JP7027196B2 - Manufacturing method of aluminum nitride powder - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁性高熱伝導部材の材料として好適に使用される窒化アルミニウム粉末の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing aluminum nitride powder, which is suitably used as a material for an insulating high thermal conductive member.
窒化アルミニウムは、高電気絶縁性、高耐プラズマ性、高熱伝導性などの優れた特性を有していることから、絶縁放熱基板、半導体製造装置材料などに広く使用されている。これらは、窒化アルミニウム粉末に必要により焼結助剤を添加し、常圧あるいは加圧下で焼結することによって製造されている。代表的な焼結助剤である酸化イットリウムを用いた場合、それが窒化アルミニウム中の不純物酸素をトラップすることにより、高熱伝導化が達成される。 Aluminum nitride has excellent properties such as high electrical insulation, high plasma resistance, and high thermal conductivity, and is therefore widely used as an insulating heat dissipation substrate, a material for semiconductor manufacturing equipment, and the like. These are produced by adding a sintering aid to the aluminum nitride powder, if necessary, and sintering under normal pressure or pressure. When yttrium oxide, which is a typical sintering aid, is used, high thermal conductivity is achieved by trapping the impurity oxygen in the aluminum nitride.
ところで、一般的な窒化アルミニウム粉末の製法として、酸化アルミニウム粉末とカーボン粉末の混合物を窒素中で加熱する還元窒化法、金属アルミニウムと窒素を高温で反応させる直接窒化法が知られている。 By the way, as a general method for producing aluminum nitride powder, a reduction nitriding method in which a mixture of aluminum oxide powder and carbon powder is heated in nitrogen, and a direct nitriding method in which metallic aluminum and nitrogen are reacted at a high temperature are known.
直接窒化法により得られる窒化アルミニウム粉末は、その製造工程に粉砕工程が含まれるため金属不純物や表面酸素の増大を招きやすく、焼結体としたときにはそれらの不純物に起因する格子欠陥の生成が、熱伝導率低下の原因となる。また粒子の形状が歪であるため、成形体の成形、焼成がし難いという欠点がある。 Aluminum nitride powder obtained by the direct nitriding method tends to cause an increase in metal impurities and surface oxygen because the manufacturing process includes a pulverization process, and when it is made into a sintered body, lattice defects due to these impurities are generated. It causes a decrease in thermal conductivity. Further, since the shape of the particles is distorted, there is a drawback that it is difficult to form and bake the molded product.
一方、還元窒化法により得られる窒化アルミニウム粉末は、直接窒化法により得られる窒化アルミニウム粉末と比較して、粒径が10μmを超える粗大粒子が少ない上に粒子形状も球に近く高純度であるため、成形性、焼結性に優れており、焼結体としたときには高い熱伝導率を得やすい特徴がある。そのため、高熱伝導性セラミックス部材、特に、高純度が求められる半導体製造装置用部材の原料として、還元窒化法により製造した窒化アルミニウム粉末が好適である。 On the other hand, the aluminum nitride powder obtained by the reduction sintering method has fewer coarse particles having a particle size of more than 10 μm and has a particle shape close to a sphere and high purity as compared with the aluminum nitride powder obtained by the direct sintering method. It has excellent formability and sinterability, and it is easy to obtain high thermal conductivity when it is made into a sintered body. Therefore, aluminum nitride powder produced by the reduction nitriding method is suitable as a raw material for a highly thermally conductive ceramic member, particularly a member for a semiconductor manufacturing apparatus that requires high purity.
しかしながら、還元窒化法により製造された窒化アルミニウム粉末では、窒化アルミニウム粒子内部に未反応の原料酸化アルミニウムや還元剤として使用するカーボンが局所的に残存するという問題がある。そのような残存した酸化アルミニウムに起因する酸素成分は、焼成時に焼結助剤により十分にトラップされず、格子欠陥を局所的に生じさせて均一な熱伝導を阻害する要因となる。また、残存したカーボンに起因する炭素成分は、作製する焼結体が金属を内装した半導体ウェハ加熱用ヒータープレートのような金属を内装した部材であれば、局所的に内装金属と反応し、ヒータープレートに温度分布を生じさせる。(特許文献1参照) However, the aluminum nitride powder produced by the reduction nitride method has a problem that unreacted raw aluminum oxide and carbon used as a reducing agent locally remain inside the aluminum nitride particles. The oxygen component resulting from such residual aluminum oxide is not sufficiently trapped by the sintering aid during firing, and causes local lattice defects to hinder uniform heat conduction. Further, if the sintered body to be produced is a member having a metal interior such as a heater plate for heating a semiconductor wafer, the carbon component caused by the remaining carbon locally reacts with the interior metal to heat the heater. Create a temperature distribution on the plate. (See Patent Document 1)
還元窒化法により製造された窒化アルミニウム粉末において、原料である酸化アルミニウムが残存しやすいのは、還元窒化反応における律速過程が、酸化アルミニウム粒子近傍への窒素の拡散であるため、全ての酸化アルミニウム粒子に対して均一に窒素を供給しない限りは、各粒子で窒化反応が完了するまでの時間が一様にはならないためと考えられる。また、カーボンが残留しやすいのは、窒化反応過程で、原料の酸化アルミニウムが凝集し、その凝集過程でカーボンが粒子内に取り込まれるためと考えられる。 In aluminum nitride powder produced by the reduction nitriding method, aluminum oxide, which is a raw material, tends to remain because the rate-determining process in the reduction nitriding reaction is the diffusion of nitrogen near the aluminum oxide particles, so all aluminum oxide particles. It is considered that the time until the nitriding reaction is completed is not uniform for each particle unless nitrogen is uniformly supplied to the aluminum particles. Further, it is considered that the reason why carbon tends to remain is that aluminum oxide, which is a raw material, aggregates in the nitriding reaction process, and carbon is incorporated into the particles in the aggregation process.
従来、還元窒化法で得られた窒化アルミニウム粉末の酸素濃度および炭素濃度の均一性が向上する可能性のある方法として、例えば、原料酸化アルミニウムとして比表面積が30m2/g以上のものを使用することで反応速度を向上させ、さらに昇温速度を遅くして焼結の進行を抑制しつつ粒子表面を窒化することで、一次粒子がポーラスな状態のまま窒化を完了させ、粒子内に残存する未反応の酸化アルミニウムを低減する方法が知られている。 Conventionally, as a method having a possibility of improving the uniformity of the oxygen concentration and the carbon concentration of the aluminum nitride powder obtained by the reduction nitriding method, for example, a raw material aluminum oxide having a specific surface area of 30 m 2 / g or more is used. By improving the reaction rate and further slowing the temperature rise rate to suppress the progress of sintering while nitriding the surface of the particles, the primary particles complete the nitriding in a porous state and remain in the particles. Methods for reducing unreacted aluminum oxide are known.
しかしながら、原料酸化アルミニウム粉末として比表面積が30m2/g以上のものを使うため、一次粒子の球形化を十分に進行させるまで、還元窒化反応時の状態を長時間にわたり維持することが必要となる。そのため、大量の還元性ガスおよび電力量を要し、生産性が良い方法とはいえない。さらに、還元窒化反応時の状態を長時間にわたり維持した場合、一次粒子の球形化と並行して、粒子間の焼結が進行してしまい、得られる窒化アルミニウムには粗粒が多くなりやすい(特許文献2参照)。 However, since a raw material aluminum oxide powder having a specific surface area of 30 m 2 / g or more is used, it is necessary to maintain the state at the time of the reduction nitriding reaction for a long time until the sphericalization of the primary particles is sufficiently promoted. .. Therefore, a large amount of reducing gas and electric power are required, and it cannot be said that the method has good productivity. Further, when the state at the time of the reduction nitriding reaction is maintained for a long time, sintering between the particles proceeds in parallel with the spheroidization of the primary particles, and the obtained aluminum nitride tends to have many coarse particles ( See Patent Document 2).
