不純物ガス成分の溶解度が、液相である原料融液33は高いのに対して、固相であるサファイア単結晶32は低く、固相と液相とで異なっている。このため、図2(a)に示すように成長界面32aの形状が原料融液33に向かって凹状となった場合、原料融液の固化、すなわち成長界面32aの前進に伴って、固相と液相との溶解度差から液相中に吐き出されたガス成分の濃度が成長界面32a近傍で高くなる。吐き出されたガス成分の原料融液中の濃度が原料融液33の溶解量を越えると気泡34が形成され、成長界面32aの形状が原料融液33に向かって凹状の場合、気泡34は成長界面32a近傍に留まる。そして、気泡34が成長界面32aの前進によってサファイア単結晶32中に取り込まれることで気泡(ボイド)欠陥が生じる。   The solubility of the impurity gas component contained in a trace amount in the raw material melt 33 is high in the raw material melt 33 which is a liquid phase, whereas the sapphire single crystal 32 which is a solid phase is low, It is different from the liquid phase. Therefore, as shown in FIG. 2A, when the shape of the growth interface 32a becomes concave toward the raw material melt 33, the solid phase of the raw material melt is solidified, that is, as the growth interface 32a advances, Due to the difference in solubility from the liquid phase, the concentration of the gas component discharged into the liquid phase increases in the vicinity of the growth interface 32a. When the concentration of the discharged gas component in the raw material melt exceeds the dissolved amount of the raw material melt 33, bubbles 34 are formed. When the growth interface 32a is concave toward the raw material melt 33, the bubbles 34 grow. It remains in the vicinity of the interface 32a. Then, the bubble 34 is taken into the sapphire single crystal 32 by the advance of the growth interface 32a, thereby generating a bubble defect.

また、成長界面32aの前進速度が速い場合、固相と液相との溶解度差分のガス成分を液相中に吐き出しきれずに、ガス成分が過飽和状態で固相中に取り込まれ、結晶化後に拡散によって集積し、マイクロボイドとして顕在化する場合もある。   In addition, when the growth interface 32a has a high forward speed, the gas component of the solubility difference between the solid phase and the liquid phase cannot be completely discharged into the liquid phase, and the gas component is taken into the solid phase in a supersaturated state. In some cases, it accumulates by diffusion and manifests as microvoids.

更に、このように成長界面32aが凹状の状態で結晶成長が進行すると、図2(b)に示すように、サファイア単結晶32の成長界面32aに対して垂直方向に伝搬するリネージ35と呼ばれる結晶欠陥の集積が起こる。その結果、このリネージ35の集積によって結晶方位の回転領域36が発生し、多結晶化が引き起こされる。   Further, when crystal growth proceeds in a state where the growth interface 32a is concave in this way, as shown in FIG. 2B, a crystal called lineage 35 that propagates in a direction perpendicular to the growth interface 32a of the sapphire single crystal 32 is obtained. Defect accumulation occurs. As a result, the accumulation of the lineage 35 generates a rotation region 36 of crystal orientation, which causes polycrystallization.

一方、シーディングした時の原料融液の温度が適正な温度範囲よりも高い場合は、種結晶が融点以上の温度環境下に曝されるため、シーディング作業中、もしくは育成開始直後に、種結晶が融解してしまい育成中止となってしまう。   On the other hand, if the temperature of the raw material melt at the time of seeding is higher than the appropriate temperature range, the seed crystal is exposed to a temperature environment higher than the melting point. The crystals melt and the growth is stopped.

また、断熱空間内の温度勾配が適切な範囲よりも大きい場合は、育成結晶中の温度差も大きくなるため、結晶育成中にその温度差に起因する熱歪を発生させ、育成結晶が割れてしまう可能性が高くなる。   In addition, when the temperature gradient in the heat insulation space is larger than the appropriate range, the temperature difference in the grown crystal also increases, so thermal strain caused by the temperature difference is generated during crystal growth, and the grown crystal is cracked. There is a high possibility that

以上に説明したように、サファイア単結晶の育成時、成長界面の形状が原料融液に向かって凹状の場合、気泡、リネージ、多結晶化等の不良が発生し易く好ましくない。   As described above, when the sapphire single crystal is grown, if the shape of the growth interface is concave toward the raw material melt, defects such as bubbles, lineage, and polycrystallization are likely to occur, which is not preferable.

そこで、気泡の取り込みや結晶欠陥の発生を防止する観点から、結晶育成の初期段階である肩部形成時から、サファイア単結晶と原料融液との成長界面の形状は原料融液側に凸状であることが好ましい。   Therefore, from the viewpoint of preventing entrapment of bubbles and occurrence of crystal defects, the shape of the growth interface between the sapphire single crystal and the raw material melt is convex to the raw material melt side from the time of shoulder formation, which is the initial stage of crystal growth. It is preferable that

そして、凸状成長界面の先端角度θを所望の範囲に制御することがより好ましい。この点について図3を用いて以下に説明する。   It is more preferable to control the tip angle θ of the convex growth interface within a desired range. This point will be described below with reference to FIG.

図3は種結晶41を原料融液42にシーディングした後、種結晶41を引き上げ、サファイア単結晶43を育成している様子を模式的に示した図であり、種結晶41を通り原料融液42の表面と垂直な面での断面図を示している。図3においてサファイア単結晶43の成長界面43aは原料融液42側に凸状になっており、その先端角度をθとする。   FIG. 3 is a diagram schematically showing how the seed crystal 41 is pulled up by seeding the seed crystal 41 into the raw material melt 42 and growing the sapphire single crystal 43. A cross-sectional view in a plane perpendicular to the surface of the liquid 42 is shown. In FIG. 3, the growth interface 43a of the sapphire single crystal 43 is convex toward the raw material melt 42 side, and the tip angle is θ.

そして、先端角度θが所望の範囲よりも鋭角となる場合は、原料融液42の深さ方向の温度勾配の設定が適切ではなく、サファイア単結晶43が原料融液42の深さ方向へ高速で成長している場合となる。このような状況では、凸状の成長界面43aの先端部で単位時間当りに吐き出されるガス成分の量が多くなり、凸状の成長界面43aの先端部はガス成分濃度が高過飽和となった原料融液42中で成長することになる。従って、成長界面43a先端部近傍では、気泡の結晶中への取り込みや、結晶中に取り込まれた過飽和ガス成分の拡散、集積によるマイクロボイドが発生し易くなる。加えて、高速成長による結晶性の悪化や、結晶内の温度差に起因した応力による転位の発生、その転位の移動によるリネージの発生、及び、それらの集積による多結晶化が起こり易くなる。   When the tip angle θ is an acute angle than the desired range, the temperature gradient in the depth direction of the raw material melt 42 is not set appropriately, and the sapphire single crystal 43 moves at a high speed in the depth direction of the raw material melt 42. If you are growing in. In such a situation, the amount of the gas component discharged per unit time at the tip of the convex growth interface 43a increases, and the tip of the convex growth interface 43a is a raw material whose gas component concentration is highly supersaturated. It will grow in the melt 42. Therefore, in the vicinity of the tip of the growth interface 43a, microvoids are easily generated due to the incorporation of bubbles into the crystal and the diffusion and accumulation of supersaturated gas components incorporated into the crystal. In addition, deterioration of crystallinity due to high-speed growth, generation of dislocation due to stress due to temperature difference in the crystal, generation of lineage due to movement of the dislocation, and polycrystallization due to their accumulation are likely to occur.

一方、先端角度θが所望の範囲よりも鈍角となる場合は、育成しているサファイア単結晶43の直径が高速で拡大している場合である。このような場合は、上述の場合と同様の理由で高速成長部(結晶径拡大部)の成長界面43a近傍に気泡が高濃度で生成するために、それらが成長界面43aにおいてサファイア単結晶43中に取り込まれ、いわゆる結晶肩部と呼ばれる結晶表面付近の気泡密度が高くなる。加えて、上述の場合と同様に、固化後に結晶内部に取り込まれた過飽和ガス成分の集積によるマイクロボイドも生じる。結晶肩部の気泡密度が高くなると、そこで輻射光が散乱されるために結晶内部の温度差が小さくなり、成長に伴って発生する固化潜熱が種結晶41方向へ逃げ難くなる。その結果、熱の流れは結晶肩部表面から上方空間へ逃げる割合が高くなる。加えて、坩堝外周部から中心部に向かって流れる融液の熱対流が育成結晶の成長界面直下で正面衝突に近い角度で衝突するために、サファイア単結晶43直下において対流に乱れが生じる。ここで、対流の乱れとは、熱対流の他に、衝突によって上方(つまり、成長界面方向)の流れが生じることをいう。これらによって、凹状の成長界面が形成され、前記の結晶径拡大部だけでなく、結晶中心部においても気泡が取り込まれ易くなる。更に、凹界面成長によるリネージの集積による多結晶化も起こり易くなる。   On the other hand, when the tip angle θ is an obtuse angle than the desired range, the diameter of the grown sapphire single crystal 43 is expanding at a high speed. In such a case, since bubbles are generated at a high concentration in the vicinity of the growth interface 43a of the high-speed growth part (crystal diameter expansion part) for the same reason as described above, they are generated in the sapphire single crystal 43 at the growth interface 43a. The bubble density near the crystal surface called the so-called crystal shoulder increases. In addition, as in the case described above, microvoids are generated due to accumulation of supersaturated gas components taken into the crystal after solidification. When the bubble density of the crystal shoulder increases, the radiation light is scattered there, so that the temperature difference inside the crystal becomes small, and the latent heat of solidification generated along with the growth becomes difficult to escape toward the seed crystal 41. As a result, the flow rate of heat increases from the crystal shoulder surface to the upper space. In addition, since the thermal convection of the melt flowing from the outer peripheral part of the crucible toward the central part collides with the angle close to the frontal collision directly under the growth interface of the grown crystal, the convection is disturbed immediately under the sapphire single crystal 43. Here, turbulence of convection means that an upward flow (that is, a growth interface direction) is generated by collision in addition to thermal convection. As a result, a concave growth interface is formed, and bubbles are easily taken not only in the crystal diameter enlarged portion but also in the crystal central portion. Further, polycrystallization due to lineage accumulation due to concave interface growth is likely to occur.

