α−アルミナ焼成体およびサファイア単結晶の生産方法
【課題】費用が安く純度の高いα−アルミナを得るための手段を提供する。
【解決手段】α−アルミナ焼成体を生産する方法のフロー１は、ベーマイトに加水するステップ１０１、混練するステップ１０２、脱気するステップ１０３、押出成形するステップ１０４、および焼くステップ１０５を備えている。前記ステップ１０３およびステップ１０４において、ベーマイトを脱気し、高圧で押出成形することによりベーマイト内部の気体を排除することができるので、ステップ１０５において、１回の焼成のみでサファイア単結晶の原料として要求される高い嵩密度を備えたα−アルミナ焼成体を生産することができる。
【解決手段】α−アルミナ焼成体を生産する方法のフロー１は、ベーマイトに加水するステップ１０１、混練するステップ１０２、脱気するステップ１０３、押出成形するステップ１０４、および焼くステップ１０５を備えている。前記ステップ１０３およびステップ１０４において、ベーマイトを脱気し、高圧で押出成形することによりベーマイト内部の気体を排除することができるので、ステップ１０５において、１回の焼成のみでサファイア単結晶の原料として要求される高い嵩密度を備えたα−アルミナ焼成体を生産することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、α−アルミナ焼成体およびサファイア単結晶の生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）に注目が集まり、その電子回路の基板として人造サファイアのサファイア単結晶が利用されることが多くなっている。サファイア単結晶は、光学的に透明で化学的安定性、機械的強度が高く絶縁性、熱伝導性に優れているため、電子回路に利用される場合、ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）として有効であり、ＬＥＤチップとして高いチップ耐久性を与える。
【０００３】
ところで、サファイア単結晶は、アルミニウムの酸化物であるα−アルミナからできている。このα−アルミナを生産する手段については、従来から様々な方法が提案されてきている。
【０００４】
その一つとして、ベーマイトを焼くことによってα−アルミナを生産する技術は、公知である。ここで、本明細書中において記述される原料としてのベーマイトの製造方法について簡単に説明する。
【０００５】
ベーマイトの製造方法の一例として、ベーマイトは、アルコキシド法と呼ばれるα−アルミナを製造する方法の過程において製造される。
【０００６】
より具体的には、先ず、高純度のアルミニウム金属（９９．９９パーセント以上）をアルコールと反応させ、アルミニウム・アルコキシド（溶液）を製造する。次に、アルミニウム・アルコキシドを蒸留し、精製しアルコキシドを製造する。さらに、アルコキシドに水を加え加水分解し、ベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を製造する。
【０００７】
従来技術（アルコキシド法）においては、このベーマイトを焼成しα−アルミナ粉末とし、当該α−アルミナ粉末を成形などの加工処理をして再焼成し焼結（密度を高くする）させ、サファイア単結晶の原料としている。すなわち、従来技術においては、材料を２回焼く工程が必要とされていた。
【０００８】
なお、材料を２回焼く必要があるのは、サファイア単結晶の原料となるα−アルミナの嵩密度を高くして、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高くするためである。
【０００９】
また、特許文献１に開示される技術は、擬ベーマイトを高圧で成形後摂氏１５００度で２時間焼くことにより、比較的純度の高いα−アルミナ焼成体が得られるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−５５１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述したアルコキシド法において材料を焼く工程が２回入るということは、生産費用が高くなることを意味する。また、硬く磨耗性の強いα−アルミナ粉末を用いて成形などの加工処理をするため、その工程で装置などの磨耗により、α−アルミナに不揮発性不純物が混ざり込んでしまうという問題がある。
【００１２】
また、上述した特許文献１において開示される技術により得られるα−アルミナは、やはり擬ベーマイトを高圧で成形する過程で、周りの容器の表面を削り取ってしまい不揮発性不純物の含有量が多いという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、費用が安く純度の高い高密度のα−アルミナ焼成体を得られる手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の目的に鑑みて想到されたものであり、
ベーマイトに加水するステップと、
前記加水するステップにおいて加水されたベーマイトを混練するステップと、
前記混練するステップの後、もしくは前記混練するステップにおいて、前記加水され混練されたベーマイトに所定以上の圧力で加圧するステップと、
前記加水され混練され加圧されたベーマイトを摂氏１３００度以上の温度において１回だけ焼くステップと
を備えるα−アルミナ焼成体を生産する方法を提供する（第１の実施態様）。
【００１５】
また、上記の第１の実施態様において、
前記加圧するステップは、前記加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを含む
構成を採用してもよい（第２の実施態様）。
【００１６】
また、上記の第２の実施態様において、
前記混練するステップの開始から前記押出成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで、前記ベーマイトを所定気圧以下の環境下において脱気するステップを備える
構成を採用してもよい（第３の実施態様）。
【００１７】
また、本発明は、
チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかに従ったサファイア単結晶を生産する方法であって、
容器中で上記の第１乃至３のいずれかの実施態様にかかる方法により生産されたα−アルミナ焼成体を溶融するステップを備える
