JPH02188412A - 結晶窒化ケイ素粉末の製造方法 - Google Patents
結晶窒化ケイ素粉末の製造方法Info
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- JPH02188412A JPH02188412A JP1269258A JP26925889A JPH02188412A JP H02188412 A JPH02188412 A JP H02188412A JP 1269258 A JP1269258 A JP 1269258A JP 26925889 A JP26925889 A JP 26925889A JP H02188412 A JPH02188412 A JP H02188412A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はアルファー5isN< (α−5isN4)相
を少なくとも90%含む結晶窒化ケイ素粉末の製造方法
に関する。
を少なくとも90%含む結晶窒化ケイ素粉末の製造方法
に関する。
良來互肢1
窒化ケイ素セラミックは高い強度及び耐熱衝磐性を有し
ており、かかる特性の故に、セラミックエンジン部品、
バイト、ベアリング等のような用途用の理想的な材料と
なる。信頼性かつ再現性のある焼結窒化ケイ素部材を作
るためには、出発窒化ケイ素粉末の純度を高くすべきで
ある。窒化ケイ素粉末は、微細な金属ケイ素粉末を窒素
或はアンモニア雰囲気中で温度約1250℃において長
い時間加熱する直接窒化法を用いて作られてきた。窒化
ケイ素粉末は、また微細なSiO□粉末を炭素で還元し
、同時に窒素或はアンモニアで1300℃より高い温度
において窒化するカーボサーマルプロセスを用いて作る
ことができる。気相合成では、ハロゲン化ケイ素をアン
モニアと管状反応装置で1000”C程に高い温度にお
いて反応させて窒化ケイ素を製造する。なお別の気相プ
ロセスはオルガノケイ素化合物を熱分解して非晶質粉末
を形成することを伴う0反応したままの粉末を次いで1
200℃より高い温度で熱処理して結晶化させる。
ており、かかる特性の故に、セラミックエンジン部品、
バイト、ベアリング等のような用途用の理想的な材料と
なる。信頼性かつ再現性のある焼結窒化ケイ素部材を作
るためには、出発窒化ケイ素粉末の純度を高くすべきで
ある。窒化ケイ素粉末は、微細な金属ケイ素粉末を窒素
或はアンモニア雰囲気中で温度約1250℃において長
い時間加熱する直接窒化法を用いて作られてきた。窒化
ケイ素粉末は、また微細なSiO□粉末を炭素で還元し
、同時に窒素或はアンモニアで1300℃より高い温度
において窒化するカーボサーマルプロセスを用いて作る
ことができる。気相合成では、ハロゲン化ケイ素をアン
モニアと管状反応装置で1000”C程に高い温度にお
いて反応させて窒化ケイ素を製造する。なお別の気相プ
ロセスはオルガノケイ素化合物を熱分解して非晶質粉末
を形成することを伴う0反応したままの粉末を次いで1
200℃より高い温度で熱処理して結晶化させる。
ジイミドの熱分解プロセスでは、ハロゲン化ケイ素をア
ンモニアと液相中で0℃より低い温度において反応させ
る。このプロセスの沈殿を、次いで、1500℃までの
温度で熱処理して5isN4粉末に転化させる。
ンモニアと液相中で0℃より低い温度において反応させ
る。このプロセスの沈殿を、次いで、1500℃までの
温度で熱処理して5isN4粉末に転化させる。
直接窒化プロセスは長時間の熱処理を必要とするだけで
なく、また窒化する間に多量のエネルギーを放出する(
1327℃で形成するSi、N41グラム当り約5.2
K J )ことにより制御するのが困難である。Fe
不純物を有するSt粉末を使用することによって処理時
間を短縮することができる。しかし、このやり方は高純
度の5isN4粉末を製造するには適していない、カー
ボサーマルプロセスはSiO□の還元を助成するのに炭
素を過剰量要する。生成物中に残留する炭素を次いで酸
化処理して除く、これより、カーボサーマルプロセスに
よって作られる5isNa粉末は炭素及び/又は酸素を
−M高いレベルで含有するのが普通である。
なく、また窒化する間に多量のエネルギーを放出する(
1327℃で形成するSi、N41グラム当り約5.2
K J )ことにより制御するのが困難である。Fe
不純物を有するSt粉末を使用することによって処理時
間を短縮することができる。しかし、このやり方は高純
度の5isN4粉末を製造するには適していない、カー
ボサーマルプロセスはSiO□の還元を助成するのに炭
素を過剰量要する。生成物中に残留する炭素を次いで酸
化処理して除く、これより、カーボサーマルプロセスに
よって作られる5isNa粉末は炭素及び/又は酸素を
−M高いレベルで含有するのが普通である。
