JP2012158481A

JP2012158481A - アンモノサーマル法によるガリウムナイトライドボウルの大規模製造設備および製造方法

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Publication number: JP2012158481A
Application number: JP2011017315A
Authority: JP
Inventors: Mark P D'evelyn; ピー．デヴェリンマーク
Original assignee: Soraa Inc
Current assignee: Soraa Inc
Priority date: 2011-01-29
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】様々な物質を含む、ガリウムナイトライドの成長のための高圧システムのオペレーション方法を提供する。
【解決手段】成長領域と原料領域を有する高圧の化学反応炉１１０は、高圧下で封じ込める筐体１０４を、格納容器内に配置して構成される。格納容器には、排気システム１４２、１４６が連結されている。この排気システム１４２、１４６は、少なくとも０．３リットルのアンモニア液から発生したアンモニアガスを取り除くように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶成長物質のプロセスに関するものである。より具体的には、本発明は、アンモノ塩基あるいはアンモノ酸技術による、ナイトライド結晶を含んだガリウム、および／または、ボウル（インゴット等）の大型の製造設備および方法を提供するものであるが、必ずしもこれに制限されない。

本発明の結晶および物質は、特に限定されないが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮや、他のバルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板の製造方法に用いられる。バルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板は、様々な種類のアプリケーションに用いることができるもので、たとえば、オプトエレクトロニクスデバイス、レーザー、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅｓ）、ソーラーセル、光電気化学水分解、水素発生器、光センサー、集積回路（ＩＣ）、トランジスタおよびこれに関する他のデバイスに適用可能である。

結晶構造を含むガリウムナイトライドは、従来のオプトエレクトロニクスデバイスの製造のための出発点として用いられ、そのようなデバイスには、青色ＬＥＤやレーザーがある。そして、このようなデバイスは、共通して、デポジションされたナイトライド層と組成が異なる、サファイアやシリコンカーバイト基板の上に製造されていた。

従来の有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）では、ＧａＮのデポジションは、気体化したアンモニアや有機金属の化合物中で行なわれていた。このような手法は成功はしていたが、従来の成長速度では、ＧａＮ物質のバルク層の成長を困難にさせていた。加えて、転位密度が高く、品質の悪いオプトエレクトロニクスデバイスの製造を招いていた。

バルク単結晶のガリウムナイトライドを得るために、他の方法が提案されていた。このような技術としては、蒸着にハロゲン化合物と水素化物からなるエピタキシャル成長を用いたものも含まれ、ハロゲン化気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）と呼ばれている（ＧｒｏｗｔｈａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇＧａＮｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ、Ｋ．
ＭｏｔｏｋｕｅｔＡＬ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ２３７‐２３９，９１２（２００２）参照）。

残念ながら、いくつかの欠点がこのＨＶＰＥ法にはある。多くの場合で、バルク単結晶のガリウムナイトライドの品質が、高品質のレーザーダイオードの品質に適していなかったのである。これは、転移密度や圧力などに問題があったためと考えられる。加えて、一度に、あるいは複数回に、基板が生成されることにより、製造コストが掛かってしまったり、製造が困難になってしまったりしていた。

超臨界のアンモニアを用いた技術も提案されている。さらに、アルミナイトライドの合成に、アンモノサーマル法を用いたものが提案されている（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ１０４、４１１‐４１８（１９９０）を参照）。Ｒ．Ｄｗｉｌｉｎｓｋｉらは、特に、ガリウムとアンモニアの合成による、高結晶のガリウムナイトライドの生成の可能性について示しており、アルカリメタルアミドを含むことも明示している（ＫＮＨ_２あるいはＬｉＮＨ_２）。

これら、あるいは他の技術は、「ＡｍｍｏｎｏｍｅｔｈｏｄｏｆＢＮ、ＡｌＮ，ａｎｄＧａＮｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈ」，Ｐｒｏｃ．ＥＧＷ‐３、Ｗａｒｓａｗ、Ｊｕｎ．２２２４、１９９８、ＭＲＳＩｎｔｅｒｎｅｔＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｉｔｒｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＲｅｓｅａｒｃｈ、ｈｔｔｐ：／／ｎｓｒ．ｍｉｊ．ｍｒｓ．ｏｒｇ／３／２５や「Ｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈｏｆｇａｌｌｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｉｎｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌａｍｍｏｎｉａ」
Ｊ．W．Ｋｏｌｉｓｅｔａｌ．，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ２２２，４３１‐４３４（２００１），ａｎｄＭａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．４９５，３６７‐３７２（１９９８）ｂｙＪ．Ｗ．Ｋｏｌｉｓｅｔａｌ．に記載されている。しかしながら、これらの超臨界アンモニアプロセスを用いることで、それほど広範囲ではないが、バルク単結晶ガリウムナイトライドの生成が実現できる。