サファイア単結晶を生産する方法を提供する（第４の実施態様）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、加水し混練されたベーマイトに加圧することにより、１回の焼成のみでサファイア単結晶の原料として要求される高い嵩密度を備えたα−アルミナ焼成体を生産することができる。そのため、２回焼く工程を要する従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体と比較し、生産コストが安い。また、本発明の第１の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、比較的柔らかいベーマイトの加水混練物を成形するため、比較的硬いα−アルミナの加水混練物の成形工程を要する従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体と比較し、その成形の過程での汚染（コンタミネーション）が少なく、純度の高いα−アルミナを得ることができる。
【００１９】
また、本発明の第２の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを備えるので、生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度を効率的に高めることができる。
【００２０】
また、本発明の第３の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、脱気するステップを備えるので、脱気を行わない場合と比較して、より高い嵩密度のα−アルミナ焼成体を得ることができる。その結果として、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高めることができる。
【００２１】
また、本発明の第４の実施態様にかかるサファイア単結晶を生産する方法によれば、上記の第１乃至３のいずれかの実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を原料としてサファイア単結晶を生産するので、従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体を原料として生産されるサファイア単結晶と比較し、純度の高いサファイア単結晶を低コストで生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一具体例である本実施例にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法のフローを示す図である。
【図２】図２は、本発明の一具体例である実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施例）
以下、本発明の一具体例である実施例を、図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法のフロー１を示す図である。なお、α−アルミナ焼成体の嵩密度を高くすることは、そのα−アルミナを原料とするサファイア単結晶の生産の歩留まりを高くすることにつながり、非常に重要である。フロー１は、ステップ１０１乃至１０５によって構成されるが、ステップ１０４の押出成形するステップが嵩密度を高める上で最も重要なステップであり、このステップによりサファイア単結晶の生産の原料として要求される嵩密度が得られる。さらに、ステップ１０３の脱気するステップにより、さらに嵩密度が向上される。
【００２５】
以下、フロー１のステップの各々について説明する。なお、以下の説明において、「Ｓ」はステップを略したものである。
【００２６】
Ｓ１０１は、ベーマイトに加水するステップである。ベーマイトに水を加えて粘土状に柔らかくするために行なわれる。なぜならば、粘土状に柔らかくすればその後の押し出し成形加工が容易になるからである。
【００２７】
Ｓ１０２は、加水されたベーマイトを混練し粘土状のベーマイトとするステップである。混練することにより、押出し成形が容易になり、密度のばらつきなどを抑制することができる。
【００２８】
Ｓ１０３は、（混練された）ベーマイトを脱気するステップである。脱気することにより本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高くすることができる。既述のとおり、当該嵩密度が低いとサファイア単結晶の原料となるインゴットとしては不都合なので、当該嵩密度を高めることが非常に重要である。なお、Ｓ１０３は、上述のＳ１０２もしくは後述のＳ１０４の中に含まれていることが一般的である。
【００２９】
Ｓ１０４は、脱気したベーマイトを押出成形するステップである。より具体的には、脱気したベーマイトをダイスと呼ばれる容器に入れてできるだけ高圧（例えば、６００バール）で一定断面形状のわずかな隙間からところてんのように押し出して成形する。既述のように、このステップが、本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高める上で最も重要である。上述のステップ１０３とステップ１０４の工程は、例えば、特許文献（特開平７−３２３３５号公報）に示される押出成形装置によって行なわれることが可能である。
【００３０】
ここで、本来明記されるべき加圧するステップは、Ｓ１０３およびＳ１０４の中に含まれてしまっている。
【００３１】
Ｓ１０５は、押出成形されたベーマイトを（１回だけ）摂氏１５００度で約１時間以上かつ約２時間以下焼くステップである。これにより本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体が生産される。なお、この温度と時間は、製造コストおよび精度において優れたα−アルミナ焼成体が生産されるか否かを考慮して、決定されたものである。
【００３２】
この場合、得られるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、約２．５ｇ／ｃｃ以上かつ約３．５ｇ／ｃｃ以下である。
【００３３】
また、ベーマイトを焼いて脱水する場合の化学式は、
２ＡｌＯ（ＯＨ） → Ａｌ２Ｏ３ ＋ Ｈ２Ｏ
である。
【００３４】
以上の構成を有するフロー１によって生産されたα−アルミナ焼成体は、嵩密度が高く、非常に純度の高いものであり（９９．９９パーセント以上）、サファイア単結晶の原料となるインゴットとして用いられる。
【００３５】
なお、α−アルミナ焼成体は、１ｃｃ程度の大きさに折り分けてペレット状にすると、サファイア単結晶の生産工程において原料として投入する際に便利である。
【００３６】
図２は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの実物であり、右側の写真は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの微細構造を顕微鏡で見たものである。
【００３７】
（第２実施例）
以下、本発明の別の一具体例である実施例について説明を行なう。