また、例えば、酸化アルミニウム粉末およびカーボン粉末と共に、特定の温度で酸化アルミニウムと共融解し得るアルカリ土類金属化合物または希土類金属化合物およびナトリウム化合物を併用して還元窒化することによって、得られる窒化アルミニウム粉末の炭素濃度を低減する方法が知られている。 Further, for example, aluminum nitride powder obtained by reducing and nitriding an alkaline earth metal compound or a rare earth metal compound and a sodium compound that can co-melt with aluminum oxide at a specific temperature together with aluminum oxide powder and carbon powder. There are known methods for reducing the carbon concentration of aluminum.
しかしながら、上記方法では、アルカリ土類金属または希土類金属が残留するため、高純度が要求される窒化アルミニウム粉末の製造方法としては必ずしも望ましくない(特許文献2参照)。 However, since the alkaline earth metal or the rare earth metal remains in the above method, it is not always desirable as a method for producing an aluminum nitride powder that requires high purity (see Patent Document 2).
本発明の目的は、良好な焼結性を有し、かつ原料酸化アルミニウムや還元剤として使用するカーボンの局在が少ない窒化アルミニウム粉末の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing an aluminum nitride powder having good sinterability and less localization of aluminum oxide as a raw material and carbon used as a reducing agent.
上記課題を解決するために、本発明者等は還元窒化による窒化アルミニウム粉末の製造方法、特に温度条件について詳細な分析を行った。その結果、窒素雰囲気下における加熱を2段階に制御することにより、未反応の原料酸化アルミニウムや原料カーボンの残存量を低減させることが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors conducted a detailed analysis on a method for producing aluminum nitride powder by reduction nitride, particularly temperature conditions. As a result, they have found that it is possible to reduce the residual amount of unreacted raw material aluminum oxide and raw material carbon by controlling the heating in a nitrogen atmosphere in two stages, and have completed the present invention.
即ち本発明は、酸化アルミニウム粉末を窒素雰囲気下で加熱して窒化させ、窒化アルミニウム粉末を製造する方法であって、
原料酸化アルムニウムとして比表面積が2~12m2/gのものを用い、
窒素雰囲気下での加熱は、少なくとも60%以上の転化率となるまで反応を進行させる第一の加熱工程と、第一の工程よりも高温の条件下で加熱する第二の加熱工程とからなり、前記第一の加熱工程の温度は1450℃以上1600℃以下であり、前記第二の加熱工程の温度は1600℃を超え1800℃以下であ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。
That is, the present invention is a method for producing aluminum nitride powder by heating aluminum oxide powder in a nitrogen atmosphere and nitriding it.
Use a raw material alumnium oxide with a specific surface area of 2 to 12 m 2 / g.
Heating in a nitrogen atmosphere consists of a first heating step in which the reaction proceeds until a conversion of at least 60% or more is achieved, and a second heating step in which the reaction is heated under conditions higher than the first step. The method for producing aluminum nitride powder is characterized in that the temperature of the first heating step is 1450 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, and the temperature of the second heating step is more than 1600 ° C. and 1800 ° C. or lower. ..
本発明によれば、原料酸化アルミニウムやカーボンの残存が少ない窒化アルミニウム粉末を得ることが可能となり、この窒化アルミニウム粉末を用いて製造される絶縁放熱基板、半導体製造装置部材において、優れた電気特性、放熱均一性を実現することが可能である。 According to the present invention, it is possible to obtain an aluminum nitride powder having a small amount of residual aluminum oxide or carbon as a raw material, and excellent electrical characteristics in an insulated heat dissipation substrate and a semiconductor manufacturing equipment member manufactured using this aluminum nitride powder. It is possible to achieve uniform heat dissipation.
〔酸化アルミニウム粉末〕
本発明の製造方法において、原料とする酸化アルミニウムとしては、比表面積が2~12m2/gのものを用いる。比表面積が大きいと(即ち、粒径が小さいと)窒化アルミニウムとした時に比表面積が大きくなり、表面酸素に由来する酸素量が多くなってしまう。また、窒化反応過程において凝集が進みやすく、得られる窒化アルミニウム中に粗粒が多くなってしまう。比表面積が小さすぎると、原料の中心部まで窒化することが困難となる。また、この比表面積の原料酸化アルミニウムを用いることにより、製造される窒化アルミニウムの体積基準での50%粒径(D50)を0.5~1.5μmの範囲、体積基準での90%粒径(D90)を4μm以下とすることができる。D50が小さすぎると、単位重量あたりの比表面積が大きくなり、表面酸素に由来する酸素量が多くなってしまう。一方、大きすぎると成形性や焼結性に悪影響を与える。好ましいD50の範囲は0.8~1.3μmである。
[Aluminum oxide powder]
In the production method of the present invention, aluminum oxide having a specific surface area of 2 to 12 m 2 / g is used as a raw material. If the specific surface area is large (that is, if the particle size is small), the specific surface area becomes large when aluminum nitride is used, and the amount of oxygen derived from the surface oxygen increases. In addition, aggregation tends to proceed in the nitriding reaction process, and coarse particles increase in the obtained aluminum nitride. If the specific surface area is too small, it becomes difficult to nitrid to the center of the raw material. Further, by using the raw material aluminum oxide having this specific surface area, the volume-based 50% particle size (D50) of the aluminum nitride produced is in the range of 0.5 to 1.5 μm, and the volume-based 90% particle size. (D90) can be 4 μm or less. If D50 is too small, the specific surface area per unit weight will be large, and the amount of oxygen derived from surface oxygen will be large. On the other hand, if it is too large, it adversely affects moldability and sinterability. The preferred range for D50 is 0.8-1.3 μm.
また、D90が小さいため粗大な粒子の含有割合が小さい。このため良好な焼結性を得ることができる。好ましくはD90が3μm以下である。またD50の4倍以上の粒径を有する粒子の量を、全体の5%以下であることも可能である。 Further, since D90 is small, the content ratio of coarse particles is small. Therefore, good sinterability can be obtained. D90 is preferably 3 μm or less. It is also possible that the amount of particles having a particle size four times or more that of D50 is 5% or less of the total amount.
なお、これら粒子径はレーザー回折法により測定する。 These particle sizes are measured by a laser diffraction method.
当該酸化アルミニウム粉末は、アルミナ又はその水和物が特に制限無く使用される。アルミナは、α、γ、θ、δ、η、κ、χ等の結晶構造を持つものや、ベーマイト、ダイアスポア、ギブサイト、バイヤライト、トーダイトなど加熱により脱水転移して最終的に全部又は一部がα-アルミナに転移するアルミナ水和物が全て利用可能である。 Alumina or a hydrate thereof is used as the aluminum oxide powder without particular limitation. Alumina has a crystal structure such as α, γ, θ, δ, η, κ, and χ, and is dehydrated and transferred by heating such as boehmite, diaspore, gibbsite, bayarite, and todite, and finally all or part of it. All alumina hydrates that transfer to α-alumina are available.
これらは単独或いは種類の異なるものが混合された状態で用いても良いが、特に反応活性が高く、制御が容易なα-アルミナ、γ-アルミナ、ベーマイトが好適に用いられる。 These may be used alone or in a mixed state of different types, but α-alumina, γ-alumina, and boehmite, which have particularly high reaction activity and are easy to control, are preferably used.
また、原料酸化アルミニウムとしてはできるだけ高純度のものを用いることが好ましく、具体的には、Fe、Ca、Si、Ti、V、Cr,Niの含有量の合計が500質量ppm以下、特に400質量ppm以下のものを採用することが好ましい。これにより製造される窒化アルミニウムの含有するアルミニウム以外の含有金属元素を400質量ppm以下とすることが可能となる。 Further, it is preferable to use aluminum oxide as a raw material having the highest possible purity, and specifically, the total content of Fe, Ca, Si, Ti, V, Cr and Ni is 500 mass ppm or less, particularly 400 mass. It is preferable to use one having a ppm or less. This makes it possible to reduce the amount of contained metal elements other than aluminum contained in the produced aluminum nitride to 400 mass ppm or less.
