JP5323436B2 - 窒化アルミニウム含有物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化アルミニウム含有物の製造方法に関する。

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り、優れた性質を有する材料である。このため、近年、半導体デバイスやエンジン部材等、様々な分野へ応用されることが期待されている。

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。

また、本発明者らは、特許文献１に記載するように、アルミニウムより窒素の生成自由エネルギーが低い触媒元素を、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、従来よりも低温かつ低圧で窒化アルミニウム含有物を製造できることを見出した。

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． 特開２００８−１１５０６８号公報

特許文献１に記載の方法では、触媒元素が窒化アルミニウム含有物の中に残る可能性が高い。このため、触媒元素を用いないで窒化アルミニウム含有物が製造できるようになれば、窒化アルミニウム含有物における不純物濃度を下げることができるため、望ましい。

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、触媒元素を用いないで窒化アルミニウム含有物を製造することができる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。

本発明によれば、アルミニウム及び少なくとも表面に酸化アルミニウム層（ただしアルミニウムの自然酸化層を除く）を有する反応助長剤を窒素雰囲気下でアルミニウムの融点以上に加熱することにより、窒化アルミニウム含有物を製造する窒化アルミニウム含有物の製造方法が提供される。

本発明によれば、触媒元素を用いないで窒化アルミニウム含有物を製造することができる。

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抵抗炉の構成図である。この抵抗炉は、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１６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、容器１３を加熱するための抵抗ヒータ１４（例えばシリコンカーバイドヒータ）が設けられている。容器１３には熱電対が取り付けられているため、熱電対のモニター線１５を通じて容器１３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。また抵抗ヒータ１４と容器１３の間には、容器１３を均一に加熱するための均熱さや１２が設けられている。ガス導入口１１から導入されるガスは、均熱さや１２の内側から反応チャンバー１０の内部に供給される。容器１３は例えばアルミナ製であり、窒素などの気体を外側から内側に浸透させることができる。

次に、上記の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、アルミニウム片２０及び反応助長剤２１を容器１３の内部に配置する。反応助長剤２１は、例えば容器１３の底部に配置され、複数のアルミニウム片２０は、反応助長剤２１の上に配置される。反応助長剤は、少なくとも表面に酸化アルミニウム層（ただしアルミニウムの自然酸化層を除く）を有しており、例えばアルミナ（酸化アルミニウム）の粉末、好ましくはα―アルミナの粉末である。また反応助長剤２１は、アルミニウム粉末の表面を酸化処理することにより、自然酸化膜より厚い酸化アルミニウム膜をアルミニウム粉末の表面に設けたものであっても良い。アルミニウム片２０は、長辺が例えば１０ｍｍ〜５００ｍｍであり、厚さが例えば５μm〜1ｍｍである。

反応助長剤２１は粒状であってもよいし、鱗片状であってもよい。反応助長剤２１が粒状である場合、その粒径は例えば１μｍ以上１００μｍ以下である。反応助長剤２１が鱗片状である場合、その大きさは、長辺が１μｍ以上５μｍ以下である。アルミニウム片２０に対する反応助長剤２１の重量比率は、例えば０．１以下である。また、反応助長剤２１をまんべんなく反応に寄与させるため、粒径が１０μｍ以上１０００μｍのアルミニウム粉末に混合させてもよい。

次いで、容器１３を均熱さや１２の内側に配置する。次いで、ガス導入口１１から窒素ガス又は窒素ガスと不活性ガスの混合ガスを導入しながら排気口１６から排気を続ける。これにより、反応チャンバー１０の内部が空気から窒素雰囲気に置換される。反応チャンバー１０の内部における窒素ガスの圧力は、例えば排気口１６よりオーバーフローする常圧雰囲気が好ましいが、４０気圧以下の加圧雰囲気であってもよい。

次に、抵抗ヒータ（例えばシリコンカーバイドヒータ）１４で容器１３を、アルミニウムの融点以上（例えば６５０℃以上）１４００℃以下まで、例えば２℃/分以上の昇温速度で加熱し、その後、一定時間ほどその温度で保持する。この熱処理工程により、容器１３内でアルミニウム２０が溶融し、さらにアルミニウムの窒化反応が生じて、窒化アルミニウム含有物が形成される。加熱保持時間は、例えば５分〜２０分である。

熱処理工程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および反応助長剤２１の量によって制御することができる。また、熱処理の処理条件、例えば処理温度、雰囲気窒素の圧力、処理時間、及びアルミニウム片２０に対する反応助長剤２１を混入したアルミニウム粉末の割合等を調節することによって、塊状含有物の状態（例えば窒化アルミニウムの含有率、及び窒化アルミニウム含有物中の窒化アルミニウムの分散状態）を作り分けることができる。

