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JP6885205B2 - Metal steam supply equipment, metal / metal compound production equipment, metal nitride single crystal production method, and nanoparticles production method - Google Patents
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JP6885205B2 - Metal steam supply equipment, metal / metal compound production equipment, metal nitride single crystal production method, and nanoparticles production method - Google Patents

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Description

本発明は、金属蒸気供給装置、金属/金属化合物製造装置、金属窒化物単結晶の製造方法、及びナノ粒子の製造方法に関し、さらに詳しくは、金属蒸気を高い供給速度で供給することが可能な金属蒸気供給装置、並びに、これを用いた金属/金属化合物製造装置、金属窒化物単結晶の製造方法、及びナノ粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a metal steam supply device, a metal / metal compound production device, a method for producing a metal nitride single crystal, and a method for producing nanoparticles. More specifically, the present invention can supply metal steam at a high supply rate. The present invention relates to a metal steam supply device, a metal / metal compound manufacturing device using the metal steam supply device, a method for manufacturing a metal nitride single crystal, and a method for manufacturing nanoparticles.

薄膜、単結晶、あるいはナノ粒子を合成する方法の1つとして、液体原料を気化させ、発生した原料の蒸気を熱分解させ、基板表面又は気相中に目的とする材料を生成させる方法が知られている。このような気相を用いた材料合成法は、膜厚、材料組成、結晶構造などを精密に制御できるという利点はあるが、原料蒸気の供給速度が律速となることが多い。そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。 As one of the methods for synthesizing thin films, single crystals, or nanoparticles, a method of vaporizing a liquid raw material and thermally decomposing the generated vapor of the raw material to generate a desired material on the substrate surface or in the gas phase is known. Has been done. Such a material synthesis method using a gas phase has an advantage that the film thickness, material composition, crystal structure, etc. can be precisely controlled, but the supply rate of the raw material vapor is often rate-determining. Therefore, in order to solve this problem, various proposals have been made conventionally.

例えば、特許文献1には、半導体ウェハ上にジルコニウム酸化膜を形成するための液体原料(トリ(ジメチルアミノ)シクロペンタジエニルジルコニウム)を蒸発させる方法であって、太さが20μm程度のステンレス鋼製の繊維が3次元的に組み合わされた繊維体の一端を液体原料に接触させる方法が開示されている。
同文献には、毛細管現象により液体原料が繊維体に吸い上げられ、液体表面からだけでなく繊維体表面からも液体原料が気化するため、熱的安定性の低い液体原料であっても、液体原料の気化量を増大させることができる点が記載されている。
For example, Patent Document 1 describes a method of evaporating a liquid raw material (tri (dimethylamino) cyclopentadienyl zirconium) for forming a zirconium oxide film on a semiconductor wafer, which is a stainless steel having a thickness of about 20 μm. A method is disclosed in which one end of a fiber body in which stainless steel fibers are three-dimensionally combined is brought into contact with a liquid raw material.
According to the document, the liquid raw material is sucked up by the fibrous body due to the capillary phenomenon, and the liquid raw material is vaporized not only from the liquid surface but also from the fibrous body surface. It is described that the amount of vaporization of can be increased.

また、GaN結晶を成長させる場合において、Ga源として水素化ガリウム(GaHx)を用いる方法が知られている。結晶成長速度を向上させるためには、水素化ガリウムの供給速度を向上させること、すなわち、GaとH2とを効率よく反応させることが必要となる。この問題を解決するために、非特許文献1には、表面が液体Gaで覆われたセラミックビーズをセラミックチューブ内に充填し、チューブ内にH2を供給する方法が開示されている。
同文献には、このような方法によりH2の流路が狭められると同時に、液体Gaの表面積が増大するため、反応効率が増大する点が記載されている。
Further, when growing a GaN crystal, a method of using gallium hydride (GaH x) as a Ga source is known. In order to improve the crystal growth rate, it is necessary to improve the supply rate of gallium hydride, that is, to efficiently react Ga and H 2. In order to solve this problem, Non-Patent Document 1 discloses a method of filling a ceramic tube with ceramic beads whose surface is covered with liquid Ga and supplying H 2 into the tube.
The document describes that such a method narrows the flow path of H 2 and at the same time increases the surface area of the liquid Ga, so that the reaction efficiency increases.

さらに、特許文献2には、TaC製のエバポレータを用いてGa蒸気を発生させる金属蒸気供給装置が開示されている。
同文献には、
(a)TaC製エバポレータは、SiC、Al23、BN、又はCからなるエバポレータに比べて、溶融Gaの這い上がり高さが高くなる点、及び、
(b)TaC製エバポレータを用いると、エバポレータを用いない場合に比べて、Ga蒸気の供給速度が増大する点
が記載されている。
Further, Patent Document 2 discloses a metal steam supply device that generates Ga steam using an evaporator manufactured by TaC.
In the same document,
(A) The TaC evaporator has a higher crawling height of molten Ga than an evaporator composed of SiC, Al 2 O 3, BN, or C, and
(B) It is described that when the TaC evaporator is used, the supply rate of Ga steam is increased as compared with the case where the evaporator is not used.

特許文献1に記載の方法の場合、気化させる原料として液体金属化合物が用いられ、気化を促進するためのエバポレータとしてステンレス鋼製の繊維体が用いられている。液体金属化合物は、有機物質であり、表面張力が小さいため、接触角が小さくなりやすく、繊維体に対して容易に濡れやすい。そのため、繊維体の材料、表面状態、毛細管径、相対密度等について考慮しなくとも、十分な量の毛細管現象を起こすことができる。実際、特許文献1には、最適な毛細管径、相対密度等については記載されていない。 In the case of the method described in Patent Document 1, a liquid metal compound is used as a raw material for vaporization, and a stainless steel fiber body is used as an evaporator for promoting vaporization. Since the liquid metal compound is an organic substance and has a small surface tension, the contact angle tends to be small, and the liquid metal compound easily gets wet with the fibrous body. Therefore, a sufficient amount of capillarity can occur without considering the material, surface condition, capillary diameter, relative density, and the like of the fibrous body. In fact, Patent Document 1 does not describe the optimum capillary diameter, relative density, and the like.

一方、気化させる原料が溶融金属の場合、液体金属化合物に比べてはるかに表面張力が大きいため、接触角が90°に近くなりやすく、他の材料に対して濡れにくい。そのため、溶融金属に十分な量の毛細管現象を起こさせることは難しい。また、ステンレス鋼線は500℃以上での耐熱性に劣るため、ステンレス鋼製の繊維体を、500℃を超える温度域で使用することはできない。 On the other hand, when the raw material to be vaporized is a molten metal, the surface tension is much larger than that of the liquid metal compound, so that the contact angle tends to be close to 90 ° and it is difficult to get wet with other materials. Therefore, it is difficult for the molten metal to cause a sufficient amount of capillarity. Further, since the stainless steel wire is inferior in heat resistance at 500 ° C. or higher, the stainless steel fiber body cannot be used in a temperature range exceeding 500 ° C.

さらに、液体金属化合物は、熱的安定性が低い有機物質であるため、加熱温度が高くなるほど分解しやすくなる。意図しない液体金属化合物の分解は、C(炭素)、H(水素)、N(窒素)などの有機物由来の不純物が生成物に混入する原因となる。そのため、液体有機金属化合物を気化させる際には、到達可能な気化速度に限界がある。
溶融金属の場合、熱的安定性が低いことが問題となることは少ないが、金属は、一般に蒸気圧が極めて低い。そのため、溶融金属の気化においても、到達可能な気化速度に限界がある。
Further, since the liquid metal compound is an organic substance having low thermal stability, the higher the heating temperature, the easier it is to decompose. Unintentional decomposition of liquid metal compounds causes impurities derived from organic substances such as C (carbon), H (hydrogen), and N (nitrogen) to be mixed into the product. Therefore, when vaporizing a liquid organometallic compound, there is a limit to the rate of vaporization that can be reached.
In the case of molten metals, low thermal stability is less of a problem, but metals generally have extremely low vapor pressures. Therefore, even in the vaporization of molten metal, there is a limit to the reachable vaporization rate.

非特許文献1に記載の方法の場合、セラミックビーズの表面が液体Gaで覆われているため、Gaの表面積が増大し、水素との反応が効率よく進行する。しかし、同文献の方法は、反応初期には表面積を向上させる効果はあるが、Gaの蒸発に伴い次第に気化速度が低下する。その結果、反応過程でGa(すなわち、水素化ガリウム)の供給量が変動し、高品質な結晶成長において必須である原料供給の制御性に乏しいという問題がある。 In the case of the method described in Non-Patent Document 1, since the surface of the ceramic beads is covered with liquid Ga, the surface area of Ga increases and the reaction with hydrogen proceeds efficiently. However, although the method of the same document has the effect of improving the surface area at the initial stage of the reaction, the vaporization rate gradually decreases as Ga evaporates. As a result, the supply amount of Ga (that is, gallium hydride) fluctuates during the reaction process, and there is a problem that the controllability of the raw material supply, which is essential for high-quality crystal growth, is poor.

これに対し、特許文献2に記載されているように、TaC製エバポレータを用いると、Ga蒸気を高い供給速度で供給することが可能となり、かつ、供給速度を長期間に渡ってほぼ一定に制御することが可能となる。しかし、Ga以外の金属蒸気を高い供給速度で供給することが可能な金属蒸気供給装置が提案された例は、従来にはない。
また、薄膜、単結晶、あるいは、ナノ粒子の成長速度をさらに向上させ、あるいは、薄膜等の製造コストを低減するためには、金属蒸気の供給速度をさらに向上させること、あるいは、TaCよりも安価な材料で、より高い供給速度を実現することが望まれる。
On the other hand, as described in Patent Document 2, when the TaC evaporator is used, Ga steam can be supplied at a high supply rate, and the supply rate is controlled to be substantially constant over a long period of time. It becomes possible to do. However, there has been no conventional example in which a metal vapor supply device capable of supplying metal vapor other than Ga at a high supply rate has been proposed.
Further, in order to further improve the growth rate of the thin film, the single crystal, or the nanoparticles, or to reduce the manufacturing cost of the thin film, the supply rate of the metal steam is further improved, or the cost is lower than that of TaC. It is desired to achieve a higher supply rate with a flexible material.

特許第5589873号公報Japanese Patent No. 5589873 特開2016−157886号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-157886

M. Imade et al., Physica Status Solidi(c), Colume 5, Issure 6, pp. 1719-1722, 2008M. Imade et al., Physica Status Solidi (c), Colume 5, Issure 6, pp. 1719-1722, 2008

本発明が解決しようとする課題は、金属蒸気を高い供給速度で供給することが可能であり、かつ、供給速度を長期間に渡ってほぼ一定に制御することが可能な金属蒸気供給装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような金属蒸気供給装置を用いて金属又はその化合物からなる単結晶、ナノ粒子、薄膜等を製造するための金属/金属化合物製造装置を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a metal vapor supply device capable of supplying metal vapor at a high supply rate and controlling the supply rate to be substantially constant over a long period of time. To do.
Another problem to be solved by the present invention is a metal / metal compound manufacturing apparatus for producing a single crystal, nanoparticles, a thin film or the like made of a metal or a compound thereof by using such a metal steam supply apparatus. To provide.

また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような金属/金属化合物製造装置を用いた金属窒化物単結晶の製造方法、及び、ナノ粒子の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、Gaだけでなく、Ga以外の金属蒸気を高い供給速度で供給することが可能な金属蒸気供給装置、並びに、このような金属蒸気供給装置を用いた金属/金属化合物製造装置、金属窒化物単結晶の製造方法、及びナノ粒子の製造方法を提供することにある。
Another object to be solved by the present invention is to provide a method for producing a metal nitride single crystal using such a metal / metal compound production apparatus, and a method for producing nanoparticles.
Further, another problem to be solved by the present invention is not only Ga but also a metal steam supply device capable of supplying metal steam other than Ga at a high supply rate, and such a metal steam supply device. It is an object of the present invention to provide a metal / metal compound production apparatus used, a method for producing a metal nitride single crystal, and a method for producing nanoparticles.

上記課題を解決するために本発明に係る第1の金属蒸気供給装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
(2)前記エバポレータは、
相対密度が40%以上99%以下であり、
平均細孔径が10nm以上200μm以下であり、かつ、
前記溶融金属の接触角が90°未満である材料からなる。
(3)前記エバポレータの材料は、TiC、VC、ZrC、NbC、Mo2C、WC、HfC、TiN、TaN、ZrN、又はHfNからなる。
前記溶融金属は、Ga、In、及びAlからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素が好ましい。
In order to solve the above problems, it is a gist that the first metal steam supply device according to the present invention has the following configuration.
(1) The metal steam supply device is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
(2) The evaporator is
Relative density is 40% or more and 99% or less,
The average pore diameter is 10 nm or more and 200 μm or less, and
It is made of a material having a contact angle of the molten metal of less than 90 °.
(3) the material of the evaporator, TiC, VC, ZrC, NbC , Mo 2 C, WC, HfC, TiN, TaN, ZrN, or made of HfN.
The molten metal is preferably any one or more elements selected from the group consisting of Ga, In, and Al.

