JP2003034511A

JP2003034511A - 窒化アルミニウム粉末の製造方法

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Publication number: JP2003034511A
Application number: JP2001221248A
Authority: JP
Inventors: Akio Yoshida; 昭夫吉田; Akira Kobayashi; 晃小林; Masayoshi Kuwabara; 正義桑原; Koichiro Murai; 浩一郎村井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP4545357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】金属アルミニウム直接窒化法の窒化アルミニウ
ム粉末の製造方法において、その粉砕を行わなくても微
粉末であり、しかもアルミニウムが殆ど残留しない高品
位な窒化アルミニウム粉末を工業的に製造する。【解決手段】１８５０℃以上に加熱された反応管の頂部
から、アルミニウム粉を噴射させてアルミニウム蒸気と
なし、そのアルミニウム蒸気と反応管内壁にそって供給
された窒素ガスとを反応させて窒化アルミニウム粉末を
合成し、それを電気炉下部に接続された捕集系に導き回
収することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方
法。非酸化性冷却ガスを捕集系接続部近傍の反応管内に
供給し、合成された窒化アルミニウム粉末を強制冷却し
ながら捕集系に導くことが好ましい。また、アルミニウ
ム粉純度が９９．９９質量％以上で、窒化アルミニウム
粉末の回収温度が２００℃以上であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
粉末の製造方法に関する。詳しくは、高熱伝導セラミッ
ク基板や静電チャック等半導体部材などに用いられる窒
化アルミニウム焼結体の製造に好適な窒化アルミニウム
粉末の工業的な製造プロセスに関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウム粉末の製造プロセスを
原料別に分類すると、１）金属アルミニウムを高温の窒
素雰囲気化で窒化する直接窒化法、２）アルミナと炭素
の混合粉末を高温の窒素雰囲気で還元窒化する還元窒化
法、３）有機アルミニウムガスとアンモニアガス等の窒
素含有ガスで気相反応させる気相反応法がある。その中
で、金属アルミニウムの直接窒化法が最もシンプルで安
価なプロセスであるが、粉砕を伴うため、粒度分布が広
く、粉砕による酸素量や金属不純物の増大を招きやすい
という問題がある。

【０００３】そこで、直接窒化法の上記長所を活かし上
記課題を解決する試みとして、アルミニウム粉を窒素ガ
ス流で浮上させながら、窒素雰囲気中の高温反応部へ供
給して窒化する浮上窒化法（特公平５−５７２０１号公
報、特開平１−１４５３１０号公報等）が提案されてい
る。この方法によれば、粉砕をしなくても微細な窒化ア
ルミニウム粉末を製造することができるが、反応部まで
浮遊上昇したアルミニウム粉は、その一部が融着・凝集
などして粗大粒子となり、それが原料供給部に落下した
り、更には炉壁に付着した窒化アルミニウムの塊状物等
が落下したりなどして、アルミニウム粉の円滑な供給を
阻害させてしまい、連続化が困難であるという問題があ
る。

【０００４】これに対し、アルミニウム粉を窒素ガスの
下向き気流中に落下させる方法として、液体状態のアル
ミニウムを窒化させる気−液窒化法（特開昭６１−２０
５６０６号公報、特開昭６１−６８３１１号公報）があ
るが、このプロセスの最大の問題点は製品中にアルミニ
ウムが残留し易くなることであり、それの解決には２段
窒化等の処置が必要である。実際にパイロットスケール
でプロセスを開発した報告例（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．
Ｓｏｃ．，７７［１］３−１８（１９９４））では、３
パスを施した反応でも完全に窒化できず、結局、粉砕と
１時間程度の加熱処理が必要であることが記載されてい
る。

【０００５】アルミニウムの残留を解消させる窒化方式
として、例えば特公平６−４９５６６公報では、高周波
プラズマ法でアンモニアガスを用いることが開示されて
いるが、プラズマ加熱をするには減圧状態にする必要が
あるので、金属アルミニウムの取り扱い性の他に、アン
モニアガスの安全対策が必要となる。

