JP4729180B2

JP4729180B2 - 窒化アルミニウムの製造方法

Info

Publication number: JP4729180B2
Application number: JP2001027300A
Authority: JP
Inventors: 宏久三浦; 博文松永
Original assignee: 株式会社茨木研究所
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2002234711A; US7022301B2; US20040022715A1; EP1394107A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウムの製造方法に関し、詳しくは、アルミニウム粉末に窒素を吸蔵させた後に窒化反応を進行させる窒化アルミニウムの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、耐熱性、熱伝導性、電気伝導性などの特性に優れていることから、その使用用途が拡大している。このＡｌＮの使用用途としては、たとえば、高温用容器やＩＣ基板などがある。
【０００３】
工業用窒化アルミニウムは、天然には存在しない人造セラミックスであり、主として、アルミナの炭素還元窒化法とアルミニウムの直接窒化法の２つの製造方法を用いて製造されている。
【０００４】
１）アルミナの炭素還元窒化法（Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｃ＋Ｎ₂＝２ＡｌＮ＋３ＣＯ）アルミナの炭素還元窒化法は、高純度のアルミナを高温（１７００〜１９００℃）で黒鉛と窒素ガスにより還元するとともに、還元されて生成したアルミニウムを窒素で窒化することによりＡｌＮを製造する製造方法である。
【０００５】
しかしながら、この炭素還元窒化法は、反応に長時間を要するため、製造コストが上昇し、他のセラミックス、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）やアルミナなどより高価格となってしまうという問題があった。
【０００６】
２）アルミニウムの直接窒化法（２Ａｌ＋Ｎ₂＝２ＡｌＮ）
アルミニウムの直接窒化法は、１８６２年にＢｒｉｅｇｌｅｂらが初合成を成功させて以来用いられている方法である。この反応は発熱反応であることから、純アルミニウムを窒素気流中に置くことで、簡単にＡｌＮを製造することができる利点を有している。
【０００７】
しかしながら、このアルミニウムの直接窒化法は、アルミニウムの表面が窒化膜で覆われると、窒化膜によりアルミニウムの内部への窒素の供給が遮断されることとなる。窒素の供給が遮断されると、アルミニウムの窒化反応が停止する。このため、アルミニウムの直接窒化法は、１００％の窒化物が得られない欠点を有していた。このことから、工業的には、１０００〜２０００℃に加熱した状態で窒化が行われている。
【０００８】
また、アルミニウムの直接窒化法は、反応効率を上昇させるために、窒化と破砕を繰返したり、ＡｌＦ₃、ＡｌＮを添加する等の処理を施すことで、反応の完結が図られている。このため、アルミニウムの直接窒化法は、窒化アルミニウム塊を破砕する工程が必要となり、この結果として製造コストが上昇し、得られるＡｌＮが高価格となるという問題を有していた。
【０００９】
加えて、アルミニウムの直接窒化法は、窒化されないアルミニウムが僅かながら残留するという問題を有していた。アルミニウムが残留すると、電気特性が低下するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、安価に製造できるとともに窒化されないアルミニウムの残留が抑えられた窒化アルミニウムの製造方法および窒化アルミニウムを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者は、窒化環境を整えることで低温で窒化アルミニウムを製造することができることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持しアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させる窒素吸蔵工程と、窒素を吸蔵したアルミニウム粉末を窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａの範囲の窒素ガス雰囲気中に保持しつつ、窒素吸蔵工程の温度よりも高い温度である６００〜６３５℃の窒化温度に１０℃／分以下の昇温速度で昇温して窒化反応を進める窒化工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることで、その後の窒化工程においてＡｌＮの形成に十分な量の窒素が保持され、その後の窒化工程でアルミニウムの残留が生じることなく高い効率でＡｌＮを製造できる。本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、低温で窒化を行うことができるため、粒子径が小さな窒化アルミニウム粉末を製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（窒化アルミニウムの製造方法）
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、窒素吸蔵工程と、窒化工程と、を有する。
【００１７】
窒素吸蔵工程は、アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持しアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させる工程である。すなわち、窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることで、その後の窒化工程においてアルミニウム粉末と反応を生じる窒素がアルミニウム粉末の近傍に保持されることとなり、窒化工程において急速な反応を生じても窒素の供給が不十分となることが抑えられる。
