特許 5721095 窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置、及び、窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5721095

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月20日

(54)【発明の名称】窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置、及び、窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20150430BHJP

   C30B 25/00 20060101ALI20150430BHJP

   C01B 21/072 20060101ALI20150430BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/38 C

   C30B25/00

   C01B21/072 M

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2010-152506(P2010-152506)

(22)【出願日】2010年7月2日

(65)【公開番号】特開2013-189319(P2013-189319A)

(43)【公開日】2013年9月26日

【審査請求日】2013年6月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、地域科学技術振興事業委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(72)【発明者】

【氏名】原 和彦

【審査官】 安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１５１６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３３５６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 森 達宏,他，塩化物気相法によるAlN単結晶粒子の作製，2010年春季 第57回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，２０１０年 ３月 ３日，18P-TC-2

【文献】 岡本 直也 他，二段階気相法によるGaN／AlN２層構造粒子の合成，電子情報通信学会技術研究報告，２００６年，vol.105,no.568，p.41-44

【文献】 原 和彦，研究紹介 二段階気相成長法によるGaN粉体の合成と発光中心不純物の添加，応用物理，社団法人応用物理学会，２００４年，第73巻,第3号，p.373-377

【文献】 原 和彦,他，二段階気相法を応用したGaN系積層構造蛍光体粒子の作製，第５５回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，２００８年 ３月２７日，vol.0，p.37，27p-ZD-6

【文献】 Moo-Chin WANG,et al.，Preparation and characterization of AlN powders in the AlCl3-NH3-N2 system，Journal of Crystal Growth，２０００年，Vol.216，p.69-79

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｃ０１Ｂ ２１／０７２

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩ）

ＷＰＩ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｉｔａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ Ｅｘｐａｎｄｅｄ（Ｗｅｂ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反応管の内部に設けられ、前記反応管の一端面に設置されたガスラインから供給される塩化水素ガスと融点以下の温度に加熱されたアルミニウムとを反応させて、塩化アルミニウムガスを発生させる第１の反応室と、前記反応管の内部に設けられ、アンモニアガスと前記塩化アルミニウムガスとを反応させて、窒化アルミニウム結晶粒子を成長させる第２の反応室と、前記反応管の高さ方向における一部の周囲に設置され、前記第１の反応室及び前記第２の反応室をまとめて加熱する加熱装置と、前記アンモニアガスと前記塩化アルミニウムガスとを前記第２の反応室まで隔離するために、前記第１の反応室を構成する反応容器との間に前記第２の反応室への窒素ガスの流路を形成するシュラウドとを備え、
前記反応容器は、前記シュラウドの内側において前記加熱装置の前記一端面側の端よりもさらに前記一端面寄りに設置され、前記アルミニウムの温度が５８０℃以上融点以下の温度になるように前記加熱装置との距離が調整されており、前記アンモニアガスは前記シュラウドの外側を通過して前記第２の反応室に導かれ、
前記第２の反応室の温度は、１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内であることを特徴とする、窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置。

【請求項2】

前記窒化アルミニウム結晶粒子は、排気管に設置された繊維性フィルタにより捕集されることを特徴とする、請求項１記載の窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置。

【請求項3】

反応管の内部に設けられた第１の反応室を構成する反応容器との間に第２の反応室への窒素ガスの流路を形成するシュラウドによりアンモニアガスから隔離された前記第１の反応室に設置されたアルミニウムを、前記反応管の高さ方向における一部の周囲に設置され、前記第１の反応室と前記反応管の内部に設けられた前記第２の反応室とをまとめて加熱する加熱装置を用いて該アルミニウムの融点以下の温度に加熱し、前記アルミニウムと、前記反応管の一端面に設置されたガスラインから前記第１の反応室へ供給された塩化水素ガスとを反応させて、前記第１の反応室で塩化アルミニウムガスを発生させ、前記塩化アルミニウムガスとアンモニアガスとを、前記加熱装置によって１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内で加熱された前記第２の反応室で反応させて、前記第２の反応室で窒化アルミニウム結晶粒子を成長させ、
前記反応容器は、前記シュラウドの内側において前記加熱装置の前記一端面側の端よりもさらに前記一端面寄りに設置され、前記アルミニウムの温度が５８０℃以上融点以下の温度になるように前記加熱装置との距離が調整されており、前記アンモニアガスは前記シュラウドの外側を通過して前記第２の反応室に導かれることを特徴とする、窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法。