より具体的には、第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体を用いたサファイア単結晶（すなわち、本実施例の最終製品）の製造方法（育成方法）の例について説明する。
【００３８】
サファイア単結晶の生産方法としては、キロプロス（Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ、Ｋｙ）法、チョコラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ、Ｃｚ）法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ、Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法が広く実用化されている方法として知られている。なお、キロプロス法は、回転を伴わないチョコラルスキー法とされることもあり、チョコラルスキー法との混乱も生じている。
【００３９】
キロプロス法は、種子結晶をα−アルミナの融液に浸し、融液を徐冷し、坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げることによりサファイア単結晶を生産する方法である。以下、キロプロス法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００４０】
Ｓ２０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００４１】
Ｓ２０２において、α−アルミナ焼成体の種子結晶を上述の融液に浸す。
【００４２】
Ｓ２０３において、上述の融液を徐々に冷却していく。
【００４３】
Ｓ２０４において、上述の融液が坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。
【００４４】
チョコラルスキー法は、坩堝の中のα−アルミナの融液に種子結晶を漬けて結晶（もしくは坩堝）を回転させながら引き上げることによりサファイア単結晶を生産する方法である。工業的にも一般的な方法である。
【００４５】
以下、チョコラルスキー法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００４６】
Ｓ３０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００４７】
Ｓ３０２において、α−アルミナ焼成体の種子結晶を上述の融液に浸す。
【００４８】
Ｓ３０３において、上述の融液を徐々に冷却していく。
【００４９】
Ｓ３０４において、上述の融液が坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げる。この際、結晶（もしくは坩堝）を回転させながら引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。
【００５０】
ＥＦＧ法は、毛細管現象を利用して結晶の形状を制御する方法で、所定の形状の空隙をもつ型（ダイ）をα−アルミナの融液に浮かべ、融液の毛細管現象を利用して結晶を引き上げることにより、サファイア単結晶を生産する方法である。ＥＦＧ法によれば、型の形状によって棒状、板状、管状などに形状制御した結晶を得ることができる。
【００５１】
以下、ＥＦＧ法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００５２】
Ｓ４０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を細かく裁断もしくは破砕する。
【００５３】
Ｓ４０２において、細かく裁断もしくは破砕したα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００５４】
Ｓ４０３において、所定の形状の空隙をもつ型（ダイ）を融液に浮かべる。
【００５５】
Ｓ４０４において、融液の毛細管現象を利用して結晶を引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。なお、型の形状が管状になっていれば、管状に形状が制御されたサファイア単結晶が得られる。
【００５６】
第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体のインゴットは、主としてキロプロス法およびチョコラルスキー法の原料となる。また、上述のように、第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体のインゴットを細かく成形すれば、ＥＦＧ法に用いることも可能である。
【００５７】
以上のような方法により生産されたサファイア単結晶は、光学的に透明で化学的安定性、機械的強度が高く絶縁性、熱伝導性に優れているため、電子回路に利用される場合、ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）として有効であり、ＬＥＤチップとして高いチップ耐久性を与える。
【００５８】
以上のようなサファイア単結晶の特性を活かせば、当該サファイア単結晶はＳＯＳ基板、半導体ディバイス、切削工具、腕時計のガラスなどの材料として適している。
【００５９】
（変形例）
上述した実施例は、本発明の技術的思想の範囲内において様々に変形が可能である。以下にそれらの変形の例を示す。
【００６０】
例えば、Ｓ１０４の押出成形するステップは、特に問題がなければ設けられなくてもよい。ただし、第１実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高めることが重要であるから、Ｓ１０４を割愛するならばＳ１０２の混練するステップの後もしくは混練するステップと同時にベーマイトに高い圧力で加圧することが必要である。
【００６１】
また、Ｓ１０４の押出成形するステップは、射出成形するステップによって代替されてもよい。
【００６２】
また、Ｓ１０３の脱気するステップは、Ｓ１０２の混練するステップの開始からＳ１０４の押出し成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで行なわれればよい。より具体的には、脱気は混練するステップの際もしくは押出成形ステップにおいて有効に行なわれることができる。
【００６３】
また、Ｓ１０３の脱気するステップおよびＳ１０４の押出成形するステップは、上述した特許文献（特開平７−３２３３５号公報）により示される方法で行なわれるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６４】
したがって、Ｓ１０３の脱気するステップは、Ｓ１０１で加水されＳ１０２で混練されたベーマイトを、ポンプなどの機器を用いて実現される所定気圧以下の環境下において脱気することにより行なわれればよい。
