JP6144087B2 - 酸化ガリウム粉 - Google Patents

Description

本発明は、酸化ガリウム粉およびその製造方法に関し、詳しくは、酸化ガリウム単結晶基板等を製造するのに好適な酸化ガリウム粉およびその製造方法に関する。

酸化ガリウムは、機能材料の原料として重要であり、酸化ガリウム粉体は、酸化ガリウムを含む化合物（たとえば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ複合酸化物：ＩＧＺＯ）半導体を製造する際に用いられるターゲット材等の原料として用いられている。また、酸化ガリウムは広いバンドギャップを示すため、近年、パワーデバイス用、深紫外領域の発光ダイオード（ＬＥＤ）用等の半導体材料として注目されており、このような材料に酸化ガリウムの単結晶が利用されている。酸化ガリウムの単結晶は、製造コストが比較的低い融液成長法により製造することができる。

酸化ガリウムの単結晶を融液成長法により製造する方法としては、酸化ガリウムの原料粉体を単結晶製造装置が備えるるつぼ等の容器に投入し、これを融解し種結晶に接触させて成長させることにより単結晶を得る方法が例示される。すなわち、単結晶を製造するための原料としても、酸化ガリウム原料粉体が用いられる。たとえば、特許文献１には、酸化ガリウム単結晶基板等の製造装置への原料供給時に形状が崩れがたい酸化ガリウムの粉を製造する方法が記載されている。

また、単結晶を融液成長法により製造する場合、通常バッチ方式が採用され、製造される単結晶のサイズは、るつぼに投入される原料粉体量に依存する。たとえば、特許文献２では、酸化ガリウムの原料粉体を、加圧等により圧縮して熱処理を行って嵩密度を高めることにより、るつぼに投入される原料の量を多くすることが記載されている。

特開２０１２−１５８４８３号公報 特開２０１１−１５３０５４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法では、酸化ガリウムの原料粉体を、加圧等により圧縮して熱処理を行って得られる処理物が固体状であるため、原料のハンドリング性が悪化するという問題があった。

特許文献２には、この固体状の処理物を粉砕して流動性を有する粉体とすることも記載されているが、熱処理を行って得られる処理物は、酸化ガリウム粒子の焼結により、粒子同士が極めて強固に結合している。したがって、このような強固な結合を切断して粉体を得るには、ボールミル等のように、強い衝撃を与える粉砕手段を用いざるを得ない。この場合、粉砕時に、粉砕用容器の壁面および粉砕用媒体から、酸化ガリウムに不純物が混入するという問題があった。特に、単結晶の製造に用いられる原料には、高い純度が求められるため、不純物の混入は大きな問題であった。

また、るつぼに投入される酸化ガリウムの粒子径が小さい場合、投入時に粉塵が発生し、作業環境が悪化するという問題があった。

本発明は、上記の状況を鑑みてなされ、ハンドリング性が良好で、原料投入時の粉塵の発生が抑制され、しかも不純物の混入が低減され、原料の充填率が高い酸化ガリウム粉を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、ハンドリング性が良好で、不純物の混入が低減され、しかも原料の充填率が比較的高い酸化ガリウム粉を製造する方法を提供することである。

本発明者らは、ミクロン（μｍ）オーダーの粒子径を有する酸化ガリウム粉体を原料として用いるのではなく、粉体同士を付着させて、粒子径を大きくした粒子を予め得て、該粒子同士が強く付着しないように焼結させることを見出した。この知見に基づき、ミリ（ｍｍ）オーダーの粒子径を有する酸化ガリウム粉を製造することにより、上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の態様は、
平均粒子径が１．０ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする酸化ガリウム粉である。

本発明の別の態様は、
酸化ガリウム原料粉体を造粒して得られる造粒物を１０５０℃以上１４００℃以下の範囲内で熱処理して処理物を得る熱処理段階と、前記処理物を構成する粒子同士の付着を解す解し段階と、を有する熱処理工程と、
前記処理物を１５００℃以上で焼成して焼成物を得る焼成段階と、前記焼成物を構成する粒子同士の付着を解す解し段階と、を有する焼成工程と、を有することを特徴とする酸化ガリウム粉の製造方法である。

