JP2013203652A - Method for producing nitride single crystal - Google Patents

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Toru Ishiguro
徹 石黒
Quanxi Bao
全喜 包
Chiaki Yokoyama
千昭 横山
Daisuke Tomita
大輔 冨田
Shigehide Chichibu
重英 秩父
Rinzo Kayano
林造 茅野
Mutsuo Ueda
睦男 植田
Makoto Saito
真 斉藤
Yuji Kagamitani
勇二 鏡谷
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Tohoku University NUC
Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a nitride single crystal capable of obtaining a high-purity crystal, while preventing corrosion of a member used for the reaction vessel surface and the reaction vessel interior.SOLUTION: When a crystal is grown in a reaction vessel in a supercritical state and/or in a subcritical state under a nitrogen-containing solvent atmosphere, Ni is used for at least a part of the surface of a member used for the reaction vessel surface and the reaction vessel interior, and a fluorine-based mineralizing agent, which is a mineralizing agent not containing a halogen atom other than fluorine, is used as the mineralizing agent.

Description

本発明は、窒化物単結晶の製造方法に関する。特に、周期表第13族元素の窒化物結晶を製造する際に有用な製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal. In particular, the present invention relates to a production method useful when producing a nitride crystal of Group 13 element of the periodic table.

アモノサーマル法は、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素含有溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニア溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。具体的には、オートクレーブなどの耐圧性容器やカプセルといった反応容器内に原料や種結晶を入れて密閉し、反応容器内外に設置されたヒーター等で加熱することにより反応容器内に高温域と低温域を形成し、その一方において原料を溶解し、他方において結晶を育成することにより、所望の結晶を製造することができる。   The ammonothermal method is a method of producing a desired material using a dissolution-precipitation reaction of raw materials using a nitrogen-containing solvent such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state. When applied to crystal growth, a crystal is precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference using the temperature dependence of the raw material solubility in an ammonia solvent. Specifically, raw materials and seed crystals are placed in a reaction container such as a pressure-resistant container such as an autoclave or a capsule and sealed, and heated with a heater or the like installed inside or outside the reaction container, so that a high temperature region and a low temperature are contained in the reaction container. A desired crystal can be produced by forming a zone, dissolving the raw material on one side, and growing the crystal on the other side.

例えば、アモノサーマル法による窒化ガリウム(GaN)結晶育成は、高温高圧(500℃以上、150MPa以上)の超臨界状態での反応であり、このような環境に耐える装置の設計および材料の選定には自ずと制約がある。また、超臨界状態の純アンモニアなどの窒素含有溶媒中への窒化ガリウムの溶解度は極めて小さいため、溶解度を向上させ結晶成長を促進させるために鉱化剤を添加することが一般に行われている。鉱化剤はハロゲン化アンモニウムNH4X(X=F、Cl、Br、I)に代表される酸性鉱化剤とアルカリアミドXNH2(X=Li、Na、K)に代表される塩基性鉱化剤に分類される。これら鉱化剤を含む超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒の環境は極めて苛酷な腐食環境となっている。このため、このような環境下においても十分な耐食性を有する装置設計や材料選択をすることが必要とされている。 For example, gallium nitride (GaN) crystal growth by the ammonothermal method is a reaction in a supercritical state at high temperature and high pressure (500 ° C. or higher, 150 MPa or higher). Are naturally limited. Moreover, since the solubility of gallium nitride in a nitrogen-containing solvent such as pure ammonia in a supercritical state is extremely small, a mineralizer is generally added to improve the solubility and promote crystal growth. Mineralizers are acidic mineralizers typified by ammonium halide NH 4 X (X = F, Cl, Br, I) and basic minerals typified by alkali amide XNH 2 (X = Li, Na, K). It is classified as an agent. The environment of the nitrogen-containing solvent in the supercritical state and / or subcritical state containing these mineralizers is an extremely severe corrosive environment. For this reason, it is necessary to design an apparatus and select a material having sufficient corrosion resistance even in such an environment.

例えば酸性鉱化剤を使ったアモノサーマル法によるGaN結晶育成では、反応容器にPtを用いることにより結晶の高純度化を図ることが可能である。しかしながら、Ptは高価であることから、工業的にコストを抑えた製造を行おうとすると他の材料による装置設計が必要である。そこで、装置内で用いるカプセルのライニング材としてCu,Ag,Mo,Fe,Taを用いることや、オートクレーブ材としてTi,Fe,Co,Cr,Niを用いることなどが提案されている(特許文献1〜6参照)。   For example, in GaN crystal growth by an ammonothermal method using an acidic mineralizer, it is possible to increase the purity of the crystal by using Pt in the reaction vessel. However, since Pt is expensive, it is necessary to design an apparatus using other materials in order to manufacture at a reduced cost industrially. Therefore, it has been proposed to use Cu, Ag, Mo, Fe, Ta as the lining material of the capsule used in the apparatus, and to use Ti, Fe, Co, Cr, Ni as the autoclave material (Patent Document 1). To 6).

特表2006−513122号公報JP-T-2006-513122 特開2010−222247号公報JP 2010-222247 A 国際公開WO2003/97906号公報International Publication WO2003 / 97906 特開2007−56320号公報JP 2007-56320 A 特開2004−2152号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-2152 特開2010−222152号公報JP 2010-222152 A

このようにオートクレーブやカプセルを構成する材料として種々の材料が提案されているが、特許文献に記載されている通りに材料選択を行ってアモノサーマル法によりGaN結晶育成を試みても、鉱化剤種や成長条件によっては十分にオートクレーブやカプセルの腐食を防止することができないことが判明した。そこで本発明者らは、反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の腐食を防止しながら、高い純度の窒化物単結晶を得ることができる方法を提供することを目的として検討を進めた。   As described above, various materials have been proposed as materials constituting autoclaves and capsules. However, mineralization is possible even if GaN crystal growth is attempted by the ammonothermal method by selecting materials as described in the patent literature. It was found that corrosion of the autoclave and capsules could not be prevented sufficiently depending on the type of agent and growth conditions. Accordingly, the present inventors proceeded with studies for the purpose of providing a method capable of obtaining a high-purity nitride single crystal while preventing corrosion of the reaction vessel surface and the members used inside the reaction vessel. It was.

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、結晶成長に用いられる反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部を、Niを含む金属で形成し、更に、用いる鉱化剤に含まれるハロゲンとしてフッ素のみを含むものに限定することで、反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面にフッ素含有被膜が形成され、これにより反応容器表面等の腐食が防止されることを見出し、結晶の高純度化を達成した。特に、本発明の製造方法ではPtなどの貴金属を用いずとも不純物の低減を図れることからPtを用いた製造方法に比してコスト面で有利である。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have formed at least a part of the surface inside the reaction vessel used for crystal growth and the surface of the member used inside the reaction vessel with a metal containing Ni. Furthermore, by limiting the halogen contained in the mineralizer to be used to those containing only fluorine, a fluorine-containing film is formed on the surface of the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel. It was found that corrosion of the container surface and the like was prevented, and high purity of the crystal was achieved. In particular, the manufacturing method of the present invention is advantageous in terms of cost compared to a manufacturing method using Pt because impurities can be reduced without using a noble metal such as Pt.

すなわち、上記の課題は、以下の本発明の窒化物単結晶の製造方法により解決される。   That is, said subject is solved by the manufacturing method of the nitride single crystal of the following this invention.

[1] 反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含み、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含み、且つ、前記鉱化剤はフッ素系鉱化剤であって、フッ素以外のハロゲン原子を含まないことを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。
[2] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が40質量%を超えるNi基合金である、[1]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[3] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が50質量%を超えるNi基合金である、[1]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[4] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部の炭素含有量が0.2質量%以下である、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[5] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部のFe含有量が2.5質量%以下である、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[6] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Cr、Al、Ti、Nb、V、WおよびMoから選ばれる少なくとも一種を含む、[1]〜[5]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[7] 前記結晶成長工程を複数回実施する、[1]〜[6]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[1] A crystal growth step in which crystal growth is performed using a mineralizer in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in a reaction vessel, which is used on the reaction vessel surface and inside the reaction vessel A method for producing a nitride single crystal characterized in that Ni is contained in at least a part of the surface of a member to be formed, and the mineralizer is a fluorine-based mineralizer and does not contain a halogen atom other than fluorine. .
[2] The nitride single crystal according to [1], wherein at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is a Ni-based alloy having a Ni content exceeding 40% by mass. Manufacturing method.
[3] The nitride single crystal according to [1], wherein at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is a Ni-based alloy having a Ni content exceeding 50% by mass. Manufacturing method.
[4] In any one of [1] to [3], the carbon content of at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is 0.2% by mass or less. The manufacturing method of the nitride single crystal of description.
[5] In any one of [1] to [4], the Fe content of at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is 2.5% by mass or less. The manufacturing method of the nitride single crystal of description.
[6] At least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel contains at least one selected from Cr, Al, Ti, Nb, V, W, and Mo. The method for producing a nitride single crystal according to any one of [5].
[7] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [6], wherein the crystal growth step is performed a plurality of times.