【００１８】
また、本発明の窒化アルミニウムの製造方法において、窒化されるアルミニウム粉末は、表面に酸化被膜を有していてもよい。すなわち、アルミニウムは大気中においては、大気中に含まれる酸素と反応を生じてその表面に安定な酸化被膜を形成する特性を有するためである。
【００１９】
より詳しくは、実験によれば、アルミニウム粉末を５２０℃の窒素ガス雰囲気中に保持すると、３〜３０時間後に窒化反応が開始し、窒化率９２％前後で反応が停止する。この長時間を有する理由が、アルミニウム表面に形成された酸化被膜である。また、通常の低温での窒化反応は、反応初期では、この酸化アルミニウムを窒素で還元することはできず、徐々に時間をかけて窒素がアルミニウム内部に侵入し、ある時間後急激に窒化反応が始まり、終了する。このため、通常は、低温での窒化処理では、１００％の窒化は困難とされている。
【００２０】
さらに、窒化されるアルミニウム粉末は、窒化アルミニウム粉末が混合していることが好ましい。すなわち、窒化されるアルミニウム粉末に、窒化アルミニウム粉末を混合させることで、窒化反応の進行が促進される。
【００２１】
窒素吸蔵工程は、アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持することで、アルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることができる。なお、保持温度が４６０℃未満あるいは保持時間が１０分未満となると、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が不十分となる。
【００２２】
すなわち、アルミニウム粉末の窒素ガスによる直接窒化法（２Ａｌ＋Ｎ₂＝２ＡｌＮ）の生成の自由エネルギー（ｆｒｅｅｅｎｅｒｇｙｏｆＧｉｂｂｓ）は常にマイナスであり、例えば、温度が４６０℃未満でも長時間保持することで窒化アルミニウムが生成すると思われるが、長時間となることで製造に要するコストが上昇するようになる。また、アルミニウム粉末の窒化反応の反応速度は高温のほうが速いため、工業的にはもう少し高温である５００℃以上、望ましくは５５０℃以上とすることがより好ましい。
【００２３】
窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素が吸蔵されるメカニズムについては、明らかではないが、アルミニウム表面から、欠陥や粒界の界面にそってアルミニウムの内部に窒素が侵入し、アルミナと窒素とが共軛化合物を形成することで窒素がアルミニウム粉末の内部に保持されるものと推測される。
【００２４】
窒化工程は、窒素を吸蔵したアルミニウム粉末を窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａの範囲の窒素ガス雰囲気中に保持しつつ、窒素吸蔵工程の温度よりも高い温度である６００〜６３５℃の窒化温度に１０℃／分以下の昇温速度で昇温して窒化反応を進める工程である。すなわち、窒化工程は、窒素吸蔵工程で窒素を吸蔵したアルミニウム粉末が、所定の窒素ガス圧および加熱温度で保持されることでアルミニウムの窒化反応を進行させる工程である。なお、一般的に、セラミックスの一次粒子径の大きさは反応開始温度で決まることから、この窒化工程で窒素を吸蔵したアルミニウム粉末が保持される温度により製造されるＡｌＮ粒子の一次粒径が決定される。
【００２５】
窒化工程において窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａに保持されることで窒化反応に十分な量の窒素ガスがアルミニウム粉末に供給されるようになる。すなわち、窒素ガス圧が８０ＫＰａ未満となると、外部から空気が侵入し、アルミニウム粉末が酸化されるようになる。また、窒素ガス圧が３００ＫＰａを超えても、窒化反応の反応効率の上昇もみられなくなり、製造に要するコストが上昇するようになる。
【００２６】
また、窒化反応の温度が５００℃未満では窒化反応に長時間を有するようになり、１０００℃を超えると製造されるＡｌＮ粒子の粒径が過剰に大きくなる。そして、本発明では、窒素吸蔵工程の温度よりも高い温度である６００〜６３５℃で窒化反応が進行する。
【００２７】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃の温度より反応開始までの時間が２０〜１２０分であることが好ましい。すなわち、窒素吸蔵工程で４６０℃の温度より反応開始までの時間が２０〜１２０分であることで、アルミニウム粉末が窒化反応に十分な量の窒素を吸蔵することができる。反応開始までの時間が２０分未満では、窒素の吸蔵量が少なく、窒化反応時にアルミニウム粉末が十分な量の窒素と反応できなくなり、窒化されないアルミニウムが残留するようになる。また、１２０分を超えると、アルミニウム粉末の窒素吸蔵量が過剰となり、処理時間の無駄となる。加えて、窒化工程の窒化反応で生成された窒化アルミニウムの一部が蒸気分解し、アルミニウムとして残留するようになる。
【００２８】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度からの昇温速度が１０℃／分以下の昇温速度で窒化工程の窒化温度まで加熱されることが好ましい。すなわち、１０℃／分以下の昇温速度で加熱されることで、アルミニウム粉末が窒素を吸蔵することができる。また、昇温速度が１０℃／分を超えると、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が不十分となり、窒化アルミニウムにアルミニウムが残留するようになる。
