(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に形成されたプラズマフレーム中に、酸素量が１００μＬ／Ｌ以下の窒素ガスからなるキャリアガスに同伴させてシリコン粉末を供給し、溶融又はガス化させた後、それを炉内の窒化反応領域に流通させ、炉内温度１５００〜１７００℃の領域にアンモニアガスからなる窒化性ガスを導入し窒化させることを特徴とする高純度窒化ケイ素微粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度窒化ケイ素微粉末の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化ケイ素粉末の製造方法としては、直接窒化法、シリカ還元窒化法、シリコンジイミド熱分解法、四塩化珪素の熱分解法等があるが、これらの方法では、高純度で、しかも平均粒子径０．０１〜０．５μｍの微粉末を工業的規模で製造することは困難である。すなわち、直接窒化法では粉砕時に粉砕機もしくは粉砕メディアから混入した不純物を、シリカ還元窒化法ではシリカやカーボン等の未反応物を、またシリコンジイミド熱分解法では副生塩化物等を除去することが必要となる。一方、モノシラン、ジシラン等の有機シリコンガスを原料に用いることも提案されているが、このガスは高価でありまた危険でもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、シリコン粉末を出発原料とし、プラズマを利用して高純度窒化ケイ素微粉末を製造しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、炉内に形成されたプラズマフレーム中に、酸素量が１００μＬ／Ｌ以下の窒素ガスからなるキャリアガスに同伴させてシリコン粉末を供給し、溶融又はガス化させた後、それを炉内の窒化反応領域に流通させ、炉内温度１５００〜１７００℃の領域にアンモニアガスからなる窒化性ガスを導入し窒化させることを特徴とする高純度窒化ケイ素微粉末の製造方法である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、さらに詳しく本発明について説明する。
【０００６】
本発明で使用される金属シリコン粉末は、平均粒子径が１〜４５μｍであることが望ましい。平均粒子径が１μｍ未満では輸送等の取り扱いに不便であり、また４５μｍ超であると、プラズマフレームによる十分な溶融又はガス化ができず、未反応シリコンの残留が多くなる。４５μｍ超の粒子含有率は、１０質量％以下であることが望ましい。
【０００７】
本発明において、シリコン粉末は、酸素量が１００μＬ／Ｌ以下の窒素ガスからなるキャリアガスに同伴させてプラズマフレームに供給されて溶融又はガス化させた後、速やかにアンモニアガスからなる窒化性ガスと反応させることが特徴である。このように、シリコン粉末の溶融又はガス化領域と、その窒化反応領域とを分け、前者の領域では窒素ガスを、後者の領域ではアンモニアガスを用いることによって、窒化反応領域において、窒化ケイ素の分解を起こさせることなく窒化反応を行わせることが可能となる。従来、溶融シリコンは、窒素との反応性に乏しいとされてきたが、プラズマを用いた場合には容易に反応し、微細な窒化ケイ素粉末の合成が可能となる。この理由は不明であるが、プラズマ状態では、溶融されたシリコンが非常に閑静な状態にあることと関連していると考えている。
【０００８】
シリコン粉末の溶融又はガス化領域と、その窒化反応領域における系内の酸素濃度は、３００μＬ／Ｌ以下、特に１００μＬ／Ｌ以下であることが好ましい。酸素濃度が３００μＬ／Ｌ超であると、溶融又はガス化したシリコンが酸化を受けるので好ましくない。
【０００９】
プラズマフレームの形成は、直流プラズマ装置、高周波プラズマ装置等によって行うことができるが、シリコン粉末の供給の容易さと、不純物混入を可及的になくする点から、高周波プラズマ装置が好ましい。
【００１０】
図１に、本発明の窒化ケイ素微粉末の製造装置の概略図の一例を示した。この装置は、シリコン粉末の溶融又はガス化領域と、その窒化反応領域を有する炉と、回収部とで構成されている。
【００１１】
符号１は、シリコン粉末の供給管であり、例えばスクリューフィーダーから供給されてきたシリコン粉末は、非酸化性からなるキャリアガスによって炉７内に供給される。符号２は高周波電源であり、例えば１３．５６ＭＨｚの能力と整合器を有するものである。符号３はコイル、符号４は覗き窓である。覗き窓は、炉内の様子を観察するものであり、例えば水冷等で冷却された管体の先端部に偏光ガラスが嵌め込まれたものである。
【００１２】
符号５は、窒化性ガスの導入管であり、例えばアルミナ管を炉内温度１６００℃以上である部分に設置される。その設置は、炉体に対して鋭角に取り付けることが好ましく、これによって上方から流れてきた溶融又はガス化したシリコンを窒化させながら、下方にスムーズに流せるようになる。符号６は、溶融又はガス化したシリコンの温度を測定するための温度計であり、例えば二色温度計である。
【００１３】
符号７は、カンタル炉、シリコニット炉等の炉体であり、例えばアルミナ管の周りを発熱体と、アルミナ繊維・レンガ等の断熱材とで覆われた構造である。炉体寸法の構成比率の一例を示せば、炉長が１００ｃｍである場合、内径１０〜３０ｃｍ、溶融又はガス化領域の長さ５〜３０ｃｍ、窒化反応領域９５〜７０ｃｍである。炉体は、溶融又はガス化したシリコンの温度が１６００℃以下になった場合には、適宜１６００℃超にまで再加熱できるようになっている。
【００１４】