以上に説明した理由から、高品質のサファイア単結晶を再現性良く得るためには、サファイア単結晶育成の初期段階である肩部形成時から、成長界面の形状を原料融液側に凸状とし、この際の先端角度を所望の範囲に制御することが好ましい。   For the reasons described above, in order to obtain a high-quality sapphire single crystal with good reproducibility, the shape of the growth interface is made convex toward the raw material melt side from the time of shoulder formation, which is the initial stage of sapphire single crystal growth. The tip angle at this time is preferably controlled within a desired range.

そして、成長界面の形状を原料融液側に凸状とし、この際の先端角度を所望の範囲とするためには、サファイア単結晶育成時、断熱空間の温度勾配を適正な範囲とし、適切なシーディング温度とすることが好ましい。   And in order to make the shape of the growth interface convex toward the raw material melt side, and to make the tip angle at this time a desired range, the temperature gradient of the heat insulating space is set to an appropriate range when growing the sapphire single crystal, The seeding temperature is preferred.

そこで、図1に示した本実施形態のサファイア単結晶の製造方法で好適に使用できるサファイア単結晶育成装置10は、既述のように坩堝12の底面を加熱する円盤状ヒータ13、および坩堝12の外周面を加熱する円筒状ヒータ14を有することが好ましい。そして、円盤状ヒータ13、及び円筒状ヒータ14の出力比を調整できるように構成していることが好ましい。具体的には例えば図示しない制御手段により両ヒータに対する出力比を調整するように構成することができる。   Therefore, the sapphire single crystal growth apparatus 10 that can be suitably used in the method of manufacturing a sapphire single crystal of the present embodiment shown in FIG. 1 includes a disk heater 13 that heats the bottom surface of the crucible 12 and the crucible 12 as described above. It is preferable to have a cylindrical heater 14 that heats the outer peripheral surface of the cylindrical member. And it is preferable to comprise so that the output ratio of the disk shaped heater 13 and the cylindrical heater 14 can be adjusted. Specifically, for example, the output ratio for both heaters can be adjusted by control means (not shown).

このように原料融液を加熱するヒータを、坩堝12の底面加熱用の円盤状ヒータ13と、坩堝12の側面加熱用の円筒状ヒータ14とで2分割し、ヒータの出力比を調整することで原料融液21内を含む断熱空間15の温度勾配を適正な範囲に精密に制御することができる。このため、気泡の取り込みや結晶欠陥の発生を防止し、結晶育成の初期段階である肩部形成時から、成長界面の形状を適切な開き角をもつ原料融液側に凸状の形状とすることができる。   In this way, the heater for heating the raw material melt is divided into two by the disc heater 13 for heating the bottom surface of the crucible 12 and the cylindrical heater 14 for heating the side surface of the crucible 12, and the output ratio of the heater is adjusted. Thus, the temperature gradient of the heat insulating space 15 including the inside of the raw material melt 21 can be precisely controlled within an appropriate range. For this reason, the introduction of bubbles and the occurrence of crystal defects are prevented, and the shape of the growth interface is made convex to the raw material melt side with an appropriate opening angle from the time of shoulder formation, which is the initial stage of crystal growth. be able to.

なお、上述したようにサファイア単結晶を製造する際、サファイア単結晶の凸状の成長界面の先端角度θは所望の範囲であることが好ましい。係る先端角度θの好適な範囲や、そのための温度制御の条件は、装置のサイズ等により異なるため、例えば予め予備試験を実施することにより実験的に求めることができる。   In addition, when manufacturing a sapphire single crystal as described above, the tip angle θ of the convex growth interface of the sapphire single crystal is preferably within a desired range. Since the suitable range of the tip angle θ and the temperature control conditions therefor vary depending on the size of the apparatus and the like, it can be experimentally obtained by, for example, performing a preliminary test in advance.

また、図1に示したサファイア単結晶育成装置10において、原料融液21内を含む断熱空間15の温度勾配を適正な範囲とする方法は、上述の方法に限られるものではない。例えば原料融液21上方空間に図示しない熱反射板を設けたり、円盤状ヒータ13、及び円筒状ヒータ14の位置と、原料融液との位置を調整し、原料融液21を含む断熱空間15内の温度勾配を適切なものとすることもできる。また、これらの方法(手段)を組み合わせて用いることもできる。   Moreover, in the sapphire single crystal growth apparatus 10 shown in FIG. 1, the method of setting the temperature gradient of the heat insulation space 15 including the inside of the raw material melt 21 to an appropriate range is not limited to the method described above. For example, a heat reflecting plate (not shown) is provided in the space above the raw material melt 21, the positions of the disk heater 13 and the cylindrical heater 14 and the position of the raw material melt are adjusted, and the heat insulating space 15 including the raw material melt 21 is included. The temperature gradient inside can also be appropriate. These methods (means) can also be used in combination.

サファイア単結晶育成装置に熱反射板を設ける場合、その形態としては特に限定されるものではなく任意の構成とすることができる。例えば図1に示したサファイア単結晶育成装置10の断熱空間15内における坩堝12の上方の空間に、引き上げ軸19の軸方向に所定間隔をもって配置され、径方向中央部に開口を有する複数の円輪状の板状体を含む多層型熱反射板とすることができる。なお、この場合熱反射板を構成する板状体に形成された開口部の大きさは特に限定されないが、例えば坩堝12側から上方に向かうにしたがって、順次小さくなるように構成することができる。   When a heat reflecting plate is provided in the sapphire single crystal growing apparatus, the form is not particularly limited, and any configuration can be adopted. For example, in a space above the crucible 12 in the heat insulating space 15 of the sapphire single crystal growing apparatus 10 shown in FIG. 1, a plurality of circles arranged at predetermined intervals in the axial direction of the pulling shaft 19 and having openings in the radial center portion. A multilayer heat reflecting plate including a ring-shaped plate-shaped body can be obtained. In this case, the size of the opening formed in the plate-like body constituting the heat reflecting plate is not particularly limited, but for example, it can be configured such that it gradually decreases from the crucible 12 side upward.

図1に示したサファイア単結晶育成装置10はさらに、原料融液21表面の温度や、原料融液21を内在している坩堝12の底部外表面温度を放射温度計や、熱電対を用いて測定することができる。これによりシーディング温度を適正化することができる。   The sapphire single crystal growth apparatus 10 shown in FIG. 1 further uses a radiation thermometer or a thermocouple to measure the temperature of the raw material melt 21 surface and the bottom outer surface temperature of the crucible 12 containing the raw material melt 21. Can be measured. Thereby, seeding temperature can be optimized.

具体的には例えば図1に示すように、観察窓23aを介して原料融液表面の温度を測定する原料融液表面温度測定手段23を設けることができる。原料融液表面温度測定手段23としては例えば放射温度計を用いることができる。   Specifically, for example, as shown in FIG. 1, raw material melt surface temperature measuring means 23 for measuring the temperature of the raw material melt surface through an observation window 23a can be provided. As the raw material melt surface temperature measuring means 23, for example, a radiation thermometer can be used.

坩堝12の底部外表面温度を測定する手段として例えば支持軸18を貫通する貫通孔を設け、該貫通孔内に坩堝底部温度測定手段24を設けることができる。坩堝底部温度測定手段24としては例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。   As a means for measuring the bottom outer surface temperature of the crucible 12, for example, a through hole penetrating the support shaft 18 may be provided, and the crucible bottom temperature measuring means 24 may be provided in the through hole. As the crucible bottom temperature measuring means 24, for example, a thermocouple or a radiation thermometer can be used.

また、上記温度測定手段以外にもサファイア単結晶育成装置10の側面に設けたポート(観察窓)25aから坩堝12の外表面のうち側面の温度を測定する坩堝側面温度測定手段25を設けることができる。坩堝側面温度測定手段25は例えば放射温度計や熱電対を用いることができる。なお、坩堝側面温度測定手段25は、坩堝12の側面の任意の位置において測定できるように高さ方向の位置を変更、調整できるように構成することもできる。この場合、ポート(観察窓)25aは、例えば高さ方向に長いスリット状の形状とすることもできる。また、円筒状ヒータ14についても坩堝側面温度測定手段25と干渉しないように、必要に応じてスリットや開口部等を設けておくこともできる。   In addition to the above temperature measuring means, a crucible side surface temperature measuring means 25 for measuring the temperature of the side surface of the outer surface of the crucible 12 from a port (observation window) 25a provided on the side face of the sapphire single crystal growing apparatus 10 may be provided. it can. As the crucible side surface temperature measuring means 25, for example, a radiation thermometer or a thermocouple can be used. The crucible side surface temperature measuring means 25 can also be configured so that the position in the height direction can be changed and adjusted so that it can be measured at an arbitrary position on the side surface of the crucible 12. In this case, the port (observation window) 25a may have a slit shape that is long in the height direction, for example. Further, the cylindrical heater 14 may be provided with a slit, an opening or the like as necessary so as not to interfere with the crucible side surface temperature measuring means 25.