【請求項4】

前記窒化アルミニウム結晶粒子は、排気管に設置された繊維性フィルタにより捕集されることを特徴とする、請求項３記載の窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置、窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法および窒化アルミニウム結晶粒子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

窒化アルミニウム結晶粒子は、電子素子の基板や高温・高耐食性構造材用セラミックス（例えばＡｌＮ、ＳｉＡｌＯＮなど）の原料に用いられている。窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法としては、例えば還元窒化法や燃焼法がある。特許文献１には、アルミニウムを含む原料を、窒素を含む雰囲気中で燃焼合成させることにより窒化アルミニウム系蛍光体を製造する方法が開示されている。特許文献２には、アルミニウム成分を含む原料を、窒素を含む雰囲気中で窒化処理した後、１０５０℃を越える温度で焼成することにより窒化アルミニウム系蛍光体を製造する方法が開示されている。非特許文献１には、窒化アルミニウムの粉体合成について記載がある。非特許文献２には、窒化アルミニウム蛍光体について記載がある。非特許文献３，４には、塩化アルミニウムガスとアンモニアガスを用いる窒化アルミニウムの薄膜作製について記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−５４１８２号公報

【特許文献2】特開２００６−１９９８７６号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】「新時代を拓くナイトライドセラミックス」、第III部第１章、ティー・アイ・シー（２００１）

【非特許文献2】H.Hirosaki, R.-J.Xie ,K.Inoue, T.Sekiguchi, B.Dierre, K.Tamura,"Blue-emitting AIN:Eu2+nitride phosphor for field emission displays",Appl.Phys.Lett.91,061101(2007).

【非特許文献3】K.Kumagai,T.Yamane, T.Miyaji, H.Murakami, Y.Kangawa and A.Koukitu, "Hydride vaporphase epitaxy of AIN: thermodynamic analysis of aluminum source and its applicationto growth",phys.stat.sol.(c),0,2498-2501(2003).

【非特許文献4】Y-H.Liu, T.Tanabe, H.Miyake, K.Hiramatsu, T.Shibata, M.Tanaka andY.Masa, "Growth of thick AIN layer by hydride vapor phase epitaxy", Jpn.J.Appl.Phys.44,L505-L507(2005).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記した方法で得られる結晶は多結晶であり、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を製造することは困難である。また、多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子は、大型窒化アルミニウム結晶育成用の種結晶として利用することができない。さらに、多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子は、窒化アルミニウム結晶粒子を母体とする蛍光体の大幅な高効率化を図ることができない。

【0006】

本発明は、この問題点を鑑みてなされたものであり、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができる窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置および該製造装置を用いた窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法を提供すること、及び本発明による製造装置を用いた製造方法により製造された窒化アルミニウム結晶粒子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記した課題を解決するために、本発明による窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置は、反応管の内部に設けられ、反応管の一端面に設置されたガスラインから供給される塩化水素ガスと融点以下の温度に加熱されたアルミニウムとを反応させて、塩化アルミニウムガスを発生させる第１の反応室と、反応管の内部に設けられ、アンモニアガスと塩化アルミニウムガスとを反応させて、窒化アルミニウム結晶粒子を成長させる第２の反応室と、反応管の高さ方向における一部の周囲に設置され、第１の反応室及び第２の反応室をまとめて加熱する加熱装置と、アンモニアガスと塩化アルミニウムガスとを第２の反応室まで隔離するために、第１の反応室を構成する反応容器との間に第２の反応室への窒素ガスの流路を形成するシュラウドとを備え、反応容器は、シュラウドの内側において加熱装置の一端面側の端よりもさらに一端面寄りに設置され、アルミニウムの温度が５８０℃以上融点以下の温度になるように加熱装置との距離が調整されており、アンモニアガスはシュラウドの外側を通過して第２の反応室に導かれ、第２の反応室の温度は、１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内であることを特徴とする。