溶融又はガス化領域には、プラズマ発生装置が設けられており、それは石英、アルミナ等の絶縁性管体にコイルを巻き付けた構造である。高周波電源から高周波がコイルに供給されることによって、管体内部にプラズマフレームが形成される。高周波効率を高めるため、永久磁石又は電磁石等の磁石を備えた高周波マグネトロン型のプラズマ発生装置等であってもよい。
【００１５】
窒化反応領域は、上方から流れてきた溶融又はガス化したシリコンと、炉内に導入した窒化性ガスとを反応させる領域である。溶融又はガス化したシリコンの流通は排気装置の運転によって行われ、窒化性ガスの導入は、マスフローコントローラー又は流量計を経て行われる。窒化反応領域の温度は、１６００℃以上に保持されていることが好ましいので、この調節は炉体に取り付けられた発熱体によって行われる。
【００１６】
符号８は、生成した窒化ケイ素粉末を捕集する回収部であり、例えば二重ダンパー構造である。符号９は、炉内を真空引きする、シリコン粉末の供給又は残余ガスの排気を行う、生成した窒化ケイ素微粉末を回収部に搬送するための排気装置であり、例えばブロアーである。
【００１７】
本発明においては、まず、排気装置を作動させて炉内を１．０×１０−６Ｐａ以下の真空度にした後、高周波電極に高周波を印加する。その後、キャリアガスを流通させながら、プラズマフレームを形成させる。プラズマフレームが安定したら、シリコン粉末をキャリアガスによって炉頂部から供給する。キャリアガスとしては、酸素量１００μＬ／Ｌ以下の窒素ガスが用いられる。
【００１８】
シリコン粉末が、プラズマフレーム内で溶融又は気化していることを、覗き窓からの状態観察と、温度が１６００℃以上になっていることによって確認した後、窒化性ガスを導入する。窒化性ガスは、炉内温度１５００〜１７００℃の領域に導入することが好ましく、また１００℃以上に加温してから導入することが好ましい。窒化性ガスとしては、アンモニアガスが用いられる。
【００１９】
生成した窒化ケイ素粉末は、排気装置を運転して、炉内から回収部に搬送され捕集される。捕集に際しては、酸素との接触を避けることが好ましいので、ドラフトチャンバー等を取り付け、内部を窒素置換しながら行うことが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例及び比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２１】
実施例１
図１に示される窒化ケイ素微粉末製造装置を用いた。この装置は、アルミナ管体（長さ１００ｃｍ、内径２０ｃｍ）の周りを発熱体と、アルミナ繊維・レンガ等の断熱材とで覆われた炉体を有し、溶融又はガス化領域の長さ１５ｃｍ、窒化反応領域８５ｃｍに設計されている。また、炉体にはアルミナ管からなる窒化性ガスの導入管を鋭角に取り付けられている。回収部は窒素ガスを流通させた二重ダンパーであり、排気装置はブロワーである。
【００２２】
炉内を１×１０-7Ｐａ以下の真空度にした後、シリコン粉末の供給管から、酸素濃度が１０μＬ／Ｌの窒素ガスを５０Ｌ／ｍｉｎで流しながら、高周波電源に高周波を印加し、プラズマフレームを発生させた。その後、平均粒子径１５μｍのシリコン粉末２５ｇ／ｍｉｎをキャリアガス（窒素ガス）５０Ｌ／ｍｉｎに同伴させて供給した。
【００２３】
覗き窓からの状態観察と、温度が１６００℃以上になっていること、とによって、シリコンが溶融又はガス化していることを確認し、温度１６００℃の窒化反応域に窒化性ガス（アンモニアガス）を４０Ｌ／ｍｉｎ導入し、生成した窒化ケイ素微粉末を回収部で捕集した。
【００２４】
比較例１
シリコン粉末のキャリアガスを、窒素ガス５０Ｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス４０Ｌ／ｍｉｎとし、窒化反応域では窒化性ガスを導入しなかったこと以外は、実施例１と同様にして窒化ケイ素微粉末を捕集した。
【００２５】
比較例２
温度が１３００℃に低下している炉内に窒化性ガスを導入したこと以外は、実施例１と同様にして窒化ケイ素微粉末を捕集した。
【００２６】
得られた窒化ケイ素微粉末について、不純物量、平均粒子径、酸素量、窒化率、捕集率を以下に従い測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２７】
（１）不純物量
化学発光分析を用いて鉄、アルミニウム、カルシウムの含有不純物量を測定した。
（２）平均粒子径
レーザー光散乱法（日機装社製商品名「マイクロトラック」）により測定した。
（３）酸素量
ＬＥＣＯ社製酸素／窒素同時分析計を用い、スズカプセルを用いて測定した。
（４）窒化率
ＬＥＣＯ社製酸素／窒素同時分析計を用いて捕集物の窒素量を測定し、式、窒素量×１００／窒化ケイ素の理論窒素量、によって算出した。
（５）捕集率
反応中の任意の５分間において、供給したシリコン粉末量から窒化ケイ素粉末の理論生成量を求め、それに対する捕集された窒化ケイ素粉末量の百分率を求めた。これを３回行いその平均値を求めた。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、微細かつ高純度な窒化ケイ素粉末を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化ケイ素微粉末製造装置の概略図
【符号の説明】
１  シリコン粉末の供給管
２  高周波電源
３  コイル
４  覗き窓
５  窒化性ガスの導入管
６  温度計
７  炉体
８  回収部
９  排気装置
【図１】
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