KR20070094652A - Container for easily oxidizable or hygroscopic substance, and method for heating and pressuring treatment of easily oxidizable or hygroscopic substance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 Na 플럭스 등의 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질을 위한 용기 및 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질의 가열 및 가압 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a container for an easily oxidizable or hygroscopic material such as Na flux and a method for heating and pressurizing an easily or easily hygroscopic material.
질화갈륨 박막 결정은 우수한 청색 발광 소자로서 주목을 모으고 있으며, 발광 다이오드에 있어서 실용화되고, 광픽업용 청자색 반도체 레이저 소자로서도 기대되고 있다. Na 플럭스법에 의해 질화갈륨 단결정을 성장시키는 방법으로서, 예컨대 「Jpn. J. Appl. Phys.」 Vol. 42, (2003) 페이지 L4-L6에서는 질소만의 분위기를 사용한 경우에는 분위기 압력은 50 기압이며, 암모니아 40%, 질소 60%의 혼합 가스 분위기를 이용한 경우는 전체압력은 5 기압이다.Gallium nitride thin film crystals have attracted attention as excellent blue light emitting devices, have been put to practical use in light emitting diodes, and are expected to be used as blue violet semiconductor laser devices for optical pickup. As a method of growing a gallium nitride single crystal by the Na flux method, for example, "Jpn. J. Appl. Phys. Vol. Page 42, (2003) In L4-L6, the atmosphere pressure is 50 atm when using only nitrogen, and the total pressure is 5 atm when using a mixed gas atmosphere of 40% ammonia and 60% nitrogen.
또한, 예컨대, 일본 특허 공개 제2002-293696호 공보에서는 질소와 암모니아의 혼합 가스를 이용하여 10부터 100 기압으로 하고 있다. 일본 특허 공개 제2003-292400호 공보에서도 성장시의 분위기 압력은 100 기압 이하이며, 실시예에서는 2, 3, 5 MPa(약 20 기압, 30 기압, 50 기압)이다. 또한, 어느 종래 기술에 있어서도 성장 온도는 모두 1000℃ 이하이며, 실시예에서는 모두 850℃ 이하이다.For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293696 uses 10 to 100 atmospheres by using a mixed gas of nitrogen and ammonia. In Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-292400, the atmospheric pressure at the time of growth is 100 atm or less, and in the examples, it is 2, 3, 5 MPa (about 20 atm, 30 atm, 50 atm). Moreover, also in any prior art, the growth temperature is all 1000 degrees C or less, and all are 850 degrees C or less in an Example.
한편, 본 출원인은 일본 특허 출원 제2004-103092에 있어서, 열간 등방압 프레스(HIP) 장치를 이용하여 특정 조건하에서 효율적으로 질화갈륨 단결정을 성장시키는 방법을 개시하였다.On the other hand, the applicant of Japanese Patent Application No. 2004-103092 discloses a method of growing a gallium nitride single crystal efficiently under specific conditions by using a hot isostatic press (HIP) apparatus.
그러나, 이러한 가열 및 가압 장치를 이용하여 플럭스법에 의해 결정 성장을 행할 경우에는 이하의 문제점이 새롭게 발생하는 것이 판명되었다. 즉, 종래의 머플로(muffle)를 이용하는 성장에서는 글러브 박스 안에서 원료를 칭량하고, 도가니에 충전한 후, 밸브가 부착된 스테인레스제 밀폐 용기에 봉입하고 나서 이 밀폐 용기를 글러브 박스로부터 꺼내기 때문에, 원료가 대기에 노출되는 일이 없고, 대기 중 산소에 의한 원료의 산화 및 대기 중 수분과의 반응을 막을 수 있었다. 그러나, HIP 장치 안에서는 상기한 밸브가 부착된 밀폐 용기를 사용할 수 없다. HIP의 압력 용기의 뚜껑을 열어 용기 안에 직접 도가니를 배치하고 나서 뚜껑을 닫기 때문에, 원료가 작업 중에 대기에 노출되어 산화 또는 흡습되어 버리는 문제가 있었다.However, when crystal growth is carried out by the flux method using such a heating and pressurizing device, it has been found that the following problems arise newly. That is, in the growth using a conventional muffle, the raw material is weighed in a glove box, filled into a crucible, and then sealed in a stainless steel sealed container with a valve, and then the sealed container is taken out of the glove box. Was not exposed to the atmosphere, and oxidation of the raw material by oxygen in the atmosphere and reaction with moisture in the atmosphere could be prevented. However, it is not possible to use a closed container with the above valve in a HIP device. Since the lid is closed after opening the lid of the pressure vessel of the HIP and placing the crucible directly into the vessel, there is a problem that the raw material is exposed to the atmosphere during operation and oxidized or absorbed.
이 결과, 플럭스 액면에서의 질소의 용해가 저해되고, 갈륨의 질화율이 낮아지며, 또한 검게 착색된 질화갈륨 단결정이 얻어지게 된다. As a result, dissolution of nitrogen at the flux liquid level is inhibited, gallium nitride rate is lowered, and black colored gallium nitride single crystal is obtained.