石英結晶や２〜３の酸化物結晶組成などの他の結晶物質に関しては、工業的に大規模な生成が行なわれている。これらの工業的な生成プロセスでは、熱水過程のオペレーション方法において、効果的で安全な技術が知られている。しかしながら、高圧力のアンモニアを扱う技術において、多くの継続的な挑戦が提案されているが、アンモノサーマル法における、大規模なガリウムナイトライドボウルの生成プロセスに関しては、いまだ有効なものはない。

このような背景において、大規模なアンモノサーマル法における結晶生成の確立が望まれている。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、結晶生成方法のプロセスの提供に関する。より詳細には、本発明は、アンモノ塩基あるいはアンモノ酸技術による、大規模なナイトライド結晶を含むガリウムの生成設備、および、方法に関するものである。しかしながら、本発明は、これに限定されず、他の技術も含むことができるのは、言うまでもない。

以下に、本発明の目的を達成するための手段を例示する。
本発明の結晶および物質は、特に限定されないが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮや、他のバルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板の製造方法に用いられる。バルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板は、様々な種類のアプリケーションに用いることができるもので、たとえば、オプトエレクトロニクスデバイス、レーザー、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅｓ）、ソーラーセル、光電気化学水分解、水素発生器、光センサー、集積回路（ＩＣ）、トランジスタ、および、これに関する他のデバイスに適用可能である。

具体的な実施形態においては、本発明は、様々な物質を含むガリウムナイトライドの生成のための、高圧容器システムを提供するものである。このようなシステムは、主要な設備として、格納容器を有している。さらに、生成領域と原料領域からなる高圧の設備も有している。高圧の化学反応炉は、高圧で封入する筐体から構成されている。具体的な実施形態において、高圧の設備は、主要な格納容器の内部に設置されている。これらのシステムは、さらに格納容器に連結された排気システムも有している。具体的な実施形態において、この排気システムは、少なくとも０．３リットルのアンモニア液から発生する、アンモニアガスを取り除くために設置されている。

具体的な実施形態において、本発明は、様々な物質を含むガリウムナイトライドの成長を行なう、高圧システムのオペレーションを行なう方法を提供する。さらに、生成領域と原料領域からなる高圧の設備も有している。高圧の化学反応炉は、高圧で封入する筐体から構成され、主要な格納容器の内部に設置されている。これらのシステムは、さらに格納容器に連結された、排気システムも有している。具体的な実施形態において、この排気システムは、少なくとも０．３リットルのアンモニア液から発生する、アンモニアガスを取り除くために設置されている。

本発明の有利な効果は、すでに存在する技術を超えたものであり、より具体的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの結晶成長のための高圧装置システムにおいて、より低価格、かつ、安全なシステムを提供することができる。本実施形態において、本発明は、簡便で低価格な製造設備をオペレーションする方法およびシステムを提供する。本実施形態に基いて、本発明のシステムと方法においては、従来の物質を用いた製造手法や、従来技術のいずれかの物質、および／または、方法を用いることもできる。

本発明のシステムおよび方法は、安価な結晶成長と、物質のプロセッシングを、非常に高い圧力および温度条件下で実現し、本実施形態では、一括処理として、３リットル以上、１０リットル以上、３０リットル以上、１００リットル以上、３００リットル以上の例を示している。好ましい例として、本システムは、有毒なガス、たとえば、アンモニアやアンモニアを含むガスのようなガスの閉じ込めを、装置内部の高い圧力下で安全に行なうことができる。本実施形態に基いて、１つ以上の有利な効果が発揮可能である。これらの効果は、以下に示す本発明の明細書によって、詳細に記載されている。

本発明において、これらの効果は、すでに知られた技術背景においても、実現することができる。そして、本発明の本質および効果に関する理解は、後に示す明細書および図面によって、さらに完全に理解されるものである。

以下、本発明の実施例を、図面に基づき説明する。
本発明は、結晶生成方法のプロセスの提供に関する。より詳細には、本発明は、アンモノ塩基あるいはアンモノ酸技術による、大規模なナイトライド結晶を含むガリウムの生成設備、および、方法に関する。しかしながら、本発明は、これに限定されす、他の技術も含むことができる。

本発明の結晶および物質は、特に限定されないが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮや、他のバルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板の製造方法に用いられる。そのようなバルク基板、あるいは、配線パターンを有する基板は、様々な種類のアプリケーションに用いることができるもので、たとえば、オプトエレクトロニクスデバイス、レーザー、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅｓ）、ソーラーセル、光電気化学水分解、水素発生器、光センサー、集積回路（ＩＣ）、トランジスタおよびこれに関する他のデバイスに適用可能である。