〔カーボン粉末〕
酸化アルミニウムを窒素雰囲気下で窒化するにあたっては、通常、還元のためにカーボン粉末を共存させる。
[Carbon powder]
When nitriding aluminum oxide in a nitrogen atmosphere, carbon powder is usually coexisted for reduction.
当該原料カーボン粉末は、カーボンブラック、黒鉛粉末が使用できる。上記カーボンブラックとしては、ファーネス法、チャンネル法のカーボンブラックおよび、アセチレンブラックが好適に用いられる。 As the raw material carbon powder, carbon black or graphite powder can be used. As the carbon black, a furnace method, a channel method carbon black, and an acetylene black are preferably used.
これらのカーボン粉末の比表面積は、任意であるが0.01m2/gから500m2/gのものを用いるのが好ましい。 The specific surface area of these carbon powders is arbitrary, but preferably 0.01 m 2 / g to 500 m 2 / g.
また原料カーボン粉末としてはできるだけ高純度のものを用いることが好ましく、具体的には、例えば Na、Fe、Ca、Si、Ti、V、Cr、Niの含有量の合計が100質量ppm以下、特に70質量ppm以下のものを採用することが好ましい。これにより、製造される窒化アルミニウムの含有するアルミニウム以外の含有金属元素を400質量ppm以下とすることが可能である。 Further, it is preferable to use a raw material carbon powder having as high a purity as possible. Specifically, for example, the total content of Na, Fe, Ca, Si, Ti, V, Cr and Ni is 100 mass ppm or less, particularly. It is preferable to use one having a mass of 70 mass ppm or less. This makes it possible to reduce the amount of contained metal elements other than aluminum contained in the produced aluminum nitride to 400 mass ppm or less.
また、本発明の効果を損なわない範囲で、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、フランフェノール樹脂等の合成樹脂縮合物やピッチ、タール等の炭化水素化合物や、セルロース、ショ糖、ポリ塩化ビニリデン、ポリフェニレン等の有機化合物等のカーボン源、水素、一酸化炭素、アンモニアなどの還元性ガスを原料として併用することもできる。 Further, as long as the effect of the present invention is not impaired, synthetic resin condensates such as phenol resin, melamine resin, epoxy resin and furanphenol resin, hydrocarbon compounds such as pitch and tar, cellulose, sucrose, polyvinylidene chloride, etc. A carbon source such as an organic compound such as polyphenylene, and a reducing gas such as hydrogen, carbon monoxide, and ammonia can also be used as raw materials.
〔原料混合〕
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、原料の混合方法としては、酸化アルミニウム粉末およびカーボン粉末が均一な組成で存在する方法であれば、湿式、乾式を問わず、いずれの方法でも良いが、ブレンダー、ミキサー、ボールミルによる混合が好適である。
[Mixed raw materials]
In the method for producing aluminum nitride powder of the present invention, the method for mixing the raw materials may be any method as long as the aluminum oxide powder and the carbon powder are present in a uniform composition, regardless of whether they are wet or dry. Mixing with a blender, mixer or ball mill is suitable.
カーボン粉末の使用量は、酸化アルミニウム粉末100質量部に対して、40~60質量部とすればよい。 The amount of carbon powder used may be 40 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of aluminum oxide powder.
〔窒素〕
本発明において、窒化に用いる窒素ガスとしては、公知の還元窒化反応に用いる窒素ガスと同等のものを特に制限無く用いることができる。
〔nitrogen〕
In the present invention, as the nitrogen gas used for nitriding, a nitrogen gas equivalent to the known nitrogen gas used for the reduction nitriding reaction can be used without particular limitation.
〔還元窒化〕
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、還元窒化工程は、上記原料を窒素ガスの存在下で加熱することにより行う。当該窒素雰囲気下での加熱は、少なくとも60%以上の転化率となるまで反応を進行させる第一の加熱工程と、第一の工程よりも高温の条件下で加熱する第二の加熱工程とからなる。
[Reduction nitriding]
In the method for producing aluminum nitride powder of the present invention, the reduction nitriding step is performed by heating the raw material in the presence of nitrogen gas. The heating in the nitrogen atmosphere consists of a first heating step in which the reaction proceeds until the conversion rate reaches at least 60% or more, and a second heating step in which the reaction is heated under conditions higher than the first step. Become.
さらに、第一の加熱工程の温度は1450℃以上1600℃以下で、第二の加熱工程の温度は1600℃を超え1800℃以下で行う。 Further, the temperature of the first heating step is 1450 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower, and the temperature of the second heating step is 1600 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower.
〔第一の加熱工程〕
本発明において、第一の加熱工程は、酸化アルミニウムから窒化アルミニウムへの転化率が60%以上となるまで行う。転化率が60%未満である場合、第一の加熱工程終了時点で、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの反応により生成する酸窒化アルミニウムや、酸化アルミニウムと原料中の硫黄成分および金属成分等が反応することで生成する硫化アルミニウム等が多く残留することになる。これら成分は第二の工程において液相を生成し、粒子同士の液相焼結を進行させるため、原料酸化アルミニウムおよび原料カーボンが粒子内閉気孔に取り込まれ、未反応のまま残留しやすくなる。
[First heating step]
In the present invention, the first heating step is carried out until the conversion rate from aluminum oxide to aluminum nitride becomes 60% or more. When the conversion rate is less than 60%, aluminum nitride produced by the reaction between aluminum oxide and aluminum nitride, and the sulfur component and metal component in the raw material react with aluminum oxide at the end of the first heating step. A large amount of aluminum sulfide and the like produced in the above will remain. Since these components generate a liquid phase in the second step and promote liquid phase sintering between the particles, the raw aluminum oxide and the raw carbon are taken into the closed pores in the particles and tend to remain unreacted.
好ましくは、第一の加熱工程では、酸化アルミニウムから窒化アルミニウムへの転化率を80%以上となるまで行う。転化率が100%となるまで行っても良い。 Preferably, in the first heating step, the conversion from aluminum oxide to aluminum nitride is carried out until the conversion rate becomes 80% or more. It may be carried out until the conversion rate reaches 100%.
当該第一の加熱工程では、緩やかに窒化反応を進行させるように、加熱温度を1400~1600℃、好ましくは1450~1580℃とする。1400℃未満では還元窒化反応がほとんど進行しない。1600℃を超える温度では、窒化行程において粒子同士の液相焼結が進行し、原料を一次粒子の凝集体内に取り込んだまま粒子が焼きしまってしい、原料酸化アルミニウムやカーボンの残存量が多い窒化アルミニウム粉末となってしまう。 In the first heating step, the heating temperature is set to 1400 to 1600 ° C., preferably 1450 to 1580 ° C. so that the nitriding reaction proceeds slowly. If the temperature is lower than 1400 ° C., the reduction nitriding reaction hardly proceeds. At a temperature exceeding 1600 ° C., liquid phase sintering of the particles progresses in the nitriding process, and the particles are burnt while the raw material is taken into the agglomerates of the primary particles. It becomes aluminum powder.
当該第一の加熱工程においては、窒素ガスは還元窒化反応の律速にならないように十分に供給する。 In the first heating step, nitrogen gas is sufficiently supplied so as not to be the rate-determining factor of the reduction nitriding reaction.
このようにして第一の加熱工程を実施することにより、得られた反応生成物は、これをさらに転化率100%となるまで同じ温度条件で加熱して窒化し、ついで脱炭を行うと、生成する窒化アルミニウムの凝集度が2以上のものとなる。なお、第一の加熱工程で転化率を100%まで窒化した際には、これを直接脱炭すると凝集度が2以上となっている。酸化アルミニウムから窒化アルミニウムへの転化率が100%に到達したか否かは、排ガスを分析すれば容易に判別できる。 By carrying out the first heating step in this way, the obtained reaction product is further heated under the same temperature conditions until the conversion rate reaches 100% to be nitrided, and then decarburized. The degree of cohesion of the produced aluminum nitride is 2 or more. When the conversion rate is nitrided to 100% in the first heating step, the degree of cohesion is 2 or more when the conversion is directly decarburized. Whether or not the conversion rate from aluminum oxide to aluminum nitride has reached 100% can be easily determined by analyzing the exhaust gas.
