JP6082914B2 - Ammonia purification method - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体の原料として用いられるアンモニアを精製する方法であって、工業用として市販されている粗アンモニア等、油分を不純物として含む粗アンモニアを精製する方法に関する。 The present invention relates to a method for purifying ammonia used as a raw material for a gallium nitride-based compound semiconductor, and relates to a method for purifying crude ammonia containing oil as an impurity, such as crude ammonia commercially available for industrial use.
窒化ガリウム系化合物半導体が、発光ダイオードやレーザーダイオード等の素子として多用されている。この窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程(窒化ガリウム系化合物半導体プロセス)は、通常はMOCVD法によってサファイア等の基板に窒化ガリウム系化合物を気相成長させることにより行なわれており、これに用いられる原料ガスとしては、例えばIII族のトリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウムのほか、V族のアンモニアが使用されている。 Gallium nitride compound semiconductors are widely used as elements such as light emitting diodes and laser diodes. This gallium nitride compound semiconductor manufacturing process (gallium nitride compound semiconductor process) is usually performed by vapor-phase growth of a gallium nitride compound on a substrate such as sapphire by MOCVD, and a raw material used for this As the gas, for example, Group III trimethylgallium, trimethylindium, trimethylaluminum, and Group V ammonia are used.
一般的に工業用として市販されている粗アンモニア(工業用の粗アンモニア)には、水素、窒素、酸素、二酸化炭素、水等が含まれている。また、比較的高純度のアンモニアとしては、これをさらに蒸留あるいは精留することにより得られた形態、またはこれを高純度の不活性ガスで希釈した形態で市販されている。しかし、従来から実施されている窒化ガリウム系化合物半導体プロセスにおいては、原料として極めて高い純度のアンモニアが要求されるため、工業用のアンモニアを蒸留あるいは精留して得られた比較的高純度のアンモニアをさらに精製して使用されている。 Generally, crude ammonia (industrial crude ammonia) commercially available for industrial use contains hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water and the like. In addition, relatively high-purity ammonia is commercially available in a form obtained by further distillation or rectification, or in a form diluted with a high-purity inert gas. However, since the gallium nitride compound semiconductor processes that have been used in the past require extremely high purity ammonia as a raw material, relatively high purity ammonia obtained by distillation or rectification of industrial ammonia. Is used after further purification.
従来より、ニッケル触媒等を用いたアンモニアの精製方法が開発されている。例えば、粗アンモニアを連続して精製する方法として、該粗アンモニアをニッケルを主成分とする触媒と接触させて不純物を除去する方法がある。(特開平5−124813、特開平6−107412)また、工業用のアンモニアを、連続して精製し窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給する方法として、該粗アンモニアをニッケルを有効成分とする触媒と接触させた後、さらに細孔径が4〜10Å相当の合成ゼオライトと接触させて、粗アンモニアに含まれる不純物を除去する方法(特開2002−37624)がある。
特許文献3に記載されたアンモニアの精製方法は、工業用として市販されている安価な粗アンモニアを、蒸留あるいは精留することなく、連続して窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給することが可能である。しかしながら、アンモニアを精製し窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給するに際し、工業用の粗アンモニアを特許文献3に記載されたアンモニアの精製方法のみにより精製した場合は、アンモニアを極めて高純度に精留した場合と比較して、基板の表面に成長する窒化ガリウム系化合物の気相成長速度が若干低下する傾向があることが判明した。
The method for purifying ammonia described in
特許文献3に記載されたアンモニアの精製方法においては、窒化ガリウム系化合物の気相成長速度が低下する原因が解明され、基板の表面に効率よく窒化ガリウム系化合物が成長可能な方法が開発されることが望まれる。従って、本発明が解決しようとする課題は、工業用として市販されている安価な粗アンモニアを、蒸留あるいは精留することなく、気相成長速度等に悪影響を及ぼす原因となる不純物を除去し、連続して窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給することが可能なアンモニアの精製方法を提供することである。
In the ammonia purification method described in
本発明者らは、前述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、(1)水素及び窒素から合成される工業用のアンモニアの製造工程にはガス圧縮工程があり、該工程においてコンプレッサーに用いられる油分(潤滑性、防錆性等を向上させるためのオイル)がアンモニアに混入され得ること、(2)油分は微量であっても窒化ガリウム系化合物の気相成長速度に悪影響を及ぼす可能性があること、(3)前記粗アンモニア中の油分を、油分除去手段と接触させて除去するとともに、油分測定装置等を用いて、連続的または定期的な油分測定をすることにより、気相成長に悪影響を与えることなく、精製されたアンモニアを連続して窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給できることを見出し、本発明のアンモニアの精製方法に到達した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have (1) a process for producing industrial ammonia synthesized from hydrogen and nitrogen, which includes a gas compression process, which is used for a compressor in the process. Oil (oil for improving lubricity, rust prevention, etc.) can be mixed in ammonia. (2) Even if the amount of oil is small, it may adversely affect the vapor growth rate of gallium nitride compounds. (3) Oil content in the crude ammonia is removed by bringing it into contact with an oil removal means, and continuous or periodic oil content measurement is performed using an oil content measuring device, etc. It has been found that purified ammonia can be continuously supplied to a gallium nitride-based compound semiconductor process without adverse effects, and has reached the ammonia purification method of the present invention.