以上のように原料融液21内を含む断熱空間15内の温度勾配や、シーディング温度を適切な温度とすることにより育成するサファイア単結晶内に気泡、リネージ、多結晶化等の不良が発生することを抑制することができる。   As described above, defects such as bubbles, lineage, and crystallization occur in the sapphire single crystal grown by setting the temperature gradient in the heat insulating space 15 including the raw material melt 21 and the seeding temperature to an appropriate temperature. Can be suppressed.

しかしながら、サファイア単結晶を製造する際、結晶化率を高めようとすると、上述のようにサファイア単結晶の育成後半において、底付きや、融液固化と呼ばれる現象が生じ、結晶化率を高めることが困難であった。なお、底付きとは育成結晶底部が坩堝底内壁と固着してしまう現象を、融液固化とは坩堝内に残った原料が育成途中で瞬時に固化してしまう現象を指す。   However, when producing a sapphire single crystal, an attempt to increase the crystallization rate causes a phenomenon called bottoming or melt solidification in the latter half of the growth of the sapphire single crystal, as described above, thereby increasing the crystallization rate. It was difficult. In addition, bottoming refers to a phenomenon in which the grown crystal bottom is fixed to the crucible bottom inner wall, and melt solidification refers to a phenomenon in which the raw material remaining in the crucible is instantaneously solidified during the growth.

そこで、本発明の発明者らはサファイア単結晶の育成後半において、上述した底付き、もしくは融液固化が発生し、育成結晶の結晶化率が制限される理由について検討を行った。   Therefore, the inventors of the present invention studied the reason why the above-mentioned bottoming or melt solidification occurred in the latter half of the growth of the sapphire single crystal, and the crystallization rate of the grown crystal was limited.

本発明の発明者らの検討によると、サファイア単結晶の育成後半において底付きや、融液固化が発生するのは、サファイア単結晶の育成の進行に伴って、成長界面から、育成したサファイア単結晶内を通って流れる熱量が増大することに起因すると考えられる。   According to the study by the inventors of the present invention, bottoming out or melt solidification occurs in the latter half of the growth of the sapphire single crystal because the growth of the sapphire single crystal progresses from the growth interface. This is thought to be due to an increase in the amount of heat flowing through the crystal.

サファイア単結晶の結晶成長は、原料融液との成長界面において、融点以上に保持された原料融液から潜熱を奪い、その奪われた熱が成長界面近傍に留まることなく、融点以下である結晶低温部へ流れることで進行する。結晶成長が進行し、それに伴って育成結晶の体積が増大し、結晶表面からの放熱量が大きくなると、結晶内の熱流量も大きくなる。結晶成長が制御可能な状態で進行している時は、ヒータから原料融液に供給される熱量に対して、成長界面から奪う熱量が若干多い状態で定常状態となっており、成長界面は準平衡状態で前進している。   Crystal growth of a sapphire single crystal takes away latent heat from the raw material melt held above the melting point at the growth interface with the raw material melt, and the deprived heat does not stay near the growth interface and is below the melting point. It progresses by flowing to the low temperature part. As crystal growth progresses, the volume of the grown crystal increases, and the amount of heat released from the crystal surface increases, the heat flow in the crystal also increases. When crystal growth is proceeding in a controllable state, the amount of heat taken from the growth interface is a steady state with respect to the amount of heat supplied from the heater to the raw material melt. Moving forward in equilibrium.

しかし、ヒータから原料融液に供給される熱量の方が多い方向にこのバランスが崩れると、成長界面の前進停止、更には後退が起こる。つまり、育成結晶の成長停止、更には融解が起こる。一方、成長界面から奪う熱量がより多い方向にバランスが崩れると、成長界面の前進速度が増大する。更には、急成長や、残原料融液の全量固化に至る。   However, if this balance is lost in the direction in which the amount of heat supplied from the heater to the raw material melt is larger, the growth interface is further stopped and further retreated. That is, the growth of the grown crystal stops and further melts. On the other hand, if the balance is lost in the direction in which the amount of heat taken away from the growth interface is larger, the forward speed of the growth interface increases. Furthermore, it leads to rapid growth and solidification of the remaining raw material melt.

サファイア単結晶の育成後半においては、原料融液の残量が育成初期と比較すると大きく減少しており、且つ、原料融液表面から上方の空間に存在している育成結晶の体積が大きくなっている。加えて、育成結晶上部は融点からの温度差が大きい低温部へ引上られている。それゆえ、育成結晶表面からの放熱量が非常に大きくなり、成長界面から育成結晶を通して流れる熱量が増大している。一方、育成後半においては、育成結晶の成長界面と、坩堝の側壁、及び底面との距離が近接しており、結晶側面と坩堝の側壁の間に存在する融液の厚さ、結晶底面と坩堝の底面の間に存在する融液の深さが小さくなっている。従って、結晶成長が進行するに伴い、熱流量が多くなる上に熱交換が短距離で行われるために、ヒータから融液に供給される熱量と成長界面から奪われる熱量のバランス制御が困難となる。   In the latter half of the growth of the sapphire single crystal, the remaining amount of the raw material melt is greatly reduced compared to the initial stage of the growth, and the volume of the grown crystal existing in the space above the surface of the raw material melt is increased. Yes. In addition, the upper part of the grown crystal is drawn to a low temperature part where the temperature difference from the melting point is large. Therefore, the amount of heat released from the grown crystal surface becomes very large, and the amount of heat flowing through the grown crystal from the growth interface increases. On the other hand, in the latter half of the growth, the distance between the growth interface of the grown crystal and the side wall and bottom surface of the crucible is close, the thickness of the melt existing between the crystal side surface and the crucible side wall, the crystal bottom surface and the crucible. The depth of the melt existing between the bottom surfaces of the two is small. Therefore, as the crystal growth proceeds, the heat flow increases and the heat exchange is performed over a short distance, so that it is difficult to control the balance between the amount of heat supplied from the heater to the melt and the amount of heat taken away from the growth interface. Become.

サファイア単結晶の結晶育成においては、育成の進行に合わせて、ヒータ出力、引上速度を調整し成長速度を制御することもなされている。しかし、ヒータには発熱分布が存在する。特に、坩堝側面を加熱する円筒状ヒータは通常、ヒータの高さ方向での中心位置が最も発熱量が多く、そこから上下方向に離れるに従って発熱量が減少する。育成が進行し、原料融液残量が少なくなってくると、原料融液表面位置は側面ヒータの発熱量が小さい下方向へ移動することになる。それに対して、育成結晶の表面積、体積は増大していくので、成長界面から奪う熱量は増大する。それに対応して、ヒータ出力の調整等を実施しても、上述したヒータ内の発熱分布の影響で結晶成長速度の調整は非常に困難となっている。   In crystal growth of a sapphire single crystal, the growth rate is controlled by adjusting the heater output and the pulling speed as the growth progresses. However, the heater has a heat generation distribution. In particular, a cylindrical heater that heats the side of the crucible usually has the largest amount of heat generation at the center position in the height direction of the heater, and the amount of heat generation decreases as it moves away from it in the vertical direction. As the growth progresses and the remaining amount of the raw material melt decreases, the surface position of the raw material melt moves downward with a small amount of heat generated by the side heater. In contrast, since the surface area and volume of the grown crystal increase, the amount of heat taken away from the growth interface increases. Correspondingly, even if the heater output is adjusted, etc., it is very difficult to adjust the crystal growth rate due to the influence of the heat generation distribution in the heater described above.

特に、原料融液の残量が、初期原料融液量の2割程度となると、成長界面から奪われる熱量が非常に大きくなっているために、ヒータ出力の調整、引上速度の調整のみでは成長界面の前進速度を制御出来ずに、急成長が発生し、底付き、融液固化を回避することが出来なかった。   In particular, when the remaining amount of the raw material melt is about 20% of the initial raw material melt amount, the amount of heat taken away from the growth interface is very large. The forward speed of the growth interface could not be controlled, and rapid growth occurred, so that bottoming and melt solidification could not be avoided.

そこで、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法では既述のように、種結晶の引き上げ開始後に、円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータを坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施できる。   Therefore, in the method for producing a sapphire single crystal according to the present embodiment, as described above, after starting the pulling of the seed crystal, the cylindrical heater lowering step of lowering the cylindrical heater, and / or the disk-shaped heater on the outer surface of the crucible. Of these, the disk-shaped heater moving step of raising the bottom surface can be performed.

このように、サファイア単結晶の育成の進行に伴って、坩堝に対するヒータの相対位置を変化させることで、育成後半においても原料融液に対して適切な熱量を供給することが可能になり、成長速度の制御を容易にし、育成中の底付き、融液固化を防止できる。   As described above, by changing the relative position of the heater with respect to the crucible as the sapphire single crystal grows, it becomes possible to supply an appropriate amount of heat to the raw material melt even in the latter half of the growth. Control of the speed is facilitated, and bottoming and melt solidification during growth can be prevented.

このため、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、投入原料重量に対する結晶化率(固化率)が80%以上のサファイア単結晶を育成することができる。特に本実施形態のサファイア基板の製造方法においては投入原料重量に対する結晶化率は85%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。   For this reason, according to the manufacturing method of the sapphire single crystal of this embodiment, the sapphire single crystal whose crystallization rate (solidification rate) with respect to the input raw material weight is 80% or more can be grown. In particular, in the method for producing a sapphire substrate of this embodiment, the crystallization ratio with respect to the weight of the input raw material is preferably 85% or more, and more preferably 90% or more.

