JP6103337B2 - アンモニアの回収方法及びそれを用いたアンモニアの再利用方法 - Google Patents
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Description
従って、本発明が解決しようとする課題は、窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程から排出されるアンモニアの含有率が低い排ガスから、効率よく容易にアンモニアを回収し再利用することが可能な方法を提供することである。
尚、図1は、本発明のアンモニアの回収方法及びそれを用いたアンモニアの再利用方法に関連する装置一式の一例を示す構成図である。図2、図3は、本発明に使用するアンモニア回収装置の一例を示す構成図である。図4は、本発明に適用できる気相成長装置の一例を示す構成図である。
具体的には、図1に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置9から排出されるアンモニアを10〜40vol%含み、その他の成分として、水素、窒素、固体化合物、及び、メタンまたはエタンを含む排ガスを、フィルター10で濾過して該排ガスに含まれる固体化合物を除去した後、ガス圧縮機11により加圧し、ヒートポンプ式冷却機12により排ガスに含まれるアンモニアを液化して水素及び窒素と分離し、アンモニアを液体として回収する方法である。
また、図3に示すように、加圧された排ガスを液体アンモニア槽21に供給する際には、排ガスの供給管が液体アンモニアに浸かり、排ガスが液体アンモニア中でバブリングされることが冷却効果の点で好ましい。このような操作により排ガス中のアンモニアが液化しやすくなる。
具体的には、図1に示すように、液体アンモニア貯蔵槽14の液体アンモニアを気化器5により気化し、ガス混合器15により、アンモニア供給源から供給されるアンモニアと混合し精製して、窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置9に供給する方法である。
(気相成長装置の製作)
ステンレス製の反応容器の内部に、円板状のサセプタ(SiCコートカーボン製、直径600mm、厚さ20mm、3インチの基板を5枚保持可能)、冷媒を流通する構成を備えたサセプタの対面(カーボン製)、ヒータ、原料ガスの導入部(カーボン製)、反応ガス排出部等を設けて、図4に示すような気相成長装置を製作した。また、3インチサイズのサファイアよりなる基板を5枚気相成長装置にセットした。尚、冷媒を流通する構成として、配管1本を中心部から周辺部に向かって渦巻き状に配置した。
また、ガスの噴出口の先端と基板との水平面の距離は32.4mmであった。さらに、原料ガス導入部の各々のガス流路に、マスフローコントローラー等を介して、所望の流量及び濃度の各ガスが供給できるように配管を接続した。
気相成長装置の排出配管に、フィルター10及びガス圧縮機11を設置した。また、これらと、冷媒(アンモニア)送液器17、膨張弁18、凝縮弁19、熱交換器20、液体アンモニア槽21からなるヒートポンプ式冷却機12を配管等で接続し、図3に示すようなアンモニア回収装置を製作した。さらに、圧力調整装置13、液体アンモニア貯槽(円柱形)21、アンモニアの気化器5等を設けて配管等で接続し、図1に示すような装置一式を製作した。
原料ガスを、各原料の供給源から精製装置を経由して、前述の気相成長装置に供給し、基板の表面に窒化ガリウム(GaN)の成長を行なった。尚、粗アンモニアの精製剤として、ニッケルを有効成分とする触媒及び細孔径が4〜10Å相当の合成ゼオライトを使用した。気相成長は、バッファー層成長後に、基板温度を1050℃まで上昇させ、上層の噴出口からアンモニア(流量:30L/min)、中層の噴出口からTMG(流量:60cc/min)と水素(流量:30L/min)、下層の噴出口から窒素(流量:40L/min)を供給して、窒化ガリウム膜を2時間成長させた。
測定の結果、気相成長装置から排出される排ガスの成分は、アンモニア30%、水素30%、窒素40%であった。また、液体アンモニア槽21におけるアンモニアの回収率は79%、液体アンモニアに含まれる水素の含有率は23ppm、窒素の含有率は140ppmであった。
(アンモニアの再利用実験)
前記のようにして回収された液体アンモニアを、液体アンモニア貯蔵槽14に送液した。前述と同様に気相成長の準備を行なった後、回収された液体アンモニアを気化器5により気化して、ガス混合器15に供給するとともに、アンモニアの供給源からは、前記のアンモニアの回収によって消失した量と同量の工業用アンモニアを加えて混合した後、精製装置を経由して気相成長に供給した。尚、回収された液体アンモニアと工業用アンモニアの供給量比は79:21であった。
(アンモニアの再々利用実験)
前記のようにして回収された液体アンモニアを、実施例1、実施例2と同様にして、液体アンモニア貯蔵槽14に送液した。実施例2と同様にして気相成長の準備を行なった後、回収された液体アンモニアを気化器5により気化して、ガス混合器15に供給するとともに、アンモニアの供給源から工業用アンモニアを加えて混合した後、精製装置を経由して気相成長に供給した。尚、回収された液体アンモニアと工業用アンモニアの供給量比は90:10であった。
(アンモニア回収実験)
実施例1のアンモニア回収装置等の製作において、図3に示すようなアンモニア回収装置の代わりに図2に示すようなアンモニア回収装置を用いたほかは実施例1と同様にして図1に示すような装置一式を製作した。続いて、実施例1のアンモニア回収実験において、前記の装置を用いたほかは実施例1と同様にしてアンモニア回収実験を行なった。その結果、液体アンモニア槽21におけるアンモニアの回収率は75%、液体アンモニアに含まれる水素の含有率は40ppm、窒素の含有率は180ppmであった。