【0008】

上記した窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に塩化アルミニウムを用いることを特徴とする。また、アルミニウムの温度を融点以下の温度にすることにより、石英ガラスを腐蝕させるＡｌＣｌの生成を抑制することができる。これにより、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を高い割合で含む粉末を製造することが可能となるため、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができる。また、第１の反応室がシュラウドによりアンモニアガスから隔離されている。これにより、第２の反応室の温度が例えば１３５０℃以上の高温になる場合であっても、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防ぐことができる。また、第２の反応室の温度が１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内であることにより、製造された窒化アルミニウム結晶粒子の粒径を均一にすることができる。

【0009】

なお、ここでいう窒化アルミニウム結晶粒子は、排気管に設置された繊維性フィルタにより捕集されることが好ましい。これにより、効率的に窒化アルミニウム結晶粒子を捕集することができる。

【0010】

（削除）

【0011】

本発明による窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法は、反応管の内部に設けられた第１の反応室を構成する反応容器との間に第２の反応室への窒素ガスの流路を形成するシュラウドによりアンモニアガスから隔離された第１の反応室に設置されたアルミニウムを、反応管の高さ方向における一部の周囲に設置され、第１の反応室と反応管の内部に設けられた第２の反応室とをまとめて加熱する加熱装置を用いて該アルミニウムの融点以下の温度に加熱し、アルミニウムと、反応管の一端面に設置されたガスラインから第１の反応室へ供給された塩化水素ガスとを反応させて、第１の反応室で塩化アルミニウムガスを発生させ、塩化アルミニウムガスとアンモニアガスとを、加熱装置によって１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内で加熱された第２の反応室で反応させて、第２の反応室で窒化アルミニウム結晶粒子を成長させ、第１の反応室を構成する反応容器は、シュラウドの内側において加熱装置の一端面側の端よりもさらに一端面寄りに設置され、アルミニウムの温度が５８０℃以上融点以下の温度になるように加熱装置との距離が調整されており、アンモニアガスはシュラウドの外側を通過して第２の反応室に導かれることを特徴とする。

【0012】

上記した窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に塩化アルミニウムを用いることを特徴とする。また、アルミニウムの温度を融点以下の温度にすることにより、石英ガラスを腐蝕させるＡｌＣｌの生成を抑制することができる。これにより、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を高い割合で含む粉末を製造することが可能となるため、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができる。また、第１の反応室はシュラウドによりアンモニアガスから隔離されている。これにより、第２の反応室の温度が例えば１３５０℃以上の高温になる場合であっても、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防ぐことができる。また、第２の反応室の温度が１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内であることにより、製造された窒化アルミニウム結晶粒子の粒径を均一にすることができる。

【0013】

なお、ここでいう窒化アルミニウム結晶粒子は、排気管に設置された繊維性フィルタにより捕集されることが好ましい。これにより、効率的に窒化アルミニウム結晶粒子を捕集することができる。

【0014】

（削除）

【0015】

また、本発明による窒化アルミニウム結晶粒子は、シュラウドによりアンモニアガスから隔離された第１の反応室に設置されたアルミニウムを該アルミニウムの融点以下の温度に加熱し、第１の反応室へ供給された塩化水素ガスと反応させて、第１の反応室で塩化アルミニウムガスを発生させ、塩化アルミニウムガスとアンモニアガスとを第２の反応室で反応させて、第２の反応室で窒化アルミニウム結晶粒子を成長させることにより製造されたことを特徴とする。