反応プロモーター、例えばMg及びCa化合物を使用す
ることもまた5iJ4粉末の純度に対しマイナスの作用
を及ぼす。
ることもまた5iJ4粉末の純度に対しマイナスの作用
を及ぼす。
ハロゲン化ケイ素及びアンモニアを出発原料として用い
る気相反応は2つの主要な不利な点を有する。すなわち
、(i)プロセス装置は凝縮性副生物であるN)14C
1付着物によって閉塞され得る、(i i)焼成した5
isN4中に残留クロリドが存在することは粉末焼結性
に対し不都合な作用を与える。
る気相反応は2つの主要な不利な点を有する。すなわち
、(i)プロセス装置は凝縮性副生物であるN)14C
1付着物によって閉塞され得る、(i i)焼成した5
isN4中に残留クロリドが存在することは粉末焼結性
に対し不都合な作用を与える。
オルガノケイ素化合物を熱分解すると炭素を相当貴賓す
る粉末を生じ、該炭素は温和な酸化雰囲気中で熱処理し
て除く必要がある。これより、このプロセスもまた炭素
及び/又は酸素不純物が問題になる。
る粉末を生じ、該炭素は温和な酸化雰囲気中で熱処理し
て除く必要がある。これより、このプロセスもまた炭素
及び/又は酸素不純物が問題になる。
ジイミドプロセスの熱分解の場合、NH4Cl沈殿が生
成して液相反応装置における供給及び出口管路を閉塞し
得る。ジイミド前駆物質もまた、焼成して結晶5isN
4粉末を生成し得る前に800℃までの温度で熱処理し
て脱塩素化する必要がある。
成して液相反応装置における供給及び出口管路を閉塞し
得る。ジイミド前駆物質もまた、焼成して結晶5isN
4粉末を生成し得る前に800℃までの温度で熱処理し
て脱塩素化する必要がある。
最終の5isN4粉末はなお塩素を1100ppまで有
し得る。
し得る。
米国特許4.122.155号は酸素の他は金属及び非
金属不純物の存在しない結晶α−5isN4粉末を製造
するプロセスを開示している。該プロセスは本質的にシ
ランと無水アンモニアとのガス状混合物を反応温度約6
00°〜約1000℃の範囲で反応させて無水の粉末状
反応生成物をシランを基準にした理論収率の少なくとも
90%の量で生成し、該無水アンモニアを化学量論量の
約15〜約25倍の範囲の過剰量で用い、該無水粉末状
反応生成物を窒素の雰囲気中で温度約1400°〜16
00℃の範囲において十分な時間焼成してその少なくと
も相当な量を表面積約5〜約15m”/gの範囲の結晶
α−5isN4粉末に転化させることからなる。
金属不純物の存在しない結晶α−5isN4粉末を製造
するプロセスを開示している。該プロセスは本質的にシ
ランと無水アンモニアとのガス状混合物を反応温度約6
00°〜約1000℃の範囲で反応させて無水の粉末状
反応生成物をシランを基準にした理論収率の少なくとも
90%の量で生成し、該無水アンモニアを化学量論量の
約15〜約25倍の範囲の過剰量で用い、該無水粉末状
反応生成物を窒素の雰囲気中で温度約1400°〜16
00℃の範囲において十分な時間焼成してその少なくと
も相当な量を表面積約5〜約15m”/gの範囲の結晶
α−5isN4粉末に転化させることからなる。
本発明の目的は高純度の窒化ケイ素粉末の経済的な製造
方法を提供するにある。
方法を提供するにある。
本発明の別の目的はアンモニアとシランとをモル比7:
l及びそれ以上で反応させて高純度のα−5fsN4粉
末を製造する方法を提供するにある。
l及びそれ以上で反応させて高純度のα−5fsN4粉
末を製造する方法を提供するにある。
本発明の別の目的は構造セラミックグレード窒化ケイ素
の規格を満足する高純度のα−5isN4粉末を製造す
る方法を提供するにある。
の規格を満足する高純度のα−5isN4粉末を製造す
る方法を提供するにある。
前述した及び追加の目的は下記の記述から十分に明らか
になるものと思う。
になるものと思う。
及匪工皿滅
発明は、
(a)アンモニア及びシランのガス状混合物をアンモニ
ア対シランのモル比を7:1〜18:1にするように作
り、 (b)工程(a)のガス状混合物を900°〜1450
℃で元素ケイ素を10%まで含有する非晶質窒化ケイ素
粉末を生じる程の時間加熱し、(c)工程(b)の非晶
質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲気中で温度約1350°
〜1800℃においてα−3isN4相を少なくとも9
0%有する結晶窒化ケイ素粉末を生じる程の時間加熱す
る工程を含む、α−5tsN4相を少なくとも90%有
する結晶窒化ケイ素粉末の製造方法に関する。
ア対シランのモル比を7:1〜18:1にするように作
り、 (b)工程(a)のガス状混合物を900°〜1450
℃で元素ケイ素を10%まで含有する非晶質窒化ケイ素
粉末を生じる程の時間加熱し、(c)工程(b)の非晶