なお、投入原料重量に対する結晶化率は以下の式(1)により算出することができる。(投入原料重量に対する結晶化率)=100×(得られたサファイア単結晶の重量)/(投入原料重量)・・・式(1)
円筒状ヒータ降下工程においては、例えば育成の進行に伴う原料融液表面位置の降下速度に対応して、坩堝12の側壁を加熱する円筒状ヒータ14を降下させることができる。上述のように円筒状ヒータ14は高さ方向での中心位置またはその近傍に発熱量のピークがある。このため、円筒状ヒータ降下工程を実施することにより、原料融液の表面位置の降下に応じて円筒状ヒータ14を降下させることで原料融液21に適切な熱量を供給することが可能になる。
In addition, the crystallization rate with respect to input raw material weight is computable with the following formula | equation (1). (Crystalization rate relative to input raw material weight) = 100 × (weight of obtained sapphire single crystal) / (input raw material weight) Formula (1)
In the cylindrical heater lowering step, for example, the cylindrical heater 14 for heating the side wall of the crucible 12 can be lowered in accordance with the lowering speed of the raw material melt surface position accompanying the progress of the growth. As described above, the cylindrical heater 14 has a peak in heat generation at or near the center position in the height direction. For this reason, by performing the cylindrical heater lowering step, it is possible to supply an appropriate amount of heat to the raw material melt 21 by lowering the cylindrical heater 14 in accordance with the lowering of the surface position of the raw material melt. .

円筒状ヒータ降下工程において、円筒状ヒータを降下させる速度は特に限定されるものではなく、例えば算出した原料融液表面位置の降下速度に応じて選択することができる。特に円筒状ヒータ降下工程では、円筒状ヒータ14の最も高温部分の高さが、原料融液21の表面高さ±30mm以内となるように、円筒状ヒータ14を降下させることが好ましい。   In the cylindrical heater lowering step, the speed of lowering the cylindrical heater is not particularly limited, and can be selected according to, for example, the calculated lowering speed of the raw material melt surface position. In particular, in the cylindrical heater lowering step, it is preferable to lower the cylindrical heater 14 so that the height of the highest temperature portion of the cylindrical heater 14 is within the surface height of the raw material melt 21 ± 30 mm.

これは、円筒状ヒータ14の最も高温部分の高さを原料融液の表面高さ±30mm以内となるように円筒状ヒータ14を降下させることで、原料融液の表面近傍に円筒状ヒータ14の最も高温部分を配置することができ、原料融液21に十分な熱量を供給できるためである。特に、円筒状ヒータ降下工程では、円筒状ヒータ14の最も高温部分の高さが、原料融液21の表面高さ±15mmとなるように円筒状ヒータ14を降下させることがより好ましい。   This is because the cylindrical heater 14 is lowered so that the height of the hottest portion of the cylindrical heater 14 is within the surface height of the raw material melt within ± 30 mm, so that the cylindrical heater 14 is in the vicinity of the surface of the raw material melt. This is because the hottest portion can be disposed, and a sufficient amount of heat can be supplied to the raw material melt 21. In particular, in the cylindrical heater lowering step, it is more preferable to lower the cylindrical heater 14 so that the highest temperature portion of the cylindrical heater 14 has a surface height of the raw material melt 21 of ± 15 mm.

なお、円筒状ヒータ14の最も高温部分の高さは、例えば予め円筒状ヒータ14の高さ方向について最も高温になる部分を検出しておき、その位置を該円筒状ヒータ14の最も高温になる部分の高さとすることができる。また、円筒状ヒータ14の高さ方向の中央部分を円筒状ヒータの最も高温部分とみなしてもよい。   For example, the highest temperature portion of the cylindrical heater 14 is detected in advance in the height direction of the cylindrical heater 14, and the position of the highest temperature of the cylindrical heater 14 is detected. It can be the height of the part. Moreover, you may consider the center part of the height direction of the cylindrical heater 14 as the hottest part of a cylindrical heater.

また、円盤状ヒータ移動工程においては、坩堝12の底部を加熱する円盤状ヒータ13を上昇させることができる。図1に示したように、坩堝12内に入れた原料を溶融させ、シーディングを行う際や単結晶の育成初期には、円盤状ヒータ13は坩堝12の底部から離隔して配置することができる。そして、円盤状ヒータ移動工程では、円盤状ヒータ13を上昇させることにより、円盤状ヒータ13と、坩堝12との間の距離を縮めることができる。円盤状ヒータ13を坩堝12の底面に近づけることにより、原料融液21に対して十分な熱量を供給することができるためである。   In the disk heater moving process, the disk heater 13 for heating the bottom of the crucible 12 can be raised. As shown in FIG. 1, when the raw material put in the crucible 12 is melted and seeding is performed or at the initial stage of single crystal growth, the disc-shaped heater 13 may be arranged separately from the bottom of the crucible 12. it can. In the disk heater moving step, the distance between the disk heater 13 and the crucible 12 can be reduced by raising the disk heater 13. This is because a sufficient amount of heat can be supplied to the raw material melt 21 by bringing the disc heater 13 close to the bottom surface of the crucible 12.

円盤状ヒータ移動工程において、円盤状ヒータ13を移動させる速度は特に限定されるものではなく、例えば予備試験等により算出した速度や、断熱空間15内の温度、その他の制御条件等に応じて任意に選択することができる。例えば、円盤状ヒータ移動工程は、円盤状ヒータ13を、種結晶の引上げ速度の1/20以上1/5以下の速度で上昇させることができる。   In the disk-shaped heater moving process, the speed at which the disk-shaped heater 13 is moved is not particularly limited. For example, it can be arbitrarily selected according to the speed calculated by a preliminary test, the temperature in the heat insulating space 15, other control conditions, and the like. Can be selected. For example, in the disk-shaped heater moving step, the disk-shaped heater 13 can be raised at a speed of 1/20 or more and 1/5 or less of the pulling speed of the seed crystal.

これは円盤状ヒータ13を上昇させる際の移動速度が、結晶引上げ速度の1/20未満であると、原料融液21の減少に伴い必要となる熱量を十分に供給できない恐れがあるためである。また、円盤状ヒータ13を上昇させる際の移動速度が、結晶引上げ速度の1/5よりも速いと原料融液21に対して供給する熱量が過剰になる恐れがあるためである。特に円盤状ヒータ移動工程は、円盤状ヒータ13を結晶引上げ速度の1/15以上1/5以下の速度で上昇させることがより好ましい。   This is because if the moving speed when raising the disk-shaped heater 13 is less than 1/20 of the crystal pulling speed, there is a possibility that the amount of heat necessary for reducing the raw material melt 21 cannot be sufficiently supplied. . Further, if the moving speed when raising the disk heater 13 is faster than 1/5 of the crystal pulling speed, the amount of heat supplied to the raw material melt 21 may be excessive. In particular, in the step of moving the disc-shaped heater, it is more preferable to raise the disc-shaped heater 13 at a speed of 1/15 or more and 1/5 or less of the crystal pulling speed.

円筒状ヒータ降下工程と、円盤状ヒータ移動工程とは、いずれか一方のみを実施しても底付きや融液固化を回避することができ、結晶化率を高めることができるが、特に両工程を実施することがより確実に底付きや融液固化の発生を抑制する観点からは好ましい。   Even if only one of the cylindrical heater lowering process and the disk heater moving process is performed, bottoming and melt solidification can be avoided, and the crystallization rate can be increased. It is preferable from the viewpoint of suppressing the occurrence of bottoming and melt solidification more reliably.

円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程を実施するタイミングは上述のように種結晶の引き上げ開始後の任意のタイミングで実施することができるが、例えば、サファイア単結晶の肩部が形成された後に実施することが好ましい。   The timing of performing the cylindrical heater lowering step and / or the disc-shaped heater moving step can be performed at any timing after the start of pulling up the seed crystal as described above. For example, the shoulder portion of the sapphire single crystal is It is preferable to carry out after the formation.

なお肩部が形成された後、サファイア単結晶の直胴部が確認された後に円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程を実施することもできる。また、原料融液の固化率が50%以上の時に実施することもできる。   In addition, after a shoulder part is formed, after the straight body part of a sapphire single crystal is confirmed, a cylindrical heater lowering process and / or a disk-shaped heater moving process can also be implemented. It can also be carried out when the solidification rate of the raw material melt is 50% or more.

ここで、図4を用いてサファイア単結晶の肩部、及び直胴部について説明する。図4は得られるサファイア単結晶の中心軸を通る面における断面図を模式的に示したものである。育成するサファイア単結晶は、既述のように原料融液に種結晶を接触させた後、該種結晶を回転させながら引き上げることにより育成することができる。種結晶の引き上げ開始当初は、サファイア単結晶は幅方向へも成長する。そして、幅方向への成長が飽和した後は、幅方向への成長はほとんど観察されず、引き上げ方向に沿って成長することとなる。   Here, the shoulder part and the straight body part of the sapphire single crystal will be described with reference to FIG. FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view in a plane passing through the central axis of the obtained sapphire single crystal. The sapphire single crystal to be grown can be grown by bringing the seed crystal into contact with the raw material melt as described above and then pulling up the seed crystal while rotating it. At the beginning of pulling up the seed crystal, the sapphire single crystal grows in the width direction. Then, after the growth in the width direction is saturated, the growth in the width direction is hardly observed, and the growth occurs in the pulling direction.

