JP2008115068A - Process for producing aluminum nitride containing material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for producing an aluminum nitride containing material at a low manufacturing cost. <P>SOLUTION: The process for producing the aluminum nitride containing material includes a first heat treatment step where a catalyst element having a smaller free energy of formation of nitride than that of aluminum is positioned in molten aluminum heated in a nitrogen atmosphere to cause nitridation using the catalyst element as a catalyst and form a material containing aluminum nitride. The catalyst element is at least one selected from a group consisting of boron, calcium, silicon, iron, molybdenum, chromium, vanadium, magnesium, manganese, indium, gallium, tantalum, hafnium and thorium. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化アルミニウム含有物の製造方法に関し、特に、塊状の窒化アルミニウム含有物または粉末状の窒化アルミニウムを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an aluminum nitride-containing material, and particularly relates to a method for producing a massive aluminum nitride-containing material or powdered aluminum nitride.

窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低く、化学的にも安定である等、優れた性質を有する材料である。このため、近年、半導体デバイス等やエンジン部材等等、様々な分野へ応用されることが期待されている。   Aluminum nitride is a material having excellent properties such as high thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, and chemical stability. For this reason, in recent years, it is expected to be applied to various fields such as semiconductor devices and engine members.

従来、窒化アルミニウムを製造する方法としては、非常に高い気圧(例えば100気圧)の窒素雰囲気中でアルミニウムを高温(例えば1600°)に加熱する方法がある。この方法によれば、窒化アルミニウムの粉末を得ることができる。非特許文献1には、窒化アルミニウムの製造に関する研究が開示されている。
小橋眞、斎木健蔵ら、日本軽金属学会第104回講演概要集(2003)2.
Conventionally, as a method for producing aluminum nitride, there is a method in which aluminum is heated to a high temperature (for example, 1600 °) in a nitrogen atmosphere at a very high pressure (for example, 100 atm). According to this method, an aluminum nitride powder can be obtained. Non-Patent Document 1 discloses a study on the production of aluminum nitride.
Akira Kobashi, Kenzo Saiki et al., The 104th Annual Meeting of the Japan Institute of Light Metals (2003) 2.

上記した方法では、窒化アルミニウムを得るためには、非常に高い気圧、かつ高温にする必要がある。従って、窒化アルミニウムの製造コストが高くなっていた。   In the above-described method, in order to obtain aluminum nitride, it is necessary to set a very high pressure and high temperature. Therefore, the manufacturing cost of aluminum nitride has been high.

また、窒化アルミニウムの粉末しか得ることができない。このため、所望する形状の窒化アルミニウム含有物を得るためには、窒化アルミニウムの粉末にバインダーを添加して所望する形状にした後、焼成する必要があった。このため、塊状の窒化アルミニウム含有物の製造コストは更に高くなっていた。   Only aluminum nitride powder can be obtained. For this reason, in order to obtain an aluminum nitride-containing material having a desired shape, it has been necessary to add a binder to the aluminum nitride powder to obtain a desired shape and then to fire. For this reason, the manufacturing cost of the massive aluminum nitride-containing material has been further increased.

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、製造コストが低い窒化アルミニウム含有物の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing an aluminum nitride-containing material at a low production cost.

本発明に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウムを含有する窒化アルミニウム含有物を生成する第1熱処理工程を具備する。
前記触媒元素はボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、バナジウム、マグネシウム、マンガン、インジウム、ガリウム、タンタル、ハフニウム、及びトリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種である。
In the method for producing an aluminum nitride-containing material according to the present invention, the catalyst element, which is an element whose free energy of formation of nitride is smaller than that of aluminum, is positioned in molten aluminum heated in a nitrogen atmosphere. There is provided a first heat treatment step for generating a nitriding reaction of aluminum as a catalyst to produce an aluminum nitride-containing material containing aluminum nitride.
The catalytic element is at least one selected from the group consisting of boron, calcium, silicon, iron, molybdenum, chromium, vanadium, magnesium, manganese, indium, gallium, tantalum, hafnium, and thorium.

前記触媒元素が固溶しているアルミニウムである触媒元素固溶アルミニウム、前記触媒元素と化合物を形成しているアルミニウムである触媒元素化合アルミニウム、前記触媒元素固溶アルミニウムと前記触媒元素化合アルミニウムの混合物、若しくは前記触媒元素固溶アルミニウム及び前記触媒元素化合アルミニウムの少なくとも一つとアルミニウムの混合物を窒素雰囲気下で溶融させることにより、前記触媒元素を窒素雰囲気下で溶融アルミニウム中に位置させてもよい。   Catalyst element solid solution aluminum which is aluminum in which the catalyst element is solid solution, Catalyst element compound aluminum which is aluminum which forms a compound with the catalyst element, Mixture of catalyst element solid solution aluminum and catalyst element compound aluminum Alternatively, the catalytic element may be positioned in the molten aluminum under a nitrogen atmosphere by melting a mixture of aluminum and at least one of the catalytic element solid solution aluminum and the catalytic element compound aluminum under a nitrogen atmosphere.

前記触媒元素は、前記触媒元素を含有する物質と前記アルミニウムを同一の容器内で加熱して、前記アルミニウムを溶融させることにより、前記溶融アルミニウム内に位置してもよい。この場合、前記容器内で、前記触媒元素を含有する物質の上に前記アルミニウムを配置し、その後前記アルミニウムを溶融させるのが好ましい。さらにこの場合、前記アルミニウムは板状又は塊状であり、前記触媒元素を含有する物質は粉末又は粒子状であり、前記アルミニウムの一面に前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を付着させた後、前記アルミニウムを、前記一面を下方に向けて前記触媒元素を含有する物質の上に配置するのが好ましい。また、前記アルミニウムは板状又は塊状であり、前記触媒元素を含有する物質は粉末又は粒子状であり、複数の前記アルミニウムそれぞれの一面に、前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を押圧することにより、前記複数のアルミニウムの一面それぞれに前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を付着させ、前記複数のアルミニウムを、前記一面を下方に向けた状態で、それぞれの間に前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を挟みつつ前記容器内で積層し、かつ最も下に位置する前記アルミニウムを前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の上に配置してもよい。   The catalyst element may be located in the molten aluminum by heating the substance containing the catalyst element and the aluminum in the same container to melt the aluminum. In this case, it is preferable to arrange the aluminum on the substance containing the catalytic element in the container and then melt the aluminum. Further, in this case, the aluminum is plate-like or lump-like, the substance containing the catalytic element is in the form of powder or particles, and after the powder or particles of the substance containing the catalytic element are attached to one surface of the aluminum The aluminum is preferably disposed on the material containing the catalytic element with the one surface facing downward. In addition, the aluminum is plate-like or massive, the substance containing the catalytic element is powder or particles, and the powder or particles of the substance containing the catalytic element are pressed on one surface of each of the plurality of aluminum. By adhering the powder or particles of the substance containing the catalytic element to one surface of each of the plurality of aluminum, the plurality of aluminum are placed with the catalytic element interposed between the surfaces with the one surface facing downward. The aluminum contained in the container may be stacked while sandwiching the powder or particles of the contained substance, and the lowermost aluminum may be disposed on the powder or particles of the substance containing the catalytic element.

前記第1熱処理工程において、前記容器の周辺部における前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の配置密度を、前記容器の中心部における前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の配置密度より高くしてもよい。   In the first heat treatment step, the arrangement density of the powder or particles of the substance containing the catalytic element in the peripheral part of the container is more than the arrangement density of the powder or particles of the substance containing the catalytic element in the central part of the container. May be higher.

