JP2016132599A - サファイア単結晶製造装置、及びサファイア単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度勾配凝固法による単結晶育成後、室温までの冷却時におけるクラック発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置の提供。【解決手段】坩堝４１内の底部側に種結晶４４を設置し、坩堝４１の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、原料４５を溶融し、種結晶４４側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置であって、底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁４１１を有する坩堝４１と、坩堝４１内で育成結晶４６を支持する育成結晶支持部４２１、及び育成結晶支持部４２１と接続され育成結晶支持部４２１を坩堝４１内で上下方向に移動できる結晶移動軸４２２を含む育成結晶移動機構４２と、を備え、坩堝４１の底部４１２には底部開口部４１２Ａが設けられており、結晶移動軸４２２は底部開口部４１２Ａを通り、少なくとも一部が坩堝４１内に収容されるサファイア単結晶製造装置。【選択図】図４

Description

本発明は、サファイア単結晶製造装置、及びサファイア単結晶の製造方法に関する。

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。サファイア単結晶は、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。

サファイア単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法（Ｃｚ法）やカイロポーラス法（ＫＹ法）、ＥＦＧ法（ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ ｆｉｌｍ−ｆｅｄ ｇｒｏｗｔｈ 法）などが知られている。これらの方法は、サファイア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ことにより単結晶を育成する方法である。

また、その他のサファイア単結晶の製造方法として、ブリッジマン法やグラディエントフリーズ法（ＧＦ法）が知られている。これらの方法は、予め坩堝内に原料とともに種結晶を設置し、種結晶部が最も温度が低くなるように形成した温度勾配下で、種結晶を起点として原料融液を一方向凝固させることで単結晶を得る方法である。ブリッジマン法やＧＦ法の中で、種結晶を坩堝底部に設置し、坩堝底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配下で、坩堝底部の種結晶から上方に向かって結晶育成を行う場合は、特に、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、垂直ＧＦ法（ＶＧＦ法）と呼ばれている。

なお、これらの方法で育成されたサファイア単結晶は、所定の結晶方位で基板状に加工され、表面を鏡面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。

近年、需要が伸びている発光ダイオード作製用途のサファイア基板は、Ｃｚ法、ＫＹ法、ＥＦＧ法で育成されることが一般的である。これらの方法では、種結晶を原料融液に浸す温度（シーディング温度）の制御と育成中及び冷却中の温度勾配の適正化が、結晶育成の収率、再現性を決定する要因である。

しかし、サファイア単結晶の原料となる酸化アルミニウムの融点が２０００℃を越えるので、Ｃｚ法等によりサファイア単結晶を育成する際、坩堝を設置した炉内の熱の伝達は輻射が主体となっている。従って、低コスト化のために育成結晶を大型化するに伴って、所望の形状の結晶を得るためのシーディング温度の制御や温度勾配の適正化の難易度が高くなる。結晶育成の制御性、再現性を高めるためには、温度勾配を大きくすることが有利であるが、高温度勾配下で育成された結晶は、結晶内の温度差に起因する熱応力で歪を生じ、結晶性が悪化したり、クラックが発生するという欠点がある。

それに対して、ＶＢ法やＶＧＦ法のような容器内（坩堝内）の一部に種結晶を設置し、その種結晶から容器の形状に従って原料融液を固化させることで単結晶育成を行う方法は、結晶形状が容器形状で規定され、結晶形状の制御が不要となる。このため、低温度勾配下での育成が可能で、高品質結晶を得ることが可能である。

例えば特許文献１には、融点１７００℃以上の金属又は金属化合物からなる高融点単結晶材料の製造方法において、溶融原料が封入された坩堝を温度勾配を有する炉内を移動させて単結晶を育成するブリッジマン法を用いて単結晶を製造する方法が開示されている。

ところで、前記のようなＶＢ法、あるいはＶＧＦ法によって容器内で容器の内壁形状に沿った形状で育成されたサファイア単結晶においては、クラック発生率が高いことが問題となっている。これは、主にサファイア単結晶と坩堝材の熱膨張係数の違いに起因していると考えられる。つまり、サファイア単結晶の熱膨張係数よりも坩堝に用いている金属部材の熱膨張係数の方が大きい場合は、育成終了後に室温まで冷却する過程において、サファイア単結晶の収縮率よりも、その周囲にある坩堝の収縮率の方が大きくなるために、温度降下に伴って、育成結晶に圧縮応力が加わる。この圧縮応力が育成結晶にクラックを発生させる原因となっている。

そこで、例えば特許文献２には、ルツボに、サファイア融点と常温との２点間における線膨張係数が、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点間における線膨張係数よりも小さい材料からなるルツボを用いるサファイア単結晶の製造方法が開示されている。具体的なルツボ材料としては、タングステン、モリブデン、タングステンとモリブデンの合金が開示されている。

特開２００７−１１９２９７号公報 特開２０１１−０４２５６０号公報

しかしながら、特許文献２に開示された方法を用いてもクラックを完全に抑制することは困難であった。特に育成するサファイア単結晶のサイズが大型化するに従ってクラック発生率が高くなっており、例えば６インチφのサファイア単結晶を育成する場合は、ほぼ１００％の確率でクラックが発生していた。

これは、冷却開始からの同一経過時間で比較した場合、育成結晶の直径が大きくなるに従って、坩堝の内側に存在する結晶の中心部温度よりも、結晶の外周部に存在する坩堝の温度の方がより低くなり、冷却時の半径方向の温度差が大きくなる。このため、冷却開始からの同一経過時間で比較した場合、坩堝の方が結晶よりも収縮率が大きくなり、坩堝により結晶に応力が加えられることに起因すると考えられる。

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、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置であって、
底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝と、
前記坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構と、を備え、
前記坩堝の底部には底部開口部が設けられており、前記結晶移動軸は前記底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容されるサファイア単結晶製造装置を提供することができる。

本発明の一態様によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置を提供することができる。

ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合のサファイア単結晶製造装置の構成例。 ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合の手順、及び温度分布変化の説明図。 ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を育成、冷却する際の熱の流れの説明図。 本発明の実施形態におけるサファイア単結晶製造装置の構成説明図。 坩堝の側壁のテーパー角度の説明図。

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。
（サファイア単結晶製造装置）
本実施形態のサファイア単結晶製造装置の一構成例について説明する。

本実施形態のサファイア単結晶製造装置は坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置に関し、以下の構成を有することができる。

底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝。
坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び育成結晶支持部と接続され育成結晶支持部を坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構。
そして、坩堝の底部には底部開口部が設けられており、結晶移動軸は底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容された構成とすることができる。

上述のように本実施形態のサファイア単結晶製造装置は、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置に関する。具体的には例えばＶＢ法やＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する際に好適に用いることができるサファイア単結晶製造装置に関する。

ここでまず、ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合の、従来のサファイア単結晶製造装置の構成例、及びサファイア単結晶の製造手順について図１、図２を用いて説明する。

従来、ＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する場合、図１に示すような構成を有するサファイア単結晶製造装置１０が用いられていた。図１はサファイア単結晶製造装置の坩堝の中心軸を通る面における断面構成図を示している。