このため、図4に示した様に得られるサファイア単結晶のうち、種結晶51側であって、種結晶の引き上げ開始後、幅方向の成長が生じていた部分は略円錐形状となり、この部分Aを肩部と呼ぶ。   Therefore, the portion of the sapphire single crystal obtained as shown in FIG. 4 on the side of the seed crystal 51 that has grown in the width direction after the start of the pulling of the seed crystal has a substantially conical shape. A is called the shoulder.

そして、幅方向への成長が飽和した後は上述の様に幅方向の成長はほとんど見られなくなるため略柱状形状となり、この部分Bを直胴部と呼ぶ。   Then, after the growth in the width direction is saturated, the growth in the width direction is hardly seen as described above, so that it becomes a substantially columnar shape, and this portion B is called a straight body portion.

なお、本実施形態の説明においては既に肩部との用語を用いているが、ここで説明したものと同様の意味を有している。   In the description of the present embodiment, the term “shoulder” has already been used, but has the same meaning as described here.

従って上述のようにサファイア単結晶の肩部が形成された後に円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程を実施するとは、育成しているサファイア単結晶の幅方向の成長が飽和したことを確認した後に上述の工程を実施することを意味している。すなわち、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては、サファイア単結晶育成後半の直胴部育成時において、円筒状ヒータ降下工程および/または円盤状ヒータ移動工程を実施することができる。   Therefore, when the cylindrical heater lowering step and / or the disc-like heater moving step is performed after the shoulder portion of the sapphire single crystal is formed as described above, the growth in the width direction of the growing sapphire single crystal is saturated. It means that the above-mentioned process is performed after confirming this. That is, in the method for manufacturing a sapphire single crystal according to the present embodiment, the cylindrical heater lowering step and / or the disc-shaped heater moving step can be performed at the time of growing the straight body part in the latter half of the sapphire single crystal growth.

既述のように円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程は、底付きや融液固化が生じることの防止を主な目的として実施する工程であり、底付きや融液固化は主にサファイア単結晶の育成後半に生じる。このため、上述のように円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程は、サファイア単結晶育成の育成後期である肩部が形成された後に好適に実施することができる。   As described above, the cylindrical heater lowering process and / or the disk-shaped heater moving process is a process performed mainly for the purpose of preventing bottoming and melt solidification. It occurs mainly in the second half of sapphire crystal growth. For this reason, as described above, the cylindrical heater lowering step and / or the disc-like heater moving step can be suitably performed after the shoulder portion, which is the latter stage of sapphire single crystal growth, is formed.

なお、上述した円筒状ヒータ降下工程および/または円盤状ヒータ移動工程を実施する際の各ヒータの出力等の制御方法は特に限定されるものではなく、例えば予め予備試験等より求めておいた条件により制御することもできる。   The method for controlling the output of each heater when performing the above-described cylindrical heater lowering step and / or disk-shaped heater moving step is not particularly limited. Can also be controlled.

特に、精密に制御できるように、サファイア単結晶育成中に実際に計測した温度等の測定値にあわせてヒータの出力を最適な条件に制御し、結晶成長速度を所望の値とすることが好ましい。この場合、本実施形態のサファイア単結晶製造方法に用いることができる図1に示したサファイア単結晶育成装置10は温度等を検出するための任意の測定手段を有することができる。   In particular, it is preferable that the output of the heater is controlled to an optimum condition in accordance with a measured value such as a temperature actually measured during the growth of the sapphire single crystal so that the crystal growth rate is a desired value so that the crystal growth rate can be precisely controlled. . In this case, the sapphire single crystal growing apparatus 10 shown in FIG. 1 that can be used in the sapphire single crystal manufacturing method of the present embodiment can have an arbitrary measuring means for detecting temperature and the like.

具体的には例えば、サファイア単結晶育成装置は、サファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段と、坩堝の外表面のうち側面の温度を測定する手段と、坩堝の外表面のうち底部の温度を測定する手段とを備えることができる。   Specifically, for example, the sapphire single crystal growing apparatus includes a means for measuring the shoulder surface temperature of the sapphire single crystal, a means for measuring the temperature of the side surface of the outer surface of the crucible, and the temperature of the bottom portion of the outer surface of the crucible. Means for measuring.

図1に示したサファイア単結晶育成装置10の場合、例えばサファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段として、観察窓26aを介してサファイア単結晶肩部表面温度を測定するサファイア単結晶肩部表面温度測定手段26を有することができる。サファイア単結晶肩部表面温度測定手段26としては例えば放射温度計を用いることができる。   In the case of the sapphire single crystal growth apparatus 10 shown in FIG. 1, for example, as a means for measuring the sapphire single crystal shoulder surface temperature, the sapphire single crystal shoulder surface measuring the sapphire single crystal shoulder surface temperature through the observation window 26a. A temperature measuring means 26 can be provided. As the sapphire single crystal shoulder surface temperature measuring means 26, for example, a radiation thermometer can be used.

また、坩堝12の外表面のうち側面の温度を測定する手段としては、例えば既述のようにサファイア単結晶育成装置10の側面に設けたポート(観察窓)25aから坩堝12の外表面のうち側面の温度を測定する坩堝側面温度測定手段25を設けることができる。坩堝側面温度測定手段25は例えば放射温度計や熱電対を用いることができる。   Moreover, as means for measuring the temperature of the side surface of the outer surface of the crucible 12, for example, as described above, from the port (observation window) 25a provided on the side surface of the sapphire single crystal growth apparatus 10, the outer surface of the crucible 12 A crucible side surface temperature measuring means 25 for measuring the side surface temperature can be provided. As the crucible side surface temperature measuring means 25, for example, a radiation thermometer or a thermocouple can be used.

なお、坩堝側面温度測定手段25はその温度測定位置を任意に変更できるように構成することもできる。この場合、例えば予め計算した原料融液表面位置の降下速度に対応して温度の測定位置を変化できるように構成することができる。具体的には原料融液表面位置に対応した側面部分の温度を測定できるように構成することが好ましい。   The crucible side surface temperature measuring means 25 can also be configured so that the temperature measurement position can be arbitrarily changed. In this case, for example, the temperature measurement position can be changed in accordance with the descending speed of the raw material melt surface position calculated in advance. Specifically, it is preferable that the temperature of the side surface portion corresponding to the raw material melt surface position can be measured.

坩堝12の外表面のうち底部の温度を測定する手段としては、例えば既述のように支持軸18を貫通する貫通孔を設け、該貫通孔内に坩堝底部温度測定手段24を設けることができる。坩堝底部温度測定手段24としては例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。   As a means for measuring the temperature at the bottom of the outer surface of the crucible 12, for example, a through hole penetrating the support shaft 18 can be provided as described above, and the crucible bottom temperature measuring means 24 can be provided in the through hole. . As the crucible bottom temperature measuring means 24, for example, a thermocouple or a radiation thermometer can be used.

なお、図1に示したサファイア単結晶育成装置10には、原料融液表面温度測定手段23と、サファイア単結晶肩部表面温度測定手段26とを設けた例を示しているが、係る形態に限定されるものではない。例えば、原料融液21の表面温度、およびサファイア単結晶22肩部の表面温度は1つの温度測定手段により検出するように構成してもよい。   In addition, although the example which provided the raw material melt surface temperature measurement means 23 and the sapphire single crystal shoulder surface temperature measurement means 26 is shown in the sapphire single crystal growth apparatus 10 shown in FIG. It is not limited. For example, the surface temperature of the raw material melt 21 and the surface temperature of the shoulder portion of the sapphire single crystal 22 may be detected by one temperature measuring means.

そして上述のように、サファイア単結晶肩部表面温度測定手段26、坩堝側面温度測定手段25、坩堝底部温度測定手段24により測定したサファイア単結晶肩部表面温度と、坩堝側面温度、坩堝底面温度に基づいて円筒状ヒータ14および/または円盤状ヒータ13の出力を制御するように構成することもできる。   Then, as described above, the sapphire single crystal shoulder surface temperature measuring means 26, the crucible side surface temperature measuring means 25, the crucible bottom temperature measuring means 24, the crucible bottom surface temperature, the crucible side surface temperature, and the crucible bottom temperature Based on this, the output of the cylindrical heater 14 and / or the disk-shaped heater 13 can be controlled.

なお、制御のパラメータとしては上述の各種温度測定手段により検出した温度に限定されるものではない。例えば育成しているサファイア単結晶の重量を検出できるように構成し、育成しているサファイア単結晶の重量もヒータ出力の制御の際のパラメータとして用いることもできる。   The control parameter is not limited to the temperature detected by the various temperature measuring means described above. For example, the weight of the grown sapphire single crystal can be detected, and the weight of the grown sapphire single crystal can also be used as a parameter for controlling the heater output.

また、ここではヒータの出力の制御についてのみ説明したが、円筒状ヒータ降下工程、および/または円盤状ヒータ移動工程における各ヒータの位置や移動速度についても上述の各種温度測定手段により検出した温度等により制御するように構成することもできる。   Although only the control of the heater output has been described here, the temperature detected by the above-described various temperature measuring means is also used for the position and moving speed of each heater in the cylindrical heater lowering process and / or the disk heater moving process. It can also be configured to be controlled by.

以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶製造方法によれば、結晶育成後半における育成結晶の底付きや、融液固化の発生を抑制することができる。このため、投入原料に対する結晶化率を高くすることができ、大型のサファイア単結晶を収率よく製造することができる。   According to the sapphire single crystal manufacturing method of the present embodiment described above, it is possible to suppress the bottom of the grown crystal and the occurrence of melt solidification in the latter half of the crystal growth. For this reason, the crystallization rate with respect to an input raw material can be made high, and a large sapphire single crystal can be manufactured with a sufficient yield.