본 발명의 과제는 Na 플럭스 등의 산화 용이성, 흡습 용이성 물질을 비산화성 분위기하에서 가열 및 가압 처리하는 데 적합한 용기를 제공하고, 이것에 의해 산화 용이성, 흡습 용이성 물질의 처리 전에 있어서의 불필요한 산화, 흡습을 방지하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a container suitable for heating and pressurizing an easily oxidizing and hygroscopic material such as Na flux in a non-oxidizing atmosphere, whereby unnecessary oxidation and moisture absorption prior to treatment of the easily oxidizing and hygroscopic material. To prevent.
본 발명은 비산화성 분위기하에서 가열 및 가압 처리되는 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질을 수용하기 위한 용기로서, 개구가 설치되어 있으며, 상기 처리 이전에는 개구를 기밀하게 밀봉하여, 가열 및 가압시에는 개구를 비산화성 분위기로 연통시키는 밀봉 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질의 용기에 따른 것이다.The present invention is a container for accommodating an easily oxidizing or hygroscopic material which is heated and pressurized in a non-oxidizing atmosphere, the opening being provided, and the opening is hermetically sealed before the treatment, and the opening is scattered when heated and pressurized. According to the container of the easily oxidizing or moisture-absorbing substance which is provided with the sealing means which communicates with a chemical atmosphere.
또한, 본 발명은 비산화성 분위기하에서 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질을 가열 및 가압 처리하는 방법으로서, 용기에 개구가 설치되어 있으며, 이 개구가 기밀하게 밀봉되고, 가열 및 가압 조건하에서 개구를 비산화성 분위기로 연통시키는 밀봉 수단을 구비하고 있는 용기를 사용하고, 이 용기 안에 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질을 수용하며, 계속해서 용기를 비산화성 분위기하에서 가열 및 가압 처리하는 것을 특징으로 하는 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질의 가열 및 가압 처리 방법에 따른 것이다.In addition, the present invention is a method for heating and pressurizing an easily oxidizing or hygroscopic material under a non-oxidizing atmosphere, wherein an opening is provided in a container, the opening is hermetically sealed, and the opening is closed under a non-oxidizing atmosphere. An easily oxidizing or easily absorbing substance, characterized by using a container having a sealing means for communicating with the furnace, containing an easily oxidizing or hygroscopic substance in the container, and subsequently heating and pressurizing the container under a non-oxidizing atmosphere. According to the heating and pressure treatment method.
본 발명에 의하면, 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질의 용기에 개구를 설치하고, 이 개구를 기밀하게 밀봉한다. 이것에 의해, 비산화성 분위기하에서 가열 및 가압하기 전의 단계에서는 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질의 산화성 분위기, 특히 대기와의 접촉을 방지할 수 있다. 또한, 이 용기를 비산화성 분위기하에서 가열 및 가압할 때에는 밀봉 수단이 해제되기 때문에, 용기 안의 산화 용이성 또는 흡습 용이성 물질에 대하여 소정의 가열 및 가압 처리를 실시하는 것이 가능해진다.According to the present invention, an opening is provided in a container of an easily oxidizable or easily hygroscopic material, and the opening is hermetically sealed. Thereby, in the step before heating and pressurizing in a non-oxidizing atmosphere, contact with the oxidizing atmosphere, especially air | atmosphere, of an easily oxidizing or easily hygroscopic material can be prevented. In addition, since the sealing means is released when the container is heated and pressurized in a non-oxidizing atmosphere, it becomes possible to perform a predetermined heating and pressurization treatment on an easily oxidizable or easily hygroscopic substance in the container.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서 사용 가능한 용기(1)를 개략적으로 도시한 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The sectional drawing which shows schematically the container 1 which can be used in embodiment of this invention.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서 사용 가능한 용기(1A)를 개략적으로 도시한 단면도.2 is a cross-sectional view schematically showing a container 1A usable in the embodiment of the present invention.
도 3은 HIP 장치에 도 1(또는 도 2)의 용기를 세트한 상태를 도시한 도면.FIG. 3 is a view showing a state in which the container of FIG. 1 (or FIG. 2) is set in the HIP apparatus. FIG.
본 발명에 있어서, 비산화성 분위기의 종류는 특별히 한정되지 않고, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기나 일산화탄소, 수소 등의 환원성 분위기가 포함되지만, 질소 함유 분위기에 대하여 특히 적합하다. 질소 함유 분위기는 질소만으로 이루어져 있어도 좋지만, 질소 이외의 비산화성 가스, 예컨대 아르곤 등의 불활성 가스나 환원성 가스를 함유하고 있어도 좋다.In the present invention, the type of non-oxidizing atmosphere is not particularly limited, and inert gas atmospheres such as nitrogen and argon, and reducing atmospheres such as carbon monoxide and hydrogen are included, but are particularly suitable for the nitrogen-containing atmosphere. The nitrogen-containing atmosphere may consist only of nitrogen, but may contain a non-oxidizing gas other than nitrogen, such as an inert gas such as argon or a reducing gas.