【００２９】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度からの昇温速度が１〜６℃／分の昇温速度で窒化工程の窒化温度まで加熱されることが好ましい。すなわち、昇温速度が小さくなると、窒化温度までの加熱時間が長時間となるため、昇温速度が１〜６℃／分であることが好ましい。
【００３０】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度から６００℃以下の温度で所定時間保持されることが好ましい。４６０℃以上の温度から６００℃以下の温度で所定時間保持されることで、十分な量の窒素をアルミニウム粉末が吸蔵できる。
【００３１】
窒素吸蔵工程での所定時間は５〜３０分であることが好ましい。すなわち、５〜３０分保持されることで、十分な量の窒素をアルミニウム粉末が吸蔵できる。
【００３２】
窒素吸蔵工程での所定時間後は、すみやかに１０℃／分以上の昇温速度で窒化反応工程の窒化温度に加熱されることが好ましい。すなわち、１０℃／分以上の昇温速度で昇温されることで、窒素が吸蔵されたアルミニウム粉末の表面に窒化被膜が形成されることとなり、これ以上の量の窒素が吸蔵されることが抑えられる。この結果、過剰量の窒素が吸蔵されることにより生じるアルミニウムの残留が抑えられる。
【００３３】
アルミニウム粉末は、その平均粒径が１０〜２００μｍであり、窒化工程でのアルミニウム粉末は非圧縮の集積状態にあることが好ましい。
【００３４】
アルミニウム粉末の平均粒径が１０〜２００μｍであることで、アルミニウムの残留が抑えられたＡｌＮを製造することができる。すなわち、アルミニウム粉末の粒径が大きくなると、窒化反応時にアルミニウム粒子の内部は窒素の不足が生じるようになり、アルミニウムが残留しやすくなっていた。
【００３５】
さらに、アルミニウム粉末が非圧縮の集積状態にあることで、アルミニウム粉末が窒素吸蔵工程において、窒素を吸蔵することができる。すなわち、アルミニウム粉末が非圧縮の集積状態にあることで、それぞれのアルミニウム粉末粒子が窒素ガスと十分な表面積で接触できるようになり、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が十分に行われるようになる。
【００３６】
窒化工程における窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下は２０ＫＰａ以下であることが好ましい。すなわち、窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下が２０ＫＰａ以下であることで、得られるＡｌＮにアルミニウムが残留しなくなる。なお、窒素ガス圧の低下が２０ＫＰａを超えると、製造されるＡｌＮ中に残留アルミニウムが生じるようになる。
【００３７】
詳しくは、窒化工程においては、窒素を吸蔵したアルミニウム粉末に窒化反応が生じると、このアルミニウム粉末が窒素ガス雰囲気の窒素および吸蔵した窒素を窒素源として、窒化アルミニウムを生成する。このため、窒素ガス雰囲気に含まれる窒素量が減少し、窒素ガス圧が低下することとなる。このことは、窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下の量が大きくなるほど、雰囲気中の窒素を用いる割合が大きくなることを示している。雰囲気中の窒素の割合が増加すると、窒化反応が生じたときにアルミニウム粉末粒子の表面から内部へと窒化反応が進行したときに、窒化反応の進行速度が窒素の供給速度を上回り、ＡｌＮの生成に十分な量の窒素が供給されなくなり、表面近傍に形成されたＡｌＮが窒素の侵入を阻害して、粒子内部にアルミニウムが残留するようになっていた。
【００３８】
窒素ガス雰囲気は、アルミニウム粉末を収納する反応室に窒素ガスを連続的に供給する窒素供給装置からの窒素ガスと、反応室から窒素ガスを逃がす排出装置から排出される窒素ガスとで維持されていることが好ましい。すなわち、窒素供給装置からの窒素ガスと、排出装置から排出される窒素ガスとで、アルミニウム粉末が収納される反応室の窒素ガス圧を維持することができる。
【００３９】
詳しくは、本発明の製造方法の窒化工程におけるアルミニウム粉末の窒化反応は、反応が急激に進行するため、窒化反応が開始すると、反応室内の窒素を消費し、窒素ガス圧が急激に低下するようになる。このため、窒素供給装置と排出装置とで反応室内の窒素ガス圧が維持されることで、反応室内の窒素ガス圧の変化を抑えることができる。
【００４０】
また、窒素供給装置からの窒素ガスと、排出装置から排出される窒素ガスとのそれぞれの窒素ガス圧を測定することで、反応室内の窒素ガス圧を決定できるとともに、窒素吸蔵工程におけるアルミニウム粉末の窒素吸蔵量の算出や、上記した窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下量の算出を行うことができる。
【００４１】
反応室の窒素ガス圧力が低下したときに反応室に窒素ガスを供給する第二窒素供給装置をもつことが好ましい。すなわち、第二窒素供給装置をもつことで、反応室内の窒素ガス圧の変化を抑えることができる。詳しくは、窒化工程においては、窒化反応が進行すると急激に窒素ガス圧が低下するが、この第二窒素供給装置を用いて反応室内に窒素ガスを供給することで、反応室内のガス圧の微小な変化に対応することができる。
【００４２】
より詳しくは、この窒化反応は大変な発熱反応であり、理論的には１Ｋｇのアルミニウムの窒化により２８００ＫＣａｌの発熱がある。また１Ｋｇのアルミニウムの窒化には４２０Ｌ程度の窒素ガスが必要とされる。このため、窒化反応が開始すると、反応室内の窒素ガス量および窒素ガス圧が急激に低下することとなり、窒素不足となる。このため、第二窒素供給装置をもつことで、反応室内に多量の窒素ガスを供給できるようになる。
【００４３】
このため、第二窒素供給装置は、高圧の窒素ガスを反応室内に供給できることが好ましい。
【００４４】