以下に説明するように、アンモノサーマル法における結晶成長装置は、垂直方向に配置されている。他の実施形態として、この装置は、水平方向、あるいは、垂直方向と水平方向の間に位置する斜め方向に配置して、高圧力装置内の超臨界流体の装置内での対流を、促すことができる。この方法によって、密閉された容器と高圧力装置は、連結した利用が可能となる。

オートクレーブ装置を含む代表的に適用される装置の例として、米国特許番号７，１６０，３８８、特開平２００５−２８９７９７、特開平２００７−０３９３２１があり、これらの米国特許および日本公開公報は、その記載の全てについて、本発明のオートクレーブ装置に利用することが可能である。内部加熱装置を含む代表的に適用される装置の追加の例として、米国特許７，１０１，４３３、米国特許７，１２５，４５３、米国特許出願６１／０７３，６８７、６１／０８７，１２２、１２／３３４，４１８、１２／１３３，３６５および１２／１３３，３６４があり、これらの米国特許および米国出願は、その記載の全てについて、本発明の内部加熱装置の一部として参酌されるべきである。従来技術の一つとして、他のバリエーションや修正や変更は、勿論可能である。

図１は、本発明の実施形態の簡略な概要を示した図である。図１には、大規模なアンモノサーマル法によるガリウムナイトライドボウルの製造プラントまたは設備を、示している。高圧の化学反応炉１１０は、ガリウムナイトライドなどの物質が、超臨界アンモニアの化学反応により生成される筐体またはカプセル部１０２から構成される。化学反応炉１１０は、上部遮蔽１０６を有するオートクレーブ装置から構成される。化学反応炉１１０は、強度の高い筐体１０４と、上部遮蔽１０６および下部遮蔽１０８から構成されている。化学反応炉１１０は、機械的に複数のプレート１１２、ポスト１１４などから支持されている。

化学反応炉１１０は、本発明では、一括処理として、０．３リットル以上、１リットル以上、３リットル以上、４．５リットル以上、１０リットル以上、３０リットル以上、１００リットル以上、３００リットル以上の大きさの液体、または、超臨界のアンモニアを、格納することができる。化学反応炉１１０は、外周が４インチから約１００インチの範囲内、あるいは約１２インチから約４８インチの範囲内である。化学反応炉１１０は、その高さが約６インチから約５００インチの範囲内、あるいは約２４インチから約１２０インチの範囲内である。水圧シリンダー１１６は、高圧の化学反応炉のフランジの移動、カプセルや他の部材のアシストのために用意されている。

化学反応炉１１０と、付属のアセンブリは、ピット１２０の中に配置されている。ピット１２０は、鉄筋コンクリートから形成されている。ピット１２０の表面のコンクリートの厚さは、少なくとも２インチ、４インチ、８インチ、１２インチ、１８インチ、あるいは２４インチなどである。このコンクリートの厚さは、高圧の化学反応炉で生じる、緊急の場合の壊滅的な倒壊や破砕などの高速の破片が、部分的には突き刺さるが、穴は開かないように選択される。コンクリートは、金属で周囲が被覆されている。

ピット１２０は、実質的に気密性を維持するように、壁面を貫通するような陥没やひび割れを、許容するように構成されている。ピット１２０は、裏張りやコーティングがなされている。この裏張りやコーティングは、気密性を維持する。裏張りは、少なくともステンレス、鋼鉄、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、銅合金、ポリウレタン、ビニル、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂の塗料、シリコンベースのシーリング材、陶製のタイル、グラウト、陶材などの一つから構成されている。ピット１２０は、下部に排水溝があって、漏れでた排水を、簡単に除去できるように構成している。ピット１２０は、液体や流出を除去するための汚水ポンプを有している。

高速の破片から防御するために、さらに、一つ以上の装甲部１３０が、化学反応炉１１０に近接して配置されている。この装甲部１３０は、鋼鉄、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、陶材、コンクリート、ケブラー（Ｄｕｐｏｎｔ社の登録商標）、セラミックあるいはカーボンファイバー、合成物、多層構造部材などからなる。ピット１２０は、除去が可能な第一のカバー１４０によって、被覆されている。第一のカバー１４０は、ピット１２０とともに、高圧の化学反応炉１１０のための格納容器として機能する。第一のカバー１４０は、ピット１２０の気密性を維持し、アンモニアの漏れ出しや突然の破裂から、作業者を危険に曝さないように、外部への流出を防ぐことができる。