ここで凝集度とは、対象物の単位重量当たりの比表面積を、対象物の体積基準での50%粒径を直径とする窒化アルミニウムの真球の単位重量当たりの比表面積で除した値であり、下記式(1)で表される。 Here, the degree of cohesion is a value obtained by dividing the specific surface area per unit weight of the object by the specific surface area per unit weight of a true sphere of aluminum nitride having a diameter of 50% based on the volume of the object. Yes, it is expressed by the following formula (1).
凝集度=SA/((4×π×(D50/2)2)/(ρAlN×4/3×π×(D50/2)3) (1) Cohesion = SA / ((4 × π × (D50 / 2) 2 ) / (ρAlN × 4/3 × π × (D50 / 2) 3 ) (1)
上記式(1)中、D50は対象物の体積基準での50%粒径[m]、SAは対象物の単位重量当たりの比表面積[m2/g]、πは円周率、ρAlNは窒化アルミニウムの真比重[g/m3]である。 In the above formula (1), D50 is the 50% particle size [m] based on the volume of the object, SA is the specific surface area per unit weight of the object [m 2 / g], π is the circumference ratio, and ρAlN is. The true specific surface area of aluminum nitride [g / m 3 ].
この凝集度は、(1)一次粒子の凝集体がポーラスな構造である場合、及び(2)一次粒子の凝集体の焼結が進行し、さらにそれら同士がネッキングして粗大な凝集体が多数形成された場合に大きくなるが、本発明においては、前記条件を採用することにより、一次粒子の凝集体がポーラスな構造となるようにし、一次粒子の凝集体の内部に反応ガスが入り込めない閉じた気孔が形成されないようにすることで反応を十分に進行させ、未反応の原料を低減できるようにしているものである。なお、反応温度が低いほど、凝集度は高くなる傾向がある。 Regarding the degree of agglomeration, (1) when the agglomerates of the primary particles have a porous structure, and (2) the sintering of the agglomerates of the primary particles progresses, and they are necked to each other, resulting in a large number of coarse agglomerates. Although it becomes large when formed, in the present invention, by adopting the above conditions, the aggregates of the primary particles have a porous structure, and the reaction gas cannot enter the inside of the aggregates of the primary particles. By preventing the formation of closed pores, the reaction can proceed sufficiently and the amount of unreacted raw materials can be reduced. The lower the reaction temperature, the higher the degree of cohesion tends to be.
反応時間は、長いほど凝集度が低くなる傾向があり好ましい。しかしながら、転化率を60%以上にするためには0.1時間以下にすることは困難である。一方、転化率が100%に到達するために必要な時間以上加熱する必要はない。むしろ低温でも50時間を超えて加熱すると窒化アルミニウム粒子の一次粒子同士のみならず、一次粒子の凝集体の焼結により生じた二次粒子同士においても焼結が進行し、粗粒が発生し易くなる。当該粗粒は、成形性を悪化させたり、焼結体作製時には焼結を阻害する傾向にある。一般には、当該加熱温度で転化率が100%に到達するために必要な時間±5時間、特に±2.5時間とする。具体的には、温度にもよるが、例えば、1500℃であれば5~10時間、1550℃であれば2~7時間である。 The longer the reaction time, the lower the degree of cohesion, which is preferable. However, it is difficult to reduce the conversion rate to 0.1 hours or less in order to increase the conversion rate to 60% or more. On the other hand, it is not necessary to heat for more than the time required for the conversion to reach 100%. Rather, when heated for more than 50 hours even at a low temperature, sintering proceeds not only between the primary particles of the aluminum nitride particles but also between the secondary particles generated by the sintering of the aggregates of the primary particles, and coarse particles are likely to be generated. Become. The coarse particles tend to deteriorate the moldability and hinder the sintering when the sintered body is produced. Generally, the time required for the conversion to reach 100% at the heating temperature is ± 5 hours, particularly ± 2.5 hours. Specifically, although it depends on the temperature, for example, it is 5 to 10 hours at 1500 ° C. and 2 to 7 hours at 1550 ° C.
本発明においては、上記凝集度が2.5以上となるように反応温度および時間を設定することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to set the reaction temperature and time so that the degree of cohesion is 2.5 or more.
〔第二の加熱工程〕
本発明においては、上記のようにして窒素雰囲気下で加熱して得られた反応生成物を、さらに温度を上げ、窒素雰囲気下で1600℃を超え1800℃以下で加熱する。この加熱は、第一の加熱工程で転化率を100%未満とした場合には、転化率が100%に到達するまで行う。転化率が100%に到達したかどうかは排ガス中のCO濃度を分析すれば容易に判別できる。
[Second heating step]
In the present invention, the reaction product obtained by heating in a nitrogen atmosphere as described above is further heated in temperature and heated at a temperature of more than 1600 ° C. and 1800 ° C. or lower under a nitrogen atmosphere. If the conversion rate is less than 100% in the first heating step, this heating is performed until the conversion rate reaches 100%. Whether or not the conversion rate has reached 100% can be easily determined by analyzing the CO concentration in the exhaust gas.
温度の上げ幅は、好ましくは20~200℃、より好ましくは100~150℃である。温度を高くすることにより、未反応原料の低減や、表面酸素の低減を行う。ただし、反応温度の最高温度が1800℃を超えると窒化アルミニウム粒子同士が凝集した粗粒が発生し易くなるため、第二の加熱工程は1800℃以下、好ましくは1750℃以下で行う。 The temperature increase range is preferably 20 to 200 ° C, more preferably 100 to 150 ° C. By raising the temperature, unreacted raw materials are reduced and surface oxygen is reduced. However, if the maximum reaction temperature exceeds 1800 ° C., coarse particles in which aluminum nitride particles are aggregated are likely to be generated. Therefore, the second heating step is performed at 1800 ° C. or lower, preferably 1750 ° C. or lower.
反応温度を上げずに第一の工程と同じ温度のまま加熱を続けても、一次粒子が歪なままとなって成形性が悪くなったり、比表面積が大きいままとなって表面酸素に由来する酸素成分量が多くなる虞がある。また、窒化完了後の加熱による炭素成分や金属不純物の減少が不十分となる虞がある。 Even if heating is continued at the same temperature as in the first step without raising the reaction temperature, the primary particles remain distorted and formability deteriorates, or the specific surface area remains large and is derived from surface oxygen. There is a risk that the amount of oxygen components will increase. In addition, there is a risk that the reduction of carbon components and metal impurities due to heating after nitriding is completed will be insufficient.
第二の加熱工程の加熱時間は、第一の加熱工程での転化率や第二の加熱工程の温度にもより、第一の工程の転化率が高いほど、また第二の工程の温度が高いほど短くてよい。具体的には、例えば、第一の工程における転化率が60%、第二の工程の温度が1680℃の場合には、3~6時間程度行えばよい。 The heating time of the second heating step depends on the conversion rate in the first heating step and the temperature of the second heating step, and the higher the conversion rate of the first step, the higher the temperature of the second step. The higher it is, the shorter it may be. Specifically, for example, when the conversion rate in the first step is 60% and the temperature in the second step is 1680 ° C., it may be carried out for about 3 to 6 hours.
なお、第一の加熱工程を転化率100%まで行った際には、この第二の加熱工程で転化はおこらないが、その場合でも、未反応原料の低減や、一次粒子の球形化による成形性の向上と表面酸素量の低減を目的に少なくとも1時間以上、好ましくは2時間以上加熱する必要がある。 When the first heating step is performed up to a conversion rate of 100%, conversion does not occur in this second heating step, but even in that case, the amount of unreacted raw materials is reduced and the primary particles are formed into spheres. It is necessary to heat for at least 1 hour, preferably 2 hours or more for the purpose of improving the properties and reducing the amount of surface oxygen.