アルミニウム粉末は、反応室内で攪拌されることが好ましい。すなわち、アルミニウム粉末を攪拌することで、アルミニウム粉末への窒素ガスの浸透が容易になり、アルミニウム粉末原料中の窒化アルミニウム比率を下げることが可能になり、生産性が向上する。さらに、窒化反応が終了した後にも攪拌することで、生成した窒化アルミニウム粉末が焼結することが抑えられ、微細な粒径の粉末が得られる効果を示す。
【００４５】
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることで、その後の窒化工程においてＡｌＮの形成に十分な量の窒素が保持され、その後の窒化工程でアルミニウムの残留が生じることなく高い効率でＡｌＮを製造できる。本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、低温で窒化を行うことができるため、粒子径が小さな窒化アルミニウム粉末を製造することができる。
【００４６】
（窒化アルミニウム粉末）
窒化アルミニウムは、アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持しアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させる窒素吸蔵工程と、窒素を吸蔵した該アルミニウム粉末を窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａの範囲の窒素ガス雰囲気中に保持しつつ、５００〜１０００℃で窒化反応を進める窒化工程と、を施してなることが好ましい。すなわち、窒化アルミニウムは、窒素吸蔵工程と、窒化工程と、を施すことで、窒化されないアルミニウムの残留が抑えられた窒化アルミニウムとなっている。
【００４７】
窒化アルミニウムは、窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることで、その後の窒化工程においてアルミニウム粉末と反応を生じる窒素がアルミニウム粉末の近傍に保持されることとなり、窒化工程において急速な反応を生じても窒素の供給が不十分となることが抑えられる。
【００４８】
また、窒素吸蔵工程は、アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持することで、アルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることができる。なお、保持温度が４６０℃未満あるいは保持時間が１０分未満となると、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が不十分となる。
【００４９】
すなわち、アルミニウム粉末の窒素ガスによる直接窒化法（２Ａｌ＋Ｎ₂＝２ＡｌＮ）の生成の自由エネルギー（ｆｒｅｅｅｎｅｒｇｙｏｆＧｉｂｂｓ）は常にマイナスであり、例えば、温度が４６０℃未満でも長時間保持することで窒化アルミニウムが生成すると思われるが、長時間となることで製造に要するコストが上昇するようになる。また、アルミニウム粉末の窒化反応の反応速度は高温のほうが速いため、工業的にはもう少し高温である５００℃以上、望ましくは５５０℃以上とすることがより好ましい。
【００５０】
窒化工程は、窒素吸蔵工程で窒素を吸蔵したアルミニウム粉末が、所定の窒素ガス圧および加熱温度で保持されることでアルミニウムの窒化反応を進行させる工程である。なお、一般的に、セラミックスの一次粒子径の大きさは反応開始温度で決まることから、この窒化工程で窒素を吸蔵したアルミニウム粉末が保持される温度により製造されるＡｌＮ粒子の一次粒径が決定される。
【００５１】
窒化工程において窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａに保持されることで窒化反応に十分な量の窒素ガスがアルミニウム粉末に供給されるようになる。すなわち、窒素ガス圧が８０ＫＰａ未満となると、外部から空気が流入し、アルミニウム粉末が酸化されるおそれが生ずる。また、窒素ガス圧が３００ＫＰａを超えても、窒化反応の反応効率の上昇もみられなくなり、製造に要するコストが上昇するようになる。
【００５２】
また、窒化反応の温度が５００℃未満では窒化反応に長時間を有するようになり、１０００℃を超えると製造されるＡｌＮ粒子の粒径が過剰に大きくなる。
【００５３】
また、窒化アルミニウムにおいて、原料のアルミニウム粉末は、表面に酸化被膜を有していてもよい。すなわち、アルミニウムは大気中においては、大気中に含まれる酸素と反応を生じてその表面に安定な酸化被膜を形成する特性を有するためである。
【００５４】
窒化アルミニウムは、平均粒径が１００μｍ以下の粉末であることが好ましい。すなわち、窒化アルミニウムは、窒素吸蔵工程と窒化工程とを施してなることで、Ａｌの残留が抑えられかつ粒径の小さな窒化アルミニウム粉末となっている。詳しくは、窒化アルミニウムは、窒化工程での窒化反応を低温で進行させることで、アルミニウム粉末の粒径の粗大化が抑えられている。
【００５５】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度からの昇温速度が１０℃／分以下の昇温速度で前記窒化工程の窒化温度まで加熱されることが好ましい。すなわち、窒素吸蔵工程で４６０℃の温度より反応開始までの時間が２０〜１２０分であることで、アルミニウム粉末が窒化反応に十分な量の窒素を吸蔵することができる。反応開始までの時間が２０分未満では、窒素の吸蔵量が少なく、窒化反応時にアルミニウム粉末が十分な量の窒素と反応できなくなり、窒化されないアルミニウムが残留する。また、１２０分を超えると、アルミニウム粉末の窒素吸蔵量が過剰となり、処理時間の無駄となる。加えて、窒化工程の窒化反応で生成された窒化アルミニウムの一部が蒸気分解し、アルミニウムとして残留するようになる。
