WO2014129414A1 - サファイア単結晶コアおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

　軸方向がｒ軸であり、長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、そして気泡を含有しないことを特徴とする、サファイア単結晶コア、およびチョクラルスキー法によってサファイア単結晶をｒ軸方向に成長させてサファイアインゴッドを得る工程と、前記サファイアインゴッドからコアを切り出す工程と、を含み、ただし、前記チョクラルスキー法によってインゴッドの肩部を形成するときに、前記肩部のうちの、水平面に対する角度が１０～３０°である領域の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように前記肩部の形成速度を制御することを特徴とする、前記サファイア単結晶コアを製造するための方法。

Description

サファイア単結晶コアおよびその製造方法

　本発明は、サファイア単結晶コアおよびその製造方法に関する。
　前記サファイア単結晶コアは、主としてＳＯＳ基板における絶縁性基板の材料として使用される。前記サファイア単結晶コアの製造方法は、ＳＯＳ基板における絶縁性基板を高い歩留りで切り出すことのできる、気泡を含有しないサファイア単結晶コアを製造するための方法である。

　ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板は、絶縁性の基板材料の上にシリコン膜を成長させて得られる基板である。このＳＯＩ基板上に形成された半導体デバイスは、単結晶シリコン基板上に形成したデバイスと比較して、動作の高速化および回路の高集積化が可能である。このような事情により、ＳＯＩ基板の高性能デバイス用基板としての製品化が徐々に進んでいる。
　このようなＳＯＩ基板の代表的なものとして、サファイア（酸化アルミニウム）単結晶基板上にシリコン膜を成長させて得られるＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）基板が知られている。
　ＳＯＳ基板は、一般に、サファイア基板のｒ面（ミラー指数｛１−１０２｝）上に、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等によってシリコンをエピタキシャル成長させることによって形成することができる。サファイアのｒ面はシリコンとの格子定数差が小さいから、この面の上にはシリコンがエピタキシャル成長し易いのである。ここで用いられるｒ面サファイア基板としては、直径１５０ｍｍの基板（当業者は慣用的にこれを「６インチ基板」と呼ぶ。）またはそれ以上の大口径の基板が要求されている。
　サファイア基板は、近年、大量生産技術の開発が盛んに行われている。これは、ＬＥＤチップの窒化物半導体形成用としての需要が旺盛となったことに起因する。窒化物半導体形成用基板としては、一般に、窒化物半導体との格子定数差が最も小さいｃ面（ミラー指数｛０００１｝）サファイア基板が用いられている。そのため、前記の大量生産技術開発は、ｃ面サファイア基板を効率よく生産することに特化されたものがほとんどである。その一方で、ＳＯＳ基板に用いられる６インチ以上の大口径ｒ面サファイア基板を効率よく製造する技術の開発検討は進んでいない。
　サファイア単結晶基板の材料となるサファイアインゴッド（単結晶体）の製造法として、例えばベルヌーイ法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ　Ｇｒｏｗｔｈ）法、チョクラルスキー法、キロポーラス法、ＨＥＭ（Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｔｈｏｄ）法等が知られている。これらのうち、６インチ以上の大型基板の材料となるサファイア単結晶体の成長方法として最も一般的なのは、キロポーラス法である。
　キロポーラス法は、融液成長法の一種である。原料を溶融した液面に接触させた種結晶体を、引上げずに、あるいはチョクラルスキー法と比較して極端に遅い速度で引上げつつ、ヒーター出力を徐々に下げて坩堝を冷却することにより、原料溶融液面よりも下の領域で単結晶体を成長させる方法である。このキロポーラス法は、優れた結晶特性を有する大口径の単結晶体を比較的容易に得ることができる方法である。
　しかしキロポーラス法は、チョクラルスキー法と比較すると極めて弱い温度勾配下において結晶成長を行う。そのため、結晶方位によって異なる成長速度の影響を大きく受けることとなる。従って、成長の速い軸を育成方向として結晶を成長させることは容易であるものの、成長の遅い軸を育成方向とする結晶成長は困難である。キロポーラス法によってサファイア単結晶を成長させてインゴッドを得る場合、成長速度が遅く、結晶欠陥が伝播しやすい性質を持つｃ軸方向を育成方向に対して垂直に配し、ａ軸方向に結晶成長させることが一般的である（例えば特開２００８−２０７９９２号公報参照）。このようにして得られたａ軸を成長方向とするサファイアインゴッドから前記ｒ面のサファイア単結晶基板を得るには、先ずインゴッドを斜め方向に切り出してｒ面サファイア単結晶コアの円柱体を得たうえで、該円柱体を円板状に切断する工程を経ることを要する（特開２００８−９７１号公報参照）。
　上記で説明した理由により、キロポーラス法によって得られたサファイアインゴッドから切り出したｒ面サファイア単結晶コアは、切り出し前のサファイアインゴッドと比較して非常に小さなものとなる。例えば一般的に得られるキロポーラス法の大型結晶は、ａ軸を高さ方向に有する直径２００ｍｍ程度の円柱体である。該円柱体から、ｒ面を底面とする直径１５０ｍｍの円柱体状のコアを切り出すと、理論上、最長でも長さ１３４ｍｍ程度のコアしか得ることができない。
　ところが、サファイア単結晶コアを基板にスライスするマルチワイヤソーは、長さ３００ｍｍ以上のコアを切断可能な装置が一般的である。現実の作業においては、生産性向上のために、厚みの薄いコアを精密に方位合わせしながら複数個連結して長さを例えば２００ｍｍ以上としたうえで切断するといった煩雑な工程を経由していた。
　一方、チョクラルスキー法による結晶成長においては、結晶方位による成長速度の差が小さい。従って、サファイア単結晶をｒ軸方向に２００ｍｍ以上の長尺で成長させることは比較的容易である。しかし、ｒ軸方向に結晶を成長させた場合、肩部の特定の結晶方位に「ファセット」と呼ばれる平坦部を生じることが多い。このファセットが生じると、結晶形状が軸対称形ではなくなり、これに起因して結晶中心部に気泡が多数混入する問題が生じる。その結果、直径１５０ｍｍ以上の泡のないサファイア単結晶コアを製造することは不可能であった。