サファイア単結晶製造装置１０はチャンバー１１の内壁に沿って断熱材１２が設けられている。そして、断熱材１２に囲まれた内部空間にはヒーター１３、及びヒーター１３に囲まれるようにして坩堝１４が設けられている。坩堝１４は坩堝軸１５により底部側から支持することができる。坩堝１４内にはサファイア単結晶の製造開始時、坩堝１４の底部側に種結晶１４１を配置し、種結晶１４１の上部に原料を充填しておくことができる。

坩堝１４の材質は、サファイアの融点２０５０℃を越える温度でも安定で、且つ、原料融液と反応しない材料であることが好ましい。このため、坩堝１４の材質として例えばイリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデンータングステン合金（Ｍｏ−Ｗ合金）等を用いることができる。特に、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｗ合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。

ヒーター１３と断熱材１２の材質については特に限定されないが、例えばタングステン製ヒーターと、タングステン製及びモリブデン製のリフレクタとの構成とすることができる。また、カーボン製ヒーターと、カーボン製積層断熱材との構成とすることもできる。

ヒーター１３は坩堝１４を配置した該ヒーター１３で囲まれた領域内に所望の温度勾配を形成することができるように、例えば高さ方向に複数のヒーターを組み合わせた構成とし、各ヒータ―毎に温度制御するように構成することもできる。

そして、サファイア単結晶を育成する際に種結晶１４１の温度を測定するため、底部側温度測定手段１６を設けることができる。底部側温度測定手段１６としては例えば放射温度計や熱電対を用いることができ、坩堝軸１５を貫通するように形成した貫通孔や、観察窓１５１を介して温度を測定することができる。また、坩堝１４内に充填した原料、または原料が融解した原料融液１４２の温度を測定するため、上部側温度測定手段１７を設けることができる。上部側温度測定手段１７としては例えば放射温度計を用いることができ、チャンバー１１や断熱材１２を貫通する貫通孔、及び観察窓１８を介して温度を測定することができる。

なお、チャンバー１１内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることができる。必要に応じて任意にさらに各種手段を設けることもできる。

そして、図１に示したサファイア単結晶製造装置を用いてＶＧＦ法によりサファイア単結晶を製造する際、サファイア単結晶を育成する単結晶育成工程における手順、及び温度分布の変化について図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）の各図では右側に坩堝１４内の種結晶１４１、原料融液１４２、育成したサファイア単結晶２１の分布を模式的に示しており、左側に坩堝１４内の高さ方向の温度分布を示している。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）においては坩堝１４、及びヒーター１３以外の構成については記載を省略している。図２（ａ）〜図２（ｃ）の左側に示した温度分布のグラフは縦軸が坩堝１４の高さ方向の位置を、横軸が温度を示している。横軸におけるＴｍはサファイア（酸化アルミニウム）の融点を示している。

図２（ａ）は右側の図に示すように坩堝１４に充填した原料を融解させ、サファイア単結晶の育成を開始した原料融解ステップを実施している状態を示している。

単結晶育成工程を開始する前に予め、坩堝１４の底部に種結晶１４１を設置し、その上部に原料を配置しておくことができる。そして、図２（ａ）に示した原料融解ステップにおいては坩堝１４の底部が坩堝１４の上部よりも低温となる温度勾配下で昇温し、原料を全量融解して原料融液１４２とすることができる。特に左側の図に示すように、種結晶１４１の部分についてはサファイアの融点以下、原料融液１４２の部分についてはサファイアの融点以上となるように温度分布を制御することができる。

図２（ａ）の原料融解ステップでは、種結晶１４１の形状加工時に発生し表面に残った加工歪層を取り除くために、種結晶１４１の上表面部数ｍｍから１ｃｍ程度の範囲で融解させることができる。種結晶の上表面部を融解させることにより、歪が取り除かれた種結晶１４１表面が原料融液１４２と良く馴染むようにすることができる。

そして、図２（ａ）に示した温度分布の状態まで昇温した後、十分な時間を置き、温度を安定させることが好ましい。この時、種結晶１４１の融解表面と原料融液１４２との境界（固液界面）をサファイアの融点である２０５０℃とすることができる。

なお、図２（ａ）に示した原料融解ステップにおいて、原料、及び種結晶１４１の融解不足、あるいは、種結晶１４１の過融解が起こらないように温度を制御することが好ましい。制御は例えば、図１に示したサファイア単結晶製造装置１０で説明したように、底部側温度測定手段１６、及び上部側温度測定手段１７により、坩堝１４の底部側の温度、及び原料融液１４２表面の温度をモニターし、モニターした温度に基づいて実施できる。この際、モニターした温度から坩堝内温度分布が、予備試験で求めた適切な温度プロファイルと一致していることを確認しながら制御を実施することが好ましい。

チャンバー１１内の雰囲気は、チャンバー内に設置した部材の材質等に応じて任意に選定することができ、特に限定されるものではない。例えば、不活性ガス雰囲気、もしくは真空雰囲気とすることが好ましい。

図２（ａ）を用いて説明したように原料が完全に融解し、且つ、種結晶１４１の上表面が融解し原料融液１４２と馴染んだと判断した後、降温ステップを実施することができる。

図２（ｂ）に示すように降温ステップでは、上下方向の温度勾配を保持したまま、所定の速度で全体の温度を降下させることができる。

具体的には、図２（ｂ）の左側のグラフに示したように、原料融解ステップでは温度分布が点線Ａで示されていたところ、実線Ｂの温度分布となるように温度勾配を保持したまま、全体の温度を降下させることができる。図２（ｂ）の左側のグラフから明らかなように、温度勾配を保持したまま全体の温度を降下させることによって、温度勾配に従って、坩堝内におけるサファイアの融点と同じ温度になっている位置が上部へ移動する。その移動に伴って、固液界面も上部へ移動して行く。つまり、種結晶を元に、種結晶と同じ結晶方位を持つサファイア単結晶が坩堝底部から上部に向かって育成され、図２（ｂ）の右側の図に示したように、坩堝１４内には底部側から種結晶１４１、育成結晶２１、原料融液１４２が配置された状態となる。

降温ステップでは、原料融解ステップにおける温度分布を示す点線Ａから上述のように実線Ｂの温度分布となるように全体の温度を降下させた後、さらに、図２（ｃ）の左側のグラフに示すように、実線Ｃで示した温度分布まで全体の温度を降下させることができる。実線Ｃで示した温度分布では、坩堝１４内の原料融液１４２全体がサファイアの融点未満となっており、図２（ａ）において原料融液１４２であった部分全体が育成結晶２１となり結晶化したところで結晶育成は終了となる。

その後、所定の冷却速度で室温まで温度を降下させる冷却工程を実施し、坩堝１４から育成結晶２１を取出しサファイア単結晶とすることができる。得られたサファイア単結晶は例えば製品基板とするため各種加工をすることができる。