質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲気中で温度約1350°
〜1800℃においてα−3isN4相を少なくとも9
0%有する結晶窒化ケイ素粉末を生じる程の時間加熱す
る工程を含む、α−5tsN4相を少なくとも90%有
する結晶窒化ケイ素粉末の製造方法に関する。
本発明で用いる通りの工程(b)において生成される非
晶質硝酸ケイ素は非晶質窒化ケイ素を含み得るばかりで
なく、またケイ素等の他の反応生成物をある量含有し得
る。
晶質硝酸ケイ素は非晶質窒化ケイ素を含み得るばかりで
なく、またケイ素等の他の反応生成物をある量含有し得
る。
工程(a)において、アンモニアとシランとの混合物は
、好ましくはアンモニア対シランのモル比を10:1〜
15:1、最も好ましくは約10=■にして室温で作る
0モル比を約7:1より小さくすれば、生成する粉末状
生成物のケイ素含有濃度はあまりに高くなる。工程(b
)における温度範囲を1050°〜1450℃に上げる
場合は、モル比18:1〜25 : 1.好ましくは約
18:1〜20:1を用いることができる0モル比を2
5=1より大きくすることはプロセスの経済性を低下さ
せるばかりでなく、また、ケイ素レベルの極めて低い非
晶質粉末を生じ、工程(c)における熱処理に一層長い
時間を要することになる。工程(b)において、加熱は
900°〜1300℃、好ましくは10oO°〜110
0℃で行なうべきである。温度1000℃及びそれ以上
において、−層安定でありかつ02のような不純物を容
易に吸収(pick up) L/ない粉末を製造する
ことができる。理論によって束縛されることを望むもの
ではないが、温度1000℃及びそれ以上で、アンモニ
アとシランとの一層完全な反応が起き、よって反応生成
物は02を吸収する傾向にないと考えられる。焼結窒化
ケイ素成分の高温特性は酸化ケイ素を含有する粒状間の
(intergranular)ガラス相の量に依存す
るものと考えられる。存在するガラス相の量があまりに
多ければ、焼結窒化ケイ素成分を用い得る温度を制限す
ることになる。これより、結晶窒化ケイ素粉末中の酸素
濃度を粉末の2.0重量%未満に、好ましくは粉末の1
.5重量%又はそれ以下に制限するのが望ましい。よっ
て、工程(b)におおける反応装置温度を一層高くする
ことは、反応したままの非晶質粉末が室温で貯蔵する間
に酸素を吸収する傾向を低減させることから、本発明の
利点である。
、好ましくはアンモニア対シランのモル比を10:1〜
15:1、最も好ましくは約10=■にして室温で作る
0モル比を約7:1より小さくすれば、生成する粉末状
生成物のケイ素含有濃度はあまりに高くなる。工程(b
)における温度範囲を1050°〜1450℃に上げる
場合は、モル比18:1〜25 : 1.好ましくは約
18:1〜20:1を用いることができる0モル比を2
5=1より大きくすることはプロセスの経済性を低下さ
せるばかりでなく、また、ケイ素レベルの極めて低い非
晶質粉末を生じ、工程(c)における熱処理に一層長い
時間を要することになる。工程(b)において、加熱は
900°〜1300℃、好ましくは10oO°〜110
0℃で行なうべきである。温度1000℃及びそれ以上
において、−層安定でありかつ02のような不純物を容
易に吸収(pick up) L/ない粉末を製造する
ことができる。理論によって束縛されることを望むもの
ではないが、温度1000℃及びそれ以上で、アンモニ
アとシランとの一層完全な反応が起き、よって反応生成
物は02を吸収する傾向にないと考えられる。焼結窒化
ケイ素成分の高温特性は酸化ケイ素を含有する粒状間の
(intergranular)ガラス相の量に依存す
るものと考えられる。存在するガラス相の量があまりに
多ければ、焼結窒化ケイ素成分を用い得る温度を制限す
ることになる。これより、結晶窒化ケイ素粉末中の酸素
濃度を粉末の2.0重量%未満に、好ましくは粉末の1
.5重量%又はそれ以下に制限するのが望ましい。よっ
て、工程(b)におおける反応装置温度を一層高くする
ことは、反応したままの非晶質粉末が室温で貯蔵する間
に酸素を吸収する傾向を低減させることから、本発明の
利点である。
工程(b)における反応に要する滞留時間は通常約2秒
〜1分、好ましくは約5秒〜約30秒である。工程(b
)において要する時間を十分にしてアンモニアとシラン
とを反応させて、有するケイ素元素が粉末の重量を基準
にして10%より少ない、好ましくは5%より少ない、
最も好ましくは2.5%より少ない非晶質窒化ケイ素粉
末を生成すべきである。
〜1分、好ましくは約5秒〜約30秒である。工程(b
)において要する時間を十分にしてアンモニアとシラン
とを反応させて、有するケイ素元素が粉末の重量を基準