本発明によれば、ハンドリング性が良好で、原料投入時の粉塵の発生が抑制され、しかも不純物の混入が低減され、原料の充填率が高い酸化ガリウム粉を提供することができる。また、ハンドリング性が良好で、不純物の混入が低減され、しかも原料の充填率が比較的高い酸化ガリウム粉を製造する方法を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る酸化ガリウム粉の製造工程を示すフローチャートである。 図２は、本発明の実施例における酸化ガリウム粉の写真であり、図２（ａ）は、平均粒子径が２．０ｍｍ以上５．６ｍｍ以下の範囲内である酸化ガリウム粉であり、図２（ｂ）は、平均粒子径が５．６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲内である酸化ガリウム粉である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．酸化ガリウム粉
２．酸化ガリウム粉の製造方法
３．本実施形態の効果
４．変形例

（１．酸化ガリウム粉）
本実施形態に係る酸化ガリウム粉は、酸化ガリウム粒子の集合体である。該酸化ガリウム粒子は、ミリ（ｍｍ）オーダーの粒子径を有している。本実施形態では、酸化ガリウム粉の平均粒子径は１．０ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲内であり、２．０ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲内であることが好ましく、２．０ｍｍ以上５．６ｍｍ以下の範囲内であることがより好ましい。平均粒子径を上記の範囲内とすることで、原料投入時の粉塵の発生を抑制できるとともに、るつぼへの充填が容易となる。

本実施形態では、酸化ガリウム粒子の粒子径を幾何学的な径として測定することが好ましい。具体的な測定方法としては、篩い分け法が好ましいが、粒子の写真あるいは顕微鏡写真から粒子径を測定してもよい。どちらの方法で測定しても、粒子径はほぼ一致する。篩い分け法では、たとえば、ＪＩＳ Ｚ８８０１に規定される所定の目開きを有する篩いを用いる。篩いを用いることで、酸化ガリウム粉に含まれる粒子の形状にかかわらず、粒子径を測定できる。

具体的には、異なる目開きを有する篩いを２つ以上準備し、酸化ガリウム粉を篩い分けする。たとえば、２つの篩いを用いる場合、大きな目開きを有する篩いを通過した粉を、小さな目開きを有する篩いを用いて篩い分けすることにより、大きな目開きを通過しなかった粉と、大きな目開きを通過したが小さな目開きを通過しなかった粉と、小さな目開きを通過した粉と、に分けることができる。

このとき、大きな目開きを通過したが小さな目開きを通過しなかった粉に関しては、その最小粒子径は小さな目開きの値と一致し、最大粒子径は大きな目開きの値と一致する。したがって、該粉の平均粒子径は小さな目開きの値と大きな目開きの値との間に存在することになる。このように、篩いを用いることで、平均粒子径の値が特定された粉は得られないが、平均粒子径が特定の範囲内に存在する粉を得ることができる。

また、大きな目開きを通過しなかった粉および小さな目開きを通過した粉に関しては、それらの平均粒子径が存在する数値範囲を特定できないため、粒子の写真あるいは顕微鏡写真から平均粒子径を算出することが好ましい。具体的には、写真中の粒子を所定の個数（たとえば、１０個以上）だけランダムに選択し、選択した粒子の一定方向の幅を測定し、この幅を粒子径とする。そして、測定された粒子径から平均値を算出し、これを平均粒子径とする。なお、大きな目開きを通過したが小さな目開きを通過しなかった粉に関して、粒子の写真から平均粒子径を算出することで、平均粒子径を特定することができる。

また、個々の酸化ガリウム粒子は、後述する焼成工程を経ているため、焼結がほぼ完了し、該粒子の密度は比較的高くなっていると考えられる。したがって、酸化ガリウム粒子の粒子径は比較的大きいにもかかわらず、酸化ガリウム粉としての嵩密度は比較的高くなっている。本実施形態では、酸化ガリウム粉の嵩密度は２．６ｇ／ｃｍ^３以上であり、２．６ｇ／ｃｍ^３以上４．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内であることが好ましい。該酸化ガリウム粉の嵩密度の上限は酸化ガリウムの理論密度（β−Ｇａ_２Ｏ_３：５．８８ｇ／ｃｍ^３）であるが、当該粉を製造するコスト等を考慮すると、上記の範囲内であることが好ましい。なお、本実施形態では、酸化ガリウム粉の嵩密度は、ＪＩＳ Ｒ１６２８に準じ、１００ｇ秤量した酸化ガリウム粉を、篩いを通さずに２００ｍｌのシリンダーに入れて容積を測り、初期嵩密度＝秤量重さ／容積により算出する。