本発明に係る第1の金属/化合物製造装置は、
本発明に係る第1の金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えていることを要旨とする。
The first metal / compound production apparatus according to the present invention is
The first metal steam supply device according to the present invention and
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
The gist is that the surface is provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited.

本発明に係る第1の金属窒化物単結晶の製造方法は、本発明に係る第1の金属/金属化合物製造装置を用いて、窒化ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属窒化物単結晶を成長させることを要旨とする。
さらに、本発明に係る第1のナノ粒子の製造方法は、本発明に係る第1の金属/金属化合物製造装置を用いて、不活性ガス又は活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させることを要旨とする。
In the method for producing a first metal nitride single crystal according to the present invention, the metal vapor is generated in the presence of a nitride gas using the first metal / metal compound production apparatus according to the present invention, and the metal vapor is generated on the substrate. The gist is to grow a metal nitride single crystal.
Further, in the method for producing the first nanoparticles according to the present invention, the metal vapor is generated in the presence of an inert gas or an active gas by using the first metal / metal compound producing apparatus according to the present invention. The gist is to deposit metal nanoparticles or metal compound nanoparticles on a substrate.

本発明に係る第2の金属蒸気供給装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
(2)前記エバポレータは、
相対密度が40%以上99%以下であり、
平均細孔径が10nm以上200μm以下であり、かつ、
前記溶融金属の接触角が90°未満である材料からなる。
(3)前記エバポレータの材料は、TaCからなり、
前記溶融金属は、
(a)In及び/又はAl、又は、
(b)Ga、並びに、In及び/又はAl
からなる。
The gist of the second metal steam supply device according to the present invention is that it has the following configuration.
(1) The metal steam supply device is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
(2) The evaporator is
Relative density is 40% or more and 99% or less,
The average pore diameter is 10 nm or more and 200 μm or less, and
It is made of a material having a contact angle of the molten metal of less than 90 °.
(3) The material of the evaporator is made of TaC.
The molten metal is
(A) In and / or Al, or
(B) Ga and In and / or Al
Consists of.

本発明に係る第2の金属/化合物製造装置は、
本発明に係る第2の金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えていることを要旨とする。
The second metal / compound production apparatus according to the present invention is
The second metal steam supply device according to the present invention and
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
The gist is that the surface is provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited.

本発明に係る第2の金属窒化物単結晶の製造方法は、本発明に係る第2の金属/金属化合物製造装置を用いて、窒化ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属窒化物単結晶を成長させることを要旨とする。
さらに、本発明に係る第2のナノ粒子の製造方法は、本発明に係る第2の金属/金属化合物製造装置を用いて、不活性ガス又は活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させることを要旨とする。
In the method for producing a second metal nitride single crystal according to the present invention, the metal vapor is generated in the presence of a nitride gas using the second metal / metal compound production apparatus according to the present invention, and the metal vapor is generated on the substrate. The gist is to grow a metal nitride single crystal.
Further, in the method for producing the second nanoparticles according to the present invention, the metal vapor is generated in the presence of an inert gas or an active gas by using the second metal / metal compound producing apparatus according to the present invention. The gist is to deposit metal nanoparticles or metal compound nanoparticles on a substrate.

エバポレータの一部を溶融金属に接触させると、溶融金属がエバポレータの表面を這い上がり、エバポレータの表面が溶融金属で濡れる。エバポレータ表面が溶融金属で濡れると、溶融金属の見かけの表面積が増大する。その結果、エバポレータを用いない場合に比べて、金属蒸気の供給速度が増大する。
特に、エバポレータの平均細孔径、相対密度、材料等を最適化すると、金属蒸気の供給速度を従来の数倍から数十倍程度まで増加させることができる。このような金属蒸気供給装置を、例えばGaNなどの金属窒化物単結晶の成長に適用すると、従来の方法に比べて金属窒化物単結晶の成長速度を約3〜5倍以上に向上させることができる。
When a part of the evaporator is brought into contact with the molten metal, the molten metal crawls up the surface of the evaporator, and the surface of the evaporator gets wet with the molten metal. When the surface of the evaporator gets wet with the molten metal, the apparent surface area of the molten metal increases. As a result, the supply rate of the metal vapor is increased as compared with the case where the evaporator is not used.
In particular, by optimizing the average pore diameter, relative density, material, etc. of the evaporator, the supply rate of metal vapor can be increased from several times to several tens of times that of the conventional one. When such a metal steam supply device is applied to the growth of a metal nitride single crystal such as GaN, the growth rate of the metal nitride single crystal can be improved by about 3 to 5 times or more as compared with the conventional method. it can.

さらに、TiC、VC等の特定の遷移金属炭化物、及び、TiN、TaN等の特定の遷移金属窒化物は、ある種の溶融金属に対し、TaCと同等以上の濡れ性を示す。また、これらの遷移金属炭化物、又は遷移金属窒化物は、TaCに比べて安価である。そのため、これらをエバポレータの材料として用いると、薄膜等の成長速度をさらに向上させ、あるいは、薄膜等の製造コストを低減することができる。 Furthermore, specific transition metal carbides such as TiC and VC and specific transition metal nitrides such as TiN and TaN exhibit wettability equal to or higher than that of TaC with respect to certain molten metals. Further, these transition metal carbides or transition metal nitrides are cheaper than TaC. Therefore, when these are used as the material of the evaporator, the growth rate of the thin film or the like can be further improved, or the manufacturing cost of the thin film or the like can be reduced.

エバポレータの構造例の模式図である。It is a schematic diagram of the structural example of an evaporator. WCに対する溶融Gaの這い上がり高さの相対密度依存性を示す図である。It is a figure which shows the relative density dependence of the crawling height of molten Ga with respect to WC. WCに対する溶融Gaの這い上がり高さの平均細孔径依存性を示す図である。It is a figure which shows the average pore diameter dependence of the crawling height of molten Ga with respect to WC.

WC製エバポレータの面積比(=見なし表面積/溶湯面積)とGaNの成長速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the area ratio (= deemed surface area / molten metal area) of the WC evaporator, and the growth rate of GaN. 溶融Gaの這い上がり高さのエバポレータ材質依存性を示す図である。It is a figure which shows the evaporator material dependence of the creeping height of molten Ga. 溶融Inの這い上がり高さのエバポレータ材質依存性を示す図である。It is a figure which shows the evaporator material dependence of the creeping height of molten In. 溶融Alの這い上がり高さのエバポレータ材質依存性を示す図である。It is a figure which shows the evaporator material dependence of the creeping height of molten Al.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 金属蒸気供給装置(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
金属蒸気供給装置は、前記ルツボ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部をさらに備えていても良い。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Metal steam supply device (1)]
The metal steam supply device according to the first embodiment of the present invention is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
The metal vapor supply device may further include a carrier gas supply unit that supplies carrier gas into the crucible.

[1.1. 金属]
本発明において、金属の種類は特に限定されるものではなく、気化が可能な限りにおいて、あらゆる金属に対して本発明を適用することができる。
その中でも、特に有用な金属元素として、Ga、In、Alが挙げられる。Gaの窒化物であるGaNは、ワイドバンドギャップ半導体であり、LED照明等への応用が進んでいる上に、今後、青色レーザーやパワーデバイス、高周波デバイスなど様々な産業応用が期待されている。また、InNやAlNなどについても、今後、高周波デバイスや深紫外デバイスなどへの応用が期待されている。さらに、応用の際にはこれらの混晶であるInGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaNなども用いられる。そのため、本発明は、これらの結晶の成長に適用可能である。
[1.1. metal]
In the present invention, the type of metal is not particularly limited, and the present invention can be applied to any metal as long as vaporization is possible.
Among them, Ga, In and Al are mentioned as particularly useful metal elements. GaN, which is a nitride of Ga, is a wide bandgap semiconductor, and its application to LED lighting and the like is progressing. In addition, various industrial applications such as blue lasers, power devices, and high frequency devices are expected in the future. Further, InN and AlN are also expected to be applied to high frequency devices and deep ultraviolet devices in the future. Further, in the case of application, these mixed crystals such as InGaN, AlGaN, InAlN, and InAlGaN are also used. Therefore, the present invention is applicable to the growth of these crystals.

一方、Gaの蒸気圧は1000℃の高温領域でも0.5Pa程度と非常に小さいため、通常、GaNの成長にGa蒸気が用いられることはない。現在、高品質なGaN薄膜結晶を得る方法として、有機金属であるトリメチルガリウム等をGa源に用いた有機金属気相成長法が知られている(参考文献1)。但し、トリメチルガリウムは、反応性が高い、高コストであるなどの点から、バルクGaN結晶を成長させるためのGa源として用いることは困難である。
[参考文献1] H. Amano et al., APL. 48, 353, 1986
On the other hand, since the vapor pressure of Ga is as small as about 0.5 Pa even in a high temperature region of 1000 ° C., Ga vapor is not usually used for the growth of GaN. Currently, as a method for obtaining high-quality GaN thin film crystals, an organometallic vapor phase growth method using an organometallic such as trimethylgallium as a Ga source is known (Reference 1). However, it is difficult to use trimethylgallium as a Ga source for growing a bulk GaN crystal because of its high reactivity and high cost.
[Reference 1] H. Amano et al., APL. 48, 353, 1986

また、HClガスを用いてガリウムを塩化ガリウムとして供給し、アンモニアと反応させる手法は、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法と呼ばれており、バルクGaN結晶を作製する方法として報告されている。しかし、塩化ガリウムを用いると、副生成物である塩化アンモニウムが配管等に詰まるといった課題がある(参考文献2)。
これに対し、本発明は、相対的に多量のGa蒸気を種結晶表面に直接供給することができる。そのため、これをGaN単結晶の成長に適用すれば、取扱いが簡便で、不純物混入がなく、かつ低コストなバルクGaN結晶の成長が可能となる。
[参考文献2]特開2007−201147号公報
Further, a method of supplying gallium as gallium chloride using HCl gas and reacting it with ammonia is called an HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, and has been reported as a method for producing bulk GaN crystals. However, when gallium chloride is used, there is a problem that ammonium chloride, which is a by-product, is clogged in pipes and the like (Reference 2).
On the other hand, the present invention can directly supply a relatively large amount of Ga vapor to the surface of the seed crystal. Therefore, if this is applied to the growth of a GaN single crystal, it is possible to grow a bulk GaN crystal that is easy to handle, does not contain impurities, and is low in cost.
[Reference 2] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-201147

InNの成長には、現在、GaNと同様にHVPE法と呼ばれる手法が検討されている。しかし、GaNの場合と同様にハロゲン化物を用いるため、副成生物による配管の詰まりが生じたり、不純物が混入しやすいという問題がある。これに対し、本発明を用いると、不純物混入の少ない高品質のInN単結晶を作製できる可能性がある。
AlNの成長には、現在、昇華法と呼ばれる手法が用いられている。これは、多結晶AlNを高温で昇華させ、昇華ガスとN2とを反応させて単結晶AlNを成長させる手法である。しかし、昇華法では、原料由来の不純物等の影響が大きい。これに対し、本発明を用いると、より高品質なAlN単結晶を作製できる可能性がある。
For the growth of InN, a method called the HVPE method is currently being studied as in the case of GaN. However, since a halide is used as in the case of GaN, there is a problem that the piping is clogged by by-products and impurities are easily mixed. On the other hand, if the present invention is used, there is a possibility that a high quality InN single crystal with less contamination can be produced.
Currently, a method called sublimation method is used for the growth of AlN. This is a method of sublimating polycrystalline AlN at a high temperature and reacting the sublimation gas with N 2 to grow single crystal AlN. However, in the sublimation method, the influence of impurities derived from raw materials is large. On the other hand, if the present invention is used, there is a possibility that a higher quality AlN single crystal can be produced.

