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公開番号2024147802
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-16
出願番号2024121035,2022162145
出願日2024-07-26,2022-10-07
発明の名称単結晶サファイアの種結晶、所望の結晶配向を有するサファイア単結晶を製造する方法、及び携行型時計及び宝飾品のための外側部品又は機能部品
出願人コマディール・エスアー
代理人個人
主分類C30B 29/20 20060101AFI20241008BHJP(結晶成長)
要約【課題】欠陥が少なく加工しやすいサファイア単結晶を得る。
【解決手段】本発明は、サファイア単結晶を製造する方法に関する。単結晶サファイアの種結晶1は、3つの結晶軸[A]、[C]及び[M]を定める菱面体晶系結晶構造を有し、3つの結晶軸は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面A(11-20)、C(0001)及びM(10-10)に垂直であり、単結晶サファイアの種結晶1は、互いに平行かつ離れて延在している2つの平坦な面4によって境界が形成されたプレート2であり、単結晶サファイアプレート2は、単結晶サファイアプレート2の結晶軸[A]、[C]又は[M]のいずれかが、単結晶サファイアプレート2の平坦な面4の法線D1と、5～85°の角度(α)を形成するように初期サファイア単結晶を切り出して得られる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
単結晶サファイアの種結晶を製造する方法であって、
前記単結晶サファイアの種結晶（１）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定
める菱面体晶系結晶構造を有し、
前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結
晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
前記単結晶サファイアの種結晶（１）は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平
坦な面（４）によって境界が形成されたプレート（２）であり、
前記単結晶サファイアプレート（２）は、前記単結晶サファイアプレート（２）の結晶
軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記
平坦な面（４）の法線（Ｄ１）と、５～８５°の角度（α）を形成するように初期サファ
イア単結晶を切り出して得られる
ことを特徴とする方法。
続きを表示（約 2,600 文字）【請求項２】
単結晶サファイアの種結晶を製造する方法であって、
前記単結晶サファイアの種結晶は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱
面体晶系結晶構造を有し、
前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱
面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
前記単結晶サファイアの種結晶は、結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前
記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、５～８５°の範囲内
の角度（α）を形成するように初期サファイア単結晶（１８Ａ）を切り出して予め得た単
結晶サファイアバー（１６Ａ）である
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
サファイア単結晶を製造する方法（６、１８Ｂ）であって、
アルミナ及び／又はサファイアをるつぼ内で溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサ
ファイアを、請求項１に記載の方法によって得られた単結晶サファイアの種結晶に接触さ
せて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、
サファイア単結晶（６）を形成するステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
サファイア単結晶を製造する方法（６、１８Ｂ）であって、
アルミナ及び／又はサファイアをるつぼ内で溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサ
ファイアを、請求項２に記載の方法によって得られた単結晶サファイアの種結晶に接触さ
せて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、
サファイア単結晶（６）を形成するステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
単結晶サファイアシリンダー（１６Ｃ）を製造する方法であって、
前記単結晶サファイアシリンダー（１６Ｃ）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ
］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、
前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱
面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
前記方法は、切削工具（２０）を用いて、結晶軸［Ａ］又は［Ｍ］又は［Ｃ］のいずれ
かに沿って成長したサファイア単結晶ボール（１８Ｃ）に対して、前記サファイア単結晶