以下に具体的な実施例、比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Specific examples and comparative examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

ここでまず、以下の実施例および比較例において育成したサファイア単結晶の評価方法について説明する。
(偏光検査)
偏光検査は、育成によって得られたサファイア単結晶をヨウ化メチレンに浸して白色光源を照射することで行った。
(X線トポグラフ)
X線トポグラフは、大試料ラングカメラ(株式会社リガク製、LGL−8)を用いて評価した。
Here, first, an evaluation method of a sapphire single crystal grown in the following examples and comparative examples will be described.
(Polarization inspection)
Polarization inspection was performed by immersing a sapphire single crystal obtained by growth in methylene iodide and irradiating with a white light source.
(X-ray topograph)
The X-ray topograph was evaluated using a large sample Lang camera (manufactured by Rigaku Corporation, LGL-8).

次に各実施例、比較例におけるサファイア単結晶の育成条件について説明する。
[実施例1]
以下に説明する多層反射板、および重量センサ等をさらに設けた点以外は、図1に示したサファイア単結晶育成装置10と同様の構成を有するサファイア単結晶育成装置を使用して、サファイア単結晶の育成を行った。
Next, the growth conditions of the sapphire single crystal in each example and comparative example will be described.
[Example 1]
A sapphire single crystal growing apparatus having a configuration similar to that of the sapphire single crystal growing apparatus 10 shown in FIG. 1 except that a multilayer reflector and a weight sensor described below are further provided. Was trained.

図5を用いて本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置に設置した多層反射板の構成について説明する。図5は図1における坩堝12及びその上部を模式的に示したものであり、その他の構成については記載を省略している。また、図1と同じ部材については同じ番号を付している。   The structure of the multilayer reflector installed in the sapphire single crystal growing apparatus used in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 schematically shows the crucible 12 and its upper part in FIG. 1, and the description of the other components is omitted. The same members as those in FIG. 1 are given the same numbers.

図5に示す様に多層反射板61は坩堝12及び坩堝12内に配置された原料融液21の上方に設けた。多層反射板61は、引き上げ軸19の軸方向に所定間隔をもって、円輪状の板状体である熱反射板が複数枚配置された構造を有している。そして、各熱反射板の径方向の中央部には、引き上げ軸19、ホルダ19aを介して取り付けられた種結晶20、及び種結晶20の先に成長したサファイア単結晶22と干渉しないように、開口部が設けられている。該開口部は、坩堝12側から上方に向かうに従って、開口径が順次小さくなるように形成されている。   As shown in FIG. 5, the multilayer reflector 61 was provided above the crucible 12 and the raw material melt 21 disposed in the crucible 12. The multilayer reflecting plate 61 has a structure in which a plurality of heat reflecting plates, which are annular plates, are arranged at a predetermined interval in the axial direction of the lifting shaft 19. And in the central part of the radial direction of each heat reflecting plate, so as not to interfere with the pulling shaft 19, the seed crystal 20 attached via the holder 19a, and the sapphire single crystal 22 grown on the tip of the seed crystal 20, An opening is provided. The opening is formed so that the diameter of the opening gradually decreases from the crucible 12 side upward.

育成中のサファイア単結晶重量を測定するため、引き上げ軸19に図示しない重量センサを設けている。そして、重量センサで検出した重量増加速度に対応してヒータ出力を制御するように構成している。   In order to measure the weight of the sapphire single crystal being grown, a weight sensor (not shown) is provided on the pulling shaft 19. And it is comprised so that a heater output may be controlled corresponding to the weight increase speed detected with the weight sensor.

なお、本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置10においては、図1に示したサファイア単結晶装置と同様に、上部に観察窓23aを介して原料融液21の表面温度を測定するための原料融液表面温度測定手段23として放射温度計が設けられている。また、支持軸18を貫通して坩堝12の底部温度を測定するための坩堝底部温度測定手段24として熱電対が設置され、観察窓25aを介して坩堝12の外表面のうち側面部の温度を測定するための坩堝側面温度測定手段25として放射温度計が設置されている。さらに、観察窓26aを介してサファイア単結晶肩部の表面温度を測定するためのサファイア単結晶肩部表面温度測定手段26として放射温度計が設置されている。   In addition, in the sapphire single crystal growing apparatus 10 used in the present embodiment, as in the sapphire single crystal apparatus shown in FIG. 1, the surface temperature of the raw material melt 21 is measured through the observation window 23a at the top. A radiation thermometer is provided as the raw material melt surface temperature measuring means 23. In addition, a thermocouple is installed as a crucible bottom temperature measuring means 24 for measuring the bottom temperature of the crucible 12 through the support shaft 18, and the temperature of the side surface portion of the outer surface of the crucible 12 is adjusted through the observation window 25a. A radiation thermometer is installed as the crucible side surface temperature measuring means 25 for measuring. Further, a radiation thermometer is installed as the sapphire single crystal shoulder surface temperature measuring means 26 for measuring the surface temperature of the sapphire single crystal shoulder through the observation window 26a.

また、育成中の炉内の観察は図1には図示しない観察窓を介してビデオカメラ、または目視で行っており、ビデオカメラ画像は炉外に設置したモニタでリアルタイムに確認できる。育成中に炉内観察を実施する場合には、遮光フィルターを介して行っている。   In addition, the inside of the growing furnace is observed with a video camera or visually through an observation window (not shown in FIG. 1), and the video camera image can be confirmed in real time on a monitor installed outside the furnace. When performing observation in the furnace during the growth, it is performed through a light shielding filter.

さらに、本実施例で用いたサファイア単結晶育成装置は、炉内を所望の雰囲気に制御するための図示しないガス供給手段、およびガス排気手段等を有している。   Furthermore, the sapphire single crystal growing apparatus used in this example has a gas supply means (not shown) and a gas exhaust means for controlling the inside of the furnace to a desired atmosphere.

以下に具体的に本実施例でサファイア単結晶を育成した際の手順、条件について説明する。なお、本実施例で育成したサファイア単結晶の育成方位は、a軸とした。   The procedure and conditions when a sapphire single crystal is grown in this example will be specifically described below. The growth direction of the sapphire single crystal grown in this example was the a-axis.

まず、原料として120kgの多結晶酸化アルミニウム(Al)を坩堝12(直径:400mmφ)に充填し、この坩堝12をサファイア単結晶育成装置の支持軸18上に設置した。原料の純度は、4Nであった。また、Mo製の引き上げ軸19の先端部に、Mo製のホルダを19a介して種結晶20を保持した。 First, 120 kg of polycrystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a raw material was filled in a crucible 12 (diameter: 400 mmφ), and this crucible 12 was placed on a support shaft 18 of a sapphire single crystal growth apparatus. The purity of the raw material was 4N. In addition, the seed crystal 20 was held at the tip of the Mo lifting shaft 19 through a Mo holder 19a.

その後、炉内の雰囲気をArガス雰囲気とした後、カーボン製の円盤状ヒータ13および円筒状ヒータ14により坩堝12内の原料を2050℃以上に加熱し、融解した。   Thereafter, the atmosphere in the furnace was changed to an Ar gas atmosphere, and then the raw material in the crucible 12 was heated to 2050 ° C. or higher by the carbon disk heater 13 and the cylindrical heater 14 and melted.

原料が完全に融解したことを炉内観察用の観察窓を介して撮影したビデオカメラ画像、及び原料融液表面温度測定手段23、及び坩堝側面温度測定手段25の放射温度計、坩堝底部温度測定手段24の熱電対の温度測定値から確認した。次いで、原料融液表面温度測定手段23を用いて原料融液表面の温度を測定し、該温度を酸化アルミニウムの融点より2℃高い温度となるように調整した。この時、坩堝底部温度測定手段24の熱電対の測定値は酸化アルミニウム融点よりも15℃高い値であった。更に、融液表面位置に対応する位置で坩堝側面温度測定手段25により測定した坩堝側面の温度は、酸化アルミニウム融点よりも12℃高い値であった。予め実施した予備試験によれば、各測定値が上記値となることで、原料融液内を含む断熱空間15内の温度勾配、及び原料融液の温度がサファイア単結晶の育成、及びシーディングにとって適した温度になっている。   Video camera image taken through observation window for observation inside furnace, raw material melt surface temperature measuring means 23, crucible side surface temperature measuring means 25 radiation thermometer, crucible bottom temperature measurement It was confirmed from the temperature measurement value of the thermocouple of means 24. Next, the temperature of the surface of the raw material melt was measured using the raw material melt surface temperature measuring means 23, and the temperature was adjusted to be 2 ° C. higher than the melting point of aluminum oxide. At this time, the measured value of the thermocouple of the crucible bottom temperature measuring means 24 was 15 ° C. higher than the melting point of aluminum oxide. Furthermore, the temperature of the crucible side surface measured by the crucible side surface temperature measuring means 25 at a position corresponding to the melt surface position was a value 12 ° C. higher than the melting point of aluminum oxide. According to a preliminary test conducted in advance, each measured value becomes the above value, so that the temperature gradient in the heat insulating space 15 including the inside of the raw material melt, and the temperature of the raw material melt grows and seeds the sapphire single crystal. The temperature is suitable for.