【００６５】
また、Ｓ１０４の押出成形するステップにおいては、例えば６００バールの圧力でベーマイトを押し出すものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではなく、特に問題がなければ他のいかなる圧力によってベーマイトを押し出してもよい。
【００６６】
また、Ｓ１０５の焼くステップは、ベーマイトを摂氏１５００度で約１時間以上かつ約２時間以下焼くものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６７】
したがって、ベーマイトを焼く温度は摂氏１４００度以上かつ摂氏１６００度以下であれば好適であり、特に問題がなければそれ以外かつ摂氏１３００度以上の温度であってもよい。ベーマイトを焼く温度および時間などは、上述のＳ１０１乃至１０５とそれらのステップが実行される環境条件との組み合わせによって、最適化され変化するのである。すなわち、ベーマイトを焼く時間も適宜決定され、例えば２時間以上であってもよい。
【００６８】
また、サファイア単結晶を生産する方法は、チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかであるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６９】
すなわち、本発明にかかるサファイア単結晶は、上述のα−アルミナ焼成体を原料とする限り、他のいかなる方法によって生産されてもよい。
【００７０】
また、第１実施例において生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、約２．５ｇ／ｃｃ以上かつ約３．５ｇ／ｃｃ以下であるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。したがって、第１実施例において生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、上述した値以外の値であってもよい。
【００７１】
（実験結果）
以下、本発明の一具体例である実施例およびその変形例に従って行なわれた実験について、説明を行なう。後述する実験１は、押出成形機を真空に引かない場合の実験例であり、後述する実験２は、押出成形機を真空に引いた場合の実験例である。両者の結果を比較することにより真空で引いた場合の優位性が認められる。
【００７２】
先ず実験１について説明する。アルミニウム・アルコキシドを加水分解し製造したベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を２リットルの撹拌式混練機に投入し、撹拌して９２０ｇの純水を加えた。この状態で、１５分間混練りして粘土状のベーマイトを得た。
【００７３】
この粘土状のベーマイトを、宮崎鉄工製押出成形機ＦＭ−３０に投入し、２．５Ｍｐａ（メガパスカル）の加圧圧力で押出成形して、５ミリメートル径の棒状体を得た。
【００７４】
上述の棒状体である成形品を摂氏１１０度で乾燥し、電気炉の中において摂氏１５００度で２時間焼成して、焼結体を得た。その結果については、後述する。
【００７５】
次に実験２について説明する。実験１の場合と同様に、アルミニウム・アルコキシドを加水分解し製造したベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を２リットルの撹拌式混練機に投入し、撹拌して９２０ｇの純水を加えた。この状態で、１５分間混練りして粘土状のベーマイトを得た。
【００７６】
この粘土状のベーマイトを、宮崎鉄工製押出成形機ＦＭ−３０に投入し、真空度を−０．１Ｍｐａ（メガパスカル）として押出成形機内を真空に引いて、２．５Ｍｐａ（メガパスカル）の加圧圧力で押出成形して、５ミリメートル径の棒状体を得た。
【００７７】
上述の棒状体である成形品を摂氏１１０度で乾燥し、電気炉の中において摂氏１５００度で２時間焼成して、焼結体を得た。その結果は、上述の実験１の結果とともに以下の表１に示される。
【００７８】
【表１】
【００７９】
表１を見ると、押出成形機を真空に引くことによって、α−アルミナ焼成体の嵩密度が、２．２１ｇ／ｃｃから２．８５ｇ／ｃｃまで上昇している。これは、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高める上で重要な数値である。
【００８０】
また、表１に見られるように、押出成形機を真空に引くことによっては、α−アルミナ焼成体の純度は、変わらなかった。すなわち、α−アルミナ焼成体の純度は、原料のベーマイトと同じであり、汚染（コンタミネーション）の無いことが分かった。
【００８１】
今後の方針としては、上述の加圧圧力、真空度、加水の量などを最適化することにより、α−アルミナ焼結体の嵩密度をさらに高めることができると考えられる。
【００８２】
なお、表１の密度はアルキメデス法により測定し、不純物はＩＣＰ−ＯＥＳ法により測定した。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のα−アルミナ焼成体の生産方法は、低コストで汚染（コンタミネーション）の少ないα−アルミナを生産することができ、また本発明のサファイア単結晶の生産方法は低コストかつ高い歩留まりでサファイア単結晶を生産することができるので、半導体の電気回路の基板を始めとする多くの分野において有効である。そのため、いわゆる製造業において利用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１…フロー、Ｓ１０１…加水するステップ、Ｓ１０２…混練するステップ、Ｓ１０３…脱気するステップ、Ｓ１０４…押出成形するステップ、Ｓ１０５…焼くステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、α−アルミナ焼成体およびサファイア単結晶の生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）に注目が集まり、その電子回路の基板として人造サファイアのサファイア単結晶が利用されることが多くなっている。サファイア単結晶は、光学的に透明で化学的安定性、機械的強度が高く絶縁性、熱伝導性に優れているため、電子回路に利用される場合、ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）として有効であり、ＬＥＤチップとして高いチップ耐久性を与える。
【０００３】
ところで、サファイア単結晶は、アルミニウムの酸化物であるα−アルミナからできている。このα−アルミナを生産する手段については、従来から様々な方法が提案されてきている。