第一のカバー１４０は、排出管１４２と注入管１４４が、引き出されるようになっている。窒素やアルゴンなどのパージガスは、高圧の化学反応炉の動作期間中、注入管１４４を介して注入され、排出管１４２を介して排気される。排出管１４２は、アンモニアセンサー１４６と接続されており、アンモニアセンサー１４６は、高圧装置の内部でアンモニアの漏れを検出している。そして、アンモニアセンサー１４６は、危険な状態が発生する前に、電気コントロールシステム１４８に電気信号を出力して、高圧の化学反応炉への電気の供給をシャットダウンするようにしている。アンモニアセンサー１４６は、複数のアラームシステムと接続しており、漏洩が生じたときにアラームを鳴らすようにしている。

排気システムは、排出管１４２とアンモニアセンサー１４６から構成されている。排出管１４２は、アンモニア洗浄システムおよび／またはアンモニア希釈システム（図示はしない。）と接続されている。本実施形態における排気システムは、少なくとも０．３リットル、１リットル、３リットル、４．５リットル、１０リットル、３０リットル、１００リットル、３００リットルのアンモニア液から発生する全てのアンモニアガスを、実質的に排出することができる。

ピット１２０は、第二のカバー１５０を追加のアンモニアの漏洩防止のために用意している。第二のカバー１５０からは、排気管１５２が引き出されている。排気管１５２は、排気用のファンを有しており、排気用ファンは、継続的あるいは断続的なガスの排出を行い、作業者に危害がおよぶ前に、漏れ出したアンモニアガスを排出ガスとして取り除く。

化学反応炉ステーションは、クレーン１８０、あるいは、他の適切な対象物にアクセス可能なデバイスが配置されている。クレーン１８０は、ビルディングあるいは施設の天井に設置されたレールからぶら下がっており、水平方向および垂直方向にも移動可能になっている。クレーン１８０は、化学反応炉１１０内を含むピット１２０の内部あるいはピット１２０の上部から、一つあるいは複数の部材を、持ち上げることができる。

クレーン１８０は、近くにそれぞれ配置されている二つ以上のピットに配置されている化学反応炉に向かって、水平方向に移動が可能である。本実施形態では、化学反応炉が配置されている少なくとも４個のピットが、一列に並んで設置されており、それらは、共通のクレーンで作業を行なっている。他の実施形態においては、化学反応炉が配置されている少なくとも６個、８個、１０個、１５個、２０個のピットが一列に並んで設置、あるいはそれぞれ近くに配置されており、それらは、共通のクレーンで作業を行なっている。もちろん、配置に関しては、様々なバリエーション、修正、変更が可能である。

他の実施形態においては、プラント、あるいは、施設内に設置されたシングル化学反応炉ステーション２００の概要が、図２に示されており、アンモノサーマル法によるガリウムナイトライドボウルの大規模製造に用いられている。高圧の化学反応炉２１０は、ガリウムナイトライドなどの物質が、超臨界アンモニアの化学反応により生成される筐体またはカプセル部２０２から構成される。化学反応炉２１０は、上部遮蔽２０６を有するオートクレーブ装置から構成される。化学反応炉２１０は、強度の高い筐体２０４と、上部遮蔽２０６および下部遮蔽２０８から構成されている。化学反応炉２１０は、機械的に複数のプレート２１２、ポスト２１４などから支持されている。

少なくとも一つのポスト２１４は、床にボルトで固定されている。化学反応炉２１０は、本発明では、一括処理として、０．３リットル以上、１リットル以上、３リットル以上、４．５リットル以上、１０リットル以上、３０リットル以上、１００リットル以上、３００リットル以上の大きさの液体または超臨界のアンモニアを、格納することができる。化学反応炉２１０は、外周が４インチから約１００インチの範囲内、あるいは約１２インチから約４８インチの範囲内である。化学反応炉２１０は、その高さが約６インチから約５００インチの範囲内、あるいは約２４インチから約１２０インチの範囲内である。水圧シリンダー２１６は、高圧の化学反応炉のフランジの移動、カプセルや他の部材のアシストのために用意されている。

化学反応炉２１０と、付属のアセンブリは、保護シェル２４０の中に配置されている。保護シェル２４０は、ステンレス、鋼鉄、鉄合金、アルミ、アルミ合金、ニッケル、ニッケル合金、ポリカーボネイト、ポリウレタン、ビニル、ポリ塩化ビニル、ケブラー（Ｄｕｐｏｎｔ社の登録商標）、カーボンファイバー、セラミックファイバー、合成物、多層構造部材などからなる。