[8] 反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含む窒化物単結晶の製造方法であって、該反応容器表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部がフッ素含有被膜で被覆されていることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
[9] 前記フッ素含有被膜の厚みが5nm〜50μmである、[8]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[10] 前前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が40質量%を超えるNi基合金である、[8]または[9]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[11] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が50質量%を超えるNi基合金である、[8]又は[9]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[12] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部の炭素含有量が0.2質量%以下である、[8]〜[11]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[13] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部のFe含有量が2.5質量%以下である、[8]〜[12]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[14] 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Cr、Al、Ti、Nb、V、WおよびMoから選ばれる少なくとも一種を含む、[8]〜[13]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[15] 前記結晶成長工程を複数回実施する、[8]〜[14]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[16] 前記結晶成長工程中の少なくとも一部で、前記被膜形成工程を同時に実施する、[8]〜[15]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[8] A method for producing a nitride single crystal including a crystal growth step in which crystal growth is performed using a mineralizer in a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent atmosphere in a reaction vessel, the reaction vessel A method for producing a nitride single crystal, wherein the surface and at least a part of the surface of a member used inside the reaction vessel are coated with a fluorine-containing film.
[9] The method for producing a nitride single crystal according to [8], wherein the fluorine-containing coating has a thickness of 5 nm to 50 μm.
[10] At least part of the surface of the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel is a Ni-based alloy having a Ni content exceeding 40% by mass, according to [8] or [9]. A method for producing a nitride single crystal.
[11] The surface of the reaction vessel and at least a part of the surface of a member used inside the reaction vessel are a Ni-based alloy having a Ni content exceeding 50% by mass, according to [8] or [9]. A method for producing a nitride single crystal.
[12] In any one of [8] to [11], the carbon content of at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is 0.2% by mass or less. The manufacturing method of the nitride single crystal of description.
[13] In any one of [8] to [12], the Fe content of at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is 2.5% by mass or less. The manufacturing method of the nitride single crystal of description.
[14] At least part of the surface of the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel contains at least one selected from Cr, Al, Ti, Nb, V, W, and Mo. [13] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [13].
[15] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [8] to [14], wherein the crystal growth step is performed a plurality of times.
[16] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [8] to [15], wherein the film forming step is simultaneously performed in at least a part of the crystal growth step.

本発明の製造方法によれば、反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の腐食を防止し、高い純度の結晶を得ることができる。   According to the production method of the present invention, it is possible to prevent corrosion of the reaction vessel surface and the members used inside the reaction vessel, and to obtain high purity crystals.

本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the crystal manufacturing apparatus which can be used by this invention.

以下において、本発明の窒化物単結晶の製造方法、およびそれに用いる結晶製造装置や部材について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, a method for producing a nitride single crystal of the present invention, and a crystal production apparatus and members used therefor will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

第1の本発明の窒化物単結晶の製造方法(以下、単に「第1の製造方法」と称する)は、反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含み、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含み、且つ、前記鉱化剤はフッ素系鉱化剤であって、フッ素以外のハロゲン原子を含まない。
また、第2の本発明の窒化物単結晶の製造方法(以下、単に「第2の製造方法」と称する)は、反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程と、前記反応容器表面及び該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にフッ素含有被膜を形成する被膜形成工程とを含み、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含む。
さらに、第3の本発明の窒化物単結晶の製造方法(以下、単に「第3の製造方法」と称する)は、反応容器中で超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含む窒化物単結晶の製造方法であって、該反応容器表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部がフッ素含有被膜で被覆されている。
以下、特に限定がない限り「本発明の製造方法」と称した場合には、第1の製造方法、第2の製造方法および第3の製造方法のすべてを含むものを意味する。
The method for producing a nitride single crystal according to the first aspect of the present invention (hereinafter simply referred to as “first production method”) comprises a mineral in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in a reaction vessel. A crystal growth step of performing crystal growth using an agent, Ni is included in at least a part of the reaction vessel surface and the surface of a member used inside the reaction vessel, and the mineralizer is a fluorine-based mineral. It is an agent and does not contain a halogen atom other than fluorine.
In addition, the method for producing a nitride single crystal of the second aspect of the present invention (hereinafter simply referred to as “second production method”) includes a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in a reaction vessel. A crystal growth step in which crystal growth is performed using a mineralizer, and a film formation step of forming a fluorine-containing film on at least a part of the reaction vessel surface and the surface of a member used inside the reaction vessel, Ni is contained in at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel.
Further, the third method for producing a nitride single crystal of the present invention (hereinafter simply referred to as “third production method”) is a mineral containing nitrogen in a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent atmosphere in a reaction vessel. A method for producing a nitride single crystal including a crystal growth step in which crystal growth is performed using an agent, wherein at least a part of the reaction vessel surface and the surface of a member used inside the reaction vessel is a fluorine-containing film. It is covered.
Hereinafter, unless otherwise specified, the “production method of the present invention” means that includes all of the first production method, the second production method, and the third production method.

第1の製造方法は、少なくとも結晶成長工程を含むものであるが、鉱化剤をフッ素以外のハロゲン原子を含まないフッ素系鉱化剤のみを用いることで、Niを含む前記反応容器表面及び該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にフッ素含有被膜を形成することができる。
同様に第2の製造方法では、前記結晶成長工程に加えて、Niを含む前記反応容器表面及び該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にフッ素含有被膜を形成する被膜形成工程を含むものである。上述のように前記フッ素含有被膜は、Niを含む反応容器表面等に形成される被膜である。これら各工程はそれぞれ別々に順次実施してもよいし、同時に実施してもよい。また、窒化物単結晶の製造方法として、全体の工程にかかる時間が短縮できることから結晶成長工程中の少なくとも一部で、被膜形成工程を同時に実施することが好ましい。
第3の製造方法では、反応容器表面及び該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が前記フッ素含有被膜で被覆されている反応容器中で前記結晶成長を行うものである。
また、本発明の製造方法においては、結晶成長工程及び/または被膜形成工程を複数回実施してもよい。結晶成長工程及び/または被膜形成工程を複数回実施しても、反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部に形成されたフッ素含有被は安定して存在するため、反応容器及び/または部材を腐蝕することなく、長期間にわたり使用できるため大きく生産性が向上する。
The first production method includes at least a crystal growth step, but by using only a fluorine-based mineralizer containing no halogen atom other than fluorine as the mineralizer, the reaction vessel surface containing Ni and the reaction vessel A fluorine-containing film can be formed on at least a part of the surface of the member used inside.
Similarly, in the second manufacturing method, in addition to the crystal growth step, a film forming step of forming a fluorine-containing film on at least part of the surface of the reaction vessel containing Ni and the surface of a member used inside the reaction vessel. Is included. As described above, the fluorine-containing coating is a coating formed on the reaction vessel surface containing Ni or the like. Each of these steps may be performed separately and sequentially. Further, as a method for producing a nitride single crystal, it is preferable to simultaneously perform the film forming step in at least a part of the crystal growth step because the time required for the entire step can be shortened.
In the third production method, the crystal growth is performed in a reaction vessel in which at least a part of the reaction vessel surface and the surface of a member used inside the reaction vessel is coated with the fluorine-containing coating.
Moreover, in the manufacturing method of this invention, you may implement a crystal growth process and / or a film formation process in multiple times. Even if the crystal growth step and / or the film formation step are performed a plurality of times, the fluorine-containing coating formed on at least a part of the surface inside the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel exists stably. Therefore, since the reaction vessel and / or member can be used for a long time without being corroded, the productivity is greatly improved.

本発明の製造方法は超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法であって、一般にアモノサーマル法と称される(以下、本明細書中でもアモノサーマル法と称する場合がある)。具体的には、結晶成長へ適用するときは、アンモニア等の窒素含有溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる方法である。   The production method of the present invention is a method for producing a desired material using a dissolution-precipitation reaction of raw materials using a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state, and is generally an ammonothermal method. (Hereinafter, also referred to as ammonothermal method in this specification). Specifically, when applied to crystal growth, it is a method in which crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a nitrogen-containing solvent such as ammonia.

本発明の製造方法で得られる窒化物単結晶としては、特に限定されないが、Al、Ga、In等の周期表第13族元素の単独金属の窒化物単結晶が好ましい。周期表第13族金属窒化物単結晶としてはGaN、AlN、InNなどが挙げられ、GaInN、GaAlNなどの合金族の窒化物単結晶も含まれる。本発明は、このうち、特にGaを含む金属窒化物単結晶を得る場合に好適である。   The nitride single crystal obtained by the production method of the present invention is not particularly limited, but a single metal nitride single crystal of a group 13 element of the periodic table such as Al, Ga, In or the like is preferable. Examples of the periodic table group 13 metal nitride single crystal include GaN, AlN, InN, and the like, and alloy group nitride single crystals such as GaInN and GaAlN are also included. Of these, the present invention is particularly suitable for obtaining a metal nitride single crystal containing Ga.

(結晶製造装置)
本発明の各工程は、少なくとも耐圧性容器内に、超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において結晶成長を行うための反応容器が設置されてなる結晶製造装置を用いて行われる。該反応容器内部の表面及び該反応容器内部で使用される部材表面の少なくとも一部はフッ素含有被膜で被覆されてなる。フッ素含有被膜の詳細については、被膜形成工程の説明の項で詳述する。
(Crystal production equipment)
Each step of the present invention is performed using a crystal production apparatus in which a reaction vessel for crystal growth is installed in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state at least in a pressure resistant vessel. Is called. At least a part of the surface inside the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel is coated with a fluorine-containing coating. The details of the fluorine-containing coating will be described in detail in the section of the coating forming process.

