JPH02293308A - 窒化アルミニウム粉末の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は高純度の窒化アルミニウム粉の製造法に関する
ものである。

［従来の技術］ 窒化アルミニウム焼結体はその高伝熱性、高絶縁性、高
機械的強度から、半導体用基板材料として注目されてい
る。この焼結体の原料となる窒化アルミニウム粉末の合
成法として以下の方法が知られている。

ｌ）アルミニウムを窒素中で加熱する直接窒化法。

２）アルミナとカーボンの混合物を窒素雰囲気下で窒化
する還元窒化法。

３）アルミニウムの化合物（気体）を窒素あるいはアン
モニアと気相で反応させる気相合成法。

窒化アルミニウム焼結体が上記の高伝熱性、高強度等の
優れた特性を発揮するためには、原料の窒化アルミニウ
ム粉末は高純度で微細な粒径であることが要求される。

上記ｌ）の方法は安価ではあるが、反応が表面から進行
するため、中心部が未反応で残り易く、生成した窒化ア
ルミニウムも塊状となり、粉砕の必要があり、微細で粒
径の揃った粉末は得られ難い。３）の方法は非常に微細
な粉末は得られるのであるが、表面積が大きいため、表
面酸化を受け易く、酸素の吸着量も多い。また、工業的
生産性が悪い。２）の方法は比較的微細な粒径の窒化ア
ルミニウム粉末が得られるのであるが、まだ満足のいく
純度のものは得られていない。

この理由として、一つはアルミナの酸素がカーボンによ
り還元され、一酸化炭素として脱離していく反応機構上
、アルミナとカーボンの混合を良くすることが反応完結
上重要であるが、これがなかなか難しいことが挙げられ
る。これを解決する方法として、特開昭６１−８１０４
に、カーボンを分散させたアルミニウムアルコキシドの
アルコール溶液を加水分解することにより、アルミナと
カーボンの分散性向上を計る方法が開示されているが、
この場合、カーボン／アルミナ比をかなり高くシ、過剰
のカーボンは空気中で加熱して除去している。従って残
留カーボン量は０．１％以下になっているが、酸素量は
１％前後になっている。

また、特開昭８３−　２１０００２に、塩基性塩化アル
ミニウムと水溶性炭素含有化合物または／および水溶性
窒素含有化合物の均一な混合溶液から水酸化アルミニウ
ムとカーボンの混合物を得、これを窒素中で焼成する方
法が開示されている。

この方法は原料のアルミニウム化合物がアルミニウムア
ルコキシドより安価な塩基性塩化アルミニウムである点
が優れているけれども、やはり酸素量はＩ％前後になっ
ている。

空気中での脱カーボン処理による酸化を防止するため、
カーボンの添加量を低く押さえる試みが特開昭８１−　
１８３１０８に開示されている。ここではカーボン／ア
ルミナ比を低く押さえているが、やはり　１％前後カー
ボンが残留している。

このようにもう一つの問題点はこの反応を完結するには
どうしても過剰量のカーボンが必要であるが、反応後こ
のカーボンが残留したり、残留したカーボンを除去する
ため、空気中で加熱すると、どうしても窒化アルミニウ
ムの酸化が起ってしまうことである。また、１６００℃
以上の高温で窒化を行えば、酸素含有量は減らせるが、
窒化時に窒化アルミニウムの粒成長が起こり、結果とし
て得られた粒子の粒径が大きくなる欠点がある。

すなわち、未だカーボンおよび酸素含有量が低く、かつ
微細な粒径の窒化アルミニウム粉末は得られていないの
が現状である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は焼結性、伝熱特性に優れた窒化アルミニウム焼
結体を得る上で問題となる、原料の窒化アルミニウム粉
末の純度の低さと、粒度の大きさの問題の両者を解決し
ようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、これらの問題点を解決すべく鋭意研究を
行った結果、ある所定の方法で合成した水酸化アルミニ
ウムとカーボンの混合物を最初窒素雰囲気下で、次いで
アンモニア雰囲気下で焼成することにより、従来の窒化
アルミニウム粉末に比べ、酸素含有量および炭素含有量
が共に極めて低く、かつ一次粒子径が小さい窒化アルミ
ニウム粉末が合成できることを見出し、本発明に至った
。