【0016】

上記した窒化アルミニウム結晶粒子は、第１の反応室がシュラウドによりアンモニアガスから隔離されている状態で製造される。これにより、第２の反応室の温度が例えば１３５０℃以上の高温になる場合であっても、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防いだ状態で製造されることができる。また、上記した窒化アルミニウム結晶粒子によれば、従来の多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子では不可能であった大型窒化アルミニウム結晶育成用の種結晶として、窒化アルミニウム結晶粒子を利用することができる。また、結晶性の優れた単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を使用することにより、従来の多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子では困難であった、窒化アルミニウムを母体とする蛍光体の大幅な高効率化を図ることができる。

【0017】

また、窒化アルミニウム結晶粒子の形状は、各々独立した六角柱又は六角鼓形であって、窒化アルミニウム結晶粒子の粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下でもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明による窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置および該製造装置を用いた窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法によれば、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができ、本発明による製造装置を用いた製造方法により製造された窒化アルミニウム結晶粒子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本方法に用いられる結晶粒子製造装置の構成を示す概略図である。

【図2】反応室の温度分布の一例を示す図である。

【図3】ガス流量と反応室温度の組み合わせを示す表である。

【図4】製造した結晶粒子のＸ線回折測定を行った結果を示すグラフである。

【図5】製造した結晶粒子の走査電子顕微鏡写真である。

【図6】製造した結晶粒子の走査電子顕微鏡写真である。

【図7】製造した結晶粒子の電子線励起発光強度と波長の関係を示すグラフである。

【図8】製造した結晶粒子のＸ線回折測定を行った結果を示すグラフである。

【図9】製造した結晶粒子の走査電子顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付図面を参照しながら本発明による窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0021】

まず、本方法に好適に用いられる窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置の構成について説明する。図１は、本方法に用いられる製造装置１の構成を示す概略図である。この製造装置１は、気相法により結晶粒子を製造するための装置である。図１を参照すると、製造装置１は、反応管２、加熱装置３、ガスライン４〜６、シュラウド９及び排気管１２を備える。

【0022】

反応管２は、第２の反応室２ａ、及び反応容器７を内部に有する。加熱装置３は、反応管２の高さ方向における一部の周囲に設置されている。加熱装置３としては、例えば電気管状炉が好適である。

【0023】

ガスライン４は、アンモニアガスを反応室２ａへ供給するための管であり、反応管２の端面２ｂ寄りの壁面に設置されている。また、ガスライン５は、塩化水素ガスを反応容器７の内部へ供給するための管であり、反応管２の端面２ｂに設置されている。さらに、ガスライン６は、窒素ガスを反応室２ａへ供給するための管であり、反応管２の端面２ｂに設置されている。

【0024】

反応容器７の内部は第１の反応室７ａとなっている。反応室７ａは塩化アルミニウムガス（ＡｌＣｌ_３）を発生させるための領域である。反応容器７は、加熱装置３の下端３ａよりもさらに端面２ｂ寄りに設置されている。反応容器７の端面２ｂ寄りの端面７ｂには、ガスライン５の先端部が接続されている。反応容器７の端面７ｂと対向する他の端面７ｃには、ノズル１０が接続されている。ノズル１０は、反応容器７の端面７ｃから反応室２ａまで延伸されている。反応室７ａには、原料８であるアルミニウムが設置されている。さらに、反応室７ａには、ガスライン５より熱電対１１が挿入され、熱電対１１の先端は、原料８の位置に設置されている。

【0025】

シュラウド９は、反応管２の内部に配置され端面２ｂから反応容器７とノズル１０の先端部との間の位置まで延伸されている。反応容器７はシュラウド９の内側に設置されている。また、ガスライン４から供給されるアンモニアガスは、反応管２の壁面とシュラウド９の間にある空隙を通過して、反応室２ａに導かれる。従って、反応室７ａで発生する塩化アルミニウムガスは、シュラウド９によりアンモニアガスから隔離されている。