(アンモニアの再利用実験)
前記のようにして回収された液体アンモニアを、実施例2と同様に、液体アンモニア貯蔵槽14に送液した。実施例2と同様に気相成長の準備を行なった後、回収された液体アンモニアを気化器5により気化して、ガス混合器15に供給するとともに、アンモニアの供給源からは、前記のアンモニアの回収によって消失した量と同量の工業用アンモニアを加えて混合した後、精製装置を経由して気相成長に供給した。尚、回収された液体アンモニアと工業用アンモニアの供給量比は75:25であった。
2 窒素の供給源
3 水素の供給源
4 アンモニアの供給源
5 気化器
6 窒素精製装置
7 水素精製装置
8 アンモニア精製装置
9 気相成長装置
10 フィルター
11 ガス圧縮機
12 ヒートポンプ式冷却機
13 圧力調整装置
14 液体アンモニア貯蔵槽
15 ガス混合器
16 外部へのガス放出ライン
17 冷媒送液器
18 膨張弁
19 凝縮弁
20 熱交換器
21 液体アンモニア槽
22 液体アンモニア
23 基板ホルダー
24 サセプタ
25 サセプタの対面
26 ヒータ
27 反応炉
28 原料ガス導入部
29 反応ガス排出部
30 原料ガス配管
31 冷媒を流通する流路
32 サセプタ回転板
Claims (13)
- 窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程から排出されるアンモニアを10〜40vol%含み、その他の成分として、水素、窒素、固体化合物、及び、メタンまたはエタンを含む排ガスを、フィルター濾過して該排ガスに含まれる固体化合物を除去した後、加圧処理及び冷媒として液化対象と同一のアンモニアを用いたヒートポンプによる冷却処理を行なうことにより、該排ガスに含まれるアンモニアを液化して、水素、窒素、及び、メタンまたはエタンと分離し、アンモニアを回収することを特徴とするアンモニアの回収方法。
- 加圧処理時の排ガスの圧力が、0.5〜2MPaGである請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 冷却処理時の排ガスの温度が、−30〜−60℃である請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 加圧された排ガスを、排ガスを加圧処理及びヒートポンプによる冷却処理を行なうことにより液化し液体アンモニア槽に回収した液体アンモニア中でバブリングする請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 排ガスを加圧処理及びヒートポンプによる冷却処理を行なうことにより液化し液体アンモニア槽に回収した液体アンモニアを撹拌して、該液体アンモニアに含まれる水素及び窒素を除去する請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 気相成長反応時に、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、またはトリエチルアルミニウムから選ばれる有機金属原料が分解して発生したメタンまたはエタンを、アンモニアの液化の際に、アンモニアと分離する請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 排ガスを加圧処理及びヒートポンプによる冷却処理を行なうことにより液化し液体アンモニア槽に回収した液体アンモニアを撹拌して、水素及び窒素とともに、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、またはトリエチルアルミニウムから選ばれる有機金属原料が分解して発生したメタンまたはエタンを、該液体アンモニアから除去する請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程に使用されるキャリアガスが、水素及び窒素である請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程に使用される有機金属を含む原料ガスが、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、またはトリエチルアルミニウムから選ばれる液体原料中で、水素または窒素をバブリングして得られる原料ガスである請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 液体アンモニアに不純物として含まれる水素及び窒素を1000ppm以下に除去する請求項1に記載のアンモニアの回収方法。
- 請求項1に記載のアンモニアの回収方法により窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程から回収された液体アンモニアを気化し、該アンモニアとは別の粗アンモニアと混合した後、該混合ガスを精製して前記の窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程に供給することを特徴とするアンモニアの再利用方法。
- 回収されたアンモニアとは別の粗アンモニアの供給量は、窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程から排出された後、請求項1に記載のアンモニアの回収方法によって消失するアンモニアの消失量と実質的に等しい量である請求項11に記載のアンモニアの再利用方法。
- 回収されたアンモニアとは別の粗アンモニアが、不純物として水素及び窒素を含む工業用アンモニアである請求項11に記載のアンモニアの再利用方法。
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