　本発明は、上記の現状を打開しようとしてなされたものである。
　従って本発明の目的は、軸方向がｒ軸であり、十分な口径とマルチワイヤソーを適用するために十分な長さとを有し、しかも気泡を含有しないサファイア単結晶コアおよびその製造方法の提供を目的とする。
　本発明者等は、チョクラルスキー法による結晶成長における肩部形成の際に、該肩部が特定のプロファイルを有するように形成することにより、ｒ軸を結晶成長方向とする、気泡を含有しない、大口径且つ長尺のサファイア単結晶コアを安定的に製造できることを見出し、本発明を完成した。
　すなわち本発明は、軸方向がｒ軸であり、
長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、そして
気泡を含まないサファイア単結晶コアおよびその製造方法である。

　図１は、本発明のサファイア単結晶コアを示す模式図である。
　図２は、チョクラルスキー法単結晶引上げ装置の構造を示す模式図である。
　図３は、アニール炉の構造を示す模式図である。
　図４は、サファイアインゴッドの加工工程の一例である。
　図５は、実施例１におけるサファイア単結晶体の肩部プロファイルを示す図である。
　図６は、比較例１におけるサファイア単結晶体の肩部プロファイルを示す図である。

＜サファイア単結晶コア＞
　本発明のサファイア単結晶コアは、
軸方向がｒ軸であり、
長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、そして
気泡を含まないことを特徴とする。
　本発明のサファイア単結晶コアは、互いに平行な２つの平面を有する。本発明のサファイア単結晶コアのｒ軸が前記平面のそれぞれに対してなす角度は、いずれも９０±１°の範囲にある。
　本発明のサファイア単結晶コアの前記２つの平面は、それぞれ、内接円の直径が１４０ｍｍ以上である。サファイア単結晶コアには、通常、スライス後の基板の向きを合わせるために、オリエンテーションフラットと呼ばれる切り欠きが設けられる（図１参照）。切り欠きの幅は通常３０~７０ｍｍである。よって、この切り欠きの存在を考慮すると、例えば前記平面における内接円の直径が１４０ｍｍ以上であれば、コア自体は６インチ基板（直径１５０ｍｍ）以上の大口径コアとなる。コア直径の上限は特に定められるものではないが、チョクラルスキー法の製造工程における、結晶のクラック・割れおよびリネージの発生を抑制すること、ならびに大口径化の有用性等を考慮すると、直径１７０ｍｍ以下とすることが好ましい。
　本発明のサファイア単結晶コアは、前記２つの平面間の距離（前記２つの平面に垂直な方向の長さ）が２００ｍｍ以上である。この長さの上限は特に定められるものではないが、チョクラルスキー法の製造工程における、結晶のクラック・割れおよびリネージの発生を抑制すること、ならびに大口径化の有用性等を考慮すると、５００ｍｍ以下とすることが好ましく、３５０ｍｍ以下とすることがより好ましい。
　本発明のサファイアコアは、単結晶体であるうえに、さらに、Ｘ線トポグラフによって確認可能なリネージも有さない。つまり、本発明のサファイア単結晶コアは、真の単結晶体またはそれに近いものである。前記リネージの有無を観察するためのＸ線トポグラフの測定条件を以下に示す。
　Ｘ線測定装置：（株）リガク製、型式「ＸＲＴ−１００」
　測定方式：反射法
　Ｘ線管対陰極：Ｃｕ
　管電圧：５０ｋＶ
　管電流：３００ｍＡ
　撮像法：フィルム法
　２θ：８９．０°
　ω：１０２．３°
　入射スリット：湾曲スリット、幅１ｍｍ
　受光スリット：湾曲スリット、幅３ｍｍ
　スキャン回数：１０回
　スキャンスピード：２ｍｍ／分
　本発明においては、上記条件で撮影された明度０（黒）~２５５（白）の２５６階調の濃淡で表されるグレースケール像において、明度が１６以上異なる境界を有する面（およびそれに伴う粒界）が認められない場合、当該結晶はリネージを有さないものとして評価する。リネージの有無は、簡易的には、暗室内におけるクロスニコル観察によって視認可能な脈理（ストライヤ）の有無によっても判定することができる。
　本発明のサファイア単結晶コアは、気泡を含有しない。サファイア単結晶コアにおける気泡の有無は、例えば暗室内における高照度光源の照射下の目視観察によって確認することができる。ここで使用することのできる高照度光源の光束は、例えば１，０００~６，０００ｌｍとすることができる。サファイア単結晶コアの気泡の有無を確認するために使用される高照度光源としては、例えばＬＥＤランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ等を挙げることができる。その市販品としては、例えば日本ピー・アイ（株）製のメタルハライドランプ「ＰＣＳ−ＵＭＸ２５０」（光束：約３，０００ｌｍ）等を挙げることができる。
　本発明のサファイア単結晶コアは、前記した条件の観察によって視認される気泡を全く含有しないものとすることができる。なお、上記条件の観察によると、最小で直径１０μｍ程度の気泡を観察することができるから、本発明のサファイア単結晶コアは、直径１０μｍ以上の気泡を含有しないものである。
＜サファイア単結晶コアの製造方法＞
　本発明のサファイア単結晶コアの製造方法は、
チョクラルスキー法によってサファイア単結晶をｒ軸方向に成長させてサファイアインゴッドを得る工程と、
前記サファイアインゴッドからコアを切り出す工程と、
を含む。ただし、前記チョクラルスキー法によってインゴッドの肩部を形成するときに、