또한, 본 발명에 있어서, 산화 용이성, 흡습 용이성 물질을 가열 및 가압 처리하기 위한 장치는 특별히 한정되지 않는다. 이 장치는 열간 등방압 프레스 장치가 바람직하지만, 그것 이외의 분위기 가압형 가열로라도 좋다.In addition, in this invention, the apparatus for heating and pressurizing an easily oxidizing property and an easily hygroscopic material is not specifically limited. Although a hot isotropic pressure press apparatus is preferable, this apparatus may be an atmospheric pressurized heating furnace other than that.
이하, 도면을 적절하게 참조하면서, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 각 도면은 단결정 플럭스 원료에 대하여 본 발명을 적용한 예를 중심으로 하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail, referring drawings suitably. Each drawing below is demonstrated centering on the example which applied this invention with respect to the single crystal flux raw material.
도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 도가니(9)는 도가니 본체(8)와, 본체(8)를 피복하는 뚜껑(7)을 구비하고 있다. 이 도가니(9)에 원료(10)를 비산화성 분위기의 글러브 박스 안에서 봉입하여, 본 발명의 용기(1)(또는 1A) 내에서 비산화성 분위기 하에서 봉입한다. 이 용기(1)(1A)는 본체(2)와 덮개(3)를 구비하고 있다. 본체(2)의 상측 엣지에는 가늘고 긴 플랜지(2a)가 형성되어 있다. 덮개(3)의 하측으로부터도 대략 원환 형상의 플랜지(3a)가 돌출되어 있으며, 플랜지(2a와 3a)가 서로 접함으로써, 연면 거리를 길게 하고 있다.As shown to FIG. 1, FIG. 2, the
도 1의 예에서는 덮개(3)의 소정 지점에 개구(4)가 형성되어 있으며, 각 개구(4)의 내측에 밀봉 수단(5)이 고정되어 있다. 도 2의 예에서는 각 개구(4)의 외측에 밀봉 수단(5A)이 고정되어 있다. 각 용기는 밀봉 수단(5, 5A)에 의해, 용기(1, 1A) 밖의 분위기로부터는 기밀하게 밀봉되어 있다. 이 상태에서 용기(1, 1A)를 글러브 박스로부터 꺼내고, 계속해서 그대로 결정 성장 장치 안에 설치한다. In the example of FIG. 1, the
예컨대, 도 3에 도시하는 예에 있어서는 HIP(열간 등방압 프레스) 장치(11)의 압력 용기(12) 안에 재킷(13)을 고정하고, 재킷(13) 안에 본 발명의 용기(1)(1A)를 설치한다. 압력 용기(12)의 외부에는 도시하지 않은 혼합 가스 봄베(bombe)를 설치한다. 혼합 가스 봄베 안에는 소정 조성의 혼합 가스가 충전되어 있으며, 이 혼합 가스를 압축기에 의해 압축하여 소정 압력으로 하고, 공급관(15)을 통해 압력 용기(12) 안에 화살표 A와 같이 공급한다. 이 분위기 중 질소는 질소원이 되며, 아르곤 가스 등의 불활성 가스는 플럭스의 증발을 억제한다. 이 압력은 도시하지 않은 압력계에 의해 감시된다. 용기(1)(1A)의 주위에는 히터(14)가 설치되어 있으며, 도가니 안의 성장 온도를 제어할 수 있게 되어 있다.For example, in the example shown in FIG. 3, the
여기서, 압력 용기(12) 안에서 용기(1)(1A)를 가열 및 가압하는 단계 중 어느 시점에서 밀봉 수단(5)(5A)에 의한 기밀 밀봉이 해제되도록 되어 있다. 본 예에 서는, 예컨대 밀봉 수단(5)(5A)이 고온에 의해 용융되거나 혹은 압력에 의해 파괴되거나 혹은 압력에 의해 용기(1)(1A)로부터 떨어지거나 하도록 설계해 둔다. 불필요해진 밀봉 수단(5)은 도 1의 예에 있어서는 용기(1)의 내측면에 부착된 상태가 되거나 혹은 용기(1) 안의 하측으로 낙하된다. 또한, 불필요해진 밀봉 수단(5A)은 도 2의 예에 있어서는 용기(1A)의 외측면에 부착된 상태가 되거나 혹은 용기(1A)로부터 떨어져 비산된다. 이 결과, 용기 내 분위기(6)가 비산화성 분위기와 연통된다.Here, the airtight sealing by the sealing means 5 (5A) is released | released at some time in the step of heating and pressurizing the container 1 (1A) in the
적합한 실시형태에 있어서, 밀봉 수단은 가열하에서 용융 및/또는 변형되는 재질로 이루어진다. 이러한 재질은 더욱 연질인 것이 기밀성 확보 및 기밀성의 해제가 쉽다는 점에서 바람직하다. 가열하에서 용융 및/또는 변형되는 재질로서는 저융점 금속이나 고분자 재료가 바람직하다. 목적으로 하는 온도에서 용융될지 변형될지는 처리 온도와 밀봉 수단의 재질과의 관계로 결정된다. 저융점 금속으로서는 알루미늄, 인듐, 주석, 납 및 이들의 일종 이상을 함유하는 합금(예컨대 땜납)을 예시할 수 있다. 또한, 고분자 재료로서는 파라핀, 폴리에틸렌, 테플론, 부틸 고무를 예시할 수 있다.In a suitable embodiment, the sealing means consists of a material which melts and / or deforms under heating. Such a material is preferably softer in that airtightness and release of airtightness are easy. As a material which melts and / or deforms under heating, a low melting point metal or a polymer material is preferable. Whether to melt or deform at a desired temperature is determined by the relationship between the processing temperature and the material of the sealing means. As the low melting point metal, an alloy (for example, solder) containing aluminum, indium, tin, lead, and one or more thereof can be exemplified. Moreover, paraffin, polyethylene, Teflon, butyl rubber can be illustrated as a polymeric material.