本実施形態に係る酸化ガリウム粉は、上述したように、ミリオーダーという大きな粒子径を有しつつも、高い嵩密度を有している。したがって、該酸化ガリウム粉を用いることにより、酸化ガリウム単結晶を製造する際に、製造装置、特に単結晶製造装置が備えるるつぼへの酸化ガリウムの充填量を高めることができる。しかも、該酸化ガリウム粉は、良好なハンドリング性を示しており（るつぼへの充填が容易に行える程度の平均粒子径を有しており）、しかも平均粒子径がミリオーダーであるので、粉塵の発生を抑制できる。

（２．酸化ガリウム粉の製造方法）
次に、本実施形態に係る酸化ガリウム粉の製造方法を、図１に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、酸化ガリウム粉の出発原料として、酸化ガリウム原料粉体を準備する。酸化ガリウム原料粉体としては特に制限されず、公知の方法により得られる粉体であればよい。たとえば、ガリウム塩と塩基を撹拌しながら混合して湿式反応により水酸化ガリウムを生成させ、これを焼成して得られる酸化ガリウムを出発原料としてもよい。上記の方法により得られる酸化ガリウム原料粉体は、焼成温度が５００℃以上１０００℃以下の範囲内である粉体が好ましい。焼成温度が低すぎる酸化ガリウム原料粉体は、水酸化物が残留している場合があるため好ましくない。また、焼成温度が高すぎる酸化ガリウム原料粉体は、後述する造粒工程における造粒が困難となり、その結果、ミリ（ｍｍ）オーダーの粒子径を有する粒子を得ることが困難となり好ましくない。

本実施形態では、酸化ガリウム原料粉体の平均粒子径は０．５μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。一般的な粒子径であり、安価に入手できるためである。また、平均粒子径の異なる複数の原料粉体を混合して、酸化ガリウム原料粉体としてもよい。たとえば、本実施形態では、平均粒子径が０．５μｍ以上１．０μｍ以下の原料粉体と、平均粒子径が１．５μｍ以上２．５μｍ以下の原料粉体と、を混合して用いてもよい。このとき、平均粒子径が大きい粉体と平均粒子径が小さい粉体との混合割合は、重量比で、平均粒子径が大きい粉体：平均粒子径が小さい粉体＝４：６〜６：４とすることが好ましい。なお、原料粉体の平均粒子径は、レーザー回折法（マイクロトラック法）により測定することが好ましい。

（造粒工程：Ｓ１０）
続いて、準備した酸化ガリウム原料粉体を造粒する。造粒工程Ｓ１０は、酸化ガリウム原料粉体を構成する微粒同士を付着させて、該微粒よりも大きな粒子から構成される造粒物を得る工程である。粉体を造粒する方法としては特に制限されないが、本実施形態では、転動造粒、撹拌造粒等の造粒方法を用いることが好ましい。

転動造粒は、傾斜させた円形のパン型容器内に粉体を投入し、容器の中心を回転軸として回転させて粉体を転動させることにより、微粒同士を付着させて造粒する方法である。パン型容器の傾斜角度、回転数等の造粒条件は、造粒が効率的に進行する条件を適宜設定すればよい。本実施形態では、造粒物中の酸化ガリウム粒子の粒子径が１ｍｍ以上となるまで造粒することが好ましく、より好ましくは２ｍｍ以上である。

本実施形態において行われる転動造粒では、パン型容器内に酸化ガリウム原料粉体を所定量投入し、水を添加して湿式造粒を行う。そして、造粒中に粉体および水を適宜添加して、造粒を進行させ、粒子の径が所望の径に達するまで造粒を行う。このとき、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、セルロース等の有機物から構成されるバインダを水と共に添加してもよい。なお、本明細書では、「バインダを水と共に添加する」とは、バインダを水に溶解して添加してもよいし、水とバインダとを別々に添加してもよいことを意味する。なお、本実施形態では、水は、純水が好ましく、比抵抗が１６ＭΩｃｍ以上である超純水がより好ましい。該超純水は、造粒工程Ｓ１０での不純物の混入を抑制するだけでなく、静電気が発生し、造粒に適しているためである。