【０００６】一方、アルミニウム溶湯からアルミニウム
蒸気を発生させ、それを窒化する気−気窒化法（特開平
４−１５４６０６号公報）も提案されているが、アルミ
ニウム溶湯からの蒸発では、蒸気圧が低いため生産性が
極端に悪く、工業的プロセスとは言い難い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、粉砕
をしなくても微粉であり、アルミニウムの残留があって
もそれが著しく少ない高品位窒化アルミニウム粉末を、
アルミニウム粉を原料として、安全かつ工業的規模で製
造することができる連続プロセスを提供することであ
る。本発明の目的は、アルミニウム粉を一定温度以上に
保たれた電気炉の頂部から噴射してアルミニウム蒸気と
なし、それと炉壁の保護を兼ねて炉壁にそって供給され
た窒素ガスと反応させることによって、達成することが
できる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、１
８５０℃以上に加熱された反応管の頂部から、アルミニ
ウム粉を噴射させてアルミニウム蒸気となし、そのアル
ミニウム蒸気と反応管内壁にそって供給された窒素ガス
とを反応させて窒化アルミニウム粉末を合成し、それを
電気炉下部に接続された捕集系に導いて回収することを
特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法である。こ
の場合において、非酸化性冷却ガスを捕集系接続部近傍
の反応管内に供給し、合成された窒化アルミニウム粉末
を強制冷却しながら捕集系に導くことが好ましく、また
アルミニウム粉純度が９９．９９質量％以上で、窒化ア
ルミニウム粉末の回収温度が２００℃以上であることが
好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。

【００１０】本発明に用いられるアルミニウム粉には特
に制限はないが、粉塵爆発等の危険性が小さいアトマイ
ズ粉が好ましい。平均粒径は１０〜５０μｍ程度が好ま
しく、特に１０〜２５μｍが好ましい。平均粒径が５０
μｍを越えると、アルミニウムの蒸発が抑えられ、得ら
れる窒化アルミニウム粉末にアルミニウムが残留し易く
なる。平均粒径が１０μｍ未満では、粉塵爆発の恐れが
高くなり、原料供給設備の安全対策を十分にする必要が
あると共に、均一な噴射が難しくなり、また凝集によっ
てアルミニウムの蒸発が抑制される。アルミニウム粉の
純度は、高いほどよく、９９．９５％以上、特に９９．
９９％以上であることが好ましい。なお、アルミニウム
粉の純度には、不純物酸素量を含まない値である。

【００１１】アルミニウム粉の電気炉頂部への供給は、
窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性ガスをキャリアに
用いて、例えばバブリング方式、テーブルフィーダー方
式、スクリューフィーダー方式で行う。バブリング方式
は、アルミニウム粉の均一噴射が可能であるのでアルミ
ニウムの蒸発がよりスムーズに行える特長がある。テー
ブルフィーダー及びスクリューフィーダー方式は定量供
給の点で優れている。アルミニウム粉の供給濃度は、１
００〜１０００ｇ／Ｎｍ³、特に１００〜５００ｇ／Ｎ
ｍ³であることが好ましい。これよりも低濃度ではアル
ミニウムの残留は起こりにくくなるが生産性が悪化し、
また高濃度ではアルミニウム粉の分散が十分でなくな
る。アルミニウム粉の供給量は電気炉のスケールによっ
て決定される。

【００１２】アルミニウム粉の噴射は、電気炉内部に設
置された反応管の頂部中心部から下方に向けて行われ
る。これを上方に向けて噴射すると原料の連続安定供給
が困難となる。反応管温度は、１８５０℃以上、好まし
くは１９００℃以上である。１８５０℃よりも低温で
は、アルミニウム粉が急速に蒸発せず、アルミニウム粉
の蒸発と窒化の連鎖反応が加速度的に起こりにくくな
り、窒化アルミニウム粉末中にアルミニウムが残留する
ようになる。

【００１３】電気炉は、炉内に反応管が設置され、それ
を高周波加熱方式で加熱できるものが望ましい。高周波
加熱方式によれば、高温が比較的容易に得られやすく、
また外部加熱方式よりも熱効率が良いという利点があ
る。アルミニウム粉が完全に窒化するには一定の窒化時
間が必要であり、本発明における反応管温度１８５０℃
以上では１秒以上であることが好ましい。この窒化に必
要な時間を確保するには、反応管寸法、窒素ガス供給量
等に応じた反応温度領域が必要であり、それに見合う電
気炉容量が必要となる。