(反応容器)
「反応容器」とは、超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒がその内壁面に直接接触しうる状態で窒化物結晶の製造を行うための容器を意味し、耐圧性容器内部の構造そのものや、耐圧性容器内に設置されるカプセルなどを好ましい例として挙げることができる。
(Reaction vessel)
“Reaction vessel” means a vessel for producing a nitride crystal in a state in which a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state can be in direct contact with its inner wall surface. Preferred examples include the structure itself and capsules installed in a pressure-resistant container.

本発明に用いる耐圧性容器は、アモノサーマル法により窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択する。本発明の製造方法においては、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含む。即ち、反応容器等は、Niを含む金属で構成されていることが好ましく、アンモニア等の窒素含有溶媒に対する耐腐食性に優れたNi系の合金で構成されているものが好ましい。より好ましくはNi基合金である。前記Niを含む金属としては、炭素含有量が0.2質量%以下の純Ni(Ni200,Ni201など);Ni含有量が40質量%以上で不純元素としてのFe,Co含有量が5質量%以下のNi基合金(例えば、Inconel 625など(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ);Ni含有量が40質量%以上のNi−Cu合金(モネル400など)が挙げられる。前記Ni基合金は、超臨界NH3環境下で窒物を形成するCr,Al,Ti,Nb、Vを含有しても良く、更に、固溶強化元素としてW,Moを含有してもよい。 The pressure-resistant container used in the present invention is selected from those that can withstand high-temperature and high-pressure conditions when a nitride crystal is grown by an ammonothermal method. In the production method of the present invention, Ni is contained in at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel. That is, the reaction vessel or the like is preferably made of a metal containing Ni, and is preferably made of a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance against a nitrogen-containing solvent such as ammonia. More preferred is a Ni-based alloy. As the metal containing Ni, pure Ni (Ni200, Ni201, etc.) having a carbon content of 0.2% by mass or less; Fe and Co as impure elements having a Ni content of 40% by mass or more and 5% by mass The following Ni-based alloys (for example, Inconel 625, etc. (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same shall apply hereinafter); Ni-Cu alloys having a Ni content of 40% by mass or more (Monel 400, etc.) may be mentioned. The base alloy may contain Cr, Al, Ti, Nb, and V that form nitrides in a supercritical NH 3 environment, and may further contain W and Mo as solid solution strengthening elements.

前記純Niには、炭素含有量が0.2質量%以下の規格のもの「Ni200」と、極低炭素の規格「Ni201」などが挙げられる。本発明で用いられるNiとしては、極低炭素のグレードが好ましい。炭素含有量が低いNiの場合、時効脆化が起こりにくく、500〜600℃程度の温度であっても炭素がグラファイトとして粒界に析出することなく、材料として脆くなりにくい傾向があるため好ましい。   The pure Ni includes “Ni200” having a carbon content of 0.2% by mass or less, “Ni201” having an extremely low carbon content, and the like. The Ni used in the present invention is preferably a very low carbon grade. Ni having a low carbon content is preferable because it is difficult for age-induced embrittlement to occur, and even when the temperature is about 500 to 600 ° C., carbon does not precipitate as a graphite at grain boundaries and tends to be brittle as a material.

前記Ni基合金としては、例えば、Fe含有量を好ましくは7質量%以下、更に好ましくは5質量%以下に制限したNi−Cr、Ni−Cr−Mo、Ni−Cr−W合金等が挙げられる。また、前記Ni基合金は、フッ素環境下におけるFeやCoの選択溶出を抑制する観点から、Fe含有量5.0質量%以下,Co含有量2.0質量%以下のNi基合金であることが好ましい。   Examples of the Ni-based alloy include Ni—Cr, Ni—Cr—Mo, and Ni—Cr—W alloys in which the Fe content is preferably limited to 7% by mass or less, and more preferably 5% by mass or less. . In addition, the Ni-based alloy is a Ni-based alloy having an Fe content of 5.0% by mass or less and a Co content of 2.0% by mass or less from the viewpoint of suppressing selective elution of Fe and Co in a fluorine environment. Is preferred.

以上の観点からすると、前記Niを含む金属としては、Ni含有量40質量%を超えるNi基合金であることが好ましく、Ni含有量45質量%を超えるNi基合金であることが更に好ましく、Ni含有量50質量%を超えるNi基合金であることが特に好ましい。   From the above viewpoint, the Ni-containing metal is preferably a Ni-based alloy with a Ni content exceeding 40% by mass, more preferably a Ni-based alloy with a Ni content exceeding 45% by mass, A Ni-based alloy having a content exceeding 50% by mass is particularly preferable.

前記Niを含む金属、即ち、当該金属を含む前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部の炭素含有量は、脆化の観点から0.2質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下が更に好ましく、0.05質量%以下が特に好ましい。   The carbon content of at least part of the metal containing Ni, that is, the surface of the reaction vessel containing the metal and the surface of the member used inside the reaction vessel is 0.2% by mass or less from the viewpoint of embrittlement. Preferably, it is preferably 0.1% by mass or less, particularly preferably 0.05% by mass or less.

前記Niを含む金属、即ち、当該金属を含む前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部のFe含有量は、フッ素との反応性の観点から8.0質量%以下であることが好ましく、5.0質量%以下が更に好ましく、2.0質量%以下が特に好ましい。   The Fe content of the metal containing Ni, that is, the surface of the reaction vessel containing the metal and the surface of the member used inside the reaction vessel is 8.0 mass from the viewpoint of reactivity with fluorine. % Or less, more preferably 5.0% by mass or less, and particularly preferably 2.0% by mass or less.

前記Niを含む金属、即ち、当該金属を含む前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部のCo含有量は、フッ素との反応性の観点から8質量%以下であることが好ましく、5質量%以下が更に好ましく、3質量%以下が特に好ましい。   Co content of at least part of the metal containing Ni, that is, the surface of the reaction vessel containing the metal and the surface of the member used inside the reaction vessel is 8% by mass or less from the viewpoint of reactivity with fluorine. It is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less.

例えば、前記反応容器の表面等に用いられるNiを含む金属は、SIMS分析でFe濃度1×1019atoms/ccであることが好ましく、Niの純度は17乗台であることが好ましい。 For example, the metal containing Ni used for the surface of the reaction vessel or the like preferably has a Fe concentration of 1 × 10 19 atoms / cc by SIMS analysis, and the purity of Ni is preferably on the 17th power.

前記Niを含む金属、即ち、当該金属を含む前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部は、Cr、Al、Ti、Nb、V、WおよびMoから選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。即ち、前記Ni基合金を用いた場合には、超臨界NH3環境下で窒物を形成するCr,Al,Ti,Nb、Vを含有しても良く、更に、固溶強化元素としてW,Moを含有してもよい。 At least a part of the metal containing Ni, that is, the surface of the reaction vessel containing the metal and the surface of the member used inside the reaction vessel is selected from Cr, Al, Ti, Nb, V, W, and Mo. It is preferable to include at least one kind. That is, when the Ni-based alloy is used, it may contain Cr, Al, Ti, Nb, and V that form nitrides in a supercritical NH 3 environment, and further, W, You may contain Mo.

これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、および系内に含まれる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pH等の条件に従い、適宜選択すればよい。これら耐圧性容器に用いられる合金の耐腐食性は高いとはいえ、結晶品質に影響を全く及ぼさないほどに高い耐腐食性を有しているわけではない。これら合金は超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒雰囲気、特に鉱化剤を含有するより厳しい腐食環境下においてはNi、Cr、Feなどの成分が溶液中に溶け出し結晶中に取り込まれることとなる。したがって本発明では、これら耐圧性容器の内面腐食を抑制するために、用いる鉱化剤をハロゲンとしてフッ素のみを含む鉱化剤に限定することで、反応容器内面をフッ素含有被膜によって被覆する。   The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with mineralizers contained in the system and their reactants and / or the oxidizing power / reducing power, pH, etc. It may be selected as appropriate. Although the alloys used for these pressure resistant containers have high corrosion resistance, they do not have such high corrosion resistance that they have no influence on the crystal quality. In these alloys, Ni, Cr, Fe and other components are dissolved in the solution and incorporated into the crystals in a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent atmosphere, particularly in a more severe corrosive environment containing a mineralizer. Will be. Therefore, in the present invention, in order to suppress internal corrosion of these pressure-resistant containers, the inner surface of the reaction container is covered with a fluorine-containing coating by limiting the mineralizer used to a mineralizer containing only fluorine as a halogen.

反応容器を構成する様態としては、特に限定されないが、耐圧性容器の内面を直接ライニングまたはコーティングする方法では、反応容器内部の窒素含有溶媒に接触し得るすべての表面をライニングまたはコーティングすることが困難であるため、耐腐食性に優れる材料からなるカプセルを耐圧性容器内に配置する方法がより好ましい様態として挙げられる。但し、純Niは柔らかく加工性に富むので容器内面に0.5mm厚さ程度のライニングを行って反応容器を形成することも簡単に行う事が出来る。また、数年に一回程度内張りを交換する事も可能である。   The form of the reaction vessel is not particularly limited, but in the method of directly lining or coating the inner surface of the pressure resistant vessel, it is difficult to line or coat all surfaces that can come into contact with the nitrogen-containing solvent inside the reaction vessel. Therefore, a method in which capsules made of a material having excellent corrosion resistance are arranged in a pressure resistant container is mentioned as a more preferable embodiment. However, since pure Ni is soft and rich in workability, a reaction vessel can be easily formed by lining the inner surface of the vessel to a thickness of about 0.5 mm. It is also possible to change the lining once every few years.

