(57)【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。
【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６１−２０５６０６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、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５０μｍ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、１００〜１０００ｇ／Ｎｍ3、特に１００〜５００ｇ／Ｎｍ3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、２００℃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３０００ｍｍ）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、Ｓｉ、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】
0004545357.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004545357.tif 000003
【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
【図１】
0004545357.tif 000004