撹拌造粒は、円筒形の容器内に粉体を投入し、容器の底面に備えられた撹拌羽根と、容器内部の側面に備えられたチョッパー羽根と、により粉体を撹拌しながら、微粒同士を付着させて造粒する方法である。撹拌羽根、チョッパー羽根の回転数等の造粒条件は、造粒が効率的に進行する条件を適宜設定すればよい。

本実施形態において行われる撹拌造粒では、容器内に酸化ガリウム原料粉体を所定量投入し、撹拌羽根とチョッパー羽根とを所定の条件で回転させながら、水を添加して造粒を行う。そして、造粒中に粉体および水を適宜添加して、造粒を進行させ、粒子の径が所望の径に達するまで造粒を行う。このとき、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、セルロース等の有機物から構成されるバインダを水と共に添加してもよい。

本実施形態では、造粒工程Ｓ１０を湿式で行うため、造粒後に得られる造粒物は水を含んでいる。造粒物の含水率は、含水率（重量％）＝「造粒物に含まれる水の重量」／「造粒物の全体の重量」として表される。造粒物の含水率は、造粒物の粒子径、後述する熱処理および焼成条件等に応じて設定すればよいが、本実施形態では、０．２重量％程度である。

続いて、本実施形態では、得られる造粒物を篩いにより篩い分けする。すなわち、造粒物を、特定の範囲の粒子径を有する粒子の集合体に分離する。篩い分けする粒子径は特に制限されないが、後述する焼成工程を経て得られる酸化ガリウム粉の平均粒子径に応じて決定すればよい。

（熱処理工程：Ｓ２０）
続いて、篩い分け後の造粒物を熱処理する。熱処理工程Ｓ２０は、大気雰囲気下において、熱処理温度が１０５０℃以上１４００℃以下である範囲内で造粒物を熱処理して処理物（熱処理後の酸化ガリウム粒子の集合体）を得る「熱処理段階」と、処理物を構成する粒子同士の凝集を解す「解し段階」と、を有している。なお、「凝集」とは、酸化ガリウム粒子同士が弱く付着している状態であり、振動篩い等の操作により付着が解消される程度の付着を意味する。また、「解す」とは、粒子同士の凝集を解消する操作を意味し、粉砕のように強い結合を切断するために行う操作は含まない。

本実施形態では、酸化ガリウムの焼結が十分に進む温度（１５００℃以上）よりも低い温度範囲で熱処理を行い、さらに、熱処理後の処理物の凝集を解すことにより、後述する焼成工程後に得られる酸化ガリウム粉の特性（平均粒子径および嵩密度）を所望の範囲内に制御できる。すなわち、熱処理工程Ｓ２０（熱処理段階および解し段階）を行うことで、後述する焼成工程後の酸化ガリウム粉を構成する粒子同士が強固に結合してバルク状の固体を形成することを防ぐことができる。熱処理温度を保持する時間は、１〜５時間であることが好ましい。

熱処理工程Ｓ２０は複数の熱処理工程を含んでいてもよい。すなわち、熱処理段階と解し段階とを有する熱処理工程を複数回行ってもよい。本実施形態では、熱処理工程Ｓ２０を２回繰り返す、すなわち、熱処理工程Ｓ２０は、第１熱処理工程Ｓ２１と第２熱処理工程Ｓ２２とから構成される。なお、熱処理工程を複数回繰り返す場合、熱処理温度を段階的に高くしていくことが好ましい。

第１熱処理工程Ｓ２１においては、熱処理温度が１０５０℃以上１２００℃以下である範囲内で第１熱処理段階Ｓ２１１を行うことが好ましい。第１熱処理段階Ｓ２１１では、各粒子は部分的に焼結し始め、隣接する粒子と互いに付着することがある。その結果、第１熱処理段階Ｓ２１１後の処理物（酸化ガリウム粒子の集合体）には、各粒子が互いに付着して凝集している部分が含まれている。換言すれば、第１熱処理段階における熱処理温度が酸化ガリウムの焼結が十分に進む温度よりも低いため、粒子同士は強固に付着しているわけではなく、各粒子を解すことができる程度に付着（凝集）している。したがって、第１解し段階Ｓ２１２において、篩い等を用いて第１熱処理段階Ｓ２１１後の処理物を解すことができる。解した後の処理物は、粒子の集合体として粉の形態を維持しており流動性を示す。