反応容器の形状は、円筒形などをはじめとして任意の形状とすることができる。また、反応容器は立設しても横置きにしても斜めに設置して使用してもよい。   The shape of the reaction vessel can be any shape including a cylindrical shape. Further, the reaction vessel may be used standing upright, horizontally or diagonally.

(部材)
本発明の製造方法は、反応容器内部に部材を設置した状態で行うのが一般的である。ここでいう「部材」とは、アモノサーマル法により窒化物結晶を製造する際に容器中に設置するものであって、反応容器から分離することができるものを意味する。例えば、種結晶を保持するための育成枠、溶液の対流を制御するバッフル板、原料カゴ、種結晶を吊るすワイヤーなどを挙げることができる。本発明では、これら部材の表面も、上述のような耐腐食性に優れる材料によって覆うことが好ましい。
(Element)
The production method of the present invention is generally performed in a state where members are installed inside the reaction vessel. The “member” as used herein means a member that is installed in a container when producing a nitride crystal by the ammonothermal method and can be separated from the reaction container. For example, a growth frame for holding the seed crystal, a baffle plate for controlling the convection of the solution, a raw material basket, a wire for hanging the seed crystal, and the like can be used. In the present invention, the surfaces of these members are also preferably covered with the material having excellent corrosion resistance as described above.

本発明の製造方法に用いることのできる反応容器を含む結晶製造装置の具体例を図1に示す。図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。図1に示される結晶製造装置は、オートクレーブ内で結晶成長を行う装置であるが、オートクレーブ中に内筒として装填されるカプセル(反応容器)中で結晶成長を行う装置を採用してもよい。図1のオートクレーブ中は、原料を溶解するための原料溶解領域1と結晶を成長させるための結晶成長領域2から構成されている。原料溶解領域1には原料4とともに溶媒や鉱化剤を入れることができ、結晶成長領域2には種結晶6をワイヤーで吊すなどして設置することができる。原料溶解領域1と結晶成長領域2との間には、2つの領域を区画バッフル板5が設置されている。バッフル板5の開孔率は2〜60%であるものが好ましく、3〜40%であるものがより好ましい。バッフル板5の表面の材質は、反応容器であるカプセル20の材料と同一であることが好ましい。また、より耐腐食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板5の表面は、Ni、Ta、W、Mo、Ti、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることが好ましく、Ni、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることがより好ましく、Niを含む金属であることが特に好ましい。
オートクレーブ中に内筒として装填されるカプセル(反応容器)中で結晶成長を行う場合は、オートクレーブの内壁とカプセルの外壁の間の空隙には、第2溶媒を充填することができるようになっていて、バルブを介して窒素ボンベから窒素ガスを充填したり、アンモニアボンベからマスフローメーターで流量を確認したりしながら第2溶媒としてアンモニアを充填することができる。また、真空ポンプにより必要な減圧を行うこともできる。なお、窒化物単結晶の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、マスフローメーター、導管は必ずしも設置されていなくてもよい。
A specific example of a crystal production apparatus including a reaction vessel that can be used in the production method of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. The crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1 is an apparatus that performs crystal growth in an autoclave, but an apparatus that performs crystal growth in a capsule (reaction vessel) loaded as an inner cylinder in the autoclave may be adopted. The autoclave shown in FIG. 1 includes a raw material melting region 1 for melting raw materials and a crystal growth region 2 for growing crystals. A solvent and a mineralizer can be placed in the raw material dissolution region 1 together with the raw material 4, and a seed crystal 6 can be installed in the crystal growth region 2 by suspending it with a wire. Between the raw material melting region 1 and the crystal growth region 2, a partition baffle plate 5 is installed in two regions. The baffle plate 5 has a hole area ratio of preferably 2 to 60%, more preferably 3 to 40%. The material of the surface of the baffle plate 5 is preferably the same as the material of the capsule 20 that is a reaction vessel. Further, in order to give more corrosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate 5 is made of Ni, Ta, W, Mo, Ti, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN. It is preferable that Ni, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN are more preferable, and a metal containing Ni is particularly preferable.
When crystal growth is performed in a capsule (reaction vessel) loaded as an inner cylinder in the autoclave, the gap between the inner wall of the autoclave and the outer wall of the capsule can be filled with the second solvent. Then, it is possible to fill with ammonia as the second solvent while filling nitrogen gas from a nitrogen cylinder through a valve or checking the flow rate from an ammonia cylinder with a mass flow meter. Moreover, the required pressure reduction can be performed by a vacuum pump. It should be noted that a valve, a mass flow meter, and a conduit do not necessarily have to be installed in the crystal manufacturing apparatus used when the nitride single crystal manufacturing method is carried out.

以下、本発明の製造方法の各工程について詳細に説明する。
結晶成長工程は、反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒雰囲気において結晶成長を行う工程である。
Hereafter, each process of the manufacturing method of this invention is demonstrated in detail.
The crystal growth step is a step of performing crystal growth in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in a reaction vessel.

(結晶成長工程)
「アモノサーマル法」は、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニア等の窒素含有溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。アモノサーマル法を結晶成長へ適用するときは、アンモニア等の窒素含有溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。
アモノサーマル法による結晶成長は、高温高圧の超臨界窒素含有溶媒環境下での反応であり、さらに、超臨界状態の純アンモニア等の窒素含有溶媒中への窒化ガリウム等の溶解度は極めて小さいため、溶解度を向上させ結晶成長を促進させるために鉱化剤を用いることができる。前記結晶成長は、例えば、原料、種結晶、および、窒素を含有する溶媒を反応容器内に設置し、前記反応容器内を窒化物単結晶の成長温度まで昇温して行われる。
(Crystal growth process)
The “ammonothermal method” is a method for producing a desired material using a dissolution-precipitation reaction of raw materials using a nitrogen-containing solvent such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state. When the ammonothermal method is applied to crystal growth, a crystal is precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the solubility of the raw material in a nitrogen-containing solvent such as ammonia.
Crystal growth by the ammonothermal method is a reaction in a high-temperature and high-pressure supercritical nitrogen-containing solvent environment, and the solubility of gallium nitride and the like in a nitrogen-containing solvent such as pure ammonia in a supercritical state is extremely small. Mineralizers can be used to improve solubility and promote crystal growth. The crystal growth is performed, for example, by placing a raw material, a seed crystal, and a solvent containing nitrogen in a reaction vessel, and raising the temperature in the reaction vessel to the growth temperature of the nitride single crystal.

(種結晶)
種結晶としては、成長結晶として成長させる窒化物の単結晶を用いることができる。前記種結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物単結晶が挙げられる。
前記種結晶は、溶媒への溶解度および鉱化剤との反応性を考慮して決定することができる。例えば、GaNの種結晶としては、サファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属GaからNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、液相エピタキシ法(LPE法)を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。前記エピタキシャル成長の具体的な方法については特に制限されず、例えば、ハイドライド気相成長法(HVPE)法、有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)、液相法、アモノサーマル法などを採用することができる。
(Seed crystal)
As the seed crystal, a single crystal of nitride grown as a growth crystal can be used. Specific examples of the seed crystal include nitride single crystals such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN).
The seed crystal can be determined in consideration of solubility in a solvent and reactivity with a mineralizer. For example, as a seed crystal of GaN, a single crystal obtained by epitaxial growth on a heterogeneous substrate such as sapphire and then exfoliated, a single crystal obtained by crystal growth of Na, Li, and Bi from metal Ga as a flux, a liquid phase A single crystal obtained by homo / heteroepitaxial growth obtained by using an epitaxy method (LPE method), a single crystal produced based on a solution growth method, a crystal obtained by cutting them, and the like can be used. The specific method of the epitaxial growth is not particularly limited, and for example, a hydride vapor phase growth method (HVPE) method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), a liquid phase method, an ammonothermal method, or the like is adopted. be able to.