[1.2. ルツボ]
ルツボは、溶融金属を保持するためのものである。金属蒸気供給装置から複数種類の金属蒸気を同時に発生させる場合、装置内に複数個のルツボを設置し、各ルツボにそれぞれ異なる金属を収容する。ルツボの形状は、所定量の溶融金属を保持することができ、かつ、エバポレータの一部が溶融金属に接触するようにエバポレータをルツボ内に配置することが可能なものであれば良い。
ルツボの材料は、溶融金属と反応しないものであればよい。最適なルツボの材料は、溶融金属の種類により異なる。例えば、金属がGaである場合、ルツボの材料は、BN、TaC、カーボン、SiC、サファイア、白金などが好ましい。金属がIn又はAlである場合も同様であり、これらのルツボ材料の中から、最適な材料を選択するのが好ましい。
[1.2. Crucible]
The crucible is for holding the molten metal. When generating a plurality of types of metal vapor from a metal vapor supply device at the same time, a plurality of crucibles are installed in the device, and different metals are accommodated in each crucible. The shape of the crucible may be any shape as long as it can hold a predetermined amount of molten metal and the evaporator can be arranged in the crucible so that a part of the evaporator comes into contact with the molten metal.
The material of the crucible may be one that does not react with the molten metal. The optimum crucible material depends on the type of molten metal. For example, when the metal is Ga, the material of the crucible is preferably BN, TaC, carbon, SiC, sapphire, platinum or the like. The same applies when the metal is In or Al, and it is preferable to select the optimum material from these crucible materials.

[1.3. エバポレータ]
エバポレータは、金属蒸気の発生を促進させるためのものである。エバポレータは、その一部が溶融金属と接触することが可能となるように、ルツボ内に設置される。
エバポレータは、ルツボの何れかの部分に固定されていても良く、あるいは、ルツボの底面に単に載置されているだけでも良い。エバポレータがルツボに固定されていない場合において、溶融金属の比重に比べてエバポレータの比重が小さいときには、エバポレータは、溶融金属の表面に浮いた状態となる。このような状態であっても、エバポレータにより金属蒸気の発生を促進することができる。
[1.3. Evaporator]
The evaporator is for promoting the generation of metal vapor. The evaporator is installed in the crucible so that a part of it can come into contact with the molten metal.
The evaporator may be fixed to any part of the crucible, or may be simply placed on the bottom surface of the crucible. When the evaporator is not fixed to the crucible and the specific gravity of the evaporator is smaller than the specific density of the molten metal, the evaporator is in a state of floating on the surface of the molten metal. Even in such a state, the generation of metal vapor can be promoted by the evaporator.

[1.3.1. エバポレータの材料]
エバポレータを用いて金属蒸気を発生させるためには、エバポレータの材料は、少なくとも融点が高く、かつ、溶融金属との反応性が低いものである必要がある。エバポレータの材料としては、例えば、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属窒化物、炭素系材料などがある。
[13.1. Evaporator material]
In order to generate metal vapor using an evaporator, the material of the evaporator needs to have at least a high melting point and low reactivity with molten metal. Examples of the material of the evaporator include metal oxides, metal carbides, metal borides, metal nitrides, carbon-based materials and the like.

本実施の形態において、エバポレータの材料は、TiC、VC、ZrC、NbC、Mo2C、WC、HfC、TiN、TaN、ZrN、又はHfNからなる。この点が、従来とは異なる。エバポレータの材料は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上の混合物又は固溶体であっても良い。
これらの特定の遷移金属炭化物、及び遷移金属窒化物は、いずれも、
(a)高融点である、
(b)少なくとも溶融Ga、溶融In、及び溶融Alに対する濡れ性が良く、その這い上がり高さはTaCのそれと同等以上であるため、より効率的に金属蒸気を供給することが可能となる、
(c)TaCに比べて安価であり、エバポレータの作製も容易である、
などの利点がある。
In this embodiment, the material of the evaporator, TiC, VC, ZrC, NbC , Mo 2 C, WC, HfC, TiN, TaN, ZrN, or made of HfN. This point is different from the conventional one. The material of the evaporator may consist of any one of these, or may be a mixture of two or more or a solid solution.
Both of these particular transition metal carbides and transition metal nitrides are
(A) High melting point,
(B) At least the wettability to molten Ga, molten In, and molten Al is good, and the creeping height thereof is equal to or higher than that of TaC, so that metal steam can be supplied more efficiently.
(C) It is cheaper than TaC and it is easy to manufacture an evaporator.
There are advantages such as.

[1.3.2. エバポレータの融点]
溶融金属は、その材料と温度に応じた飽和蒸気圧が存在する。一般に、飽和蒸気圧は、温度が高くなるほど大きくなるため、金属蒸気の発生を促進させるためには、より高い温度領域でエバポレータを使用する方が効率的である。しかし、エバポレータの融点が使用温度より低い場合は、エバポレータの形状を保てなくなり、金属蒸気の供給が困難となる。従って、エバポレータの材料の融点は、使用温度より高いことが好ましい。エバポレータの材料の融点は、さらに好ましくは、使用温度+100℃以上である。
エバポレータの材料の融点は、具体的には、1500℃以上、2000℃以上、2500℃以上、あるいは、3000℃以上が好ましい。上述したTiC等は、いずれも高融点化合物であり、エバポレータの材料として好適である。
[1.3.2. Evaporator melting point]
The molten metal has a saturated vapor pressure depending on the material and temperature. In general, the saturated vapor pressure increases as the temperature rises, so it is more efficient to use the evaporator in a higher temperature range in order to promote the generation of metal vapor. However, if the melting point of the evaporator is lower than the operating temperature, the shape of the evaporator cannot be maintained, and it becomes difficult to supply metal vapor. Therefore, the melting point of the evaporator material is preferably higher than the operating temperature. The melting point of the material of the evaporator is more preferably the operating temperature + 100 ° C. or higher.
Specifically, the melting point of the material of the evaporator is preferably 1500 ° C. or higher, 2000 ° C. or higher, 2500 ° C. or higher, or 3000 ° C. or higher. The above-mentioned TiC and the like are all high melting point compounds and are suitable as materials for the evaporator.

[1.3.3. エバポレータの相対密度、平均細孔径、及び接触角]
エバポレータを用いて金属蒸気の発生を促進させるためには、エバポレータの表面において毛細管現象を起こさせ、できるだけ多くのエバポレータ表面を溶融金属で濡れさせる必要がある。そのためには、エバポレータの相対密度、平均細孔径(毛細管の内径)、及び溶融金属に対する接触角が重要となる。
[1.3.3. Evaporator Relative Density, Average Pore Diameter, and Contact Angle]
In order to promote the generation of metal vapor using the evaporator, it is necessary to cause a capillary phenomenon on the surface of the evaporator and to wet the surface of the evaporator with molten metal as much as possible. For that purpose, the relative density of the evaporator, the average pore diameter (inner diameter of the capillary tube), and the contact angle with the molten metal are important.

溶融金属にエバポレータの一部を接触させると、溶融金属がエバポレータの表面を這い上がり、エバポレータの表面が溶融金属で濡れる。この時のエバポレータの下端から溶融金属の先端までの高さ(這い上がり高さ)hは、次の(1)式で表される。
h=2γLcosθ/ρgr
=2γLcosθ/{ρg(1−(R/100)1/3)AC} ・・・(1)
但し、
h:這い上がり高さ、ρ:溶融金属の密度、g:重力加速度、r:毛細管の内径、
γL:溶融金属の表面張力、θ:接触角、R:エバポレータの相対密度、
A:エバポレータの平均結晶粒子径、C:細孔密度補正係数。
When a part of the evaporator is brought into contact with the molten metal, the molten metal crawls up the surface of the evaporator, and the surface of the evaporator gets wet with the molten metal. The height (crawling height) h from the lower end of the evaporator to the tip of the molten metal at this time is expressed by the following equation (1).
h = 2γ L cos θ / ρgr
= 2γ L cos θ / {ρg (1- (R / 100) 1/3 ) AC} ・ ・ ・ (1)
However,
h: Crawling height, ρ: Density of molten metal, g: Gravitational acceleration, r: Inner diameter of capillary tube,
γ L : Surface tension of molten metal, θ: Contact angle, R: Relative density of evaporator,
A: Average crystal particle size of the evaporator, C: Pore density correction coefficient.

[A. 相対密度]
(1)式より、エバポレータの相対密度Rが小さくなるほど、這い上がり高さhが小さくなることがわかる。これは、相対密度Rが小さくなるほど、毛細管の内径rが大きくなるためである。また、相対密度Rが小さい場合、強度低下も課題となる。従って、這い上がり高さhを高くするためには、エバポレータの相対密度Rは、40%以上が好ましい。相対密度Rは、さらに好ましくは、60%以上、さらに好ましくは、80%以上である。
[A. Relative density]
From equation (1), it can be seen that the smaller the relative density R of the evaporator, the smaller the climbing height h. This is because the smaller the relative density R, the larger the inner diameter r of the capillary tube. Further, when the relative density R is small, a decrease in strength is also an issue. Therefore, in order to increase the crawling height h, the relative density R of the evaporator is preferably 40% or more. The relative density R is more preferably 60% or more, still more preferably 80% or more.

一方、(1)式によれば、相対密度Rが大きくなるほど、這い上がり高さhが大きくなる。しかし、実際には、相対密度Rが過度に大きくなると、開気孔が存在しなくなり、エバポレータの表面において毛細管現象を起こさせるのが困難となる。従って、相対密度Rは、99%以下が好ましい。相対密度Rは、さらに好ましくは、98%以下、さらに好ましくは、97%以下である。 On the other hand, according to the equation (1), the larger the relative density R, the larger the crawling height h. However, in reality, when the relative density R becomes excessively large, the open pores do not exist, and it becomes difficult to cause a capillary phenomenon on the surface of the evaporator. Therefore, the relative density R is preferably 99% or less. The relative density R is more preferably 98% or less, still more preferably 97% or less.

[B. 平均細孔径]
同様に、平均細孔径についても、最適な領域が存在する。毛細管現象を起こすためには、溶融金属の連続体近似が成り立つ必要がある。従って、平均細孔径(=r)は、10nm以上が好ましい。平均細孔径は、さらに好ましくは、20nm以上、さらに好ましくは、30nm以上である。
一方、平均細孔径が過度に大きくなると、エバポレータ表面において毛細管現象を起こさせるのがのが困難となる。這い上がり高さhを高くするためには、平均細孔径は、200μm以下が好ましい。平均細孔径は、さらに好ましくは、100μm以下、さらに好ましくは、50μm以下である。
なお、「平均細孔径」とは、水銀圧入法により測定されるメディアン径をいう。
[B. Average pore size]
Similarly, there is an optimum region for the average pore size. In order to cause the capillary phenomenon, it is necessary to establish a continuum approximation of molten metal. Therefore, the average pore diameter (= r) is preferably 10 nm or more. The average pore diameter is more preferably 20 nm or more, still more preferably 30 nm or more.
On the other hand, if the average pore diameter becomes excessively large, it becomes difficult to cause a capillary phenomenon on the surface of the evaporator. In order to increase the crawling height h, the average pore diameter is preferably 200 μm or less. The average pore diameter is more preferably 100 μm or less, still more preferably 50 μm or less.
The "average pore diameter" refers to the median diameter measured by the mercury intrusion method.

[C. 接触角]
(1)式より、毛細管現象を起こさせるためには、接触角θが0°以上90°未満である必要があることがわかる。
[C. Contact angle]
From equation (1), it can be seen that the contact angle θ must be 0 ° or more and less than 90 ° in order to cause the capillary phenomenon.

[1.3.4. エバポレータの見なし表面積]
上述したエバポレータの材料や表面状態などを最適化すると、エバポレータの表面全面を溶融金属で濡らすことができる。そのため、溶湯面積に比べてエバポレータの見なし表面積が大きくなるほど、金属蒸気の供給速度を増大させることができる。
ここで、「見なし表面積」とは、エバポレータに細孔が無いと見なして計算されるエバポレータの表面積(底面の面積を除く)をいう。
「溶湯面積」とは、ルツボ内に溶融金属のみを入れた時の溶湯表面の面積をいう。
高い供給速度を得るためには、エバポレータの見なし表面積は、ルツボ内の溶湯面積の2倍以上が好ましい。見なし表面積は、さらに好ましくは、溶湯面積の3倍以上、さらに好ましくは、5倍以上である。
[13.4. Evaporator's deemed surface area]
By optimizing the material and surface condition of the evaporator described above, the entire surface of the evaporator can be wetted with molten metal. Therefore, the larger the deemed surface area of the evaporator than the molten metal area, the higher the supply rate of the metal vapor can be.
Here, the "deemed surface area" means the surface area (excluding the area of the bottom surface) of the evaporator calculated assuming that the evaporator has no pores.
The "molten metal area" refers to the area of the molten metal surface when only the molten metal is placed in the crucible.
In order to obtain a high supply rate, the deemed surface area of the evaporator is preferably at least twice the area of the molten metal in the crucible. The deemed surface area is more preferably 3 times or more, still more preferably 5 times or more the molten metal area.