前記第1熱処理工程における熱処理温度を、700℃以上1400℃以下にするのが好ましい。前記第1熱処理工程において、前記窒素ガス雰囲気を加圧雰囲気にしてもよいし、常圧にしてもよい。加圧する場合、前記窒素ガス雰囲気は50気圧以下であることが好ましい。   The heat treatment temperature in the first heat treatment step is preferably 700 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. In the first heat treatment step, the nitrogen gas atmosphere may be a pressurized atmosphere or a normal pressure. When pressurizing, the nitrogen gas atmosphere is preferably 50 atm or less.

前記第1熱処理工程の後に、前記窒化アルミニウム含有物を冷却した後、窒素雰囲気下で前記窒化アルミニウム含有物を再び熱処理する第2熱処理工程を具備してもよい。この場合、前記第1熱処理工程と前記第2熱処理工程の間に、前記窒化アルミニウム含有物の形状を加工する工程を有してもよい。前記第2熱処理工程において、前記窒素ガス雰囲気を加圧雰囲気にしてもよいし、常圧にしてもよい。加圧する場合、前記窒素ガス雰囲気は50気圧以下であることが好ましい。前記第2熱処理工程を複数回繰り返してもよい。   After the first heat treatment step, a second heat treatment step of cooling the aluminum nitride-containing material again and then heat-treating the aluminum nitride-containing material again in a nitrogen atmosphere may be provided. In this case, a step of processing the shape of the aluminum nitride-containing material may be provided between the first heat treatment step and the second heat treatment step. In the second heat treatment step, the nitrogen gas atmosphere may be a pressurized atmosphere or a normal pressure. When pressurizing, the nitrogen gas atmosphere is preferably 50 atm or less. The second heat treatment step may be repeated a plurality of times.

前記第1熱処理工程において、前記溶融アルミニウムの周辺部の温度を、前記溶融アルミニウムの中心部の温度より50℃以上300℃以下高くしてもよい。
前記第1熱処理工程において、前記溶融アルミニウムを加熱する加熱手段の前記溶融アルミニウムに対する相対位置を、前記溶融アルミニウムの周囲で上下に往復移動させてもよい。
In the first heat treatment step, the temperature of the peripheral portion of the molten aluminum may be higher by 50 ° C. or more and 300 ° C. or less than the temperature of the central portion of the molten aluminum.
In the first heat treatment step, the relative position of the heating means for heating the molten aluminum with respect to the molten aluminum may be reciprocated up and down around the molten aluminum.

本発明に係る窒化アルミニウム含有物は、塊状の窒化アルミニウムの中にアルミニウムが島状に分散しており、かつアルミニウムと窒化アルミニウムの粒界の少なくとも一部にケイ素が分散した状態で存在している。前記アルミニウムの分散密度は傾斜していてもよい。   In the aluminum nitride-containing material according to the present invention, the aluminum is dispersed in the form of islands in the bulk aluminum nitride, and the silicon is present in a state where silicon is dispersed in at least part of the grain boundaries of the aluminum and aluminum nitride. . The dispersion density of the aluminum may be inclined.

本発明の窒化アルミニウム含有組成物の製造方法によれば、非常に高い気圧にすることなく、かつ1600℃もの高温にすることなく、窒化アルミニウム含有物を製造することができる。特に、製造の条件を調節することにより、塊状の窒化アルミニウム含有物を直接製造することができる。このため、製造コストが格段に低くなる。   According to the method for producing an aluminum nitride-containing composition of the present invention, an aluminum nitride-containing material can be produced without increasing the pressure to a very high level and without increasing the temperature as high as 1600 ° C. In particular, by adjusting the production conditions, a massive aluminum nitride-containing material can be produced directly. For this reason, a manufacturing cost becomes remarkably low.

以下に、本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム含有組成物の製造方法について、図面を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the aluminum nitride containing composition which concerns on embodiment of this invention is demonstrated with reference to drawings.

図1は、第1の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法に用いられるカーボン抵抗炉の構成図である。このカーボン抵抗炉は、反応チャンバー10を有している。反応チャンバー10には排気口(図示せず)及びガス導入口11が設けられている。反応チャンバー10内には、ルツボ12を加熱するためのグラファイトヒータ13が設けられている。ルツボ12には熱電対が取り付けられているため、モニター線14を通じてルツボ12の温度を反応チャンバー10の外部でモニターすることができる。グラファイトヒータ13は、制御部(図示せず)によって制御されている。この制御部は、例えばルツボ12の温度に基づいて、グラファイトヒータ13への出力を制御する。   FIG. 1 is a configuration diagram of a carbon resistance furnace used in the method for producing an aluminum nitride-containing material according to the first embodiment. This carbon resistance furnace has a reaction chamber 10. The reaction chamber 10 is provided with an exhaust port (not shown) and a gas introduction port 11. A graphite heater 13 for heating the crucible 12 is provided in the reaction chamber 10. Since the crucible 12 is provided with a thermocouple, the temperature of the crucible 12 can be monitored outside the reaction chamber 10 through the monitor wire 14. The graphite heater 13 is controlled by a control unit (not shown). This control unit controls the output to the graphite heater 13 based on the temperature of the crucible 12, for example.

次に、上記のカーボン抵抗炉を用いた窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。
まず、触媒元素とアルミニウムを溶解することにより、触媒元素が固溶しているアルミニウムである触媒元素固溶アルミニウム、触媒元素と化合物を形成しているアルミニウムである触媒元素化合アルミニウム、触媒元素固溶アルミニウムと前記触媒元素化合アルミニウムの混合物、若しくは触媒元素固溶アルミニウム及び触媒元素化合アルミニウムの少なくとも一つとアルミニウムの混合物(以下、触媒元素含有アルミニウム20と記載)を製造する。本工程で用いる装置は、例えばアーク溶解炉であるが、通常の溶解炉であっても良い。触媒元素は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素であり、例えばボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、バナジウム、マグネシウム、マンガン、インジウム、ガリウム、タンタル、ハフニウム、及びトリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種である。触媒元素がボロンの場合、触媒元素含有アルミニウム20は、例えばボロンとアルミニウムの化合物(AlB)を含有している。
Next, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material using said carbon resistance furnace is demonstrated.
First, by dissolving the catalytic element and aluminum, the catalytic element solid aluminum which is the aluminum in which the catalytic element is dissolved, the catalytic element compound aluminum which is the aluminum forming the compound with the catalytic element, the catalytic element solid solution A mixture of aluminum and the catalytic element compound aluminum, or a mixture of at least one of catalytic element solid solution aluminum and catalytic element compound aluminum and aluminum (hereinafter referred to as catalytic element-containing aluminum 20) is produced. The apparatus used in this step is, for example, an arc melting furnace, but may be a normal melting furnace. The catalytic element is an element whose free energy of formation of nitride is smaller than that of aluminum, for example, a group consisting of boron, calcium, silicon, iron, molybdenum, chromium, vanadium, magnesium, manganese, indium, gallium, tantalum, hafnium, and thorium. It is at least one kind selected from. When the catalytic element is boron, the catalytic element-containing aluminum 20 contains, for example, a compound of boron and aluminum (AlB x ).

次いで、触媒元素含有アルミニウム20をルツボ12の内部の配置する。次に、上記した排気口から反応チャンバー10内部を排気し、その後ガス導入口11から窒素ガスを導入する。これにより、反応チャンバー10の内部は窒素雰囲気になる。反応チャンバー10内部における窒素ガスの圧力は、常圧でも良く、50気圧以下の加圧雰囲気でもよく、さらには減圧雰囲気下でもよい。常圧又は減圧雰囲気の場合、反応チャンバー10の内部に窒素ガスを常に供給するのが好ましい。例えば常圧の場合、反応チャンバー10から窒素ガスをオーバーフローさせることになる。   Next, the catalyst element-containing aluminum 20 is disposed inside the crucible 12. Next, the inside of the reaction chamber 10 is exhausted from the exhaust port described above, and then nitrogen gas is introduced from the gas inlet 11. Thereby, the inside of the reaction chamber 10 becomes a nitrogen atmosphere. The pressure of the nitrogen gas inside the reaction chamber 10 may be a normal pressure, a pressurized atmosphere of 50 atm or less, and a reduced pressure atmosphere. In the case of a normal pressure or reduced pressure atmosphere, it is preferable to always supply nitrogen gas into the reaction chamber 10. For example, in the case of normal pressure, nitrogen gas overflows from the reaction chamber 10.