なお、この時の円盤状ヒータの出力(W)と、円筒状ヒータ14の出力(W)との比であるヒータ出力比は(W/W)は1.5とした。 Note that the heater output ratio (W 2 / W 1 ), which is the ratio of the output (W 1 ) of the disk heater at this time and the output (W 2 ) of the cylindrical heater 14, was 1.5.

この状態で、十分に放置し温度を上述の温度で安定させた後に、シーディング作業を実施した。種結晶20の先端部が原料融液21と馴染んだことをビデオカメラ画像で確認した後に、引上速度2mm/hrで種結晶の引上を開始した。引上開始後、円盤状ヒータ13、円筒状ヒータ14の出力を徐々に降下させて、育成結晶径を拡大し、肩部形成を行った。   In this state, the seeding operation was carried out after sufficiently leaving it to stabilize the temperature at the above-mentioned temperature. After confirming that the tip of the seed crystal 20 became familiar with the raw material melt 21 with a video camera image, the seed crystal was started to be pulled at a pulling speed of 2 mm / hr. After starting the pulling, the outputs of the disk heater 13 and the cylindrical heater 14 were gradually lowered to enlarge the grown crystal diameter and form the shoulder.

結晶肩部形成後、直胴部育成に移行する際に、種結晶、及びサファイア単結晶の引上速度を1mm/hrに変更した。直胴部育成時は、単位時間当たりの結晶重量増加量が500g/hrとなるように円盤状ヒータ13、及び円筒状ヒータ14の温度を設定した。育成結晶重量が、投入原料重量の50%に達した時点で、円盤状ヒータ移動工程と、円筒状ヒータ降下工程と、同時に開始した。円盤状ヒータ移動工程では速度0.1mm/hrで円盤状ヒータ13を上昇させた。円筒状ヒータ降下工程では速度1mm/hrで円筒状ヒータの降下を実施した。   After the formation of the crystal shoulder, the pulling speed of the seed crystal and the sapphire single crystal was changed to 1 mm / hr when shifting to straight body growth. During the growth of the straight body part, the temperature of the disk-shaped heater 13 and the cylindrical heater 14 was set so that the crystal weight increase per unit time was 500 g / hr. When the growth crystal weight reached 50% of the input raw material weight, the disk heater moving process and the cylindrical heater lowering process were started simultaneously. In the disk-shaped heater moving step, the disk-shaped heater 13 was raised at a speed of 0.1 mm / hr. In the cylindrical heater lowering step, the cylindrical heater was lowered at a speed of 1 mm / hr.

円盤状ヒータ移動工程と、円筒状ヒータ降下工程と、同時に開始した際の、坩堝底部温度測定手段24の熱電対の測定値は酸化アルミニウム融点よりも12℃高かった。また、両工程開始時の融液表面位置に対応する位置で坩堝側面温度測定手段25により測定した坩堝側面の温度は酸化アルミニウム融点よりも10℃高かった。さらに、両工程開始時のサファイア単結晶肩部表面温度測定手段26により測定したサファイア単結晶肩部表面温度は酸化アルミニウム融点よりも14℃低くなっていた。   The measured value of the thermocouple of the crucible bottom temperature measuring means 24 when the disk heater moving process and the cylindrical heater lowering process were started simultaneously was 12 ° C. higher than the melting point of aluminum oxide. Moreover, the temperature of the crucible side surface measured by the crucible side surface temperature measuring means 25 at a position corresponding to the melt surface position at the start of both steps was 10 ° C. higher than the melting point of aluminum oxide. Furthermore, the sapphire single crystal shoulder surface temperature measured by the sapphire single crystal shoulder surface temperature measuring means 26 at the start of both steps was 14 ° C. lower than the melting point of aluminum oxide.

円盤状ヒータ移動工程、および円筒状ヒータ降下工程を開始後は、結晶肩部表面温度の降下速度に比例して坩堝底温度、坩堝側壁温度が変化するようにヒータ出力変化速度を調整した。なお、円筒状ヒータ降下工程において、予め検出しておいた円筒状ヒータの最も高温部分の高さは、原料融液の表面高さ±15mm以内に維持されていた。この際の原料融液の表面高さは、種結晶、及びサファイア単結晶の引上げ速度から算出したものである。   After starting the disk-shaped heater moving step and the cylindrical heater lowering step, the heater output change rate was adjusted so that the crucible bottom temperature and the crucible side wall temperature changed in proportion to the crystal shoulder surface temperature drop rate. In the cylindrical heater lowering step, the height of the highest temperature portion of the cylindrical heater detected in advance was maintained within the surface height of the raw material melt within ± 15 mm. The surface height of the raw material melt at this time is calculated from the pulling rate of the seed crystal and the sapphire single crystal.

その結果、重量117kg(最大直径:300mm、長さ480mm)のサファイア単結晶を得た。すなわち、投入原料重量(120kg)に対する結晶化率は97.5%にまで到達することが確認できた。   As a result, a sapphire single crystal weighing 117 kg (maximum diameter: 300 mm, length 480 mm) was obtained. That is, it was confirmed that the crystallization rate relative to the input raw material weight (120 kg) reached 97.5%.

得られたサファイア単結晶の結晶性を偏光検査によって観察した結果、粒界のない単結晶であること、および、ボイド欠陥は育成開始直後に若干あるだけで、直胴部には全くない高品質な単結晶であることが確認された。   As a result of observing the crystallinity of the obtained sapphire single crystal by polarization inspection, it is a single crystal without grain boundaries, and there are few void defects immediately after the start of growth, and there is no high quality in the straight body part Single crystal was confirmed.

本結晶から、引上軸と平行に且つ引上軸を含むc面で切り出した試料(縦切り試料)を作製し、X線トポグラフにより結晶欠陥の分布観察を行ったところ、ボイドは偏光観察結果と同様に、結晶の上半部に僅かに存在するのみであった。また、縦切り試料の全領域において、リネージの形成も無いことが確認できた。   From this crystal, a sample (vertically cut sample) cut out on the c-plane parallel to the pulling axis and including the pulling axis was prepared, and the distribution of crystal defects was observed by X-ray topography. Similar to the above, it was only slightly present in the upper half of the crystal. It was also confirmed that no lineage was formed in the entire region of the longitudinally cut sample.

さらに、本条件と同一の条件で結晶を育成し、その下半部と上半部とからそれぞれc軸6インチφインゴットを2本打抜き、それぞれのインゴットをワイヤソーにより基板状に切り出した後に、研磨加工をして6インチφ、1mm厚のc面サファイア単結晶基板を得た。得られた単結晶基板から10枚おきにサンプリングして、前記縦切り試料と同様に、X線トポグラフ観察を行ったところ、全ての基板でリネージは観察されなかった。   Further, a crystal is grown under the same conditions as this condition, and two c-axis 6 inch φ ingots are punched from the lower half and the upper half, respectively, and each ingot is cut into a substrate shape with a wire saw and then polished. Processing was performed to obtain a c-plane sapphire single crystal substrate having a diameter of 6 inches and a thickness of 1 mm. Sampling was performed every 10 sheets from the obtained single crystal substrate, and X-ray topographic observation was performed in the same manner as the longitudinally cut sample. No lineage was observed on all the substrates.

次いで、これらのc面サファイア単結晶基板の半値幅(FWHM)の測定をX線回折装置を用いて行った。その結果、全ての基板のFWHM値が、6″±2″の範囲であり、育成結晶全体に渡って非常に優れた結晶性であることが確認された。
[実施例2]
育成結晶重量が、投入原料重量の50%に達した後に円盤状ヒータ移動工程を実施せず、円筒状ヒータ降下工程のみを実施した点以外は実施例1と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
Next, the half width (FWHM) of these c-plane sapphire single crystal substrates was measured using an X-ray diffraction apparatus. As a result, the FWHM values of all the substrates were in the range of 6 ″ ± 2 ″, and it was confirmed that the crystallinity was very excellent over the entire grown crystal.
[Example 2]
A sapphire single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the disc-shaped heater moving step was not performed after the growth crystal weight reached 50% of the input raw material weight, and only the cylindrical heater lowering step was performed. .

その結果、結晶重量が112kgに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量112kg(最大直径:300mm、長さ465mm)のサファイア単結晶であった。すなわち、投入原料重量(120kg)に対する結晶化率は93.3%にまで到達することが確認できた。   As a result, since it became difficult to control the growth rate when the crystal weight reached 112 kg, the growth was terminated and the sapphire single crystal was separated from the raw material melt and cooled. The obtained crystal was a sapphire single crystal weighing 112 kg (maximum diameter: 300 mm, length 465 mm). That is, it was confirmed that the crystallization rate with respect to the input raw material weight (120 kg) reached 93.3%.

得られたサファイア単結晶について実施例1と同様に、偏光検査、及びX線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、X線トポグラフを用いた評価は実施例1の場合と同様に縦切り試料と、c面サファイア単結晶基板について実施した。   When the obtained sapphire single crystal was evaluated by polarization inspection and X-ray topography in the same manner as in Example 1, crystal defects such as grain boundaries, defective lineage, and polycrystallization were hardly found. The evaluation using the X-ray topograph was performed on the vertically cut sample and the c-plane sapphire single crystal substrate in the same manner as in Example 1.

また、実施例1と同様に作製したc面サファイア単結晶についてX線回折測定を実施したところ、実施例1と同等の結晶性を有することも確認できた。
[実施例3]
育成結晶重量が、投入原料重量の50%に達した後に円筒状ヒータ降下工程を実施せず、円盤状ヒータ移動工程のみを実施した点以外は実施例1と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
Moreover, when the X-ray-diffraction measurement was implemented about the c-plane sapphire single crystal produced similarly to Example 1, it has also confirmed having crystallinity equivalent to Example 1. FIG.
[Example 3]
A sapphire single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the cylindrical heater lowering process was not performed after the growth crystal weight reached 50% of the input raw material weight, and only the disk-shaped heater moving process was performed. .