밀봉 수단이 가열에 의해 용융, 변형되는 실시형태에 있어서는 밀봉 수단의 형태는 특별히 한정되지 않지만, 시트형이어도 좋고, 필름형이어도 좋으며, 또한, 판형이어도 좋다. 밀봉 수단의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 용기 내부의 기밀성이라는 관점으로부터는 0.01 mm 이상이 바람직하고, 0.05 mm 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 밀봉 수단의 두께는 용융이나 변형의 용이성이나 확실성이라는 관점으 로부터는 3 mm 이하가 바람직하고, 1 mm 이하가 더욱 바람직하다.In the embodiment in which the sealing means is melted and deformed by heating, the form of the sealing means is not particularly limited, but may be a sheet, may be a film, or may be a plate. Although the thickness of a sealing means is not specifically limited, From a viewpoint of airtightness in a container, 0.01 mm or more is preferable and 0.05 mm or more is more preferable. Further, the thickness of the sealing means is preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less from the viewpoint of ease of melting and deformation and reliability.
밀봉 수단이 가열에 의해 용융, 변형되는 실시형태에 있어서는 밀봉 수단을 용기에 부착하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 이하를 예시할 수 있다.In the embodiment in which the sealing means is melted and deformed by heating, the method of attaching the sealing means to the container is not particularly limited, and the following can be exemplified.
밀봉 수단을 용기에 접착한다.Bond the sealing means to the container.
밀봉 수단을 용기에 기계적으로 고정한다.The sealing means is mechanically fixed to the container.
또한, 적합한 실시형태에 있어서 밀봉 수단은 가압하에서 파괴 또는 용기로부터 분리된다. 파괴된 경우에는 밀봉 수단은 가압하에서 파손되어 관통 구멍이 개방되는 것이어도 좋고, 혹은 밀봉 수단이 복수의 파편으로 분열되는 것이어도 좋다. 이 경우, 밀봉 수단은 파괴되면서도 용기에는 적어도 일부가 부착 상태를 유지하고 있다. 한편, 밀봉 수단은 용기로부터 분리 혹은 박리되도록 설계할 수도 있다.Furthermore, in a suitable embodiment the sealing means is broken under pressure or separated from the container. When broken, the sealing means may be broken under pressure and the through hole may be opened, or the sealing means may be broken into a plurality of fragments. In this case, at least a part of the sealing means remains attached to the container while the sealing means is broken. On the other hand, the sealing means may be designed to be separated or peeled from the container.
구체적으로는, 밀봉 수단을 가압시에 용이하게 파괴하는 파단 강도가 낮은 재질에 의해 형성하거나 혹은 밀봉 수단을 얇은 시트형으로 성형함으로써 파단되기 쉽게 한다. 이러한 재질로서는 알루미늄박, 스테인레스박, 금박을 예시할 수 있다.Specifically, the sealing means is easily formed by a material having a low breaking strength that breaks easily upon pressurization or by shaping the sealing means into a thin sheet. As such a material, aluminum foil, stainless foil, and gold foil can be illustrated.
또한, 밀봉 수단이 가압시에 파단되기 쉽게 하기 위해서는 밀봉 수단의 두께를 0.1 mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.05 mm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 밀봉 수단에 의한 용기 안의 기밀성 유지라는 관점으로부터는 밀봉 수단의 두께를 0.01 mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02 mm 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, in order for the sealing means to be easily broken at the time of pressing, the thickness of the sealing means is preferably 0.1 mm or less, and more preferably 0.05 mm or less. Moreover, it is preferable to make thickness of a sealing means 0.01 mm or more from a viewpoint of airtightness maintenance in a container by a sealing means, and it is more preferable to set it as 0.02 mm or more.
가압시에 밀봉 수단이 파괴되는 실시형태에 있어서는 밀봉 수단을 용기에 부 착하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 이하를 예시할 수 있다.In the embodiment in which the sealing means is broken at the time of pressurization, the method of attaching the sealing means to the container is not particularly limited, and the following can be exemplified.