次に、グラファイトヒータ13でルツボ12を、例えば700℃以上1400℃以下まで加熱する。これにより、ルツボ12内で触媒元素含有アルミニウム20が溶融する。この状態において、触媒元素は雰囲気中の窒素と反応して窒化する。上記したように触媒元素は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい。このため、触媒元素と結合した窒素がアルミニウムに受け渡され、アルミニウムが窒化する。このようにして、触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応が進行し、窒化アルミニウム含有物が形成される(以下、第1熱処理と記載)。第1熱処理の初期段階において、窒化アルミニウムはアルミニウムより比重が大きいため、生成した窒化アルミニウムの粒子が沈殿し、その上方でアルミニウムの窒化反応が進行する状態になると考えられる。そして窒化アルミニウムの生成が進むと窒化アルミニウムの粒子同士が結合してネットワーク状になり、このネットワーク状の窒化アルミニウムの表面でアルミニウムの窒化反応が進むと考えられる。なお、反応チャンバー10内の圧力が低いほど、触媒元素含有アルミニウム20の融点以上の温度域における昇温速度を遅くするのが好ましい。例えば反応チャンバー10内の圧力が常圧である場合、触媒元素含有アルミニウム20の融点以上の温度域における昇温速度は、5℃/min以下であるのが好ましい。   Next, the crucible 12 is heated to, for example, 700 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower with the graphite heater 13. Thereby, the catalytic element-containing aluminum 20 is melted in the crucible 12. In this state, the catalyst element reacts with nitrogen in the atmosphere and is nitrided. As described above, the catalytic element has a smaller free energy of formation of nitride than aluminum. For this reason, the nitrogen combined with the catalytic element is transferred to the aluminum, and the aluminum is nitrided. In this way, the nitriding reaction of aluminum using the catalyst element as a catalyst proceeds, and an aluminum nitride-containing material is formed (hereinafter referred to as first heat treatment). In the initial stage of the first heat treatment, the specific gravity of aluminum nitride is larger than that of aluminum, so that the generated aluminum nitride particles precipitate, and the nitriding reaction of aluminum proceeds above the aluminum nitride particles. As the generation of aluminum nitride proceeds, the aluminum nitride particles are combined to form a network, and the nitriding reaction of aluminum proceeds on the surface of the network-like aluminum nitride. The lower the pressure in the reaction chamber 10, the slower the rate of temperature rise in the temperature range above the melting point of the catalytic element-containing aluminum 20. For example, when the pressure in the reaction chamber 10 is a normal pressure, the rate of temperature increase in the temperature range above the melting point of the catalytic element-containing aluminum 20 is preferably 5 ° C./min or less.

第1熱処理におけるアルミニウムの窒化反応において、窒化反応が進行する速度は、処理温度及び雰囲気窒素の圧力によって制御することができる。また、第1熱処理の処理条件、例えば処理温度、雰囲気窒素の圧力、反応時間、及びアルミニウムに対する窒化ホウ素の割合等によって、窒化アルミニウム含有物の状態を作り分けることができる。   In the nitriding reaction of aluminum in the first heat treatment, the speed at which the nitriding reaction proceeds can be controlled by the processing temperature and the pressure of atmospheric nitrogen. Further, the state of the aluminum nitride-containing material can be made different depending on the processing conditions of the first heat treatment, such as the processing temperature, the pressure of atmospheric nitrogen, the reaction time, the ratio of boron nitride to aluminum, and the like.

(空孔率が1%以下という表現があったのですが、その部分については削除しました)
例えば所定の処理条件では、複数の窒化アルミニウム粒子がアルミニウムによって接合した窒化アルミニウム含有物が、凝集合体(バルク)状すなわち塊状で得られる。得られた窒化アルミニウム含有物は、複数の窒化アルミニウム粒子の相互間にアルミニウムが位置しているか、又はネットワーク状すなわち網目状に成長した窒化アルミニウムの相互間にアルミニウムが位置している。このように、焼結法によって得られた窒化アルミニウム含有物と比較して空孔体積率が大幅に低下し、バルク状の窒化アルミニウム含有物を得ることができる。なお、ネットワーク状すなわち網目状に成長した窒化アルミニウムの相互間に位置するアルミニウム中には、ネットワークを形成していない窒化アルミニウム粒子が含まれる場合もある。また、塊状の窒化アルミニウム含有物において、少なくとも一部の触媒元素は、窒化アルミニウムとアルミニウムの粒界に、アルミニウムと化合した状態で取り込まれる。
(There was an expression that the porosity is 1% or less, but that part was deleted)
For example, under predetermined processing conditions, an aluminum nitride-containing material in which a plurality of aluminum nitride particles are bonded together by aluminum is obtained in the form of an aggregate (bulk), that is, a lump. In the obtained aluminum nitride-containing material, aluminum is located between a plurality of aluminum nitride particles, or aluminum is located between aluminum nitrides grown in a network shape, that is, a network. Thus, the void volume ratio is significantly reduced as compared with the aluminum nitride-containing material obtained by the sintering method, and a bulk aluminum nitride-containing material can be obtained. Note that the aluminum located between the aluminum nitrides grown in a network shape, that is, in a network shape, may contain aluminum nitride particles that do not form a network. Further, in the massive aluminum nitride-containing material, at least a part of the catalyst element is taken into the aluminum nitride and aluminum grain boundary in a state combined with aluminum.

そして、窒化アルミニウムの生成反応が促進される条件(例えば1300℃で40気圧)では、生成物である窒化アルミニウム含有物に含まれる窒化アルミニウムの割合を高くし、かつアルミニウムの割合を低くすることができる。   Under the conditions that promote the formation reaction of aluminum nitride (for example, 40 atm at 1300 ° C.), the proportion of aluminum nitride contained in the product, aluminum nitride-containing material, may be increased and the proportion of aluminum may be decreased. it can.

アルミニウムの含有率が40%以上70以下の場合、得られた窒化アルミニウム含有物の加工性が高くなる。また、アルミニウムの含有率が20%以下の場合、窒化アルミニウムの機械的特性(硬度等)が高くなる。また、アルミニウムの含有率が5%以下の場合、得られた窒化アルミニウム含有物の特性(熱伝導率及び抵抗を含む)が、純粋なAlNの特性に近くなる。   When the aluminum content is 40% or more and 70 or less, the workability of the obtained aluminum nitride-containing material is improved. Further, when the aluminum content is 20% or less, the mechanical properties (hardness and the like) of aluminum nitride are high. When the aluminum content is 5% or less, the characteristics (including thermal conductivity and resistance) of the obtained aluminum nitride-containing material are close to those of pure AlN.

アルミニウムの窒化が一定以上(例えば窒化アルミニウムの含有率が99%以上)になると、窒化アルミニウム含有物は凝集合体(バルク)状の物と粉末状の物の混合物になり、更にアルミニウムの窒化が進むと、生成物は粉末状になる。粉末状の生成物は、高純度の窒化アルミニウムである。   When aluminum nitridation exceeds a certain level (for example, the aluminum nitride content is 99% or more), the aluminum nitride-containing material becomes a mixture of agglomerated coal (bulk) and powder, and further aluminum nitridation proceeds. The product becomes powdery. The powdered product is high purity aluminum nitride.

