JP2014091670A - 単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア単結晶等の酸化物単結晶を製造する単結晶製造装置において黒鉛製保持具を用いても、ルツボのライフを向上できる装置を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法（ＣＺ法）により、ルツボ１４内で原料を加熱溶融して得られた融液１５から酸化物単結晶１７を製造する装置１０であって、前記ルツボ１４内の原料を加熱するヒータ２２と、前記ルツボ１４を配置するメインチャンバー１１とを備え、前記ルツボ１４は、黒鉛製保持具１８により高融点金属の犠牲材２３を介して保持されたものであることを特徴とする単結晶製造装置１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、サファイア単結晶等の酸化物単結晶をＣＺ法により製造する際に用いる単結晶製造装置に関する。

ＬＥＤ基板として需要が旺盛なサファイア単結晶の製造には、ＥＦＧ法、ブリッジマン法、Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ法など様々な成長方法が使用されている。
最近主流となっているＫｙｒｏｐｏｕｌｏｓ法では、高融点金属（タングステン、モリブデン等）のルツボを使用してサファイア単結晶を成長させているが、ＬＥＤ基板に必要なｃ軸結晶を得ることができず、この方法でａ軸結晶を作製した後、直角方向から結晶を刳り貫いてｃ軸結晶を得る工程が必要で、生産性と歩留まりが著しく劣ることが課題となっている。

そこで、チョクラルスキー法（ＣＺ法）はｃ軸結晶成長が可能なため最近注目され、高周波誘導加熱や抵抗加熱方式を使い、種々の結晶成長方法が試みられている。高周波誘導加熱法を用いたＣＺ法では、イリジウムルツボと、ジルコニア製断熱材で成長炉を構成して結晶成長が行われているが、イリジウムが非常に高価なため結晶コスト低減の阻害要因となっている。そこで、イリジウムより安価で汎用性のある高融点金属（タングステン、モリブデン等）でルツボを製作し、繰り返し使用によるコスト低減が期待されている。

特開２００８−７３５３号公報

特許文献１には、モリブデン又はタングステンのスペーサーを介して、イリジウム製のルツボによりモリブデン製又はタングステン製のルツボを支持する方法が開示されている。しかし、高価なイリジウム製ルツボを使用するため、コスト低減には限界があった。

このため、単結晶製造装置において、炉内構成部品に黒鉛材を使用し、特に高融点金属ルツボを黒鉛材料で保持することがコスト低減や熱伝導性の点で有利である。
しかし、このような装置では、高融点金属材料はアルミナ等の原料の融点以下で炭化（浸炭）が進むため、ルツボに著しい劣化や変形が起こり、ライフが低下してしまうという問題を、本発明者らが見出した。

タングステンは、８５０℃〜１６００℃で、炭素を吸収、カーバイド化し、モリブデンは、１１００℃以上で炭化してしまう。このため、原料である酸化アルミニウムの融点２０５０℃より低い温度でも、炭化による脆化や変形は避けられない。

高融点金属ルツボは脆性材料で製作されるが、高温下では黒鉛材との接触部は炭化により脆化が加速され、ひび割れ等の劣化が顕著となる。従って、ルツボの使用回数は著しく低下し、生産コストを著しく悪化させていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、単結晶製造装置において黒鉛製のルツボ保持具を用いても、ルツボのライフを向上できる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＣＺ法により、ルツボ内で原料を加熱溶融して得られた融液から酸化物単結晶を製造する装置であって、前記ルツボ内の原料を加熱するヒータと、前記ルツボを配置するメインチャンバーとを備え、前記ルツボは、黒鉛製保持具により高融点金属の犠牲材を介して保持されたものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する。

このように、ルツボが黒鉛製保持具により高融点金属の犠牲材を介して保持されたものであれば、ルツボが黒鉛製保持具に直接接触することがないため、ルツボの炭化によるひび割れ等の劣化を抑制することができ、ルツボのライフを向上できる。さらに、黒鉛製保持具を用いることで、コストを低減できる。従って、コスト低減と同時にルツボのライフ向上を達成できる装置となる。

このとき、前記ルツボの材質は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とするものであることが好ましい。
このようなルツボであれば、安価な材質であるため、コストをより低減できる装置となる。

このとき、前記ヒータは、抵抗加熱ヒータであることが好ましい。
本発明の装置には、このような抵抗加熱ヒータを用いることができる。

このとき、前記高融点金属の犠牲材は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とするものであることが好ましい。
このような犠牲材であれば、高温においても溶けたりすることがなく、また、融液への汚染の恐れがない装置となる。

