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(In Japanese)窒素化合物の製造方法及び製造装置 commons foreign

Patent code P180015259
File No. 2018000790
Posted date Sep 18, 2018
Application number P2017-548816
Date of filing Nov 2, 2016
International application number JP2016082629
International publication number WO2017078082
Date of international filing Nov 2, 2016
Date of international publication May 11, 2017
Priority data
  • P2015-216552 (Nov 4, 2015) JP
Inventor
  • Itagaki Hirotomo
  • Sakakita Hajime
  • Kim Jaeho
  • Ogura Mutsuo
  • Wang Xuelun
  • Hirose Shingo
Applicant
  • NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
Title (In Japanese)窒素化合物の製造方法及び製造装置 commons foreign
Abstract (In Japanese)プラズマによる窒素化合物膜の製造において、基材に電圧を印加することなく、かつ大きな容器を不要とし、大面積化に適し、より高圧プロセスで、消費電力が少ない方法及び装置を提供する。
マイクロ波プラズマを生成して窒素化合物を製造する窒素化合物の製造において、ノズルから窒素系ガスを含む原料ガスを基材の表面に流量を制御して吹き出しながら、前記原料ガスにマイクロ波を印加することにより、前記原料ガスから生成される窒素系活性種を含むプラズマを前記基材の表面に向かって照射する工程において、圧力を前記プラズマにおけるイオンの平均自由行程がデバイ長より小さくなる圧力より高く設定する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来、窒素化合物の薄膜を製造する方法には、基材表面を窒化処理する方法や、窒素化合物を薄膜製造技術により基材表面に形成する方法等が知られている。

窒化処理法は、表面改質処理法の一つであり、鉄鋼やチタンなどの表面を窒化する表面改質法として広く利用されている。窒化表面処理した製品は、スピンドルやギア等の工作機械部品や、タービンや燃料噴射ノズル等の内燃機関部品、パワーショベル等の減速機ギアや、航空機や自動車部品などに使用されている。また、近年、医療用部品への窒化処理等、様々な分野での開発がなされている。窒化処理法は、高硬度化、耐食性付与、耐摩耗性付与などの表面機能を付与する場合において、高密度窒素系活性種供給法として利用可能である。

窒化処理法は、その高密度窒素系活性種供給法の技術を、Metal Organic Chemical Vapor Deposition(以下、MOCVDという。)等の基材表面での材料生成に適用することができる。

半導体技術分野において、GaN系化合物半導体を材料とする青・緑色発光ダイオード(LED)は、白熱電球や蛍光灯などの既存の照明デバイスに取って代わる省エネルギー・長寿命の照明・表示用光源として普及しつつある。LED照明では、青色LEDで黄色蛍光体を励起する白色光合成方式が主流である。その場合のLED単体の発光効率の理論限界は270lm/W程度である。更に発光エネルギー効率を向上するためには(理論効率>400lm/W)、多色LEDを同時に発光させる蛍光体フリー白色LEDを開発する必要がある。課題は、In組成が30%程度のInGaNを発光材料として使用する緑色LEDの外部量子効率の向上である。現在、緑色LEDの発光効率は、高性能な製品でも約20%と青色や赤色LEDの発光効率に比べて、半分以下である。その理由は、その構成元素であるInの蒸気圧が高く600℃程度の低温成長が望ましい一方、窒素(N)は、800℃以上望ましくは1000℃以上でアンモニアを高温分解して活性状態の窒素を供給する必要があるため、最適な結晶成長条件が得られにくい。そのため、800℃以下で窒素系活性種を高密度で供給可能な手法が求められている。

窒化法として、例えば、ガス窒化炉にアンモニアガスのみを実質的に供給し、アンモニアガスとアンモニア分解ガス中で部材表面に窒化層を形成させる技術が知られている(特許文献1参照)。

また、金属部材の表面に金属窒化物の化合物層を効率的に形成するとともに、化合物層と窒素原子の拡散層との相乗効果により硬度を高めることができる、グロー放電によるイオン窒化方法が知られている(特許文献2参照)。特許文献2では、金属部材を-700V、0.95A(665W)でイオン窒化動作ガスとして水素2slm、アンモニア0.5slmを用いて、雰囲気圧1Torrで1時間イオン窒化処理を行っている。その際、金属部材の温度を300-650℃の温度に保持し、金属部材の表面に0.001-2mA/cm^2の電流密度のグロー放電を用い、NHラジカルと窒素ラジカルの発光強度比が0.2-0.1となるプラズマ状態でイオン窒化を行っている。