ボール（１８Ｃ）の成長結晶軸と５～８５°の範囲内の角度を形成する方向に沿ってコア
ドリリングを行うステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
型の上部において溶融状態で結晶化することによって得られるサファイア単結晶（２８
）を製造する方法であって、
アルミナ及び／又はサファイアをるつぼで溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサフ
ァイアをダイ（３０）のチャネル（３２）を通して、予め得た単結晶サファイアの種結晶
（２２）に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々
に結晶化させて、サファイア単結晶（２８）を形成するステップを備え、
前記単結晶サファイアの種結晶（２２）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を
定める菱面体晶系結晶構造を有し、
前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱
面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
前記単結晶サファイアの種結晶（２２）は、互いに平行かつ離れて延在している２つの
平坦な面（２６）によって境界が形成された第１のプレート（２４）であり、
前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記第１の単結晶サファイアプレ
ート（２４）の前記平坦な面（２６）に垂直であり、
前記第１の単結晶サファイアプレート（２４）は、前記ダイ（３０）の前記チャネル（
３２）によって定められる平坦な面に対する垂直方向（Ｐ）に対して５～８５°の範囲内
の角度（α）傾斜しており、
前記結晶成長によって得られたサファイア単結晶（２８）は、互いに平行に距離を置い
て延在している２つの平坦な面（３４）によって境界が形成される第２の単結晶サファイ
アプレートであり、
前記第２の単結晶サファイアプレートにおいては、結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］の
うちの１つが、前記平坦な面（３４）の法線に対して、前記ダイ（３０）の前記チャネル
（３２）に対する前記第１のプレート（２４）の角度（α）の傾斜に対応する配向ずれが
ある
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記
平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載を製造する方法。
【請求項８】
前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記
平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
ことを特徴とする請求項４に記載を製造する方法。
【請求項９】
前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記
平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載を製造する方法。
【請求項１０】
前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記
平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
ことを特徴とする請求項８に記載を製造する方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の結晶配向を有する単結晶サファイアの種結晶を製造する方法に関する
。本発明は、さらに、このような単結晶サファイアの種結晶から所望の結晶配向を有する
サファイア単結晶を製造する方法に関する。本発明は、さらに、このようなサファイア単
結晶から切り出した携行型時計（例、腕時計、懐中時計）及び宝飾品のための外側部品又
は機能部品に関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
いわゆる単結晶材料は、１ｍｍ～数ｍの大きさのマクロ規模の１つの結晶によって構成
している。単結晶の最も一般的な用途の１つは、宝飾品に用いることである。実際に、宝
石によって作られた装飾品は、ルビー、サファイア、ダイヤモンドのような単結晶を用い
て作られていることが多い。しかし、あまり知られていないだけで最先端の技術分野にお
いても単結晶は不可欠なものとなっている。エレクトロニクスや一部の太陽電池に用いら
れるケイ素、そして、かなり多くの固体レーザーに用いられる化合物が単結晶であるため
である。単純なレーザーポインターから、航空機用タービン、光学機器、核融合用のパワ
ーレーザーまで、至るところで用いられており、単結晶材料の用途は多岐にわたる。
【０００３】
化合物が単結晶の形態であると、透明性や複屈折のような特定の光学的性質を有するこ
とがある。アルミナＡｌ
2
Ｏ
3
結晶は、純度が高いと透明であり、携行型時計の製造業界で
は携行型時計用風防の製造において、よく用いられている。アルミナＡｌ
2
Ｏ
3
結晶は、ド
ーパントや不純物で着色して貴石として用いられる。単結晶を構成する原子やイオンの化
学的環境は、完全に定められ、同じ単位が繰り返されて組織化しており、このために、こ
の環境に導入されるドーパントの占有可能なサイトはごくわずかであるが、これによって
、そのドーパントは単結晶に非常に特異な性質を与えることができる。例えば、単結晶材
料にドープしてレーザー発光源を作る場合、限られたサイトにしかドーパントが分布しな
いために、ドーパントの電子遷移時に発するエネルギーの変化が小さく、このことによっ
て、精密なレーザー発光を得ることができる。同様に、単結晶ドーパントにおいてドーパ