【０００４】
その一つとして、ベーマイトを焼くことによってα−アルミナを生産する技術は、公知である。ここで、本明細書中において記述される原料としてのベーマイトの製造方法について簡単に説明する。
【０００５】
ベーマイトの製造方法の一例として、ベーマイトは、アルコキシド法と呼ばれるα−アルミナを製造する方法の過程において製造される。
【０００６】
より具体的には、先ず、高純度のアルミニウム金属（９９．９９パーセント以上）をアルコールと反応させ、アルミニウム・アルコキシド（溶液）を製造する。次に、アルミニウム・アルコキシドを蒸留し、精製しアルコキシドを製造する。さらに、アルコキシドに水を加え加水分解し、ベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を製造する。
【０００７】
従来技術（アルコキシド法）においては、このベーマイトを焼成しα−アルミナ粉末とし、当該α−アルミナ粉末を成形などの加工処理をして再焼成し焼結（密度を高くする）させ、サファイア単結晶の原料としている。すなわち、従来技術においては、材料を２回焼く工程が必要とされていた。
【０００８】
なお、材料を２回焼く必要があるのは、サファイア単結晶の原料となるα−アルミナの嵩密度を高くして、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高くするためである。
【０００９】
また、特許文献１に開示される技術は、擬ベーマイトを高圧で成形後摂氏１５００度で２時間焼くことにより、比較的純度の高いα−アルミナ焼成体が得られるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−５５１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述したアルコキシド法において材料を焼く工程が２回入るということは、生産費用が高くなることを意味する。また、硬く磨耗性の強いα−アルミナ粉末を用いて成形などの加工処理をするため、その工程で装置などの磨耗により、α−アルミナに不揮発性不純物が混ざり込んでしまうという問題がある。
【００１２】
また、上述した特許文献１において開示される技術により得られるα−アルミナは、やはり擬ベーマイトを高圧で成形する過程で、周りの容器の表面を削り取ってしまい不揮発性不純物の含有量が多いという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、費用が安く純度の高い高密度のα−アルミナ焼成体を得られる手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の目的に鑑みて想到されたものであり、
ベーマイトに加水するステップと、
前記加水するステップにおいて加水されたベーマイトを混練するステップと、
前記混練するステップの後、もしくは前記混練するステップにおいて、前記加水され混練されたベーマイトに所定以上の圧力で加圧するステップと、
前記加水され混練され加圧されたベーマイトを摂氏１３００度以上の温度において１回だけ焼くステップと
を備えるα−アルミナ焼成体を生産する方法を提供する（第１の実施態様）。
【００１５】
また、上記の第１の実施態様において、
前記加圧するステップは、前記加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを含む
構成を採用してもよい（第２の実施態様）。
【００１６】
また、上記の第２の実施態様において、
前記混練するステップの開始から前記押出成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで、前記ベーマイトを所定気圧以下の環境下において脱気するステップを備える
構成を採用してもよい（第３の実施態様）。
【００１７】
また、本発明は、
チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかに従ったサファイア単結晶を生産する方法であって、
容器中で上記の第１乃至３のいずれかの実施態様にかかる方法により生産されたα−アルミナ焼成体を溶融するステップを備える
サファイア単結晶を生産する方法を提供する（第４の実施態様）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、加水し混練されたベーマイトに加圧することにより、１回の焼成のみでサファイア単結晶の原料として要求される高い嵩密度を備えたα−アルミナ焼成体を生産することができる。そのため、２回焼く工程を要する従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体と比較し、生産コストが安い。また、本発明の第１の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、比較的柔らかいベーマイトの加水混練物を成形するため、比較的硬いα−アルミナの加水混練物の成形工程を要する従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体と比較し、その成形の過程での汚染（コンタミネーション）が少なく、純度の高いα−アルミナを得ることができる。
【００１９】
また、本発明の第２の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを備えるので、生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度を効率的に高めることができる。
【００２０】
また、本発明の第３の実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法によれば、脱気するステップを備えるので、脱気を行わない場合と比較して、より高い嵩密度のα−アルミナ焼成体を得ることができる。その結果として、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高めることができる。
【００２１】
また、本発明の第４の実施態様にかかるサファイア単結晶を生産する方法によれば、上記の第１乃至３のいずれかの実施態様にかかるα−アルミナ焼成体を原料としてサファイア単結晶を生産するので、従来技術により生産されるα−アルミナ焼成体を原料として生産されるサファイア単結晶と比較し、純度の高いサファイア単結晶を低コストで生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一具体例である本実施例にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法のフローを示す図である。