なお、第１解し段階Ｓ２１２において、処理物を解す方法としては、ボールミルやハンマーミルなどの機械式粉砕機を用いる粉砕のように強固な結合を切断するための操作以外の操作であれば特に制限されず、たとえば、振動篩いを用いた解し、ナイロンボールを用いた解し等が例示される。なお、第１熱処理工程Ｓ２１後の処理物の嵩密度は、酸化ガリウム原料粉体の嵩密度よりも上昇している。

第１熱処理工程Ｓ２１後の処理物は、第２熱処理工程Ｓ２２に供される。第２熱処理工程Ｓ２２では、第１熱処理段階Ｓ２１１よりも高い熱処理温度であって、熱処理温度が１２００〜１４００℃である範囲内で第２熱処理段階Ｓ２２１を行うことが好ましい。第１熱処理段階Ｓ２１１と同様に、第２熱処理段階Ｓ２２１では、各粒子の焼結が部分的に進行する。その結果、粒子同士が弱く付着する（凝集する）。そこで、第２熱処理段階Ｓ２２１後にも、第２解し段階Ｓ２２２において、処理物の凝集を解消し（解し）、粉状の酸化ガリウムを得る。第２熱処理段階Ｓ２２１後の処理物を解す操作としては、第１熱処理段階Ｓ２１１後の処理物を解す操作と同様の操作を行えばよい。第２熱処理工程Ｓ２２後の処理物の嵩密度は、第１熱処理工程Ｓ２１後の処理物の嵩密度よりも上昇している。

（焼成工程：Ｓ３０）
次に、第２熱処理工程Ｓ２２後の処理物を焼成する。焼成工程Ｓ３０は、大気雰囲気下において、焼成温度が１５００℃以上である範囲内で処理物を焼成する焼成段階Ｓ３０１と、焼成により得られる焼成物を構成する粒子同士の凝集を解して酸化ガリウム粉を得る解し段階Ｓ３０２と、を有している。焼成段階Ｓ３０１では、焼成温度を酸化ガリウムの焼結が十分に進む温度以上の温度に設定しているため、各粒子の焼結が十分に進み、その結果、粒子内部に存在している細かな気孔が消失して、粒子の密度が上がる。このとき、粒子同士も付着するが、上記の熱処理工程Ｓ２０を行っているため、その付着は弱い。したがって、酸化ガリウム原料粉体を、熱処理工程Ｓ２０を行うことなく焼成した場合に得られるバルク状の固体が示すような強固な結合が生じない。そのため、焼成物について、強固な結合を切断するために強い力を加えて粉砕する必要はなく、解し段階Ｓ３０２において、熱処理工程における解しと同程度の操作を行えばよい。解した後は、上述した平均粒子径と嵩密度とを有する酸化ガリウム粉を得ることができる。

焼成段階Ｓ３０１における焼成温度は、酸化ガリウムの融点よりも低くする必要がある。さらに、粒子同士の焼結が過度に進み、粒子同士が強固に付着することを防止するために、焼成温度は１７００℃以下であることが好ましい。なお、焼成温度を保持する時間は、１〜５時間であることが好ましい。

以上の工程を経ることで、平均粒子径が大きいにもかかわらず嵩密度が大きな酸化ガリウム粉を得ることができる。すなわち、上記の製造方法において、原料粉体の特性、熱処理の回数、熱処理条件（熱処理温度、保持時間、解し操作等）、焼成条件（熱処理温度、保持時間、解し操作等）を制御することにより、所望の平均粒子径を有し、所望の嵩密度を有する酸化ガリウム粉を得ることができる。しかも強い衝撃を与える粉砕操作を行うことなく酸化ガリウム粉が得られるため、不純物の混入を抑制できる。