また、反応チャンバー10内部における窒素ガスの圧力が高いほど、窒化アルミニウム含有物の空孔体積率は高くなり、また空孔体積率が高くなるに伴って熱伝導率が低くなる。このため、空孔体積率を高くしたい場合は反応チャンバー10内部における窒素ガスの圧力を高くしたほうが良く、逆に空孔体積率を低くして熱伝導率を高くしたい場合は、反応チャンバー10内部における窒素ガスの圧力を常圧以下にするのが好ましい。   Further, the higher the pressure of the nitrogen gas inside the reaction chamber 10, the higher the void volume ratio of the aluminum nitride-containing material, and the lower the thermal conductivity as the void volume ratio increases. For this reason, when it is desired to increase the void volume ratio, it is better to increase the pressure of the nitrogen gas inside the reaction chamber 10, and conversely, when it is desired to increase the thermal conductivity by decreasing the void volume ratio, It is preferable that the pressure of the nitrogen gas in is not more than normal pressure.

以上、本発明に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法によれば、容易に塊状の窒化アルミニウム含有物を得ることができる。得られた窒化アルミニウム含有物は、アルミニウムの割合によって特性が様々に変化する。例えばアルミニウムの割合が高い場合、窒化アルミニウム含有物の加工性が良くなり、アルミニウムの割合が低い場合、窒化アルミニウム含有物の特性がAlNの特性に近くなる。また、窒化アルミニウムの粒子の表面がアルミニウムによって被覆されているため、良好な耐湿性を得ることができる。   As described above, according to the method for producing an aluminum nitride-containing material according to the present invention, a massive aluminum nitride-containing material can be easily obtained. The characteristics of the obtained aluminum nitride-containing material vary depending on the proportion of aluminum. For example, when the proportion of aluminum is high, the workability of the aluminum nitride-containing material is improved, and when the proportion of aluminum is low, the characteristics of the aluminum nitride-containing material are close to those of AlN. Moreover, since the surfaces of the aluminum nitride particles are covered with aluminum, good moisture resistance can be obtained.

また、従来方法と比較して製造条件は低温かつ低圧である。従って、製造コストも従来と比較して大幅に低くなる。また、製造条件を調整することにより、粉末状の窒化アルミニウムを製造することができるが、この場合においても、従来と比較して製造条件は低温かつ低圧であるため、製造コストが従来と比較して大幅に低くなる。   In addition, the manufacturing conditions are low temperature and low pressure as compared with the conventional method. Therefore, the manufacturing cost is significantly reduced as compared with the prior art. In addition, by adjusting the manufacturing conditions, powdered aluminum nitride can be manufactured. However, in this case as well, the manufacturing conditions are lower temperature and lower pressure than in the conventional case, so the manufacturing cost is lower than in the conventional case. Greatly reduced.

なお、ルツボ12を冷却する冷却機構を設けても良い。冷却機構は、例えば上記した制御部が、ルツボ12の温度に基づいて制御する。制御部は、例えばルツボ12内でAlの窒化反応(発熱反応)が生じ始めてルツボ12の温度が急激に上昇し始めた場合に、冷却機構を作動させる。また上記した制御部は、グラファイトヒータ13及び冷却機構を適切に制御することにより、ルツボ12の温度プロファイルを任意のプロファイルにすることができる。例えば制御部は、ルツボ12を一定温度に維持しても良いし、所定の温度内で周期的に上下させても良い。   A cooling mechanism for cooling the crucible 12 may be provided. For example, the above-described control unit controls the cooling mechanism based on the temperature of the crucible 12. For example, when the temperature of the crucible 12 starts to rise rapidly due to the nitridation reaction (exothermic reaction) of Al in the crucible 12, the control unit operates the cooling mechanism. Moreover, the above-mentioned control part can make the temperature profile of the crucible 12 into arbitrary profiles by controlling the graphite heater 13 and a cooling mechanism appropriately. For example, the control unit may maintain the crucible 12 at a constant temperature, or may periodically raise and lower the crucible 12 within a predetermined temperature.

次に、第2の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。本実施形態は、第1の実施形態に示した第1熱処理によって塊状の窒化アルミニウム含有物を製造し、得られた窒化アルミニウム含有物を冷却した後、更に窒化アルミニウム含有物を窒素ガス雰囲気下で再熱処理(以下、第2熱処理と記載)するものである。窒化アルミニウムの冷却は、例えば炉冷で行う。第2熱処理は、例えば第1熱処理で用いたカーボン抵抗炉を用いて行う。第2熱処理を行うことにより、窒化アルミニウム含有物に含まれるアルミニウムの窒化反応が進行してアルミニウムの含有率が低下し、かつ窒化アルミニウムの含有率が上昇する。   Next, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. In the present embodiment, a block-shaped aluminum nitride-containing material is manufactured by the first heat treatment shown in the first embodiment, and the obtained aluminum nitride-containing material is cooled. Re-heat treatment (hereinafter referred to as second heat treatment) is performed. The aluminum nitride is cooled by, for example, furnace cooling. The second heat treatment is performed using, for example, the carbon resistance furnace used in the first heat treatment. By performing the second heat treatment, the nitriding reaction of aluminum contained in the aluminum nitride-containing material proceeds, the aluminum content decreases, and the aluminum nitride content increases.

本実施形態において、第2熱処理は、第1熱処理よりアルミニウムの窒化反応が進行しやすい条件で行われても良いし、第1熱処理における熱処理条件と略同じであってもよい。具体的には、第1熱処理における熱処理温度は700℃以上1400℃以下である場合、第2熱処理における熱処理温度は700℃以上1400℃以下である。また、第2熱処理における窒素ガス雰囲気の圧力は、例えば加圧雰囲気であるが、第1熱処理と同様に、常圧又は減圧雰囲気であっても良い。   In the present embodiment, the second heat treatment may be performed under conditions that facilitate the nitriding reaction of aluminum as compared with the first heat treatment, or may be substantially the same as the heat treatment conditions in the first heat treatment. Specifically, when the heat treatment temperature in the first heat treatment is 700 ° C. or more and 1400 ° C. or less, the heat treatment temperature in the second heat treatment is 700 ° C. or more and 1400 ° C. or less. Further, the pressure of the nitrogen gas atmosphere in the second heat treatment is, for example, a pressurized atmosphere, but may be a normal pressure or a reduced pressure atmosphere as in the first heat treatment.

第2熱処理においても、処理条件(具体的には温度及び圧力)を変更することにより窒化アルミニウムの生成反応の進行速度を調整して、生成物である窒化アルミニウム含有物に含まれる窒化アルミニウムの割合を高くし、かつアルミニウムの割合を低くすることができる。なお、アルミニウムの窒化反応が過度に進行すると、窒化アルミニウム含有物は凝集合体(バルク)状の物と粉末状の物の混合物、更には粉末状になる。粉末状の生成物は高純度の窒化アルミニウムである。   Also in the second heat treatment, the rate of aluminum nitride contained in the aluminum nitride-containing product, which is the product, is adjusted by changing the processing conditions (specifically, temperature and pressure) to adjust the progress rate of the aluminum nitride production reaction. And the proportion of aluminum can be lowered. If the nitriding reaction of aluminum proceeds excessively, the aluminum nitride-containing material becomes a mixture of an aggregated (bulk) material and a powder material, and further a powder. The powdered product is high purity aluminum nitride.

また、第2熱処理すなわち窒化アルミニウム含有物の冷却及び加熱サイクルを複数回行っても良い。これにより、低温(例えば1100℃)かつ低圧の条件(例えば15気圧)においてもアルミニウムの含有率が更に低下し、かつ窒化アルミニウムの含有率が更に上昇する。また、単純に熱処理時間を長くする場合と比較して、窒化アルミニウム含有率を高くすることができる。   Further, the second heat treatment, that is, the cooling and heating cycle of the aluminum nitride-containing material may be performed a plurality of times. As a result, the aluminum content is further reduced and the aluminum nitride content is further increased even at low temperature (eg, 1100 ° C.) and low pressure (eg, 15 atm). In addition, the aluminum nitride content can be increased as compared with the case where the heat treatment time is simply increased.