【００１４】反応管は、その内径が１５０ｍｍ以上であ
るものが好ましい。これよりも小さいと、反応管内での
付着が多くなり生産性が低下し、極端に多くなると閉塞
が起こって操業が困難となる。反応管の材質は、熱的安
定性、強度の観点から、等方性黒鉛が好ましい。

【００１５】本発明においては、窒素ガスが反応管の内
壁にそって供給され、アルミニウム蒸気と反応する。窒
素ガスを反応管の内壁にそって供給する理由は、反応管
内壁に十分な窒素ガスが存在しないと、キャリアガスに
よって反応管内壁方向に拡散したアルミニウム粉やアル
ミニウム蒸気が反応不十分なまま通過してしまうので、
それを防止するためである。また、反応管内壁における
堆積や反応管自体を保護するためである。

【００１６】窒素ガスは、反応管の圧力が常に正圧にな
るように制御しながら供給される。負圧になると空気が
混入し、得られた窒化アルミニウム粉末の酸素量が増大
すると共に、反応管が酸化劣化する。

【００１７】本発明における窒化アルミニウム粉末の生
成メカニズムについて説明すると、炉頂部より噴射され
たアルミニウム粉は一次粒子状態で均一に分散するの
で、所定の温度以上で急速に蒸発し、近傍の窒素ガスと
気−気反応による窒化反応を開始する。その発熱量によ
り、アルミニウム粉の蒸発と窒化の連鎖反応が加速度的
に起こり、短時間に微細な窒化アルミニウム粉末が合成
される。

【００１８】合成された窒化アルミニウム粉末は、電気
炉下部に接続された捕集系に導かれ回収される。捕集器
としては、パルスガスを用いた逆洗方式のバグフィルタ
ー、電気集塵機等の一般的な捕集器が利用できる。

【００１９】窒化アルミニウム粉末を捕集系に導くに
は、ブロワー等による吸引によって行われる。その際、
捕集系接続部近傍の反応管内部に、窒素ガス等の非酸化
性冷却ガスを供給すると、その冷却と希釈の相乗作用に
よって窒化アルミニウム粒子の成長が抑制され、より微
細な窒化アルミニウム粉末が得られるようになる。非酸
化性冷却ガスの供給量は、特に制限はないが、１００〜
５００l／ｍｉｎであることが好ましい。これよりも少
なすぎると窒化アルミニウム粉末の微細化効果は小さく
なり、また多すぎると、反応管温度１８５０℃以上の保
持に問題が生ずる。

【００２０】窒化アルミニウム粉末の回収温度は、２０
０℃以上であることが好ましい。２００℃未満である
と、アルミニウム粉に含まれている酸素と窒素ガスとの
反応によって生成した極微量のＮＯx系ガスが更に水蒸
気の作用を受けて硝酸イオンを含んだガスとなり、これ
が窒化アルミニウム粉末に吸着して酸素量を増加させる
恐れがある。

【００２１】

【実施例】以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。

【００２２】図１に示される窒化アルミニウム粉末の製
造装置を用いて窒化アルミニウム粉末を製造した。電気
炉２は高周波誘導加熱方式であり、その容量及び常用出
力は１７０ＫＶＡ、１００ｋＷである。電気炉の中央内
部には等方性黒鉛製反応管（内径２００ｍｍ、全長３０
００ｍｍ）３が設置され、その周囲に黒鉛製発熱体４が
配置されている。黒鉛製発熱体４が誘導加熱され、その
熱伝導によって反応管３が所定温度に加熱される。反応
温度は光温度計で測温される。アルミニウム粉は、窒素
ガスキャリアによるバブリング方式の原料供給機１によ
り、反応管３の頂部から噴射される。また、反応管上部
には、リング状の窒素ガス供給配管６があり、反応管内
壁にそって窒素ガスが反応管内に供給される。窒素ガス
の供給はブロワー５によって行われる。