すなわち本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体の原料として用いられる、油分と、酸素、二酸化炭素、及び水から選ばれる一種以上の不純物を含む粗アンモニアの精製方法であって、前記粗アンモニアを、油分除去手段と接触させて、該粗アンモニアに含まれる油分を除去する工程と、前記油分除去工程後の粗アンモニア中の油分の有無または油分の濃度を測定する工程と、前記測定工程後の粗アンモニアを、ニッケルを有効成分とする触媒及び合成ゼオライトと接触させて、油分以外の前記不純物を除去する工程を含むことを特徴とするアンモニアの精製方法である。 That is, the present invention is a method for purifying crude ammonia containing an oil and one or more impurities selected from oxygen, carbon dioxide, and water, which is used as a raw material for a gallium nitride-based compound semiconductor, A step of removing oil contained in the crude ammonia in contact with a removing means, a step of measuring the presence or absence of oil in the crude ammonia after the oil removal step, or a concentration of the oil, and crude ammonia after the measurement step And a catalyst containing nickel as an active ingredient and a synthetic zeolite to remove the impurities other than oil.
本発明のアンモニアの精製方法により、蒸留あるいは精留することなく、油分を含む粗アンモニアから、効率よく油分を除去することができる。また、油分の有無または油分の濃度を測定するので、油分を含むアンモニアが窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給されることを防止できる。その結果、窒化ガリウム系化合物の気相成長に悪影響を与えることなく、安価な工業用の粗アンモニアを連続して精製し窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給することが可能である。 According to the method for purifying ammonia of the present invention, oil can be efficiently removed from crude ammonia containing oil without distillation or rectification. In addition, since the presence or absence of oil or the concentration of oil is measured, it is possible to prevent ammonia containing oil from being supplied to the gallium nitride compound semiconductor process. As a result, inexpensive industrial crude ammonia can be continuously purified and supplied to the gallium nitride compound semiconductor process without adversely affecting the vapor phase growth of the gallium nitride compound.
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体の原料として用いられるアンモニアを精製する方法であって、油分を不純物として含む粗アンモニアを精製する方法に適用される。本発明において、油分を不純物として含む粗アンモニアとしては、工業用の粗アンモニアのほか、窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程から排出されるアンモニアを含む排ガスを、加圧処理及び冷却処理することにより、該排ガスに含まれるアンモニアを液化して回収するアンモニアが含まれる。 The present invention is a method for refining ammonia used as a raw material for a gallium nitride compound semiconductor, and is applied to a method for refining crude ammonia containing oil as an impurity. In the present invention, as crude ammonia containing oil as impurities, in addition to industrial crude ammonia, exhaust gas containing ammonia discharged from the manufacturing process of gallium nitride compound semiconductor is subjected to pressure treatment and cooling treatment, Ammonia recovered by liquefying and recovering ammonia contained in the exhaust gas is included.
以下、本発明のアンモニアの精製方法について、図1〜図4に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
尚、図1〜図3は、本発明に使用する装置一式(アンモニアの精製装置)の一例を示す構成図である。図4は、本発明により得られたアンモニアを原料として適用できる気相成長装置の一例を示す構成図である。
また、本発明における窒化ガリウム系化合物半導体の製造工程は、ガリウム、インジウム、アルミニウムから選ばれる1種または2種以上の金属と、窒素との化合物からなる窒化物半導体の結晶成長を行なうための製造工程である。
Hereinafter, although the purification method of ammonia of this invention is demonstrated in detail based on FIGS. 1-4, this invention is not limited by these.
1 to 3 are configuration diagrams showing an example of a set of apparatuses (ammonia purification apparatus) used in the present invention. FIG. 4 is a block diagram showing an example of a vapor phase growth apparatus that can apply ammonia obtained by the present invention as a raw material.
In addition, the manufacturing process of the gallium nitride compound semiconductor in the present invention is a manufacturing process for crystal growth of a nitride semiconductor composed of a compound of nitrogen and one or more metals selected from gallium, indium, and aluminum. It is a process.
本発明のアンモニアの精製方法は、窒化ガリウム系化合物半導体の原料として用いられる、油分と、酸素、二酸化炭素、及び水から選ばれる一種以上の不純物を含む粗アンモニアの精製方法であって、前記粗アンモニアを、(1)油分除去手段と接触させて、該粗アンモニアに含まれる油分を除去する工程と、(2)前記油分除去工程後の粗アンモニア中の油分の有無または油分の濃度を測定する工程と、(3)前記測定工程後の粗アンモニアを、ニッケルを有効成分とする触媒及び合成ゼオライトと接触させて、油分以外の前記不純物を除去する工程を含むアンモニアの精製方法である。 The method for purifying ammonia according to the present invention is a method for purifying crude ammonia, which is used as a raw material for a gallium nitride-based compound semiconductor, and contains one or more impurities selected from oil, oxygen, carbon dioxide, and water. Ammonia is brought into contact with (1) oil removing means to remove oil contained in the crude ammonia, and (2) the presence or absence of oil in the crude ammonia after the oil removing step or the concentration of oil is measured. And (3) a method for purifying ammonia comprising the step of bringing crude ammonia after the measurement step into contact with a catalyst containing nickel as an active ingredient and synthetic zeolite to remove the impurities other than oil.