本実施形態においても、容易に塊状の窒化アルミニウム含有物を得ることができる。得られた窒化アルミニウム含有物は、アルミニウムの割合によって特性が様々に変化する。例えばアルミニウムの割合が高い場合、窒化アルミニウム含有物の加工性が良くなり、アルミニウムの割合が低い場合、窒化アルミニウム含有物の特性がAlNの特性に近くなる。また、窒化アルミニウムの粒子の表面がアルミニウムによって被覆されているため、良好な耐湿性を得ることができる。   Also in this embodiment, a massive aluminum nitride-containing material can be easily obtained. The characteristics of the obtained aluminum nitride-containing material vary depending on the proportion of aluminum. For example, when the proportion of aluminum is high, the workability of the aluminum nitride-containing material is improved, and when the proportion of aluminum is low, the characteristics of the aluminum nitride-containing material are close to those of AlN. Moreover, since the surfaces of the aluminum nitride particles are covered with aluminum, good moisture resistance can be obtained.

また、従来方法と比較して製造条件は低温かつ低圧である。従って、製造コストも従来と比較して大幅に小さくなる。また、製造条件を調整することにより、粉末状の窒化アルミニウムを製造することができる。この場合においても、従来と比較して製造条件は低温かつ低圧であり、製造コストが従来と比較して大幅に小さくなる。   In addition, the manufacturing conditions are low temperature and low pressure as compared with the conventional method. Therefore, the manufacturing cost is significantly reduced as compared with the conventional one. Moreover, powdery aluminum nitride can be manufactured by adjusting manufacturing conditions. Even in this case, the manufacturing conditions are low temperature and low pressure as compared with the conventional case, and the manufacturing cost is significantly reduced as compared with the conventional case.

また、第1熱処理後の塊状の窒化アルミニウム含有物の形状を所望の形状(例えば放熱基板、ピストン、又はシリンダなど)に加工した後、第2熱処理を行っても良い。特に、第1熱処理後の窒化アルミニウム含有物におけるAl含有率を例えば40〜70%となるようにすると、窒化アルミニウム含有物の加工性が高くなる。この場合においても、第2熱処理によって形状加工後の窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率を高くする(例えば98%以上)ことができる。   Further, the second heat treatment may be performed after the shape of the massive aluminum nitride-containing material after the first heat treatment is processed into a desired shape (for example, a heat dissipation substrate, a piston, or a cylinder). In particular, when the Al content in the aluminum nitride-containing material after the first heat treatment is, for example, 40 to 70%, the workability of the aluminum nitride-containing material is improved. Also in this case, the aluminum nitride content of the aluminum nitride-containing material after shape processing can be increased (for example, 98% or more) by the second heat treatment.

また、第1熱処理及び第2熱処理の条件を調節することにより、窒化アルミニウム含有物中の窒化アルミニウム及びアルミニウムそれぞれの含有率を調節して熱膨張係数を調節することができる。このため、窒化アルミニウム含有物を半導体デバイスの放熱体として使用する場合、窒化アルミニウム含有物の熱膨張係数を半導体デバイスの基板(例えばSi基板及び化合物半導体基板の双方)の熱膨張係数に容易に整合させることができる。   Further, by adjusting the conditions of the first heat treatment and the second heat treatment, the thermal expansion coefficient can be adjusted by adjusting the contents of aluminum nitride and aluminum in the aluminum nitride-containing material. For this reason, when using aluminum nitride-containing materials as heat sinks for semiconductor devices, the thermal expansion coefficient of the aluminum nitride-containing materials is easily matched to the thermal expansion coefficient of the substrate of the semiconductor device (for example, both the Si substrate and the compound semiconductor substrate). Can be made.

図2は、第3の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法を説明するための概略図である。以下、第1の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。   FIG. 2 is a schematic view for explaining the method for producing an aluminum nitride-containing material according to the third embodiment. Hereinafter, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

まず、板状又は塊状のアルミニウム片21(例えば容器12の内径と略同一径の直径を有する円板状のアルミニウム)と粉末状又は粒子状の触媒元素含有物22を容器12に投入する。アルミニウム片21は一つであっても良いし、複数であっても良い。また、触媒元素含有物22は、窒化アルミニウムより標準生成自由エネルギーが高い元素を含む物質(例えば窒化物)である。この元素の具体例は、第1の実施形態と同様である。触媒元素含有物22は、例えば窒化ケイ素であるが、窒化ケイ素と窒化ホウ素の混合物であってもよいし、窒化カルシウム(CaN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化トリウム(ThN)、及び窒化バナジウム(VN)からなる群のいずれか一つ又は複数を用いてもよい。このとき、触媒元素含有物22がアルミニウム片21の下に位置するようにする。触媒元素含有物22は前面に略均一に分散されるのが好ましい。アルミニウムに対する触媒元素含有物22の重量比は0.1以上1以下であるのが好ましい。   First, a plate-like or massive aluminum piece 21 (for example, a disc-like aluminum having a diameter approximately the same as the inner diameter of the container 12) and a powder-like or particulate catalyst element-containing material 22 are put into the container 12. There may be one aluminum piece 21 or a plurality of pieces. The catalyst element-containing material 22 is a substance (for example, nitride) containing an element having a higher standard free energy of formation than aluminum nitride. Specific examples of this element are the same as those in the first embodiment. The catalyst element containing material 22 is, for example, silicon nitride, but may be a mixture of silicon nitride and boron nitride, calcium nitride (CaN), gallium nitride (GaN), hafnium nitride (HfN), thorium nitride (ThN). ) And any one or more of the group consisting of vanadium nitride (VN) may be used. At this time, the catalyst element-containing material 22 is positioned below the aluminum piece 21. The catalyst element-containing material 22 is preferably dispersed substantially uniformly on the front surface. The weight ratio of the catalyst element-containing material 22 to aluminum is preferably 0.1 or more and 1 or less.

またアルミニウム片21と触媒元素含有物22を容器12に投入する前に、アルミニウム片21の一面に粉末状又は粒子状の触媒元素含有物22を押圧するなどにより、該一面の略全面に触媒元素含有物22を略均等に付着させ、この一面を下方に向けるのが好ましい。   Further, before putting the aluminum piece 21 and the catalyst element containing material 22 into the container 12, the catalyst element containing material 22 is pressed on one surface of the aluminum piece 21 so that the catalytic element is almost entirely on the one surface. It is preferable that the inclusion 22 is adhered substantially evenly and this one surface is directed downward.

また、容器12の内部で、複数のアルミニウム片21を、相互間に触媒元素含有物22の粉末又は粒子を挟みつつ積層し、かつ最も下に位置するアルミニウム片21を触媒元素含有物22の粉末又は粒子の上に配置してもよい。この場合においても、アルミニウム片21の一面に粉末状又は粒子状の触媒元素含有物22を略均等に付着させ、この一面を下方に向けるのが好ましい。   Further, inside the container 12, a plurality of aluminum pieces 21 are stacked while sandwiching the powder or particles of the catalyst element-containing material 22 between them, and the lowermost aluminum piece 21 is the powder of the catalyst element-containing material 22. Or you may arrange | position on particle | grains. Even in this case, it is preferable that the catalyst element-containing material 22 in the form of powder or particles is attached substantially uniformly to one surface of the aluminum piece 21 and this one surface is directed downward.

次に、上記した排気口から反応チャンバー10内部を排気し、その後ガス導入口11から窒素ガスを導入する。これにより、反応チャンバー10の内部は窒素雰囲気になる。反応チャンバー10内部における窒素ガスの圧力は、常圧又は減圧雰囲気でも良いし、加圧雰囲気(例えば5気圧以上30気圧以下、特に好ましくは9気圧以上11気圧以下)であってもよい。   Next, the inside of the reaction chamber 10 is exhausted from the exhaust port described above, and then nitrogen gas is introduced from the gas inlet 11. Thereby, the inside of the reaction chamber 10 becomes a nitrogen atmosphere. The pressure of the nitrogen gas inside the reaction chamber 10 may be a normal pressure or a reduced pressure atmosphere, or a pressurized atmosphere (for example, 5 to 30 atm, particularly preferably 9 to 11 atm).