このとき、前記酸化物単結晶は、サファイア単結晶であることが好ましい。
本発明の装置は、サファイア単結晶の製造のための装置とすることができる。

このとき、前記高融点金属の犠牲材は、厚さが２ｍｍ以上であることが好ましい。
このような厚さであれば、ルツボへの浸炭を確実に防止して、ルツボの劣化をより効果的に抑制することができる装置となる。

以上のように、本発明によれば、ルツボのライフ向上と装置のコスト低減を同時に達成できる。

本発明の単結晶製造装置の一例を示す概略図である。 ルツボ底部の劣化状況を観察した図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の単結晶製造装置の概略図である。

図１の本発明の単結晶製造装置１０は、ＣＺ法により、ルツボ１４内で原料を加熱溶融して得られた融液１５からサファイア単結晶等の酸化物単結晶１７を引上げて製造する装置である。
単結晶製造装置１０は、ルツボ１４内の原料を加熱するヒータ２２と、ルツボ１４を配置するメインチャンバー１１と、該メインチャンバー１１上にゲートバルブ１２で仕切り可能に接続されたプルチャンバー１３とを備えたものである。

また、図１に示すように、装置１０は、ガス導入管２５とガス排出管２６を有し、例えば、単結晶成長時等の通常時はプルチャンバー１３の上方から不活性ガス等を炉内にガス導入管２５を介して導入し、この導入したガスを、メインチャンバー１１の底部のガス排出管２６から真空ポンプ２７等により炉外へ排出することができる。一方、原料チャージ等の際には、ゲートバルブ１２を閉めてプルチャンバー１３内で原料チャージ等の作業を行い、その後、プルチャンバー１３内を不図示のプルチャンバー用のガス排出管とガス導入管２５を用いてガス置換を実施できる。

また、装置１０は、ルツボ１４やヒータ２２を囲む黒鉛系フェルト材等の断熱材１６と、単結晶１７の引上げに用いる引上げ軸２０と、種結晶を保持する種ホルダー２１と、ルツボ１４を支える黒鉛製保持具１８と、ルツボ１４を黒鉛製保持具１８を介して支持するルツボ支持軸１９とを備える。

本発明の装置１０において、ルツボ１４は、黒鉛製保持具１８により高融点金属の犠牲材２３を介して保持されたものである。例えば、ルツボ１４の底部と黒鉛製保持具１８の上面との間に犠牲材２３を挿入してセットする。
このように、ルツボ１４が黒鉛製保持具１８により高融点金属の犠牲材２３を介して保持されたものであれば、ルツボ１４が黒鉛製保持具１８に非接触状態で保持され、ルツボ１４の炭化によるひび割れ等の劣化を防止することができ、ルツボ１４のライフを効果的に向上できる。さらに、ルツボ１４を保持する保持具１８を、黒鉛材やカーボンコンポジット材等を用いた黒鉛製とすることで、熱伝導性が良く、さらにはコストを低減できる。従って、コスト低減と同時にルツボ１４のライフ向上を達成できる。ここで、黒鉛製保持具１８がルツボ１４の側面まで囲うように保持するものである場合も、犠牲材２３によって、ルツボ１４の底面のみならず、側面も黒鉛製保持具１８と直接接触しないように保持する。

図２に、高温下で黒鉛製保持具と接触した場合のルツボの劣化状況の画像を示す。図２（ａ）に示すように、ルツボを黒鉛製保持具に直接保持させた場合には、ルツボ底面にひび割れが生じて繰り返し使用が困難であった。また、図２（ｂ）に示すように、ルツボの側面に黒鉛製保持具が接触した場合は、反応し、膨張して変形した。本発明では、このようなルツボの劣化を効果的に防止できる。

また、ヒータ２２を抵抗加熱ヒータとし、ルツボ１４の材質は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とする金属ルツボであることが好ましい。
本発明の装置１０のヒータ２２としては、高周波加熱ヒータを用い、ルツボ１４として、イリジウムルツボを用いることもできるが、本発明では、安価なタングステン、モリブデン、タンタルを主成分とするルツボを用いることが好ましい。この場合、イリジウムに比べて耐酸化性が低いため、カーボン製の断熱材１６を使用することになり、カーボンは良導体であるため、高周波加熱方式では熱効率が悪く、抵抗加熱ヒータを使用することが好ましい。これにより、コストを更に低減することができる。