【0026】

排気管１２は、反応室２ａにおいて反応の結果生じた残余ガスを排出するために、反応管２の端面２ｂと対向する他方の端面２ｃに設置されている。排気管１２の先端部には、繊維性フィルタ１３が設けられている。繊維性フィルタ１３は、反応の結果生じた窒化アルミニウム結晶粒子を捕集するためのものである。繊維性フィルタ１３としては、例えばシリカ繊維性フィルタ、ガラス繊維性フィルタが好適である。

【0027】

図２は、反応室２ａの温度分布を示す一例である。図２の左側にあるグラフは、反応室２ａの高さ方向の温度分布を示している。Ａは加熱装置３の下端３ａの位置である。反応管２の高さ方向の距離はＡを座標原点としている。Ｂはノズル１０の先端部の位置であり、Ａからの距離は１８５ｍｍである。Ｃは加熱装置３の上端の位置であり、Ａからの距離は６２５ｍｍである。Ｄは繊維性フィルタ１３の位置であり、Ａからの距離は６９５ｍｍである。図２のグラフを参照すると、Ａからの距離が１５０ｍｍ以上４５０ｍｍ以下の領域で、約１４００℃（１３５０℃以上１４５０℃以下）の均一な温度分布が得られていることがわかる。また、ノズル１０の先端部は、約１４００℃の均一な温度分布が得られている領域内にあることがわかる。これにより、ノズル１０から供給される塩化アルミニウムガス及びガスライン４から供給されるアンモニアガスは、反応室２ａの約１４００℃（１３５０℃以上１４５０℃以下）の領域で反応することがわかる。

【0028】

ここで、上記した製造装置１を用いた窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法について説明する。まず原料８として、アルミニウムを用意する。そして、このアルミニウムを反応室７ａに設置する。

【0029】

続いて、反応室２ａへガスライン６から窒素ガスを供給する。そして、反応室２ａに窒素ガスの流れを形成しながら、加熱装置３によって反応室２ａの温度を例えば１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内に加熱する。また、これと並行して反応室７ａに設置した原料８であるアルミニウムを、例えば５８０℃以上アルミニウムの融点以下の温度の範囲内（例えば６００℃）に加熱する。従って、アルミニウムは完全には溶解しない。このとき、反応室７ａに設置したアルミニウムの温度は、熱電対１１により計測される。アルミニウムの温度が５８０℃以上アルミニウムの融点以下の温度になるように、反応容器７と加熱装置３との距離が調整される。

【0030】

反応室２ａの温度が例えば１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内になった後、ガスライン５より塩化水素ガスを反応室７ａに供給する。これにより、アルミニウムと、塩化水素ガスとが反応し、塩化アルミニウムガスが発生する（Al＋3HCl→AlCl₃+1.5H₂）。また、発生した塩化アルミニウムガスは、シュラウド９によりアンモニアガスから隔離される。

【0031】

続いて、ガスライン４よりアンモニアガスを反応室２ａへ供給する。これにより、アンモニアガスと、ノズル１０により導出された塩化アルミニウムガスとは、１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内の温度に加熱された反応室２ａにおいて反応し、窒化アルミニウム結晶粒子が製造される（AlCl₃+NH₃→AlN＋3HCl）。製造された窒化アルミニウム結晶粒子は、繊維性フィルタ１３により捕集される。製造された窒化アルミニウム結晶粒子の粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下の大きさである。

【0032】

以上に説明した工程により、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を製造することができる。

【0033】

本実施形態による窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に塩化アルミニウムを用いることを特徴とする。従来は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に蒸発させたアルミニウムが用いられていたが、この方法では単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を得ることが困難であった。また、アルミニウムの温度を融点以下にすることにより、石英ガラスを腐蝕させるＡｌＣｌの生成を抑制することができる。従って、本実施形態による製造装置によれば、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を高い割合で含む粉末を製造することが可能となるため、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができる。