（３．本実施形態の効果）
上記の実施形態では、ミリ（ｍｍ）オーダーの平均粒子径を有し、しかも嵩密度が高い粉状の酸化ガリウムを得ている。このような酸化ガリウム粉は、ハンドリング性が良好であるとともに、平均粒子径が比較的大きいため原料投入時の粉塵の発生を抑制できる。しかも不純物の混入等を抑制され、原料が投入されるるつぼの充填率を高めることができる。このような酸化ガリウム粉は、特に、酸化ガリウムを含む単結晶の製造に好適であり、さらにＧＧＧ（ガリウムガドリニウムガーネット）、ＩＧＺＯなどの酸化ガリウム粉体を原料とする結晶であって、溶融により製造するもの全般に使用できる。

なお、一般的に、粉体の嵩密度を高めるためには、粉体の粒子径を小さくする、あるいは、機械的に粉体の密度を高めることなどが考えられる。

しかしながら、粉体の粒子径を小さくするには限界があり、しかもミクロンオーダーあるいはサブミクロンオーダーの粉体では嵩密度が低いことが本発明者らによって確認されている。また、機械的に粉体の密度を高めてバルク状の固体とした場合には、るつぼ投入時の原料のハンドリング性が悪化する。また、バルク状の固体を粉砕する場合には、粒子同士の強固な結合を切断する必要があるため、粉砕部材等からの不純物の混入等による原料純度の低下が懸念される。特に、単結晶等の非常に高い純度が要求される用途では問題がある。したがって、上記の実施形態に係る酸化ガリウム粉が好ましい。

また、上記の実施形態では、酸化ガリウムの微粒から構成される酸化ガリウム原料粉体を造粒して、微粒よりも粒子径が大きい粒子を形成している。そして、該粒子が含まれる造粒物に対して、酸化ガリウムの焼結がある程度進む温度範囲内で熱処理を行い、さらに熱処理後の処理物における粒子同士の付着を解している。このようにすることにより、焼結がある程度進んだ酸化ガリウム粒子同士が強く付着することを有効に防止し、粒子の密度を上げつつ粉の形態を維持することができる。その後、熱処理後の処理物を焼成することで、該粒子を十分焼結させることができるため、粒子径が大きな粒子の集合体（粉）であっても、嵩密度を高くすることができる。

特に、造粒工程により、酸化ガリウムの微粒から粒子径の大きい粒子を作製することにより、熱処理工程時および焼成工程時において、焼結反応による粒子同士の付着を弱めることができる。その結果、強い衝撃を与えることなく、解すことが容易となる。また、弱い衝撃で該粉を解すことができるので、不純物の混入も抑制できる。

また、熱処理工程を複数回行うことにより、酸化ガリウム粒子同士の強固な付着をより抑制でき、しかも該粒子の焼結を十分に進行させることができるので、より効果的である。

また、酸化ガリウムの原料粉体として、平均粒子径の異なる酸化ガリウム粉体を混合して用いることで、焼結が促進され、酸化ガリウム粉の嵩密度をより高めることができる。

また、有機物から構成される結合剤を水と共に添加して造粒することで、原料粉体の微粒同士をより密着させることができる。その結果、酸化ガリウム粉の嵩密度をより高めることができる。

また、造粒後の造粒物を構成する粒子の平均粒子径を上述した範囲内とすることにより、熱処理工程および焼成工程において、酸化ガリウム粒子同士の付着をより抑制することができる。

（４．変形例）
上記の実施形態では、熱処理工程として、２つの熱処理工程（第１熱処理工程および第２熱処理工程）から構成されている例を挙げたが、１つの熱処理工程から構成されていてもよい。１つの熱処理工程から構成されている場合には、熱処理温度を高くすることが好ましい。具体的には、熱処理温度が１０５０℃以上１３００℃以下である範囲内で熱処理を行うことが好ましい。このようにすることにより、熱処理工程が１回であっても、次工程である焼成工程後に粒子同士は強く付着しないため、解しを行うことができる。

上記の実施形態では、熱処理後の処理物あるいは焼成後の酸化ガリウム粉を篩いを用いて解しているが、他の方法により解してもよい。ただし、熱処理後および焼成後の酸化ガリウム粉は、互いに弱く付着（凝集）しているので、通常の粉砕により加えられるような強い衝撃は必要ない。強い衝撃を不要とすることにより酸化ガリウム粉に不純物が混入するのを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