【００５６】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度からの昇温速度が１０℃／分以下の昇温速度で窒化工程の窒化温度まで加熱されることが好ましい。すなわち、１０℃／分以下の昇温速度で加熱されることで、アルミニウム粉末が窒素を吸蔵することができる。また、昇温速度が１０℃／分を超えると、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が不十分となり、窒化アルミニウム粉末にアルミニウムが残留するようになる。
【００５７】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度からの昇温速度が１〜６℃／分の昇温速度で窒化工程の窒化温度まで加熱されることが好ましい。すなわち、昇温速度が小さくなると、窒化温度までの加熱時間が長時間となるため、昇温速度が１〜６℃／分であることが好ましい。
【００５８】
窒素吸蔵工程で、アルミニウム粉末は４６０℃以上の温度から６００℃以下の温度で所定時間保持されることが好ましい。４６０℃以上の温度から６００℃以下の温度で所定時間保持されることで、十分な量の窒素をアルミニウム粉末が吸蔵できる。
【００５９】
窒素吸蔵工程での所定時間は５〜３０分であることが好ましい。すなわち、５〜３０分保持されることで、十分な量の窒素をアルミニウム粉末が吸蔵できる。
【００６０】
窒素吸蔵工程での所定時間後は、すみやかに１０℃／分以上の昇温速度で窒化反応工程の窒化温度に加熱されることが好ましい。すなわち、１０℃／分以上の昇温速度で昇温されることで、窒素が吸蔵されたアルミニウム粉末の表面に窒化被膜が形成されることとなり、これ以上の量の窒素が吸蔵されることが抑えられる。この結果、過剰量の窒素が吸蔵されることにより生じるアルミニウムの残留が抑えられる。
【００６１】
アルミニウム粉末は、その平均粒径が１０〜２００μｍであり、窒化工程でのアルミニウム粉末は非圧縮の集積状態にあることが好ましい。
【００６２】
アルミニウム粉末の平均粒径が１０〜２００μｍであることで、アルミニウムの残留が抑えられたＡｌＮを製造することができる。すなわち、アルミニウム粉末の粒径が大きくなると、窒化反応時にアルミニウム粒子の内部は窒素の不足が生じるようになり、アルミニウムが残留しやすくなっていた。
【００６３】
さらに、アルミニウム粉末が非圧縮の集積状態にあることで、アルミニウム粉末が窒素吸蔵工程において、窒素を吸蔵することができる。すなわち、アルミニウム粉末が非圧縮の集積状態にあることで、それぞれのアルミニウム粉末粒子が窒素ガスと十分な表面積で接触できるようになり、アルミニウム粉末の窒素の吸蔵が十分に行われるようになる。
【００６４】
窒化工程における窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下は２０ＫＰａ以下であることが好ましい。すなわち、窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下が２０ＫＰａ以下であることで、得られるＡｌＮにアルミニウムが残留しなくなる。なお、窒素ガス圧の低下が２０ＫＰａを超えると、ＡｌＮ中に残留アルミニウムが生じるようになる。
【００６５】
詳しくは、窒化工程においては、窒素を吸蔵したアルミニウム粉末に窒化反応が生じると、このアルミニウム粉末が窒素ガス雰囲気の窒素および吸蔵した窒素を窒素源として、窒化アルミニウムを生成する。このため、窒素ガス雰囲気に含まれる窒素量が減少し、窒素ガス圧が低下することとなる。このことは、窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下の量が大きくなるほど、雰囲気中の窒素を用いる割合が大きくなることを示している。雰囲気中の窒素の割合が増加すると、窒化反応が生じたときにアルミニウム粉末粒子の表面から内部へと窒化反応が進行したときに、窒化反応の進行速度が窒素の供給速度を上回り、ＡｌＮの生成に十分な量の窒素が供給されなくなり、表面近傍に形成されたＡｌＮが窒素の侵入を阻害して、粒子内部にアルミニウムが残留するようになっていた。
【００６６】
窒素ガス雰囲気は、アルミニウム粉末を収納する反応室に窒素ガスを連続的に供給する窒素供給装置からの窒素ガスと、反応室から窒素ガスを逃がす排出装置から排出される窒素ガスとで維持されていることが好ましい。すなわち、窒素供給装置からの窒素ガスと、排出装置から排出される窒素ガスとで、アルミニウム粉末が収納される反応室の窒素ガス圧を維持することができる。
【００６７】
詳しくは、窒化工程におけるアルミニウム粉末の窒化反応は、反応が急激に進行するため、窒化反応が開始すると、反応室内の窒素を消費し、窒素ガス圧が急激に低下するようになる。このため、窒素供給装置と排出装置とで反応室内の窒素ガス圧が維持されることで、反応室内の窒素ガス圧の変化を抑えることができる。
【００６８】
また、窒素供給装置からの窒素ガスと、排出装置から排出される窒素ガスとのそれぞれの窒素ガス圧を測定することで、反応室内の窒素ガス圧を決定できるとともに、窒素吸蔵工程におけるアルミニウム粉末の窒素吸蔵量の算出や、上記した窒化反応進行中の窒素ガス圧の低下量の算出を行うことができる。
【００６９】
反応室の窒素ガス圧力が所定圧力に低下したときに反応室に窒素ガスを供給する第二窒素供給装置をもつことが好ましい。すなわち、第二窒素供給装置をもつことで、反応室内の窒素ガス圧の変化を抑えることができる。詳しくは、窒化工程においては、窒化反応が進行すると急激に窒素ガス圧が低下するが、この第二窒素供給装置を用いて反応室内に窒素ガスを供給することで、反応室内のガス圧の微小な変化に対応することができる。
【００７０】
より詳しくは、この窒化反応は大変な発熱反応であり、理論的には１Ｋｇのアルミニウムの窒化により２８００ＫＣａｌの発熱がある。また１Ｋｇのアルミニウムの窒化には４２０Ｌ程度の窒素ガスが必要とされる。このため、窒化反応が開始すると、反応室内の窒素ガス量および窒素ガス圧が急激に低下することとなり、窒素不足となる。このため、第二窒素供給装置をもつことで、反応室内に多量の窒素ガスを供給できるようになる。