にして10%より少ない、好ましくは5%より少ない、
最も好ましくは2.5%より少ない非晶質窒化ケイ素粉
末を生成すべきである。
最も好ましい方法では、反応したままの非晶質粉末は元
素ケイ素を約0.5〜2.5重量%の少量で有する。工
程(c)における残留ケイ素の窒化によって発生する熱
量は工程(c)において使用することができる熱を生じ
るに至ることから、これは要する工程(a)におけるア
ンモニアの過剰量を少なくさせるばかりでなく、また、
工程(c)において要する熱処理温度も一層低くさせる
0例えば、反応したままの非晶質粉末中の1重量%のケ
イ素は、ケイ素の窒化により、75℃の熱を加熱工程(
c)に与えることができ、それで、工程(c)において
加える熱を75℃減少させることができる。
素ケイ素を約0.5〜2.5重量%の少量で有する。工
程(c)における残留ケイ素の窒化によって発生する熱
量は工程(c)において使用することができる熱を生じ
るに至ることから、これは要する工程(a)におけるア
ンモニアの過剰量を少なくさせるばかりでなく、また、
工程(c)において要する熱処理温度も一層低くさせる
0例えば、反応したままの非晶質粉末中の1重量%のケ
イ素は、ケイ素の窒化により、75℃の熱を加熱工程(
c)に与えることができ、それで、工程(c)において
加える熱を75℃減少させることができる。
工程(c)において、他の反応生成物を有し或は有さな
い非晶質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲気中で温度135
0°〜l 800℃において十分な時間焼成してa −
5isN4を少なくとも90%有する結晶窒化ケイ素粉
末を生成する。この熱処理の時間は約10分〜4時間、
好ましくは0.5〜2時間にすることができる。結晶窒
化ケイ素への転化の程度は特定の焼成温度及び焼成時間
に大きく依存することになることを理解すべきである。
い非晶質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲気中で温度135
0°〜l 800℃において十分な時間焼成してa −
5isN4を少なくとも90%有する結晶窒化ケイ素粉
末を生成する。この熱処理の時間は約10分〜4時間、
好ましくは0.5〜2時間にすることができる。結晶窒
化ケイ素への転化の程度は特定の焼成温度及び焼成時間
に大きく依存することになることを理解すべきである。
例えば、焼成温度1400℃を用いて結晶窒化ケイ素を
生成するには数時間の焼成温度を要するのが普通であり
、焼成温度1700℃を用いて要する焼成時間は15分
より短かくなるのが普通である。
生成するには数時間の焼成温度を要するのが普通であり
、焼成温度1700℃を用いて要する焼成時間は15分
より短かくなるのが普通である。
1350℃より低い温度では、非晶質粉末は4時間より
短かい熱処理によっては結晶化し得ない。
短かい熱処理によっては結晶化し得ない。
1800℃より高い温度では、5iJL粉末の分解生成
物であるケイ素が形成し得る。焼成温度は約1350”
〜1500℃で0.5〜2時間が好ましく、約140
0℃で1時間が最も好ましい。
物であるケイ素が形成し得る。焼成温度は約1350”
〜1500℃で0.5〜2時間が好ましく、約140
0℃で1時間が最も好ましい。
SiH4とN1)、との反応は通常下記式によって表わ
される: 35iH4” 4 N)Is →5i3L◆+2 N
2 (1)N)Is/SiH4の化学量論比が(1)
式に示す通りに4:3だとしても、この反応は過剰のN
H3を要するe NHs/5xH4の低いモル比、例え
ば5:1の比では、反応生成物中に相対的に多量の元素
Siが存在する0反応したままの非晶質粉末中の過剰量
の元素Stは数時間内で完全には窒化され得す、それ程
望ましくはないベーター5iJ4(β−3iJ4)を形
成するに至る。中間体NHslSiHa比およそ1o:
1において、非晶質反応粉末は、反応装置温度及び滞留
時間に応じて、元素Siを0.0〜3.3重量%含有す
ることがわかった。これらの非晶質粉末は、St含量の
一層多い、例えば3.3%の粉末を除き、結晶化熱処理
プロセスの間に完全に窒化され得る。生成した粉末は高
いα−3isN4含量を有する0反応したままの非晶質
粉末は、NHs/5iHaの高い比、例えば20におい
て、元素Stを少ない量で有する。これらの粉末もまた
α−5fsN4含量の高い100%結晶5isNa粉末
に転化することができるが、ずっと長い熱処理時間を要
するのが普通である。生成した結晶窒化ケイ素粉末は大
きさがサブミクロンであるのが普通であり、0.1〜0
.7ミクロンであるのが普通である。
される: 35iH4” 4 N)Is →5i3L◆+2 N
2 (1)N)Is/SiH4の化学量論比が(1)