しかし、既述のようにＶＧＦ法等によりサファイア単結晶を製造した場合、得られるサファイア単結晶がクラック等を含む場合があった。そこで、本発明の発明者らは、従来のサファイア単結晶の製造装置でサファイア単結晶にクラック等が生じる具体的なメカニズムについて検討を行った。この点について以下に説明する。

図３（ａ）は坩堝１４内に種結晶１４１、及び原料を充填後、ヒーター１３により坩堝１４の外周部から加熱して原料を融解して原料融液１４２とした後、全体的に温度を降下させて原料融液１４２の一部を育成結晶２１とした際の状態を示している。図中の矢印は熱の流れを示している。また、図３（ａ）、（ｂ）は坩堝１４及びヒーター１３の周辺のみを拡大して示した図であり、断熱材等周囲の部材については記載を省略している。

図３（ａ）に示すように、坩堝１４の外周部に設置されたヒーター１３によって、坩堝１４を通して坩堝１４内部の種結晶１４１、原料融液１４２、育成結晶２１を加熱している。このため、坩堝１４及び育成結晶２１の温度を例えば図中点線Ｘ１−Ｘ１´に沿って水平方向で比較すると、坩堝１４の方が高くなっている。なお、図３（ａ）中矢印で示したようにヒーター１３により原料融液１４２等に加えられた熱は種結晶１４１を通って、坩堝軸１５の方へ流れることになる。

そして、坩堝１４の外壁のうち、サファイアの融点である２０５０℃よりも高温となった部分の水平方向内部に、育成中の結晶の成長界面Ｙは存在している。また、育成結晶２１の直径は、坩堝１４の内径で決まる。このため、まず坩堝１４はサファイアの融点よりも高温に曝され、その温度で決まる膨張率に応じて坩堝１４の内径が拡大されている。そして、育成結晶２１は、該拡大した坩堝１４の内径により直径が規定されて成長している。

育成中の結晶は、結晶内の温度差に起因する熱歪によって発生するクラックや転位、リネージ等の結晶欠陥の発生を抑制するために、結晶内の温度差を可能な範囲で小さくするように設定した温度勾配下に存在している。そして、結晶育成を進行させるため、原料融液を生成後、温度勾配を保ちつつ全体として温度を降下させるが、この際の降温速度は、急成長による結晶性の悪化を回避するために非常に低速である。

具体的には例えば、サファイア単結晶の単結晶育成工程における縦方向、すなわち坩堝１４の高さ方向の温度勾配は１０℃／ｃｍ程度以下で実施される。また、成長界面の前進速度（結晶成長速度）は結晶性悪化を抑制するために３ｍｍ／ｈ〜５ｍｍ／ｈ程度以下で実施される。このため、先の温度勾配を保ちつつ全体として温度を降温させる際の降温速度は、１時間当たり数℃程度である。

また、坩堝１４の材質としては既述のように例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｗ合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。従って、結晶育成が進行している時は、低温度勾配下で且つ低降温速度であるために、既に結晶化した部分とその周囲にある坩堝の収縮率の差に起因する結晶への圧縮応力は非常に小さいか、もしくは０と考えられる。

しかしながら、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却する冷却工程では、図３（ｂ）に矢印で示すように、熱は坩堝１４の外壁や育成結晶２１の表面から外側の空間に向かって流れる。従って、坩堝１４の温度と育成結晶２１の温度とを例えば図中の点線Ｘ２−Ｘ２´に沿って水平方向で比較した場合、育成結晶２１の方が高くなっている。加えて、冷却過程では、育成結晶２１を短期間で効率よく取り出すために、降温速度は、単結晶育成工程における降温速度と比較すると一桁以上大きな値とするのが一般的である。

そのため、冷却工程における、図中の点線Ｘ２−Ｘ２´に沿った水平方向での坩堝１４の収縮率と育成結晶２１の収縮率とを比較すると、坩堝１４として線膨張係数がサファイア単結晶よりも僅かに小さいＭｏ−Ｗ製坩堝等を用いても、坩堝１４の方が大きくなる。従って、冷却工程において坩堝１４により、育成結晶２１に圧縮応力が加えられる。この圧縮応力によって、育成結晶２１にクラックの発生、結晶性の悪化を招いていた。

そして、育成する結晶の直径が大きくなればなるほど、水平面内での温度差が大きくなるために、育成結晶に加わる圧縮応力が大きくなり、既述のようにクラック発生率は高くなると考えられる。

冷却工程におけるクラックの発生を回避するために、冷却工程における降温速度を、育成時と同程度に低速にすることも考えられる。しかしながら、そのような低速冷却では、２０００℃を越えるサファイア単結晶の育成温度から室温まで温度を降下させるのに２週間から１カ月程度の時間が掛ってしまい、非常に効率が悪く生産に用いることはできない。

そこで、本発明の発明者らはクラックの発生を抑制できるサファイア単結晶製造装置について検討を行い、本発明のサファイア単結晶製造装置を完成させた。以下に具体的に説明する。

図４に本実施形態のサファイア単結晶製造装置の断面構成図を示す。図４は、坩堝の中心軸を通る断面における断面図を示しており、坩堝及びこれに接続された部材を拡大して示している。このため、図４に示した坩堝及びこれに接続された部材以外については記載を省略している。

図４を用いて本実施形態のサファイア単結晶製造装置の構成について説明する。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態のサファイア単結晶製造装置４０は、坩堝４１、及び育成結晶移動機構４２を有することができる。

坩堝４１は側壁４１１が底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状を有することができる。すなわち、図４（ａ）に示した坩堝４１の底部（底面）の直径Ｌ１よりも上部の直径Ｌ２の方が長くなるように構成することができる。

育成結晶移動機構４２は、坩堝４１内で育成結晶を支持する育成結晶支持部４２１と、育成結晶支持部４２１と接続され育成結晶支持部を坩堝４１内で上下方向に移動できる結晶移動軸４２２とを含む。

育成結晶支持部４２１は、種結晶４４、及び種結晶４４上に配置した原料４５や、育成した育成結晶４６を支持できるように構成されていればよく、その形状は特に限定されないが、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すように板状形状とすることができる。この場合、育成結晶支持部４２１は坩堝４１の底部の形状にあわせた形状を有することが好ましく、例えば坩堝４１の底部（底面）が円形状を有する場合、育成結晶支持部４２１は円板形状を有することが好ましい。

育成結晶支持部４２１は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように上面側には種結晶４４等を配置することができ、下面側には結晶移動軸４２２を接続することができる。

そして育成結晶支持部４２１が上述のように円板形状を有する場合、育成結晶支持部４２１の直径は、坩堝４１の底部（底面）の直径Ｌ１と同じ、または直径Ｌ１よりもわずかに小さいことが好ましい。

また、育成結晶支持部４２１の直径は、育成結晶支持部４２１上に支持する種結晶４４の直径よりも３％以上１０％以下小さいことが好ましい。すなわち種結晶４４の直径を１００とした場合に、育成結晶支持部４２１の直径は９０以上９７以下であることが好ましい。これは、種結晶４４の直径よりも育成結晶支持部４２１の直径を小さくすることで、原料融液が種結晶４４の側面を伝って育成結晶支持部４２１まで流れ込んだ場合でも、育成結晶支持部４２１及び結晶移動軸４２２と、坩堝４１との固着を防止できるからである。

