JPS6345105A - 窒化アルミニウム微粒子の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 帝業上の利用分野 本発明は、窒化アルミニウム微粒子の新規な製造方法に
関し、特に、緻密性、熱伝導性、絶碌性および誘電性に
優れた窒化アルミニウム焼結体の原料として好適な、高
純度かつ微細な窒化アルミニウム微粒子を製造する方法
に関する。

従来の技術 近年、半導体装置において高速化、高集積化等の動向が
みられ、特にＬＳＩでは集積度の向上が著しい。これに
伴って従来より問題とされてきた半導体素子の発熱によ
る動作性への影響が一層深刻化している。これに対処す
るため、様々な素子冷却法が提案されているが、その中
でも放熱性の優れた基板、ヒートシンクの開発に対する
要求が年々高まっている。

従来、ＩＣ基板用材料としてはアルミナセラミックスが
使用されてきたが、このアルミナセラミックス材料は、
熱伝導率が低く、十分な放熱性を確保できず、半導体素
子の上記のような発熱量の増大に十分対応できなくなり
つつある。そこで、このようなアルミナ基板に代る高熱
伝導率を有する新しい基板材料の開発が望まれており、
これに応えるものとして窒化アルミニウム（、ＡＩＮ）
が注目され、基板あるいはヒートンンクなどとして実用
化するための多数の研究がなされている。

しかしながら、このような高熱伝導率を有するＡＩＮは
、その熱伝導機構が主として格子振動間の非調和相互作
用によるフォノン伝導であるため、結晶内に不純物、気
孔等を含有する場合にはフォノン散乱が著しくなり、そ
の高い熱伝導率が損なわれるという問題が知られている
。また、ＡＩＮは本来的に焼結性に劣ることも知られて
いる。

ところで、このようなＡＩＮ焼結体の原料となるＡＩＮ
粉末の製法としては、従来から、金属アルミニウム（Ａ
１）粉末を窒素（Ｎ２）またはアンモニアガス（ＮＨ３
）で窒化する方法（以下、金属層窒化法という）および
アルミナとカーボンの混合粉末をＮ２またはＮＨ３’に
囲気下で焼成する方法（以下、アルミナ還元法という）
等が知られている。

発明が解決しようとする問題点 上記の如＜、ＡＩＮは各種興味ある特性を有することか
ら様々な分野で注目されているが、熱伝導率の問題、焼
結性の問題等、これを実用化するために解決しなければ
ならないいくつかの問題が残されており、特に高純度化
し、かつ微細化することにより焼結性および最終製品の
′１２熱特性を改善する必要がある。

しかし、前記の金属ＡＩ窒化法は、原料として微細かつ
高純度の金属ＡＩ粉末の人手が困難なため、この方法で
得られる。ＡＩＮ粉末は比較的粒径が粗（なり、従って
、このような粉末を焼成用原料として用いるには粉砕工
程が必要不可欠であった。しかもこの粉砕工程において
は不純物の混入が避けられず、焼成後、得られたＡＩＮ
焼結体には未反応の金属Ａ１等の不純物が０．５〜数重
量％含まれており、その影響でＡＩＮの本来有する高熱
伝導率が低下して半導体基板等の材料として使用に耐え
なくなるという問題を有していた。

一方、アルミナ還元法においては、焼成に好適である比
較的微細で均一な粒径を有するＡ’ｉＮｔ、Ｊ末を製造
することができるが、このためには高純度のアルミナ原
料粉末および微細なカーボン粉末が必要であり、しかも
、複雑な工程を要するため金属ＡＩ窒化法に比べて２倍
以上のコストがかかるという問題を有していた。また、
この方法においては未反応の金属ＡＩがＡＩＮ粉末内に
残留し易いという問題も有していた。

そこで、本発明の目的は、焼結性に優れ、高純度かつ微
細なＡＩＮ微粒子を、複雑な工程を必要とせずに、製造
する方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者らは上記問題を解決すべく鋭意検討・研究を重
ねた結果、金属Ａ１を所定の雰囲気下で気化し、窒化反
応させることで本発明の目的である微細かつ高純度なＡ
ＩＮ微粒子が得られ、かつこの微粒子により得られる焼
結体が良好な放熱特性を与えることを見出し、不発明に
至った。

即ち、本発明は、Ｎ２および／また１ｔＮＨ３を含む減
圧雰囲気下で金属ＡＩを蒸発させ、これを窒化する工程
を含むＡＩＮ微粒子の製造方法を提供するものである。

まず、本発明において、蒸気化した金、属Ａｌを窒化す
るガス雰囲気としては、所定量のＮ２および／またはＮ
Ｈ３を、通常１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以上の真空度の反応容器
内に導入することで得られる。この際、反応容器内に導
入されたＮ２および／またはＮ１−１３ガスの分圧は、
？、　５　Ｘ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以上であることが好ま
しく、実用的には反応速度、反応の効率等の点より０．
５〜２ＱＴｏｒｒの範囲とすることが好ましい。