(鉱化剤)
前記鉱化剤はフッ素系鉱化剤であって、フッ素以外のハロゲン原子を含まない。即ち、ハロゲン元素としてフッ素原子のみを含む鉱化剤のみが用いられる。このようなハロゲン元素としてフッ素原子のみを含む鉱化剤の例としては、フッ化アンモニウム、フッ化水素、およびヒドロカルビルアンモニウムフルオリドや、フッ化テトラメチルアンモニウム、フッ化テトラエチルアンモニウム、フッ化ベンジルトリメチルアンモニウム、フッ化ジプロピルアンモニウム、およびフッ化イソプロピルアンモニウムなどのアルキルアンモニウム塩、フッ化アルキルナトリウムのようなフッ化アルキル金属、フッ化アルカリ土類金属、フッ化金属等が例示される。このうち、好ましくはフッ化アルカリ、アルカリ土類金属のフッ化物、金属のフッ化物、フッ化アンモニウム、フッ化水素であり、さらに好ましくはフッ化アルカリ、フッ化アンモニウム、周期表13族金属のフッ化物であり、特に好ましくはフッ化アンモニウム(NH4F)、フッ化ガリウムである。
(Mineralizer)
The mineralizer is a fluorine-based mineralizer and does not contain halogen atoms other than fluorine. That is, only a mineralizer containing only a fluorine atom as a halogen element is used. Examples of mineralizers that contain only fluorine atoms as halogen elements include ammonium fluoride, hydrogen fluoride, and hydrocarbyl ammonium fluoride, tetramethylammonium fluoride, tetraethylammonium fluoride, and benzyltrimethylammonium fluoride. And alkyl ammonium salts such as dipropylammonium fluoride and isopropylammonium fluoride, alkyl fluoride metals such as sodium alkyl fluoride, alkaline earth metal fluorides, metal fluorides and the like. Of these, alkali fluoride, alkaline earth metal fluoride, metal fluoride, ammonium fluoride, and hydrogen fluoride are preferred, and alkali fluoride, ammonium fluoride, and group 13 metal fluoride of the periodic table are more preferred. Particularly preferred are ammonium fluoride (NH 4 F) and gallium fluoride.

アモノサーマル法に用いられる鉱化剤の使用量は、鉱化剤に含まれるフッ素の窒素含有溶媒に対するモル濃度が0.1mol%以上が好ましく、0.3mol%以上がより好ましく、0.5mol%以上がさらに好ましい。また、鉱化剤に含まれるフッ素の窒素含有溶媒に対するモル濃度は30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下がさらに好ましい。濃度が低すぎる場合、溶解度が低下し成長速度が低下する傾向がある。一方濃度が濃すぎる場合、溶解度が高くなりすぎて自発核発生が増加したり、過飽和度が大きくなりすぎたりするため制御が困難になるなどの傾向がある。   The amount of the mineralizer used in the ammonothermal method is preferably such that the molar concentration of fluorine contained in the mineralizer with respect to the nitrogen-containing solvent is 0.1 mol% or more, more preferably 0.3 mol% or more, and 0.5 mol. % Or more is more preferable. The molar concentration of fluorine contained in the mineralizer with respect to the nitrogen-containing solvent is preferably 30 mol% or less, more preferably 20 mol% or less, and even more preferably 10 mol% or less. If the concentration is too low, the solubility tends to decrease and the growth rate tends to decrease. On the other hand, when the concentration is too high, the solubility tends to be too high and the generation of spontaneous nuclei increases, or the degree of supersaturation becomes too high and control tends to be difficult.

また、前記結晶成長工程における結晶中のフッ素濃度は、得られる結晶をデバイス作製用基板として使用した際に、フッ素が装置を腐食するおそれがないことから、1×1017atoms/cc以下が好ましく、5×1016atoms/cc以下atoms/ccが更に好ましく、が1×1016atoms/cc以下が特に好ましい。 In addition, the fluorine concentration in the crystal in the crystal growth step is preferably 1 × 10 17 atoms / cc or less because the fluorine does not corrode the apparatus when the obtained crystal is used as a device manufacturing substrate. 5 × 10 16 atoms / cc or less atoms / cc or less is more preferable, but 1 × 10 16 atoms / cc or less is particularly preferable.

(溶媒)
アモノサーマル法に用いられる溶媒としては、窒素含有溶媒を用いることができる。窒素含有溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒が挙げられる。前記溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上である。
(solvent)
As the solvent used in the ammonothermal method, a nitrogen-containing solvent can be used. Examples of the nitrogen-containing solvent include solvents that do not impair the stability of the grown nitride single crystal. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.
The amount of water and oxygen contained in the solvent is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and further preferably 0.1 ppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, and more preferably 99.999% or more.

(原料)
原料としては、種結晶上に成長させようとしている窒化物単結晶を構成する元素を含む原料を用いることができる。好ましくは窒化物単結晶の多結晶原料および/または窒化される金属であり、より好ましくは窒化ガリウムおよび/または金属ガリウムである。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によってはIII族元素がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよく、例えば、結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。
前記多結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属またはその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した金属窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した金属窒化物多結晶を用いることもできる。
本発明において原料として用いる多結晶原料に含まれる水や酸素の量は、少ないことが好ましい。多結晶原料中の酸素含有量は、通常10000ppm以下、好ましくは1000ppm以下、特に好ましくは1ppm以下である。多結晶原料への酸素の混入のしやすさは、水分との反応性または吸収能と関係がある。多結晶原料の結晶性が悪いほど表面にNH基などの活性基が多く存在し、それが水と反応して一部酸化物や水酸化物が生成する可能性がある。このため、多結晶原料としては、通常、できるだけ結晶性が高い物を使用することが好ましい。結晶性は粉末X線回折の半値幅で見積もることができ、(100)の回折線(ヘキサゴナル型窒化ガリウムでは2θ=約32.5°)の半値幅が、通常0.25°以下、好ましくは0.20°以下、さらに好ましくは0.17°以下である。
(material)
As a raw material, a raw material containing an element constituting a nitride single crystal to be grown on a seed crystal can be used. Preferred is a polycrystalline raw material of nitride single crystal and / or a metal to be nitrided, and more preferred is gallium nitride and / or metallic gallium. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group III element is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the crystal is gallium nitride Is a mixture of gallium nitride and metal gallium.
The method for producing the polycrystalline raw material is not particularly limited. For example, a metal nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, a metal nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at high temperature and pressure can also be used.
The amount of water and oxygen contained in the polycrystalline raw material used as the raw material in the present invention is preferably small. The oxygen content in the polycrystalline raw material is usually 10,000 ppm or less, preferably 1000 ppm or less, particularly preferably 1 ppm or less. The ease of mixing oxygen into the polycrystalline raw material is related to the reactivity with water or the absorption capacity. The worse the crystallinity of the polycrystalline raw material, the more active groups such as NH groups exist on the surface, which may react with water and partially generate oxides or hydroxides. For this reason, it is usually preferable to use a polycrystalline material having as high crystallinity as possible. The crystallinity can be estimated by the half width of powder X-ray diffraction. The half width of the (100) diffraction line (2θ = about 32.5 ° for hexagonal gallium nitride) is usually 0.25 ° or less, preferably It is 0.20 ° or less, more preferably 0.17 ° or less.

結晶成長の成長速度は、量産による低コスト化の観点から、50μm/day以上が好ましく、100μm/day以上更に好ましく、150μm/day以上が特に好ましい。
また、前記結晶成長工程における反応容器内の酸素濃度は18乗台であり、同じオートクレーブで鉱化剤としてヨウ素を含むものを用いた場合に比しておおよそ1/100程度である。即ち、上述のように鉱化剤としてハロゲンとしてフッ素のみを含むフッ素含有鉱化剤のみを用いることで、成長結晶の純度を向上させることができる。
The growth rate of crystal growth is preferably 50 μm / day or more, more preferably 100 μm / day or more, and particularly preferably 150 μm / day or more from the viewpoint of cost reduction by mass production.
The oxygen concentration in the reaction vessel in the crystal growth step is about the 18th power, which is about 1/100 of that in the case of using the same autoclave containing iodine as a mineralizer. That is, as described above, the purity of the grown crystal can be improved by using only the fluorine-containing mineralizer containing only fluorine as the halogen as the mineralizer.

前記結晶成長工程において、アモノサーマル法によって窒化物単結晶を成長させる際の反応時間としては、結晶成長工程の初期は種結晶が溶解する場合があるため、種結晶より大きな結晶の育成と、各種デバイス用基板としての利用の観点から、その下限を6時間以上とすることができ、更に12時間以上とすることができ、更に24時間以上とすることができる。同様に、原料の枯渇による種結晶の溶解を防ぐ観点から、前記成長温度の上限は2400時間以下とすることができ、更に2160時間以下とすることができ、更に1440時間以下とすることができる。   In the crystal growth step, as the reaction time when growing the nitride single crystal by the ammonothermal method, since the seed crystal may be dissolved at the initial stage of the crystal growth step, the growth of a crystal larger than the seed crystal, From the viewpoint of use as a substrate for various devices, the lower limit can be 6 hours or more, further 12 hours or more, and further 24 hours or more. Similarly, from the viewpoint of preventing dissolution of seed crystals due to depletion of raw materials, the upper limit of the growth temperature can be 2400 hours or less, can be further 2160 hours or less, and can be further 1440 hours or less. .

前記結晶成長工程において、アモノサーマル法によって窒化物単結晶を成長させる際の成長圧力としては、成長速度を上げることが可能となるとの観点から、その下限を3MPa以上とすることができ、更に5MPa以上とすることができ、更に10MPa以上とすることができる。同様に、耐圧性容器の製造が容易となったり、製造上の取り扱いが容易となるとの観点から、前記反応圧力の上限は250Pa以下とすることができ、更に200Pa以下とすることができ、更に150Pa以下とすることができる。   In the crystal growth step, as the growth pressure when growing the nitride single crystal by the ammonothermal method, the lower limit can be set to 3 MPa or more from the viewpoint that the growth rate can be increased. It can be set to 5 MPa or more, and further can be set to 10 MPa or more. Similarly, the upper limit of the reaction pressure can be 250 Pa or less, more preferably 200 Pa or less, from the viewpoint of facilitating the production of a pressure-resistant container or easy handling in production. It can be 150 Pa or less.