밀봉 수단을 용기에 접착한다.Bond the sealing means to the container.
밀봉 수단을 용기에 기계적으로 고정한다.The sealing means is mechanically fixed to the container.
또한, 가압시에 밀봉 수단이 용기로부터 떨어지는 실시형태에 있어서는 밀봉 수단의 용기에의 부착력을, 가압시에 밀봉 수단이 확실하게 용기로부터 분리될 정도로 낮게 설정해 둔다. 이러한 부착 방법은 한정되지 않지만, 예컨대 접착, 압착법이 있다.In addition, in embodiment which a sealing means falls from a container at the time of pressurization, the adhesive force of a sealing means to a container is set low so that a sealing means may reliably separate from a container at the time of pressurization. Such an attachment method is not limited, but there are, for example, adhesion and compression methods.
개구의 형성 장소는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 용기의 덮개측에 설치할 수 있지만, 용기 본체측에 설치할 수도 있고, 덮개측과 본체측 양방에 설치할 수도 있다. 개구의 개수나 치수도 특별히 한정되지 않는다. 개구 직경은 밀봉 수단에 의한 기밀 밀봉이 해제되었을 때의 외부와 용기 내 분위기와의 통기성을 촉진시킨다는 관점으로부터는 1 mm 이상인 것이 바람직하고, 3 mm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 용기 내부의 기밀 밀봉을 확보한다는 관점으로부터는 개구 직경은 10 mm 이하인 것이 바람직하다.The formation place of an opening is not specifically limited. For example, although it can install on the lid side of a container, it can also be provided in the container main body side, and can also be provided in both a lid side and a main body side. The number and dimensions of the openings are also not particularly limited. The opening diameter is preferably 1 mm or more, more preferably 3 mm or more from the viewpoint of promoting air permeability between the outside and the atmosphere in the container when the airtight sealing by the sealing means is released. In addition, it is preferable that an opening diameter is 10 mm or less from a viewpoint of ensuring the airtight sealing of a container inside.
본 발명을 적용할 수 있는 산화 용이성, 흡습 용이성 물질은 특별히 한정되지 않는다. 산화 용이성, 흡습 용이성 물질은 상온하에서 대기에 접촉하였을 때에 용이하게 산화, 흡습이 관측되는 물질을 의미하고 있으며, 예컨대 1분 이내에 산화, 흡습이 관측되는 물질을 의미한다. 산화 용이성, 흡습 용이성 물질은 분말의 혼합물이어도 좋고, 또한 성형체라도 좋다.The easily oxidizing and hygroscopic substances to which the present invention can be applied are not particularly limited. Easiness of oxidation and moisture absorption means the substance which the oxidation and moisture absorption are observed easily, when contacted with air | atmosphere at normal temperature, for example, the substance which oxidation and moisture absorption are observed within 1 minute. Easiness of oxidation and moisture absorption material may be a mixture of powder, and a molded object may be sufficient as it.
적합한 실시형태에 있어서, 산화 용이성, 흡습 용이성 물질은 단결정(특히 질화물 단결정) 성장용 플럭스 원료이다. 이 플럭스 중에는 알카리 금속 및 알칼리토류 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 함유시키는 것이 바람직하다. 이 금속으로서는 나트륨, 리튬, 칼슘이 특히 바람직하고, 나트륨이 가장 바람직하다.In suitable embodiments, the easily oxidizing and hygroscopic materials are flux raw materials for single crystal (especially nitride single crystal) growth. It is preferable to contain at least 1 type of metal selected from the group which consists of an alkali metal and alkaline-earth metal in this flux. As this metal, sodium, lithium, calcium are especially preferable, and sodium is the most preferable.
또한, 이 플럭스 중에는 상기 금속 이외에, 예컨대 이하의 금속을 첨가할 수 있다.In addition, the following metals can be added to this flux other than the said metal, for example.
칼륨, 루비듐, 세슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 주석Potassium, Rubidium, Cesium, Magnesium, Strontium, Barium, Tin
본 발명의 성장 방법에 의해, 예컨대 이하의 단결정을 적합하게 성장시킬 수 있다.By the growth method of the present invention, for example, the following single crystals can be appropriately grown.
GaN, AlN, InN, 이들의 혼정(AlGaInN), BN 본 발명에서의 가열 온도, 압력은 산화 용이성, 흡습 용이성 물질의 종류에 의해 선택하기 때문에 특별히 한정되지 않는다. 가열 온도는, 예컨대 800∼1200℃로 할 수 있다. 또한, 이 상한은 특별히 없지만, 플럭스법의 경우에는 예컨대 1500℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 압력도 특별히 한정되지 않지만, 밀봉 수단을 압력에 의해 파괴 또는 제거하는 실시형태에 있어서는 압력은 1 MPa 이상인 것이 바람직하고, 5 MPa 이상인 것이 더욱 바람직하다. 압력의 상한은 특별히 규정하지 않지만, 플럭스법의 경우에는, 예컨대 200 MPa 이하로 할 수 있다.GaN, AlN, InN, these mixed crystals (AlGaInN), BN The heating temperature and pressure in the present invention are not particularly limited because they are selected depending on the type of easily oxidizing and easily absorbing materials. Heating temperature can be 800-1200 degreeC, for example. In addition, there is no particular upper limit, but in the case of the flux method, for example, the upper limit can be 1500 ° C or lower. Moreover, although a pressure is not specifically limited, either, In embodiment which breaks or removes a sealing means by pressure, it is preferable that it is 1 MPa or more, and it is more preferable that it is 5 MPa or more. Although the upper limit of pressure is not specifically defined, In the case of a flux method, it can be 200 MPa or less, for example.
