蓝宝石单晶生长用坩锅和蓝宝石单晶生长用坩锅的制造方法_2

文档序号:8367103阅读:来源:国知局
提高耐热性。
[0051] 这是因为,如后所述,蓝宝石单晶生长用坩锅1具有涂布层5,因而即使因蓝宝石 生长时的热导致的相互扩散而使热喷涂的钨和钼发生合金化,镧也不会在表面析出,不会 有镧氧化物出现在表面使蓝宝石的品质劣化的情况。即,镧氧化物由于涂布层5而残留于 母材3的钼合金中,因而不会与蓝宝石反应、或对蓝宝石的结晶化造成不良影响。
[0052] 如此,蓝宝石单晶生长用坩锅1具有可防止母材3中的添加物与蓝宝石反应的优 异特征,因此,作为母材3的材料,还可以使用为了改善高温强度而在钼材中混入了非同种 材质的TZM(钛锆钼)、投入了 HfC的钼。
[0053] 另外,母材3的内侧面3a优选具有向坩锅(母材3)的开口部4变宽的锥形形状。 具体来说,优选内侧面3a相对于坩锅(母材3)的中心轴7的锥角a为1°以上且小于 15°。这是因为,如后所述,涂布层5优选通过热喷涂形成。
[0054] 需要说明的是,虽然即使没有锥度也可以进行涂布层5的热喷涂,但涂布层5的热 喷涂难以均匀,而且,从一边旋转一边变均匀的条件来看,在利用安装于通用车床或立式车 床、或安装于自动装置(robot)的等离子体喷枪进行热喷涂的本发明的条件下,锥角小于 r时,热喷涂时未参与热喷涂的残留钨颗粒在热喷涂时被卷入,由此会极端降低钨热喷涂 膜的品质,因此不优选。具体来说,未参与热喷涂的钨以粒状附着于涂布层5,在蓝宝石熔融 时落入蓝宝石中,成为单晶中的异物。
[0055] 另一方面,若锥角为15°以上,则由于蓝宝石的形成或设备原因而使成品率变差, 因而不优选。
[0056] 而且,母材3 (坩锅)的典型尺寸是:厚度为2. 5~6mm,大小为直径300mm以上且 500mm以下,深度为直径300mm以上且500mm以下,但是以后在蓝宝石单晶进一步大型化时, 该尺寸并不会影响坩锅随之进一步大型化。需要说明的是,在通过热喷涂形成涂布层5的 情况下,在后述的热喷涂或喷丸的作业方面,特别优选直径为300mm以上。另外,深度方面 没有作业上的限制,但是从上述压力(坩锅的底面3b受到的来自熔融氧化铝的压力)的关 系来看,可得到本发明的效果的坩埚是具有200mm以上的深度的坩锅。
[0057] 〈涂布层5>
[0058] 涂布层5是可防止熔融的蓝宝石与母材3的反应、对坩锅赋予耐热性的材料。
[0059] 本实施方式中,涂布层5是由金属元素中熔点最高的纯钨构成的层,即由钨及不 可避免的杂质构成的层,具体来说,优选使用纯度为99. 9%以上的钨。这是因为,在纯度小 于99. 9 %的情况下,蓝宝石与杂质的反应对所得到的蓝宝石的品质具有不良影响,而且纯 度越低则熔点越下降。
[0060] 即,后述的涂布层5的热喷涂中达到钨熔融的温度,因此杂质发生升华、蒸发等, 因而纯度即使为99%左右也没有问题,但实质上需要使用在全部金属中熔点最高的纯钨。 因此,涂布层5实质上为钨。
[0061] 另外,为了能够在不破坏坩埚的情况下取出所生成的蓝宝石单晶(即,能够将坩 锅重复利用),涂布层5优选表面粗糙度Ra (算术平均粗糙度)为5 y m以上且20 y m以下。
[0062] 涂布层5的表面粗糙度Ra小于5ym时,蓝宝石单晶变得不容易从涂布层5剥离, 若不破坏坩锅则无法取出蓝宝石单晶,因而不优选。
[0063] 另一方面,工业上难以形成Ra超过20 ym的涂布层5,即使形成,涂布层5的品质 也不稳定,涂布层5有可能发生剥离,因而不优选。
[0064] 需要说明的是,坩锅的底面3b(参照图1)是使用HEM法的蓝宝石单晶的生长中 放置晶种的部位,因此也可以为镜面,只要侧壁等蓝宝石的接触部分的至少50%以上为Ra 5 ym以上即可。