前記結晶成工程において、アモノサーマル法によって窒化物単結晶を成長させる際の成長温度としては、結晶成長領域が300℃以上の領域で結晶成長を行うことが可能であるが、負の溶解度特性を示し、溶解度が逆転して高温領域で結晶成長を行うことで良質な結晶を得ることができることからその下限を500℃以上とすることが好ましく、更に550℃以上とすることが好ましく、更に580℃以上とすることが好ましい。同様に、耐圧性容器の製造が容易となったり、製造上の取り扱いが容易となるとの観点から、前記成長温度の上限は650℃以下とすることができ、更に630℃以下とすることができ、更に620℃以下とすることができる。   In the crystal formation step, the growth temperature for growing a nitride single crystal by the ammonothermal method is that crystal growth can be performed in a region where the crystal growth region is 300 ° C. or higher. And the lower limit is preferably set to 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and 580 ° C. or higher. It is preferable to set it as ° C or more. Similarly, the upper limit of the growth temperature can be set to 650 ° C. or lower and can be further set to 630 ° C. or lower from the viewpoint of easy manufacture of the pressure-resistant container and easy handling in manufacturing. Furthermore, it can be set to 620 ° C. or lower.

(被膜形成工程)
被膜形成工程は、反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にフッ素含有被膜を形成する工程である。第1の製造方法においては、成長工程においてハロゲンとしてフッ素のみを含むフッ素系鉱化剤のみを用いることで、前記反応容器表面等にフッ素含有被膜を形成することができる。この場合、第2の製造法に置き換えると、上述のように被膜形成工程が前記結晶成長工程において同時に実施されることとなる。
(Film formation process)
The coating forming step is a step of forming a fluorine-containing coating on at least a part of the surface inside the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel. In the first production method, a fluorine-containing film can be formed on the surface of the reaction vessel or the like by using only a fluorine-based mineralizer containing only fluorine as a halogen in the growth step. In this case, when replaced with the second manufacturing method, the film forming process is simultaneously performed in the crystal growth process as described above.

前記被膜形成工程においてNiを含む反応容器内部の表面等にフッ素含有被膜が形成されると、それが不動態膜として機能すると推測され、反応容器内部の表面等が超臨界および/または亜臨界状況下において腐食されるのを効果的に抑制することができる。このように反応容器内の表面の腐食を防止することで、成長結晶を高純度化することができる。このため、本発明の製造方法によって得られた結晶(半導体)は、透明度が高い。   When a fluorine-containing film is formed on the surface inside the reaction vessel containing Ni in the film formation step, it is presumed that it functions as a passive film, and the surface inside the reaction vessel is supercritical and / or subcritical. It is possible to effectively suppress corrosion underneath. Thus, the growth crystal can be highly purified by preventing the corrosion of the surface in the reaction vessel. For this reason, the crystal | crystallization (semiconductor) obtained by the manufacturing method of this invention has high transparency.

前記フッ素含有被膜の厚さは、5nm〜50μmであることが好ましい。特に、前記結晶成長工程等においてフッ素含有被膜は安定しており、自動修復環境での実施となるため、特に厚膜は必要とされず、材料の最表面(10−100nm)程度の被膜であればよい。また、例えばNiF2などのフッ素含有被膜は、フッ化Fe、フッ化Cr、フッ化Coと比較して、高温域の蒸気圧が極めて低く、固体NiF2被膜として安定に存在するので揮発減肉が起こり難い。これに対し、塩素やヨウ素環境下で生じる塩化Ni、塩化Cr、塩化Fe、又は、ヨウ化Ni、ヨウ化Fe、ヨウ化Crは蒸気圧が高く気相となって溶媒NH3環境側に選択的に溶出し、反応容器の腐食減肉や得られる結晶の汚染の原因となる。
また、運転環境は常にフッ化雰囲気なので、フッ素含有被膜が自己修復し得る環境で運転されているため、フッ化雰囲気のアモノサーマル法は、事前にフッ化処理などする必要はなく、自己修復被膜を作りながら製造方法を実施することができる。
The thickness of the fluorine-containing coating is preferably 5 nm to 50 μm. In particular, since the fluorine-containing film is stable in the crystal growth process and the like, and is performed in an automatic repair environment, a thick film is not particularly required, and the film may be about the outermost surface (10-100 nm) of the material. That's fine. Further, for example, a fluorine-containing film such as NiF 2 has an extremely low vapor pressure in a high temperature range as compared with fluorinated Fe, fluorinated Cr and fluorinated Co, and is stably present as a solid NiF 2 film. Is unlikely to occur. In contrast, Ni chloride, Cr chloride, Fe chloride, or Ni iodide, Fe iodide, Cr iodide produced in a chlorine or iodine environment has a high vapor pressure and is selected in the solvent NH 3 environment side. Leaching out, causing corrosion thinning of the reaction vessel and contamination of the resulting crystals.
Also, since the operating environment is always a fluorinated atmosphere, it is operated in an environment where the fluorine-containing film can self-repair, so the ammonothermal method of the fluorinated atmosphere does not require fluorination treatment in advance, and self-repair The manufacturing method can be carried out while forming a film.

上述のように前記フッ素含有被膜は、超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒やこれに鉱化剤、原材料などが溶解した溶液に対して極めて安定なので、反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部を被覆した場合には、反応容器や部材が腐食されることがなく、得られる窒化物結晶中の不純物を低減することが可能となる。不純物がより低減されることから、該反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材のNiを含む材料からなる表面の総面積のうち、50%以上が被覆されていることが好ましく、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは80%以上、特に好ましくは90%以上であり、100%被覆されていてもよい。   As described above, the fluorine-containing film is extremely stable against a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state, and a solution in which a mineralizer and raw materials are dissolved. When at least a part of the surface of the member used inside the reaction vessel is coated, the reaction vessel and the member are not corroded, and impurities in the obtained nitride crystal can be reduced. Since impurities are further reduced, it is preferable that 50% or more of the total surface area of the surface inside the reaction vessel and the surface made of a material containing Ni of the member used inside the reaction vessel is covered. More preferably, it is 70% or more, more preferably 80% or more, particularly preferably 90% or more, and 100% may be coated.

前記フッ素含有被膜は、フッ素を含んでいれば特に限定されず、本発明の効果を奏する限りにおいてNi以外の金属を含んでいてもよい。例えばSi,Ca,Mg,Zn等、窒化物結晶のドーパントとして機能する金属を含んでいてもよい。   The fluorine-containing film is not particularly limited as long as it contains fluorine, and may contain a metal other than Ni as long as the effects of the present invention are exhibited. For example, a metal that functions as a dopant for a nitride crystal, such as Si, Ca, Mg, or Zn, may be included.

なお、被膜形成工程が複数回実施される場合には、フッ素含有被膜は回数を重ねるごとにより厚くなる傾向がある。   In addition, when a film formation process is implemented in multiple times, a fluorine-containing film tends to become thicker every time it repeats.

(被膜の形成方法)
フッ素含有被膜の形成方法は特に限定されず、たとえば反応容器内にフッ素及びフッ素と反応し得る金属が存在する環境下において、温度及び圧力を上げることによって形成することができる。具体的には、フッ素系鉱化剤及びNi、Fe、Cr、Coなどの金属が存在する環境下において、温度及び圧力を上げることによって形成することができる。
被膜を形成する際には、反応容器内に超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒や鉱化剤などが存在していてもよく、結晶成長工程中の少なくとも一部で被膜形成工程を同時に実施すると工程が簡略化できることから、結晶成長工程と同一の条件とすることが好ましい。
(Method for forming film)
The formation method of a fluorine-containing film is not specifically limited, For example, it can form by raising temperature and pressure in the environment where the metal which can react with a fluorine and fluorine exists in reaction container. Specifically, it can be formed by increasing the temperature and pressure in an environment where a fluorine-based mineralizer and a metal such as Ni, Fe, Cr, and Co are present.
When forming the film, there may be a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent, mineralizer, etc. in the reaction vessel, and at least part of the crystal growth process, the film formation process Since the steps can be simplified if the steps are performed simultaneously, it is preferable to use the same conditions as the crystal growth step.

被膜形成工程は、反応容器内部の表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面にすでにフッ素含有被膜が形成されている状態で実施してもよい。   The film forming step may be performed in a state where a fluorine-containing film is already formed on the surface inside the reaction vessel and the surface of the member used inside the reaction vessel.

被膜を形成する際には、酸素や水などの結晶成長工程に必要な物質以外の物質を反応容器から除去することが好ましい。具体的には、これらの物質の濃度を100ppm以下にすることが好ましく、より好ましくは50ppm以下、さらに好ましくは10ppm以下である。これらの物質を低減させる具体的な方法としては、反応容器内の窒素パージ、真空引きなどがあげられる。窒素パージと真空引きは組み合わせて行うことが好ましい。真空引きと合わせて反応容器を加熱してもよい。   When forming the film, it is preferable to remove substances other than those necessary for the crystal growth step such as oxygen and water from the reaction vessel. Specifically, the concentration of these substances is preferably 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less, and even more preferably 10 ppm or less. Specific methods for reducing these substances include nitrogen purge in the reaction vessel and evacuation. Nitrogen purging and evacuation are preferably performed in combination. The reaction vessel may be heated together with evacuation.