용기의 재질은 특별히 한정되지 않고, 목적으로 하는 가열 및 가압 조건에 있어서 내구성이 있는 기밀성 재료이면 좋다. 이러한 재료로서는 금속, 세라믹스를 예시할 수 있고, 특히 스테인레스, 철, 양철, 인코넬 등의 내열 합금, 알루미나, 질화물 세라믹스가 바람직하다.The material of a container is not specifically limited, What is necessary is just an airtight material which is durable in the target heating and pressurization conditions. Examples of such a material include metals and ceramics, and heat-resistant alloys such as stainless steel, iron, tinplate and inconel, alumina and nitride ceramics are preferable.
이하, 더욱 구체적인 단결정 및 그 성장 순서에 대해서 예시한다.Hereinafter, more specific single crystal and its growth order are illustrated.
(질화갈륨 단결정의 성장예)(Growth example of gallium nitride single crystal)
본 발명을 이용하여, 적어도 나트륨 금속을 함유하는 플럭스를 사용하여 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있다. 이 플럭스에는 갈륨 원료 물질을 혼합한다. 갈륨 원료 물질로서는 갈륨 단체 금속, 갈륨 합금, 갈륨 화합물을 적용할 수 있지만, 갈륨 단체 금속이 취급상 적합하다.Using the present invention, a gallium nitride single crystal can be grown using a flux containing at least sodium metal. This flux is mixed with gallium raw materials. Although a gallium single metal, a gallium alloy, and a gallium compound can be used as a gallium raw material, a gallium single metal is suitable for handling.
이 플럭스에는 나트륨 이외의 금속, 예컨대 리튬을 함유시킬 수 있다. 갈륨 원료 물질과 나트륨 등의 플럭스 원료 물질과의 사용 비율은 적절하여도 좋지만, 일반적으로는 Na 과잉량을 이용하는 것이 고려된다. 물론, 이것은 한정적이지 않다.This flux can contain metals other than sodium, such as lithium. Although the ratio of gallium raw material and flux raw material such as sodium may be appropriate, it is generally considered to use an excess of Na. Of course, this is not limiting.
이 실시형태에 있어서는 질소 가스를 함유하는 혼합 가스로 이루어지는 분위기하에서 전체압력 300 기압 이상, 2000 기압 이하의 압력하에서 질화갈륨 단결정을 성장시킨다. 전체압력을 300 기압 이상으로 함으로써, 예컨대 900℃ 이상의 고온 영역에서, 더욱 바람직하게는 950℃ 이상의 고온 영역에서, 양질의 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있었다. 이 이유는, 분명하지 않지만, 온도 상승에 따라 질소 용해도가 상승하고, 성장 용액에 질소가 효율적으로 용해되기 때문이라고 추측된다. 또한, 분위기의 전체압력을 2000 기압 이상이라고 하면, 고압 가스의 밀도와 성장 용액의 밀도가 상당히 근접해지기 때문에, 성장 용액을 도가니 안에 유지하기 어려워지므로 바람직하지 못하다.In this embodiment, a gallium nitride single crystal is grown under a pressure of at least 300 atm and at least 2000 atm under an atmosphere composed of a mixed gas containing nitrogen gas. By setting the total pressure to 300 atm or higher, for example, high-quality gallium nitride single crystals can be grown in a high temperature region of 900 ° C or higher, more preferably in a high temperature region of 950 ° C or higher. Although this reason is not clear, it is assumed that nitrogen solubility rises with temperature rise and nitrogen dissolves efficiently in a growth solution. If the total pressure of the atmosphere is 2000 atmospheres or more, since the density of the high pressure gas and the density of the growth solution are very close to each other, it is not preferable because the growth solution becomes difficult to maintain in the crucible.
적합한 실시형태에 있어서는 성장 시간 분위기 중 질소 분압을 100 기압 이상, 2000 기압 이하로 한다. 이 질소 분압을 100 기압 이상으로 함으로써, 예컨대 1000℃ 이상의 고온 영역에서 플럭스 중으로의 질소의 용해를 촉진하여, 양질의 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있었다. 이 관점으로부터 분위기의 질소 분압을 200 기압 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 질소 분압은 실용적으로는 1000 기압 이하로 하는 것이 바람직하다.In suitable embodiment, nitrogen partial pressure is made into 100 atmospheres or more and 2000 atmospheres or less in a growth time atmosphere. By setting this nitrogen partial pressure to 100 atm or more, dissolution of nitrogen into the flux can be promoted, for example, in a high temperature region of 1000 ° C. or higher, and a good quality gallium nitride single crystal can be grown. From this point of view, the nitrogen partial pressure of the atmosphere is more preferably at least 200 atm. In addition, it is preferable to make nitrogen partial pressure into 1000 atmosphere or less practically.