式に示す通りに4:3だとしても、この反応は過剰のN
H3を要するe NHs/5xH4の低いモル比、例え
ば5:1の比では、反応生成物中に相対的に多量の元素
Siが存在する0反応したままの非晶質粉末中の過剰量
の元素Stは数時間内で完全には窒化され得す、それ程
望ましくはないベーター5iJ4(β−3iJ4)を形
成するに至る。中間体NHslSiHa比およそ1o:
1において、非晶質反応粉末は、反応装置温度及び滞留
時間に応じて、元素Siを0.0〜3.3重量%含有す
ることがわかった。これらの非晶質粉末は、St含量の
一層多い、例えば3.3%の粉末を除き、結晶化熱処理
プロセスの間に完全に窒化され得る。生成した粉末は高
いα−3isN4含量を有する0反応したままの非晶質
粉末は、NHs/5iHaの高い比、例えば20におい
て、元素Stを少ない量で有する。これらの粉末もまた
α−5fsN4含量の高い100%結晶5isNa粉末
に転化することができるが、ずっと長い熱処理時間を要
するのが普通である。生成した結晶窒化ケイ素粉末は大
きさがサブミクロンであるのが普通であり、0.1〜0
.7ミクロンであるのが普通である。
理論によって束縛されることを望むものではないが、粉
末の寸法は第一に焼成温度及び熱処理時間によって、第
二に反応温度及び滞留時間によって調節することができ
ると考えられる6本発明では、実質的に水蒸気の存在し
ない無水のアンモニアを用いるのが好ましい、不活性雰
囲気は窒素及び/又はアンモニアを含むことができ、更
にアルゴン及び/又はヘリウムを補うことができる。窒
素を用いるのが好ましい。
末の寸法は第一に焼成温度及び熱処理時間によって、第
二に反応温度及び滞留時間によって調節することができ
ると考えられる6本発明では、実質的に水蒸気の存在し
ない無水のアンモニアを用いるのが好ましい、不活性雰
囲気は窒素及び/又はアンモニアを含むことができ、更
にアルゴン及び/又はヘリウムを補うことができる。窒
素を用いるのが好ましい。
発明の好ましい実施態様では、反応室を不活性ガスでパ
ージ或はフラッシュして存在し得るガス状不純物を除い
て反応室を清浄にし、次いで室を加熱した後にシラン及
びアンモニアガスを室の中に供給する。また、窒素等の
不活性ガスを室に導入してガスの流れを生じる準備をし
、該ガス流れを用いて反応したままの粉末を室の出口に
運び、そこで粉末を捕集することができる。室を管状室
にし、不活性ガスを管状室に接線方向に導入して反応し
たままの粉末が室の内壁上に付着するのを最少限にさせ
るのが好ましい。熱分解したままの或は反応したままの
粉末はX線回折に対し非晶質であるのが普通であり、元
素ケイ素な0−10%含有するのが普通である。これら
の粉末を次いで、N2の雰囲気中で適当な温度において
熱処理して、α−Si3N4相が90%より多い高純度
の結晶5jsN4粉末に転化させる。結晶化プロセスに
ついて必要とする滞留時間は焼成温度の関数である。滞
留時間は、上述した通りに、約1700℃において15
分より短かく、1400℃において数時間までがかかる
1反応したままの非晶質粉末のBET表面積は11〜2
0m2/Hの範囲であり、結晶化粉末は5〜14m”/
gの範囲であるのが普通である。
ージ或はフラッシュして存在し得るガス状不純物を除い
て反応室を清浄にし、次いで室を加熱した後にシラン及
びアンモニアガスを室の中に供給する。また、窒素等の
不活性ガスを室に導入してガスの流れを生じる準備をし
、該ガス流れを用いて反応したままの粉末を室の出口に
運び、そこで粉末を捕集することができる。室を管状室
にし、不活性ガスを管状室に接線方向に導入して反応し
たままの粉末が室の内壁上に付着するのを最少限にさせ
るのが好ましい。熱分解したままの或は反応したままの
粉末はX線回折に対し非晶質であるのが普通であり、元
素ケイ素な0−10%含有するのが普通である。これら
の粉末を次いで、N2の雰囲気中で適当な温度において
熱処理して、α−Si3N4相が90%より多い高純度
の結晶5jsN4粉末に転化させる。結晶化プロセスに
ついて必要とする滞留時間は焼成温度の関数である。滞
留時間は、上述した通りに、約1700℃において15
分より短かく、1400℃において数時間までがかかる
1反応したままの非晶質粉末のBET表面積は11〜2
0m2/Hの範囲であり、結晶化粉末は5〜14m”/
gの範囲であるのが普通である。
表1に示す初めの10個のサンプルでは、合成反応を、
直径4.6cm及び長さ152cmで60cmの高温域
を有する石英反応装置において、NHslSiHa比、
反応装置温度及び滞留時間を表Iに示す通りにして行な
った。滞留時間なN)Is、SiH4及びN2の容積流
量、反応装置高温域の寸法及び反応装置温度に基づいて
計算した。熱分解したままの粉末はX線回折に対して非