一方、第二の加熱工程で転化率が100%に達した後も、あまりに長時間加熱すると窒化アルミニウム粒子同士の焼結が進み、粗大粒子を生じてしまう虞がある。従って、加熱時間は、転化率100%にするに必要な時間+10時間以下とすることが好ましく、+6時間以下とすることがより好ましい。 On the other hand, even after the conversion rate reaches 100% in the second heating step, if the aluminum nitride particles are heated for too long, the aluminum nitride particles may be sintered and coarse particles may be generated. Therefore, the heating time is preferably +10 hours or less, which is the time required to achieve a conversion rate of 100%, and more preferably +6 hours or less.
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、前記還元窒化の際の他の条件としては、前記原料に対して窒素が十分に拡散して接触するような方法であれば公知の方法が特に制限なく採用される。例えば、上記混合粉末をカーボン製の容器に充填し窒素を流通させる方法、ロータリーキルンを用いる方法、流動層を用いる方法、竪型管状炉を用いる方法がある。これらのうち、カーボン製の容器に充填し窒素を流通させる方法が好適である。 In the method for producing aluminum nitride powder of the present invention, as another condition at the time of the reduction nitriding, a known method is not particularly limited as long as it is a method in which nitrogen is sufficiently diffused and comes into contact with the raw material. Will be adopted. For example, there are a method of filling the mixed powder in a carbon container and circulating nitrogen, a method of using a rotary kiln, a method of using a fluidized bed, and a method of using a vertical tube furnace. Of these, a method of filling a carbon container and distributing nitrogen is preferable.
第二の加熱工程で転化を進行させる場合には、第一の加熱工程と同様、窒素ガスは還元窒化反応の律速にならないように十分に供給する。一方、第一の加熱工程で転化率100%まで反応を進行させた場合には、少量の窒素を流せばよい。 When the conversion proceeds in the second heating step, nitrogen gas is sufficiently supplied so as not to be the rate-determining factor of the reduction nitriding reaction as in the first heating step. On the other hand, when the reaction is advanced to a conversion rate of 100% in the first heating step, a small amount of nitrogen may be flowed.
本発明において、第一の加熱工程と第二の加熱工程は、連続して行ってもよいし、別々に行っても良い。工業的には、連続して行う方法、即ち、同じ加熱炉内で、第一の加熱工程を行ったのち、そのまま温度を上げる方法が簡便で好ましい。 In the present invention, the first heating step and the second heating step may be performed continuously or separately. Industrially, a method of continuously performing the process, that is, a method of performing the first heating step in the same heating furnace and then raising the temperature as it is is convenient and preferable.
〔脱炭処理〕
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、上記加熱工程後に得られた窒化アルミニウム粉末は、フリーの余剰カーボン粉末を含んでいるため、脱炭処理を行うのが好ましい。脱炭処理は高温で、酸化性ガスを用いて余剰のカーボン粉末を燃焼する方法が一般的である。
[Decarburization treatment]
In the method for producing aluminum nitride powder of the present invention, the aluminum nitride powder obtained after the heating step contains free excess carbon powder, and therefore it is preferable to perform decarburization treatment. The decarburization treatment is performed at a high temperature, and a method of burning excess carbon powder using an oxidizing gas is common.
脱炭処理を行う際の酸化性ガスとしては、空気、酸素等の、炭素を酸化し得るガスならば制限無く採用できるが、経済性や得られる窒化アルミニウムの酸素濃度を考慮して、空気が好適である。また、常圧の空気雰囲気下で脱炭処理を行う場合、1200℃付近より窒化アルミニウムの急激な酸化が起こるため、処理温度は500~1100℃が好ましく、脱炭素の効率と窒化アルミニウム表面の過剰酸化を考慮して、600~900℃がさらに好ましい。 As the oxidizing gas for decarburization, any gas that can oxidize carbon, such as air and oxygen, can be used without limitation, but air is used in consideration of economic efficiency and the oxygen concentration of the obtained aluminum nitride. Suitable. Further, when the decarburization treatment is performed in an air atmosphere under normal pressure, the treatment temperature is preferably 500 to 1100 ° C. because the aluminum nitride is rapidly oxidized from around 1200 ° C., and the efficiency of decarbonization and the excess of the aluminum nitride surface are excessive. Considering oxidation, 600 to 900 ° C. is more preferable.
脱炭処理の時間は、カーボンの減少具合に応じて適宜設定すればよいが、例えば600~900℃で行うのであれば、1~6時間でできる。 The decarburization treatment time may be appropriately set according to the degree of carbon reduction, but if it is performed at 600 to 900 ° C., it can be 1 to 6 hours, for example.
〔窒化アルミニウム粉末〕
本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、一次粒子の平均の円形率が80%以上となる。多くの場合には90%以上である。高い円形率を有しているため、窒化アルミニウム粉末を原料として焼結体を得る際の成形性が良好である。このような高い円形率は窒化アルミニウム粉末を還元窒化法により製造することにより達成することができるものであり、直接窒化法では粉砕等の工程が入るため、円形率は極めて低いものとなってしまう。
[Aluminum nitride powder]
The aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention has an average circularity of primary particles of 80% or more. In most cases, it is 90% or more. Since it has a high circularity, it has good moldability when a sintered body is obtained from aluminum nitride powder as a raw material. Such a high circularity can be achieved by producing aluminum nitride powder by the reduction nitriding method, and the direct nitriding method involves steps such as pulverization, so that the circularity is extremely low. ..
なお平均の円形率を求める方法は以下の通りである。即ち、走査型電子顕微鏡を用いて10000倍で粉末を観察し、ランダムに80個の一次粒子を選び、対象粒子の面のうち、対象粒子の重心から対象粒子の円相当径(対象物の面積と等しい面積をもつ真円の直径)の2分の1の長さの範囲に含まれる面の面積を、対象粒子の円相当径を直径とする真円の面積で除し、100を乗じた値である。 The method for obtaining the average circularity is as follows. That is, the powder is observed at 10000 times using a scanning electron microscope, 80 primary particles are randomly selected, and the area equivalent to the circle of the target particles (area of the target object) from the center of gravity of the target particles among the surfaces of the target particles. The area of the surface included in the range of half the length of the perfect circle having the same area as) is divided by the area of the perfect circle whose diameter is the equivalent circle diameter of the target particle, and multiplied by 100. The value.
また、本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、含有する最大長2μm以上の窒化アルミニウム粒子の平均円形率が70%以下であることが多い(最大長とは、対象物の任意の二点間のうち最大の長さである)。 Further, the aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention often contains 70% or less of the average circularity of the aluminum nitride particles having a maximum length of 2 μm or more (the maximum length is any two of the objects). The longest of the dots).
本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、全酸素濃度が1.0質量%以下である。このため、焼結体とした時の熱伝導率の低下を招き難い。好ましい全酸素濃度は0.2~0.9質量%であり、より好ましくは0.5~0.8質量%である。 The aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention has a total oxygen concentration of 1.0% by mass or less. Therefore, it is unlikely that the thermal conductivity of the sintered body will decrease. The total oxygen concentration is preferably 0.2 to 0.9% by mass, more preferably 0.5 to 0.8% by mass.
全酸素濃度は、市販のセラミック中酸素窒素分析装置を用いて容易に測定することができる。 The total oxygen concentration can be easily measured using a commercially available ceramic oxygen-nitrogen analyzer.
本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末において、上記酸素成分は窒化アルミニウム粒子の表面酸素、粒子内の固溶酸素、未反応の原料酸化アルミニウム中の酸素からなる。本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末において、未反応の原料酸化アルミニウムの濃度は0.07質量%以下となる。当該存在状態での未反応の原料酸化アルミニウムの濃度が0.07質量%以下と低いため、焼結体とした時に酸素に由来する格子欠陥を局所的に生じさせて均一な熱伝導を阻害する恐れが著しく減少する。多くの場合0.05質量%以下とできる。一方、0.02質量%未満とすることは困難であり、また上記効果の向上もあまり期待できない。 In the aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention, the oxygen component comprises surface oxygen of aluminum nitride particles, solid-dissolved oxygen in the particles, and oxygen in unreacted raw aluminum oxide. In the aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention, the concentration of unreacted raw material aluminum oxide is 0.07% by mass or less. Since the concentration of unreacted raw material aluminum oxide in the present state is as low as 0.07% by mass or less, lattice defects derived from oxygen are locally generated when the sintered body is formed, and uniform heat conduction is hindered. Fear is significantly reduced. In many cases, it can be 0.05% by mass or less. On the other hand, it is difficult to make it less than 0.02% by mass, and improvement of the above effect cannot be expected so much.
