JP6877184B2

JP6877184B2 - ＡｌＮの製造方法

Info

Publication number: JP6877184B2
Application number: JP2017036737A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　一徳; 一徳鈴木; 徹宇治原; 幸久竹内
Original assignee: Denso Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Denso Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: WO2018159218A1; JP2018140904A

Description

本発明は、窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという）の製造方法に関する。

今後、市場の拡大が予想される電気自動車やハイブリッド車には、電力変換装置であるインバータが不可欠である。また、インバータを構成するパワーデバイスから発生する熱を制御するために、良好な絶縁性と高い熱伝導性を有する傾斜材料の開発が行われている。その一つとして、ＡｌＮが採用されつつある。ＡｌＮの粉体を高温で焼結することで傾斜材料を形成する方法は、例えば特許文献１で提案されている。

特許第５８４９６５０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ＡｌＮの粉体を高温で焼結するため、完成したＡｌＮ基板が高価になり、実用化の妨げになっている。したがって、低温で安価にＡｌＮ基板を製造する技術が望まれている。

そこで、発明者らは、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３という）基板上に板状のアルミニウム（以下、Ａｌという）材を配置し、マグネシウム（以下、Ｍｇという）を媒介させることで当該Ａｌ材にＡｌＮを生成する方法を考案した。この方法では、ＡｌＮの粉体を高温で焼結するよりも低温で安価にＡｌＮを製造することができる。

具体的には、Ｍｇを加熱し、不活性雰囲気においてＭｇの蒸気を窒素ガスと反応させて窒化マグネシウム（以下、Ｍｇ_３Ｎ_２という）を生成する。また、Ａｌ_２Ｏ_３基板の上にＡｌ材を置き、炉の中でＡｌ材を加熱することでＡｌ材をＡｌ_２Ｏ_３基板上で溶融させる。

そして、Ｍｇ_３Ｎ_２を含んだ不活性雰囲気で炉の中を満たすことにより、溶融したＡｌ材のＡｌとＭｇ_３Ｎ_２とを反応させる。すなわち、Ｍｇ_３Ｎ_２＋２Ａｌ→２ＡｌＮ＋３Ｍｇの反応が起こる。これにより、Ａｌ材の表面からＡｌＮが形成されていく。

しかしながら、発明者らが上記の方法で形成したＡｌＮの成分を分析したところ、ＡｌＮだけではなく、ＡｌＮ以外の物質としてスピネル（以下、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４という）が形成されていることがわかった。これは、以下のプロセスで発生すると推定される。

まず、溶融したＡｌ材の表面からＡｌＮが形成されていくが、Ａｌとの反応にあずからないＭｇ_３Ｎ_２の還元作用が高いので、Ａｌ_２Ｏ_３基板を還元する。すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３基板の表面では、２Ａｌ_２Ｏ_３→４Ａｌ＋３Ｏ_２の還元反応が起こり、Ｏ_２が発生する。

さらに、溶融したＡｌ材の中では、還元反応で発生したＯ_２によってＭｇ_３Ｎ_２が分解されると共にＭｇとＯ_２とが反応することでＭｇＯが生成される。また、溶融したＡｌ材の中では、ＡｌとＯ_２とが反応することでＡｌ_２Ｏ_３が生成される。そして、ＭｇＯとＡｌ_２Ｏ_３とが反応する。すなわち、ＭｇＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の反応が起こる。このようにして、Ａｌ材の中にＭｇＡｌ_２Ｏ_４が形成されてしまうと推定される。

上記の方法はＡｌＮの粉体を高温で焼結するよりも低温及び安価でＡｌＮを形成することはできるが、溶融したＡｌ材の中にＭｇＡｌ_２Ｏ_４が形成されてしまうことによりＡｌＮの形成を阻害してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、溶融したＡｌ材の中に酸化物の形成を抑制して、ＡｌＮを形成することができる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、Ｍｇを加熱し、不活性雰囲気においてＭｇの蒸気を窒素ガスと反応させてＭｇ_３Ｎ_２を生成し、さらに非酸化物系材料（２０）の上に配置したＡｌ材（３０）を加熱して溶融させ、溶融したＡｌ材のＡｌとＭｇ_３Ｎ_２とを反応させて溶融したＡｌ材にＡｌＮを生成するＡｌＮの製造方法である。

そして、非酸化物系材料として、Ｍｇ及びＡｌよりも高い融点を有し、溶融したＡｌ材のＡｌと化合せず、不活性雰囲気において熱分解せず、さらにＭｇ_３Ｎ_２の還元作用によって分解しないものを用いる。