本発明のアンモニアの精製方法は、具体的には、図1に示すように、粗アンモニアの供給源1から供給される、油分と、酸素、二酸化炭素、及び水から選ばれる一種以上の不純物とを含む粗アンモニアを、(1)油分除去手段2と接触させて油分を除去した後、(2)油分測定装置5により油分の有無または油分の濃度を測定し、(3)ニッケルを有効成分とする触媒6及び合成ゼオライト7と接触させて、油分以外の前記不純物(酸素、二酸化炭素、及び水から選ばれる一種以上の不純物)を除去するアンモニアの精製方法である。
Specifically, the method for purifying ammonia according to the present invention includes, as shown in FIG. 1, an oil component supplied from a crude
本発明において精製の対象である粗アンモニアは、例えば工業用のアンモニアであり、水素と窒素の高圧反応で合成され、液体アンモニアとしてボンベ等に詰められて市販されているものである。このような粗アンモニアは、99.9%または99.99%の純度が保証されているが、酸素、二酸化炭素、及び水以外の不純物として、製造の際のガス圧縮工程においてコンプレッサーに用いられる油分(潤滑性、防錆性等を向上させるためのオイル)が含まれている。前記の油分は、ボンベ等に充填された液体アンモニアを気化した後においても、ミスト状(主に0.01〜100μm程度の径を有するオイルミスト)及び気体状の形態で粗アンモニアガス中に長期間浮遊する。粗アンモニアに含まれる油分の含有量は、通常は5〜50mg/m3である。 The crude ammonia to be purified in the present invention is, for example, industrial ammonia, which is synthesized by a high-pressure reaction between hydrogen and nitrogen, and packed in a cylinder or the like as liquid ammonia and is commercially available. Such crude ammonia is guaranteed to have a purity of 99.9% or 99.99%, but as an impurity other than oxygen, carbon dioxide, and water, the oil component used in the compressor in the gas compression process during production is used. (Oil for improving lubricity, rust prevention, etc.). The oil component is long in crude ammonia gas in the form of mist (mainly oil mist having a diameter of about 0.01 to 100 μm) and gaseous form even after vaporizing liquid ammonia filled in a cylinder or the like. Floating for a period. The content of oil contained in the crude ammonia is usually 5 to 50 mg / m 3 .
本発明において使用される油分除去手段2は、粗アンモニアに含まれる油分を効率よく除去できるものであれば特に限定されることはないが、図1に示すように、フィルター筒3に収納されたフィルター3’と、充填筒4に充填された充填剤4’からなるものを用いることが好ましい。このような油分除去手段2においては、粗アンモニアがフィルター筒3に収納されたフィルター3’と接触(通過)することにより、粗アンモニアに含まれるミスト状の油分が除去され、さらに充填筒4に充填された充填剤4’と接触(通過)することにより、粗アンモニアに含まれる気体状の油分が除去される。
The oil removing means 2 used in the present invention is not particularly limited as long as it can efficiently remove the oil contained in the crude ammonia. However, as shown in FIG. It is preferable to use a
本発明において使用されるフィルター3’は、アンモニアに対する耐腐食性があり、ミスト状の油分を除去することができれば特に制限されることはないが、例えば、セラミック繊維、ガラス繊維、金属繊維等からなるものを用いることができる。フィルター筒の形態についても特に制限されることはないが、例えば円筒状のフィルターが収納されたフィルター筒を用いることができる。また、フィルター筒は、目の粗さが互いに異なる複数枚のフィルターが設けられ、粒径の大きなミスト状の油分から順に除去するような構成であることが好ましい。
The
本発明において使用される充填剤4’は、アンモニアに対する耐腐食性があり、気体状の油分を除去することができれば特に制限されることはないが、例えば、活性炭、アルミナ、珪藻土を挙げることができる。これらの充填剤の中でも安価で使用後に再生が可能な点で活性炭が好ましい。活性炭を用いる場合、椰子殻炭、木粉炭、ピート炭等を用いることができるが、これらの活性炭のうち、BET比表面積が500m2/g以上のものがさらに好ましい。充填筒に充填される充填剤の充填長は、通常は5〜150cmである。
The
充填筒は、図2に示すように、複数の充填筒を設置することにより、いずれかの充填筒でアンモニアの精製を行なうと同時に、その他の充填筒で充填剤の交換を行ない、順次ラインを切替えることにより連続してアンモニアの精製を行なうようにすることができる。尚、本発明において使用される活性炭等の充填剤は、予め主に充填剤に含まれる水分等を除去する目的で、通常は使用する前に200℃以下の温度で加熱しながら窒素等の不活性ガスを流す処理、あるいは200℃以下の温度に加熱された不活性ガスを流す処理が行なわれる。 As shown in FIG. 2, the filling cylinder is provided with a plurality of filling cylinders to purify ammonia in one of the filling cylinders, and at the same time exchange the filler in the other filling cylinder, By switching, ammonia can be purified continuously. In addition, the filler such as activated carbon used in the present invention is mainly for the purpose of removing moisture etc. contained in the filler in advance, and normally, before use, the filler such as nitrogen is heated while being heated at a temperature of 200 ° C. or less. A process of flowing an active gas or a process of flowing an inert gas heated to a temperature of 200 ° C. or lower is performed.