前記肩部のうちの、水平面に対する角度（肩部角度）が１０~３０°である領域の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように、前記肩部の形成速度を制御することが必須である。このような制御により、結晶肩部のファセットの生成を抑制することができ、微小な気泡やリネージを有さない大口径・長尺のサファイアインゴッド（単結晶体）を得ることができる。そしてこのアズグロウンのインゴッドに、必要に応じて熱処理を施したうえ、切断および研削・研磨を行うことにより、上記のサファイア単結晶コアを製造することができる。
　肩部角度が１０~３０°である領域の育成方向長さを１０ｍｍ以下にすることと、ファセットの形成との関係については、次のように考えることができる。
　単結晶育成時のファセットは、結晶成長の遅い方位の表面が平坦になることにより形成される。サファイア単結晶においては、最も成長の遅いｃ面にファセットが形成されやすい。実際、ｒ軸方向を引き上げ方向として結晶育成を実施した場合に肩部に出現するファセットの面方位はｃ面（水平面となす角は５７．６°）である。このｃ面のファセットが成長しているときには、結晶界面（結晶体と溶融液の境界面）の形状が点対称形ではなくなる。この非対称な結晶界面によって溶融液の対流が乱れ、従って育成中の単結晶体に気泡が混入することになる。
　このことに関して本発明者等が研究した結果、ｒ軸方向を引き上げ方向として結晶育成を実施した場合、肩部角度が１０°未満である領域および３０°を超える領域には、ｃ面ファセットが形成されないことを見出した。そのため、肩部角度が１０~３０°の範囲の領域を全く有さないプロファイルで結晶を育成すると、ファセットを有さない単結晶を得ることができるはずである。しかし、肩部角度が１０~３０°の範囲の領域を全く有さない単結晶を現実的に育成するには、結晶の引き上げ初期から一貫して肩の角度を３０°より大きくするしか方法はない。このようなプロファイルで結晶直径１５０ｍｍ以上にまで拡径するには、非常に長い肩部を要することとなり、生産性の面から不都合である。そこで、本発明者等の緻密な検討および考察によって現実的な態様を模索したところ、肩部角度１０~３０°の範囲の育成方向長さを１０ｍｍ以下にすることにより、結晶成長方向をｒ軸としながら、気泡を含有しない、大口径且つ長尺のサファイア単結晶コアを安定的に製造できることを見出したのである。
　図２に、本発明のサファイア単結晶コアをチョクラルスキー法によって製造する際に用いられる単結晶引上げ装置の一例（模式図）を示した。
　この単結晶引上げ装置は、結晶成長炉を構成するチャンバー１を備えている。このチャンバー１の上壁には、開口部を介して単結晶引上げ棒２が吊設されている。この単結晶引上げ棒２の先端には、種結晶体保持具３を介して種結晶体４が取り付けられている。該種結晶体４は、坩堝５の中心軸上に位置するように配置されている。前記単結晶引上げ棒２の上端には、結晶重量を測定するためのロードセル６が備えられている。そして、前記単結晶引上げ棒２、保持具３、種結晶体４およびロードセル６の全体が、図示していない駆動装置によって上下動および回転が可能に構成されている。
　坩堝５としては、チョクラルスキー法に用いられる坩堝として公知の形状および材質の坩堝を使用することができる。坩堝の形状として一般には、上部から見た開口部が円形状であり、円柱状の胴部を持ち、そして底面の形状が平面状、碗状また逆円錐状であるものが好適に用いられる。坩堝の材質としては、原料である酸化アルミニウムが溶融状態となる温度に耐え、且つ酸化アルミニウムとの反応性が低いものが適している。具体的には例えばイリジウム、モリブデン、タングステンもしくはレニウム、またはこれらのうちの２種以上からなる合金が一般的に用いられる。とりわけ、耐熱性に優れたイリジウムまたはタングステンを使用することが好ましい。
　坩堝の下部および周囲には、坩堝の底面および外周を取り囲むように断熱壁７ａが設置されている。坩堝上方の単結晶引上げ域の側周部には、これを環囲する断熱壁７ｂが設置されている。前記の断熱壁７ａおよび７ｂには、それぞれ、公知の断熱性の素材または断熱のための構造が制限なく利用できる。前記断熱性の素材としては、例えばジルコニア系素材、ハフニア系素材、アルミナ系素材、カーボン系素材等を挙げることができる。このうちジルコニア系素材およびハフニア系素材は、それぞれ、例えばイットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化されたものであってもよい。前記断熱のための構造としては、例えば反射材等を好適に利用できる。具体的には例えばタングステン、モリブデン等からなる金属板の積層体等である。
　断熱壁７ａおよび７ｂは、内側と外側との温度差が非常に大きい環境下で使用されるため、加熱および冷却の繰り返しによって素材が著しく変形し、割れを生じ易い環境にある。断熱壁の変形および割れによって結晶成長域の温度勾配が変化すると、安定的な結晶製造が困難となる。そこで、これらの断熱壁は全体を一体の素材で構成するのではなく、いくつかに分割された断熱材を組み合わせて構成することにより、変形および割れを抑制することが好ましい。このような態様とすることにより、結晶成長域の温度勾配の変化を可及的に抑制することができ、好ましい。