保護シェル２４０は、その厚さが約０．０５インチから約６インチの範囲か、あるいは約０．１２インチから約２インチの範囲となっている。保護シェル２４０は、気密状態あるいは気体の漏洩が可能なように構成されている。保護シェル２４０は、入退出が可能なドアがあり、観音開き式に開閉するようなヒンジと、少なくとも一つのファスナーが、二つ以上の扉の縁を一つにするように構成されている。保護シェル２４０は、その床部材とともに、化学反応炉２１０から保護する格納容器として機能する。

高速の破片から防御するために、さらに、一つ以上の装甲部２３０が、化学反応炉２１０に近接して配置されている。この装甲部２３０は、鋼鉄、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、陶材、コンクリート、セラミックあるいはカーボンファイバー、合成物、多層構造部材などからなる。保護シェル２４０からは、排出管２４２と注入管２４４が引き出されている。

窒素やアルゴンなどのパージガスは、高圧の化学反応炉の動作期間中、注入管２４４を介して注入され、排出管２４２を介して排気される。保護シェル２４０は、化学反応炉２１０の動作期間中、周囲の気圧より低い圧力に維持する。これにより、アンモニアの漏洩が、保護シェル２４０へ及ばないようにして、作業者に危険がおよばないようにしている。

排出管２４２は、アンモニアセンサー２４６と接続されており、アンモニアセンサー２４６は、高圧装置の内部でアンモニアの漏れを検出している。そして、アンモニアセンサー２４６は、危険な状態が発生する前に、電気コントロールシステム２４８に電気信号を出力して、高圧の化学反応炉への電気の供給をシャットダウンするようにしている。排出管２４２は、アンモニア洗浄システムおよび／またはアンモニア希釈システム（図示はしない。）と接続されている。

アンモニアセンサー２４６は、アラームシステムと連結しており、ガスの漏洩が起こった場合に、作業者に危険を知らせる。排気システムは、排出管２４２とアンモニアセンサー２４６から構成されている。本実施形態における排気システムは、少なくとも０．３リットル、１リットル、３リットル、４．５リットル、１０リットル、３０リットル、１００リットル、３００リットルのアンモニア液から発生する全てのアンモニアガスを、実質的に排出することができる。化学反応炉ステーション２００は、第二のカバー２５０をも有しており、アンモニアの漏洩の際に漏洩を防ぐ追加的な防護となっている。

第二のカバー２５０からは、排気管２５２が引き出されている。排気管２５２は、排気用のファンを有しており、排気用ファンは、継続的あるいは断続的なガスの排出を行い、作業者に危害がおよぶ前に、漏れ出したアンモニアガスを排出ガスとして取り除く。本実施形態においては、排気システムは、アンモニアのような毒性のガスを取り除き、作業者にとって安全な状態を、あらかじめ定められた時間の範囲、たとえば、24時間、数時間、1時間あるいは数分といった、本実施形態に基づいて定められた時間の中で、維持するように構成されている。他のバリエーションや修正や変更は、勿論可能である。

化学反応炉ステーション２００には、クレーン２８０が配置されている。クレーン２８０は、ビルディング、施設あるいは保護シェル２４０の天井に設置されたレールからぶら下がっており、水平方向および垂直方向にも移動可能になっている。クレーン２８０は、一つあるいは複数の化学反応炉２１０内を含む、化学反応炉ステーション２００の部材を、持ち上げることができる。

クレーン２８０は、二つ以上の化学反応炉に向かって、水平方向に移動が可能である。本実施形態では、化学反応炉が配置されている少なくとも４個のピットが、一列に並んで設置されており、それらは、共通のクレーンで作業を行なっている。他の実施形態においては、化学反応炉が配置されている少なくとも６個、８個、１０個、１５個、２０個のピットが一列に並んで設置、あるいはそれぞれ近くに配置されており、それらは、共通のクレーンで作業を行なっている。

大規模なアンモノサーマル法あるいは結晶成長で要求されるプロセスは、アンモニアの標準化された状態から見積もられる（ＵＲＬｈｔｔｐ：／／ｗｅｂｂｏｏｋ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ／ｆｌｕｉｄ／を参照）。アメリカ国立標準技術研究所で標準化されたデータは、要求されている高温、かつ、高圧力の条件までカバーしておらず、既知の事柄から推定することによって、アメリカ国立標準技術研究所で標準化された、多項式フィット手法で見積もることができる。標準化されたデータは、アンモニアの分解は予想されていない。しかしながら、アンモノサーマル法によるプロセスでは、多くのアンモニアの窒素や水素への分解が発生する。