晶質であり、オフホワイト着色を有していた。熱分解し
たままの粉末中の元素Siの量を定量的に求めるために
、熱分解したままの非晶質粉末のサンプルを初めに窒素
の存在しない不活性雰囲気中で1400℃までの温度で
熱処理して結晶化させた。次いで、粉末にX線回折を行
ない、元素Stの濃度をX線回折ピークの相対強度に基
づいて求めた。結晶5isN4粉末を作るために、16
8gまでのロットの残留非晶質粉末なN3雰囲気中で表
Iに示す温度及び時間において熱処理した。粉末を石英
、グラファイト或は5isNs被覆したグラファイト製
のるつぼに入れて熱処理した。熱処理を抵抗加熱炉或は
誘導炉内で行なった。室温から所望の結晶温度にするの
に1〜5時間の昇温時間がかかった。結晶化5isL粉
末の相組成をα−3i3N4、β−3isN4及び/又
はSt相によりX線回折ピークの相対強度から定量的に
測定した0表Iに見られる通りに、サンプルl及び2の
非晶質粉末は元素Siを少量のみ有し、結晶化されて1
00%a−3isN4粉末になったΦ サンプル3−8では、気相反応をNHs/SiH4比1
0:1で行なった0反応装置温度を900a〜1300
”Cで変え、滞留時間は3,6〜6.1秒の範囲であっ
た。非晶質粉末は元素Stを1.0〜3.3%有してい
た。最も多い量の元素Stを有していたサンプル番号3
の非晶質粉末の他は、全ての粉末が1400℃までの炉
温度で熱処理して100%α−3isN4粉末に転化さ
れた。おそらく、非晶質粉末中の1.0〜2.0%のS
iが窒化して放出するエネルギーから一層高い温度が生
じることにより、炉温度1400”Cにおいてこれらの
粉末を完全に結晶化するのに1時間の熱処理がかかった
にすぎなかった。計算による断熱温度上昇はSi1〜2
%で75°〜150℃になり得た。3.3%のSiレベ
ルでは、1400℃における1時間の熱処理は元素St
を完全には窒化させず、Siのおよそ半分が焼成した粉
末中に残留する結晶粉末を生じた。
直径4.6cm及び長さ152cmで60cmの高温域
を有する石英反応装置において、NHslSiHa比、
反応装置温度及び滞留時間を表Iに示す通りにして行な
った。滞留時間なN)Is、SiH4及びN2の容積流
量、反応装置高温域の寸法及び反応装置温度に基づいて
計算した。熱分解したままの粉末はX線回折に対して非
晶質であり、オフホワイト着色を有していた。熱分解し
たままの粉末中の元素Siの量を定量的に求めるために
、熱分解したままの非晶質粉末のサンプルを初めに窒素
の存在しない不活性雰囲気中で1400℃までの温度で
熱処理して結晶化させた。次いで、粉末にX線回折を行
ない、元素Stの濃度をX線回折ピークの相対強度に基
づいて求めた。結晶5isN4粉末を作るために、16
8gまでのロットの残留非晶質粉末なN3雰囲気中で表
Iに示す温度及び時間において熱処理した。粉末を石英
、グラファイト或は5isNs被覆したグラファイト製
のるつぼに入れて熱処理した。熱処理を抵抗加熱炉或は
誘導炉内で行なった。室温から所望の結晶温度にするの
に1〜5時間の昇温時間がかかった。結晶化5isL粉
末の相組成をα−3i3N4、β−3isN4及び/又
はSt相によりX線回折ピークの相対強度から定量的に
測定した0表Iに見られる通りに、サンプルl及び2の
非晶質粉末は元素Siを少量のみ有し、結晶化されて1
00%a−3isN4粉末になったΦ サンプル3−8では、気相反応をNHs/SiH4比1
0:1で行なった0反応装置温度を900a〜1300
”Cで変え、滞留時間は3,6〜6.1秒の範囲であっ
た。非晶質粉末は元素Stを1.0〜3.3%有してい
た。最も多い量の元素Stを有していたサンプル番号3
の非晶質粉末の他は、全ての粉末が1400℃までの炉
温度で熱処理して100%α−3isN4粉末に転化さ
れた。おそらく、非晶質粉末中の1.0〜2.0%のS
iが窒化して放出するエネルギーから一層高い温度が生
じることにより、炉温度1400”Cにおいてこれらの
粉末を完全に結晶化するのに1時間の熱処理がかかった
にすぎなかった。計算による断熱温度上昇はSi1〜2
%で75°〜150℃になり得た。3.3%のSiレベ
ルでは、1400℃における1時間の熱処理は元素St
を完全には窒化させず、Siのおよそ半分が焼成した粉
末中に残留する結晶粉末を生じた。
サンプル9−10では、気相合成をNH3/5iH45
:1の低い比で行なった0反応装置温度はそれぞれ13
00℃及び1450℃であった。熱分解したままの非晶
質粉末は褐色であり、元素Siを高いレベル(13−2
4,5%)で有していた。
:1の低い比で行なった0反応装置温度はそれぞれ13
00℃及び1450℃であった。熱分解したままの非晶
質粉末は褐色であり、元素Siを高いレベル(13−2
4,5%)で有していた。