すなわち、上記目的を達成するための本発明の構成は、
塩基性塩化アルミニウム水溶液にカーボンを分散させ、
これを中和して得られる水酸化アルミニウムとカーボン
の混合物を、まず窒素雰囲気下で焼成し、次いで水素と
窒素を同時に含む雰囲気下で焼成することを特徴とする
窒化アルミニウム粉末の製造法である。

上記塩基性塩化アルミニウムとカーボンの混合比はアル
ミナ換算でアルミナ対カーボンの重量比で１Ｆ０．４〜
１．２であり、水素と窒素を同時に含む雰囲気はアンモ
ニアの加熱からなる雰囲試であり、窒素雰囲気下および
水素と窒素を同時に含む雰囲気下での焼成温度は１３０
０℃〜１６００℃が好ましい。

更に詳しく本発明を説明すると、原料の塩基性塩化アル
ミニウムとしては、ポリ塩化アルミニウムが代表的であ
る。その他、塩化アルミニウムの加水分解物、水酸化ア
ルミニウムの塩酸溶液等も原料として使用できる。これ
らのアルミニウム塩は水溶液として使用する。濃度はア
ルミナ換算で１〜２０％が後の中和処理を考えると好適
である。

この水溶液に分散させるカーボンはカーボンブラック、
アセチレンブラックのように高純度で粒径が０．１μ以
下であることが望ましい。粒径が０，１μを超えると均
一微細な混合物が得難く、反応が完結しない。塩基性塩
化アルミニウムとカーボンの混合比はアルミナ換算でア
ルミナ対カーボンのｆｒ量比で１：０．４〜１．２であ
ることが望ましい。この比が０．４未満だと反応が完結
せず、酸素含有量が増す。逆に１．２を超えるとカーボ
ンが残留し、好ましくない。本発明のアルミナ対カーボ
ンの重量比の範囲は従来技術の通常範囲に比べるとカー
ボンの比率が高い領域になっている。

従来技術では空気中で脱カーボン処理を行うため、あま
り温度が上げられずカーボンの添加量はあまり多くでき
ない。これに対して本発明では、後述するように、焼成
を２段階で行い、特に２段目を水素と窒素を同時に含む
雰囲気下で行うため、従来よりカーボンの添加量を増し
ても十分脱カーボンが可能となっている。このカーボン
の分散に際して場合によっては界面活性剤および、又は
水溶性の有機溶媒を使用しても良い。

界面活性剤はドデシルベンゼンスルホン酸ソーダのよう
なアニオン系でも、ノニルフェノールエチレンオキサイ
ド付加物のようなノニオン系でも良い。界面活性剤の添
加量はアルミナに対し　１〜２５重量％が好ましい。１
重量％以下だと分散効果がないし、２５重量％以上だと
残留した界面活性剤が窒化に悪影響を及ぼす。水溶性の
有機溶媒として、メタノール、エタノール、イソブロバ
ノール、プロバノール等のアルコールが挙げられるが、
特にこれらに限定されるわけではない。この有機溶媒を
水溶液で使用する場合の濃度は５〜９５重量％迄適当に
選べる。

次にカーボンを分散させた塩基性塩化アルミニウム水溶
液を塩基で中和するわけであるが、この中和剤としてア
ンモニア、ヒドラジン、およびメチルアミン、エチルア
ミン等アミン類の水溶液が使用できる。工業的にはアン
モニア水が安価で好適である。中和は室温か若干冷却し
ながらするのが良い。撹拌しながら、徐々に中和すると
なお好ましい。中和終了後のＰＨは６．０〜８．０とす
る。このようにすると塩基性塩化アルミニウムの中和生
成物である水酸化アルミニウムの粒径は０．５μ以下に
なる。

該水酸化アルミニウムとカーボンの混合物を通常の方法
で、必要ならば濾別し、乾燥または加熱脱水に処した後
、一段目の焼成に入る。一段目の焼成は窒素雰囲気下で
１３００”ｃ〜１６００”Ｃの温度で１〜１０時間行う
。１３００℃未満では反応がなかなか進まないし、１６
００℃を超えると窒化アルミニウムの粒成長が起こり、
粒子径が０．５μを超えるようになる。この一次粒子径
は焼結性と関連しており、ある適当な範囲があり、小さ
ければ小さい方がよいとは限らない。この範囲は粒子の
耐酸化性、ハンドリング性等から０．１〜０．４μが好
ましい。