１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２＝ＮＨ_３

アンモニアの生成反応のための化学平衡Ｋ_ｅｑ（分離状態の可逆反応における値）は、構造物の自由エネルギー、ΔＧ_０と、表面の熱力学に関するデータ、たとえば、Ｉ．Ｂａｒｉｎ，ＴｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌＤａｔａｏｆＰｕｒｅＳｕｂｓｔａｎｃｅｓ，３^ｒｄｅｄｉｔｉｏｎ（ＶＣＨ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ，１９９３）がある。

化学平衡に至った際は、アンモニア、水素および窒素の部分的な圧力は、各構成部材αの部分的な圧力Ｐαが、逸散能ｆαおよびそれぞれの分離していない、アンモニアの初期圧力のモル分数時間と等しくなったものと推定して、見積もることができる。

Ｋ_ｅｑ＝ｅｘｐ［−ΔＧ_０／ＲＴ］＝ｆＮＨ_３／（ｆＮ_２ ^１／２ｆＨ_２ ^３／２）≒ｐＮＨ_３／（ｐＮ_２ ^１／２ｐＨ_２ ^３／２）

Ｒはガス定数で、Ｔはケルビン温度である。これらの近似に近づくことで、異なる含有率の温度分布としての合計圧力は、図３に示すようになる。これらの前提は、アンモニアの分解とその圧力の程度を、多く見積もりすぎるとも言われている。

温度分布とアンモニアの含有率として見積もられた圧力が、図３に示されている。この含有率は、最初に加えられたアンモニアの質量を、利用可能な高圧力下で作動する装置の量と、室温におけるアンモニア液の密度である０．６ｇ／ｃｍ３で割り、パーセンテージとして表示したものである。

最初の例として、高圧の化学反応炉は、３．５インチの内部の作業径と、３０インチの内部の高さを有し、およそ４．７リットルの内部容量を有している。およそ８０％の容積は、アンモニア液で満たされており、化学反応炉は密閉されて加熱されている。化学反応炉は、およそ５００℃で稼動している。図３に示すとおり、圧力はおよそ３８２９ａｔｍと見積もられている。

これは、従来の見積もりである（つまり、過大評価である。）。そのため、上述のとおり見積もられた望ましいガスが、アンモニア分解の程度の見積もりについて、過大に評価されているものと考えられる。高圧力下で作動する装置、たとえば、加圧滅菌器や内部加熱圧力装置のような装置では、地域の法律や安全規制に合致した技術的な安全性環境下で数ヶ月の間、与えられたプロセス温度と含有率でのプロセス圧力を、維持しなければならない。

本発明の高圧の化学反応炉は、漏洩や事故が、通常の稼動状況では、起こらないように設計されている。しかしながら、さまざまなタイプの可能性のある事故に対して警戒する観点から、筐体、通気、他の安全装置は、作業者や他の従業員に対して、たとえ通常では起こり得ない間違いが生じても、アンモノサーマル法を利用した作業施設にて、安全な環境を提供する。

最も過酷な状況としては、突然の破裂や化学反応炉からの漏洩が考えられ、アンモニアの突然の放出と、可能性があるのは、化学反応炉の破砕により部材が高速の破片等として、飛び散ることが考えられる。

適切な格納容器のレベルを正しく評価し定量化するためには、稼動状況下における、化学反応炉内のエネルギーを計算し、典型的には、衝突エネルギーを参考にする。主として、超臨界アンモニア内のエネルギーは、化学反応炉内の機械エネルギーを大きく上回り、機械エネルギーを基に考えるのは、安全性を軽視していると考えられる。

ここで、多くの数式や見積もりは、ＴｈｅＭＥＤｅｓｉｇｎＳａｆｅｔｙＳｔａｎｄａｒｄｓＭａｎｕａｌ，Ｃｈａｐｔｅｒ４．１， “ＰｅｒｓｏｎｎｅｌａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｈｉｅｌｄｓ，” ＲｅｖｉｓｉｏｎＤａｔｅＳｅｐｔｅｍｂｅｒ１９９４，ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙの文献から算出され、この文献は本発明の一部として参酌されるべきである。

衝突エネルギーＥ_{ｂｌａｓｔ}は、アンモニアの突然の放出により生じ、通常、以下の方程式から導き出される。

Ｅ_{ｂｌａｓｔ}＝（Ｐ_０‐Ｐ_ａｍｂ）Ｖ_０／（γ−１）

ここで、Ｐ_０は作業圧力であり、Ｐ_ａｍｂは周囲の圧力である。Ｖ_０は、化学反応炉の内部の容積で、γ＝Ｃ_Ｐ／Ｃ_Ｖとなり用いているアンモニア液の熱容量比である。上述の方程式は、少ない量の数値が出てくると考えられる。なぜなら、アンモニア液がアンモニアガスとして計算され、アンモニアが突然の放出により影響を受ける濃縮が無視されているからである。実際には、等エントロピーの膨張（断熱曲線）近くの変化が生じるものと考えられる。