【００２３】一方、電気炉下部８は捕集系に接続されて
おり、その接続部近傍の反応管内に非酸化性冷却ガス供
給管７が取り付けられている。合成された窒化アルミニ
ウム粉末は、排気ブワロー１０によって吸引されて捕集
系に導かれ、バグフィルター９から回収される。バグフ
ィルター内には回収時の温度がモニタリングできるよう
に温度計が設置されている。炉内圧力に応じて窒素ガス
流量を調整できるＰＩＤシステムが採用されており、窒
素ガス供給ブロワー５と排気ブロワー１０の開度が調節
されて炉内が負圧にならないように操作されると共に、
回収温度が制御されている。

【００２４】実施例１〜５比較例１〜３純度９９．９７質量％、平均粒径２５μｍのアルミニウ
ム粉の供給量を３３ｇ／ｍｉｎ（２ｋｇ／ｈ）、キャリ
アの窒素ガス量を２００l／ｍｉｎとし、表１に示す条
件で窒化アルミニウム粉末を製造した。

【００２５】実施例６純度９９．９９５質量％、平均粒径２５μｍアルミニウ
ム粉を用いたこと以外は、実施例２と同様にして窒化ア
ルミニウム粉末を製造した。

【００２６】比較例４アルミニウム粉をバブリング方式による噴射状態で供給
する代わりに、原料タンクから窒素ガスの圧力でロータ
リーバルブより切り出し、アルミニウム粉集合体の状態
で落下供給したこと以外は、実施例２と同様にして窒化
アルミニウム粉末を製造した。

【００２７】回収された窒化アルミニウム粉末につい
て、以下に従い、平均粒子径Ｄ₅₀、酸素量、Ｆｅ、Ｓ
ｉ、Ｃａ不純物の合計量及び残留アルミニウム量を測定
した。それらの結果を表２に示す。

【００２８】（１）平均粒子径Ｄ₅₀はマイクロトラック
社製レーザー回折散乱法粒度分布測定装置を用いて測定
した。（２）酸素量はＬＥＣＯ社製酸素／窒素同時分析装置を
用いて測定した。（３）Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃａ不純物の合計量は原子吸光光度
計を用いて測定した。（４）残留アルミニウムはＸ線回折法により測定した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】本発明の実施例で得られた窒化アルミニウ
ム粉末は、アルミニウムの残留が全くなく、平均粒子径
Ｄ₅₀は微細で、酸素量、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃａ不純物が共に
少ない、高品位の窒化アルミニウム粉末であった。ま
た、２４時間の操業でも特に問題もなく、その回収率は
一部反応管や配管等への付着はあるが、８０％以上であ
った。一方、比較例では、いずれもアルミニウムの残留
が数％レベルで確認され、特に反応管上部より窒素ガス
を炉壁にそって供給しない比較例２と比較例３では、合
成物が反応管内壁に付着し連続操業が困難であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、金属アルミニウム直接
窒化法の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、そ
の粉砕を行わなくても微粉末であり、しかもアルミニウ
ムが殆ど残留しない高品位な窒化アルミニウム粉末を工
業的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化アルミニウム粉末製造装置の一例を示す説
明図である。

【符号の説明】

１バブリング方式の原料供給機２電気炉３反応管４発熱体５窒素ガス供給ブロワー６窒素ガス供給配管７非酸化性冷却ガス供給管８炉体下部９バグフィルター１０排気ブロワー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村井浩一郎福岡県大牟田市新開町１電気化学工業株式会社大牟田工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１８５０℃以上に加熱された反応管の頂
部から、アルミニウム粉を噴射させてアルミニウム蒸気
となし、そのアルミニウム蒸気と反応管内壁にそって供
給された窒素ガスとを反応させて窒化アルミニウム粉末
を合成し、それを電気炉下部に接続された捕集系に導い
て回収することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製
造方法。
【請求項２】非酸化性冷却ガスを捕集系接続部近傍の
反応管内に供給し、合成された窒化アルミニウム粉末を
強制冷却しながら捕集系に導くことを特徴とする請求項
１記載の窒化アルミニウム微粉末の製造方法。
【請求項３】アルミニウム粉純度が９９．９９質量％
以上で、窒化アルミニウム粉末の回収温度が２００℃以
上であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化ア
ルミニウム粉末の製造方法。