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とアルミニウムの塊状含有物が得られる。得られた塊状含有物は、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た状態になっている。そして、塊状含有物の空隙率を１％以下にすることができる。なお、アルミニウムの含有率が５０％以上７０％以下の場合、得られた塊状含有物の加工性が高くなる。

また処理条件を、窒化反応が進む方向（例えば雰囲気圧力を高くする等）に変更すると、純度が９９％以上の粉末状の窒化アルミニウムを得ることができる。

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粒子の平均粒径は一般に細かく、例えばμｍオーダーとなる。しかもその粒度分布を急峻にすることができる。熱処理の条件によりこれを調整することは可能であり、例えば１０μmオーダーや０．１μmオーダーも可能である。

容器１３が大きい場合、内部に窒素が供給できにくく反応が不均質になる。このため、容器１３を浅くて広くするのが好ましい。この場合、反応助長剤２１を複数個所に分散してもよい。また反応チャンバー１０も、浅くて広い平型炉とするのが望ましい。このとき、反応チャンバー１０としてプッシャー式連続炉を用いてもよい。

また、熱処理の温度を従来と比較して低くすることができるため、炉材の蒸発による不純物の混入が抑制され、アルミニウム片２０及び反応助長剤２１の純度を高くするほど、純度の高い塊状含有物が得られる。なお、アルミニウム片２０の代わりにアルミニウム粉末を全量用いても良い。この場合、加熱前にアルミニウム粉末と反応助長剤２１を混合するのが好ましい。

以上、本実施形態によれば、触媒元素を用いなくても窒化アルミニウム含有物を製造することができる。従って、窒化アルミニウム含有物に含まれる不純物の量を低くすることができる。また、製造条件も、触媒元素を用いる場合と同等である。従って、製造コストが高くなることを抑制できる。

（実施例）
アルミニウム粉末５５０ｇとα−アルミナの粉末２ｇを混合し、アルミナ製の坩堝の中に挿入した。α−アルミナとしては、ニラコ社製の商品名「酸化アルミニウム」（純度９９．９％以上）、及びニラコ社製の商品名「酸化アルミニウム」（純度９９．９９％以上）を用いた。そして坩堝を常圧の窒素雰囲気下で加熱して、１０００℃で３０分間保持した。その後、窒素雰囲気下で自然冷却した。これにより、坩堝内に塊状の反応生成物が形成された。

反応生成物をＸ線回折により分析した結果、いずれのα−アルミナを用いた場合においても、窒化アルミニウムに起因した回折ピークと、アルミニウムに起因した回折ピークが得られたが、他の物質に起因した回折ピークは見られなかった。従って、反応生成物は、アルミニウムと窒化アルミニウムの含有物であることがわかった。ただし、示差熱分析を行った結果、純度９９．９９重量％のα−アルミナを用いると、純度９９．９重量％のα−アルミナを用いる場合と比較して窒化反応に起因したピークが低温側にシフトし、かつピークが鋭くなった。このことから、α−アルミナの純度が上がると、窒化反応が生じる温度領域は低温側にシフトすることがわかった。

尚、本発明は上述した実施形態及び実施例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。

熱処理工程で用いられる抵抗炉の構成図である。

符号の説明

１０ 反応チャンバー
１１ ガス導入口
１２ 均熱さや
１３ 容器
１４ 抵抗ヒータ
１５ モニター線
１６ 排気口
２０ アルミニウム片
２１ 反応助長剤

Claims (5)

1. アルミニウム、及び少なくとも表面に酸化アルミニウム層（ただしアルミニウムの自然酸化層を除く）を有する反応助長剤からなり、窒化アルミニウムを含まない初期原料を窒素雰囲気下で前記アルミニウムの融点以上に加熱することにより、窒化アルミニウム含有物を製造する窒化アルミニウム含有物の製造方法。
2. 請求項１に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法において、前記反応助長剤は、酸化アルミニウムである窒化アルミニウム含有物の製造方法。
3. 請求項２に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法において、
   前記反応助長剤は、α−アルミナである窒化アルミニウム含有物の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法において、
   前記アルミニウム及び前記反応助長剤を前記アルミニウムの融点以上１４００℃以下に加熱することにより、前記窒化アルミニウム含有物を製造する窒化アルミニウム含有物の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法において、
   前記窒素雰囲気の圧力は常圧である窒化アルミニウム含有物の製造方法。

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