選択された作業状況に基づいて、アンモニアの熱容量比は、およそ１．３程度となり、上述の量に置換されて、衝突エネルギーは、通常、およそ６０，３００ｌ／ａｔｍ、あるいは６１００ＫＪとなり、これはおよそ１．３ｋｇのＴＮＴ（トリニトロトルエン）に相当する。

このピークは、ピットや筐体の内部に以下に示す方程式で導き出される、過度の圧力を加えることとなる。

Ｐ_ｐｏｖ［ｋＰａ］＝６×２２２５（Ｅ_{ｂｌａｓｔ}／Ｖ_ｖ）^０．７２

衝突Ｅ_{ｂｌａｓｔ}が発生したとき、ユニット内のキログラム相当のＴＮＴの量と等価であり、立法メートルのユニット内で、ピット、あるいは、筐体の体積がＶ_ｖとなる。内部の径が５フィートで深さが１０フィートあるピットに設置された化学反応炉の場合、その体積は、およそ５．６ｍ３となる。

およそ１．３ｋｇ相当のＴＮＴの衝突エネルギーは、ピット内におけるピークの超過気圧を、およそ２０．６ａｔｍ押し上げる。ピットの壁は、ピットのための主要なカバーとファスナーでアセンブリを一つに留める構造で、少なくとも暫くの間、この巨大な圧力を持ちこたえることが可能なように構成されてなければならない。

排気システムは、アンモニアを除去するように構成されており、他にも、作業者に危険が及ばない状況で、可能性のある毒性のガスを除去できる。突然の放出による破裂圧力の減衰期間は、排気システムのコンダクタンスへの主要な抑制システムの、分量の割合によって決められる。

超過気圧の減衰速度は、大きなコンダクタンスを有する排気システムによって実行され、たとえば、大口径の排気管によって実現される。残存アンモニアと可能性のある他の毒性のガスを取り除くは、注入管を通して、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの、コンスタントな浄化を容易にするものと考えられる。

壊滅的な漏洩や一つ以上の破片は、高圧の化学反応炉の破砕から、想像もできないような事故の最中に発生しうる。破片の速度は、すべての衝突エネルギーの半分程度が、破片の運動エネルギーに変換されると推測することによって、見積もることができる。最大限安全な観点で、シールドや防御は、破片を含む高速の金属片のリスクから、化学反応炉の作業者を曝すことを防ぐことができる。

高圧の化学反応炉では、径が非常に大きなボルトを利用しており、ボルトのずれや切断が、高速の破片が生じる壊滅的事故で通常あり得ない状況での、高速破片として生じるシナリオに繋がる。ボルトの端は、およそ０．９キロの重さがあり、外部表面の断面積は、およそ０．００２２ｍ／ｓｑである。

衝突エネルギーの５０％は、ボルト片の運動エネルギーと推定できるので、ボルト片の速度は２６００ｍ／ｓとして計算できる。異なる方程式を用いながら、防御壁への衝突物の進入を予測して、安全性の観点から、鋼鉄の厚さは、およそ２インチからおよそ１０インチの間であると見積もった。

第二の実施例で、同じ高圧の化学反応炉が８０％のアンモニア濃度で稼動しているが、温度が８００℃まで上がっている。図３では、圧力が、７４１１ａｔｍとして見積もられている。上述の説明と同じ方程式を用いることにより、衝突エネルギーは、およそ１４，２００ｋＪに見積もられており、これはＴＮＴの３．１ｋｇ分に相当する。

同じピット内で、衝撃の間のピークの超過気圧は、およそ９０ａｔｍとして、見積もられている。衝突エネルギーの５０％は、ボルト片の運動エネルギーと推定できるので、ボルト片の速度は４０００ｍ／ｓとして計算できる。異なる方程式を用いながら、防御壁への衝突物の進入を予測して、安全性の観点から、鋼鉄の厚さは、およそ２インチからおよそ１６インチの間であると見積もった。

本製造施設は、バルク結晶成長のセルや、それらをアンモニア環境に曝したり、密閉したり、高圧の化学反応炉からそのセルを取り出したり、セルからアンモニアを除去したり、アンモニアを再利用したり、セルからガリウムナイトライドボウルを除去したり、ガリウムナイトライドボウルからガリウムナイトライドウエハーを作ったりするために多くの追加施設が設けられている。