次に、ヒータ13で容器12を加熱し、容器12の内部をアルミニウムの融点(660℃)以上、好ましくは900℃以上1300℃以下(特に好ましくは1010℃以上1020℃以下)まで加熱する。これにより、容器12内のアルミニウム片21は溶融し、溶融したアルミニウム片21と固相の触媒元素含有物22との間で固液二相反応が生じ、さらに雰囲気中の窒素が反応に加わることにより、窒化アルミニウム含有物及びスラグが形成される。   Next, the container 12 is heated with the heater 13, and the inside of the container 12 is heated to a melting point of aluminum (660 ° C.) or higher, preferably 900 ° C. to 1300 ° C. (particularly preferably 1010 ° C. to 1020 ° C.). As a result, the aluminum piece 21 in the container 12 is melted, a solid-liquid two-phase reaction occurs between the molten aluminum piece 21 and the solid catalyst element-containing material 22, and nitrogen in the atmosphere is added to the reaction. Thus, an aluminum nitride-containing material and slag are formed.

容器12の内部で触媒元素含有物22をアルミニウム片21の下に位置させた場合、溶融したアルミニウム片21が粉末状の触媒元素含有物22間に浸透し、また浮力により触媒元素含有物22が溶融アルミニウム中を浮遊する。このため、窒化アルミニウムの生成反応が効率よく進行する。また、窒化アルミニウムはアルミニウムより比重が大きいため、生成した窒化アルミニウムが沈殿し、その上方でアルミニウムの窒化反応が進行する状態になる。アルミニウム片21の一面に触媒元素含有物22を略均等に付着させた場合、上記した固液二相反応の成長核が非常に多くかつ均等に生成するため、窒化アルミニウムが略均等に生成する。
この窒化反応が進行する速度は、第1の実施形態と同様に、処理温度及び雰囲気窒素の圧力によって制御することができる。
When the catalyst element-containing material 22 is positioned below the aluminum piece 21 inside the container 12, the molten aluminum piece 21 penetrates between the powdered catalyst element-containing material 22, and the catalyst element-containing material 22 is caused by buoyancy. Float in molten aluminum. For this reason, the formation reaction of aluminum nitride proceeds efficiently. Further, since aluminum nitride has a higher specific gravity than aluminum, the produced aluminum nitride is precipitated, and the nitriding reaction of aluminum proceeds above the aluminum nitride. When the catalytic element-containing material 22 is deposited substantially uniformly on one surface of the aluminum piece 21, the above-described solid-liquid two-phase reaction growth nuclei are generated in an extremely large number and evenly, so that aluminum nitride is generated substantially uniformly.
The speed at which this nitriding reaction proceeds can be controlled by the processing temperature and the pressure of atmospheric nitrogen, as in the first embodiment.

次に、必要に応じて、得られた窒化アルミニウム含有物を、第2の実施形態と同様の手法により、第2熱処理する。本処理により、窒化アルミニウム含有物の中で窒化アルミニウムの核が十分に成長して互いに接合し、ネットワーク状(パーコレーション構造)になり、このネットワークの相互間にアルミニウムが島状に独立して分散した状態になる。このため、窒化アルミニウム含有物の絶縁性が高くなる。   Next, if necessary, the obtained aluminum nitride-containing material is subjected to a second heat treatment by the same method as in the second embodiment. By this treatment, the nuclei of aluminum nitride grew sufficiently in the aluminum nitride-containing material and joined together to form a network (percolation structure), and aluminum was dispersed independently in an island shape between the networks. It becomes a state. For this reason, the insulation of an aluminum nitride containing material becomes high.

アルミニウム片21の一面に触媒元素含有物22を略均等に付着させていた場合、上記したように第1熱処理において、固液二相反応の成長核が非常に多くかつ均等に生成している。この場合、これらの成長核が反応起点となるため、第2熱処理によってアルミニウムの窒化反応も窒化アルミニウム含有物の全体で略均等に進行し、特にアルミニウムが島状に分散しやすくなる。   When the catalytic element-containing material 22 is adhered substantially uniformly on one surface of the aluminum piece 21, as described above, in the first heat treatment, the growth nuclei of the solid-liquid two-phase reaction are very many and evenly generated. In this case, since these growth nuclei serve as reaction starting points, the nitriding reaction of aluminum also proceeds substantially uniformly throughout the aluminum nitride-containing material by the second heat treatment, and in particular, aluminum is easily dispersed in an island shape.

尚、本実施形態においても、第1熱処理後の塊状の窒化アルミニウム含有物を所望の形状(例えば半導体デバイスの放熱体、ピストン、又はシリンダなど)に加工した後、第2熱処理を行っても良い。また、第2熱処理すなわち窒化アルミニウム含有物の冷却及び加熱サイクルを複数回行っても良い。また、上記した第1熱処理及び第2熱処理それぞれにおいて、熱処理温度を、窒化物の粒径によって変更してもよい。   Also in this embodiment, the second heat treatment may be performed after processing the massive aluminum nitride-containing material after the first heat treatment into a desired shape (for example, a heat sink, piston, or cylinder of a semiconductor device). . Further, the second heat treatment, that is, the cooling and heating cycle of the aluminum nitride-containing material may be performed a plurality of times. In each of the first heat treatment and the second heat treatment described above, the heat treatment temperature may be changed depending on the grain size of the nitride.

以上、本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   As described above, also according to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

次に第4の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。本実施形態は、容器12の内部において、容器12の内部における触媒元素含有物22の配置密度を、例えば容器12の横断面方向に変化させる点を除いて、第3の実施形態と同様である。具体的には、例えば容器12の周辺部における粉末又は粒子の触媒元素含有物22の配置密度を、容器12の中心部における触媒元素含有物22の配置密度より高くする。   Next, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 4th Embodiment is demonstrated. The present embodiment is the same as the third embodiment except that the arrangement density of the catalyst element-containing material 22 inside the container 12 is changed, for example, in the cross-sectional direction of the container 12 inside the container 12. . Specifically, for example, the arrangement density of the catalyst element-containing material 22 in the periphery of the container 12 is higher than the arrangement density of the catalyst element-containing material 22 in the center of the container 12.

本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果も得ることができる。
また、溶融したアルミニウム片21と固相の触媒元素含有物22との間で生じる固液二相反応の成長核が、容器12の周辺部の方が中心部より高密度になる。このため、生成した窒化アルミニウム含有物において、アルミニウム含有率を、例えば横断面方向に傾斜させることができる。具体的には、窒化アルミニウム含有物の周辺部における島状のアルミニウムの含有率を、中心部における島状のアルミニウムの含有率より低くすることができる。この場合、例えば窒化アルミニウム含有物のうちアルミニウムの含有率が高い部分を半導体デバイス等と接合させるための接合領域として用いることができる。また、窒化アルミニウム含有物に含まれるアルミニウムを薬液(例えば水酸化ナトリウム水溶液)で溶出させることにより、容易にキャビティ構造とすることができる。
Also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, the growth nuclei of the solid-liquid two-phase reaction generated between the molten aluminum piece 21 and the solid catalyst element-containing material 22 have a higher density in the periphery of the container 12 than in the center. For this reason, in the produced | generated aluminum nitride containing material, aluminum content rate can be made to incline in a cross-sectional direction, for example. Specifically, the island-like aluminum content in the peripheral portion of the aluminum nitride-containing material can be made lower than the island-like aluminum content in the central portion. In this case, for example, a portion having a high aluminum content in the aluminum nitride-containing material can be used as a bonding region for bonding to a semiconductor device or the like. Moreover, a cavity structure can be easily formed by eluting aluminum contained in the aluminum nitride-containing material with a chemical solution (for example, a sodium hydroxide aqueous solution).