【００７１】
このため、第二窒素供給装置は、高圧の窒素ガスを反応室内に供給できることが好ましい。
【００７２】
窒化工程は、窒化反応の反応開始温度が５００〜６５０℃であることが好ましい。窒化反応の反応開始温度が５００〜６５０℃であることで、ＡｌＮ粒子の一次粒子径が微細となり、一次粒子径が微細な窒化アルミニウムとなる。より好ましくは、窒化アルミニウムの一次粒子径が５μｍ以下である。
【００７３】
窒化アルミニウム粉末は、窒素吸蔵工程と、窒化工程とを施されてなることで、アルミニウムの残留が抑えられている。さらに、窒化アルミニウム粉末は、低温で窒化されるため、粒子径が小さな窒化アルミニウム粉末となっている。
【００７４】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００７５】
本発明の実施例として、図１に示された窒化炉を作成し、この窒化炉を用いてアルミニウム粉末の窒化を行うことで窒化アルミニウム粉末を製造した。
【００７６】
（窒化炉）
図１に示された窒化炉は、耐熱マッフル１（外径：φ１６５ｍｍ、厚さ：５ｍｍ、炉壁材質：ＳＵＳ３０４、内容積：１７Ｌ）の外部加熱の電気炉である。この窒化炉は、真空ポンプ１５により真空引きした場合には０．１ＫＰａ以下に保持できるタイトな炉体構造を有する。
【００７７】
また、窒化炉は、第一窒素供給装置２および第二窒素供給装置３により、炉内に窒素ガスを供給することができる。この第一窒素供給装置２および第二窒素供給装置３は、それぞれ、所望の窒素量を炉内に供給することができるように、純度が９９．９％以上の窒素ガスを収容した第一および第二窒素ボンベ２１、３１と、一方が第一および第二窒素ボンベ２１、３１に接続され他方が炉内の炉壁に対向して開口した第一および第二管路２２、３２と、第一および第二管路２２、３２中にもうけられ管路２２、３２内を通過する窒素量を調節する第一および第二バルブ２３、３３と、を有する。なお、第一および第二管路２２、３２の二つの管路は、炉内においてひとつにまとめられ、他方の開口部は一致している。
【００７８】
第一窒素供給装置２は、第一管路２２中に、管路２２内を通過する窒素ガス流量を測定するマスフロメーター２４（山武製）がもうけられている。このマスフロメーター２４により、ガス量は２〜５０Ｌ／分の範囲で適宜選択することができる。
【００７９】
第二窒素供給装置３は、第二窒素ボンベ３１の開放圧力を４００ＫＰａに保持し、第二バルブ３３を開放することで窒素ガスを炉内に供給する。
【００８０】
さらに、窒化炉１は、炉内の窒素を排出する排出装置４を有する。この排出装置４は、一方が炉内に開口し他方が炉外に開口した管路４１と、管路４１中にもうけられ管路４１内を通過する窒素量を調節する排出バルブ４２と、を有する。
【００８１】
また、炉内圧力を測定する圧力計５１（ＣＫＤ製、０〜２００ＫＰａ、接点数：４）、炉内温度を測定する温度計５２がもうけられている。
【００８２】
さらに、圧力計５１、温度計５２、第一、第二および排出バルブ２３、３３、４２は、それぞれ、演算装置５５に電気的に接続されている。この演算装置５５は、圧力計５１、温度計５２により測定されたデータから炉内環境を算出し、所望の設定条件との誤差から、それぞれのバルブ２３、３３、４２の開放量を決定するとともに、各バルブ２３、３３、４２の開閉を行うことができる。さらに、演算装置５５は、図示されない出力装置に、測定データを表示させることができる。
【００８３】
（実施例１，参考例１）
実施例１，参考例１として、図１に示された窒化炉を用いて平均粒径が１０μｍの高純度アルミニウム粉末（東洋アルミニウム（株）製、純度９９．７％）の窒化を行った。
【００８４】
（試料１）
アルミニウム粉末の窒化は、まず、原料のアルミニウム粉末２５０ｇと自家製の窒化アルミニウム粉末（１００メッシュ以下）２５０ｇとをハンドミキサーにより十分に混合した。その後、この原料混合粉末を熱電対がもうけられ上面が開口した槽状を有するステンレス製試料箱（内容積：１８００ｃｃ）内に収容し、この試料箱１７を炉内の中央部に配置した。なお、原料混合粉末は、試料箱内に収容された状態では、圧縮されていない。
【００８５】
その後、第一窒素供給装置２および排出装置４のバルブ２３、４２を開放して、炉内を窒素ガス雰囲気とした。このため、炉内の露点は、４５０℃時点で−５０℃以下となった。露点の観測は、排出装置４の管路４１中にもうけられた露点計４５を用いて行われた。
【００８６】
なお、自家製の窒化アルミニウム粉末は、従来技術であるアルミニウム粉末を窒素雰囲気中で加熱して窒化反応を生じさせる方法を用いて製造された。
【００８７】
つづいて、第一窒素供給装置２から１０Ｌ／分の流量で炉内に窒素ガスを供給するとともに、排出装置４の排出バルブ４２を調節して、炉内の圧力を、１４０．０ＫＰａとなるように設定した。なお、この原料混合粉末および窒化炉の炉内環境の設定条件を表１に示した。
【００８８】
【表１】

【００８９】
炉内の窒素ガス圧が調節された状態で、電気炉のヒーター１１に通電し、炉内温度を５００℃に昇温させた（昇温速度：５℃／分）。その後、窒化反応の反応設定温度である６００℃まで、５０分かけて昇温させた（昇温速度：２℃／分）。炉内温度が６００℃に到達したら、この温度を保持する。炉内温度を６００℃に保持したところ、３８分後に窒化反応が開始し、７分間で窒化反応が終了し試料１の窒化アルミニウム粉末が製造された。なお、窒化反応は、急激な反応速度であり、第二窒素供給装置３を作動させて、炉内の圧力を設定圧力に維持した。また、窒化反応の反応時間は、この第二窒素供給装置３の第二バルブ３３の開放時間である。
【００９０】
加熱中、炉内温度が６００℃に保持され、窒化反応の開始までの間に、圧力計５１が、炉内の窒素ガス圧の低下を観測した。炉内の窒素ガス圧の低下は、５．３ＫＰａであった。この炉内の窒素ガス圧の低下は、アルミニウム粉末が窒素ガスを吸蔵したことにより生じている。