ントが占有しうるサイトが具体的に定まっているために、このようなドーパントの存在に
固有の性質を変えることが可能になる。例えば、アルミナ結晶中のＣｒ
+3
イオンの存在に
よって、ルビーの赤色が発生し、同じＣｒ
+3
イオンを含むベリル（Ｂｅ
e
Ａｌ
2
Ｓｉ
6
Ｏ
18
）は緑色になり、これがエメラルドと呼ばれる。
【０００４】
このため、単結晶化合物においてドーパントの形態の欠陥が存在することが技術的な応
用のために望まれることがある。しかし、制御されていない不純物、転位や破断のような
構造欠陥については、望まれていない。このため、一般的には、可能な限り品質の高い単
結晶を用いることが望まれる。自然界でも単結晶を見つけることは可能だが、一般的には
希であり、欠陥が非常に多い。このため、２０世紀初頭から数々の合成技術が開発されて
きた。人工単結晶を得るには、以下のようないくつかの方法がある。
－化合物の過飽和溶液から得る。
－溶融した化合物から得る。
－化学気相成長法によって得る。
【０００５】
ここにおいて、製造された人工単結晶の８０％近くを占める、溶融状態での結晶化によ
る単結晶の合成に焦点を当てる。溶融状態において単結晶化合物を結晶化させる方法は、
フランスのオーギュスト・ヴェルヌイユ（Auguste Verneuil）によるところが大きい。こ
の方法は、ヴェルヌイユが宝飾品を作るためにルビーの合成を考えていたときに１８９１
年に提案されており、予め用意された種結晶と呼ばれる単結晶の一部を、溶融された材料
に接触させて結晶化させるものである。ルビーやサファイアを構成する化学式がＡｌ
2
Ｏ
3
であるコランダムを合成するためには、炎温度が約２７００℃である酸素水素トーチ（Ｈ
2
＋Ｏ
2
→Ｈ
2
Ｏ）を用いて到達させるような非常に高い温度（融点：２０５０℃）にする
必要がある。微粉末の状態のアルミナ（ドープされている場合もある）が、バイブレータ
ーによってトーチの炎に直接少量ずつ落とされる。こうして形成される溶融アルミナ滴は
、種結晶の頂部に落下し、この種結晶の結晶構成に従って結晶化される。一定の温度で結
晶化させるために、成長している単結晶を徐々に下げていく。合成の最後には、瓶の形を
した単結晶が得られる。
【０００６】
ヴェルヌイユ法は、現在もほぼ同じ形態で、特に、宝飾品や携行型時計用のコランダム
（ルビー、サファイア、携行型時計用風防など）の工業生産のために、用いられている。
ヴェルヌイユ法は、他の方法よりも単結晶の欠陥が多くなるが、比較的安価であり迅速で
あるという利点がある。この方法を用いると、例えば、１０時間程度で単結晶を得ること
ができる。しかし、ヴェルヌイユ法によって得られるサファイア単結晶は、転位密度が大
きく、局所的な配向ずれを制御することができない。また、気泡、網目、含有物のような
欠陥がヴェルヌイユ法による単結晶にあると、携行型時計用風防などの完成品において肉
眼で確認することができてしまうことがある。
【０００７】
本発明は、るつぼ内において溶融状態で結晶化させることによって単結晶を合成する方
法に着目している。特に、本発明は、ＥＦＧタイプ、ＨＥＭタイプ、Kyropoulosタイプ、
Czochralskiタイプ、Bridgman Verticalタイプ、Bridgman Horizontalタイプ及びMicro P
ulling Downタイプの単結晶成長技術に着目している。
【０００８】
１９１５年にJ. Czochralskiによって提案されたCzochralski法は、溶融状態において
単結晶を結晶化するための代表的な方法である。Czochralski法は、Verneuil法と同じ原
理、すなわち、材料を溶融させて予め得た単結晶の種結晶に接触させて結晶成長させるこ
と、に基づいているが、Verneuil法とは、溶融する材料を少量ずつ徐々に投入するのでは
なく実験開始時に全量投入されて溶融させる点で異なっている。このため、化学的に不活
性であり高温に耐えられる材料、例えば、白金やイリジウム、によって作られたるつぼ内
に、溶融する材料を入れる。高周波電流が流れる導電性コイルの中心にるつぼを置いて、
誘導によってるつぼを加熱する。材料が溶融して温度が安定したら、耐火性の棒体上に予
め得た単結晶の種結晶を配置して、溶融材料と接触させる。その後に、比較的温度が低い
領域の方へと種結晶をゆっくりと引き上げて、種結晶に接触している溶融材料を結晶化さ
せる。このようにして、単結晶を引き上げて溶融材料から単結晶を得る。耐火性の棒体を
継続的に回転させて、結晶化しようとする溶融材料層を均質化する。
【０００９】
Czochralski法において、結晶化させる材料の融点に非常に近い温度であるが高すぎな
い温度にセットする必要があるために、温度制御には注意が必要である。温度が高すぎる
と、種結晶が溶けてなくなってしまう。しかし、Czochralski法を実行することが難しく
ても、作られる結晶の品質は高く、この観点からCzochralski法は実績のある結晶成長技
術である。
【００１０】
化学組成がＡｌ
2
Ｏ
3
であるサファイアは、その優れた物理的性質のおかげで、様々な用
途に適している。サファイアはダイヤモンドの次に硬く耐久性の高い材料であるため、携
行型時計の業界において、さらには、高性能が求められる分野において、用いることがで
きる。合成サファイアは、不活性であり、研磨された状態では透明であり、耐酸性があり
、導電率が低く、融点が２０００℃よりも高く、非常に需要が高い用途に適している。サ
ファイアは、ほぼ破壊されず、実際に、あらゆる外的攻撃に耐えることができる。サファ
イアによって作られた携行型時計用風防や技術的部品は、傷がつきにくく、その表面は無
孔で光沢があり、研磨すれば完璧な透明度を得ることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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