なお、種結晶４４の側面は坩堝４１の形状にあわせて底部側（坩堝４１の底部と対向する面側）から、上部側に向かってテーパー形状としてもよい。

種結晶４４の側面がテーパー形状を有する場合、育成結晶支持部４２１の種結晶４４と対向する面の直径と、種結晶４４の育成結晶支持部４２１と対向する面の直径とが上記関係を満たすことが好ましい。
そして坩堝４１の底部４１２には底部開口部４１２Ａが設けられており、結晶移動軸４２２は底部開口部４１２Ａを通り、少なくとも一部が坩堝４１内に収容された構成とすることができる。なお、底部開口部４１２Ａも坩堝４１を構成しているため、図４（ａ）のように底部開口部４１２Ａ内に結晶移動軸４２２が配置されている場合でも坩堝４１内に結晶移動軸４２２の一部が収容されていることとなる。

結晶移動軸４２２の直径は特に限定されるものではなく、育成結晶４６の重量と結晶移動軸４２２の材質による強度及び熱伝導率に応じて、任意に決定することができる。

また、坩堝４１の底部４１２に形成した底部開口部４１２Ａは坩堝４１の底部４１２中心部に形成することが好ましく、その開口径は特に限定されない。ただし、図４（ａ）、（ｂ）に示すように底部開口部４１２Ａには、結晶移動軸４２２が挿入されることから、結晶移動軸４２２の直径に応じて選択できる。

また、坩堝４１を支持するため、坩堝４１の下部には坩堝軸４３を設けることができる。この場合坩堝軸４３の中央部にも貫通孔を設けておき、結晶移動軸４２２を該貫通孔内に収容するように構成することができる。坩堝軸４３に設けた貫通孔についても結晶移動軸４２２を収容できるように結晶移動軸４２２の直径に応じて貫通孔の直径を選択することができる。この際、結晶移動軸４２２の上下方向の移動を阻害しない程度に該貫通孔の直径を選択することが好ましい。

坩堝４１の材質は特に限定されるものではないが、サファイアの融点２０５０℃を越える温度でも安定で、且つ、原料融液と反応しない材料であることが好ましい。このため、坩堝４１の材質として例えばイリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデンータングステン合金（Ｍｏ−Ｗ合金）等を用いることができる。特に、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｏ−Ｗ合金のように、線膨張係数がサファイア単結晶と近いか、もしくはサファイア単結晶よりも小さなものを好ましく用いることができる。

また、育成結晶移動機構４２についてもその材質は特に限定されるものではないが、坩堝４１や坩堝４１内に配置される種結晶４４と接し、同様にヒーターにより加熱されるため、サファイアの融点を超える温度でも安定であることが好ましい。特に結晶移動軸４２２は坩堝４１の底部開口部４１２Ａ内に挿入されるため、坩堝４１と熱膨張係数が同じ、または近い材質であることが好ましい。特に、育成結晶移動機構４２は坩堝４１と同じ材質により構成されていることがより好ましい。

なお、図４に示したサファイア単結晶製造装置４０は既述のように坩堝４１及びそれに接続された部材のみを拡大して示しており、サファイア単結晶を製造するにあたって必要な各種部材をさらに有することができる。例えば図１における坩堝１４、及び坩堝軸１５に替えて、図４に示した坩堝４１、及び育成結晶移動機構４２、坩堝軸４３を設けた構成とすることができる。

具体的には図１を用いて説明したように坩堝４１の側面を取り囲むようにヒーターを設けることができる。また、ヒーター、及び坩堝４１を取り囲むようにチャンバーや、チャンバーの内壁面に沿って断熱材を設けることができる。断熱材や、ヒーターについては特に限定されるものではなく、例えば図１のサファイア単結晶製造装置１０で説明した場合と同様に構成することができるため、ここでは説明を省略する。

そして、サファイア単結晶を育成する際に坩堝４１の底部側の温度、特に種結晶の温度を測定するため、底部側温度測定手段を設けることができる。また、坩堝４１内に充填した原料や原料融液の温度を測定するため、上部側温度測定手段を設けることができる。底部側温度測定手段や、上部側温度測定手段としては、熱電対や放射温度計を用いることができ、図１で説明したように必要に応じて観察窓等を設けることができる。

なお、底部側温度測定手段を設ける場合、底部側温度測定手段により坩堝４１の底部側の温度を測定できるように、結晶移動軸４２２には、図４（ａ）、（ｂ）に示したように貫通孔４２２Ａを形成し、中空構造とすることが望ましい。貫通孔４２２Ａの下端部には図示しない観察窓を形成し、該観察窓を介して底部側温度測定手段により坩堝４１の底部側の温度を測定することができる。

また、本実施形態のサファイア単結晶製造装置については必要に応じてさらに任意の部材を設けることができる。例えば、チャンバー内を所定の雰囲気とするために図示しないガス供給手段や、ガス排気手段等を設けることもできる。

ここで、本実施形態のサファイア単結晶製造装置４０を用いてサファイア単結晶を育成する場合の手順について説明する。

サファイア単結晶製造装置４０を用いてサファイア単結晶を育成する際には、図４（ａ）に示すように育成結晶移動機構４２を構成する育成結晶支持部４２１が坩堝４１の底部４１２側に位置するように、結晶移動軸４２２を図中下側に引き下げておくことができる。この場合、図４（ａ）に示すように育成結晶支持部４２１は坩堝４１の底部と接した状態とすることができる。

そして、単結晶育成工程を開始する前に図４（ａ）に示すように育成結晶支持部４２１上には種結晶４４、及び原料４５を配置しておくことができる。

なお、単結晶育成工程を実施している間には原料４５を溶融した原料融液や、原料融液から形成した育成結晶４６は坩堝４１の側壁４１１と接することになるが、既述のように単結晶育成工程では坩堝４１から育成結晶に対して圧縮応力はほとんど加わらない。このため、育成結晶４６にクラック等を生じる恐れはない。

次に、単結晶育成工程終了後、育成結晶４６を室温まで冷却する冷却工程の後述する冷却ステップを開始する前、または開始後所定のタイミングに、図４（ｂ）に示すように育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２を坩堝４１内に押し上げることができる。これにより、結晶移動軸４２２と接続された育成結晶支持部４２１を坩堝４１内で上方に移動できる。そして、育成結晶支持部４２１上には種結晶４４及び育成結晶４６が支持されているため育成結晶支持部４２１が坩堝４１内で上方に移動するのにあわせて種結晶４４及び育成結晶４６も、坩堝４１内で坩堝４１とは独立して上方に移動させることができる。

この際、上述のように坩堝４１の側壁４１１は底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状を有するため、育成結晶４６の直径よりも、移動後の位置において育成結晶４６が対向する坩堝４１の側壁の方が直径が大きくなっている。このため、図４（ｂ）に示すように育成結晶４６を上方に移動させることにより、育成結晶４６の外周部と、坩堝４１の側壁４１１との間に隙間（空間）を形成することができる。