粗アンモニアとフィルターとの接触温度、粗アンモニアと充填剤との接触温度は100℃以下であるが、通常は両者共常温(0〜50℃)でよく、特に加熱や冷却を必要としない。また、圧力にも特に制限はなく、常圧、減圧、加圧のいずれでも処理が可能であるが、通常は常圧ないし0.3MPaの加圧下で行なわれる。また、精製時の充填筒内の粗アンモニアの空筒線速度(LV)は、通常は100cm/sec以下、好ましくは30cm/sec以下である。 Although the contact temperature between the crude ammonia and the filter and the contact temperature between the crude ammonia and the filler are 100 ° C. or lower, both of them may be at ordinary temperature (0 to 50 ° C.), and heating or cooling is not particularly required. The pressure is not particularly limited, and the treatment can be performed at normal pressure, reduced pressure, or increased pressure. Usually, the treatment is performed under normal pressure or 0.3 MPa. Moreover, the empty cylinder linear velocity (LV) of the crude ammonia in the filling cylinder at the time of refining is usually 100 cm / sec or less, preferably 30 cm / sec or less.
尚、粗アンモニアに含まれる、酸素、二酸化炭素、及び水から選ばれるいずれの不純物も、フィルターと接触しても粗アンモニアから除去されずフィルターを通過し、充填剤として活性炭を使用してもきわめて微量に活性炭に保持され得る程度で粗アンモニアからほとんど除去されない。(常温の活性炭による吸着のされやすさ:気体状の油分>アンモニア>二酸化炭素等)また、粗アンモニアを予めフィルターと接触させない場合は、活性炭等の充填剤の表面にミスト状の油分が付着し、時間の経過とともに気体状の油分の吸着が妨げられるようになる。 Note that any impurities selected from oxygen, carbon dioxide, and water contained in the crude ammonia pass through the filter without being removed from the crude ammonia even when in contact with the filter, and even if activated carbon is used as a filler, It is hardly removed from the crude ammonia to such an extent that it can be retained in a small amount by activated carbon. (Ease of adsorption by activated carbon at normal temperature: gaseous oil> ammonia> carbon dioxide, etc.) If crude ammonia is not contacted with the filter in advance, mist-like oil will adhere to the surface of the filler such as activated carbon. As time passes, the adsorption of gaseous oil is prevented.
本発明において使用される油分測定装置5は、粗アンモニアに含まれる油分、または粗アンモニアからサンプリングされたガスに含まれる油分を測定できるものであれば特に制限されることはないが、例えば、水素炎イオン化検出器、赤外吸収分析器、四重極ガス分析装置、ガスクロマトグラフ質量分析計等を挙げることができる。油分測定装置5は、図3に示すように、フィルター筒3と充填筒4からなるラインを2系列以上有する油分除去手段において、いずれかのラインで油分の除去を行なうと同時に、その他のラインでフィルター及び/または充填剤の交換を行ない、油分測定装置により油分が検出され次第、ラインを切替えることにより連続してアンモニアの精製を行なう場合に特に効果を発揮することができる。尚、油分が検出されてからラインの切替えまでに通過した油分を除去するため、ニッケルを有効成分とする触媒6の上流側に、予備的な油分除去手段を設けることができる。また、油分測定装置は常設されてもよいが、油分の測定時のみ設けたり、サンプリングガスの取出し口のみを設けることもできる。
The oil
本発明において使用されるニッケルを有効成分とする触媒は、金属ニッケルまたはニッケルの酸化物等還元され易いニッケル化合物を主成分とするものである。また、ニッケル以外の金属成分としてクロム、鉄、コバルト、銅などの金属が少量含まれているものであってもよい。これらのニッケルは単独で用いてもよく、また、触媒担体などに担持させた形態で用いてもよいが、ニッケルの表面とガスとの接触効率を高める目的などから通常は、触媒担体などに担持させた形態で使用することが好ましい。 The catalyst containing nickel as an active ingredient used in the present invention is mainly composed of a nickel compound which is easily reduced, such as metallic nickel or nickel oxide. Further, a metal component other than nickel may contain a small amount of metal such as chromium, iron, cobalt, or copper. These nickels may be used alone or in a form supported on a catalyst carrier, but are usually supported on a catalyst carrier for the purpose of increasing the contact efficiency between the nickel surface and gas. It is preferable to use it in the form.
ニッケルを担体に担持させる方法としては、例えば、ニッケル塩の水溶液中に珪藻土、アルミナ、シリカアルミナ、アルミノシリケートおよびカルシウムシリケート等の担体粉末を分散させ、さらにアルカリを添加して担体の粉末上にニッケル成分を沈殿させ、次いで濾過し必要に応じて水洗して得たケーキを120〜150℃で乾燥後、300℃以上で焼成しこの焼成物を粉砕する方法、あるいはNiCO3、Ni(OH)2、Ni(NO3)2等の無機塩、NiC2O4、Ni(CH3COO)2等の有機塩を焼成し、粉砕した後、これに耐熱性セメントを混合し焼成する方法が挙げられる。 As a method for supporting nickel on a carrier, for example, carrier powders such as diatomaceous earth, alumina, silica alumina, aluminosilicate, and calcium silicate are dispersed in an aqueous solution of nickel salt, and an alkali is further added to add nickel on the carrier powder. The cake obtained by precipitating the components and then filtering and washing with water as necessary is dried at 120 to 150 ° C. and then baked at 300 ° C. or higher, and the baked product is pulverized, or NiCO 3 , Ni (OH) 2 Inorganic salts such as Ni (NO 3 ) 2 and organic salts such as NiC 2 O 4 and Ni (CH 3 COO) 2 are fired and pulverized, and then heat-resistant cement is mixed and fired. .