【図２】図２は、本発明の一具体例である実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施例）
以下、本発明の一具体例である実施例を、図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体を生産する方法のフロー１を示す図である。なお、α−アルミナ焼成体の嵩密度を高くすることは、そのα−アルミナを原料とするサファイア単結晶の生産の歩留まりを高くすることにつながり、非常に重要である。フロー１は、ステップ１０１乃至１０５によって構成されるが、ステップ１０４の押出成形するステップが嵩密度を高める上で最も重要なステップであり、このステップによりサファイア単結晶の生産の原料として要求される嵩密度が得られる。さらに、ステップ１０３の脱気するステップにより、さらに嵩密度が向上される。
【００２５】
以下、フロー１のステップの各々について説明する。なお、以下の説明において、「Ｓ」はステップを略したものである。
【００２６】
Ｓ１０１は、ベーマイトに加水するステップである。ベーマイトに水を加えて粘土状に柔らかくするために行なわれる。なぜならば、粘土状に柔らかくすればその後の押し出し成形加工が容易になるからである。
【００２７】
Ｓ１０２は、加水されたベーマイトを混練し粘土状のベーマイトとするステップである。混練することにより、押出し成形が容易になり、密度のばらつきなどを抑制することができる。
【００２８】
Ｓ１０３は、（混練された）ベーマイトを脱気するステップである。脱気することにより本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高くすることができる。既述のとおり、当該嵩密度が低いとサファイア単結晶の原料となるインゴットとしては不都合なので、当該嵩密度を高めることが非常に重要である。なお、Ｓ１０３は、上述のＳ１０２もしくは後述のＳ１０４の中に含まれていることが一般的である。
【００２９】
Ｓ１０４は、脱気したベーマイトを押出成形するステップである。より具体的には、脱気したベーマイトをダイスと呼ばれる容器に入れてできるだけ高圧（例えば、６００バール）で一定断面形状のわずかな隙間からところてんのように押し出して成形する。既述のように、このステップが、本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高める上で最も重要である。上述のステップ１０３とステップ１０４の工程は、例えば、特許文献（特開平７−３２３３５号公報）に示される押出成形装置によって行なわれることが可能である。
【００３０】
ここで、本来明記されるべき加圧するステップは、Ｓ１０３およびＳ１０４の中に含まれてしまっている。
【００３１】
Ｓ１０５は、押出成形されたベーマイトを（１回だけ）摂氏１５００度で約１時間以上かつ約２時間以下焼くステップである。これにより本実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体が生産される。なお、この温度と時間は、製造コストおよび精度において優れたα−アルミナ焼成体が生産されるか否かを考慮して、決定されたものである。
【００３２】
この場合、得られるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、約２．５ｇ／ｃｃ以上かつ約３．５ｇ／ｃｃ以下である。
【００３３】
また、ベーマイトを焼いて脱水する場合の化学式は、
２ＡｌＯ（ＯＨ） → Ａｌ２Ｏ３ ＋ Ｈ２Ｏ
である。
【００３４】
以上の構成を有するフロー１によって生産されたα−アルミナ焼成体は、嵩密度が高く、非常に純度の高いものであり（９９．９９パーセント以上）、サファイア単結晶の原料となるインゴットとして用いられる。
【００３５】
なお、α−アルミナ焼成体は、１ｃｃ程度の大きさに折り分けてペレット状にすると、サファイア単結晶の生産工程において原料として投入する際に便利である。
【００３６】
図２は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの実物であり、右側の写真は、本実施例にかかるα−アルミナ焼成体のペレットの微細構造を顕微鏡で見たものである。
【００３７】
（第２実施例）
以下、本発明の別の一具体例である実施例について説明を行なう。
より具体的には、第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体を用いたサファイア単結晶（すなわち、本実施例の最終製品）の製造方法（育成方法）の例について説明する。
【００３８】
サファイア単結晶の生産方法としては、キロプロス（Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ、Ｋｙ）法、チョコラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ、Ｃｚ）法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ、Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法が広く実用化されている方法として知られている。なお、キロプロス法は、回転を伴わないチョコラルスキー法とされることもあり、チョコラルスキー法との混乱も生じている。
【００３９】
キロプロス法は、種子結晶をα−アルミナの融液に浸し、融液を徐冷し、坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げることによりサファイア単結晶を生産する方法である。以下、キロプロス法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００４０】
Ｓ２０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００４１】
Ｓ２０２において、α−アルミナ焼成体の種子結晶を上述の融液に浸す。
【００４２】
Ｓ２０３において、上述の融液を徐々に冷却していく。
【００４３】
Ｓ２０４において、上述の融液が坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。
【００４４】
チョコラルスキー法は、坩堝の中のα−アルミナの融液に種子結晶を漬けて結晶（もしくは坩堝）を回転させながら引き上げることによりサファイア単結晶を生産する方法である。工業的にも一般的な方法である。
【００４５】
以下、チョコラルスキー法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００４６】