これによると、Ａｌ材の台座として非酸化物系材料を用いているので、Ｍｇ_３Ｎ_２による還元作用によってＡｌ材の中にＯ_２が発生しない。このため、Ａｌ材の中のＭｇ_３Ｎ_２がＯ_２によって分解されない。また、ＡｌとＯ_２との反応も起こらない。したがって、溶融したＡｌ材の中に酸化物を形成せずに、Ａｌ材に完全なＡｌＮを形成することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るＡｌＮの断面図である。ＡｌＮの製造工程を示した断面図である。ＡｌＮの生成プロセスを示した図である。ＡｌＮのＸ線回折測定の結果を示した図である。比較例としてＡｌ_２Ｏ_３基板の上のＡｌ材にＡｌＮを生成した場合のＸ線回折測定の結果を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、ＡｌＮ１０は、基板２０の上に形成されている。基板２０は、非酸化物系材料によって構成されている。

基板２０は、Ｍｇ及びＡｌよりも高い融点を有する材料によって形成されている。したがって、基板２０は、Ｍｇ及びＡｌよりも高い温度で加熱されても溶けない。また、後述するが、基板２０の上に配置したＡｌ材を加熱して溶融する。この際、基板２０は溶融したＡｌ材のＡｌと化合しない性質を持つ。

さらに、基板２０は、不活性雰囲気において熱分解せず、Ｍｇ_３Ｎ_２の還元作用によって分解しないという特徴を有している。非酸化物系材料として、例えば窒化ケイ素（以下、Ｓｉ_３Ｎ_４という）が用いられる。

次に、ＡｌＮの製造方法について説明する。まず、炉を用意する。そして、基板２０の上に図示しないＭｇ材を配置したものを炉の中に配置する。また、図２に示されるように基板２０の上に板状のＡｌ材３０を配置したものを炉の中に配置する。

基板２０は、Ｍｇ材やＡｌ材３０を置くための台座である。Ｍｇ材を乗せる基板２０とＡｌ材３０を乗せる基板２０とは、別々のものである。

炉は、不活性ガスの導入と排出が可能になっている。炉内には、Ｍｇと反応させる窒素ガス（Ｎ_２ガス）及び加熱したＭｇの蒸気を導入するＡｒガスが導入可能になっており、したがって炉の中は不活性雰囲気で満たされている。また、不活性雰囲気は、例えばＨｅを含んだ窒素雰囲気でも良い。

続いて、炉の中でＭｇ材を融点以上に加熱する。また、炉の中に窒素ガスを導入する。これにより、不活性雰囲気においてＭｇの蒸気を窒素ガスと反応させてＭｇ_３Ｎ_２を生成する。同様に、炉の中でＡｌ材３０を融点以上に加熱して溶融させる。そして、溶融したＡｌ材３０のＡｌとＭｇ_３Ｎ_２とを反応させて溶融したＡｌ材３０にＡｌＮを生成する。

具体的には、図３に示されるように、Ａｒを含んだ窒素雰囲気中のＭｇ_３Ｎ_２がＡｌ材３０の表面３１に接触する。

そして、溶融したＡｌ材３０の中でＭｇ_３Ｎ_２＋２Ａｌ→２ＡｌＮ＋３Ｍｇの反応が起こる。したがって、Ａｌ材３０の表面３１側と裏面３２側から中間層に向かってＡｌＮが形成されていく。また、Ｍｇは融点以上に加熱されているので、蒸気としてＡｒを含んだ窒素雰囲気に放出される。Ｍｇ_３Ｎ_２から分解されたＮ_２も同様にＡｒを含んだ窒素雰囲気に放出される。

上記の反応を進めることで、図１に示されるように基板２０の上にＡｌＮ１０を生成する。反応終了後、加熱を終了してＡｌＮ１０を冷やすことでＡｌＮ１０が完成する。

発明者らは、上記の方法によって製造した生成物の組成解析を行った。具体的には、粉末状の生成物のＸ線回折測定を行った。その測定結果を図４に示す。図４に示されるように、ピーク（Ａ）のほとんどはＡｌＮ１０を示すものであった。また、ＡｌＮ１０以外の物質のピークは測定されなかった。すなわち、上記の方法によってＡｌＮ１０のみを生成することができた。

比較例として、上述のように、Ａｌ_２Ｏ_３基板の上にＡｌ材３０を置き、Ｍｇを媒介させることで当該Ａｌ材３０にＡｌＮを生成した。また、Ａｌ_２Ｏ_３基板の上に生成した生成物の組成解析を行った。その測定結果を図５に示す。

図５に示されるように、ＡｌＮ１０のピーク（Ａ）だけでなく、Ｍｇ（ＯＨ）_２のピーク（Ｂ）、ＭｇＯのピーク（Ｃ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４のピーク（Ｄ）が測定された。これは、上述のプロセスによってＡｌ材３０の中にＭｇの化合物やＡｌ_２Ｏ_３基板のＯ_２による酸化物が生成されたことを証明している。

したがって、Ａｌ_２Ｏ_３基板のような酸化物系材料をＭｇやＡｌ材３０の台座として用いる方法では、完全なＡｌＮ１０を形成することができない。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４はＡｌＮ１０の熱伝導率を低下させるので、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含んだＡｌＮ１０は高い熱伝導性を確保することができない。