このようにサファイア単結晶の育成終了後、冷却時に育成結晶４６と坩堝４１との間に隙間を形成する操作（隙間形成ステップ）を実施することにより育成結晶４６と坩堝４１の収縮率の差に起因して結晶に圧縮応力が加わることを回避することができる。それによって、育成結晶の結晶性の悪化やクラック発生を防止することができる。

上述のように本実施形態のサファイア単結晶製造装置を用いた場合、冷却工程で育成結晶にクラック等を生じることを抑制できる。このため、冷却工程において、単結晶育成工程の降温速度と比較して一桁以上大きな、生産上実用的な冷却速度で育成結晶を冷却することが可能となり、高品質サファイア単結晶が効率よく高収率で得ることが可能となる。

ここで、本実施形態のサファイア単結晶製造装置４０の構成についてさらに説明する。

本実施形態のサファイア単結晶製造装置４０において、育成に用いる坩堝４１の側壁のテーパー角度は、坩堝４１の材質の線膨張係数等により任意に選択することができるが、坩堝４１の側壁のテーパー角度は０．３°以上３°以下であることが好ましい。

これは、テーパー角度が０．３°未満の場合、隙間形成ステップにおいて育成結晶４６の外周部と坩堝４１の側壁との間に、育成結晶４６に応力が掛らないようにするに十分な幅の隙間を形成するために行う結晶上昇の距離を長くすることが必要になる場合がある。それに応じて、冷却時の均熱性を確保するために、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更にはサファイア単結晶製造装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じるために、部材、装置が大型化し効率的ではないからである。

なお、上述の隙間形成ステップで、育成結晶の一部を坩堝やヒーターに囲まれた領域よりも上方まで移動させると、育成結晶には、坩堝等で囲まれた領域と、坩堝等で囲まれていない領域とが生じ、該２つの領域間で大きな温度差を生じる場合がある。そして、育成結晶内に上述のような大きな温度差が生じた場合、育成結晶にクラックを生じる恐れがある。

このため、隙間形成ステップにおいては、例えば図４（ｂ）に示したように、育成結晶４６は坩堝４１及び図示しないヒーターで囲まれた領域内に配置することが好ましい。

一方、テーパー角度が例えば３°よりも大きいと、育成結晶の直径が成長後半部に行くに従って、必要径から乖離する割合が高くなるために、育成後、取出した結晶の外周部を必要径に成形する際の削り代が大きくなる場合がある。このため、研削の時間が長時間となり、また研削部分については原料の無駄となり効率的ではないからである。

特に坩堝４１の側壁４１１のテーパー角度は０．５°以上２°以下であることがより好ましい。

なお、テーパー角度とは、坩堝４１の底部４１２と垂直な面からの側壁４１１の傾き角度のことを意味している。ここで、図４（ｂ）中、点線で囲んだ領域ａを拡大した図５を用いてテーパー角度について説明する。図５には、坩堝４１の底部（底面）４１２と、側壁４１１とを示している。図中点線で、底部４１２と垂直な面５１を示している。そうすると、図５において、坩堝４１の底部４１２と垂直な面５１と、側壁４１１とが形成している角度５２が該側壁４１１のテーパー角度を示している。

また、冷却工程開始時等に育成結晶移動機構４２により育成結晶４６の外周部と、坩堝４１の側壁との間に隙間（空間）を形成する際、該隙間の間隔Ｌは特に限定されるものではなく、坩堝４１の材質の線膨張係数等に応じて任意に選択することができる。ただし、係る育成結晶４６の外周部と、坩堝４１の側壁との間の隙間の幅Ｌは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。

これは、該隙間の幅Ｌが０．１ｍｍよりも小さいと、冷却中に、坩堝４１の収縮による圧縮応力が育成結晶４６に負荷されてしまう可能性が高くなるためである。

一方、該隙間の幅Ｌが３ｍｍよりも大きいと、隙間を形成するために行う育成結晶上昇の距離を大きくすることが必要になる場合がある。それに応じて、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更にはサファイア単結晶製造装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じる場合がある。このため、効率的ではなくなるからである。

以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶製造装置によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配下、種結晶から原料融液を固化させてサファイア単結晶の育成を行った後、冷却の際に坩堝と育成結晶との間に隙間を形成できる。このため、サファイア単結晶にクラックが発生することを抑制できる。
（サファイア単結晶の製造方法）
次に、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。

本実施形態のサファイア単結晶の製造方法は坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配のもとで、種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造方法に関し、以下の工程を有することができる。

底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程。
単結晶育成工程終了後、サファイア単結晶を冷却する冷却工程。

そして、冷却工程では育成結晶移動機構により、サファイア単結晶の位置を上昇させ、サファイア単結晶の外周部と坩堝の側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを有することができる。なお、育成結晶移動機構は、坩堝内で育成したサファイア単結晶を支持している育成結晶支持部、及び育成結晶支持部と接続され、坩堝の底部に設けられた底部開口部を通り、育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む。

各工程について以下に具体的に説明する。なお、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法においては既述のサファイア単結晶製造装置を好適に用いることができる。このため、サファイア単結晶製造装置と説明が重複する部分については一部説明を省略する。

単結晶育成工程においては、底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成することができる。

具体的には、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うことができる。特に、ＶＢ法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ法）やＶＧＦ法（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ法）によりサファイア単結晶を育成することができる。なお、単結晶育成工程で用いる坩堝には後述する冷却工程で用いるため、育成結晶移動機構を備えておくことができる。

単結晶育成工程は以下のステップを有することができる。

まず、坩堝内の底部側に種結晶を、その上部に原料である酸化アルミニウム多結晶粒子を配置した後、原料を融解させる原料融解ステップを実施することができる。この際、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配を形成することができ、例えば、種結晶と原料（原料融液）との境界をサファイアの融点になるようにすることができる。

そして、原料融解ステップにおいて形成した温度勾配を維持しつつ、全体の温度を降下させることで結晶の成長界面（固液界面）を坩堝の上部の方へ移動させ、サファイア単結晶を育成する降温ステップを実施することができる。

単結晶育成工程が有するこれらのステップについては、坩堝の形状が異なる点、及び育成結晶移動機構を備えた坩堝を用いる点を除いては図２を用いて説明した場合と同様にして実施することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

単結晶育成工程における温度勾配の大きさや、坩堝に充填した原料を融解して原料融液を形成した後、全体の温度を下げる際の降温速度等については特に限定されるものではなく、用いる坩堝のサイズ等に応じて任意に選択することができる。

また、単結晶育成工程においては坩堝周辺を不活性雰囲気、または真空雰囲気とすることが好ましい。例えばアルゴン雰囲気とすることができる。

単結晶育成工程において用いることができる底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝については、図４を用いて既に説明したとおりである。該坩堝の、側壁のテーパー角度については特に限定されるものではなく、坩堝の材質の線膨張係数等により任意に選択することができるが、坩堝の側壁のテーパー角度は０．３°以上３°以下であることが好ましい。