なお窒化アルミニウム粉末中の未反応の原料酸化アルミニウムの存在量は以下のようにして測定することができる。即ち、5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に窒化アルミニウム粉末を溶解させて残渣を濾取し、ついで、得られた残渣を脱炭した後に重量を測定し、溶解前の窒化アルミニウム粉末の重量との比より算出できる。 The abundance of unreacted raw material aluminum oxide in the aluminum nitride powder can be measured as follows. That is, the aluminum nitride powder was dissolved in a 5 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, the residue was collected by filtration, and then the obtained residue was decarburized and then weighed, which was the same as the weight of the aluminum nitride powder before dissolution. It can be calculated from the ratio.
本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、前記のような高純度の原料を用いることにより、アルミニウム以外の金属元素濃度を400質量ppm以下できる。400質量ppm以下とできるため、得られる焼結体において熱伝導性の低下を招くおそれがほとんどない。好ましい量は350質量ppm以下、より好ましくは300質量ppm以下である。 The aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention can have a concentration of metal elements other than aluminum of 400 mass ppm or less by using the above-mentioned high-purity raw materials. Since it can be 400 mass ppm or less, there is almost no possibility of causing a decrease in thermal conductivity in the obtained sintered body. The preferred amount is 350 mass ppm or less, more preferably 300 mass ppm or less.
アルミニウム以外の金属元素濃度は、試料を酸で溶解し、ICP発光分光分析法により求めることができる。 The concentration of metal elements other than aluminum can be determined by dissolving the sample with an acid and using ICP emission spectroscopy.
本発明の製造方法では、得られる窒化アルミニウム粉末が含有する未反応の原料カーボンとして存在する炭素成分の濃度を100質量ppm以下とすることができる。当該存在状態での炭素濃度が100質量ppm以下とできるため、金属を内装した半導体ウェハ加熱用ヒータープレートのような部材に使用した場合、局所的に内装金属と炭素が反応することでヒータープレートに温度分布を生じさせるという問題を生じ難い。好ましくは、70質量ppm以下である。 In the production method of the present invention, the concentration of the carbon component existing as the unreacted raw material carbon contained in the obtained aluminum nitride powder can be 100 mass ppm or less. Since the carbon concentration in the existing state can be 100 mass ppm or less, when used for a member such as a heater plate for heating a semiconductor wafer with a metal inside, the interior metal reacts locally with carbon to form a heater plate. It is unlikely to cause the problem of causing a temperature distribution. It is preferably 70 mass ppm or less.
未反応の原料カーボン量は以下の方法により測定できる。即ち、まず窒化アルミニウム粉末を5mol/Lの水酸化ナトリウム溶液に溶解させる。これにより、カーボンと酸化アルミニウムが溶解せずに残渣として残存する。この残渣を熱重量測定し、350℃~600℃での重量減少を未反応原料カーボンの燃焼由来として、残渣中の含有量を求める。 The amount of unreacted raw material carbon can be measured by the following method. That is, first, the aluminum nitride powder is dissolved in a 5 mol / L sodium hydroxide solution. As a result, carbon and aluminum oxide are not dissolved and remain as a residue. The residue is thermogravimetrically measured, and the weight loss at 350 ° C. to 600 ° C. is taken as the origin of combustion of the unreacted raw material carbon, and the content in the residue is determined.
溶解させた窒化アルミニウム粉末の重量、全残渣重量、熱重量測定に使用した残渣の重量、残渣中の未反応原料カーボン含有量から、下記式により、窒化アルミニウム粉末中の未反応の原料カーボン量を算出できる。 From the weight of the melted aluminum nitride powder, the total residual weight, the weight of the residue used for thermogravimetric measurement, and the content of unreacted raw material carbon in the residue, the amount of unreacted raw material carbon in the aluminum nitride powder can be determined by the following formula. Can be calculated.
窒化アルミニウム粉末中の未反応原料カーボン量=(全残渣重量×残渣中の未反応原料カーボンの含有量/熱重量測定に使用した残渣の重量)/溶解させた窒化アルミニウム粉末の重量 Amount of unreacted raw material carbon in aluminum nitride powder = (total residual weight x content of unreacted raw material carbon in residue / weight of residue used for thermal weight measurement) / weight of dissolved aluminum nitride powder
また、本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、BET1点法による比表面積が1.5~4.0m2/gの範囲となるのが通常であり、多くの場合には2.0~4.0m2/gの範囲となる。 Further, the aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention usually has a specific surface area of 1.5 to 4.0 m 2 / g by the BET 1-point method, and in most cases 2.0. The range is ~ 4.0 m 2 / g.
本発明の製造方法で得られる窒化アルミニウム粉末は、適度な粒径で粗大粒子が少なく、球形で、不純物も極めて少ないため、焼結体原料やフィラー用途等の各種用途に好適に使用できる。焼結体原料と使用される場合、本発明の窒化アルミニウム粉末は、テープ成形、プレス成形などの公知の方法により成形され、常圧もしくは加圧化で焼結される。具体的な用途としては、LED、パワーモジュール等の放熱基板、半導体製造装置用のヒーター、静電チャック等の用途が挙げられる。 The aluminum nitride powder obtained by the production method of the present invention has an appropriate particle size, few coarse particles, a spherical shape, and extremely few impurities, and therefore can be suitably used for various applications such as sintered body raw materials and filler applications. When used as a raw material for a sintered body, the aluminum nitride powder of the present invention is molded by a known method such as tape molding or press molding, and is sintered under normal pressure or pressurization. Specific applications include heat dissipation substrates such as LEDs and power modules, heaters for semiconductor manufacturing equipment, and electrostatic chucks.
以下、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例、比較例における各種物性および関連する数値は、下記の方法により測定した。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail, but the present invention is not limited to these examples. Various physical properties and related numerical values in Examples and Comparative Examples were measured by the following methods.
(1)体積基準での50%粒径(D50)、90%粒径(D90)
酸化アルミニウム粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化アルミニウムと未反応原料酸化アルミニウムの混合粉末の平均粒径は、試料をホモジナイザーにてピロリン酸ソーダ水溶液中に分散させ、日機装株式会社製 MICROTRAC HRAを用いてレーザー回折法により測定した。
(1) 50% particle size (D50) and 90% particle size (D90) on a volume basis
For the average particle size of aluminum oxide powder, aluminum nitride powder, and mixed powder of aluminum nitride and unreacted raw material aluminum oxide, the sample was dispersed in an aqueous solution of sodium pyrophosphate with a homogenizer, and laser diffraction was performed using MICROTRAC HRA manufactured by Nikkiso Co., Ltd. Measured by method.
(2)比表面積
酸化アルミニウム粉末、カーボン粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化アルミニウムと未反応原料酸化アルミニウムの混合粉末の比表面積は、島津製作所製流動式表面積自動測定装置フローソーブ2300形を用いてBET法により測定した。
(2) Specific surface area The specific surface area of aluminum oxide powder, carbon powder, aluminum nitride powder, and mixed powder of aluminum nitride and unreacted raw material aluminum oxide is determined by the BET method using the flow type automatic surface area measuring device Flowsorb 2300 manufactured by Shimadzu Corporation. It was measured.
(3)アルミニウム以外の金属元素含有量
窒化アルミニウム粉末のアルミニウム以外の金属元素含有量は、試料0.8gに硝酸2mL、りん酸10mLを加えて380℃、20分間加熱分解し、島津製作所製ICPS-1000-IIを用いてICP発光分光分析法により測定した。
(3) Content of metal elements other than aluminum The content of metal elements other than aluminum in aluminum nitride powder is obtained by adding 2 mL of nitric acid and 10 mL of phosphoric acid to 0.8 g of a sample and heating and decomposing at 380 ° C for 20 minutes. Measured by ICP emission spectroscopic analysis using -1000-II.