【００９１】
その後、冷却を行い、炉内の窒化アルミニウムを回収したところ、６２９ｇの窒化アルミニウム粉末が回収された。
【００９２】
試料１の窒化アルミニウム粉末の分析を行ったところ、窒素含有量が３４．０％、酸素含有量が０．３４％、残留アルミニウム濃度が２４１ｐｐｍであった。すなわち、製造されたＡｌＮ粉末は、ほぼ１００％の窒化率であることがわかった。ここで、試験結果および分析結果を表２に示した。
【００９３】
【表２】

【００９４】
また、この試料１のＡｌＮ粉末のＳＥＭ写真を撮影し、図２に示した。なお、図２（ａ）には倍率が２０００倍の、（ｂ）には倍率が５０００倍のＳＥＭ写真を示した。
【００９５】
図２より、試料１のＡｌＮ粉末は、その粒径が０．５〜２μｍの範囲にあることが確認された。すなわち、試料１のＡｌＮ粉末は、従来のＡｌＮの製造方法ではその製造が困難であった微細な粉末となっていることがわかる。なお、図２（ａ）に大きな粒子が見られるが、この粒子は、一次粒子が凝縮した二次粒子である。この二次粒子は、破砕処理を行うことで、容易に微細なＡｌＮ粉末とすることができる。
【００９６】
（試料２）
試料２は、原料のアルミニウム粉末３００ｇと自家製の窒化アルミニウム粉末２７０ｇとを用い、窒化反応の反応設定温度を６３５℃、昇温速度を５℃／分とした以外は、試料１と同様の手段により製造されたＡｌＮ粉末である。ここで、試料２の製造での設定条件を表１にあわせて示した。
【００９７】
試料２の製造において、設定温度での保持時間は２７分、窒化反応までの圧力減少量は１８．６ＫＰａ、窒化反応の反応時間は５分、生成されたＡｌＮは７２３ｇであった。窒化反応の反応結果および分析結果を表２にあわせて示した。
【００９８】
試料２の分析結果は、窒素含有量が３４．１％、酸素含有量が０．７３％、残留アルミニウム濃度が１９０ｐｐｍであった。すなわち、窒素含有量が３４．１％と高い値であり、試料２のＡｌＮ粉末は、ほぼ１００％の窒化率であることがわかった。
【００９９】
（試料３）
試料３は、原料のアルミニウム粉末３００ｇと自家製の窒化アルミニウム粉末１５０ｇとを用い、窒化反応の反応設定温度を５７０℃、昇温速度を１．６℃／分とした以外は、試料１と同様の手段により製造されたＡｌＮ粉末である。ここで、試料３の製造での設定条件を表１にあわせて示した。
【０１００】
試料３の製造において、設定温度での保持時間は４５分、窒化反応までの圧力減少量は２．３ＫＰａ、窒化反応の反応時間は４分、生成されたＡｌＮは５９４ｇであった。窒化反応の反応結果および分析結果を表２にあわせて示した。
【０１０１】
試料３の分析結果は、窒素含有量が３３．２％と低い値を示した。このことは、反応までの圧力減少が少なかったこと、急激反応時間が少なかったことから、反応途中でアルミニウム粉末の表面が黒い窒化膜で覆われたため、窒化反応の進行が妨げられたと判断される。
【０１０２】
（参考例２）
参考例２は、図１に示された窒化炉を用いて、原料混合粉末を図３に示した攪拌試料箱６に収容し、原料混合粉末を攪拌しながら窒化反応を進行させた。
【０１０３】
図３に示された攪拌試料箱６は、Ｕ字状の内壁面を有するとともに上面が開口した槽状を有する槽部６１と、槽部６１内に回転可能な状態でありかつ水平方向にのびた状態でもうけられた回転軸６２と回転軸６２から径方向に突出した羽根６３とからなる攪拌羽根６４と、攪拌羽根６４に回転トルクを付与するモーター６５と、からなる。この攪拌羽根６４を回転させることで、槽部６１の内部に収容された原料混合粉末を攪拌することができる。
【０１０４】
実施例１で用いられたアルミニウム粉末２０ｇと、ＡｌＮ粉末１０ｇとを、十分に混合し、図３に示された攪拌試料箱６に収容し、図１に示された窒化炉の内部に収容した。その後、実施例１の時と同様の手段により、炉内温度が５００℃にまで昇温された。
【０１０５】
その後、窒化反応の反応設定温度の６１０℃まで、２．２℃／分の昇温速度で昇温させ、窒化反応を生じさせた。このとき、第一窒素供給装置２の窒素ガス流量は、８．４Ｌ／分に設定された。また、反応設定温度に達するまで、攪拌試験箱６の攪拌羽根６４は停止した状態であり、反応設定温度に達したところで、５０ｒｐｍで回転させ、収容された原料混合粉末の攪拌を行った。また、原料粉末の攪拌は、反応が完了した後の冷却時に炉内温度が４００℃にまで低下するまでつづけられた。なお、試料の攪拌は、窒化反応の終了後、暫くして回転速度が低下したので、モーター６５の回転トルクを上げる事で、５０ｒｐｍを維持し、最後まで攪拌を行った。ここで、設定条件を表１にあわせて示した。
【０１０６】
攪拌試験箱６を用いた窒化反応は、設定温度での保持時間は６０分、窒化反応までの圧力減少量は２．１ＫＰａ、窒化反応の反応時間は２分、生成されたＡｌＮは４０．５ｇであり、得られたＡｌＮを試料４とした。窒化反応の反応結果および分析結果を表２にあわせて示した。
【０１０７】
表２より、窒化率はほぼ１００％と考えられ、同じ原料比のテストＮＯ．３に比較して良好な結果を得た。これは試料攪拌により、原料粉の固着が防止され、窒素の流入が容易になった為と思われる。なお、試験結果において、反応開始までの圧力減少が２．１ＫＰａ、反応時間が２分と少ないことは、原料混合粉末の重量が少ないためである。
【０１０８】
参考例２は、攪拌を行うことで、原料粉末の固着を防止し、窒素ガスの浸透を容易にすることがわかる。この結果、原料中の窒化アルミニウム比率を下げることが可能になり、生産性が向上している。
【０１０９】
（参考例３）
参考例３は、図４に示された捕集装置７を有する試料箱を用いて窒化反応を生じさせた。
【０１１０】
図４に示された捕集装置７は、図３に示された攪拌試料箱６と、攪拌試験箱６に隣接して配置された捕集箱７１と、攪拌試験箱６の槽部の内部に窒素ガスを噴射するガス噴射口７２と、を有する装置である。
【０１１１】