なお、エバポレータが溶融金属表面に浮いた状態にある場合、エバポレータ表面が溶融金属に濡れることで生じる溶湯面積の増分は、ルツボ内の溶融金属の残量にかかわらず、ほぼ一定に保たれる。
一方、エバポレータの底面近傍が溶融金属の中に沈んだ状態にある場合、厳密には、ルツボ内の溶融金属の残量によって、溶湯面積の増分が変化する。しかしながら、エバポレータの断面形状を最適化すると、溶融金属の残量の変動に起因する溶湯面積の増分の変動を最小限に抑制することができる。
When the evaporator is floating on the surface of the molten metal, the increase in the molten metal area caused by the surface of the evaporator getting wet with the molten metal is kept substantially constant regardless of the remaining amount of the molten metal in the crucible.
On the other hand, when the vicinity of the bottom surface of the evaporator is in a state of being submerged in the molten metal, strictly speaking, the increment of the molten metal area changes depending on the remaining amount of the molten metal in the crucible. However, by optimizing the cross-sectional shape of the evaporator, it is possible to minimize the fluctuation of the increment of the molten metal area due to the fluctuation of the remaining amount of the molten metal.

[1.3.5. エバポレータの形状]
エバポレータの形状は、特に限定されるものではなく、目的とする金属蒸気の供給速度が得られるように、最適な形状を選択することができる。
[1.3.5. Evaporator shape]
The shape of the evaporator is not particularly limited, and the optimum shape can be selected so that the target metal vapor supply rate can be obtained.

例えば、エバポレータは、台座と、前記台座の上に放射状に立設された複数のフィンとを備えているものでも良い。台座の形状、フィンの形状、フィンの個数等は、特に限定されない。例えば、台座は、円板状であっても良く、あるいは、各板状であっても良い。また、個々のフィンは、長方形のフィン(フィンA)であっても良く、あるいは、長方形の角の1箇所が切り落とされた形状のフィン(フィンB)であっても良い。
また、個々のフィンは、同一形状であっても良く、あるいは、異なる形状であっても良い。例えば、台座の表面に、4個のフィンAと4個のフィンBを放射状に、かつ、交互に立設しても良い。
For example, the evaporator may include a pedestal and a plurality of fins erected radially on the pedestal. The shape of the pedestal, the shape of the fins, the number of fins, and the like are not particularly limited. For example, the pedestal may be in the shape of a disk, or may be in the shape of each plate. Further, each fin may be a rectangular fin (fin A), or may be a fin (fin B) having a shape in which one corner of the rectangle is cut off.
Further, the individual fins may have the same shape or may have different shapes. For example, four fins A and four fins B may be erected radially and alternately on the surface of the pedestal.

図1に、エバポレータの他の構造例の模式図を示す。
図1(a)に示すエバポレータは、単なる円柱からなる。このような大きな一つの塊からなるエバポレータであっても、見なし表面積が増大するため、金属蒸気の供給速度を増大させることができる。
図1(b)に示すエバポレータは、細長い複数の円柱や角柱などの柱状部材を並べた構造からなる。ルツボ内で柱状部材を安定させるために、複数の柱状部材を台座に固定しても良い。
FIG. 1 shows a schematic diagram of another structural example of the evaporator.
The evaporator shown in FIG. 1 (a) is simply a cylinder. Even an evaporator composed of such a large mass can increase the supply rate of metal vapor because the deemed surface area increases.
The evaporator shown in FIG. 1B has a structure in which columnar members such as a plurality of elongated cylinders and prisms are arranged. In order to stabilize the columnar member in the crucible, a plurality of columnar members may be fixed to the pedestal.

図1(c)に示すエバポレータは、ツリー型の構造を呈しており、複数個の円板と、これらの円板の中央部を繋ぐ柱状部材とを備えている。ツリー型のエバポレータであっても、エバポレータの表面状態を最適化すると、溶融金属は、円板の下面から上面に向かって這い上がることができる。
図1(d)に示すエバポレータは、円柱状を呈し、かつ、軸方向に複数個の貫通穴が設けられている。貫通穴を形成することによって、図1(a)に比べてエバポレータの見なし表面積をさらに増大させることができる。
The evaporator shown in FIG. 1 (c) has a tree-shaped structure, and includes a plurality of disks and a columnar member connecting the central portions of these disks. Even in a tree-type evaporator, if the surface condition of the evaporator is optimized, the molten metal can crawl up from the lower surface to the upper surface of the disk.
The evaporator shown in FIG. 1D has a columnar shape and is provided with a plurality of through holes in the axial direction. By forming the through hole, the deemed surface area of the evaporator can be further increased as compared with FIG. 1 (a).

その他、エバポレータは、メッシュ状に加工した部材や、このような部材をフィン型やツリー型に並べた部材でも良い。
このようなエバポレータを溶融金属に接触させると、溶融金属がエバポレータの表面を這い上がり、やがてエバポレータの表面全面が溶融金属で濡れた状態となる。そのため、見なし表面積が大きくなるほど、金属蒸気の供給速度が増大する。具体的には、金属蒸気の供給量を、エバポレータ無しの場合に比べて、数倍〜数十倍程度まで増加させることが可能となる。
In addition, the evaporator may be a member processed into a mesh shape or a member in which such members are arranged in a fin type or a tree type.
When such an evaporator is brought into contact with the molten metal, the molten metal crawls up the surface of the evaporator, and eventually the entire surface of the evaporator becomes wet with the molten metal. Therefore, the larger the deemed surface area, the higher the supply rate of the metal vapor. Specifically, the supply amount of metal vapor can be increased to several times to several tens of times as compared with the case without an evaporator.

[1.4. キャリアガス供給部]
本実施の形態に係る金属蒸気発生装置は、前記ルツボ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部をさらに備えていても良い。
ルツボとエバポレータのみからなる装置であっても、ルツボの開口部から金属蒸気を供給することができる。しかし、自然対流のみでは、金属蒸気の供給速度に限界がある。このような場合には、ルツボ内にキャリアガスを供給し、金属蒸気をルツボから強制的に排出させるのが好ましい。
[1.4. Carrier gas supply unit]
The metal steam generator according to the present embodiment may further include a carrier gas supply unit that supplies carrier gas into the crucible.
Even a device consisting only of a crucible and an evaporator can supply metal vapor through the opening of the crucible. However, there is a limit to the supply rate of metal vapor only by natural convection. In such a case, it is preferable to supply the carrier gas into the crucible and forcibly discharge the metal vapor from the crucible.

キャリアガスの種類は、特に限定されるものではなく、金属蒸気の種類に応じて最適なガスを選択する。キャリアガスとしては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、ヘリウムガス、ゼノンガスなどがある。 The type of carrier gas is not particularly limited, and the optimum gas is selected according to the type of metal vapor. Examples of the carrier gas include argon gas, nitrogen gas, hydrogen gas, helium gas, and Zenon gas.

キャリアガスの供給方法は、特に限定されない。
例えば、ルツボの上部にキャリアガスを吹き込むためのノズルを設けても良い。ルツボの上方からルツボの開口部に向かってキャリアガスを吹き込むと、ルツボ内でキャリアガスの流れが反転し、金属蒸気を含むキャリアガスをルツボの開口部から強制的に排出することができる。
あるいは、ルツボの側面にキャリアガスを吹き込むためのノズルを設けても良い。ルツボの側面から水平方向にキャリアガスを吹き込むと、ルツボ内でキャリアガスの流れが水平方向から上方向に変わり、金属蒸気を含むキャリアガスをルツボの開口部から強制的に排出することができる。
The method of supplying the carrier gas is not particularly limited.
For example, a nozzle for blowing carrier gas may be provided on the upper part of the crucible. When the carrier gas is blown from above the crucible toward the opening of the crucible, the flow of the carrier gas is reversed in the crucible, and the carrier gas containing metal vapor can be forcibly discharged from the opening of the crucible.
Alternatively, a nozzle for blowing carrier gas may be provided on the side surface of the crucible. When the carrier gas is blown horizontally from the side surface of the crucible, the flow of the carrier gas changes from the horizontal direction to the upward direction in the crucible, and the carrier gas containing metal vapor can be forcibly discharged from the opening of the crucible.

[2. 金属/金属化合物製造装置(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置は、
本発明の第1の実施の形態に係る金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えている。
[2. Metal / metal compound manufacturing equipment (1)]
The metal / metal compound manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention is
The metal steam supply device according to the first embodiment of the present invention and
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
It is provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited on the surface.

[2.1. 金属化合物]
本発明に係る装置は、金属だけでなく、金属化合物の単結晶、薄膜、ナノ粒子などを製造することができる。製造可能な金属化合物としては、例えば、
(1)Ga23、ZnO、TiO2、V23、MgO、Al23、CaO、Cr23、Mn23、Co23、NiO、CuO、Nb23、Mo23、Ag23、In23、Pd23、Pt23、Ta23、Ge23、Fe23、Y23、ランタノイド酸化物などの金属酸化物(その組成比が異なるものを含む)、
(2)GaN、InN、AlN、BN、TiN、NbN、TaN、MoN、WN、MgN、Ca32、Fe162、AgN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaNなどの金属窒化物、
(3)MgB2、LaB6、CaB6、YB6、YbB12、ZrB12、NaB15、Mn4B、V3B、FeB、CrB2などの金属ホウ化物(その組成比が異なるもの(例えば、YB2、YB25など)を含む)、
(4)NaC2、CaC2、LaC2、Li43、TiC、Mg2C、Al43、Be2C、NbC、NbC2、Nb43、HfC、TaC、Ta43、Mo32、WC、VC、Cr236、Cr3C、Cr73、Cr32、MnC2、FeC、ZrCなどの金属炭化物(その組成比が異なるものを含む)、
(5)GaAs、Na3As、Mg3As2、FeAs2、CoAs2、NiAs、InAs、PtAs2などの金属砒化物(その組成比が異なるものを含む)、
などがある。
[2.1. Metal compounds]
The apparatus according to the present invention can produce not only metals but also single crystals, thin films, nanoparticles and the like of metal compounds. Examples of the metal compound that can be produced include
(1) Ga 2 O 3 , ZnO, TiO 2 , V 2 O 3 , MgO, Al 2 O 3 , CaO, Cr 2 O 3 , Mn 2 O 3 , Co 2 O 3 , NiO, CuO, Nb 2 O 3 , Mo 2 O 3 , Ag 2 O 3 , In 2 O 3 , Pd 2 O 3 , Pt 2 O 3 , Ta 2 O 3 , Ge 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Y 2 O 3 , lanthanoid oxide, etc. Metal oxides (including those with different composition ratios),
(2) Metal nitrides such as GaN, InN, AlN, BN, TiN, NbN, TaN, MoN, WN, MgN, Ca 3 N 2 , Fe 16 N 2 , AgN, InGaN, AlGaN, InAlN, InAlGaN, etc.
(3) Metal borides such as MgB 2 , LaB 6 , CaB 6 , YB 6 , YbB 12 , ZrB 12 , NaB 15 , Mn 4 B, V 3 B, FeB, CrB 2 (for example, those having different composition ratios). , YB 2 , YB 25, etc.)),
(4) NaC 2, CaC 2 , LaC 2, Li 4 C 3, TiC, Mg 2 C, Al 4 C 3, Be 2 C, NbC, NbC 2, Nb 4 C 3, HfC, TaC, Ta 4 C 3 , Mo 3 C 2 , WC, VC, Cr 23 C 6 , Cr 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2 , MnC 2 , FeC, ZrC and other metal carbides (including those with different composition ratios),
(5) Metal arsenides such as GaAs, Na 3 As, Mg 3 As 2 , FeAs 2 , CoAs 2 , NiAs, InAs, PtAs 2 (including those having different composition ratios),
and so on.

[2.2. 金属蒸気供給装置]
金属蒸気供給装置は、金属の蒸気を発生させるための装置である。金属蒸気供給装置の詳細については上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.2. Metal steam supply device]
The metal vapor supply device is a device for generating metal vapor. Since the details of the metal steam supply device are as described above, the description thereof will be omitted.

[2.3. 反応ガス供給装置]
反応ガス供給装置は、金属蒸気供給装置から供給される金属蒸気に反応ガスを供給するための装置である。
[2.3. Reaction gas supply device]
The reaction gas supply device is a device for supplying the reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device.