これはテーパー角度が０．３°未満の場合、後述する冷却工程の隙間形成ステップにおいて育成結晶４６の外周部と坩堝の側壁との間に、育成結晶に応力がからないようにするに十分な間隔の隙間を形成するために必要となる結晶上昇の距離が長くなる場合がある。そしてそれに応じて、冷却時の均熱性を確保するために、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更に育成装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じるために、部材、装置が大型化し効率的ではないからである。

一方、テーパー角度が例えば３°よりも大きいと、育成結晶の直径が成長後半部に行くに従って、必要径から乖離する割合が高くなるために、育成後、取出した結晶の外周部を必要径に成形する際の削り代が大きくなる場合がある。このため、研削の時間も長時間となるため、原料の無駄、時間の無駄が生じ効率的ではないからである。

特にテーパー角度は０．５°以上２°以下であることがより好ましい。

次に、冷却工程について説明する。冷却工程においては、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却することができる。

なお、単結晶育成工程においては既述のように坩堝の底部側から上部側に向かって温度が高くなる温度勾配を形成し、該温度勾配を維持したまま、全体の温度を下げることによりサファイア単結晶を育成することができる。従って、坩堝の種結晶を配置した底部側から上部側に向かってサファイア単結晶が育成されることになる。このため、坩堝内に充填した原料（原料融液）の上端部の温度がサファイアの融点未満になった時を、単結晶育成工程の終了時とすることができる。

既述のように、冷却工程における坩堝の収縮率が、育成したサファイア単結晶の収縮率よりも高く、従来のサファイア単結晶の製造方法においては、坩堝によりサファイア単結晶に対して圧縮応力が加えられ、サファイア単結晶にクラックが生じる場合があった。

そこで、本実施形態のサファイア単結晶の製造方法の冷却工程は、育成結晶移動機構により、坩堝とは独立にサファイア単結晶の位置を上昇させ、サファイア単結晶の外周部と坩堝の側壁との間に隙間（空間）を形成する隙間形成ステップを有することができる。なお、育成結晶移動機構については図４を用いて既に説明したためここでは説明を省略する。

上述の隙間形成ステップにおいて、育成結晶の外周部と、坩堝の側壁との間に形成する隙間の幅については特に限定されるものではなく、坩堝の材質の線膨張係数等に応じて選択することができる。係る育成結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の隙間の幅は、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。

これは、該隙間の間隔が０．１ｍｍよりも小さいと、冷却中に坩堝の収縮による圧縮応力が育成結晶に負荷されてしまう可能性が高くなるためである。

一方、該隙間の間隔が３ｍｍよりも大きいと、隙間を形成するために行う育成結晶上昇の距離を大きくすることが必要になり、育成結晶長に対するヒーター高さ、坩堝高さ、更に育成装置全体の高さの比を大きくする必要性が生じる場合がある。このため、効率的ではなくなるからである。

そして、冷却工程は上述のように単結晶育成工程で育成したサファイア単結晶（育成結晶）を室温まで冷却する冷却ステップを有することができる。冷却ステップでは、坩堝の周囲に配置したヒーターの出力を調整することにより所望の降温速度でサファイア単結晶を冷却することができる。

隙間形成ステップを実施するタイミングについては特に限定されるものではないが、坩堝の収縮によりサファイア単結晶に対して圧縮応力が加わる前に実施することが好ましい。

例えば、冷却ステップと、隙間形成ステップとは平行して実施することもできる。具体的には、単結晶育成工程終了後、ヒーターの出力や温度を制御して冷却ステップを開始しつつ、隙間形成ステップを実施することができる。

特に、より確実にサファイア単結晶にクラック等が生じることを防ぐため、単結晶育成工程終了後、育成したサファイア単結晶を室温まで冷却する冷却ステップの開始前に隙間形成ステップを実施することがより好ましい。

冷却工程終了後は坩堝からサファイア単結晶を取り出し、用途に応じて所望の形状に加工することができ、必要に応じて任意の工程を実施することができる。

例えばサファイア単結晶基板（サファイアウエハー）とする場合には、サファイア単結晶を板状にスライスする切断工程や、サファイア単結晶基板の主平面や、端面を研磨する研磨工程等を実施することができる。

以上に説明した本実施形態のサファイア単結晶の製造方法によれば、坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、種結晶から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行う際にクラックの発生を抑制できる。このため、サファイア単結晶を歩留まり良く製造することが可能になる。

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。

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線トポグラフ像撮影、評価）
Ｘ線トポグラフ像撮影は、大試料ラングカメラ（株式会社リガク製、ＬＧＬ−８）を用いて行い、得られたＸ線トポグラフ像について評価を行った。
（Ｘ線回折の半値全幅）
Ｘ線回折の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、精密Ｘ線回折装置（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製、Ｘ‘Ｐｅｒｔ ＰＲＯ）を用いて測定、算出し、評価した。

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］
本実施例では、以下の構成を有するサファイア単結晶製造装置を用いてサファイア単結晶を製造し、その評価を行った。

まず、用いたサファイア単結晶製造装置について説明する。

図１における坩堝１４、及び坩堝軸１５に替えて、図４に示した坩堝４１、及び育成結晶移動機構４２、坩堝軸４３を設けた点以外は、図１に示したサファイア単結晶製造装置と同様の断面構造を有するサファイア単結晶製造装置を用いた。

坩堝は、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝４１を用いた。具体的には、底部（底面）の直径Ｌ１が１５０ｍｍφ、上方に向かう側壁のテーパー角度を１．５゜、内高５００ｍｍのタングステン製の坩堝を用いた。

そして、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、育成結晶支持部４２１、及び結晶移動軸４２２を有する育成結晶移動機構４２を設けた。この際、結晶移動軸４２２は育成結晶支持部４２１と接続され、坩堝４１の底部４１２に形成された底部開口部４１２Ａに挿入され、結晶移動軸４２２は一部が坩堝４１内に収容されるように構成している。

育成結晶支持部４２１は円板形状を有し、直径９５ｍｍφ、厚さ１０ｍｍのタングステン製とした。また、結晶移動軸４２２は直径３５ｍｍφの円柱形状を有する棒状体であり、タングステン製とした。

そして、サファイア単結晶製造装置は、図１に示したように坩堝の側面を囲むようにヒーター１３が配置され、坩堝や、ヒーター１３はチャンバー１１内に配置されている。また、チャンバー１１の内壁に沿って断熱材１２が設けられている。

本実施例ではヒーター１３としては高さ方向に分割された３つの領域ごとに温度勾配、及び温度を制御できるように構成された３ゾーン・ヒーターを用いた。ヒーター１３及び断熱材１２の材質はカーボンとした。

サファイア単結晶製造装置内の温度測定は、図１に示すように装置中心軸上の上下方向から上部側温度測定手段１７、及び底部側温度測定手段１６を用いて行った。各温度測定手段としては二色放射温度計を用いた。なお、底部側温度測定手段１６は、坩堝軸４３に設けた貫通孔４２２Ａの下端部に設けた観察窓を介して観察するように構成した。