大気圧プラズマによるチタン合金の窒化薄膜合成技術は、従来の窒化法と比較してより簡便な窒化処理方法として知られている(非特許文献1参照)。大気圧プラズマを用いることにより、処理装置の簡易化、高密度ラジカル生成、金属表面粗化の抑制が可能である。非特許文献1では、高周波電源(5kV、1.2A、21kHz)で実効電力4キロワット、動作ガスとして窒素99%、水素ガス1%を用いている。

最近、低圧から中間圧および高圧において、プラズマを安定に生成・維持できるマイクロ波プラズマ処理装置が開発されている(非特許文献2、特許文献3参照)。通常、プラズマCVD処理用等のプラズマの特性は、プラズマを生成する圧力に強く依存するため、プラズマを圧力に対して次の三つの種類に分けられる。(1)低圧プラズマ:圧力領域0.01Torr~1.0Torr、(2)中間圧プラズマ:圧力領域1.0Torr~100Torr、(3)高圧プラズマ:圧力領域100Torr~760Torr(大気圧)。なお、以下、圧力はPaの単位で示す(1Torr=133Pa)。

本発明者らは、導波管の代わりにマイクロストリップ線路をマイクロ波伝送線路として用いたマイクロ波プラズマ処理装置を既に提案した(非特許文献2、特許文献3参照)。該装置は、従来の導波管を用いたマイクロ波プラズマ処理装置より、単純な構造、安価な製作、低電力運転等のメリットを有し、これからの様々な産業的応用が期待される。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、マイクロ波プラズマ源を用いた窒素化合物の製造方法及び製造装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
マイクロ波プラズマを生成して窒素化合物を製造する窒素化合物の製造方法であって、
ノズルから窒素系ガスを含む原料ガスを基材の表面に流量を制御して吹き出しながら、前記原料ガスにマイクロ波を印加することにより、前記原料ガスから生成される窒素系活性種を含むプラズマを前記基材の表面に向かって照射する工程において、圧力を前記プラズマにおけるイオンの平均自由行程がデバイ長より小さくなる圧力より高く設定することを特徴とする窒素化合物の製造方法。

【請求項2】
 
前記マイクロ波を印加するために、マイクロ波伝送線路としてマイクロストリップ線路又はストリップ線路を用いることを特徴とする請求項1に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項3】
 
前記ノズルをライン状に配置することにより、前記プラズマを前記基材に向かってライン状に照射して、前記基材表面に窒素化合物をライン状に形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項4】
 
前記ノズルから前記原料ガスを吹き出す際に、吹き出し角度を前記基材に垂直な面に対してプラス及びマイナス45度の角度の範囲内で吹き出すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項5】
 
前記工程が行われる圧力を1kPa以上に設定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項6】
 
前記マイクロ波の投入エネルギーが500ワット以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項7】
 
前記ノズルを2個以上重ねて並べて、各ノズルから窒素系ガスを含む原料ガスを前記基材の表面に流量を制御して吹き出しながら、前記原料ガスにマイクロ波を印加することにより、前記原料ガスから窒素系活性種を含むプラズマを生成して、前記プラズマを前記基材の表面に向かって照射する工程を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項8】
 
前記基材がTiであり、前記窒素化合物がTiNであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項9】
 
Ga、In、あるいはAlを有機金属蒸気として輸送し、前記原料ガスから生成される窒素系活性種を含むプラズマと、気相あるいは基板上で反応させることにより、GaN、InGaN、InN、あるいはAlN、及びこれらの混合組成のいずれかからなる窒素化合物の薄膜結晶を、700℃以下の低温にて前記基材上にエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項10】
 
窒素系活性種計測部及び制御部を設け、窒素系活性種の量の計測に基づき制御することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の窒素化合物の製造方法。

【請求項11】
 
マイクロ波プラズマを生成して窒素化合物を製造する装置であって、容器と、容器内に設けられ、ノズルを有するマイクロ波プラズマ生成装置と、窒素系活性種計測部と、制御部とを備え、
前記制御部は、前記ノズルから窒素系ガスを含む原料ガスを基材の表面に流量を制御して吹き出しながら、前記原料ガスにマイクロ波を印加することにより、前記原料ガスから生成される窒素系活性種を含むプラズマを前記基材の表面に向かって照射する工程において、容器内の圧力が、前記プラズマにおけるイオンの平均自由行程がデバイ長より小さくなる圧力より高くなるように、前記窒素系活性種の量の計測に基づき制御することを特徴とする製造装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017548816thum.jpg
State of application right Published
Reference ( R and D project ) (In Japanese)産総研電子光技術研究部門先進プラズマプロセスグループ
(In Japanese)ライセンス等を御希望の方又は特許の内容に興味を持たれた方は,下記「問合せ先」まで直接お問い合わせくださいますよう,お願い申し上げます。


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