引き続き二段目の焼成を水素と窒素を同時に含む雰囲気
下、１３００℃〜１６００℃の温度で１〜１０時間行う
。水素と窒素を同時に含む雰囲気とは窒素ガスに水素ガ
スを混入してもよいし、より好ましくはアンモニアガス
をそのまま使用するのが良い。アンモニアは１０００℃
以上で水素と窒素に分解する。二段目の焼成では、窒化
と脱カーボンが同時に進行する。１３００℃未満では脱
カーボンの進行が遅く、１８００℃を超えると一段目と
同様、粒成長が起こり好ましくない。一段目と二段目の
焼成は雰囲気のガス種類を変えるだけで、連続的に行っ
ても、別々におこなってもよい。ただ順序は窒素雰囲気
下の焼成が先行する。最初からアンモニア雰囲気下で焼
成するとカーボンがなくなってしまい、窒化が十分進行
しない。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ 塩基性塩化アルミニウム水溶液７２ｇを純水４００ｇで
希釈する。これに界面活性剤としてノニルフェノールエ
チレンオキサイド１７モル付加物Ｉｇを添加、更に粒径
０．０４μのアセチレンブラックを３．６ｇを分散させ
た。次いで濃度３％のアンモニア水で中和を行った。中
和は室温で溶液を撹拌しながら行い、最終ＰＨは７．０
とした。この後ボールミルで６時間粉砕し、ボールミル
終了後濾過し　１００℃で３時間空気中で乾燥した。

この固形物を黒鉛製平皿に乗せ、管状電気炉で窒素ガス
をＩＱ／分の割合で流しながら、１５００℃で６時間加
熱保持した。電気炉が室温まで冷却後、黒鉛製平皿を取
り出し内容物をアルミナ製ボートに移し、再度管状電気
炉でアンモニアガスを１５Ｉ／分の割合で流しながら、
１５００℃で３時間加熱保持し、白色の粉末を得た。

この粉末の酸素含有量は０．４５重量％、炭素含有量は
０．０５％、電顕観察による一次粒子径は０．３μであ
った。またＸ線回折からは窒化アルミニウム以外のピー
クは検出されなかった。

今回使用の塩基性塩化アルミニウム水溶液の濃度はアル
ミナ換算でｌＯ重量％であった。

実施例２ アセチレンブラックの添加量を５．４ｇにする以外実施
例１と同様の操作で白色の粉末を得た。

この粉末の酸素含有量は０．３５重量％、炭素含有量は
０．０８％、電顕観察による一次粒子径は０．３μであ
った。またＸ線回折からは窒化アルミニウム以外のピー
クは検出されなかった。

実施例３ アセチレンブラックの添加量を８．５ｇにする以外は実
施例１と同様の操作で白色の粉末を得た。

この粉末の酸素含有量は０．５重量％、炭素含有量は０
．０８％、電顕観察による一次粒子径は０．３μであっ
た。またＸ線回折からは窒化アルミニウム以外のピーク
は検出されなかった。

比較例１ アセレンブラックの添加量を２．５ｇにする以外は実施
例１と同様の操作で白色の粉末を得た。

この粉末の酸素含有量は１．２重量％、炭素含有量は０
．０４％、電顕観察による一次粒子径は０，３μであっ
た。またＸ線回折からは窒化アルミニウム以外のピーク
は検出されなかった。

比較例２ アセチレンブラックの添加量をｌｏｇにする以外実施例
１と同様の操作にて白色の粉末を得た。

この粉末の酸素含有量は０．６重量％、炭素含有量は０
．５％、電顕観察による一次粒子径は０．３μであった
。またＸ線回折からは窒化アルミニウム以外のピークは
検出されなかった。

［発明の効果］ 本発明により、酸素含有量が０．６重量％以下、炭素含
有量が０．１！Ｉｎｎ％以下でかつ一次粒子径が０．５
μ以下という従来にない高純度で微粒子の窒化アルミニ
ウム粉末の取得が可能となり、この粉末を用いれば、焼
結性の良さと高伝熱性が期待できる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 塩基性塩化アルミニウ水溶液にカーボンを分散させ、こ
   れを中和して得られる水酸化アルミニウムとカーボンの
   混合物を、まず窒素雰囲気下で焼成し、次いで水素と窒
   素を同時に含む雰囲気下で焼成することを特徴とする窒
   化アルミニウム粉末の製造法。