出発原料として、酸化ガリウム原料粉体（原料粉体Ａ〜Ｄ）を準備した。原料粉体Ａ、ＣおよびＤは、ＤＯＷＡエレクトロニクス製の酸化ガリウムであり、製造ロットが異なる粉体であった。原料粉体Ｂは、ＤＯＷＡエレクトロニクス社製の酸化ガリウム（微粒子タイプ）であった。どの原料粉体も水酸化ガリウムを８００℃で焼成することにより得られる粉体であり、酸化ガリウムの含有量は９９．９重量％以上であり、各不純物元素の含有量はそれぞれ１０ｐｐｍ以下であった。原料粉体Ａ〜Ｄの粉体特性を表１に示す。

表１から明らかなように、原料粉体Ａ、ＣおよびＤは原料粉体Ｂよりも平均粒子径が小さく、逆に比表面積は小さい傾向にある。なお、原料粉体Ａ〜Ｄの嵩密度はいずれも１ｇ／ｃｍ^３を大きく下回っていた。

（試験１）
まず、原料粉体Ａおよび原料粉体Ｂを表２に示す割合で混合して得られる粉体を、造粒機のパン型容器に１ｋｇ投入した。回転速度は１２０ｒｐｍとした。パン型容器の直径は５００ｍｍであり、水平方向に対し４８．５度傾斜していた。

造粒機の容器を回転させて粉体を転動させながら、粉体１００重量部に対して、水（比抵抗値が１６〜１８ＭΩｃｍの超純水）を１８〜２３重量部添加し、粉体を構成する微粒子同士を付着させることにより、微粒よりも粒子径が大きい粒子を形成する造粒を行った。試料番号３および４について造粒後の造粒物の含水率を表２に示す。得られた造粒物の粒子は比較的硬く、その形状は歪であった。

得られた造粒物を２．０ｍｍの目開きを有する篩いと、５．６ｍｍの目開きを有する篩いとを用いて篩い分けし、５．６ｍｍの目開きを通過し２．０ｍｍの目開きを通過しなかった造粒物と、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった造粒物と、に分けた。なお、２．０ｍｍの目開きを通過した造粒物は以降の工程には用いなかった。

得られた造粒物について、熱処理工程を２回行った。第１熱処理段階では、大気雰囲気下で造粒物を１１００℃の熱処理温度で３時間保持した後、温度を室温まで降下させた。得られた処理物は部分的に焼結しており、粒子と粒子とが弱く付着していた。続いて、第１解し段階において、２．０ｍｍの目開きを有する篩いと、５．６ｍｍの目開きを有する篩いとを用いて篩い分けすることにより粒子の付着を解した。その結果、処理物は解されるとともに、５．６ｍｍの目開きを通過し２ｍｍの目開きを通過しなかった処理物と、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった処理物と、に分けられた。解した後の処理物の嵩密度を表２に示す。なお、２．０ｍｍの目開きを通過した処理物は以降の工程には用いなかった。

第１熱処理工程後の処理物について、第２熱処理工程を行った。第２熱処理段階では、大気雰囲気下で処理物を１３００℃の熱処理温度で３時間保持した後、温度を室温まで降下させた。第１熱処理段階後の処理物と同様に、得られた処理物は部分的に焼結しており、粒子と粒子とが弱く付着していた。続いて、第２解し段階において、２．０ｍｍの目開きを有する篩いと、５．６ｍｍの目開きを有する篩いとを用いて篩い分けすることにより粒子の付着を解した。その結果、処理物は解されるとともに、５．６ｍｍの目開きを通過し２．０ｍｍの目開きを通過しなかった処理物と、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった処理物と、に分けられた。解した後の処理物（酸化ガリウム粉）の嵩密度を表２に示す。なお、２．０ｍｍの目開きを通過した処理物は以降の工程には用いなかった。

次に、第２熱処理工程後の処理物について、焼成工程を行った。焼成段階では、大気雰囲気下で処理物を１５００℃の焼成温度で３時間保持した後、温度を室温まで降下させた。得られた焼成物は焼結がほぼ完了していたが、粒子と粒子との付着は弱かった。続いて、解し段階では、２．０ｍｍの目開きを有する篩いおよび５．６ｍｍの目開きを有する篩いを用いて篩い分けすることにより粒子の付着を解した。その結果、焼成物は解されるとともに、５．６ｍｍの目開きを通過し２．０ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉と、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉と、に分けられた。酸化ガリウム粉の嵩密度を表２に示す。また、５．６ｍｍの目開きを通過し２．０ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉の写真を図２（ａ）に、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉の写真を図２（ｂ）に示す。なお、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった焼成物において、最大粒子径は１２ｍｍであった。この写真より、１０個の酸化ガリウム粒子の一定方向の幅を測定し、それらの平均値を算出することにより求めた平均粒子径は、図２（ａ）では３．２ｍｍ、図２（ｂ）では７．０ｍｍであった。