これらは、通常は、押出成型、打錠成型などで成型体とされ、そのまま、あるいは必要に応じて適当な大きさに破砕して使用される。成型方法としては乾式法あるいは湿式法を用いることができ、その際、少量の水、滑剤などを使用してもよい。また、ニッケル系触媒として市販されているものがあるので、それらから選択したものを使用してもよい。要は、還元ニッケル、酸化ニッケル等が微細に分散されて、その表面積が大きくガスとの接触効率の高い形態のものであればよい。 These are usually formed into a molded body by extrusion molding, tableting molding or the like, and are used as they are or after being crushed to an appropriate size as required. As a molding method, a dry method or a wet method can be used, and a small amount of water, a lubricant, or the like may be used. Moreover, since there exists what is marketed as a nickel-type catalyst, you may use what was selected from them. The point is that reduced nickel, nickel oxide or the like is finely dispersed and has a large surface area and high contact efficiency with the gas.
ニッケルを有効成分とする触媒のBET比表面積は、通常は10〜300m2/g、好ましくは30〜250m2/gである。また、触媒全体に対するニッケルの含有率は、通常は5〜95wt%、好ましくは20〜95wt%である。ニッケルの含有量が5wt%よりも少なくなると酸素の除去能力が低くなり、また95wt%よりも高くなると水素による還元の際にシンタリングが生じて活性が低下する虞がある。(ニッケルを有効成分とする触媒は、通常は使用する前にこれらを活性化するために、水素還元が行なわれる。水素還元の際は、例えば350℃以下程度で水素と窒素の混合ガスを空筒線速度(LV)5cm/sec程度で通すことによって行なうことができる。) The BET specific surface area of the catalyst containing nickel as an active ingredient is usually 10 to 300 m 2 / g, preferably 30 to 250 m 2 / g. Moreover, the content rate of nickel with respect to the whole catalyst is 5 to 95 wt% normally, Preferably it is 20 to 95 wt%. If the nickel content is less than 5 wt%, the ability to remove oxygen will be low, and if it is higher than 95 wt%, sintering may occur during hydrogen reduction and the activity may be reduced. (Catalysts containing nickel as an active ingredient are usually subjected to hydrogen reduction to activate them before use. For hydrogen reduction, for example, a mixed gas of hydrogen and nitrogen is emptied at about 350 ° C. or less. (This can be done by passing the tube at a linear velocity (LV) of about 5 cm / sec.)
本発明において使用される合成ゼオライトは、化学的には合成結晶アルミノシリケート含水ナトリウム塩のナトリウムの一部をカリウムで置換した合成ゼオライトである。この合成ゼオライト結晶は内部に多数の細孔を有し、その細孔径がほぼ揃っていることが特徴である。これらの合成ゼオライトは効率よく使用できるように、通常は4〜20meshの球状物、直径1.5〜4mm、高さ5〜20mmの柱状物等に成形されて用いられる。尚、本発明においては、好ましくは、細孔径が4〜10Å相当の合成ゼオライトが使用される。合成ゼオライトは、通常は使用する前に200〜350℃程度の温度で不活性ガスを通気しながら活性化される。 The synthetic zeolite used in the present invention is a synthetic zeolite obtained by chemically substituting a part of sodium of a synthetic crystalline aluminosilicate hydrous sodium salt with potassium. This synthetic zeolite crystal has a large number of pores inside and is characterized by substantially uniform pore diameters. These synthetic zeolites are usually used after being molded into a spherical product having a diameter of 4 to 20 mesh, a columnar product having a diameter of 1.5 to 4 mm, and a height of 5 to 20 mm so that it can be used efficiently. In the present invention, preferably, synthetic zeolite having a pore diameter corresponding to 4 to 10 mm is used. Synthetic zeolite is usually activated while aerated with an inert gas at a temperature of about 200 to 350 ° C. before use.
本発明においては、ニッケルを有効成分とする触媒との接触により、粗アンモニアから主に酸素と二酸化炭素が除去され、合成ゼオライトとの接触により、粗アンモニアから主に二酸化炭素、水が除去される。本発明に適用される粗アンモニアに含まれる酸素、二酸化炭素、水の濃度は、通常は各々100ppm以下である。これらの不純物の濃度がこれよりも高くなると発熱量が増加する場合があるため条件によっては除熱手段が必要となる。 In the present invention, mainly oxygen and carbon dioxide are removed from crude ammonia by contact with a catalyst containing nickel as an active ingredient, and mainly carbon dioxide and water are removed from crude ammonia by contact with synthetic zeolite. . The concentrations of oxygen, carbon dioxide, and water contained in the crude ammonia applied to the present invention are usually 100 ppm or less. If the concentration of these impurities is higher than this, the amount of heat generated may increase, so a heat removal means is required depending on the conditions.