【0034】

また、本実施形態による窒化アルミニウム結晶粒子の製造装置は気相法を用いた装置であるため、連続合成が可能であり、量産への応用が容易にできる。さらに、本実施形態では、シュラウド９により、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防ぐことができる。

【0035】

本実施形態では、繊維性フィルタ１３により効率的に窒化アルミニウム結晶粒子を捕集することができる。また、本実施形態では、塩化アルミニウムガス及びアンモニアガスを１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内で反応させることにより、製造された窒化アルミニウム結晶粒子の粒径を均一にすることができる。

【0036】

本実施形態による窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に塩化アルミニウムを用いることを特徴とする。従来は、窒化アルミニウム結晶粒子の製造に蒸発させたアルミニウムが用いられていたが、この方法では単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を得ることが困難であった。また、アルミニウムの温度を融点以下にすることにより、石英ガラスを腐蝕させるＡｌＣｌの生成を抑制することができる。従って、本実施形態による製造方法によれば、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を高い割合で含む粉末を製造することが可能となるため、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を効率よく製造することができる。

【0037】

また、本実施形態による窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法は気相法であるため、連続合成が可能であり、量産への応用が容易にできる。さらに、本実施形態では、シュラウド９により、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防ぐことができる。

【0038】

本実施形態では、繊維性フィルタ１３により効率的に窒化アルミニウム結晶粒子を捕集することができる。また、本実施形態では、塩化アルミニウムガス及びアンモニアガスを１３５０℃以上１４５０℃以下の範囲内で反応させることにより、製造された窒化アルミニウム結晶粒子の粒径を均一にすることができる。

【0039】

上記した窒化アルミニウム結晶粒子は、第１の反応室がシュラウドによりアンモニアガスから隔離されている状態で製造される。これにより、第２の反応室の温度が例えば１３５０℃以上の高温になる場合であっても、第１の反応室に設置されたアルミニウムが融点以上の温度に加熱されることを防いだ状態で製造されることができる。また、上記した本実施形態による窒化アルミニウム結晶粒子によれば、従来の多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子では不可能であった大型窒化アルミニウム結晶育成用の種結晶として、窒化アルミニウム結晶粒子を利用することができる。大型窒化アルミニウム単結晶は、ＧａＮ系発光及び電子デバイスのエピタキシャル成長基板として利用することができる。また、結晶性の優れた単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を使用することにより、従来の多結晶の窒化アルミニウム結晶粒子では困難であった、窒化アルミニウムを母体とする蛍光体の大幅な高効率化を図ることができる。

【実施例1】

【0040】

反応管２として内径６０ｍｍ、高さ１０００ｍｍである高純度アルミナ製縦型反応管と、加熱装置３として加熱部の長さが５００ｍｍである電気管状炉とを含む製造装置１を準備した。反応管２は、重力加速度の方向と反応管２の高さ方向とが互いに沿うように設置され、窒素ガス、塩化水素ガス及びアンモニアガスは、端面２ｂ寄りに設置されたガスライン４〜６から供給され、反応の結果生じたガスは、端面２ｃ寄りに設置された排気管１２より排気されるものである。使用する原料８は金属アルミニウムである。使用するガスは２０％窒素希釈の塩化水素ガス、アンモニアガス及び窒素ガスである。

【0041】

本実施例では、反応室２ａの温度と、窒素ガス、塩化水素ガス及びアンモニアガスの流量とを変数とし、それぞれ異なる３つの条件を設定して、試料ａ、ｂ及びｃを製造した。図３は、それぞれ異なる３つの条件と試料ａ、ｂ及びｃとの対応を示す表である。ここで、ガス流量の単位は、１分間あたりの標準状態での体積をｃｃで表記した場合のガス流量である。

