Search

三塩化シランを原料としたシリコンエピタキシャル膜成長過程における水平型枚葉式反応器内のガス流れ, 温度場および濃度場の挙動と成膜特性の関係について3次元数値解析を用いて詳細な検討を行った. 成膜速度分布の均一化に, 流路高さを小さく保つこと, 反応器内のガス流入速度を上げること, サセプタを回転させること, 三塩化シラン濃度を高く保つこと, が効果的である. 比較的, 低い流入速度, 低い三塩化シラン濃度の場合でも, 入口流路を3分割し, 各流路幅, 各ガス流入速度を調節することで, 成膜基板上の自然対流の発生位置と強度を制御することが可能で成膜速度分布の均一化に有効である. また, サセプタ回転による成膜速度均一化作用は基板中心付近に関しては効果が無いために, 反応器中央流路部で流速を減少させることは避けるべきである.

熱CVDにおける熱拡散の効果を検討するため，部分加熱された水平型矩形流路内の熱拡散分離現象について実験及び数値計算による解析を行った．実験は，He-SF6，またはNe-SF6の2成分混合ガスを用いて実施した．混合ガスを溶融石英キャピラリー（内径75μm，長さ900mm）で四重極質量分析計（QMS）に導入し，流路内各所の局所濃度を測定した．複雑な流れ場内での熱拡散に対する3次元数値解析を，コントロールボリューム法で行った．熱物性値が既知のこれらの系では，数値計算結果は実験結果と良好に一致した．

非線形の表面反応速度を持つChemical Vapor Deposition (CVD) 系に適用できるステップ/ホールカバレッジ形状のシミュレーションアルゴリズムを考案した.従来のシンプルモンテカルロ計算手法と組み合わせることで, カバレッジ形状を高速にシミュレーション可能であるコードを作成した.非線形の表面反応を持つタングステン (W) の熱CVDに本コードを適用したところ, カバレッジ形状の原料 (フッ化タングステン (VI);WF6) 濃度依存性を定量的に説明可能であった.

水平管型ホットウォールCVD反応器を用い, 種々の操作圧力下で, 酢酸亜鉛を原料としたZnO薄膜を合成し, 膜性状に及ぼす操作変数の影響を検討した.ミクロトレンチ上の成膜形状と管軸方向の成膜速度分布を, ミクロおよびマクロな数値シミュレーションにもとづいて検討した.実験結果からCVD機構が圧力によって変化することが示唆された.実験結果を説明するためのモデルが提案された.モデルから, 高圧力下では, APCVDに関する前報で示したと同様に, 酢酸亜鉛から直接表面反応を経てZnO膜が形成されることが示された.低圧下では気相反応で活性種が生成され, それが管壁へ拡散し, 速い表面反応を経て成膜される.中間圧では, 気相中の活性種が窒素などによって失活されるとモデル化できることを示した.10～300Torrの中間圧力域では, これら2つの反応経路が共存するが, 活性な中間体は窒素分子との衝突で失活される.活性中間体から原料に戻る逆気相反応速度が窒素濃度の3乗に比例すると仮定することで, 実験結果を, 完全ではないが, ほぼ説明できた.

水平型CVD装置内における流動および物質移動特性を気相および表面反応, 熱拡散ならびに物性値の組成依存性を考慮した2次元モデルの数値解に基づき検討した.解析結果より, 循環流 (横渦) は平均温度で定義される無次元数を用い, Re 130, Re>3でGr/Re2>40で発生することがわかった.また一例として取り上げたCaAs系MOCVDに関する成膜速度の実測値を比較的良好に表現できることがわかった.熱拡散や物性値の温度依存性を考慮しない簡易的モデルによっても成膜特性に及ぼす気相および表面反応の影響をある程度把握することが可能であることがわかった.本解析法はCVD装置の一般的挙動を明らかにする上で有効であることがわかった.

黒鉱からの亜鉛製錬残渣である石膏を原料とするGaとInの溶媒抽出法による湿式製錬プロセスに液膜法を応用することを検討した.このプロセスには3段の抽出工程が存在するが, 本研究では第1段のGa, Inの予備濃縮工程に支持液膜法および乳化液膜法の双方の応用を試みた.供給液はGaおよびInを約300ppm含む硫酸浸出液であるが, この中にはAlが16,000ppm, Znが30,000ppm共存している.抽出試薬としてVersatic-10 (V10) および2-Brolodecanoic acid (2BDA) を用いた.実験の結果, 抽出試薬としては実プロセスで使用されたV10より, 2BDAが適当であることがわかった.また, 支持液膜法では膜透過流束が小さく実用化が難しいことがわかった.一方, 乳化液膜法では, 界面活性剤であるSpan80の濃度を8vol%, 抽出試薬である2BDAの濃度を20vol%にすることにより約10分で90%のGa, Inの抽出が完了し, 従来のミキサーセトラーを用いた溶媒抽出プロセスに比較して抽出試薬量を1/50, 装置体積を1/10に軽減できることがわかった.

支持 (あるいは含浸) 液膜の実用化を試みるとき, 運転時間の経過とともに目的物質の膜透過流束Jの値が減少する, いわゆる膜劣化の問題を解決する必要がある.この膜劣化の原因は, 膜液中の抽出試薬の溶解損失であると説明されている.抽出試薬の溶解損失が原因であるのならば, 膜液の補充機構を装備すれば膜劣化は完全に防止できるはずである.このような観点から, ラミネート膜を利用した長寿命支持液膜を提案し, 水への溶解度がきわめて大きい抽出剤でも支持液膜として利用でき, 流束も一定に保てることを示した.しかし, LIX64NのDispersol溶液による銅の抽出時には, 抽出試薬の溶解損失とは別の機構による膜劣化現象が生じることを見いだしたのでここに報告する.

液膜法の実用化の観点から, GaおよびInの湿式製錬プロセスへの支持液膜法の応用を検討した.このプロセスは3段の溶媒抽出法を含んでいる.本研究では, このうちイソプロピルエーテル (IPE) によるGa抽出段とトリブチルリン酸 (TBP) によるIn抽出段を支持液膜法の応用の対象とした.IPE抽出系におけるGaとTBP抽出系のInの透過流束は被抽出液側水相境膜拡散律速の挙動を示した.この条件下において被抽出液中よりGaおよびInを99%回収するのに必要な膜長を概算し, 何れの系でも約10mの値を得た.また, 支持液膜法における分離能は, 双方の系において平衡分離の場合より小さいことが示された.