[2.3.1. 反応ガス]
本発明において、「反応ガス」とは、金属蒸気から目的とする特性(例えば、組成、結晶構造、形状など)を有する金属又は金属化合物を生成させるガスをいう。本発明において、「反応」には、化学的な反応だけでなく、相変態のような物理的な反応も含まれる。すなわち、反応ガスには、
(a)金属蒸気と化学反応することによって金属化合物を生成させる活性ガス、及び、
(b)金属蒸気を急冷することによって金属ナノ粒子を生成させる不活性ガス、
が含まれる。
[2.3.1. Reaction gas]
In the present invention, the "reaction gas" refers to a gas that produces a metal or a metal compound having a desired property (for example, composition, crystal structure, shape, etc.) from a metal vapor. In the present invention, the "reaction" includes not only a chemical reaction but also a physical reaction such as a phase transformation. That is, for the reaction gas,
(A) An active gas that produces a metal compound by chemically reacting with a metal vapor, and
(B) An inert gas that produces metal nanoparticles by quenching the metal vapor,
Is included.

使用する反応ガスの種類は、金属蒸気の組成及び目的とする反応に応じて、最適なガスを選択する。
例えば、金属蒸気から金属窒化物を生成させる反応ガス(活性ガス)としては、例えば、アンモニアガス、窒素ガスなどがある。
金属蒸気から金属酸化物を生成させる反応ガス(活性ガス)としては、例えば、酸素ガス、一酸化窒素ガス、一酸化二窒素ガス、オゾンガス、二酸化炭素などがある。
金属蒸気から金属炭化物を生成させる反応ガス(活性ガス)としては、例えば、メタンガスなどがある。
金属蒸気から金属ホウ化物を生成させる反応ガス(活性ガス)としては、例えば、ボラジン、ジボランガス、アンモニアボランガスなどがある。
金属蒸気から金属砒化物を生成させる反応ガス(活性ガス)としては、例えば、アルシンなどがある。
金属蒸気から金属ナノ粒子を生成させる反応ガス(不活性ガス)として、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、ゼノンガスなどがある。
The optimum type of reaction gas to be used is selected according to the composition of the metal vapor and the desired reaction.
For example, examples of the reaction gas (active gas) for producing metal nitride from metal vapor include ammonia gas and nitrogen gas.
Examples of the reaction gas (active gas) for producing a metal oxide from the metal vapor include oxygen gas, nitric oxide gas, nitrous oxide gas, ozone gas, and carbon dioxide.
Examples of the reaction gas (active gas) for producing metal carbide from metal vapor include methane gas.
Examples of the reaction gas (active gas) for producing a metal boride from the metal vapor include borazine, diboran gas, and ammonia borane gas.
Examples of the reaction gas (active gas) for producing metal arsenide from metal vapor include arsine and the like.
Examples of the reaction gas (inert gas) for generating metal nanoparticles from metal vapor include argon gas, nitrogen gas, helium gas, and Zenon gas.

[2.3.2. 反応ガスの供給方法]
反応ガスの供給方法は、特に限定されるものではなく、目的とする金属又は金属化合物が効率よく得られるように、最適な方法を選択する。
反応ガスの供給方法としては、例えば、以下のような方法がある。
(1)ルツボの外側にノズルを設け、ルツボの開口部から放出される金属蒸気に反応ガスを吹き付け、金属蒸気と反応ガスとを混合する方法。
(2)ルツボ内にキャリアガスと共に反応ガスを流し込み、金属蒸気と反応ガスを混合する方法。
(3)サセプタ部にノズル等を用いて、ルツボ部から放出される金属蒸気に反応ガスを吹き付け、混合する方法。
[2.3.3. Reaction gas supply method]
The method for supplying the reaction gas is not particularly limited, and the optimum method is selected so that the target metal or metal compound can be efficiently obtained.
As a method of supplying the reaction gas, for example, there are the following methods.
(1) A method in which a nozzle is provided on the outside of the crucible, a reaction gas is blown onto the metal vapor emitted from the opening of the crucible, and the metal vapor and the reaction gas are mixed.
(2) A method in which a reaction gas is poured into a crucible together with a carrier gas, and the metal vapor and the reaction gas are mixed.
(3) A method in which a reaction gas is sprayed onto the metal vapor released from the crucible portion by using a nozzle or the like on the susceptor portion and mixed.

[2.4. サセプタ部]
サセプタ部は、その表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのものである。また、サセプタ部は、基板を所定の温度に保持するためのものでもある。
金属蒸気供給装置から供給される金属蒸気、及び反応ガス供給装置から供給される反応ガスを混合し、適切な温度に加熱された基板を混合ガスに曝すと、基板表面に単結晶が成長し、あるいは、基板表面に薄膜やナノ粒子が析出する。
サセプタ部の構造、設置位置などは、基板を確実に保持することができ、基板を所定の温度に維持することができ、かつ、目的とする金属又は金属化合物が効率よく得られるように選択するのが好ましい。
[2.4. Suceptor section]
The susceptor portion is for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited. Further, the susceptor portion is also for holding the substrate at a predetermined temperature.
When the metal vapor supplied from the metal steam supply device and the reaction gas supplied from the reaction gas supply device are mixed and the substrate heated to an appropriate temperature is exposed to the mixed gas, single crystals grow on the surface of the substrate and become single crystals. Alternatively, thin films and nanoparticles are deposited on the surface of the substrate.
The structure, installation position, etc. of the susceptor portion are selected so that the substrate can be reliably held, the substrate can be maintained at a predetermined temperature, and the target metal or metal compound can be efficiently obtained. Is preferable.

基板の材料は、目的とする物質が効率よく得られるように、最適な材料を選択する。基板の材料としては、例えば、以下のようなものがある。
(1)目的とする物質と同一組成を有する単結晶基板(種結晶)。
(2)目的とする物質と異なる組成を有するが、格子整合性を有する材料からなる単結晶基板(種結晶)。
(3)目的とする物質に対して濡れ性の悪い材料からなる単結晶基板又は多結晶基板。
(4)目的とする物質と格子整合性はないが、基板表面に未結合手を持たない基板。例えば、グラフェン、HOPG、BNなどの基板。
The optimum material for the substrate is selected so that the target substance can be obtained efficiently. Examples of the material of the substrate include the following.
(1) A single crystal substrate (seed crystal) having the same composition as the target substance.
(2) A single crystal substrate (seed crystal) made of a material having a composition different from that of the target substance but having lattice consistency.
(3) A single crystal substrate or a polycrystalline substrate made of a material having poor wettability with respect to a target substance.
(4) A substrate that is not lattice-consistent with the target substance but has no unbonded hands on the substrate surface. For example, a substrate such as graphene, HOPG, BN.

[3. 金属窒化物単結晶の製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る金属窒化物単結晶の製造方法は、本発明の第1の実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置を用いて、窒化ガス共存下において金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属窒化物単結晶を成長させることを特徴とする。窒化ガスとしては、例えば、アンモニアガス、窒素ガスなどがある。
サセプタ部に基板(種結晶)を保持し、金属蒸気供給装置を用いて金属蒸気を発生させ、かつ、反応ガス供給装置を用いて窒化ガスを供給すると、基板表面に金属窒化物単結晶が成長する。本発明に係る金属蒸気供給装置は、金属蒸気の供給量が多いため、エバポレータの形状や微構造を最適化すると、従来の方法に比べて金属窒化物の成長速度が約3〜5倍以上となる。
[3. Method for producing metal nitride single crystal (1)]
In the method for producing a metal nitride single crystal according to the first embodiment of the present invention, a metal vapor is produced in the coexistence of a nitride gas by using the metal / metal compound production apparatus according to the first embodiment of the present invention. It is characterized in that it is generated and a metal nitride single crystal is grown on the substrate. Examples of the nitriding gas include ammonia gas and nitrogen gas.
When a substrate (seed crystal) is held in the susceptor portion, metal vapor is generated using a metal steam supply device, and nitride gas is supplied using a reaction gas supply device, a metal nitride single crystal grows on the substrate surface. To do. Since the metal steam supply device according to the present invention supplies a large amount of metal steam, if the shape and microstructure of the evaporator are optimized, the growth rate of the metal nitride is about 3 to 5 times or more as compared with the conventional method. Become.

金属蒸気供給装置から1種類の金属蒸気を発生させると、単相の金属窒化物単結晶を製造することができる。一方、金属蒸気供給装置内に2個以上のルツボを設置し、2種以上の金属蒸気を同時に発生させると、2種以上金属元素を含む単相の金属窒化物からなる単結晶、あるいは、2種以上の金属窒化物の混晶からなる単結晶を製造することができる。
例えば、金属蒸気が、Ga、In、及びAlからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む場合、本発明に係る金属/金属化合物製造装置を用いて、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN、又はInAlGaNからなる単結晶を製造することができる。
By generating one kind of metal vapor from the metal vapor supply device, a single-phase metal nitride single crystal can be produced. On the other hand, when two or more crucibles are installed in the metal steam supply device and two or more kinds of metal steam are generated at the same time, a single crystal composed of a single-phase metal nitride containing two or more kinds of metal elements, or 2 It is possible to produce a single crystal composed of a mixed crystal of metal nitrides of more than one species.
For example, when the metal vapor contains any one or more elements selected from the group consisting of Ga, In, and Al, the metal / metal compound manufacturing apparatus according to the present invention is used to produce GaN, InN, AlN, InGaN, and the like. A single crystal made of AlGaN, InAlN, or InAlGaN can be produced.

[4. ナノ粒子の製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係るナノ粒子の製造方法は、本発明の第1の実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置を用いて、活性ガス又は不活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させることを特徴とする。
サセプタ部に、目的とする物質に対して濡れ性の悪い材料からなる基板を保持し、金属蒸気供給装置を用いて金属蒸気を発生させ、かつ、反応ガス供給装置を用いて活性ガスを供給すると、基板表面に金属化合物ナノ粒子が析出する。
一方、反応ガス供給装置を用いて不活性ガスを供給すると、基板表面に金属ナノ粒子が析出する。
[4. Nanoparticle manufacturing method (1)]
The method for producing nanoparticles according to the first embodiment of the present invention is the method for producing nanoparticles according to the first embodiment of the present invention, using the metal / metal compound production apparatus according to the first embodiment of the present invention, in the presence of an active gas or an inert gas. It is characterized in that steam is generated to precipitate metal nanoparticles or metal compound nanoparticles on the substrate.
When a substrate made of a material having poor wettability with respect to a target substance is held in the susceptor portion, metal vapor is generated using a metal steam supply device, and an active gas is supplied using a reaction gas supply device. , Metal compound nanoparticles are deposited on the surface of the substrate.
On the other hand, when the inert gas is supplied using the reaction gas supply device, metal nanoparticles are deposited on the surface of the substrate.

[5. 金属蒸気供給装置(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る金属蒸気供給装置は、以下の構成を備えている。
(1)前記金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
(2)前記エバポレータは、
相対密度が40%以上99%以下であり、
平均細孔径が10nm以上200μm以下であり、かつ、
前記溶融金属の接触角が90°未満である材料からなる。
(3)前記エバポレータの材料は、TaCからなり、
前記溶融金属は、
(a)In及び/又はAl、又は、
(b)Ga、並びに、In及び/又はAl
からなる。
[5. Metal steam supply device (2)]
The metal steam supply device according to the second embodiment of the present invention has the following configuration.
(1) The metal steam supply device is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
(2) The evaporator is
Relative density is 40% or more and 99% or less,
The average pore diameter is 10 nm or more and 200 μm or less, and
It is made of a material having a contact angle of the molten metal of less than 90 °.
(3) The material of the evaporator is made of TaC.
The molten metal is
(A) In and / or Al, or
(B) Ga and In and / or Al
Consists of.

本実施の形態において、エバポレータの材料は、TaCからなる。また、溶融金属は、少なくともIn及び/又はAlを含む。溶融金属は、これらに加えて、さらにGaを含んでいても良い。この点が、第1の実施の形態とは異なる。金属蒸気供給装置に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 In this embodiment, the material of the evaporator is TaC. Further, the molten metal contains at least In and / or Al. In addition to these, the molten metal may further contain Ga. This point is different from the first embodiment. The other points regarding the metal steam supply device are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.

[6. 金属/金属化合物製造装置(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置は、
本発明の第2の実施の形態に係る金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えている。
[6. Metal / metal compound manufacturing equipment (2)]
The metal / metal compound manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention is
The metal steam supply device according to the second embodiment of the present invention and
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
It is provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited on the surface.

本実施の形態において、エバポレータの材料は、TaCからなる。また、溶融金属は、少なくともIn及び/又はAlを含む。溶融金属は、これらに加えて、さらにGaを含んでいても良い。本実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置を用いて製造される金属窒化物としては、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaNなどがある。この点が、第1の実施の形態とは異なる。金属/金属化合物製造装置に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 In this embodiment, the material of the evaporator is TaC. Further, the molten metal contains at least In and / or Al. In addition to these, the molten metal may further contain Ga. Examples of the metal nitride produced by using the metal / metal compound production apparatus according to the present embodiment include InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlN, and InAlGaN. This point is different from the first embodiment. The other points regarding the metal / metal compound manufacturing apparatus are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.