また、チャンバー１１内を所定の雰囲気とするため、図示しないガス供給手段、及びガス排気手段を有している。

次に、サファイア単結晶の製造方法について説明する。

まず、坩堝の底部側、すなわち図４（ａ）における育成結晶支持部４２１の上に種結晶４４を配置した。種結晶４４としては、直径１５０ｍｍφ、厚さ４０ｍｍのサファイア単結晶円板を用いた。種結晶円板の面方位（育成方位）はｃ面であった。次いで、図４（ａ）に示すように、坩堝４１内の種結晶４４上にサファイア単結晶の原料４５として、酸化アルミニウム多結晶体粒子を２５ｋｇチャージした。

次に、単結晶育成工程を開始した。

具体的にはまず、サファイア単結晶製造装置のチャンバー１１を密閉し、チャンバー１１内をＡｒガスで置換した後に昇温を開始して原料を融解させた（原料融解ステップ）。

なお、予め融解試験を実施し、上部側温度測定手段１７及び底部側温度測定手段１６による測定温度と、坩堝内の種結晶の融解量、温度勾配、及び結晶台下面の温度の関係を求めておいた。

そして昇温時に、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段による測定値と、溶融試験の結果とを基に、３ゾーン・ヒーターの出力比を調節し、坩堝底部から上部に向かって、平均５℃／ｃｍの勾配で温度が高くなる温度分布を形成した。

またこの際、底部側温度測定手段の測定値が所望の値となるようにヒーターの出力合計値を調整し、種結晶の上端面を５ｍｍ程融解させた。

上述の種結晶の上端面が５ｍｍ程融解させた際の温度分布の状態で３０分間放置した後に、ヒーター出力を全体的に徐々に降下させて結晶育成を開始した（降温ステップ）。具体的には、炉内温度の降温速度が２．５℃／Ｈとなるように、ヒーター出力の降温速度を調整した。

この時の成長界面の前進速度（成長速度）は５ｍｍ／Ｈとなっていると推定される。この降温速度で一定として、原料全体が結晶化するまで温度降下を行った。上部側温度測定手段により測定された温度がサファイアの融点未満になった時点で単結晶育成工程が終了したと判断した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段と、底部側温度測定手段の温度差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして、冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で４ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．１ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、５０℃／Ｈとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、クラックが全くない６インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径（結晶上端部直径）は、約１６８ｍｍであった。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

得られたサファイア単結晶について評価を行った。

得られたサファイア単結晶のうち、１回目に作製したサファイア単結晶について上述のように偏光検査による結晶性の評価を行ったところ、粒界が全くない単結晶であることが確認できた。

また、同様に１回目に作製したサファイア単結晶からｃ面基板を切り出して鏡面加工した後に、Ｘ線トポグラフ像の撮影、評価、及びＸ線回折の半値全幅の評価を行った。これらの評価は、種結晶直上部、結晶長の１／２部、育成最終部近傍の３ヵ所から切り出された基板１枚ずつ、合計３枚を用いて行った。更に、Ｘ線回折の半値全幅の評価は、それら基板の中央部と最外周部から１０ｍｍ内側を９０゜おきに４点の計５点を３枚全ての基板で測定した。

Ｘ線トポグラフ像を撮影したところ、３枚の基板ともリネージ等の転位の集積が見られず、結晶全体に渡って均質な結晶性であることが確認できた。

Ｘ線回折の半値全幅の評価結果は、種結晶直上部基板の５点平均値で１０”、結晶長１／２部の基板の５点平均値９”、育成最終部基板の５点平均値で９”と、これらも結晶内で分布が無く、高品質結晶であることが確認できた。
［実施例２］
用いた坩堝の材質と、育成結晶移動機構を構成する育成結晶支持部、及び結晶移動軸の材質とをＭｏとした以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で１２０ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が３ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、５０℃／Ｈとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、実施例１と同様に、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、クラックが全くない６インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径（結晶上端部直径）は、約１６８ｍｍであった。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

得られたサファイア単結晶について実施例１と同様に評価を行った。

偏光検査、Ｘ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅評価結果とも、実施例１と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
［実施例３］
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を０．３゜とした点以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で５０ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．１ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が５０℃／Ｈとなるように冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、クラックが全くない６インチφ結晶であることが確認できた。得られた結晶の最大径（結晶上端部直径）は約１５６ｍｍであった。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

得られた結晶の評価を実施例１と同様に行ったところ、偏光検査、Ｘ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅評価結果とも、実施例１と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
［実施例４］
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を３゜とした点以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で２ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．１ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が５０℃／Ｈとなるように冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、クラックが全くない６インチφであることが確認できた。得られた結晶の最大径（結晶上端部直径）は約１８６ｍｍであった。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

得られた結晶の評価を実施例１と同様に行ったところ、偏光検査、Ｘ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅評価結果とも、実施例１と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
［実施例５］
実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で２ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．０５ｍｍの隙間を形成した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が５０℃／Ｈとなるように冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、６インチφ結晶であることが確認できた。しかし、結晶の約１／３の領域にクラックが発生していた。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回中６回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

最初に作製したクラックを含有するサファイア単結晶について、クラックが無い部分から６インチφ基板を加工し、実施例１と同様のＸ線トポグラフ像の撮影、Ｘ線回折の半値全幅の評価を行った。

Ｘ線トポグラフ像を撮影したところ、特に基板外周付近に、転位の集積であるリネージが多数存在していることが確認できた。

また、Ｘ線回折の半値全幅の評価結果は、基板中心部の値は１０”と実施例１で得られた結晶と同程度の結果であったが、基板外周部の値は、２０〜３０”の範囲にあり、実施例１で得られた結晶よりも結晶性に劣る結果であった。
［実施例６］
用いた坩堝の材質と、育成結晶移動機構を構成する育成結晶支持部、及び結晶移動軸の材質とをＭｏとした以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で１４０ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が３．５ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が、５０℃／Ｈとなるようにヒーター出力を降下させて室温までの冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、６インチφ結晶であることが確認できた。しかし、結晶の上端部にクラックが発生していた。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回中６回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

最初に作製したクラックを含有するサファイア単結晶について、クラックが無い部分から６インチφ基板を加工し、実施例１と同様のＸ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅の評価を行ったところ、何れの検査においても実施例１と同様な結果であり、結晶上端部を除けば高品質結晶であることが確認できた。
［実施例７］
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を０．２゜とした点以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で１４０ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．１ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が５０℃／Ｈとなるように冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、６インチφの結晶であることが確認できた。しかし、結晶の上端部にクラックが発生していた。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、６回はクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

クラックが無い部分から６インチφ基板を加工し、実施例１と同様のＸ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅の評価を行ったところ、何れの検査においても実施例１と同様な結果であり、結晶上端部を除けば高品質結晶であることが確認できた。
［実施例８］
用いた坩堝の側壁のテーパー角度を３．５゜とした点以外は、実施例１と全く同様の構成、同様の条件で単結晶育成工程を実施した。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。