(4)全酸素含有量
窒化アルミニウム粉末中の全酸素含有量は、堀場製作所製セラミック中酸素窒素分析装置EMGA-620Wを用いて測定した。
(4) Total oxygen content The total oxygen content in the aluminum nitride powder was measured using an oxygen nitrogen analyzer EMGA-620W in ceramic manufactured by HORIBA, Ltd.
(5)窒化アルミニウム粉末中の炭素含有量
窒化アルミニウム粉末中の炭素含有量は、堀場製作所製金属中炭素分析装置「EMIA-110」を使用して、粉末を酸素気流中で燃焼させ、発生したCO、CO2ガス量から定量した。
(5) Carbon content in aluminum nitride powder The carbon content in aluminum nitride powder was generated by burning the powder in an oxygen stream using the metal medium carbon analyzer "EMIA-110" manufactured by HORIBA, Ltd. Quantified from the amount of CO and CO2 gas.
(6)窒化アルミニウム粉末中の未反応原料酸化アルミニウム含有量
窒化アルミニウム粉末の未反応原料酸化アルミニウム含有量は、先ず、窒化アルミニウム粉末50gを5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液300mLに80℃、2時間の条件で溶解させた。このとき、水酸化ナトリウムは窒化アルミニウムとの反応で消費されていくため、必要に応じて追加した。続いて溶解せずに残った残渣を遠心分離し、上澄みを除いた。5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を加えて残渣を浮遊させ、再度遠心分離した。同様の操作を3回繰り返した後、0.1μmのメンブレンフィルターで濾取した。フィルター上の濾取物を60℃の熱水で洗浄し、乾燥させた。ついで、得られた残渣を空気雰囲気下、600℃で脱炭した後に重量を測定し、溶解前の窒化アルミニウム粉末の重量との比より算出した。
(6) Content of unreacted raw material aluminum oxide in aluminum nitride powder The content of unreacted raw material aluminum oxide in aluminum nitride powder is as follows: First, 50 g of aluminum nitride powder is added to 300 mL of a 5 mol / L sodium hydroxide aqueous solution at 80 ° C. for 2 hours. It was dissolved under the conditions of. At this time, sodium hydroxide is consumed in the reaction with aluminum nitride, so it was added as necessary. Subsequently, the residue remaining undissolved was centrifuged to remove the supernatant. A 5 mol / L aqueous sodium hydroxide solution was added to suspend the residue, and the residue was centrifuged again. After repeating the same operation three times, the cells were collected by filtration through a 0.1 μm membrane filter. The filtrate on the filter was washed with hot water at 60 ° C. and dried. Then, the obtained residue was decarburized at 600 ° C. in an air atmosphere and then weighed, and calculated from the ratio to the weight of the aluminum nitride powder before melting.
なお、得られた残渣が酸化アルミニウムであることは、X線回折により確認した。 It was confirmed by X-ray diffraction that the obtained residue was aluminum oxide.
(7)窒化アルミニウム粉末中の未反応原料カーボン含有量
まず、窒化アルミニウム粉末50gを5mol/Lの水酸化ナトリウム溶液300mLに80℃、2時間の条件で溶解させた。続いて溶解せずに残った残渣を遠心分離し、上澄みを除いた。60℃の熱水を加えて残渣を浮遊させ、再度遠心分離した。同様の操作を3回繰り返した後、0.1μmのメンブレンフィルターで濾取した。フィルター上の濾取物を60℃の熱水で洗浄し、乾燥させた。この残渣の一部または全部を空気流量200mL/分、200℃までの昇温速度が20℃/分、200℃~900℃の昇温速度が5℃/分の条件で熱重量測定し、350℃~600℃での重量減少を未反応原料カーボンの燃焼由来として、残渣中の含有量を求めた。溶解させた窒化アルミニウム粉末の重量、全残渣重量、熱重量測定に使用した残渣の重量、残渣中の未反応原料カーボン含有量から、下記式により、窒化アルミニウム粉末中の未反応原料カーボン量を算出した。
(7) Content of unreacted raw material carbon in aluminum nitride powder First, 50 g of aluminum nitride powder was dissolved in 300 mL of a 5 mol / L sodium hydroxide solution at 80 ° C. for 2 hours. Subsequently, the residue remaining undissolved was centrifuged to remove the supernatant. Hot water at 60 ° C. was added to suspend the residue, and the residue was centrifuged again. After repeating the same operation three times, the cells were collected by filtration through a 0.1 μm membrane filter. The filtrate on the filter was washed with hot water at 60 ° C. and dried. A part or all of this residue was thermally weighed under the conditions of an air flow rate of 200 mL / min, a heating rate of 20 ° C./min to 200 ° C., and a heating rate of 5 ° C./min at 200 ° C. to 900 ° C., and 350. The content in the residue was determined by assuming that the weight loss at ° C. to 600 ° C. was derived from the combustion of the unreacted raw material carbon. From the weight of the melted aluminum nitride powder, the total residual weight, the weight of the residue used for thermogravimetric measurement, and the unreacted raw material carbon content in the residue, the amount of unreacted raw material carbon in the aluminum nitride powder is calculated by the following formula. did.
窒化アルミニウム粉末中の未反応原料カーボン量に起因する炭素濃度=(全残渣重量×残渣中の未反応原料カーボンの含有量/熱重量測定に使用した残渣の重量)/溶解させた窒化アルミニウム粉末の重量 Carbon concentration due to the amount of unreacted raw material carbon in the aluminum nitride powder = (total residual weight x content of unreacted raw material carbon in the residue / weight of the residue used for thermal weight measurement) / of the dissolved aluminum nitride powder weight
(8)平均円形率
窒化アルミニウム粉末の平均円形率は、日立ハイテクノロジーズ製電解放射型走査電子顕微鏡S-5500を用いて10000倍で撮影した電子顕微鏡写真中より、最大長2μm以上の粒子については20個、一次粒子については80個をランダムに選び、各粒子を画像解析して得られた円形率の平均値として求めた。
(8) Average circularity The average circularity of the aluminum nitride powder is as follows for particles with a maximum length of 2 μm or more from the electron micrographs taken at 10000 times using an electrolytic radiation scanning electron microscope S-5500 manufactured by Hitachi High-Technologies. Twenty particles and 80 primary particles were randomly selected, and each particle was image-analyzed to obtain the average value of the circularity obtained.
(円形率とは、対象物の面のうち、対象物の重心から対象物の円相当径(対象物の面積と等しい面積をもつ真円の直径)の2分の1の長さの範囲に含まれる面の面積を、対象物の円相当径を直径とする真円の面積で除し、100を乗じた値である。) (Circular ratio is the range of half the length of the surface of the object from the center of gravity of the object to the equivalent circle diameter of the object (the diameter of a perfect circle having an area equal to the area of the object). It is a value obtained by dividing the area of the included surface by the area of a perfect circle whose diameter is the area equivalent to the circle of the object and multiplying by 100.)
(9)凝集度
窒化アルミニウムと未反応酸化アルミニウムの混合粉末の凝集度は、下記式(1)により算出した。
凝集度=SA/((4×π×(D50/2)2)/(ρAlN×4/3×π×(D50/2)3) (1)
(9) Cohesion degree The cohesion degree of the mixed powder of aluminum nitride and unreacted aluminum oxide was calculated by the following formula (1).