[7. ナノ粒子の製造方法(2)]
本発明の第2の実施の形態に係るナノ粒子の製造方法は、本発明の第2の実施の形態に係る金属/金属化合物製造装置を用いて、活性ガス又は不活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させることを特徴とする。
[7. Nanoparticle manufacturing method (2)]
The method for producing nanoparticles according to the second embodiment of the present invention uses the metal / metal compound production apparatus according to the second embodiment of the present invention to produce the metal in the presence of an active gas or an inert gas. It is characterized in that steam is generated to precipitate metal nanoparticles or metal compound nanoparticles on the substrate.

本実施の形態において、エバポレータの材料は、TaCからなる。また、溶融金属は、少なくともIn及び/又はAlを含む。溶融金属は、これらに加えて、さらにGaを含んでいても良い。この点が、第1の実施の形態とは異なる。ナノ粒子の製造方法に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 In this embodiment, the material of the evaporator is TaC. Further, the molten metal contains at least In and / or Al. In addition to these, the molten metal may further contain Ga. This point is different from the first embodiment. Other points regarding the method for producing nanoparticles are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.

[8. 作用]
ルツボ内に保持された溶融金属にエバポレータの一部分を接触させると、毛細管現象により溶融金属がエバポレータの先端に向かってエバポレータ表面を這い上がり、エバポレータの表面の少なくとも一部が溶融金属で濡れる。また、エバポレータの材料、形状及び微構造を最適化すると、溶融金属の這い上がり高さが高くなり、エバポレータの表面全面を溶融金属で濡らすことができる。その結果、溶融金属の液面の総面積が、エバポレータの見なし表面積に応じた分だけ増大し、金属蒸気の供給速度が増大する。エバポレータの微構造等を最適化すると、金属源の供給量を従来の方法の数倍から数十倍程度まで増加させることができる。
[8. Action]
When a part of the evaporator is brought into contact with the molten metal held in the rutsubo, the molten metal crawls up the surface of the evaporator toward the tip of the evaporator due to capillarity, and at least a part of the surface of the evaporator gets wet with the molten metal. Further, by optimizing the material, shape and microstructure of the evaporator, the creeping height of the molten metal becomes high, and the entire surface of the evaporator can be wetted with the molten metal. As a result, the total area of the liquid surface of the molten metal increases by the amount corresponding to the deemed surface area of the evaporator, and the supply rate of the metal vapor increases. By optimizing the microstructure of the evaporator, the supply amount of the metal source can be increased from several times to several tens of times that of the conventional method.

また、本発明では毛細管現象を用いているため、エバポレータ表面の溶融金属が蒸発しても、ルツボ内に溶融金属が残っている間は、エバポレータ表面への溶融金属の供給が継続して起こる。そのため、エバポレータの表面が常に溶融金属で濡れた状態となり、金属蒸気の供給量をほぼ一定に保つことができる。このような金属蒸気供給装置を、例えばGaN単結晶の成長に適用すると、従来の方法に比べてGaN単結晶の成長速度を約3〜5倍以上に向上させることができる。 Further, since the capillary phenomenon is used in the present invention, even if the molten metal on the surface of the evaporator evaporates, the molten metal continues to be supplied to the surface of the evaporator while the molten metal remains in the crucible. Therefore, the surface of the evaporator is always wet with the molten metal, and the supply amount of the metal vapor can be kept substantially constant. When such a metal steam supply device is applied to the growth of, for example, a GaN single crystal, the growth rate of the GaN single crystal can be improved about 3 to 5 times or more as compared with the conventional method.

このような高い成長速度は、溶融金属がエバポレータ表面に這い上がりを起こすことで実現される。このような這い上がり現象は、毛細管現象により発生するが、その這い上がり高さhは、上述した(1)式で表される。(1)式より、毛細管現象は、接触角θ、溶融金属の表面張力γL、毛細管の内径r、及び、溶融金属の密度ρに依存することがわかる。
これらの内、表面張力γLと密度ρは、溶融金属の種類によって決定される。一方、接触角θは溶融金属とエバポレータの表面張力や界面張力で決定され、毛細管の内径rはエバポレータの表面及び内部の細孔構造で決定される。従って、これらを最適化すれば、エバポレータの表面全面を濡らすのに十分な這い上がり高さhが得られる。
Such a high growth rate is realized by the molten metal crawling up on the surface of the evaporator. Such a crawling phenomenon is caused by a capillary phenomenon, and the crawling height h is expressed by the above-mentioned equation (1). From equation (1), it can be seen that the capillary phenomenon depends on the contact angle θ, the surface tension γ L of the molten metal, the inner diameter r of the capillary, and the density ρ of the molten metal.
Of these, the surface tension γ L and the density ρ are determined by the type of molten metal. On the other hand, the contact angle θ is determined by the surface tension and interfacial tension between the molten metal and the evaporator, and the inner diameter r of the capillary tube is determined by the pore structure on the surface and inside of the evaporator. Therefore, if these are optimized, a crawl height h sufficient to wet the entire surface of the evaporator can be obtained.

非特許文献1には、セラミックビーズの表面を液体Gaで覆う方法が開示されている。しかし、同文献に記載の方法では、気化の進行に伴いセラミックビーズ表面の液体Ga量が減少し、セラミックビーズ表面への液体Gaの補給が行われない。そのため、同文献に記載の方法では、一時的に金属蒸気の供給量は増大するが、高い供給速度を長時間維持することができない。
これに対し、本発明に係る装置によれば、金属蒸気の供給量が増大するだけでなく、長時間に渡って高い供給速度を維持することができる。
Non-Patent Document 1 discloses a method of covering the surface of ceramic beads with liquid Ga. However, in the method described in the same document, the amount of liquid Ga on the surface of the ceramic beads decreases as the vaporization progresses, and the liquid Ga is not replenished on the surface of the ceramic beads. Therefore, in the method described in the same document, the supply amount of the metal vapor temporarily increases, but the high supply rate cannot be maintained for a long time.
On the other hand, according to the apparatus according to the present invention, not only the supply amount of metal vapor can be increased, but also a high supply rate can be maintained for a long period of time.

エバポレータを用いて金属蒸気を発生させると、キャリアガス中の金属蒸気の分圧を飽和蒸気圧近傍まで高めることができる。そのため、金属蒸気を含んだガスと、酸素やアンモニアなどの活性ガスとを反応させると、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属炭化物、金属砒化物、金属硫化物などを作製することができる。この時、生成物質と濡れ性の悪い材料からなる基板(例えば、サファイア基板、SiC基板など)を用いると、基板表面にこれらの物質からなるナノ粒子が析出する。 When metal vapor is generated using an evaporator, the partial pressure of the metal vapor in the carrier gas can be increased to near the saturated vapor pressure. Therefore, when a gas containing metal vapor is reacted with an active gas such as oxygen or ammonia, metal oxides, metal nitrides, metal borides, metal carbides, metal arsenides, metal sulfides, etc. are produced. Can be done. At this time, if a substrate made of a product material and a material having poor wettability (for example, a sapphire substrate, a SiC substrate, etc.) is used, nanoparticles made of these substances are precipitated on the surface of the substrate.

一方、活性ガスに代えて窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いて、金属蒸気の急速冷却や加圧を行うと、金属蒸気の飽和蒸気圧近傍のガス中に核が発生し、金属ナノ粒子を容易に作製することができる。ナノ粒子の直径2rは、次の(2)式の臨界核半径r*におおよそ従う。そのため、過飽和度を冷却温度や加圧圧力などによって調整することにより、ナノ粒子径の制御も可能となる。
2r*=4σvl/Δμ ・・・(2)
但し、σ:溶融金属の表面エネルギー、vl:溶融金属液体原子(分子)の体積、
Δμ:過飽和度。
On the other hand, when an inert gas such as nitrogen or argon is used instead of the active gas to rapidly cool or pressurize the metal vapor, nuclei are generated in the gas near the saturated vapor pressure of the metal vapor, and the metal nanoparticles Can be easily produced. The diameter 2r of the nanoparticles roughly follows the critical nuclear radius r * of Eq. (2) below. Therefore, the nanoparticle diameter can be controlled by adjusting the degree of supersaturation according to the cooling temperature, the pressurizing pressure, or the like.
2r * = 4σv l / Δμ ・ ・ ・ (2)
However, σ: surface energy of molten metal, v l : volume of molten metal liquid atom (molecule),
Δμ: degree of supersaturation.

(実施例1: 這い上がり高さの相対密度依存性、及び平均細孔径依存性)
[1. 試験方法]
溶融Gaの入ったルツボ内に、エバポレータを模擬した棒材(5mm角×長さ200mm)を立て、Gaの這い上がり高さを測定した。溶湯温度は1150℃とした。棒材には、相対密度:95%、平均細孔径:14.5μmのWCを用いた。
(Example 1: Relative density dependence of crawling height and average pore size dependence)
[1. Test method]
A rod (5 mm square x 200 mm in length) simulating an evaporator was erected in a crucible containing molten Ga, and the crawling height of Ga was measured. The molten metal temperature was 1150 ° C. As the bar, WC having a relative density of 95% and an average pore diameter of 14.5 μm was used.

[2. 結果]
[2.1. 相対密度依存性]
図2に、エバポレーターがWCであり、溶融金属がGaである場合の這い上がり高さの相対密度依存性を示す。なお、図2には、相対密度依存性の理論曲線(実線)も併せて示した。相対密度と這い上がり高さの関係には、上述した(1)式を用いた。図2より、以下のことがわかる。
(1)相対密度が大きくなるほど、這い上がり高さが大きくなる。
(2)這い上がり高さを1cm以上にするためには、相対密度を40%以上にする必要がある。
(3)相対密度が高すぎる場合、毛細管現象を起こす細孔がなくなるため、這い上がりが起きなくなる。相対密度は、40%以上99%以下の領域が適切である。
[2. result]
[2.1. Relative density dependence]
FIG. 2 shows the relative density dependence of the climbing height when the evaporator is WC and the molten metal is Ga. In addition, FIG. 2 also shows a theoretical curve (solid line) of relative density dependence. For the relationship between the relative density and the climbing height, the above-mentioned equation (1) was used. From FIG. 2, the following can be seen.
(1) The larger the relative density, the larger the climbing height.
(2) In order to make the crawling height 1 cm or more, it is necessary to make the relative density 40% or more.
(3) If the relative density is too high, the pores that cause the capillary phenomenon disappear, so that crawling does not occur. The appropriate relative density is in the region of 40% or more and 99% or less.

[2.2. 平均細孔径依存性]
図3に、エバポレーターがWCであり、溶融金属がGaである場合の這い上がり高さの平均細孔径依存性を示す。なお、図3には、平均細孔径依存性の理論曲線(実線)も併せて示した。図4より、以下のことがわかる。
(1)平均細孔径が大きくなるほど、這い上がり高さが小さくなる。
(2)規格化した這い上がり高さを1以上にするためには、平均細孔径を200μm以下にする必要がある。なお、毛細管現象を起こすためには、液体金属の連続体近似が成り立つ必要があり、そのためには、平均細孔径は10nm以上である必要がある。
[2.2. Average pore size dependence]
FIG. 3 shows the average pore size dependence of the crawling height when the evaporator is WC and the molten metal is Ga. In addition, FIG. 3 also shows a theoretical curve (solid line) depending on the average pore size. From FIG. 4, the following can be seen.
(1) The larger the average pore diameter, the smaller the crawling height.
(2) In order to make the standardized climbing height 1 or more, it is necessary to make the average pore diameter 200 μm or less. In order to cause the capillary phenomenon, the continuum approximation of the liquid metal needs to be established, and for that purpose, the average pore diameter needs to be 10 nm or more.

(実施例2: GaN単結晶の作製)
[1. 試験方法]
本発明に係る装置を用いて、基板上にGaN単結晶を成長させた。基板には、GaNと格子整合性の良いサファイア基板を用いた。サファイア基板は、不純物を取り除くために、予めキャロス洗浄を行った。エバポレータには、面積比(=見なし表面積/溶湯面積)の異なるWC製エバポレータを用いた。
(Example 2: Preparation of GaN single crystal)
[1. Test method]
A GaN single crystal was grown on the substrate using the apparatus according to the present invention. A sapphire substrate having good lattice consistency with GaN was used as the substrate. The sapphire substrate was previously carros-cleaned to remove impurities. As the evaporator, WC evaporators having different area ratios (= deemed surface area / molten metal area) were used.