本発明では、上記のフッ素含有被膜の形成条件を組み合わせて実施することが好ましい。例えば、反応容器内を超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒及びフッ素系鉱化剤の存在下で、温度400〜700℃、圧力100〜700MPaに設定する態様を好ましく採用することができる。   In this invention, it is preferable to implement combining the formation conditions of said fluorine-containing film. For example, it is preferable to adopt an embodiment in which the reaction vessel is set to a temperature of 400 to 700 ° C. and a pressure of 100 to 700 MPa in the presence of a nitrogen-containing solvent and a fluorine-based mineralizer in a supercritical state and / or a subcritical state. it can.

以上のようにして得られた窒化物単結晶は、不純物が少なく、また、高温領域で結晶育成を行うため結晶の質が良く、PL強度も強い。また、本発明の製造方法によれば、大型化が可能な条件で透明なバルク結晶作製をすることができる。   The nitride single crystal obtained as described above has few impurities, and since the crystal is grown in a high temperature region, the quality of the crystal is good and the PL strength is strong. Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to produce a transparent bulk crystal under conditions that allow an increase in size.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

<実施例1、2>
(試験片による腐食試験)
Ptを内張りした内寸が直径22mm、長さ293mmのオートクレーブ(容積約119ml)内部にバッフル板を設置し、鉱化剤として十分に乾燥した純度99.99%のNH4FをNH3充填量に対し0.5mol%投入した。次いで、上部および下部にInconel625製試験片(10mm×10mm)を設置した。その後、素早くバルブが装着されたオートクレーブの蓋を閉じ、オートクレーブの計量を行った。次いで、オートクレーブに付属したバルブを介して導管を真空ポンプ部に通じるように操作し、バルブを開けてオートクレーブ内を真空脱気した。その後、真空状態を維持しながら、オートクレーブをドライアイス/メタノールによって冷却し、一旦バルブを閉じた。次いで、導管を、バルブを介してNH3ボンベに通じるように操作した後、再びバルブを開け、外気に触れることなくNH3を連続してオートクレーブ内に充填した。流量を制御して、NH3をオートクレーブ内に液体として充填した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブの温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させて充填したNH3の増加分の計量を行った。
<Examples 1 and 2>
(Corrosion test with test piece)
Dimensions of 22mm diameter inner lined with Pt, the baffle plate is placed inside an autoclave (volume approximately 119 ml) of length 293 mm, NH 3 loading the NH 4 F of the well-dried 99.99% pure as a mineralizer 0.5 mol% was added. Next, Inconel 625 test pieces (10 mm × 10 mm) were placed on the top and bottom. Thereafter, the lid of the autoclave equipped with the valve was quickly closed and the autoclave was weighed. Next, the conduit was connected to the vacuum pump through a valve attached to the autoclave, and the valve was opened to evacuate the inside of the autoclave. Thereafter, while maintaining the vacuum state, the autoclave was cooled with dry ice / methanol, and the valve was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder through the valve, the valve was opened again, and NH 3 was continuously filled in the autoclave without touching the outside air. After controlling the flow rate and filling NH 3 as a liquid in the autoclave, the valve was closed again. The temperature of the autoclave was returned to room temperature, and the increased amount of NH 3 filled after the outer surface was sufficiently dried was measured.

続いて、オートクレーブを上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ内の下部領域の温度が588℃に、上部領域の温度が508℃になるように昇温し、その温度にて96時間保持した。オートクレーブ内の圧力は150MPaであった。また、保持中の温度幅は±5℃以下に制御した。その後、オートクレーブの下部外面の温度が50℃になるまで約9時間かけて降温した後、ヒーターによる加熱を止め、電気炉内で自然放冷した。オートクレーブの下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、まずオートクレーブに付属したバルブを開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後、オートクレーブを計量し、NH3の排出を確認した。その後、一旦バルブを閉じ、真空ポンプに通ずるように導管を操作し、バルブを再び開放し、オートクレーブのNH3をほぼ完全に除去した。
その後、オートクレーブの蓋を開け、試験片を取り出した。試験片の表面に荒れなどの腐食痕が確認されなかった。また、フッ素含有被膜の形成により0.001gの重量増が確認できた。
Subsequently, the autoclave was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised so that the temperature in the lower region in the autoclave was 588 ° C. and the temperature in the upper region was 508 ° C., and the temperature was maintained for 96 hours. The pressure in the autoclave was 150 MPa. Further, the temperature range during holding was controlled to ± 5 ° C. or less. Thereafter, the temperature was lowered over about 9 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave reached 50 ° C., and then the heating by the heater was stopped, followed by natural cooling in the electric furnace. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave had dropped to about room temperature, first, the valve attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave was weighed to confirm the discharge of NH 3 . Thereafter, the valve was once closed, the conduit was operated so as to communicate with the vacuum pump, the valve was opened again, and NH 3 in the autoclave was almost completely removed.
Thereafter, the lid of the autoclave was opened and the test piece was taken out. No corrosion marks such as roughness were found on the surface of the test piece. Moreover, the weight increase of 0.001g was confirmed by formation of a fluorine-containing film.

<実施例3〜6>
表1に示した、試験片の材質、鉱化剤、温度を変更等した以外は、実施例1、2と同様に試験を行った。なお、表1に示す温度は、各々試験片を設置した領域での温度である。試験終了後、試験片の表面に荒れなどの腐食痕が確認されなかった。また、フッ素含有被膜の形成により、いずれも0.001〜0.015gの重量増が確認できた。
<Examples 3 to 6>
The test was performed in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the material, mineralizer, and temperature of the test piece shown in Table 1 were changed. In addition, the temperature shown in Table 1 is the temperature in the area | region which installed the test piece, respectively. After completion of the test, no corrosion marks such as roughness were found on the surface of the test piece. Moreover, the weight increase of 0.001-0.015g was confirmed by formation of the fluorine-containing film in any case.

尚、Incone625、Ni−12Cr−14MoはNi含有量が50%超である。また、重量変化がプラスであるということは、表面に膜が形成されていることを示している。   Incone 625 and Ni-12Cr-14Mo have a Ni content exceeding 50%. In addition, the fact that the weight change is positive indicates that a film is formed on the surface.

<比較例1〜22>
表1に示した、試験片の材質、鉱化剤、温度を変更等した以外は、実施例1と同様に試験を行った。溶媒であるアンモニアに対して正の溶解度特性を有する鉱化剤を用いた場合は、オートクレーブの上部を結晶成長領域とし、オートクレーブの下部を原料溶解領域として種結晶および原料を配置した。なお、表1に示す温度は、各々試験片を設置した領域での温度である。試験終了後、一部の試験片には、重量の減少や試験片の消失が観察された。その他は重量の増減がなくNi−Fのフッ素含有被膜が形成されていないことが確認された。
<Comparative Examples 1-22>
The test was performed in the same manner as in Example 1 except that the material, mineralizer, and temperature shown in Table 1 were changed. When a mineralizer having a positive solubility characteristic with respect to ammonia as a solvent was used, seed crystals and raw materials were arranged with the upper part of the autoclave as the crystal growth region and the lower part of the autoclave as the raw material dissolution region. In addition, the temperature shown in Table 1 is the temperature in the area | region which installed the test piece, respectively. After completion of the test, some test pieces were observed to lose weight or disappear. In other cases, there was no increase or decrease in weight, and it was confirmed that a Ni-F fluorine-containing film was not formed.

以上の結果から、Ni基合金を含む試験片を用い、フッ素以外のハロゲンを含まない鉱化剤を用いた実施例は、重量変化がプラスであり、試料片表面にフッ素を含む膜が形成されていた。これに対し、比較例の試験片では、重量変化がマイナスであり、試料片が腐食されていた。上記試験片を用いた実施例から、反応容器内壁にNiを含む金属からなる反応容器内で、鉱化剤としてフッ素のみを含む鉱化剤を用いて、アモノサーマル法で窒化物単結晶を製造した場合、前記反応容器はフッ素含有被膜で被覆され、反応容器内壁や反応容器内部で使用される部材の腐食を抑制できることが分かる。   From the above results, in the example using a test piece containing a Ni-based alloy and using a mineralizer containing no halogen other than fluorine, the weight change is positive, and a film containing fluorine is formed on the surface of the sample piece. It was. On the other hand, in the test piece of the comparative example, the weight change was negative, and the sample piece was corroded. From the examples using the above test pieces, a nitride single crystal was formed by an ammonothermal method using a mineralizer containing only fluorine as a mineralizer in a reaction vessel made of a metal containing Ni on the inner wall of the reaction vessel. When manufactured, the reaction vessel is covered with a fluorine-containing film, and it can be seen that corrosion of members used inside the reaction vessel and inside the reaction vessel can be suppressed.