ニッケルを有効成分とする触媒及び合成ゼオライトの充填長は、実用上通常は5〜150cmとされる。精製時の粗アンモニアの空筒線速度(LV)は供給される粗アンモニア中の不純物の濃度及び操作条件などによって異なり一概に特定できないが、通常は100cm/sec以下、好ましくは30cm/sec以下である。粗アンモニアとニッケルを有効成分とする触媒との接触温度、粗アンモニアと合成ゼオライトの接触温度は、100℃以下であるが、通常は両者共常温でよく、特に加熱や冷却を必要としない。また、圧力にも特に制限はなく、常圧、減圧、加圧のいずれでも処理が可能であるが、通常は常圧ないし0.3MPaの加圧下で行なわれる。 The packing length of the catalyst containing nickel as an active ingredient and the synthetic zeolite is usually 5 to 150 cm in practice. The hollow linear velocity (LV) of the crude ammonia at the time of purification varies depending on the concentration of impurities in the supplied crude ammonia and the operating conditions, and cannot be specified unconditionally, but is usually 100 cm / sec or less, preferably 30 cm / sec or less. is there. The contact temperature between the crude ammonia and the catalyst containing nickel as an active ingredient, and the contact temperature between the crude ammonia and the synthetic zeolite are 100 ° C. or less, but both of them may be at ordinary temperature, and heating or cooling is not particularly required. The pressure is not particularly limited, and the treatment can be performed at normal pressure, reduced pressure, or increased pressure. Usually, the treatment is performed under normal pressure or 0.3 MPa.
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited by these.
[実施例1]
(アンモニア精製装置の製作)
ニッケル触媒と合成ゼオライトを別々の処理筒に分けたほかは、図1に示すような構成と同様のアンモニア精製装置を製作した。油分測定装置としては、水素炎イオン化検出器を用いた。フィルター筒は、目の粗さが互いに異なる3枚のフィルター(ドムニクハンター社製、AOグレード(1μm程度の径を有するオイルミストを除去)、AAグレード(0.01μm程度の径を有するオイルミストを除去)、AXグレード(0.01μm以下の径を有するオイルミストを除去))を設け、粒径の大きなミスト状の油分から順に除去するような構成とした。
[Example 1]
(Production of ammonia purification equipment)
An ammonia purification apparatus having the same configuration as shown in FIG. 1 was manufactured except that the nickel catalyst and the synthetic zeolite were separated into separate processing cylinders. A hydrogen flame ionization detector was used as the oil content measuring device. The filter cylinder is made of three filters with different grain sizes (manufactured by Domnique Hunter, AO grade (oil mist having a diameter of about 1 μm is removed), AA grade (oil mist having a diameter of about 0.01 μm) AX grade (removal of oil mist having a diameter of 0.01 μm or less)) is provided, and the mist-like oil component having a larger particle diameter is removed in order.
また、活性炭(BET比表面積約800m2/g)を、内径20mm、長さ200mmのステンレス製の充填筒に、充填長が150mmとなるように充填した。さらに、市販のニッケル触媒を、内径45.2mm、長さ200mmのステンレス製の触媒筒に充填長150mmとなるように充填し、市販の4Å相当の合成ゼオライトを、触媒筒の下流に配置された内径45.2mm、長さ200mmのステンレス製の吸着筒に充填長150mmとなるように充填した。 Further, activated carbon (BET specific surface area of about 800 m 2 / g) was filled into a stainless steel filling cylinder having an inner diameter of 20 mm and a length of 200 mm so that the filling length was 150 mm. Furthermore, a commercially available nickel catalyst was filled into a stainless steel catalyst cylinder having an inner diameter of 45.2 mm and a length of 200 mm so as to have a filling length of 150 mm, and a commercially available synthetic zeolite equivalent to 4 mm was disposed downstream of the catalyst cylinder. A stainless steel adsorption cylinder having an inner diameter of 45.2 mm and a length of 200 mm was filled to a filling length of 150 mm.
次に、充填筒に3L/minの流量で150℃の窒素を1時間流して活性炭の乾燥処理を行なった。また、ニッケル触媒を300℃に加熱するとともに、水素と窒素の混合ガス(水素5vol%、窒素95vol%)を3L/minの流量で5時間流してニッケル触媒の還元処理を行なった。また、合成ゼオライトを300℃に加熱するとともに、窒素を3L/minの流量で5時間流して合成ゼオライトの活性化処理を行なった。
Next, the activated carbon was dried by flowing 150 ° C. nitrogen through the filling cylinder at a flow rate of 3 L / min for 1 hour. Further, the nickel catalyst was heated to 300 ° C., and the nickel catalyst was reduced by flowing a mixed gas of hydrogen and nitrogen (
(アンモニアの精製実験)
精製実験の時間を短縮するため、工業用として市販されている粗アンモニアよりも多量にミスト状の油分を含む粗アンモニアを使用して精製実験を行なった。この粗アンモニアを、予め熱伝導度検出器(GC−TCD)、水素炎イオン化検出器(GC−FID)、及びフーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)で分析した結果、不純物として、酸素、二酸化炭素、及び水が、各々5ppm、6ppm、35ppm含まれていた。また、この粗アンモニアには、ミスト状の油分が約50mg/m3、気体状の油分が約0.9g/m3含まれていた。(この条件では、活性炭の交換がフィルターの交換より早く必要になる。)
(Ammonia purification experiment)
In order to shorten the time of the purification experiment, the purification experiment was performed using crude ammonia containing a mist-like oil in a larger amount than crude ammonia commercially available for industrial use. This crude ammonia was analyzed in advance with a thermal conductivity detector (GC-TCD), a flame ionization detector (GC-FID), and a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). , Carbon dioxide, and water were contained at 5 ppm, 6 ppm, and 35 ppm, respectively. The crude ammonia contained about 50 mg / m 3 of mist-like oil and about 0.9 g / m 3 of gaseous oil. (Under these conditions, the activated carbon needs to be replaced sooner than the filter.)