분위기 중 질소 이외의 가스는 한정되지 않지만, 불활성 가스가 바람직하고, 아르곤, 헬륨, 네온이 특히 바람직하다. 질소 이외의 가스의 분압은 전체압력으로부터 질소 가스 분압을 제외한 값이다.Although gases other than nitrogen in atmosphere are not limited, Inert gas is preferable and argon, helium, and neon are especially preferable. The partial pressure of gas other than nitrogen is the value except the nitrogen gas partial pressure from the total pressure.
적합한 실시형태에 있어서는 질화갈륨 단결정의 성장 온도는 950℃ 이상이며, 1000℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 이러한 고온 영역에서도 양질인 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 고온에서의 성장이 가능하기 때문에, 생산성을 향상시킬 가능성이 있다.In a suitable embodiment, the growth temperature of a gallium nitride single crystal is 950 degreeC or more, It is more preferable to set it as 1000 degreeC or more, and even a high quality gallium nitride single crystal can be grown. Moreover, since growth at high temperature is possible, there is a possibility of improving the productivity.
질화갈륨 단결정의 성장 온도의 상한은 특별히 없지만, 성장 온도가 너무 높으면, 결정이 성장하기 어려워지기 때문에, 1500℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 이 관점으로부터는 1200℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.Although there is no upper limit in particular of the growth temperature of a gallium nitride single crystal, when a growth temperature is too high, since a crystal becomes hard to grow, it is preferable to set it as 1500 degrees C or less, and it is more preferable to set it as 1200 degrees C or less from this viewpoint.
질화갈륨 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 성장용 기판의 재질은 한정되지 않지만, 사파이어, AlN 템플릿, GaN 템플릿, 실리콘 단결정, SiC 단결정, Mg0 단결정, 스피넬(MgAl2O4), LiAlO2, LiGaO2, LaAlO3, LaGaO3, NdGaO3 등의 페로브스카이트(perovskite)형 복합 산화물을 예시할 수 있다. 또한 조성식[Al -y(Sr1 - xBax)y][(Al1 -zGaz)1-u·Du]O3(A는 희토류 원소이다; D는 니오븀 및 탄탈로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소이다; y=0.3∼0.98; x=0∼1; z=0∼1; u=0.15∼0.49; x+z=0.1∼2)의 입방정계의 페로브스카이트 구조 복합 산화물도 사용할 수 있다. 또한, SCAM(ScMMgO4)도 사용할 수 있다.The growth substrate for epitaxially growing gallium nitride crystals is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon single crystal, SiC single crystal, Mg0 single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , LaAlO 3, LaGaO 3, NdGaO 3, such as the page lobe can be exemplified Sky agent (perovskite) type compound oxide. In addition, the composition formula [A l -y (Sr 1 - x Ba x) y] [(Al 1 -z Ga z) 1-u · D u] O 3 (A is a rare earth element; D is a group consisting of niobium and tantalum At least one element selected from the group consisting of: y = 0.3 to 0.98; x = 0 to 1; z = 0 to 1; u = 0.15 to 0.49; x + z = 0.1 to 2) Can be used. SCAM (ScMMgO 4 ) can also be used.
(AlN 단결정의 성장예)(Example of growth of AlN single crystal)
본 발명은 적어도 알루미늄과 알칼리토류를 함유하는 플럭스를 포함하는 융액을 특정한 조건하에서 질소 함유 분위기 속에서 가압함으로써, AlN 단결정을 성장시키는 경우에도 유효하다는 것을 확인할 수 있었다.The present invention was confirmed to be effective in growing AlN single crystals by pressurizing a melt containing at least aluminum and a flux containing alkaline earth in a nitrogen-containing atmosphere under specific conditions.
실시예Example
(실시예 1)(Example 1)
도 1에 도시하는 용기(1)를 사용하여, 상기 순서에 따라 질화갈륨 단결정막을 성장시켰다.Using the container 1 shown in FIG. 1, the gallium nitride single crystal film was grown in this order.