Ｓ３０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００４７】
Ｓ３０２において、α−アルミナ焼成体の種子結晶を上述の融液に浸す。
【００４８】
Ｓ３０３において、上述の融液を徐々に冷却していく。
【００４９】
Ｓ３０４において、上述の融液が坩堝全体まで固化する前に結晶を引き上げる。この際、結晶（もしくは坩堝）を回転させながら引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。
【００５０】
ＥＦＧ法は、毛細管現象を利用して結晶の形状を制御する方法で、所定の形状の空隙をもつ型（ダイ）をα−アルミナの融液に浮かべ、融液の毛細管現象を利用して結晶を引き上げることにより、サファイア単結晶を生産する方法である。ＥＦＧ法によれば、型の形状によって棒状、板状、管状などに形状制御した結晶を得ることができる。
【００５１】
以下、ＥＦＧ法に従った本実施例にかかるサファイア単結晶の生産のフローについて簡単に説明する。
【００５２】
Ｓ４０１において、上述の第１実施例において生産されたα−アルミナ焼成体を細かく裁断もしくは破砕する。
【００５３】
Ｓ４０２において、細かく裁断もしくは破砕したα−アルミナ焼成体を坩堝の中に入れて加熱し溶融させる。
【００５４】
Ｓ４０３において、所定の形状の空隙をもつ型（ダイ）を融液に浮かべる。
【００５５】
Ｓ４０４において、融液の毛細管現象を利用して結晶を引き上げる。これにより、サファイア単結晶を得る。なお、型の形状が管状になっていれば、管状に形状が制御されたサファイア単結晶が得られる。
【００５６】
第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体のインゴットは、主としてキロプロス法およびチョコラルスキー法の原料となる。また、上述のように、第１実施例にかかるα−アルミナ焼成体のインゴットを細かく成形すれば、ＥＦＧ法に用いることも可能である。
【００５７】
以上のような方法により生産されたサファイア単結晶は、光学的に透明で化学的安定性、機械的強度が高く絶縁性、熱伝導性に優れているため、電子回路に利用される場合、ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）として有効であり、ＬＥＤチップとして高いチップ耐久性を与える。
【００５８】
以上のようなサファイア単結晶の特性を活かせば、当該サファイア単結晶はＳＯＳ基板、半導体ディバイス、切削工具、腕時計のガラスなどの材料として適している。
【００５９】
（変形例）
上述した実施例は、本発明の技術的思想の範囲内において様々に変形が可能である。以下にそれらの変形の例を示す。
【００６０】
例えば、Ｓ１０４の押出成形するステップは、特に問題がなければ設けられなくてもよい。ただし、第１実施例の最終製品であるα−アルミナ焼成体の嵩密度を高めることが重要であるから、Ｓ１０４を割愛するならばＳ１０２の混練するステップの後もしくは混練するステップと同時にベーマイトに高い圧力で加圧することが必要である。
【００６１】
また、Ｓ１０４の押出成形するステップは、射出成形するステップによって代替されてもよい。
【００６２】
また、Ｓ１０３の脱気するステップは、Ｓ１０２の混練するステップの開始からＳ１０４の押出し成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで行なわれればよい。より具体的には、脱気は混練するステップの際もしくは押出成形ステップにおいて有効に行なわれることができる。
【００６３】
また、Ｓ１０３の脱気するステップおよびＳ１０４の押出成形するステップは、上述した特許文献（特開平７−３２３３５号公報）により示される方法で行なわれるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６４】
したがって、Ｓ１０３の脱気するステップは、Ｓ１０１で加水されＳ１０２で混練されたベーマイトを、ポンプなどの機器を用いて実現される所定気圧以下の環境下において脱気することにより行なわれればよい。
【００６５】
また、Ｓ１０４の押出成形するステップにおいては、例えば６００バールの圧力でベーマイトを押し出すものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではなく、特に問題がなければ他のいかなる圧力によってベーマイトを押し出してもよい。
【００６６】
また、Ｓ１０５の焼くステップは、ベーマイトを摂氏１５００度で約１時間以上かつ約２時間以下焼くものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６７】
したがって、ベーマイトを焼く温度は摂氏１４００度以上かつ摂氏１６００度以下であれば好適であり、特に問題がなければそれ以外かつ摂氏１３００度以上の温度であってもよい。ベーマイトを焼く温度および時間などは、上述のＳ１０１乃至１０５とそれらのステップが実行される環境条件との組み合わせによって、最適化され変化するのである。すなわち、ベーマイトを焼く時間も適宜決定され、例えば２時間以上であってもよい。
【００６８】
また、サファイア単結晶を生産する方法は、チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかであるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００６９】
すなわち、本発明にかかるサファイア単結晶は、上述のα−アルミナ焼成体を原料とする限り、他のいかなる方法によって生産されてもよい。
【００７０】
また、第１実施例において生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、約２．５ｇ／ｃｃ以上かつ約３．５ｇ／ｃｃ以下であるものとしたが、本発明はこれによって限定されるものではない。したがって、第１実施例において生産されるα−アルミナ焼成体の嵩密度は、上述した値以外の値であってもよい。
【００７１】
（実験結果）
以下、本発明の一具体例である実施例およびその変形例に従って行なわれた実験について、説明を行なう。後述する実験１は、押出成形機を真空に引かない場合の実験例であり、後述する実験２は、押出成形機を真空に引いた場合の実験例である。両者の結果を比較することにより真空で引いた場合の優位性が認められる。
【００７２】
先ず実験１について説明する。アルミニウム・アルコキシドを加水分解し製造したベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を２リットルの撹拌式混練機に投入し、撹拌して９２０ｇの純水を加えた。この状態で、１５分間混練りして粘土状のベーマイトを得た。
【００７３】