【0042】

次に、例えば試料ａの製造工程を説明する。まず、ガスライン６から窒素ガスを１７３０ｓｃｃｍの流量で反応室２ａに供給し、反応室２ａに窒素ガスの流れを形成しつつ、反応室２ａの温度が１４５０℃になるように加熱する。これと並行して、反応室７ａに設置した金属アルミニウムの温度が約６００℃になるように加熱する。反応室２ａの温度が一定になった後、反応管２の端面２ｂに設置されたガスライン５から、２０％窒素ガス希釈の塩化水素ガスを２０ｓｃｃｍの流量で反応室７ａへ供給し、塩化水素ガスと金属アルミニウムとを反応させることにより、塩化アルミニウムガスを発生させる（Al＋3HCl→AlCl₃+1.5H₂）。

【0043】

続いて、ガスライン４からアンモニアガスを２５０ｓｃｃｍの流量で反応室２ａに供給し、アンモニアガスと塩化アルミニウムガスとを、反応室２ａの１４５０℃の領域で反応させ、窒化アルミニウム結晶粒子を製造する（AlCl₃+NH₃→AlN＋3HCl）。窒化アルミニウム結晶粒子は、ガラス繊維性フィルタ１３により捕集される。

【0044】

図４は、製造した試料ａ、ｂ及びｃについて、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ法）を行った結果である。図４を参照すると、試料ａ、ｂ及びｃは、全て窒化アルミニウム結晶粒子のみで構成されていることがわかる。

【0045】

図５は、図３のａ、ｂ及びｃの条件で製造した窒化アルミニウム結晶粒子の走査電子顕微鏡写真である。図５において（ａ）は試料ａの写真であり、（ｂ）は試料ｂの写真であり、（ｃ）は試料ｃの写真である。図５を参照すると、ほとんどの粒子は、ウルツ鉱構造を反映した６回対称の各々独立した六角柱又は六角鼓形であり、単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子が高い割合で製造されていることがわかる。ここで、六角鼓形の形状とは、六角形の端面に挟まれる領域の断面形状が六角形であり、該六角形は端面の六角形よりも小さい形状である立体形状をいう。また、窒化アルミニウム結晶粒子の粒径は、およそ０．０５μｍ以上０．８μｍ以下であることがわかる。

【実施例2】

【0046】

実施例１に示した条件と異なる条件で、窒化アルミニウム結晶粒子を製造した。まず、実施例１と同様の製造装置１を準備した。使用する原料８は金属アルミニウムである。使用するガスは２０％窒素希釈の塩化水素ガス、アンモニアガス及び窒素ガスである。

【0047】

次に、製造工程を説明する。まず、ガスライン６から窒素ガスを反応室２ａに供給し、反応室２ａに窒素ガスの流れを形成しつつ、反応室２ａの温度が１４５０℃になるように加熱する。これと並行して、金属アルミニウムの温度が約６００℃になるように加熱する。反応室２ａの温度が一定になった後、反応管２の端面２ｂに設置されたガスライン５から、４ｓｃｃｍの流量である塩化水素ガスと１６ｓｃｃｍの流量である窒素ガスとを混合したガスを反応室７ａへ供給し、塩化水素ガスと金属アルミニウムとを反応させることにより、塩化アルミニウムガスを発生させる（Al＋3HCl→AlCl₃+1.5H₂）。

【0048】

続いて、ガスライン４から窒素ガスとアンモニアガスとを混合したガスを反応室２ａに供給する。混合したガスのうち、アンモニアガスの流量は２５０ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下である。アンモニアガスと塩化アルミニウムガスとを反応室２ａで反応させ、窒化アルミニウム結晶粒子を製造する（AlCl₃+NH₃→AlN＋3HCl）。製造された粒子は、シリカ繊維性フィルタ１３により捕集される。なお、ガスライン４及び６から供給される窒素ガスの流量は、併せて９８０ｓｃｃｍ以上１７３０ｓｃｃｍ以下である。