　単結晶引上げ域を環囲する断熱壁の上端の開口部は、少なくとも単結晶引上げ棒２の挿入孔が開口する天井板８により閉塞される。このことにより、単結晶引上げ域は、上記断熱壁７ａおよび７ｂと天井板８とにより形成される単結晶引上げ室内に収まるため、その保熱性が大きく向上する。前記天井板８は、断熱壁と同様の公知の断熱性の素材、または断熱のための構造で形成されることができる。前記天井板８は、必ずしも平板状である必要はなく、断熱壁の環囲体の上端開口部を、開口部を除いて閉塞するものであれば如何なる形状であってもよい。平板状以外の形状としては例えば円錐台状、逆円錐台状、笠状、逆笠状、ドーム状、逆ドーム状等を挙げることができる。
　断熱壁の外周には、おおよそ坩堝の高さの位置を環囲して高周波コイル９が設置されている。該高周波コイルには、図示しない高周波電源が接続される。高周波電源は、一般のコンピュータからなる制御装置に接続され、出力を適宜調節される。該制御装置は、前記ロードセルの重量変化を解析して高周波電源の出力を調整するほかに、結晶引上げ軸や坩堝の回転数、引上げ速度、ガスの流入出のためのバルブ操作等も合わせて制御することが一般的である。
　サファイア単結晶コアを半導体向けサファイア基板に適用する場合、原料としては、通常、純度４Ｎ（９９．９９％）以上の純度を有する酸化アルミニウム（アルミナ）が用いられる。不純物はサファイア単結晶の格子間または格子内に混入して結晶欠陥の起点となるから、純度の低い原料を用いると結晶中にリネージが発生し易く、また結晶が着色し易くなる傾向がある。結晶が着色する原因は、不純物によって形成された結晶欠陥に起因する色中心（カラーセンター）である。従って、結晶の着色は結晶欠陥の多さを間接的に示すものである。特に不純物としてのクロムは結晶の着色に顕著な影響を及ぼすから、クロムの含有量が１００ｐｐｍ未満の原料を使用することが好ましい。原料の嵩密度はなるべく高いものである方が、坩堝への充填量（重量）を増やすことができ、炉内における原料の飛散を抑制できるため適している。原料の好ましい嵩密度は１．０ｇ／ｍＬ以上であり、より好ましくは２．０ｇ／ｍＬ以上である。このような性状の原料としては、例えば酸化アルミニウム粉末をローラープレス等で造粒したもの、破砕サファイア（クラックル、クラッシュサファイア等）等を挙げることができる。
　サファイア単結晶コアの製造に際しては、先ず、上記のような原料を、前記結晶成長炉内に設置された前記坩堝内に投入し、加熱によって原料溶融液とする。原料が溶融状態に到達するまでの昇温速度は特に限定されないが、５０~２００℃／時間とすることが好ましい。この昇温速度が速すぎる場合、坩堝内に著しい加熱分布が生じて坩堝が破損する場合がある。一方で昇温速度が遅いと、生産性が損なわれ、好ましくない。
　原料が溶融状態に達した後、結晶引上げ軸先端の種結晶保持具３に装着した種結晶４を降下して原料溶融液面に接触させ、次いで徐々に引上げて単結晶体を成長させる。種結晶体の引上げを実施する際、該種結晶が接触する部分の原料溶融液の温度は、結晶が異常成長を起こさず安定的に成長するために、原料の融点よりも僅かに低い温度（過冷却温度）とすることが好ましい。サファイア単結晶を成長させる場合には、２，０００~２，０５０℃の温度範囲内で種結晶体の引上げを実施することが好ましい。
　引き上げに用いる種結晶体はサファイア単結晶であり、原料溶融液面と接する先端鉛直方向をｒ軸とする。結晶成長によって得られる単結晶体の品質は、種結晶体の品質に大きく依存するため、種結晶体の品質の選定には特に注意を要する。種結晶体としては、結晶欠陥、および転移と呼ばれる結晶構造の不完全部分が極力少ないものが望ましい。結晶構造の良否は、種結晶の先端面またはその近傍をエッチピット密度測定、ＡＦＭ、Ｘ線トポグラフィ等の適宜の方法を用いて評価することができる。また、結晶欠陥は残留応力が大きいほど多くなる傾向があることから、クロスニコル観察、応力複屈折測定等の手段により、応力の程度が小さいものを選定することも効果的である。
　種結晶体のうちの原料溶融液に接触する先端部分の形状は、特に限定されないが、特に好ましくはｒ面の平面である。種結晶体全体の形状は特に限定されないが、円柱状または四角柱状であることが好ましい。種結晶体の上方には、保持具３で保持するための拡大部、くびれ部および貫通孔から選択される１種以上の手段を設けることが一般的である。
　種結晶体を降下して原料溶融液面に接触させる際の種結晶体の降下速度としては、０．１~１００ｍｍ／分とすることが好ましく、１~２０ｍｍ／分とすることがより好ましい。
　種結晶体を降下して原料溶融液面に接触させる際、および該種結晶体を徐々に引上げて結晶成長させる際には、それぞれ、種結晶体および坩堝のうちの少なくとも片方を回転しながら行うことが好ましい。これらの場合の両者の相対回転速度としては、０．１~３０回転／分とすることが好ましい。
　種結晶体を原料溶融液に接触させた後、種結晶体の引上げ速度、種結晶体および坩堝の相対回転速度、高周波コイルの出力等を適時に適宜に制御しながら種結晶体を引き上げて肩部（拡径部）を形成し、所望の結晶径まで拡径した後には当該結晶径を維持するように引上げを行う。ここで、引上げ速度が小さすぎると生産性が損なわれ、一方で引上げ速度を早くし過ぎると育成環境の変動が過度に大きくなるため、多結晶化が起こり、あるいはリネージ、微小な気泡等が発生する不都合が生じる場合がある。従って、生産性と結晶品質との両立を勘案すると、肩部形成の際の種結晶体の引上げ速度および所望の結晶径まで拡径した後の種結晶体の引き上げ速度としては、いずれも、０．１~２０ｍｍ／時間とすることが好ましく、０．５~１０ｍｍ／時間とすることがより好ましく、１~５ｍｍ／時間とすることがさらに好ましい。