この粘土状のベーマイトを、宮崎鉄工製押出成形機ＦＭ−３０に投入し、２．５Ｍｐａ（メガパスカル）の加圧圧力で押出成形して、５ミリメートル径の棒状体を得た。
【００７４】
上述の棒状体である成形品を摂氏１１０度で乾燥し、電気炉の中において摂氏１５００度で２時間焼成して、焼結体を得た。その結果については、後述する。
【００７５】
次に実験２について説明する。実験１の場合と同様に、アルミニウム・アルコキシドを加水分解し製造したベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）を２リットルの撹拌式混練機に投入し、撹拌して９２０ｇの純水を加えた。この状態で、１５分間混練りして粘土状のベーマイトを得た。
【００７６】
この粘土状のベーマイトを、宮崎鉄工製押出成形機ＦＭ−３０に投入し、真空度を−０．１Ｍｐａ（メガパスカル）として押出成形機内を真空に引いて、２．５Ｍｐａ（メガパスカル）の加圧圧力で押出成形して、５ミリメートル径の棒状体を得た。
【００７７】
上述の棒状体である成形品を摂氏１１０度で乾燥し、電気炉の中において摂氏１５００度で２時間焼成して、焼結体を得た。その結果は、上述の実験１の結果とともに以下の表１に示される。
【００７８】
【表１】
【００７９】
表１を見ると、押出成形機を真空に引くことによって、α−アルミナ焼成体の嵩密度が、２．２１ｇ／ｃｃから２．８５ｇ／ｃｃまで上昇している。これは、サファイア単結晶の生産の歩留まりを高める上で重要な数値である。
【００８０】
また、表１に見られるように、押出成形機を真空に引くことによっては、α−アルミナ焼成体の純度は、変わらなかった。すなわち、α−アルミナ焼成体の純度は、原料のベーマイトと同じであり、汚染（コンタミネーション）の無いことが分かった。
【００８１】
今後の方針としては、上述の加圧圧力、真空度、加水の量などを最適化することにより、α−アルミナ焼結体の嵩密度をさらに高めることができると考えられる。
【００８２】
なお、表１の密度はアルキメデス法により測定し、不純物はＩＣＰ−ＯＥＳ法により測定した。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のα−アルミナ焼成体の生産方法は、低コストで汚染（コンタミネーション）の少ないα−アルミナを生産することができ、また本発明のサファイア単結晶の生産方法は低コストかつ高い歩留まりでサファイア単結晶を生産することができるので、半導体の電気回路の基板を始めとする多くの分野において有効である。そのため、いわゆる製造業において利用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１…フロー、Ｓ１０１…加水するステップ、Ｓ１０２…混練するステップ、Ｓ１０３…脱気するステップ、Ｓ１０４…押出成形するステップ、Ｓ１０５…焼くステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベーマイトに加水するステップと、
前記加水するステップにおいて加水されたベーマイトを混練するステップと、
前記混練するステップの後、もしくは前記混練するステップにおいて、前記加水され混練されたベーマイトに所定以上の圧力で加圧するステップと、
前記加水され混練され加圧されたベーマイトを摂氏１３００度以上の温度において１回だけ焼くステップと
を備えるα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項２】
前記加圧するステップは、前記加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを含む
請求項１に記載のα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項３】
前記混練するステップの開始から前記押出成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで、前記ベーマイトを所定気圧以下の環境下において脱気するステップを備える
請求項２に記載のα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項４】
チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかに従ったサファイア単結晶を生産する方法であって、
容器中で請求項１乃至３のいずれかに記載の方法により生産されたα−アルミナ焼成体を溶融するステップを備える
サファイア単結晶を生産する方法。
【請求項１】
ベーマイトに加水するステップと、
前記加水するステップにおいて加水されたベーマイトを混練するステップと、
前記混練するステップの後、もしくは前記混練するステップにおいて、前記加水され混練されたベーマイトに所定以上の圧力で加圧するステップと、
前記加水され混練され加圧されたベーマイトを摂氏１３００度以上の温度において１回だけ焼くステップと
を備えるα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項２】
前記加圧するステップは、前記加水され混練されたベーマイトを押出成形するステップを含む
請求項１に記載のα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項３】
前記混練するステップの開始から前記押出成形するステップの終了までの間におけるいずれかのタイミングで、前記ベーマイトを所定気圧以下の環境下において脱気するステップを備える
請求項２に記載のα−アルミナ焼成体を生産する方法。
【請求項４】
チョコラルスキー法、キロプロス法、およびＥＦＧ法のうちのいずれかに従ったサファイア単結晶を生産する方法であって、
容器中で請求項１乃至３のいずれかに記載の方法により生産されたα−アルミナ焼成体を溶融するステップを備える
サファイア単結晶を生産する方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１０３８６８（Ｐ２０１３−１０３８６８Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０４５１（Ｐ２０１１−２５０４５１）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（５０４００３９０５）日の本研磨材株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（５０４００３９０５）日の本研磨材株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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