次に、第5の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。本実施形態は、第1加熱処理及び第2加熱処理の少なくとも一方において、容器12の内部に温度勾配を生じさせる点、例えば容器12の周辺部の温度を容器12の中心部の温度より50℃以上300℃以下高くする点を除いて、第2の実施形態又は第3の実施形態と同様である。   Next, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 5th Embodiment is demonstrated. In this embodiment, in at least one of the first heat treatment and the second heat treatment, a temperature gradient is generated inside the container 12, for example, the temperature at the periphery of the container 12 is 50 ° C. from the temperature at the center of the container 12. Except for the point that the temperature is raised by 300 ° C. or less, the second embodiment or the third embodiment is the same.

本発明においても、溶融したアルミニウム片21と固相の触媒元素含有物22との間で生じる固液二相反応の反応速度に勾配が生じ、例えば容器12の周辺部の方が中心部より速くなる。このため、生成した窒化アルミニウム含有物のアルミニウム含有率を傾斜させることができる。例えば、窒化アルミニウム含有物の周辺部における島状のアルミニウムの含有率を、中心部における島状のアルミニウムの含有率より低くすることができる。すなわち第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。   Also in the present invention, a gradient occurs in the reaction speed of the solid-liquid two-phase reaction that occurs between the molten aluminum piece 21 and the catalyst element-containing material 22 in the solid phase. For example, the peripheral portion of the container 12 is faster than the central portion. Become. For this reason, the aluminum content rate of the produced | generated aluminum nitride containing material can be made to incline. For example, the content of island-shaped aluminum in the peripheral portion of the aluminum nitride-containing material can be made lower than the content of island-shaped aluminum in the central portion. That is, the same effect as the second embodiment can be obtained.

次に、第6の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。本実施形態は、第1加熱処理及び第2加熱処理の少なくとも一方において、容器12を加熱するヒータ13を容器12の周囲で上下に往復移動させ、アルミニウム片21又は窒化アルミニウム含有物中のアルミニウムを部分的に溶解させ、該溶解している部分を上下に移動させる点を除いて、第2の実施形態又は第3の実施形態と同様である。   Next, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 6th Embodiment is demonstrated. In the present embodiment, in at least one of the first heat treatment and the second heat treatment, the heater 13 that heats the container 12 is reciprocated up and down around the container 12, and the aluminum piece 21 or the aluminum in the aluminum nitride-containing material is moved. It is the same as that of 2nd Embodiment or 3rd Embodiment except for making it melt | dissolve partially and moving this melt | dissolving part up and down.

本実施形態においては、複数のヒータ13を上下に間隔を空けて配置してもよい。また、複数のアルミニウム片21を、相互間に窒化ケイ素の粉末又は粒子を挟みつつ積層し、かつ最も下に位置するアルミニウム片21を窒化ケイ素の粉末又は粒子の上に配置するのが好ましい。   In the present embodiment, a plurality of heaters 13 may be arranged vertically spaced apart. Further, it is preferable that a plurality of aluminum pieces 21 are laminated while sandwiching silicon nitride powder or particles therebetween, and the lowermost aluminum piece 21 is arranged on the silicon nitride powder or particles.

本実施形態によれば、アルミニウムの窒化反応は発熱反応であるが、本実施形態によれば、窒化アルミニウム含有物が周期的に加熱されることになるため、窒化アルミニウム含有物の温度を均一に保ちやすくなる。このため、縦長(例えば円柱形)の窒化アルミニウム含有物のインゴットを製造する場合、インゴットの材質の均一性を向上させることができる。また、窒化アルミニウム含有物に同一方向の熱履歴を複数回与えることができる。従って、窒化アルミニウム含有物の結晶成長の方向を略同一方向にそろえ、窒化アルミニウム含有物の結晶性を向上させることができる。   According to the present embodiment, the nitriding reaction of aluminum is an exothermic reaction. However, according to the present embodiment, the aluminum nitride-containing material is heated periodically, so that the temperature of the aluminum nitride-containing material is made uniform. Easy to keep. For this reason, when manufacturing the ingot of the aluminum nitride containing material of vertically long (for example, cylindrical shape), the uniformity of the material of an ingot can be improved. Moreover, the heat history of the same direction can be given to aluminum nitride containing material in multiple times. Therefore, the crystal growth direction of the aluminum nitride-containing material can be improved by aligning the crystal growth directions of the aluminum nitride-containing material in substantially the same direction.

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、ヒータ13に冷却手段を設け、ヒータ13及び窒化アルミニウム含有物の冷却速度を速くしても良い。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, a cooling means may be provided in the heater 13 to increase the cooling rate of the heater 13 and the aluminum nitride-containing material.

また上記の各実施形態において、反応装置のヒータ13を板形状(例えば円板形状)にして、容器12の上方、下方、若しくは上方及び下方の双方に配置してもよい。このようにすると、容器12内の窒化アルミニウム含有物が薄くて板形状の場合、窒化アルミニウム含有物の材質の均一性を向上させることができる。また、容器12内の窒化アルミニウム含有物が縦長の場合、上下方向の温度勾配を与えることができ、生成した窒化アルミニウム含有物のアルミニウム含有率を上下方向に傾斜させることができる。この場合においても、ヒータ13に冷却手段が設けられていても良い。   In each of the above-described embodiments, the heater 13 of the reaction apparatus may be formed in a plate shape (for example, a disk shape) and disposed above, below, or both above and below the container 12. In this way, when the aluminum nitride-containing material in the container 12 is thin and plate-shaped, the uniformity of the material of the aluminum nitride-containing material can be improved. Moreover, when the aluminum nitride containing material in the container 12 is vertically long, a temperature gradient in the vertical direction can be given, and the aluminum content of the produced aluminum nitride containing material can be inclined in the vertical direction. Even in this case, the heater 13 may be provided with a cooling means.

第1及び第2の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法に用いられる反応装置の構成図。The block diagram of the reactor used for the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 1st and 2nd embodiment. 第3の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the manufacturing method of the aluminum nitride containing material which concerns on 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…反応チャンバー
11…ガス導入口
12…るつぼ(反応容器)
13…グラファイトヒータ
14…熱電対モニター線
20…触媒元素含有アルミニウム
21…アルミニウム片
22…触媒元素含有物
10 ... Reaction chamber 11 ... Gas inlet 12 ... Crucible (reaction vessel)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Graphite heater 14 ... Thermocouple monitor line 20 ... Aluminum containing catalytic element 21 ... Aluminum piece 22 ... Material containing catalytic element

Claims (22)

窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウムを含有する窒化アルミニウム含有物を生成する第1熱処理工程を具備する窒化アルミニウム含有物の製造方法。   By positioning a catalytic element, which is an element having a free energy of formation of nitride smaller than aluminum, in molten aluminum heated in a nitrogen atmosphere, an nitriding reaction of aluminum using the catalytic element as a catalyst occurs, and aluminum nitride The manufacturing method of the aluminum nitride containing material which comprises the 1st heat treatment process which produces | generates the aluminum nitride containing material containing this. 前記触媒元素はボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、バナジウム、マグネシウム、マンガン、インジウム、ガリウム、タンタル、ハフニウム、及びトリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種である請求項1に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   2. The nitriding according to claim 1, wherein the catalytic element is at least one selected from the group consisting of boron, calcium, silicon, iron, molybdenum, chromium, vanadium, magnesium, manganese, indium, gallium, tantalum, hafnium, and thorium. A method for producing an aluminum-containing material. 前記触媒元素が固溶しているアルミニウムである触媒元素固溶アルミニウム、前記触媒元素と化合物を形成しているアルミニウムである触媒元素化合アルミニウム、前記触媒元素固溶アルミニウムと前記触媒元素化合アルミニウムの混合物、若しくは前記触媒元素固溶アルミニウム及び前記触媒元素化合アルミニウムの少なくとも一つとアルミニウムの混合物を窒素雰囲気下で溶融させることにより、前記触媒元素を窒素雰囲気下で溶融アルミニウム中に位置させる請求項1又は2に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   Catalyst element solid solution aluminum which is aluminum in which the catalyst element is solid solution, Catalyst element compound aluminum which is aluminum which forms a compound with the catalyst element, Mixture of catalyst element solid solution aluminum and catalyst element compound aluminum Or at least one of the catalytic element solid solution aluminum and the catalytic element compound aluminum and a mixture of aluminum are melted in a nitrogen atmosphere so that the catalytic element is located in the molten aluminum in a nitrogen atmosphere. The manufacturing method of the aluminum nitride containing material as described in 2. 前記触媒元素は、前記触媒元素を含有する物質と前記アルミニウムを同一の容器内で加熱して、前記アルミニウムを溶融させることにより、前記溶融アルミニウム内に位置する請求項1又は2のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The catalyst element is located in the molten aluminum by heating the substance containing the catalyst element and the aluminum in the same container to melt the aluminum. The manufacturing method of the aluminum nitride containing material as described in 2. 前記容器内で、前記触媒元素を含有する物質の上に前記アルミニウムを配置し、その後前記アルミニウムを溶融させる請求項4に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The manufacturing method of the aluminum nitride containing material of Claim 4 which arrange | positions the said aluminum on the substance containing the said catalyst element in the said container, and melt | dissolves the said aluminum after that. 前記アルミニウムは板状又は塊状であり、前記触媒元素を含有する物質は粉末又は粒子状であり、
前記アルミニウムの一面に前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を付着させた後、前記アルミニウムを、前記一面を下方に向けて前記触媒元素を含有する物質の上に配置する請求項5に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
The aluminum is in the form of a plate or a lump, and the substance containing the catalytic element is in the form of powder or particles,
6. The powder or particles of the substance containing the catalytic element are attached to one surface of the aluminum, and then the aluminum is disposed on the substance containing the catalytic element with the one surface facing downward. A method for producing an aluminum nitride-containing material.
前記アルミニウムは板状又は塊状であり、前記触媒元素を含有する物質は粉末又は粒子状であり、
複数の前記アルミニウムそれぞれの一面に、前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を押圧することにより、前記複数のアルミニウムの一面それぞれに前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を付着させ、
前記複数のアルミニウムを、前記一面を下方に向けた状態で、それぞれの間に前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子を挟みつつ前記容器内で積層し、かつ最も下に位置する前記アルミニウムを前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の上に配置する請求項5に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
The aluminum is in the form of a plate or a lump, and the substance containing the catalytic element is in the form of powder or particles,
By pressing the powder or particles of the substance containing the catalyst element on one surface of each of the plurality of aluminum, the powder or particles of the substance containing the catalyst element are attached to each of the one surface of the plurality of aluminum,
The plurality of aluminum layers are stacked in the container with the powder or particles of the substance containing the catalytic element sandwiched therebetween with the one surface facing downward, and the lowermost aluminum layer is The manufacturing method of the aluminum nitride containing material of Claim 5 arrange | positioned on the powder or particle | grains of the substance containing the said catalyst element.
前記第1熱処理工程において、前記容器の周辺部における前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の配置密度を、前記容器の中心部における前記触媒元素を含有する物質の粉末又は粒子の配置密度より高くする請求項4〜7のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   In the first heat treatment step, the arrangement density of the powder or particles of the substance containing the catalytic element in the peripheral part of the container is more than the arrangement density of the powder or particles of the substance containing the catalytic element in the central part of the container. The manufacturing method of the aluminum nitride containing material as described in any one of Claims 4-7 made high. 前記第1熱処理工程における熱処理温度を、700℃以上1400℃以下にする請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The manufacturing method of the aluminum nitride containing material as described in any one of Claims 1-8 which makes the heat processing temperature in a said 1st heat processing process 700 degreeC or more and 1400 degrees C or less. 前記第1熱処理工程において、前記窒素ガス雰囲気を加圧雰囲気にする請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to claim 1, wherein the nitrogen gas atmosphere is a pressurized atmosphere in the first heat treatment step. 前記窒素ガス雰囲気は50気圧以下である請求項10に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The said nitrogen gas atmosphere is 50 atmospheres or less, The manufacturing method of the aluminum nitride containing material of Claim 10. 前記第1熱処理工程において、前記窒素ガス雰囲気を常圧にする請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   In the said 1st heat treatment process, the manufacturing method of the aluminum nitride containing material as described in any one of Claims 1-9 which makes the said nitrogen gas atmosphere a normal pressure. 前記第1熱処理工程の後に、前記窒化アルミニウム含有物を冷却した後、窒素雰囲気下で前記窒化アルミニウム含有物を再び熱処理する第2熱処理工程を具備する請求項1〜12のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The said 1st heat treatment process WHEREIN: After cooling the said aluminum nitride containing material, it comprises the 2nd heat treatment process of heat-treating the said aluminum nitride containing material again in nitrogen atmosphere. A method for producing an aluminum nitride-containing material. 前記第1熱処理工程と前記第2熱処理工程の間に、前記窒化アルミニウム含有物の形状を加工する工程を有する請求項13に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to claim 13, further comprising a step of processing the shape of the aluminum nitride-containing material between the first heat treatment step and the second heat treatment step. 前記第2熱処理工程において、前記窒素雰囲気を加圧雰囲気にする請求項13又は14に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to claim 13 or 14, wherein in the second heat treatment step, the nitrogen atmosphere is a pressurized atmosphere. 前記第2熱処理工程における前記窒素雰囲気は50気圧以下である請求項15に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to claim 15, wherein the nitrogen atmosphere in the second heat treatment step is 50 atm or less. 前記第2熱処理工程において、前記窒素ガス雰囲気を常圧にする請求項13又は14に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to claim 13 or 14, wherein, in the second heat treatment step, the nitrogen gas atmosphere is set to normal pressure. 前記第2熱処理工程を複数回繰り返す請求項13〜17のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The method for producing an aluminum nitride-containing material according to any one of claims 13 to 17, wherein the second heat treatment step is repeated a plurality of times. 前記第1熱処理工程において、前記溶融アルミニウムの周辺部の温度を、前記溶融アルミニウムの中心部の温度より50℃以上300℃以下高くする請求項1〜18のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The aluminum nitride-containing material according to any one of claims 1 to 18, wherein in the first heat treatment step, the temperature of the peripheral portion of the molten aluminum is set to be 50 ° C or higher and 300 ° C or lower higher than the temperature of the central portion of the molten aluminum. Manufacturing method. 前記第1熱処理工程において、前記溶融アルミニウムを加熱する加熱手段の前記溶融アルミニウムに対する相対位置を、前記溶融アルミニウムの周囲で上下に往復移動させる請求項1〜19のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。   The aluminum nitride according to any one of claims 1 to 19, wherein, in the first heat treatment step, a relative position of a heating means for heating the molten aluminum with respect to the molten aluminum is reciprocated up and down around the molten aluminum. Method for producing inclusions. 塊状の窒化アルミニウムの中にアルミニウムが島状に分散しており、かつアルミニウムと窒化アルミニウムの粒界の少なくとも一部にケイ素が分散した状態で存在している、窒化アルミニウム含有物。   An aluminum nitride-containing material in which aluminum is dispersed in an island shape in massive aluminum nitride and silicon is present in a state where silicon is dispersed in at least a part of the grain boundary between aluminum and aluminum nitride. 前記アルミニウムの分散密度が傾斜している請求項21記載の窒化アルミニウム含有物。   The aluminum nitride-containing material according to claim 21, wherein a dispersion density of the aluminum is inclined.
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