　本発明の方法は、上記したとおり、肩部角度が１０~３０°である領域の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように、前記肩部の形成速度を制御することを要する。該領域の育成方向長さは２ｍｍ以上とすることが好ましい。この値を過度に短く設定すると、肩部角度を変化させる際のヒーター出力の急変動によって結晶形状に乱れが生じ、育成する結晶における泡の混入、多結晶化等のトラブルが発生する場合があり、好ましくない。肩部角度が１０°未満である領域の育成方向長さと、この角度が３０°を超える領域の育成方向長さとの比には特に限定はなく、任意の比率とすることができる。ただし、肩部角度が３０°を越える領域の育成方向長さの比率を大きくすると、必然的に肩の全長が長くなる。従って、このような実施態様においては、コアとして使用可能な直胴部の長さが結晶の全長に対して小さくなり、生産性が悪化する。このような観点から、肩部角度が３０°を超える領域の育成方向長さは、育成する結晶の直胴直径の０．５倍未満に設定することが好ましい。
　拡径によって、結晶をどの程度の直径とするかについては、どのような大きさの単結晶体を製造するかによって決定される。また、チョクラルスキー法による結晶の育成においては、結晶径が大きいほどリネージや微小な気泡が発生する確率が高くなる。従って、結晶のクラック・割れおよびリネージの発生を抑制しながら６インチ級のＳＯＳ基板を量産するとの観点からは、結晶の直径を１５０~１７０ｍｍの範囲内とすることが好ましい。
　単結晶体引上げ中の炉内圧力は、加圧下、常圧下および減圧下のいずれでもよいが、常圧下で行うことが簡便である。雰囲気としてはヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガス；または該不活性ガスに１０体積％以下の任意の量の酸素を含む雰囲気が好ましい。
　本発明の方法によって製造されたサファイア単結晶コアは、マルチワイヤソーで切断加工してＳＯＳ基板として利用することが予定される。従って、マルチワイヤソーで効率よく切断加工が可能な直胴部長さを有することが好ましい。このような観点から、サファイア単結晶コアの切り出し部位となる単結晶体の直胴部の長さは、２００ｍｍ以上であることを要し、好ましくは２５０ｍｍ以上である。直胴部の長さが２００ｍｍ未満である場合、マルチワイヤソーで効率よく切断するためには、複数のコアを精密に方位を揃えて繋ぎ合わせ、全長を２００ｍｍ以上としてからマルチワイヤソーで切断するといった追加工程を要するから、製造効率の低下および製造コストの上昇に繋がるため好ましくない。一方、直胴部を５００ｍｍを超える長さとすることは、結晶育成中の炉内の結晶成長域の温度環境変化が大きくなりすぎるために安定した育成が困難となる傾向があり、好ましくない。
　このようにして、サファイアインゴッド（単結晶体）を引き上げた後、該単結晶体を原料溶融液から切り離す。この切り離し方法に特に制限はない。例えばヒーター出力の増大（原料溶融液の温度の上昇）により切り離す方法、結晶引上げ速度の増加により切り離す方法、および坩堝の降下により切り離す方法等を挙げることができ、これらのうちのいずれか１つの方法により、または２つ以上の方法の組み合わせにより、切り離しを行うことができる。
　切り離しに先立って、単結晶体が原料溶融液から切り離れる瞬間の温度変動（ヒートショック）を小さくするために、結晶径を徐々に減少するテール処理を行うことは効果的である。このテール処理は、例えばヒーター出力を徐々に上げる方法、結晶引上げ速度を徐々に速くする方法等によって行うことができる。
　原料溶融液から切り離された単結晶体は、炉内から取り出せる程度の温度まで冷却される。冷却速度は、これを速くする方が結晶育成工程の生産性を上げることができる。一方で、冷却速度を速くしすぎると、単結晶体の内部に残留する応力歪みを増大し、冷却時または後工程において破砕、ひび割れ等が発生し、あるいは最終製品である基板に異常な反りが発生する場合がある。逆に、冷却速度を遅くしすぎると、結晶育成工程の生産性が低下する。これらを勘案し、冷却速度は１０~２００℃／時間とすることが好ましい。
　以上のようにして、ｒ軸を成長方向とし、所望の直径および長さの直胴部を有する単結晶体であるサファイアインゴッドを製造することができる。
　このようにして製造されたサファイアインゴッドは、次いで、必要に応じて加熱処理（アニール処理）に供することができる。この加熱処理の目的は、切断加工時の割れの防止、結晶内の応力の低減、結晶欠陥・着色の改善等である。
　図３に、この加熱処理に用いられるアニール装置の一例（模式図）を示した。
　このアニール装置は、チャンバー１０の内部に、単結晶体１１を収納する容器１２が設置され、この容器を環囲するように加熱体１３が設置されている。単結晶体を収納する容器１２および加熱体１３は、天井部、底部および外周を取り囲む断熱壁１４によって構成される保温域に収納されている。