Cohesion = SA / ((4 × π × (D50 / 2) 2 ) / (ρAlN × 4/3 × π × (D50 / 2) 3 ) (1)
上記式(1)中、D50は対象物の体積基準での50%粒径[m]、SAは対象物の単位重量当たりの比表面積[m2/g]、πは円周率、ρAlNは窒化アルミニウムの真比重[g/m3]である。なお、凝集度は、D50を直径とする窒化アルミニウムの真球の単位重量当たりの比表面積でSAを除した値である。即ち、凝集度は、対象物が窒化アルミニウムの真球の場合に1になり、真球から遠ざかるほど大きくなる。 In the above formula (1), D50 is the 50% particle size [m] based on the volume of the object, SA is the specific surface area per unit weight of the object [m 2 / g], π is the circumference ratio, and ρAlN is. The true specific surface area of aluminum nitride [g / m 3 ]. The degree of cohesion is a value obtained by dividing SA by the specific surface area per unit weight of a true sphere of aluminum nitride having D50 as a diameter. That is, the degree of cohesion becomes 1 when the object is a true sphere of aluminum nitride, and increases as the distance from the true sphere increases.
(10)酸化アルミニウムから窒化アルミニウムへの転化率
窒化アルミニウム粉末、反応混合粉末(窒化アルミニウムと未反応酸化アルミニウムの混合粉末)の転化率は、リガク製X線回折装置SmartLabを用いてRIR法により求めた。
(10) Conversion rate from aluminum oxide to aluminum nitride The conversion rate of aluminum nitride powder and reaction mixed powder (mixed powder of aluminum nitride and unreacted aluminum oxide) was determined by the RIR method using the Rigaku X-ray diffractometer SmartLab. rice field.
(11)熱伝導率
窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は、京都電子工業製LFA-502を用いてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。
(11) Thermal Conductivity The thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body was measured by a laser flash method using LFA-502 manufactured by Kyoto Denshi Kogyo.
〔実施例1〕
D50が0.7μm、比表面積5.0m2/gであるα-アルミナ100質量部と、比表面積125m2/gのカーボンブラック50質量部とをボールミルにより混合し、グラファイト製の容器に充填した。次いで、窒素雰囲気下において、1550℃、3時間の条件で第一の工程を行った後、さらに、窒素雰囲気下において、1680℃、4時間の条件で第二の工程を行い、カーボンと窒化アルミニウムの混合粉末を得た。
[Example 1]
100 parts by mass of α-alumina having a D50 of 0.7 μm and a specific surface area of 5.0 m 2 / g and 50 parts by mass of carbon black having a specific surface area of 125 m 2 / g were mixed by a ball mill and filled in a graphite container. .. Then, in a nitrogen atmosphere, the first step was carried out under the condition of 1550 ° C. for 3 hours, and then in the nitrogen atmosphere, the second step was carried out under the condition of 1680 ° C. for 4 hours, and carbon and aluminum nitride were further carried out. Mixed powder was obtained.
なお、上記条件で第一の工程が完了した時点での転化率、および当該工程と同一温度で転化率が100%となる時点まで還元窒化し、ついで脱炭して得られる反応混合粉末の凝集度については、別途試験を行い確認した。 It should be noted that the agglomeration of the reaction mixed powder obtained by reducing and nitriding until the conversion rate at the time when the first step is completed under the above conditions and the point at which the conversion rate reaches 100% at the same temperature as the step, and then decarburizing. The degree was confirmed by conducting a separate test.
第二の工程後に得た前述の反応混合粉末を、空気雰囲気下において、630℃、8時間の条件で脱炭処理し、窒化アルミニウム粉末を得た。前述の方法にて、得られた窒化アルミニウム粉末の平均粒径、平均円相当径、平均円形率、全酸素濃度、未反応原料酸化アルミニウム量、未反応原料カーボン量、金属元素量の測定を実施した。結果を表1に示す。 The above-mentioned reaction mixed powder obtained after the second step was decarburized in an air atmosphere at 630 ° C. for 8 hours to obtain an aluminum nitride powder. By the above method, the average particle size, average circle equivalent diameter, average circularity, total oxygen concentration, unreacted raw material aluminum oxide amount, unreacted raw material carbon amount, and metal element amount of the obtained aluminum nitride powder were measured. did. The results are shown in Table 1.
得られた窒化アルミニウム粉末100質量部に対して酸化イットリウムが5質量部となるように添加し、一軸プレス成形により厚み3mmの成形体を作製した。窒素雰囲気中において、1800℃、5時間の条件で焼成し、窒化アルミニウム焼結体を得た。焼結体の熱伝導率は185kW/(m・K)であった。 Yttrium oxide was added to 100 parts by mass of the obtained aluminum nitride powder so as to be 5 parts by mass, and a molded product having a thickness of 3 mm was produced by uniaxial press molding. It was fired at 1800 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere to obtain an aluminum nitride sintered body. The thermal conductivity of the sintered body was 185 kW / (m · K).
〔実施例2〕
第一の工程での反応時間を6時間としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Example 2]
Aluminum nitride powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction time in the first step was 6 hours.
〔実施例3〕
第一の工程での反応時間を2時間としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Example 3]
Aluminum nitride powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction time in the first step was set to 2 hours.
〔実施例4〕
第二の工程での反応時間を10時間としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Example 4]
Aluminum nitride powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction time in the second step was 10 hours.
〔実施例5〕
第一の工程での反応温度を1500℃、反応時間を10時間としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Example 5]
Aluminum nitride powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature in the first step was 1500 ° C. and the reaction time was 10 hours.
〔比較例1〕
全工程を、1630℃、10時間の条件としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Comparative Example 1]
Aluminum nitride powder was produced in the same manner as in Example 1 except that all the steps were set to 1630 ° C. and 10 hours.
〔比較例2〕
全工程を、1680℃、5時間の条件としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末および焼結体を作製した。窒化反応を高温で行うことで、反応用ガスと接しないような箇所に閉じ込められる原料が多くなり、未反応原料として残留しやすくなっている。また焼結体の熱伝導率は175kW/(m・K)であった。
[Comparative Example 2]
Aluminum nitride powder and a sintered body were produced in the same manner as in Example 1 except that all the steps were set to 1680 ° C. and 5 hours. By performing the nitriding reaction at a high temperature, more raw materials are trapped in places where they do not come into contact with the reaction gas, and they tend to remain as unreacted raw materials. The thermal conductivity of the sintered body was 175 kW / (m · K).
〔比較例3〕
第一の工程を、1550℃、1時間の条件としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。第一の行程終了時の転化率が低いため、実質的に高温で窒化反応する割合が多く、結果、反応用ガスと接しないような箇所に閉じ込められる原料が多くなり、未反応原料として残留しやすくなっている。
[Comparative Example 3]
An aluminum nitride powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the first step was a condition of 1550 ° C. and 1 hour. Since the conversion rate at the end of the first step is low, the rate of nitriding reaction at substantially high temperature is high, and as a result, many raw materials are trapped in places that do not come into contact with the reaction gas, and remain as unreacted raw materials. It's getting easier.
〔比較例4〕
第一の工程を、1630℃、5時間の条件としたこと以外、実施例1と同様に窒化アルミニウム粉末を作製した。
[Comparative Example 4]
Aluminum nitride powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the first step was set to 1630 ° C. for 5 hours.
Claims (2)
原料酸化アルムニウムとして比表面積が2~12m2/gのものを用い、
窒素雰囲気下での加熱は、少なくとも60%以上の転化率となるまで反応を進行させる第一の加熱工程と、第一の加熱工程よりも高温の条件下で加熱する第二の加熱工程とからなり、前記第一の加熱工程の温度は1450℃以上1580℃以下であり、前記第二の加熱工程の温度は1600℃を超え1800℃以下であることを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。 It is a method of producing aluminum nitride powder by heating aluminum oxide powder in a nitrogen atmosphere and nitriding it.
Use a raw material alumnium oxide with a specific surface area of 2 to 12 m 2 / g.
Heating in a nitrogen atmosphere consists of a first heating step in which the reaction proceeds until a conversion of at least 60% or more is achieved, and a second heating step in which the reaction is heated under conditions higher than the first heating step. The method for producing aluminum nitride powder, wherein the temperature of the first heating step is 1450 ° C. or higher and 1580 ° C. or lower, and the temperature of the second heating step is more than 1600 ° C. and 1800 ° C. or lower.
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