その結果、結晶重量が108kgに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量108kg(最大直径:300mm、長さ452mm)のサファイア単結晶であった。すなわち、投入原料重量(120kg)に対する結晶化率は90.0%にまで到達することが確認できた。   As a result, since it became difficult to control the growth rate when the crystal weight reached 108 kg, the growth was terminated and the sapphire single crystal was separated from the raw material melt and cooled. The obtained crystal was a sapphire single crystal weighing 108 kg (maximum diameter: 300 mm, length 452 mm). That is, it was confirmed that the crystallization rate relative to the input raw material weight (120 kg) reached 90.0%.

得られたサファイア単結晶について実施例1と同様に、偏光検査、及びX線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、X線トポグラフを用いた評価は実施例1の場合と同様に縦切り試料と、c面サファイア単結晶基板について実施した。   When the obtained sapphire single crystal was evaluated by polarization inspection and X-ray topography in the same manner as in Example 1, crystal defects such as grain boundaries, defective lineage, and polycrystallization were hardly found. The evaluation using the X-ray topograph was performed on the vertically cut sample and the c-plane sapphire single crystal substrate in the same manner as in Example 1.

また、実施例1と同様に作製したc面サファイア単結晶についてX線回折測定を実施したところ、実施例1と同等の結晶性を有することも確認できた。
[比較例1]
育成結晶重量が、投入原料重量の50%に達した後に円筒状ヒータ降下工程、および円盤状ヒータ移動工程を実施しなかった点以外は実施例1と同様にしてサファイア単結晶を製造した。
Moreover, when the X-ray-diffraction measurement was implemented about the c-plane sapphire single crystal produced similarly to Example 1, it has also confirmed having crystallinity equivalent to Example 1. FIG.
[Comparative Example 1]
A sapphire single crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the cylindrical heater lowering step and the disc heater moving step were not performed after the growth crystal weight reached 50% of the input raw material weight.

その結果、結晶重量が95kgに達したところで成長速度の制御が困難となったために、育成を終了しサファイア単結晶を原料融液から切り離して冷却した。得られた結晶は重量95kg(最大直径:300mm、長さ415mm)の単結晶であった。すなわち、投入原料重量(120kg)に対する結晶化率は79.1%と低くなることが確認された。   As a result, since it became difficult to control the growth rate when the crystal weight reached 95 kg, the growth was terminated and the sapphire single crystal was separated from the raw material melt and cooled. The obtained crystal was a single crystal weighing 95 kg (maximum diameter: 300 mm, length 415 mm). That is, it was confirmed that the crystallization rate relative to the input raw material weight (120 kg) was as low as 79.1%.

得られたサファイア単結晶について実施例1と同様に、偏光検査、及びX線トポグラフにより評価を行ったところ、粒界、リネージ不良、多結晶化などの結晶欠陥および気泡はほとんど見つからなかった。なお、X線トポグラフを用いた評価は実施例1の場合と同様に縦切り試料と、c面サファイア単結晶基板について実施した。   When the obtained sapphire single crystal was evaluated by polarization inspection and X-ray topography in the same manner as in Example 1, crystal defects such as grain boundaries, defective lineage, and polycrystallization were hardly found. The evaluation using the X-ray topograph was performed on the vertically cut sample and the c-plane sapphire single crystal substrate in the same manner as in Example 1.

また、実施例1と同様に作製したc面サファイア単結晶についてX線回折測定を実施したところ、実施例1と同等の結晶性を有することも確認できた。
[比較例2]
育成結晶重量が、投入原料重量の50%に達した後に円筒状ヒータ降下工程、および円盤状ヒータ移動工程を実施しなかった点以外は実施例1と同様にしてサファイア単結晶の育成を実施した。
Moreover, when the X-ray-diffraction measurement was implemented about the c-plane sapphire single crystal produced similarly to Example 1, it has also confirmed having crystallinity equivalent to Example 1. FIG.
[Comparative Example 2]
A sapphire single crystal was grown in the same manner as in Example 1 except that the cylindrical heater lowering step and the disc heater moving step were not performed after the grown crystal weight reached 50% of the input raw material weight. .

そして、結晶重量が95kgに達したところで成長速度の制御が困難となったが、ヒータ出力変化速度、引上速度の再調整を行い育成を継続した。しかし、結晶重量が97kgに達した時点で結晶の底付きが発生し、育成を中止せざるを得なくなった。引上を停止し、ヒータ出力を上げて、結晶と坩堝の固着を解消した後に冷却した。得られた結晶は重量89kg(最大直径:300mm、長さ390mm)であったが、クラックが発生しており、単結晶を得ることが出来なかった。   When the crystal weight reached 95 kg, it became difficult to control the growth rate, but the heater output change rate and the pulling rate were readjusted to continue the growth. However, when the crystal weight reached 97 kg, the bottom of the crystal occurred and the growth had to be stopped. The pulling was stopped, the heater output was increased, and the crystal and the crucible were fixed and cooled. The obtained crystal had a weight of 89 kg (maximum diameter: 300 mm, length: 390 mm), but a crack was generated and a single crystal could not be obtained.

10 サファイア単結晶育成装置
12 坩堝
13 円盤状ヒータ
14 円筒状ヒータ
20 種結晶
21 原料融液
22 サファイア単結晶
24 坩堝底部温度測定手段
25 坩堝側面温度測定手段
26 サファイア単結晶肩部表面温度測定手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sapphire single crystal growth apparatus 12 Crucible 13 Disc heater 14 Cylindrical heater 20 Seed crystal 21 Raw material melt 22 Sapphire single crystal 24 Crucible bottom temperature measuring means 25 Crucible side surface temperature measuring means 26 Sapphire single crystal shoulder surface temperature measuring means

Claims (6)

坩堝の外表面のうち側面に対面するように配した円筒状ヒータと、坩堝の外表面のうち底面に対面するように配した円盤状ヒータとにより加熱融解された坩堝内の原料融液に、種結晶を接触させた後、種結晶を回転させながら種結晶、及びサファイア単結晶を引き上げるチョクラルスキー法によるサファイア単結晶の製造方法であって、
種結晶の引き上げ開始後に、
前記円筒状ヒータを降下させる円筒状ヒータ降下工程、および/または前記円盤状ヒータを前記坩堝の外表面のうち底面に向かって上昇させる円盤状ヒータ移動工程を実施するサファイア単結晶の製造方法。
To the raw material melt in the crucible heated and melted by the cylindrical heater arranged to face the side surface of the outer surface of the crucible and the disk-shaped heater arranged to face the bottom surface of the outer surface of the crucible, A method for producing a sapphire single crystal by the Czochralski method of pulling up the seed crystal and the sapphire single crystal while rotating the seed crystal after contacting the seed crystal,
After starting to raise the seed crystal,
A method for producing a sapphire single crystal, wherein a cylindrical heater lowering step for lowering the cylindrical heater and / or a disk heater moving step for raising the disk heater toward the bottom surface of the outer surface of the crucible.
前記円筒状ヒータ降下工程、および/または前記円盤状ヒータ移動工程は、サファイア単結晶の肩部が形成された後に実施する請求項1に記載のサファイア単結晶の製造方法。   2. The method for producing a sapphire single crystal according to claim 1, wherein the cylindrical heater lowering step and / or the disk-shaped heater moving step is performed after the shoulder portion of the sapphire single crystal is formed. 前記円筒状ヒータ降下工程、および/または前記円盤状ヒータ移動工程は、原料融液の固化率が50%以上の時に実施する請求項1または2に記載のサファイア単結晶の製造方法。   The method for producing a sapphire single crystal according to claim 1 or 2, wherein the cylindrical heater lowering step and / or the disk-shaped heater moving step is performed when the solidification rate of the raw material melt is 50% or more. 前記円筒状ヒータ降下工程は、前記円筒状ヒータの最も高温部分の高さが、前記原料融液の表面高さ±30mm以内となるように、前記円筒状ヒータを降下させる請求項1乃至3の何れか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。   The cylindrical heater lowering step lowers the cylindrical heater so that the height of the hottest portion of the cylindrical heater is within a surface height of the raw material melt within ± 30 mm. The manufacturing method of the sapphire single crystal as described in any one. 前記円盤状ヒータ移動工程は、前記円盤状ヒータを、前記種結晶の引上げ速度の1/20以上1/5以下の速度で上昇させる請求項1乃至4の何れか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。   5. The sapphire single crystal according to claim 1, wherein, in the step of moving the disk-shaped heater, the disk-shaped heater is raised at a speed of 1/20 or more and 1/5 or less of a pulling speed of the seed crystal. Manufacturing method. サファイア単結晶肩部表面温度を測定する手段と、前記坩堝の外表面のうち側面の温度を測定する手段と、前記坩堝の外表面のうち底部の温度を測定する手段とを備えたサファイア単結晶育成装置を用いる、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のサファイア単結晶の製造方法。
A sapphire single crystal comprising means for measuring a sapphire single crystal shoulder surface temperature, means for measuring the temperature of the side surface of the outer surface of the crucible, and means for measuring the temperature of the bottom portion of the outer surface of the crucible. The manufacturing method of the sapphire single crystal as described in any one of Claims 1 thru | or 5 which uses a growing apparatus.
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