　インゴッドを収納する容器１２の材質は、熱処理時の温度および雰囲気に耐えうる材質であれば特に制限なく用いることができる。具体的には、例えば金属素材、酸化物素材、窒化物素材およびその他の断熱性素材を挙げることができる。前記金属素材としては、例えばイリジウム、モリブデン、タングステン、レニウム等またはこれらの合金からなる素材を挙げることができる。前記酸化物素材としては、例えばジルコニア系素材、ハフニア系素材、アルミナ系素材等を挙げることができる。これらのうち、ジルコニア系素材およびハフニア系素材は、それぞれ、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化されたものであってもよい。前記窒化物素材としては、例えば窒化ホウ素素材、窒化アルミニウム素材等を；前記その他の断熱性素材としては、例えばカーボン断熱材等を、それぞれ挙げることができる。
　単結晶体１１を容器１２内に設置するための手段は特に限定されず、公知の手段を適宜に選択して採用することができる。一例としては、容器１２の底部に酸化アルミニウム粉を敷き詰め、ここに単結晶体の肩部または尾部を埋没して設置する方法を挙げることができる。
　保温域を任意の温度まで加熱する加熱体１３としては、公知の加熱方式による加熱体を採用することができる。具体的には、例えばカーボン、タングステン等を加熱体とする抵抗加熱方式を採用することにより、２，０００℃付近まで安定して加熱を行うことができるため、好ましい。
　保温域を構成する断熱壁１４の素材としては、加熱処理時の温度に耐え、雰囲気に対して反応性および腐食性がない公知の断熱性素材を任意に選択して利用することができる。例えば酸化物系素材またはその他の素材からなる断熱材を挙げることができる。前記酸化物系素材としては、例えばジルコニア系素材、ハフニア系素材、アルミナ系素材等を挙げることができる。これらのうち、ジルコニア系素材およびハフニア系素材は、それぞれ、イットリウム、カルシウム、マグネシウム等を添加して安定化されたものであってもよい。前記その他の素材としては、例えばカーボン素材等を挙げることができる。ここで、断熱壁１４の素材として酸化物素材を使用するときは、雰囲気を不活性雰囲気または酸化性雰囲気とすることが好ましく；カーボン素材を使用するときは、雰囲気を不活性雰囲気または還元性雰囲気とすることが好ましい。酸化物素材は、還元雰囲気中で反応し、素材が脆化し、あるいは金属原子を含有する不純物を放出する懸念があり；カーボン素材は酸化雰囲気中で反応し、素材が脆化し、あるいは燃焼する懸念があるからである。
　サファイアインゴッドの加熱処理の際の周囲雰囲気、昇温速度、最高到達温度、最高到達温度における保持時間、最高到達温度における保持後の冷却速度等は、目的に応じて適宜に設定することができる。
　例えば切断加工時の割れの防止および結晶内の応力の低減を目的とする場合には、真空排気下または任意の雰囲気下において、昇温速度を２０~２００℃／時間とし、最高到達温度を１，４００~２，０００℃とし、最高到達温度における保持時間を６~４８時間とし、冷却速度を１~５０℃／時間とすることが好ましい。前記任意の雰囲気としては、例えば不活性雰囲気、酸化雰囲気、還元雰囲気等を挙げることができる。前記不活性雰囲気は、例えばヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガスにより；前記酸化雰囲気は、例えば大気、大気と酸素との混合ガス等により；前記還元雰囲気は、例えば水素、水素と不活性ガス（例えばヘリウム、窒素、アルゴン等）との混合ガス等により、それぞれ実現することができる。
　結晶欠陥および着色の改善を目的とする場合には、真空排気下、酸化雰囲気下または還元雰囲気下において、最高到達温度を１，４００~１，８５０℃とし、最高到達温度における保持時間、昇温速度および冷却速度を任意に設定することが好ましい。前記酸化雰囲気は例えば大気、酸素、酸素を１~９９体積％含有する不活性ガス（例えばヘリウム、窒素、アルゴン等）、酸素を２１~９９体積％含有する酸素と大気との混合ガス等によって；前記還元雰囲気は例えば水素、水素を１~９９体積％含有する不活性ガス（例えばヘリウム、窒素、アルゴン等）等によって、それぞれ実現することができる。加熱処理の際の周囲雰囲気を真空排気下以外の条件とする場合、圧力は０．１Ｐａ~１５０ｋＰａとすることが好ましい。
　前記のようにして製造されたアズグロウンの、あるいは前記のようにして任意的に加熱処理を行った後のサファイアインゴッドは、公知の切断および研削工程を適宜に選択して適用することにより、サファイア単結晶コアに成形加工することができる。
　図４に、サファイアインゴッドをサファイア単結晶コアに加工する工程の一例を示した。
　先ず、サファイアインゴッドの直胴部を残し、肩部および尾部を切断する（図４（ａ））。次いで、直胴部側面の凹凸を除去して一定径の円筒状とするために、円筒研削を行う（図４（ｂ））。さらに、直胴部側面の特定方位にオリエンテーションフラットと呼ばれる平坦部を形成することにより、サファイア単結晶コアを得ることができる（図４（ｃ））。
　図４（ａ）の切断工程における切断手段は制限されるものではなく、例えば切断刃、高圧水、レーザー等の適宜の切断手段を採用することができる。これらのうち切断刃を使用することが好ましく；
内周刃、外周刃、バンドソー、ワイヤソー等の切断刃がより好ましく；
バンドソー、ワイヤソー等の無端状の切断刃が特に好適である。
　上記のようにして、本発明のサファイア単結晶コアを得ることができる。
　本発明のサファイア単結晶コアは、繋ぎ合わせ等の追加工程を要することなく一般的なマルチワイヤソーで切断することができるから、ｒ面サファイア基板の効率的な製造に資するものである。