原料を取り扱う際には、グローブボックスを用い、カプセルに原料を入れる場合や、カプセルを溶接する場合に使用される。溶接施設が、カプセルの溶接に用いられる。溶接施設は、アーク溶接の電源供給と溶接棒から構成される。アンモニア源も提供される。アンモニア源は、ガス状のアンモニア源、あるいは液状のアンモニア源からなる。好ましい実施形態としては、アンモニア源は、カプセル、加圧滅菌器、高圧の化学反応炉に、少なくとも約７ａｔｍの圧力で、アンモニアの供給が可能なようにする。

密閉された施設が、この目的には用意されている。密閉された施設は、カプセル上のチューブを密閉する超音波チューブシーラーから構成されている。施設には、さらに、アンモニアを捕らえて再利用する機構もあり、たとえば、２００８年８月７日に出願された米国特許出願６１／０８７，１２２号に記載されており、この出願の全ての記載は、本発明の一部として参酌されるべきである。

上述の明細書に記載された実施例のすべてに対して、さまざまな修正や変更が、その構成物および施設について可能である。そのため、上述の明細書および図面の記載のみで、本発明の請求する範囲を限定して解釈するべきではない。

本発明の実施形態の簡略な概要を示した図である。本発明の他の実施形態の簡略な概要を示した図である。縦軸に圧力、横軸に温度を配したアンモニアの等容変化を示したグラフである。

Claims

ガリウムナイトライドの成長を行う高圧の化学反応炉システムについて、
格納容器と、
成長領域と原料領域を有する高圧力下で作動する装置と、
筐体からなる高圧の化学反応炉であって、
前記格納容器の内部に前記高圧力下で作動する装置が配置され、
前記格納容器に接続される排気システムと、当該排気システムは、少なくとも０．３リットルアンモニア液から生成されたアンモニアガスを除去することが可能である高圧の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、さらに注入部を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、さらに加圧滅菌器を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、さらに内部過熱器を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、実質的に外部環境から分離されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、さらに一つ以上のセンサーをその内部に有し、当該センサーは、アラームシステムに接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、さらに一つ以上のセンサーをその内部に有し、当該センサーは、電気コントロールシステムに接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器の周囲には、さらに第二の格納容器が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、土構造物の内部に設置され、当該土構造物は、地面の一部の土を利用していることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、金属製であることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、コンクリート製であることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記排気システムは、少なくとも４．５リットルのアンモニア液から生成される、アンモニアガスの実質的に全てを除去できることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、重力に対して垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、水平に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、水平と垂直の間である斜めの角度に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、さらに内部過熱装置を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、さらに外部過熱装置を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、大量のアンモニア液を維持することができることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記大量のアンモニア液は、約０．３リットル以上、約１リットル以上、約３リットル以上、約１０リットル以上、約３０リットル以上、約１００リットル以上、約３００リットル以上であることを特徴とする請求項１８に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、土構造物の内部に少なくともその一部が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記土構造物は、大きな穴であることを特徴とする請求項２０に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、鉄筋コンクリートから構成されることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記鉄筋コンクリートから構成される格納容器は、その厚さが、少なくとも２インチ、４インチ、８インチ、１２インチ、１８インチ、２４インチのいずれかであることを特徴とする請求項２２に記載の化学反応炉システム。
前記鉄筋コンクリートから構成される格納容器は、金属で周囲が被覆されていることを特徴とする請求項２２に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、少なくともステンレス、鋼鉄、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、銅合金、ポリウレタン、ケブラー、ビニル、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂の塗料、シリコンベースのシーリング材、陶製のタイル、グラウト、陶材などの一つから構成されている裏張りを有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、排水路と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記排水路は、ポンプと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記格納容器は、浄化ラインと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、クレーンにより設置されることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、一つ以上の格納容器の所定箇所と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、少なくとも、ステンレス、鋼鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ケブラー、ポリカーボネイト、ポリウレタン、ビニル、ポリ塩化ビニル、カーボンファイバー、セラミックファイバー、合成物、多層構造部材などからなる防護壁を、さらに有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、その近傍に一つ以上の装甲部を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記排気システムは、作業者が２４時間未満の作業を行えるように、アンモニアガスを取り除く機能を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、少なくとも４個は配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
前記高圧力下で作動する装置は、少なくとも１０個は配置されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉システム。
ガリウムナイトライドの成長を行う高圧のシステムを動作させる方法について、
成長領域と原料領域を有する高圧力下で作動する装置と、
筐体からなる高圧の化学反応炉であって、
前記格納容器の内部に前記高圧力下で作動する装置が配置され、
前記格納容器に接続される排気システムと、当該排気システムは、少なくとも０．３リットルアンモニア液から生成されたアンモニアガスを除去することが可能である高圧システムの動作方法。