ルツボ内にエバポレータを配置し、所定量の金属Gaを入れた。サファイア基板をサセプタ台座に固定し、装置内を1100℃程度まで昇温した。ルツボの温度は、1150℃とし、装置内の圧力は1〜100kPaとした。Ga蒸気のキャリアガスには窒素を用い、窒素流量は、1〜20slmとした。反応ガスには、アンモニア及び水素の混合ガスを用いた。アンモニア流量は1〜20slmとし、水素流量は0〜20slmとした。 An evaporator was placed in the crucible, and a predetermined amount of metal Ga was placed therein. The sapphire substrate was fixed to the susceptor pedestal, and the temperature inside the apparatus was raised to about 1100 ° C. The temperature of the crucible was 1150 ° C., and the pressure inside the device was 1 to 100 kPa. Nitrogen was used as the carrier gas of Ga steam, and the nitrogen flow rate was 1 to 20 slm. A mixed gas of ammonia and hydrogen was used as the reaction gas. The ammonia flow rate was 1 to 20 slm, and the hydrogen flow rate was 0 to 20 slm.

[2. 結果]
本発明に係る装置を用いて、サファイア基板上にGaN単結晶を成長させることができた。図4に、WC製エバポレータの面積比(=見なし表面積/溶湯面積)とGaNの成長速度との関係を示す。なお、図4は、キャリアガス流量:2slm、装置内圧:1.3kPaの条件下での結果である。また、GaN基板製造として最も用いられているHVPE法での平均的な成長速度は、100μm/hである(参考文献3)。
[参考文献3]K. Fujito et al., Journal of Crystal Growth, 311, 3011-3014, 2009
[2. result]
Using the apparatus according to the present invention, a GaN single crystal could be grown on a sapphire substrate. FIG. 4 shows the relationship between the area ratio (= deemed surface area / molten metal area) of the WC evaporator and the growth rate of GaN. Note that FIG. 4 shows the results under the conditions of a carrier gas flow rate of 2 slm and an apparatus internal pressure of 1.3 kPa. The average growth rate of the HVPE method, which is most used for manufacturing GaN substrates, is 100 μm / h (Reference 3).
[Reference 3] K. Fujito et al., Journal of Crystal Growth, 311, 3011-3014, 2009

図4より、以下のことがわかる。
(1)面積比が2以上になると、成長速度がHVPE法と同等以上となる。
(2)面積比が3以上になると、成長速度は約200μm/h以上となる。
(3)面積比が4以上になると、成長速度は約300μm/h以上となる。
(4)面積比が5以上になると、成長速度は約400μm/h以上となる。
(5)面積比が6以上になると、成長速度は約500μm/h以上となる。
(6)面積比が7以上になると、成長速度は約600μm/h以上となり、面積比を最適化すると、成長速度は700μm/hを超える。
From FIG. 4, the following can be seen.
(1) When the area ratio is 2 or more, the growth rate becomes equal to or higher than that of the HVPE method.
(2) When the area ratio is 3 or more, the growth rate becomes about 200 μm / h or more.
(3) When the area ratio is 4 or more, the growth rate becomes about 300 μm / h or more.
(4) When the area ratio is 5 or more, the growth rate becomes about 400 μm / h or more.
(5) When the area ratio is 6 or more, the growth rate becomes about 500 μm / h or more.
(6) When the area ratio is 7 or more, the growth rate becomes about 600 μm / h or more, and when the area ratio is optimized, the growth rate exceeds 700 μm / h.

(実施例3〜4、比較例1: 這い上がり高さのエバポレータ材質依存性)
[1. 試験方法]
上述したように、エバポレータ材質としては、融点が高温であり、金属材料との反応性が低いなどの特徴から、金属酸化物、酸化物、ホウ化物、窒化物、炭素系材料などが候補として挙げられる。実際に、特許文献2では、TaCが報告されている。這い上がりに対しては、表面張力(表1参照)に関して以下の式(3)が成り立つときに溶融金属の這い上がりが発生する(参考文献4、5参照)。
σmetal<σevaporator ・・・(3)
但し、
σmetal:溶融金属の表面張力、
σevaporator:エバポレータ材料の表面張力。
[参考文献4]G.V.Samsonov and I.M.Vinitskii, Handbook of refractory compounds, (IFI PLENUM 1980)
[参考文献5]L.Vitos et al., Surface Science 411 186-202(1998)
(Examples 3 to 4, Comparative Example 1: Evaporator material dependence of crawling height)
[1. Test method]
As described above, as the evaporator material, metal oxides, oxides, borides, nitrides, carbon-based materials, etc. are listed as candidates because of their characteristics such as high melting point and low reactivity with metal materials. Be done. In fact, Patent Document 2 reports TaC. With respect to crawling, crawling of molten metal occurs when the following equation (3) holds for surface tension (see Table 1) (see References 4 and 5).
σ metalevaporator ... (3)
However,
σ metal : Surface tension of molten metal,
σ evaporator : Surface tension of the evaporator material.
[Reference 4] GVSamsonov and IMVinitskii, Handbook of refractory compounds, (IFI PLENUM 1980)
[Reference 5] L. Vitos et al., Surface Science 411 186-202 (1998)

Figure 0006885205
Figure 0006885205

しかし、各種材料の接触角、溶融金属やエバポレータ材料の表面張力、両材料間の界面張力について報告されているデータは少ない。さらに、エバポレータの使用温度(1000℃前後)でのこれらの物性値の信頼性が乏しいため、どの材料がエバポレータとして最適であるかは不明であった。
そこで、エバポレータの候補材料の中から、
(a)TiC、VC、ZrC、NbC、Mo2C、WC、HfC、TiN、TaN、ZrN、及び、HfN(実施例3)、
(b)TaC(実施例4)、並びに、
(c)Cr32、VN、Al23、BN、C、及び、SiC(比較例1)
を選択し、溶融金属の這い上がり高さを比較した。
However, few data have been reported on the contact angles of various materials, the surface tension of molten metals and evaporator materials, and the interfacial tension between both materials. Furthermore, since the reliability of these physical property values at the operating temperature of the evaporator (around 1000 ° C.) is poor, it was unclear which material is most suitable as the evaporator.
Therefore, from among the candidate materials for the evaporator,
(A) TiC, VC, ZrC , NbC, Mo 2 C, WC, HfC, TiN, TaN, ZrN, and, HfN (Example 3),
(B) TaC (Example 4), and
(C) Cr 3 C 2 , VN, Al 2 O 3 , BN, C, and SiC (Comparative Example 1)
Was selected and the crawling heights of the molten metal were compared.

具体的には、金属(Ga、In、又はAl)の入ったルツボ内に、エバポレータを模擬した棒材(5mm角×長さ200mm)を立て、棒材の温度が所定の温度まで昇温した際の溶融金属の這い上がり高さを測定した。各棒材には、それぞれ、相対密度が約95%であり、平均細孔径が10〜15μmであるものを用いた。 Specifically, a bar (5 mm square x 200 mm in length) simulating an evaporator was erected in a crucible containing a metal (Ga, In, or Al), and the temperature of the bar was raised to a predetermined temperature. The climbing height of the molten metal was measured. As each bar, a material having a relative density of about 95% and an average pore diameter of 10 to 15 μm was used.

[2. 結果]
[2.1. 溶融Gaの這い上がり高さ]
図5に、エバポレータ材料を1150℃まで昇温した際の溶融Gaの這い上がり高さを示す。Ga溶湯の温度が1250℃である場合、図示はしないが、TaCは、TiC等からなる特定の遷移金属炭化物、及びTiN等からなる特定の遷移金属窒化物(実施例3)と同等以上の這い上がり高さを示した。これに対し、Ga溶湯の温度が1150℃である場合、TiC等からなる特定の遷移金属炭化物、及びTiN等からなる特定の遷移金属窒化物のGa這い上がり高さは、TaCより高くなった。
一方、Cr32、VN、及びSiCは、Gaの這い上がりは生じたが、這い上がり高さはTaCより低かった。さらに、BN及びCは、Gaの這い上がりが認められなかった。図5より、特定の遷移金属炭化物又は遷移金属窒化物を用いてエバポレータを作製すると、TaCより効率良くGa蒸気を供給できることがわかる。
[2. result]
[2.1. Crawling height of molten Ga]
FIG. 5 shows the climbing height of the molten Ga when the temperature of the evaporator material is raised to 1150 ° C. When the temperature of the molten Ga is 1250 ° C., although not shown, TaC crawls equal to or higher than a specific transition metal carbide made of TiC or the like and a specific transition metal nitride made of TiN or the like (Example 3). The rising height was shown. On the other hand, when the temperature of the molten Ga was 1150 ° C., the Ga crawling height of the specific transition metal carbide made of TiC or the like and the specific transition metal nitride made of TiN or the like was higher than that of TaC.
On the other hand, in Cr 3 C 2 , VN, and SiC, Ga crawled up, but the crawling height was lower than that of TaC. Furthermore, in BN and C, no climbing of Ga was observed. From FIG. 5, it can be seen that when an evaporator is produced using a specific transition metal carbide or transition metal nitride, Ga vapor can be supplied more efficiently than TaC.

[2.2. 溶融Inの這い上がり高さ]
図6に、エバポレータ材料を800℃まで昇温した際の溶融Inの這い上がり高さを示す。In溶湯の温度が800℃である場合、Cr32、及びVN以外の遷移金属炭化物及び遷移金属窒化物で高い這い上がりが見られた。温度が800℃であるため、単純な比較はできないが、TaCに比べて高い這い上がりを見せたものは、溶融Gaの場合と異なっていた。これらの結果より、溶融Inでは、這い上がり高さが1cm以上のTaC、Mo2C、VC、WC、TiN、ZrN、HfN、TaN、TiC、ZrC、NbC、又はHfCを用いることで、効率的な金属In蒸気を供給できることがわかった。
[2.2. Crawling height of molten In]
FIG. 6 shows the climbing height of the molten In when the temperature of the evaporator material is raised to 800 ° C. When the temperature of the In molten metal was 800 ° C., high creep was observed in the transition metal carbides and transition metal nitrides other than Cr 3 C 2 and VN. Since the temperature is 800 ° C., a simple comparison cannot be made, but the one showing a higher climb than TaC was different from the case of molten Ga. These results, in the molten In, creeping up height 1cm above TaC, Mo 2 C, VC, WC, TiN, ZrN, HfN, TaN, TiC, ZrC, NbC, or HfC By using the efficient It was found that the metal In vapor can be supplied.

[2.3. 溶融Alの這い上がり高さ]
図7に、エバポレータ材料を1200℃まで昇温した際の溶融Alの這い上がり高さを示す。図7より、金属Al蒸気を供給するには、TaC、Mo2C、VC、WC、TiN、ZrN、HfN、TaN、TiC、ZrC、NbC、又はHfCが適していることがわかる。
[2.3. Crawling height of molten Al]
FIG. 7 shows the climbing height of the molten Al when the temperature of the evaporator material is raised to 1200 ° C. 7 that the supply of metal Al vapor, TaC, Mo 2 C, VC , WC, TiN, ZrN, HfN, TaN, TiC, seen ZrC, NbC, or HfC that is suitable.

以上のように、各溶融金属とエバポレータ材質の組み合わせによって、溶融金属の這い上がり高さが異なることが示された。これらの結果より、表1で示したような材料データからは単純に求めることが難しい各溶融金属に適したエバポレータ材料を特定した。 As described above, it was shown that the creeping height of the molten metal differs depending on the combination of each molten metal and the evaporator material. From these results, an evaporator material suitable for each molten metal, which is difficult to obtain simply from the material data as shown in Table 1, was identified.

(実施例5: AlNバルク結晶成長)
[1. 試験方法]
本発明に係る装置を用いて、種基板上にAlNバルク結晶を成長させた。種基板は、不純物を取り除くために、予めキャロス洗浄を行った。エバポレータには、Mo2C製エバポレーターを用いた。
(Example 5: AlN bulk crystal growth)
[1. Test method]
AlN bulk crystals were grown on the seed substrate using the apparatus according to the present invention. The seed substrate was previously carros-cleaned to remove impurities. The evaporator was used Mo 2 C steel evaporator.

ルツボ内にエバポレータを配置し、所定量の金属Alを入れた。種基板をサセプタ台座に固定し、装置内を2000℃程度まで昇温した。ルツボの温度は、2300℃とし、装置内の圧力は1〜100kPaとした。反応ガスにはN2を用い、N2流量は1〜20slmとした。 An evaporator was placed in the crucible, and a predetermined amount of metal Al was added. The seed substrate was fixed to the susceptor pedestal, and the temperature inside the apparatus was raised to about 2000 ° C. The temperature of the crucible was 2300 ° C., and the pressure inside the device was 1 to 100 kPa. N 2 was used as the reaction gas, and the N 2 flow rate was 1 to 20 slm.