Si量を多くすれば、N2雰囲気中1400℃において
、1時間の熱処理によっては、完全には窒化し得ない、
また、サンプル温度をずっと高くした結果、多量のケイ
素が窒化したことにより、結晶化粉末中に有意の量のβ
−3isN4相があった。
、1時間の熱処理によっては、完全には窒化し得ない、
また、サンプル温度をずっと高くした結果、多量のケイ
素が窒化したことにより、結晶化粉末中に有意の量のβ
−3isN4相があった。
サンプル11及び12では、NHsとSiH4との反応
を、反応装置温度を1000℃にし、NH3/5t)1
4比を約10=1にして行なった。長さ230cm及び
直径14cmの石英反応装置を加熱域152cmを有す
る誘導炉によって加熱した。水冷式5iHalNHs用
射出チユーブが反応装置中38cmに及んだ、これらの
サンプルは、ずっと少ない過剰のN* (Nt/St)
+4= 2.5 )及びずっと長い滞留時間である22
.3或は24秒を有していた。窒素を反応装置の側面に
配置した2つの口から注入した。サンプル11では、熱
分解したままの非晶質粉末は元素Siが存在せず、N3
雰囲気中で1450℃において2時間熱処理して100
%α−3isN4に転化された。サンプル11について
回収した全粉末は、全SiH4使用量に基づいて収率9
1.5%に相当し、粉末の約三分の二を反応装置の下流
の容器において捕集した。サンプル11のこの結晶化粉
末中の金属不純物を誘導結合プラズマ発光分光学によっ
て測定した。実測した唯一の不純物は8ppmのBであ
り、他の元素は検出限界の0.8−7.6ppmより低
かった。その酸素濃度を0.55%で測定した。粉末は
本質的に塩化物不純物が存在しなかった。非晶質サンプ
ル12粉末は、窒素雰囲気中1730℃において0.2
時間熱処理してα5fsN492%及びβ−51sNa
8%に転化された。
を、反応装置温度を1000℃にし、NH3/5t)1
4比を約10=1にして行なった。長さ230cm及び
直径14cmの石英反応装置を加熱域152cmを有す
る誘導炉によって加熱した。水冷式5iHalNHs用
射出チユーブが反応装置中38cmに及んだ、これらの
サンプルは、ずっと少ない過剰のN* (Nt/St)
+4= 2.5 )及びずっと長い滞留時間である22
.3或は24秒を有していた。窒素を反応装置の側面に
配置した2つの口から注入した。サンプル11では、熱
分解したままの非晶質粉末は元素Siが存在せず、N3
雰囲気中で1450℃において2時間熱処理して100
%α−3isN4に転化された。サンプル11について
回収した全粉末は、全SiH4使用量に基づいて収率9
1.5%に相当し、粉末の約三分の二を反応装置の下流
の容器において捕集した。サンプル11のこの結晶化粉
末中の金属不純物を誘導結合プラズマ発光分光学によっ
て測定した。実測した唯一の不純物は8ppmのBであ
り、他の元素は検出限界の0.8−7.6ppmより低
かった。その酸素濃度を0.55%で測定した。粉末は
本質的に塩化物不純物が存在しなかった。非晶質サンプ
ル12粉末は、窒素雰囲気中1730℃において0.2
時間熱処理してα5fsN492%及びβ−51sNa
8%に転化された。
匠l
サンプルlにおいて調製した通りの非晶質5isNa
1〜2gのサンプルロットを表IIに示す焼成温度及び
焼成時間で焼成した。昇温時間の作用を最小限にするた
めに、これらのサンプルを誘導炉中で、通常昇温時間を
1時間より短くして、熱処理した6表Hに示す通りに、
N2雰囲気中で熱処理することによる非晶質5jsN<
粉末の結晶化は温度1400°〜1700℃において達
成することができる。焼成炉中の滞留時間は熱処理温度
に依存し、通常1400℃において4時間を要するが、
1600°〜1700℃においては、15分かかるにす
ぎない、また、表IIに示す通りに、β−5isNaの
量は炉の温度を上げるにつれて増す。
1〜2gのサンプルロットを表IIに示す焼成温度及び
焼成時間で焼成した。昇温時間の作用を最小限にするた
めに、これらのサンプルを誘導炉中で、通常昇温時間を
1時間より短くして、熱処理した6表Hに示す通りに、
N2雰囲気中で熱処理することによる非晶質5jsN<
粉末の結晶化は温度1400°〜1700℃において達
成することができる。焼成炉中の滞留時間は熱処理温度
に依存し、通常1400℃において4時間を要するが、
1600°〜1700℃においては、15分かかるにす
ぎない、また、表IIに示す通りに、β−5isNaの
量は炉の温度を上げるにつれて増す。
表■及びHに示すデータに基づいて、結晶窒化ケイ素を
製造するための好ましい操作条件は下記の通りである: 反応装置: NH3/5ib 温度=1000°〜1100℃ 滞留時間=5〜30秒 結晶化:N2中1350°〜1500@Cにおいて約1