この工業用の粗アンモニアを、常温、常圧、流量10L/minの条件で流通して精製実験を行なった。精製実験開始後1時間の間隔で、GC−TCD、GC−FID、FT−IR(検出下限濃度はいずれも0.01ppm)を用いて合成ゼオライトが充填されている触媒筒の出口ガス中の酸素、二酸化炭素、及び水の濃度を測定した。また、同様に1時間の間隔で、活性炭が充填されている充填筒の出口ガス中の油分を測定した。その結果、実験開始後12時間経過した時に、充填筒の出口ガスから油分が検出されたので実験を終了した。尚、この間、触媒筒の出口ガスから、酸素、二酸化炭素、及び水は、いずれも検出されなかった。 This industrial crude ammonia was circulated under conditions of normal temperature, normal pressure, and a flow rate of 10 L / min to conduct a purification experiment. Oxygen in the outlet gas of the catalyst cylinder filled with synthetic zeolite using GC-TCD, GC-FID, and FT-IR (all detection limit concentrations are 0.01 ppm) at intervals of 1 hour after the start of the purification experiment. , Carbon dioxide, and water concentrations were measured. Similarly, the oil content in the outlet gas of the filled cylinder filled with activated carbon was measured at intervals of 1 hour. As a result, when 12 hours had passed since the start of the experiment, oil was detected from the outlet gas of the filling cylinder, and the experiment was terminated. During this time, none of oxygen, carbon dioxide and water was detected from the outlet gas of the catalyst cylinder.
[実施例2]
実施例1のアンモニア精製装置の製作において、油分を除去するための充填剤として活性炭の代わりにアルミナを主成分とする粉体を使用したほかは実施例1と同様にしてアンモニア精製装置を製作した。
このアンモニア精製装置を用いたほかは実施例1と同様にしてアンモニアの精製実験を行なった。その結果、実験開始後6時間経過した時に、充填筒の出口ガスから油分が検出されたので実験を終了した。尚、この間、触媒筒の出口ガスから、酸素、二酸化炭素、及び水は、いずれも検出されなかった。
[Example 2]
In the production of the ammonia refining apparatus of Example 1, an ammonia refining apparatus was produced in the same manner as in Example 1 except that a powder mainly composed of alumina was used instead of activated carbon as a filler for removing oil. .
Ammonia purification experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that this ammonia purification apparatus was used. As a result, when 6 hours passed from the start of the experiment, an oil component was detected from the outlet gas of the filling cylinder, so the experiment was terminated. During this time, none of oxygen, carbon dioxide and water was detected from the outlet gas of the catalyst cylinder.
[実施例3]
実施例1のアンモニア精製装置の製作において、油分を除去するための充填剤として活性炭の代わりに珪藻土からなる粉体を使用したほかは実施例1と同様にしてアンモニア精製装置を製作した。
このアンモニア精製装置を用いたほかは実施例1と同様にしてアンモニアの精製実験を行なった。その結果、実験開始後5時間経過した時に、充填筒の出口ガスから油分が検出されたので実験を終了した。尚、この間、触媒筒の出口ガスから、酸素、二酸化炭素、及び水は、いずれも検出されなかった。
[Example 3]
In the production of the ammonia purification apparatus of Example 1, an ammonia purification apparatus was produced in the same manner as in Example 1 except that powder made of diatomaceous earth was used instead of activated carbon as a filler for removing oil.
Ammonia purification experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that this ammonia purification apparatus was used. As a result, when 5 hours had elapsed since the start of the experiment, an oil component was detected from the outlet gas of the filling cylinder, so the experiment was terminated. During this time, none of oxygen, carbon dioxide and water was detected from the outlet gas of the catalyst cylinder.
[実施例4]
(気相成長装置の製作)
ステンレス製の反応容器の内部に、円板状のサセプタ(SiCコートカーボン製、直径600mm、厚さ20mm、3インチの基板を5枚保持可能)、冷媒を流通する構成を備えたサセプタの対面(カーボン製)、ヒータ、原料ガスの導入部(カーボン製)、反応ガス排出部等を設けて、図4に示すような気相成長装置を製作した。また、3インチサイズのサファイアよりなる5枚の基板を気相成長装置にセットした。尚、冷媒を流通する構成として、配管1本を中心部から周辺部に向かって渦巻き状に配置した。
[Example 4]
(Production of vapor phase growth equipment)
Inside the stainless steel reaction vessel, a disk-shaped susceptor (SiC coated carbon, 600 mm diameter, 20 mm thickness, can hold five 3 inch substrates), facing the susceptor with a structure for circulating a refrigerant ( A vapor phase growth apparatus as shown in FIG. 4 was manufactured by providing a carbon), a heater, a source gas introduction part (made of carbon), a reaction gas discharge part, and the like. Five substrates made of 3 inch sapphire were set in a vapor phase growth apparatus. In addition, as a structure which distribute | circulates a refrigerant | coolant, one piping was arrange | positioned spirally toward the peripheral part from the center part.