[2. 結果]
本発明に係る装置を用いて、種基板上に、厚さ100μm以上のAlN結晶を成長させることができた。エバポレータを用いた場合、成長速度は約100μm/hであった。
[2. result]
Using the apparatus according to the present invention, AlN crystals having a thickness of 100 μm or more could be grown on the seed substrate. When the evaporator was used, the growth rate was about 100 μm / h.

(実施例6: InNバルク結晶成長)
[1. 試験方法]
本発明に係る装置を用いて、種基板上にInNバルク結晶を成長させた。種基板は、不純物を取り除くために、予めキャロス洗浄を行った。エバポレータには、WC製エバポレーターを用いた。
(Example 6: InN bulk crystal growth)
[1. Test method]
InN bulk crystals were grown on the seed substrate using the apparatus according to the present invention. The seed substrate was previously carros-cleaned to remove impurities. As the evaporator, a WC evaporator was used.

ルツボ内にエバポレータを配置し、所定量の金属Inを入れた。種基板をサセプタ台座に固定し、装置内を800℃程度まで昇温した。ルツボの温度は、800℃とし、装置内の圧力は1〜100kPaとした。In蒸気のキャリアガスには窒素を用い、窒素流量は、1〜10slmとした。反応ガスにはアンモニアを用い、アンモニア流量は0.5〜3slmとした。 An evaporator was placed in the crucible, and a predetermined amount of metal In was added. The seed substrate was fixed to the susceptor pedestal, and the temperature inside the apparatus was raised to about 800 ° C. The temperature of the crucible was 800 ° C., and the pressure inside the device was 1 to 100 kPa. Nitrogen was used as the carrier gas of In steam, and the nitrogen flow rate was 1 to 10 slm. Ammonia was used as the reaction gas, and the flow rate of ammonia was 0.5 to 3 slm.

[2. 結果]
本発明に係る装置を用いて、種基板上に、厚さ10μm以上のInN結晶を成長させることができた。エバポレータを用いた場合、成長速度は約20μm/hであった。
[2. result]
Using the apparatus according to the present invention, InN crystals having a thickness of 10 μm or more could be grown on the seed substrate. When the evaporator was used, the growth rate was about 20 μm / h.

(実施例7: 酸化ガリウムナノ粒子の作製)
[1. 試験方法]
本発明に係る装置を用いて、酸化ガリウムナノ粒子を作製した。基板には、酸化ガリウムに対する濡れ性の低いサファイア基板を用いた。サファイア基板は、不純物を取り除くために、予めキャロス洗浄を行った。エバポレータには、WC製エバポレータを用いた。
(Example 7: Preparation of gallium oxide nanoparticles)
[1. Test method]
Gallium oxide nanoparticles were prepared using the apparatus according to the present invention. A sapphire substrate having low wettability to gallium oxide was used as the substrate. The sapphire substrate was previously carros-cleaned to remove impurities. As the evaporator, a WC evaporator was used.

ルツボ内にエバポレータを配置し、所定量の金属Gaを入れた。サファイア基板をサセプタ台座に固定し、サセプタ部を1000℃まで昇温した。ルツボの温度は、1150℃とし、装置内の圧力は4kPaとした。Ga蒸気のキャリアガスには窒素を用い、窒素流量は、0.1slmとした。反応ガスには、酸素及び窒素の混合ガスを用いた。酸素流量は1.0slmとし、窒素流量は4.0slmとした。 An evaporator was placed in the crucible, and a predetermined amount of metal Ga was placed therein. The sapphire substrate was fixed to the susceptor pedestal, and the temperature of the sapphire portion was raised to 1000 ° C. The temperature of the crucible was 1150 ° C., and the pressure inside the device was 4 kPa. Nitrogen was used as the carrier gas of Ga steam, and the nitrogen flow rate was 0.1 slm. A mixed gas of oxygen and nitrogen was used as the reaction gas. The oxygen flow rate was 1.0 slm, and the nitrogen flow rate was 4.0 slm.

[2. 結果]
本発明に係る装置により、100nm程度の大きさの酸化ガリウムナノ粒子が得られた。これは、ルツボ出口でGa蒸気を含んだキャリアガスと酸素ガスとが反応し、かつ、急速に冷却されることにより、ガス中において核が発生し、基板上においてナノ粒子が形成されたためと考えられる。
なお、本実施例では、100nm程度の比較的大きなサイズの粒子が形成されたが、ルツボ出口での急冷温度や加圧条件を制御することで、任意の大きさのナノ粒子を形成することができる。
[2. result]
With the apparatus according to the present invention, gallium oxide nanoparticles having a size of about 100 nm were obtained. It is considered that this is because the carrier gas containing Ga vapor reacts with the oxygen gas at the crucible outlet and is rapidly cooled, so that nuclei are generated in the gas and nanoparticles are formed on the substrate. Be done.
In this embodiment, particles having a relatively large size of about 100 nm were formed, but nanoparticles of an arbitrary size can be formed by controlling the quenching temperature and pressurizing conditions at the crucible outlet. it can.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る金属/金属化合物製造装置は、各種の金属又は金属化合物からなる単結晶、薄膜、又はナノ粒子を製造するために用いることができる。 The metal / metal compound production apparatus according to the present invention can be used for producing a single crystal, a thin film, or nanoparticles composed of various metals or metal compounds.

Claims (17)

以下の構成を備えた金属蒸気供給装置。
(1)前記金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
(2)前記エバポレータは、
相対密度が40%以上99%以下であり、
平均細孔径が10nm以上200μm以下であり、かつ、
前記溶融金属の接触角が90°未満である材料からなる。
(3)前記エバポレータの材料は、TiC、VC、ZrC、NbC、Mo2C、WC、HfC、TiN、TaN、ZrN、又はHfNからなる。
A metal steam supply device having the following configurations.
(1) The metal steam supply device is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
(2) The evaporator is
Relative density is 40% or more and 99% or less,
The average pore diameter is 10 nm or more and 200 μm or less, and
It is made of a material having a contact angle of the molten metal of less than 90 °.
(3) the material of the evaporator, TiC, VC, ZrC, NbC , Mo 2 C, WC, HfC, TiN, TaN, ZrN, or made of HfN.
前記溶融金属は、Ga、In、及びAlからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む請求項1に記載の金属蒸気供給装置。 The metal steam supply device according to claim 1, wherein the molten metal contains any one or more elements selected from the group consisting of Ga, In, and Al. 前記エバポレータの見なし表面積は、前記ルツボ内の溶湯面積の2倍以上である請求項1又は2に記載の金属蒸気供給装置。 The metal steam supply device according to claim 1 or 2, wherein the deemed surface area of the evaporator is at least twice the area of the molten metal in the crucible. 前記エバポレータは、
台座と、
前記台座の上に放射状に立設された複数のフィンと
を備えている請求項1から3までのいずれか1項に記載の金属蒸気供給装置。
The evaporator is
With the pedestal
The metal steam supply device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a plurality of fins erected radially on the pedestal.
前記ルツボ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部をさらに備えた請求項1から4までのいずれか1項に記載の金属蒸気発生装置。 The metal steam generator according to any one of claims 1 to 4, further comprising a carrier gas supply unit that supplies carrier gas into the crucible. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えた金属/金属化合物製造装置。
The metal steam supply device according to any one of claims 1 to 5.
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
A metal / metal compound manufacturing apparatus provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited on the surface.
請求項6に記載の金属/金属化合物製造装置を用いて、窒化ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属窒化物単結晶を成長させる金属窒化物単結晶の製造方法。 A method for producing a metal nitride single crystal, wherein the metal vapor is generated in the coexistence of a nitride gas to grow the metal nitride single crystal on the substrate by using the metal / metal compound production apparatus according to claim 6. 前記金属蒸気は、Ga、In、及びAlからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含み、
前記金属窒化物は、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN、又はInAlGaNからなる
請求項7に記載の金属窒化物単結晶の製造方法。
The metal vapor contains any one or more elements selected from the group consisting of Ga, In, and Al.
The method for producing a metal nitride single crystal according to claim 7, wherein the metal nitride is composed of GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlN, or InAlGaN.
請求項6に記載の金属/金属化合物製造装置を用いて、不活性ガス又は活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させるナノ粒子の製造方法。 Using the metal / metal compound manufacturing apparatus according to claim 6, the nanoparticles that generate the metal vapor in the presence of an inert gas or an active gas and precipitate the metal nanoparticles or the metal compound nanoparticles on the substrate. Production method. 以下の構成を備えた金属蒸気供給装置。
(1)前記金属蒸気供給装置は、
溶融金属を保持するためのルツボと、
金属蒸気の発生を促進させるためのエバポレータと
を備え、
前記エバポレータは、その一部が前記溶融金属と接触することが可能となるように前記ルツボ内に設置されている。
(2)前記エバポレータは、
相対密度が40%以上99%以下であり、
平均細孔径が10nm以上200μm以下であり、かつ、
前記溶融金属の接触角が90°未満である材料からなる。
(3)前記エバポレータの材料は、TaCからなり、
前記溶融金属は、
(a)In及び/又はAl、又は、
(b)Ga、並びに、In及び/又はAl
からなる。
A metal steam supply device having the following configurations.
(1) The metal steam supply device is
A crucible for holding molten metal,
Equipped with an evaporator to promote the generation of metal vapor,
The evaporator is installed in the crucible so that a part of the evaporator can come into contact with the molten metal.
(2) The evaporator is
Relative density is 40% or more and 99% or less,
The average pore diameter is 10 nm or more and 200 μm or less, and
It is made of a material having a contact angle of the molten metal of less than 90 °.
(3) The material of the evaporator is made of TaC.
The molten metal is
(A) In and / or Al, or
(B) Ga and In and / or Al
Consists of.
前記エバポレータの見なし表面積は、前記ルツボ内の溶湯面積の2倍以上である請求項10に記載の金属蒸気供給装置。 The metal steam supply device according to claim 10, wherein the deemed surface area of the evaporator is at least twice the area of the molten metal in the crucible. 前記エバポレータは、
台座と、
前記台座の上に放射状に立設された複数のフィンと
を備えている請求項10又は11に記載の金属蒸気供給装置。
The evaporator is
With the pedestal
The metal steam supply device according to claim 10 or 11, further comprising a plurality of fins erected radially on the pedestal.
前記ルツボ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部をさらに備えた請求項10から12までのいずれか1項に記載の金属蒸気発生装置。 The metal steam generator according to any one of claims 10 to 12, further comprising a carrier gas supply unit for supplying carrier gas into the crucible. 請求項10から13までのいずれか1項に記載の金属蒸気供給装置と、
前記金属蒸気供給装置から供給される前記金属蒸気に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置と、
表面に前記金属又はその化合物を析出させる基板を保持するためのサセプタ部と
を備えた金属/金属化合物製造装置。
The metal steam supply device according to any one of claims 10 to 13.
A reaction gas supply device for supplying a reaction gas to the metal vapor supplied from the metal vapor supply device, and
A metal / metal compound manufacturing apparatus provided with a susceptor portion for holding a substrate on which the metal or a compound thereof is deposited on the surface.
請求項14に記載の金属/金属化合物製造装置を用いて、窒化ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属窒化物単結晶を成長させる金属窒化物単結晶の製造方法。 A method for producing a metal nitride single crystal, wherein the metal vapor is generated in the coexistence of a nitride gas to grow the metal nitride single crystal on the substrate by using the metal / metal compound production apparatus according to claim 14. 前記金属蒸気は、
(a)In及び/又はAl、又は、
(b)Ga、並びに、In及び/又はAl
を含み、
前記金属窒化物は、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN、又はInAlGaNからなる
請求項15に記載の金属窒化物単結晶の製造方法。
The metal steam
(A) In and / or Al, or
(B) Ga and In and / or Al
Including
The method for producing a metal nitride single crystal according to claim 15, wherein the metal nitride is composed of InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlN, or InAlGaN.
請求項14に記載の金属/金属化合物製造装置を用いて、不活性ガス又は活性ガス共存下において前記金属蒸気を発生させ、前記基板上に金属ナノ粒子又は金属化合物ナノ粒子を析出させるナノ粒子の製造方法。 A metal / metal compound manufacturing apparatus according to claim 14, wherein the metal vapor is generated in the coexistence of an inert gas or an active gas, and the metal nanoparticles or the metal compound nanoparticles are precipitated on the substrate. Production method.
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