【0049】

上記した条件で製造した窒化アルミニウム結晶粒子の特徴を確認した結果、窒化アルミニウム結晶粒子は単結晶でウルツ鉱構造の六角柱型及び六角鼓形を有していた。また、粒子の大きさは０．０５μｍ以上０．８μｍ以下であった。最も大きな粒子は直径及び長さが約０．８μｍであり、粒子の平均長さは約０．３μｍであった。

【実施例3】

【0050】

図６は、反応室２ａの温度を１４００℃として製造した窒化アルミニウム結晶粒子の走査電子顕微鏡写真である。図６を参照すると、Ａ粒子は、完全な単結晶粒子であり、Ｂ粒子は、ｃ軸の向きが真逆の２つの単結晶グレインが結合した粒子である可能性があることがわかる。また、図６を参照すると、Ａ粒子のうち、Ｃ面及びＤ面は一方が（０００１）Ａｌ面であり他の一方が（０００１）Ｎ面であることがわかる。結晶方位は、透過型電子顕微鏡（TEM）により測定される回折スポット形状を解析することで確定できる。

【実施例4】

【0051】

図７は、反応室２ａの温度を１５００℃として製造した窒化アルミニウム結晶粒子の電子線励起発光（CathodoLuminescence）の強度とその光の波長との関係を測定した結果である。図７を参照すると、最大発光強度の波長は、約３７５ｎｍであることがわかる。この波長は、製造条件により多少変動する。

【実施例5】

【0052】

アンモニアガスの分圧が窒化アルミニウム結晶粒子の粒子形成に与える影響を調べるために、次の実験を行った。まず、実施例１と同様な製造装置１を準備した。反応室７ａに金属アルミニウムを設置し、金属アルミニウムが約６００℃になるまで加熱した。その後、塩化水素ガスを４ｓｃｃｍの流量で反応室７ａに供給し、塩化アルミニウムガスを生成させた。続いて、反応室２ａの温度が１４５０℃になるまで加熱し、塩化アルミニウムガスとガスライン４から供給したアンモニアガスとを反応させて、窒化アルミニウム結晶粒子を製造した。本実施例５では、アンモニアガスの流量と、アンモニアガスの分圧を変化させた。ここで、アンモニアガスの分圧は、アンモニアガスに窒素ガスを混合することにより変化させた。

【0053】

図８は、異なる分圧条件で製造した窒化アルミニウム結晶粒子について、Ｘ線回折測定を行った結果である。図８において、グラフＧａはアンモニアの分圧が０．２５ａｔｍである場合を示し、グラフＧｂはアンモニアの分圧が０．１２５ａｔｍである場合を示している。図８を参照すると、異なる分圧条件であっても、製造される粒子は、窒化アルミニウム結晶粒子のみであることがわかる。図９は、異なる分圧条件で製造された窒化アルミニウム結晶粒子の電子顕微鏡写真である。図９（ａ）は、アンモニアの分圧が０．２５ａｔｍである場合の写真であり、図９（ｂ）はアンモニアの分圧が０．１２５ａｔｍである場合の写真である。図９を参照すると、製造された結晶粒子は、ウルツ鉱構造を反映した６回対称の形状をもつ単結晶粒子が多いことがわかった。また、図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較すると、アンモニアガスの分圧の増加に従い粒径が増大する傾向があることがわかった。これは、窒化反応が促進されたためと考えられる。

【0054】

上記した結果より、塩化アルミニウムは単結晶の窒化アルミニウム結晶粒子を製造するための材料として適していることがわかった。

【0055】

本発明による窒化アルミニウム結晶粒子の製造方法、及び該方法により製造された窒化アルミニウム結晶粒子は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0056】

１…製造装置、２ａ…第２の反応室、４〜６…ガスライン、７ａ…第１の反応室、８…原料、９…シュラウド、１２…排気管、１３…繊維性フィルタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図7】

【図8】

【図5】

【図6】

【図9】