表２より、焼成後の酸化ガリウム粉の嵩密度は、酸化ガリウム原料粉体の嵩密度よりも非常に大きくなっていることが確認できた。また、５．６ｍｍの目開きを通過し、２．０ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉は、その平均粒子径は２．０〜５．６ｍｍの間にあり、５．６ｍｍの目開きを通過しなかった酸化ガリウム粉は、その平均粒子径は５．６〜１２ｍｍの間にある。すなわち、本実施例によれば、平均粒子径がミリオーダーという非常に大きな値を示しながらも、嵩密度が高い酸化ガリウム粒子を得られることが確認できた。なお、酸化ガリウム粉の平均粒子径が比較的小さい場合には、嵩密度が比較的大きくなるという関係を有することが確認できた。

（試験２）
出発原料として粉体Ｃを用いて撹拌造粒を行い、水のみを添加して作製した造粒物と、バインダとしてポリビニルアルコール（株式会社クラレ製クラレポバールＰＶ２１７）の１０％水溶液を添加して作製した造粒物と、を得た。

得られた造粒物について、第１熱処理工程（熱処理条件：１１００℃−３ｈ）、第２熱処理工程（熱処理条件：１３００℃−３ｈ）および焼成工程（焼成条件：１５００℃−３ｈ）を行うことにより、酸化ガリウム粉を得た。バインダを添加して作製した造粒物から得られた酸化ガリウム粉の嵩密度は２．７９ｇ／ｃｍ^３であり、水のみを添加して作製した造粒物から得られた酸化ガリウム粉の嵩密度は２．６９ｇ／ｃｍ^３であった。したがって、造粒工程において結合剤を用いることにより、得られる酸化ガリウム粉の嵩密度が上がることが確認できた。

（試験３）
出発原料として粉体Ｄを用いて試験１と同様の転動造粒を行い、得られた造粒物に対し、熱処理工程（熱処理条件：１１００℃−１ｈ）を１回行い、２．０ｍｍの目開きの篩いにより粒子の付着を解した後、焼成工程（焼成条件：１５００℃−３ｈ）を行い、２．０ｍｍの目開きの篩いにより粒子の付着を解すことにより、酸化ガリウム粉を得た。得られた酸化ガリウム粉についての写真より１０個の酸化ガリウム粒子の一定方向の幅を測定し、それらの平均値を算出することにより求めた平均粒子径は１．２ｍｍであった。また、酸化ガリウム粉の嵩密度は３．２０ｇ／ｃｍ^３であった。したがって、熱処理工程が１回の場合であっても、平均粒子径がミリオーダーでありながら、嵩密度が高い酸化ガリウム粉を得られることが確認できた。

また、出発原料の粉体Ｄおよび焼成後の酸化ガリウム粉について、ＩＣＰ発光分光分析装置（アジレント・テクノロジー社製７２０−ＥＳ）によって、不純物の混入を確認した。表３にその結果を示す。

この結果より、上記の工程を経ることにより僅かな不純物の混入は見られるものの、Ｆｅなどの値は、機械的粉砕を行う場合に比べて小さかった。また、超純水を用いているため、ＳｉやＣａ等の不純物の増加も抑制することができた。

また、比較例として、熱処理工程の温度を１０００℃とした以外は、試験３と同様の工程を行った。その結果、焼成工程後は硬いブロック状の焼結体となり、篩いにより解すことは出来なかった。また、熱処理工程を経ずに、直接焼成工程を行った場合も、硬いブロック状の焼結体となり、篩いにより解すことは出来なかった。

Claims (3)

1. 平均粒子径が１．０ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする酸化ガリウム粉。
2. ガリウムを含む酸化物結晶を製造するために用いられることを特徴とする請求項１に記載の酸化ガリウム粉。
3. 不純物として含有されるＳｉの不純物量が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化ガリウム粉。