직경 2 인치의 AlN 템플레이트를 종결정으로서 사용하였다. AlN 템플레이트는 AlN 단결정 에피택셜 박막을 사파이어 단결정 기판 상에 작성한 것을 말한다. 이 때의 AlN 박막의 막 두께는 1 마이크론으로 하였다. 금속갈륨과 금속나트륨을 mol비로 27:73이 되도록 글러브 박스 속에서 칭량하고, 도가니(9) 안에 넣었다. 그 후, 도가니(9)를 용기(1) 중에 배치하고, 덮개(3)로 밀폐하였다. 용기(1)의 재질은 스테인레스 스틸로 하였다. 개구(4)는 2 지점 설치하였다. 각 개구의 직경은 2 mm로 하였다. 두께 100 ㎛의 알루미늄제 테이프(5)(직경 약4∼5 mm)를 덮개(3)의 이면에 접착하여, 각 개구(4)를 막았다.An
밀폐된 용기(1)를 글러브 박스로부터 꺼내어, 도 3에 도시하는 바와 같은 요크 프레임 타입의 HIP(열간 등방압 프레스) 장치 안에 수용하였다. HIP 압력 용기(12) 안의 분위기를 질소 가스로 치환한 후, 1000℃·35 MPa로 승온·가압하여, 24시간 유지하였다. 실온까지 냉각한 후, 용기(1)를 압력 용기(12)로부터 꺼냈을 때, 덮개를 덮기 위해 이용한 알루미늄제 테이프(5)가 풀려 개구(4)가 노출되어 있으며, 용기 내부에 질소 가스가 도입된 것이 확인되었다. 또한, 용기의 형상에 변화가 없기 때문에, 가압시에 구멍이 개방되어, 질소 가스가 용기 내부에 도입되는 것이 확인되었다.The sealed container 1 was taken out of the glove box and accommodated in a yoke frame type HIP (hot isostatic press) apparatus as shown in FIG. After replacing the atmosphere in the
도가니(9)의 중량을 실험 전후로 비교함으로써, 갈륨의 질화량을 어림한 바, 갈륨의 대략 100%가 질화되고 있는 것이 판명되었다. 또한, 투명도가 높은 질화갈륨 단결정을 얻을 수 있었다.By comparing the weight of the
(실시예 2)(Example 2)
도 2에 도시하는 용기(1A)를 사용하여, 상기 순서에 따라 질화갈륨 단결정막을 성장시켰다.Using the container 1A shown in FIG. 2, the gallium nitride single crystal film was grown in this order.
직경 2 인치의 AlN 템플레이트를 종결정으로서 사용하였다. 금속갈륨과 금속나트륨을 mol비로 27:73이 되도록 글러브 박스 속에서 칭량하고, 도가니(9) 안에 넣었다. 그 후, 도가니(9)를 용기(1A) 중에 배치하여, 덮개(3)로 밀폐하였다. 용기(1A)의 재질은 스테인레스 스틸로 하였다. 개구(4)는 2 지점 설치하였다. 각 개구의 직경은 2 mm로 하였다. 두께 100 ㎛의 알루미늄제 테이프(5A)(직경 약 4∼5 mm)를 덮개(3)의 표면측에 접착하여 각 개구(4)를 막았다.An
밀폐한 용기(1)를 글러브 박스로부터 꺼내어, 도 3에 도시하는 바와 같은 요크 프레임 타입의 HIP(열간 등방압 프레스) 장치 안에 수용하였다. HIP 압력 용기(12) 안의 분위기를 질소 가스로 치환한 후, 1000℃·35 MPa로 승온·가압하여 24시간 유지하였다. 실온까지 냉각한 후, 용기(1) 압력 용기(12)로부터 꺼내었을 때, 덮개를 덮기 위해 이용한 알루미늄제 테이프(5A)가 풀려 개구(4)가 노출되어 있으며, 용기 내부에 질소 가스가 도입된 것이 확인되었다. 또한, 용기의 형상에 변화가 없기 때문에, 가압시에 구멍이 개방되어, 질소 가스가 용기 내부에 도입되는 것이 확인되었다.The sealed container 1 was taken out of the glove box and accommodated in a yoke frame type HIP (hot isostatic press) device as shown in FIG. After replacing the atmosphere in the
도가니(9)의 중량을 실험 전후로 비교함으로써, 갈륨의 질화량을 어림한 바, 갈륨의 대략 100%가 질화되고 있는 것이 판명되었다. 또한, 투명도가 높은 질화갈륨 단결정을 얻을 수 있었다.By comparing the weight of the
(비교예 1)(Comparative Example 1)
실시예 1과 동일한 방법에 의해 단결정을 성장시켰다. 단, 도 1, 도 2의 용기는 사용하지 않고, 글러브 박스로부터 도가니를 꺼내어, 그대로 HIP 압력 용기 안에 설치하였다. 작업 시간은 대략 5분간이며, 그 사이, 도가니는 대기에 노출되었다. 이하 실시예와 마찬가지로 실험을 행하였을 때, 갈륨의 약30∼40 중량%밖에 질화되고 있지 않았다. 또한, 검게 착색된 질화갈륨 단결정을 얻을 수 있었다.Single crystals were grown in the same manner as in Example 1. However, the crucible was taken out of the glove box without using the container of FIG. 1, FIG. 2, and it installed in the HIP pressure container as it was. The working time was approximately 5 minutes, during which the crucible was exposed to the atmosphere. When the experiment was conducted in the same manner as in the following examples, only about 30 to 40% by weight of gallium was nitrided. In addition, a black colored gallium nitride single crystal could be obtained.
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