上記の比較例に対し、ＭｇやＡｌ材３０の台座として非酸化物系材料によって構成された基板２０を用いることにより、Ｍｇ_３Ｎ_２による還元作用によってＡｌ材３０の中にＯ_２を発生させないようにすることができる。Ｏ_２が発生しないので、Ａｌ材３０の中のＭｇ_３Ｎ_２がＯ_２によって分解されないようにすることができる。もちろん、ＡｌとＯ_２との反応が起こることはない。したがって、溶融したＡｌ材３０の中に酸化物が形成されないようにすることができる。すなわち、ＡｌＮ１０の中にＭｇＡｌ_２Ｏ_４が形成されないので、ＡｌＮ１０は高い熱伝導性を確保することができる。また、ＡｌＮ１０の粉体を高温で焼結するよりも低温及び安価でＡｌ材３０に完全なＡｌＮ１０を形成することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、基板２０が特許請求の範囲の「非酸化物系材料」に対応する。

（他の実施形態）
上記実施形態で示されたＡｌＮ１０の製造方法は一例であり、上記で示した内容に限定されることなく、他の方法とすることもできる。例えば、上記の実施形態では、非酸化物系材料の基板２０としてＳｉ_３Ｎ_４が採用されているが、他の非酸化物系材料が採用されても良い。

一つの例として、非酸化物系材料は酸素を含まない窒化物でも良い。窒化物として、例えば、ＢＮ、ＨｆＮ、ＴａＮ、ＴｈＮ、ＴｉＮ、ＵＮ、ＺｒＮ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかを用いることができる。ＡｌＮ１０を形成するに際し、基板としてＡｌＮを用いても良い。

別の例として、非酸化物系材料は酸素を含まないホウ化物でも良い。ホウ化物として、例えば、ＨｆＢ_２、ＬａＢ_６、ＮｂＢ_２、ＴａＢ_２、ＴｈＢ_４、ＴｉＢ_２、ＵＢ_２、Ｗ_２Ｂ、ＺｒＢ_２のいずれかを用いることができる。

さらに、別の例として、非酸化物系材料は酸素を含まない炭化物でも良い。炭化物として、例えば、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＳｉＣ、Ｔａ_２Ｃ、ＴａＣ、ＴｈＣ、ＴｈＣ_２、ＴｉＣ、ＵＣ、ＵＣ_２、ＶＣ、Ｗ_２Ｃ、ＷＣ、ＺｒＣのいずれかを用いることができる。

１０ＡｌＮ
２０基板（非酸化物系材料）
３０Ａｌ材

Claims

Ｍｇを加熱し、不活性雰囲気において前記Ｍｇの蒸気を窒素ガスと反応させてＭｇ_３Ｎ_２を生成し、さらに非酸化物系材料（２０）の上に配置したＡｌ材（３０）を加熱して溶融させ、前記溶融したＡｌ材のＡｌと前記Ｍｇ_３Ｎ_２とを反応させて前記溶融したＡｌ材にＡｌＮを生成するＡｌＮの製造方法であって、
前記非酸化物系材料として、前記Ｍｇ及び前記Ａｌよりも高い融点を有し、前記溶融したＡｌ材のＡｌと化合せず、前記不活性雰囲気において熱分解せず、さらに前記Ｍｇ_３Ｎ_２の還元作用によって分解しないものを用いるＡｌＮの製造方法。
前記不活性雰囲気は、Ａｒを含んだ窒素雰囲気またはＨｅを含んだ窒素雰囲気である請求項１に記載のＡｌＮの製造方法。
前記非酸化物系材料は、窒化物である請求項１または２に記載のＡｌＮの製造方法。
前記窒化物は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＨｆＮ、ＴａＮ、ＴｈＮ、ＴｉＮ、ＵＮ、ＺｒＮ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかである請求項３に記載のＡｌＮの製造方法。
前記非酸化物系材料は、ホウ化物である請求項１または２に記載のＡｌＮの製造方法。
前記ホウ化物は、ＨｆＢ_２、ＬａＢ_６、ＮｂＢ_２、ＴａＢ_２、ＴｈＢ_４、ＴｉＢ_２、ＵＢ_２、Ｗ_２Ｂ、ＺｒＢ_２のいずれかである請求項５に記載のＡｌＮの製造方法。
前記非酸化物系材料は、炭化物である請求項１または２に記載のＡｌＮの製造方法。
前記炭化物は、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＳｉＣ、Ｔａ_２Ｃ、ＴａＣ、ＴｈＣ、ＴｈＣ_２、ＴｉＣ、ＵＣ、ＵＣ_２、ＶＣ、Ｗ_２Ｃ、ＷＣ、ＺｒＣのいずれかである請求項７に記載のＡｌＮの製造方法。