[0065] 此外,为了使蓝宝石单晶容易从坩锅分离,涂布层5优选在内部具有空孔,关于具 体的空孔数,母材3的轴向截面(通过中心轴7与中心轴7平行的面)50 ymX50 ym的区 域中的IX 1 ym2以上的空孔的个数优选为10个以上且小于100个。
[0066] 空孔的个数小于10个时,蓝宝石单晶极其难以从坩锅剥离,无法将坩锅重复利用 (若不破坏坩锅则无法取出蓝宝石单晶),因而不优选。认为其原因在于,钼与蓝宝石之间 经由钨的热传导增大、和由于蓝宝石、坩锅界面处产生间隙的毛细管现象而导致蓝宝石的 吸附。
[0067] 另一方面,若空孔的个数超过100个,则涂布层5的密度过低,密合性产生问题,变 得容易从母材3剥离,或者涂布层5有可能粘贴到蓝宝石上,因而不优选。
[0068] 这样,通过在涂布层5的内部存在有适当个数的空孔,在蓝宝石单晶的生长时氧 化铝颗粒滞留于空孔内,由此存在于涂布层5内,可适当限制热传导,也可妨碍热膨胀等 等,对于所生成的单晶蓝宝石的剥离是有效的。
[0069] 需要说明的是,如上所述,在蓝宝石的生长中使用了一次以上的坩锅中,空孔中也 可以存在有氧化铝颗粒。
[0070] 另外,对于空孔的观察,可如下进行确认:切割坩锅的一部分而使母材3的轴向截 面露出,进行公知的用于观察金属组织的树脂填埋、研磨、蚀刻,利用公知的电子显微镜对 截面进行观察。此外,如上所述,即使不是使用前的坩锅,通过在使用后切割坩锅,也可以进 行同样的观察,该情况下,可以在相当于空孔的部分观察氧化铝的颗粒。
[0071] 此外,关于观察区域,根据涂布层5的厚度的不同,有时难以得到50ymX50ym 的正方形的观察区域,但这种情况下,只要是与50ymX50ym的正方形区域的面积相当的 (面积相同)区域即可,也可以将不是正方形的其它形状、例如长方形作为观察区域。
[0072] 另外,涂布层5的厚度优选为50ym以上且300ym以内。这是因为,厚度小于 50ym时,无法得到设置涂布层5的效果;超过300ym时,不仅经济上成本增高,而且有可 能发生涂布层5的剥离。特别是,在超过500ym时,涂布层5剥离的可能性进一步提高,尤 其是,即使在进行抑制气体放出的热处理(详细情况如后所述)的情况下,也有可能发生表 面的剥离,因而不优选。
[0073] 此外,从工业上的大量生产性、成本降低的含义来看,也优选仅在内面形成涂布层 5〇
[0074] 另外,涂布层5只要至少蓝宝石接触的区域被涂布即可,因而未必需要覆盖全部 内周,如图2所示,也可以仅覆盖与蓝宝石的高度对应的区域。该情况下,如图3所示,母材 3的开口部4的周围的形状也可以是在开口部4处设有凸缘6的形状。即使与图1同样连 开口部也存在涂布层5,也没有问题。通过设成这样的形状,与图1、图2的结构相比,可以 部分省略切削工序等形成坩锅时的工序,也可以降低制造成本。
[0075] 需要说明的是,在蓝宝石单晶的生长温度2050~2300°C下,涂布层5的钨与母材 3的钼有效地相互扩散,在通常认为的蓝宝石的生长条件、即几天以上的时间,即使热喷涂 例如1000ym的钨作为涂布层5,钼元素也可到达涂布层5的表面。这是因为,钨与钼为相 同晶系,原子半径也大致相同,为完全固溶,因而难以防止钨与钼的相互扩散。因此,如上所 述,需要形成允许涂布层5与母材3的材料发生相互扩散的结构。母材3使用钨钼合金也 是有效的。
[0076] 〈制造方法〉
[0077] 作为本发明的蓝宝石单晶生长用坩锅1的制造方法,只要是能够有效且均匀地形 成涂布层5、并且使涂布层5的表面粗糙度及空孔等处于上述范围的方法就没有特别限定, 例如通过CVD (化学气相沉积)等形成涂布层5,从而也可以制造蓝宝石单晶生长用坩锅1。
[0078]
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