原料ガスの導入部は、直径200mm、厚さ2mmの円板状の仕切り(カーボン製)2個により上下方向に仕切られた3個のガス噴出口を形成し、上層の噴出口からアンモニア、中層の噴出口からTMGを含むガス、下層の噴出口から窒素を供給できるような構成とした。
また、ガスの噴出口の先端と基板との水平面の距離は32.4mmであった。さらに、原料ガス導入部の各々のガス流路に、マスフローコントローラー等を介して、所望の流量及び濃度の各ガスが供給できるように配管を接続した。
The introduction part of the source gas forms three gas jets partitioned in the vertical direction by two disk-shaped partitions (made of carbon) having a diameter of 200 mm and a thickness of 2 mm. From the upper jets, ammonia and the middle layer are formed. The gas containing TMG can be supplied from the nozzle and the nitrogen can be supplied from the lower nozzle.
The distance between the front end of the gas ejection port and the substrate was 32.4 mm. Furthermore, piping was connected to each gas flow path of the raw material gas introduction section through a mass flow controller or the like so that each gas having a desired flow rate and concentration could be supplied.
(気相成長実験)
工業用のアンモニア(不純物の含有量:酸素5ppm、二酸化炭素6ppm、水35ppm、ミスト状の油分約10mg/m3、気体状の油分が約3mg/m3)を、実施例1と同様のアンモニア精製装置を経由して、前述の気相成長装置に供給できるように設定した。また、その他の原料ガスも、各原料の供給源から各精製装置を経由して、前述の気相成長装置に供給できるように設定した。その後、基板の表面に窒化ガリウム(GaN)の成長を次のように行なった。
(Vapor phase growth experiment)
Ammonia for industrial use (impurity content:
窒化ガリウムの気相成長は、バッファー層成長後に、基板温度を1050℃まで上昇させ、上層の噴出口からアンモニア(流量:30L/min)、中層の噴出口からTMG(流量:60cc/min)と水素(流量:30L/min)、下層の噴出口から窒素(流量:40L/min)を供給して、窒化ガリウム膜を1時間成長させた。気相成長実験終了後、温度を下げ、基板を反応容器から取り出した。さらに、このような気相成長実験を合計5回繰返して行なった。その結果、25枚の基板のGaN膜厚の平均値は4.2μmであった。 In the vapor phase growth of gallium nitride, after the buffer layer growth, the substrate temperature is increased to 1050 ° C., ammonia (flow rate: 30 L / min) from the upper jet port, and TMG (flow rate: 60 cc / min) from the middle jet port. Hydrogen (flow rate: 30 L / min) and nitrogen (flow rate: 40 L / min) were supplied from the lower outlet, and a gallium nitride film was grown for 1 hour. After completion of the vapor phase growth experiment, the temperature was lowered and the substrate was taken out of the reaction vessel. Furthermore, such a vapor phase growth experiment was repeated 5 times in total. As a result, the average value of the GaN film thickness of the 25 substrates was 4.2 μm.
[比較例1]
実施例1のアンモニア精製装置の製作において、油分除去手段を使用しなかったほかは実施例1と同様にしてアンモニア精製装置を製作した。
実施例4の気相成長実験において、このアンモニア精製装置を使用したほかは実施例4と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、気相成長実験を合計5回繰返して行なって得られた50枚の基板のGaN膜厚の平均値は3.5μmであった。GaN膜厚の成長速度の低下は、油分が気相成長に悪影響を及ぼしたことによると考えられる。
[Comparative Example 1]
In the production of the ammonia refining apparatus of Example 1, an ammonia refining apparatus was produced in the same manner as in Example 1 except that the oil removing means was not used.
In the vapor phase growth experiment of Example 4, the vapor phase growth experiment was performed in the same manner as in Example 4 except that this ammonia purifier was used. As a result, the average value of the GaN film thickness of 50 substrates obtained by repeating the vapor
以上の通り、本発明のアンモニアの精製方法は、油分を含む粗アンモニアから、効率よく油分を除去することができる。また、窒化ガリウム系化合物の気相成長速度に悪影響を及ぼす油分を除去しながら、安価な工業用のアンモニアを連続して精製し窒化ガリウム系化合物半導体プロセスに供給できる。 As described above, the method for purifying ammonia of the present invention can efficiently remove oil from crude ammonia containing oil. In addition, inexpensive industrial ammonia can be continuously purified and supplied to the gallium nitride compound semiconductor process while removing oil that adversely affects the vapor phase growth rate of the gallium nitride compound.
1 粗アンモニアの供給源
2 油分除去手段
3 フィルター筒
3’フィルター
4 充填筒
4’充填剤
5 油分測定装置
6 ニッケルを有効成分とする触媒
7 合成ゼオライト
8 精製アンモニアの取出し口
9 基板ホルダー
10 サセプタ
11 サセプタの対面
12 ヒータ
13 反応炉
14 原料ガス導入部
15 反応ガス排出部
16 原料ガス配管
17 冷媒を流通する流路
18 サセプタ回転板
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