実施例１
　内径２６５ｍｍ、深さ３１０ｍｍのイリジウム製坩堝に、原料として純度が４Ｎ（９９．９９％）の高純度アルミナ（ＡＫＸ−５、住友化学（株）製）を５０ｋｇ投入した。この坩堝を、高周波誘導加熱方式のヒーターを有するチョクラルスキー型結晶引上げ炉に設置した。炉内を１００Ｐａ以下まで真空排気した後、酸素１．０体積％を含む窒素ガスを導入して炉内圧力を大気圧とした。炉内圧力が大気圧に到達した後は、上記と同組成のガスを２．０Ｌ／分で炉内に導入しながら、炉内圧力が大気圧を維持するように排気を行った。
　坩堝の加熱を開始し、坩堝内のアルミナが溶融する温度に到達するまで、９時間かけて徐々に昇温した。
　坩堝温度がアルミナ溶融温度に到達した後、アルミナの溶融液表面における対流の様子（スポークパターン）がごく緩やかに変化する安定した状態となるようにヒーターの出力を調整した。次いで、先端がｒ面である四角柱状のサファイア単結晶の種結晶体を、１回転／分の速度で回転させながら徐々に降下して、該種結晶の先端をアルミナ溶融液面に接触させた。種結晶が溶けず、且つアルミナ溶融液の表面に結晶が成長しないように、ヒーター出力をさらに微調整した後、２ｍｍ／時間の引き上げ速度で種結晶体の引上げを開始した。
　種結晶体の引き上げ速度を２ｍｍ／時間に維持したまま、ロードセルの荷重変化から推測される結晶直径が所定値となるようにヒーター出力を適宜調整しながら、結晶成長を行った。このとき、結晶直径が１５５ｍｍに至るまでの拡径工程（肩部の形成工程）において、水平面に対する角度が１０~３０°である領域の育成方向長さが１０ｍｍとなるように、結晶成長を行った。ここで形成した結晶の肩部プロファイルを図５に示した。
　結晶直径が１５５ｍｍに到達した後は、肩部のプロファイルが図５に示した曲線となるように、肩部角度をなめらかに増大しながら、直径１６５ｍｍまで拡径した。その後、引上げ速度を３ｍｍ／時間に上げ、結晶直径を１６０~１７０ｍｍの範囲で維持しながら引き上げを継続した。
　直胴部の長さが３００ｍｍに到達した後、ヒーター出力を徐々に上げてテール処理を行い、さらに引き上げ速度を１０ｍｍ／分に上げて、単結晶体をアルミナ溶融液から切り離した。
　得られた単結晶体は、３０時間かけて室温まで冷却した。
　以上の操作により、軸方向がｒ軸であり、直径が１６０~１７０ｍｍの範囲に制御され、そして直胴部の長さが３００ｍｍであるサファイアインゴッド（単結晶体）を得た。このインゴッドの肩部には、明瞭なｃ面のファセットは観察されなかった。このインゴッドにつき、暗室内でメタルハライドランプ（日本ピー・アイ（株）製、品名「ＰＣＳ−ＵＭＸ２５０」、光束：約３，０００ｌｍ）による照射下で目視観察したところ、結晶内に気泡は観察されなかった。また、クロスニコル下の目視観察によっても脈理は観察されなかった。
　次に、上記インゴッドをインゴッドアニール装置の保温域内に設置し、アルゴンガスを３Ｌ／分の速度でフローしながら、２０時間かけて１，６００℃まで昇温した。その後、インゴッドを１，６００℃の温度において２４時間保持した後、３５時間かけて室温まで冷却した。
　上記アニール後のインゴッドにつき、結晶上部（肩部）および結晶下部（尾部）をバンドソーによって切断し、平面研削装置を使用して直胴部の上下の切断面をそれぞれｒ面に整えた。その後、円筒研削装置により直径１５０ｍｍの円筒状とした後、側面にオリエンテーションフラットを形成することにより、軸方向がｒ軸であり、直径１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの気泡のないサファイア単結晶コアを得た。
比較例１
　上記実施例１の拡径工程において、水平面に対する角度が１０~３０°である領域の育成方向長さが３０ｍｍとなるようにしたほかは、上記実施例１と同様にして結晶成長を行うことにより、軸方向がｒ軸であり、直径が１６０~１７０ｍｍの範囲に制御され、そして直胴部の長さが３００ｍｍであるサファイアインゴッドを得た。ここで形成した結晶の肩部プロファイルを図６に示した。
　この単結晶体の肩部のうちの、水平面に対する角度が１０~３０°である領域に、ｃ面のファセットが観察された。このインゴッドにつき、暗室内におけるメタルハライドランプ照射下の目視観察により、直胴部の中心部付近に多数の気泡が観察された。クロスニコル下の目視観察による脈理は観察されなかった。
　得られた単結晶体につき、上記実施例１と同様にしてアニールおよび切断・研削加工を行って、軸方向がｒ軸であり、直径１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍのサファイア単結晶コアを得たが、その内部には多数の気泡が混入していた。