〜4時間 本発明の特定の実施態様を示しかつ説明したが1本発明
の精神から逸脱しないで種々の変更をなし得ることを理
解すべきである。
製造するための好ましい操作条件は下記の通りである: 反応装置: NH3/5ib 温度=1000°〜1100℃ 滞留時間=5〜30秒 結晶化:N2中1350°〜1500@Cにおいて約1
〜4時間 本発明の特定の実施態様を示しかつ説明したが1本発明
の精神から逸脱しないで種々の変更をなし得ることを理
解すべきである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、(a)アンモニア及びシランのガス状混合物をアン
モニア対シランのモル比を7:1〜18:1にするよう
に作り、 (b)工程(a)のガス状混合物を900°〜1450
℃で非晶質窒化ケイ素粉末を生じる程の時間加熱し、 (c)工程(b)の非晶質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲
気中で温度1350°〜1800℃においてα−Si_
3N_4相を少なくとも90%含む結晶窒化ケイ素粉末
を生じる程の時間加熱する 工程を含む、α−Si_3N_4相を少なくとも90%
有する結晶窒化ケイ素粉末の製造方法。 2、工程(a)におけるアンモニア対シランのモル比が
10:1〜15:1である特許請求の範囲第1項記載の
方法。 3、工程(b)における時間が2秒〜1分である特許請
求の範囲第1項記載の方法。 4、工程(c)における時間が15分〜4時間である特
許請求の範囲第1項記載の方法。 5、工程(a)におけるモル比が10:1〜15:1で
あり、工程(b)における温度が1000°〜1100
℃で2秒〜1分の時間であり、工程(c)における温度
が1350°〜1700℃で15分〜4時間の時間であ
る特許請求の範囲第1項記載の方法。 6、工程(c)における不活性雰囲気が窒素及びアンモ
ニアからなる群より選ぶ少なくとも1種のガスを含有す
るガス状雰囲気を含む特許請求の範囲第1項記載の方法
。 7、ガス状雰囲気がアルゴン及びヘリウムからなる群よ
り選ぶ追加のガスを含有する特許請求の範囲第6項記載
の方法。 8、工程(b)において、反応室を用いてガス状混合物
を加熱し、不活性ガスを室に注入して反応室からの非晶
質窒化ケイ素粉末の捕集及び除去を容易にする特許請求
の範囲第1項記載の方法。 9、工程(a)におけるアンモニア対シランのモル比が
10:1であり、工程(b)における温度が1000°
〜1100℃で5〜30秒の時間であり、工程(c)に
おける温度が窒素雰囲気中1350°〜1500℃でほ
ぼ1時間である特許請求の範囲第1項記載の方法。 10、(a)アンモニア及びシランのガス状混合物をア
ンモニア対シランのモル比を18:1より大きくするよ
うに作り、 (b)工程(a)のガス状混合物を1050°〜145
0℃で非晶質窒化ケイ素粉末を生じる程の時間加熱し、 (c)工程(b)の非晶質窒化ケイ素粉末を不活性雰囲
気中で温度1350°〜1800℃においてα−Si_
3N_4相を少なくとも90%含む結晶窒化ケイ素粉末
を生じる程の時間加熱する 工程を含む、α−Si_3N_4相を少なくとも90%
有する結晶窒化ケイ素粉末の製造方法。 11、工程(a)におけるアンモニア対シランのモル比
が19:1を越え〜25:1である特許請求の範囲第1
0項記載の方法。 12、工程(b)における時間が2秒〜1分である特許
請求の範囲第10項記載の方法。 13、工程(c)における時間が15分〜4時間である
特許請求の範囲第10項記載の方法。 14、工程(a)におけるモル比が18:1を越え〜2
0:1であり、工程(b)における温度が1100°〜
1450℃で2秒〜1分の時間であり、工程(c)にお
ける温度が1350°〜1700℃で15分〜4時間の
時間である特許請求の範囲第10項記載の方法。 15、工程(c)における不活性雰囲気が窒化及びアン
モニアからなる群より選ぶ少なくとも1種のガスを含有
するガス状雰囲気を含む特許請求の範囲第10項記載の
方法。 16、ガス状雰囲気がアルゴン及びヘリウムからなる群
より選ぶ追加のガスを含有する特許請求の範囲第10項
記載の方法。 17、工程(b)において、反応室を用いてガス状混合
物を加熱し、不活性ガスを室に注入して反応室からの非
晶質窒化ケイ素粉末の捕集及び除去を容易にする特許請
求の範囲第10項記載の方法。 18、工程(a)におけるアンモニア対シランのモル比
が20:1であり、工程(b)における温度が1100
℃で5〜30秒の時間であり、工程(c)における温度
が窒素雰囲気中1350°〜1500℃でほぼ1〜4時
間である特許請求の範囲第10項記載の方法。
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