まず、上部側温度測定手段、及び底部側温度測定手段の温度の差が３℃以下となるようにヒーターの出力及び出力比を調整して冷却ステップを開始した。そして冷却ステップを開始するとともに、育成結晶移動機構４２を構成する結晶移動軸４２２、及びこれに接続された育成結晶支持部４２１を１ｍｍ／ｍｉｎの速度で０．５ｍｍ上昇させて、サファイア単結晶外周部と坩堝側壁との間に幅が０．１ｍｍの隙間を形成する隙間形成ステップを実施した。

次に冷却ステップは、上述のようにサファイア単結晶外周部と、坩堝側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを実施した後に、平均降温速度が５０℃／Ｈとなるように冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、種結晶部を除いた育成部の長さが約３１０ｍｍで、最大径（結晶上端部直径）は約１９２ｍｍのクラックを全く含まない結晶であることが確認できた。しかし、結晶の外周部を６ｉｎφに研削する際の時間と削り代のロスが実施例１等と比較すると生産効率が下がった。

同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともクラックが全くないサファイア単結晶を得られることを確認できた。

得られた結晶の評価を実施例１と同様に行ったところ、偏光検査、Ｘ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅評価結果とも、実施例１と同様な結果で、高品質結晶であることが確認できた。
［比較例１］
育成結晶移動機構を有しない点以外は実施例１と同様の構成を有するサファイア単結晶製造装置を用いて単結晶育成工程を実施した。なお、育成結晶移動機構を有していないため、坩堝の底部には底部開口部が設けられておらず、坩堝の底部に種結晶を直接配置した。また、単結晶育成工程における条件は実施例１と同様の条件とした。

単結晶育成工程が終了したと判断した直後から、冷却工程を実施した。冷却工程では、隙間形成ステップは実施せずに、冷却ステップのみを実施した。

冷却ステップでは、平均降温速度５０℃／Ｈで室温まで冷却を行った。

そして、育成したサファイア単結晶が室温まで冷却されたことを確認し、単結晶育成工程終了後から、約２日後に育成装置内から坩堝と結晶を取出した。その後、坩堝から結晶を取出したところ、結晶のサイズは、実施例１と同様の６インチφで育成部の長さが約３１０ｍｍのものであったが、結晶の約２／３の領域にクラックが発生していた。同様にして上記１回を含めて合計１０回サファイア単結晶を育成したところ、１０回ともサファイア単結晶にクラックが発生した。

最初に作製したサファイア単結晶のクラックが無い部分から６インチφの基板を加工し、実施例１と同様の手順でＸ線トポグラフ像の撮影、評価、Ｘ線回折の半値全幅の評価を行った。

Ｘ線トポグラフ像を撮影したところでき、特に基板外周付近に、転位の集積であるリネージが多数存在していることが確認できた。

また、Ｘ線回折の半値全幅の評価結果は、基板中心部の値は１０”と実施例１で得られた結晶と同程度の結果であったが、基板外周部の値は、２５〜３０”の範囲にあり、実施例１で得られた結晶よりも結晶性に劣る結果であることを確認できた。

実施例１〜８と比較例１とを比較すると、育成結晶移動機構を備えていないサファイア単結晶製造装置を用いた比較例１においては、製造した全てのサファイア単結晶にクラックが発生することを確認できた。

これに対して、実施例１〜４、８は１０回実施した場合に１０回ともクラックを含まないサファイア単結晶を製造できることが確認できた。また、実施例５〜７においても１０回実施した場合６回はクラックを含まないサファイア単結晶を製造できることを確認できた。これらの結果から、育成結晶移動機構を備えたサファイア単結晶製造装置を用いることで、クラックの発生を抑制できることを確認できた。

なお、実施例５においては、育成結晶移動機構を備えていたものの、サファイア単結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の隙間の間隔が小さかったため、サファイア単結晶を１０回作製したうち、４回クラックが発生したものと考えられる。

実施例６においては、育成結晶移動機構によりサファイア単結晶を上昇させることで、３．５ｍｍとサファイア単結晶の外周部と、坩堝の側壁との間の距離を十分に確保できた。しかし、サファイア単結晶の一部が坩堝や、ヒーターで覆われている領域から外れたため、サファイア単結晶内に大きな温度勾配が形成され、サファイア単結晶を１０回作製したうち、４回クラックが発生したものと考えられる。

実施例７においては、坩堝の側壁のテーパー角度が０．２°と他の実施例と比較して小さかったため、サファイア単結晶の外周部と坩堝の内壁との間の距離を十分に取ろうとすると、育成結晶移動機構によるサファイア単結晶の上昇幅が大きくなった。このため、実施例６の場合と同様に、サファイア単結晶の一部が坩堝や、ヒーターで覆われている領域から外れたため、サファイア単結晶内に温度勾配が形成され、サファイア単結晶を１０回作製したうち、４回クラックが発生したものと考えられる。

１０ サファイア単結晶製造装置
１４、４１ 坩堝
４１１ 側壁
４１２ 底部
４１２Ａ 底部開口部
１４１、４４ 種結晶
１４２ 原料融液
４２１ 育成結晶支持部
４２２ 結晶移動軸
４２ 育成結晶移動機構
２１、４６ 育成結晶（サファイア単結晶）
５２ テーパー角度

Claims (4)

1. 坩堝内の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配の下で、前記種結晶側から原料融液を固化させることで単結晶育成を行うサファイア単結晶製造装置であって、
   底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝と、
   前記坩堝内で育成結晶を支持する育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構と、を備え、
   前記坩堝の底部には底部開口部が設けられており、前記結晶移動軸は前記底部開口部を通り、少なくとも一部が前記坩堝内に収容されるサファイア単結晶製造装置。
2. 坩堝の底部側に種結晶を設置し、坩堝の底部から上部に向かって温度が高くなる温度勾配のもとで、前記種結晶側から原料融液を固化させることでサファイア単結晶の育成を行うサファイア単結晶の製造方法であって、
   底部から上部に向かって内径が大きくなるテーパー形状の側壁を有する坩堝内でサファイア単結晶を育成する単結晶育成工程と、
   前記単結晶育成工程終了後、前記サファイア単結晶を冷却する冷却工程と、を有し、
   前記冷却工程は、前記坩堝内で育成したサファイア単結晶を支持している育成結晶支持部、及び前記育成結晶支持部と接続され、前記坩堝の底部に設けられた底部開口部を通り、前記育成結晶支持部を前記坩堝内で上下方向に移動できる結晶移動軸を含む育成結晶移動機構により、前記サファイア単結晶の位置を上昇させ、前記サファイア単結晶の外周部と前記坩堝の側壁との間に隙間を形成する隙間形成ステップを有するサファイア単結晶の製造方法。
3. 前記隙間形成ステップにおいて形成する、前記サファイア単結晶の外周部と、前記坩堝の側壁との隙間の幅が０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下である請求項２に記載のサファイア単結晶の製造方法。
4. 前記坩堝の、側壁のテーパー角度が０．３゜以上３゜以下である請求項２または３に記載のサファイア単結晶の製造方法。

Images