この捕集装置７は、窒化反応の完了直後においては、生成した窒化アルミニウム粉末の焼結は始まっていないことに着目し、窒化反応の反応完了直後に窒素ガスを噴射して捕集装置７にＡｌＮ粉末を搬送する装置である。なお、ガス噴射口７２から噴射される窒素ガスは、攪拌試料箱６の攪拌羽根６４の回転する方向と同一の方向で原料混合粉末に噴射される。
【０１１２】
この捕集装置７を用いて、炉内圧力を１５０〜１５７ＫＰａとなるように調整した以外は、試料４と同様にして、試料５の窒化アルミニウム粉末を製造した。窒化反応の設定条件、試験結果、分析結果を表１および表２に示した。
【０１１３】
また、生成した窒化アルミニウム粉末は、４０．１ｇが回収された。なお、捕集装置に回収された窒化アルミニウム粉末は３５．８ｇであり、攪拌試験箱に若干量（４．３ｇ）が残存した。ここで、表２において、箱内、箱外と示されているが、これは、攪拌試験箱６の内部あるいは外部を示している。
【０１１４】
参考例３は、攪拌試験箱６から掃き出された粉末のサイズは最大で５〜６ミリ程度であった。また、攪拌を行うことで、原料粉末の固着が防止され、窒素ガスの浸透を容易にすることがわかる。この結果、原料中の窒化アルミニウム比率を下げることが可能になり、生産性が向上する。
【０１１５】
また、参考例２および３は、試料の攪拌を回転羽根により行った例であるが、ロータリ・キルンのように容器を回転させる攪拌方法や、流動床のように粉末試料が浮遊する方式でもよい。
【０１１６】
（参考例４）
参考例４は、図１に示された窒化炉を用いて、原料混合粉末を５３５℃に保持した状態から、すみやかに設定温度にまで昇温させて窒化反応を進行させた。
【０１１７】
（試料６）
平均粒径が７５μｍの高純度アルミニウム粉末（東洋アルミニウム（株）製、純度９９．７％）１００ｇと自家製の窒化アルミニウム粉末１００ｇとを、十分に混合し、実施例１の製造に用いた試料箱内に収容し、この試料箱を窒化炉の内部に配置した。
【０１１８】
その後、設定炉圧が１４０．０ＫＰａ、第一窒素供給装置の窒素ガス流量が８．４Ｌ／分、炉内温度を５３５℃とし、この炉内環境を２０分保持した。なお、２２０℃から５３５℃への昇温は、１時間で行われた（昇温速度５．３℃／分）。
【０１１９】
５３５℃で２０分間保持された原料混合粉末は、すみやかに、１５℃／分の昇温速度で窒化反応の設定温度である８５０℃にまで加熱され、８５０℃で窒化反応を進行させ、得られた窒化アルミニウム粉末を試料６とした。ここで、設定条件を表１にあわせて示した。
【０１２０】
試料６の製造において、窒化反応の設定温度での保持時間は８分、窒化反応までの圧力減少量は３．７ＫＰａ、窒化反応の反応時間は２．５４分、生成されたＡｌＮは２５２ｇであった。窒化反応の反応結果および分析結果を表２にあわせて示した。
【０１２１】
試料６の分析結果は、窒素含有量が３３．９％、酸素含有量が０．４１％、残留アルミニウム量が３２１ｐｐｍであった。試料６は、窒素吸蔵工程の保持温度から窒化反応の設定温度にまでの昇温が１５℃／分と大きいため、過剰量の窒素の吸蔵が妨げられている。この結果、残留アルミニウム量が低い値を示した。
【０１２２】
さらに、試料６を分析したところ、内部に白いウィスカーが多数確認された。
【０１２３】
（試料７）
試料７は、アルミニウム粉末として、平均粒径が２００μｍの高純度アルミニウム粉末（東洋アルミニウム（株）製、純度９９．６％）を用い、窒化反応の設定温度を９４０℃とした以外は、試料６と同様の手段により製造されたＡｌＮ粉末である。設定条件を表１にあわせて示した。
【０１２４】
試料７は、窒素含有量が３４．１％、酸素含有量が０．３６％、残留アルミニウム量が３６０ｐｐｍであった。試料７は、窒素吸蔵工程の保持温度から窒化反応の設定温度にまでの昇温が１５℃／分と大きいため、過剰量の窒素の吸蔵が妨げられている。この結果、残留アルミニウム量が低い値を示した。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、窒素吸蔵工程においてアルミニウム粉末に窒素を吸蔵させることで、その後の窒化工程においてＡｌＮの形成に十分な量の窒素が保持され、その後の窒化工程でアルミニウムの残留が生じることなく高い効率でＡｌＮを製造できる。本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、低温で窒化を行うことができるため、粒子径が小さな窒化アルミニウム粉末を製造することができる。さらに、粒子径が小さな窒化アルミニウム粉末は、基板材料として焼成する焼成温度が低くなることができ、良質の基板としての活躍が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の窒化炉の構成を示した図である。
【図２】試料１のＳＥＭ写真である。
【図３】攪拌試験箱を示した図である。
【図４】攪拌試験箱および捕集装置を示した図である。
【符号の説明】
１…電気炉２…第一窒素供給装置
３…第二窒素供給装置４…排出装置
５１…圧力計５２…温度計
５５…演算装置６…攪拌試験箱
７…捕集装置

Claims

アルミニウム粉末を４６０℃以上の窒素ガス雰囲気中に１０分以上保持し該アルミニウム粉末に窒素を吸蔵させる窒素吸蔵工程と、
窒素を吸蔵した該アルミニウム粉末を窒素ガス圧が８０〜３００ＫＰａの範囲の窒素ガス雰囲気中に保持しつつ、該窒素吸蔵工程の温度よりも高い温度である６００〜６３５℃の窒化温度に１０℃／分以下の昇温速度で昇温して窒化反応を進める窒化工程と、
を有することを特徴とする窒化アルミニウムの製造方法。
前記窒素吸蔵工程で、前記アルミニウム粉末は４６０℃の温度より反応開始までの時間が２０〜１２０分である請求項１記載の窒化アルミニウムの製造方法。
前記窒素ガス雰囲気は前記アルミニウム粉末を収納する反応室に窒素ガスを連続的に供給する窒素供給装置からの窒素ガスと該反応室から窒素ガスを逃がす排出装置から排出される窒素ガスとで維持され、
該反応室の窒素ガス圧力が低下したときに該反応室に窒素ガスを供給する第二窒素供給装置をもつ請求項１記載の窒化アルミニウムの製造方法。