　１：チャンバー
　２：単結晶引上げ棒
　３：種結晶体保持具
　４：種結晶体
　５：坩堝
　６：ロードセル
　７ａ，７ｂ：断熱壁
　８：天井板
　９：高周波コイル
　１０：チャンバー
　１１：インゴッド
　１２：容器
　１３：加熱体
　１４：断熱壁

発明の効果

本発明によると、軸方向がｒ軸であり、長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、そして気泡およびリネージを含まないサファイア単結晶コアを容易に製造することができる。このサファイア単結晶コアを使用することにより、例えばコアの連結といった煩雑な工程を経由せずにマルチワイヤソーによる効率的な切断が可能になる。従って、本発明によって、ｒ面サファイア基板の製造効率を飛躍的に向上することが可能となる。

Claims (4)

1. 　軸方向がｒ軸であり、
   長さ２００ｍｍ以上、直径１５０ｍｍ以上であり、そして
   気泡を含有しないことを特徴とする、サファイア単結晶コア。
2. 　上記気泡が、暗室内における高照度光源照射下の目視観察によって視認可能な気泡である、請求項１に記載のサファイア単結晶コア。
3. 　チョクラルスキー法によってサファイア単結晶をｒ軸方向に成長させてサファイアインゴッドを得る工程と、
   前記サファイアインゴッドからコアを切り出す工程と、
   を含み、ただし、
   　前記チョクラルスキー法によってインゴッドの肩部を形成するときに、
   前記肩部のうちの、水平面に対する角度が１０~３０°である領域の育成方向長さが１０ｍｍ以下となるように前記肩部の形成速度を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のサファイア単結晶コアを製造するための方法。
4. 　前記肩部のうちの、水平面に対する角度が１０~３０°である領域の育成方向長さが２ｍｍ以上である、請求項３に記載の方法。

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