<実施例7>
Ptを内張りした内寸が直径22mm、長さ293mmのオートクレーブ(容積約119ml)内の下部にHVPE法で作製したGaN結晶を種結晶として設置した。次いで、オートクレーブ内部にバッフル板を設置し、バッフル板より上部に原料としてHVPE法にて作製した多結晶体GaNを44.5g入れた。次いでその上から鉱化剤として十分に乾燥した純度99.99%のNH4FをNH3充填量に対し0.5mol%投入した。その後、Inconel625製のガスケットを装着し、素早くバルブが装着されたオートクレーブの蓋を閉じ、オートクレーブの計量を行った。次いで、オートクレーブに付属したバルブを介して導管を真空ポンプ部に通じるように操作し、バルブを開けてオートクレーブ内を真空脱気した。その後、真空状態を維持しながら、オートクレーブをドライアイス/メタノールによって冷却し、一旦バルブを閉じた。次いで、導管を、バルブを介してNH3ボンベに通じるように操作した後、再びバルブを開け、外気に触れることなくNH3を連続してオートクレーブ内に充填した。流量を制御して、NH3をオートクレーブ内に液体として充填した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブの温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させて充填したNH3の増加分の計量を行った。
<Example 7>
A GaN crystal produced by the HVPE method was placed as a seed crystal in the lower part of an autoclave (volume: about 119 ml) having a diameter of 22 mm and a length of 293 mm lined with Pt. Next, a baffle plate was installed inside the autoclave, and 44.5 g of polycrystalline GaN produced by the HVPE method as a raw material was placed above the baffle plate. Next, 0.5 mol% of NH 4 F having a purity of 99.99% and sufficiently dried as a mineralizer was added to the NH 3 filling amount. Thereafter, a gasket made of Inconel 625 was attached, the lid of the autoclave where the valve was quickly attached was closed, and the autoclave was weighed. Next, the conduit was connected to the vacuum pump through a valve attached to the autoclave, and the valve was opened to evacuate the inside of the autoclave. Thereafter, while maintaining the vacuum state, the autoclave was cooled with dry ice / methanol, and the valve was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder through the valve, the valve was opened again, and NH 3 was continuously filled in the autoclave without touching the outside air. After controlling the flow rate and filling NH 3 as a liquid in the autoclave, the valve was closed again. The temperature of the autoclave was returned to room temperature, and the increased amount of NH 3 filled after the outer surface was sufficiently dried was measured.

続いて、オートクレーブを上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ内の結晶育成領域(下部)の温度が638℃に、上部の原料溶解領域の温度が558℃になるように昇温し、その温度にて96時間保持した。オートクレーブ内の圧力は147MPaであった。その後、オートクレーブの下部外面の温度が50℃になるまで約9時間かけて降温した後、ヒーターによる加熱を止め、電気炉内で自然放冷した。オートクレーブの下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、まずオートクレーブに付属したバルブを開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後、オートクレーブを計量し、NH3の排出を確認した。その後、一旦バルブを閉じ、真空ポンプに通ずるように導管を操作し、バルブを再び開放し、オートクレーブのNH3をほぼ完全に除去した。 Subsequently, the autoclave was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised so that the temperature of the crystal growth region (lower part) in the autoclave was 638 ° C. and the temperature of the upper raw material dissolution region was 558 ° C., and the temperature was maintained for 96 hours. The pressure in the autoclave was 147 MPa. Thereafter, the temperature was lowered over about 9 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave reached 50 ° C., and then the heating by the heater was stopped, followed by natural cooling in the electric furnace. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave had dropped to about room temperature, first, the valve attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave was weighed to confirm the discharge of NH 3 . Thereafter, the valve was once closed, the conduit was operated so as to communicate with the vacuum pump, the valve was opened again, and NH 3 in the autoclave was almost completely removed.

その後、オートクレーブの蓋を開け、種結晶を取り出した。結晶成長後の種結晶上のGaN結晶に含まれる不純物をSIMSで分析したところ、Fe濃度が1×1019atoms/cc、Niは15乗台であった。このことからNiを含むInconel625製のガスケットにフッ素含有被膜が形成され、これにより結晶中の不純物が低減していると考えられる。 Thereafter, the lid of the autoclave was opened and the seed crystal was taken out. When impurities contained in the GaN crystal on the seed crystal after crystal growth were analyzed by SIMS, the Fe concentration was 1 × 10 19 atoms / cc and Ni was in the 15th power range. From this, it is considered that a fluorine-containing film is formed on the gasket made of Inconel 625 containing Ni, thereby reducing impurities in the crystal.

<比較例23>
鉱化剤の種類を変更した以外は、実施例7と同様に行った。
得られた成長のSIMS分析を行ったところ、Ni、Fe、Oの不純物濃度は実施例7に比較して高くなっていることがわかった。
<Comparative Example 23>
It carried out similarly to Example 7 except having changed the kind of mineralizer.
When SIMS analysis of the obtained growth was performed, it was found that the impurity concentrations of Ni, Fe, and O were higher than in Example 7.

本発明は、周期表第13族元素の窒化物の塊状単結晶、とりわけGaNの塊状単結晶の育成に有用である。本発明の製造方法によれば得られる結晶中の反応容器や部材に由来する不純物を低減することが可能となり、さらに結晶成長において安定な表面を有する反応容器を複数回用いることが可能であり、時間とコストの両面において大幅な改善が期待できる。よって、本発明は産業上の利用可能性が極めて高い。   The present invention is useful for growing a bulk single crystal of a group 13 element nitride, particularly a bulk single crystal of GaN. According to the production method of the present invention, it is possible to reduce impurities derived from reaction vessels and members in the obtained crystal, and it is possible to use a reaction vessel having a stable surface in crystal growth more than once, Significant improvements can be expected in both time and cost. Therefore, the present invention has very high industrial applicability.

1 原料溶解領域
2 結晶成長領域
3 外壁
4 原料
5 バッフル板
6 種結晶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material melt | dissolution area | region 2 Crystal growth area | region 3 Outer wall 4 Raw material 5 Baffle plate 6 Seed crystal

Claims (11)

反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含み、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含み、且つ、前記鉱化剤はフッ素系鉱化剤であって、フッ素以外のハロゲン原子を含まないことを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。   A member used in the reaction vessel surface as well as in the reaction vessel, including a crystal growth step for carrying out crystal growth using a mineralizer in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in the reaction vessel A method for producing a nitride single crystal, wherein Ni is contained in at least a part of the surface of the metal, and the mineralizer is a fluorine-based mineralizer and does not contain a halogen atom other than fluorine. 反応容器中で超臨界状態および/または亜臨界状態にある窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程と、前記反応容器表面及び該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にフッ素含有被膜を形成する被膜形成工程とを含み、前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部にNiを含むことを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。   A crystal growth step in which crystal growth is performed using a mineralizer in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical state and / or a subcritical state in the reaction vessel, and a surface of the reaction vessel and a member used inside the reaction vessel A film forming step of forming a fluorine-containing film on at least a portion of the surface, and Ni is contained in at least a portion of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel. A method for producing a single crystal. 前記結晶成長工程中の少なくとも一部で、前記被膜形成工程を同時に実施する、請求項2に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 2, wherein the film forming step is simultaneously performed at least in a part of the crystal growth step. 反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒雰囲気において鉱化剤を用いて結晶成長を行う結晶成長工程を含む窒化物単結晶の製造方法であって、該反応容器表面並びに該反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部がフッ素含有被膜で被覆されていることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。   A method for producing a nitride single crystal comprising a crystal growth step in which crystal growth is performed using a mineralizer in a nitrogen-containing solvent atmosphere in a supercritical and / or subcritical state in a reaction vessel, the surface of the reaction vessel and the A method for producing a nitride single crystal, wherein at least a part of the surface of a member used inside the reaction vessel is coated with a fluorine-containing film. 前記フッ素含有被膜の厚みが5nm〜50μmである、請求項2〜4のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride single crystal of any one of Claims 2-4 whose thickness of the said fluorine-containing film is 5 nm-50 micrometers. 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が40質量%を超えるNi基合金である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   At least one part of the surface of the said reaction container surface and the member used inside the said reaction container is a Ni base alloy in which Ni content exceeds 40 mass%, It is any one of Claims 1-5. A method for producing a nitride single crystal. 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Ni含有量が50質量%を超えるNi基合金である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   6. The method according to claim 1, wherein at least a part of the surface of the reaction vessel and the surface of a member used inside the reaction vessel is a Ni-based alloy having a Ni content exceeding 50 mass%. A method for producing a nitride single crystal. 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部の炭素含有量が0.2質量%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The nitride unit according to any one of claims 1 to 7, wherein a carbon content of at least a part of a surface of the reaction vessel and a surface of a member used inside the reaction vessel is 0.2 mass% or less. Crystal production method. 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部のFe含有量が5質量%以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The nitride single crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein Fe content of at least a part of a surface of the reaction vessel and a surface of a member used inside the reaction vessel is 5 mass% or less. Production method. 前記反応容器表面並びに前記反応容器内部で使用される部材の表面の少なくとも一部が、Cr、Al、Ti、Nb、V、WおよびMoから選ばれる少なくとも一種を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   10. The method according to claim 1, wherein at least a part of the reaction vessel surface and the surface of a member used inside the reaction vessel contains at least one selected from Cr, Al, Ti, Nb, V, W, and Mo. A method for producing a nitride single crystal according to claim 1. 前記結晶成長工程を複数回実施することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 10, wherein the crystal growth step is performed a plurality of times.
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