高融点金属の犠牲材２３は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とするものであることが好ましい。
このような犠牲材２３であれば、高温においても溶けたりすることがなく、また、融液１５への汚染の恐れがない。この際、ルツボ１４の材質と異なる材質の犠牲材２３とすることがより好ましい。同じ材質であると、拡散溶接現象にて犠牲材２３がルツボ底に融着（拡散溶接）することがあるため、異なる材質同士の方がルツボ１４のライフをより向上できるとともに、犠牲材２３も繰り返し使用可能となる。

高融点金属の犠牲材２３は、例えば円板状のものとすることができ、また、厚さが２ｍｍ以上、特には３ｍｍ以上であることが好ましい。
このような厚さであれば、ルツボ１４への浸炭を確実に防止して、ルツボ１４の劣化をより効果的に抑制することができる。このとき、犠牲材２３の厚さの上限は特に限定されないが、犠牲材２３は劣化の様子を観察して交換する必要があるので、例えば厚さを２０ｍｍ以下とすることで、取り扱い易く、交換によるコストの上昇も低く抑えることができる。

以上のような本発明の単結晶製造装置を用いてサファイア単結晶等の酸化物単結晶を製造することで、ルツボを繰り返し使用できるため、装置コストを低減でき、酸化物単結晶の製造コスト低減に資する。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
図１に示す本発明の単結晶製造装置を用いてサファイア単結晶製造を行った。
実施例として、タングステン製及びモリブデン製円板（厚さ２ｍｍ）を、タングステン製ルツボの底部と黒鉛製保持具との間に挿入してセットした場合と、モリブデン製及びタングステン製円板（厚さ２ｍｍ）を、モリブデン製ルツボの底部と黒鉛製保持具との間に挿入してセットした場合の、ルツボの劣化を確認した。

また、比較例として、タングステン製及びモリブデン製ルツボを、黒鉛製保持具で直接保持した以外は実施例と同様に、単結晶製造を行い、ルツボの劣化を確認した。

このとき、ルツボのサイズは、外径２５０ｍｍ、高さ２００ｍｍとし、犠牲材である円板のサイズは、外径１６０ｍｍ、厚さ２ｍｍとした。また、円板を、ルツボ底と黒鉛製保持具との間に同心性に配慮して挿入した。

表１は、実施例において、ルツボの材質と円板（犠牲材）の材質の組み合わせ毎のルツボ底の劣化状況を確認した結果と、比較例においてルツボ底の劣化状況を確認した結果である。

円板を介して保持した実施例の場合、引上げ終了後のルツボ底の状態を観察すると、ルツボ底の劣化は見られなかった。
円板を敷いていない比較例の場合、１バッチでもルツボ底面の変化が大きく、ひび割れ、変形等の劣化が見られた。

また、モリブデンルツボにモリブデン製の円板を挿入した場合、ルツボの劣化は見られなかったが拡散溶接現象にて円板がルツボ底に融着した場合もあった。従って、ルツボと円板（犠牲材）の材質が異なる方が、安定的に使えることがわかる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…単結晶製造装置、 １１…メインチャンバー、 １２…ゲートバルブ、
１３…プルチャンバー、 １４…ルツボ、 １５…融液、 １６…断熱材、
１７…酸化物単結晶、 １８…黒鉛製保持具、 １９…ルツボ支持軸、
２０…単結晶引上げ軸、 ２１…種ホルダー、 ２２…ヒータ、 ２３…犠牲材、
２５…ガス導入管、 ２６…ガス排出管、 ２７…真空ポンプ。

Claims (6)

1. ＣＺ法により、ルツボ内で原料を加熱溶融して得られた融液から酸化物単結晶を製造する装置であって、
   前記ルツボ内の原料を加熱するヒータと、前記ルツボを配置するメインチャンバーとを備え、
   前記ルツボは、黒鉛製保持具により高融点金属の犠牲材を介して保持されたものであることを特徴とする単結晶製造装置。
2. 前記ルツボの材質は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とするものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記ヒータは、抵抗加熱ヒータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記高融点金属の犠牲材は、タングステン、モリブデン、タンタルの少なくとも１つを主成分とするものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
5. 前記酸化物単結晶は、サファイア単結晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
6. 前記高融点金属の犠牲材は、厚さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。

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