Ｎ２および／またはＮＨ３の分圧が７．５　Ｘ　１Ｏ−
５Ｔｏｒｒ未満になると窒化反応は殆ど進行しな（なり
好ましくない。窒化反応によって得られるＡＩＮ微粒子
の純度を低下させないために、反応ガスであるＮ２およ
び／またはＮＨ３の純度は高い方がよく、また反応容器
内に他のガス等の不純物を混入させないようにすること
が好ましい。

次に、本発明において金属Ａｌを蒸発させるには、通常
の金属を蒸発させる方法でよく、例えば１状の金属ＡＩ
をルツボに入れ、ルツボ内の金属Ａ１を溶融し、蒸発す
る程度に加熱すればよい。原料である金属Ａ１は、ＡＩ
Ｎの目標純度に応じてできるだけ高純度のものがよく、
ル顎としては扮砕工程などにおいて不純物混入の可能性
のある扮末より塊状の方が比較的純度の高い原料が得ら
れるので好ましい。

この際用いられるルツボは、高純度なものが好ましく、
その材質としては溶融したアルミニウムと反応しない材
質、例えばＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡＩＮ。

グラファイト等が好ましい。また、加熱に用いるヒータ
ーは、特に制限はなく抵抗加熱式あるいは誘導加熱式な
ど任意のヒーターでよい。

本発明の製造方法で得られるＡＩＮの純度を低下させな
いために、反応容器内に上記のガスを導入する前に反応
容器を１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以上の真空度に保ち、ルツボの
加熱温度を８００℃程度になるようにして反応器内壁、
ルツボ等に吸着、付着しているガスを除去しておくこと
が好ましい。

本発明の製造方法によると、前記のＮ２および／または
ＮＨ３含有雪囲気下で上記のようにして金属ＡＩを蒸発
させ、金属ＡＩ蒸気を窒化させて、ＡＩＮ微粒子を得る
。この際、反応容器内を減圧状態に保持することが必要
である。その後、得ちれたＡ！＼激拉子を、適当な手段
て捕集することによって目的とする１・＼ＩＮ微粒子を
得ることができる。適当な捕集方法としては、通常、前
記の反応容器にダクトを設けて真空ポンプなどで吸引す
る方法が用いられる。得られたＡＩＮ微粒子は、捕集装
置から取り出した後、酸化する可能性があるが、捕集の
際、有機溶剤に含浸させることによってこれを防止する
こともできる。

本発明の方法により得られるＡＩＮ微粒子の粒径は電子
顕微鏡観測によれば５０〜２０００人程度である。

粒径をこの範囲内に制限することにより、良好な焼結性
が保証される。微粒子の粒径は上記のガス圧により制御
することができ、−、ＩＱに粒径はガス圧に比例する傾
向がある。従って、Ｎ２および／またはＮＨ３分圧また
は反応雰囲気の全圧と、粒子との相間々係を予め求めて
おき、これに従って目的とする粒径のＡＩＮ微粒子を再
現性良く製造することができるっ 次に、本発明の製造方法に用いられろ製造装置について
説明する。第１図は本発明の製造方法に用いられる製造
装置の一具体例であり、主にＡＩＮ反応系、ＡＩＮ微粒
子捕集系および反応ガス制御系の３つの系から構成され
ている。

まず、＾ＩＮ反応系は反応ガス含有減圧雰囲気下でＡＩ
蒸気を窒化させてＡＩＮ微粒子を形成するものであり、
真空チャンバ１と、その下方に配ゴされたルツボ２と、
ルツボ２を包囲しこれを加熱するヒータ３と、真空排気
系４とを備えている。

このＡＩＮ反応系は、例えば真空チャンバ１の底部から
その内部に挿入され、ルツボ２のわずか上方に開放端部
が位置するように配設された反応ガス導入管手段５によ
って反応ガス制御系と接続されている。この反応ガス制
御系はＡＩＮ反応系における反応ガス（Ｎ２および／ま
たはＮＨ，）の所定の分圧を維持するように機能し、Ｎ
２源６およびＨＮ、源７と、これらの流予１節用バルブ
８とガスモニタ９かみ構成されている。

また、ＡＩＮ反応系で形成されたＡＩＮ微粒子は、これ
とダクトを介して連結しているＡｉＮ微粒子捕隼系によ
り捕収される。この捕集系は、例えばグローブボックス
を（Ｒえたガラス製ペルジャーなどの微粒子捕集装置１
１、およびこれと接続され生成微粒子を捕集装置まで輸
送し、未反応ガス、ガス状分解生成物などを回収・廃棄
するためのポンプ手段１２を含む。勿論、ポンプ１２に
より回収された未反応ガスを反応ガス導入管５を介して
ＡＩＮ反応系に再循環させることも可能である。

上記の３つの系からなる本発明の製造方法に用いられる
製造装置を運転してＡＩＮ微粒子を得るには、まず、反
応容器１内のルツボ２に原料である金、属人＋塊を投入
し、真空排気系４で反応容器内を１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以上
の真空度にした後、反応ガスであるＮＨ３およびＮ２を
導入管５より所定の流量で導入し、反応容器内の圧力を
バルブ８を使って所定の渣に訓整する。次いで、ヒータ
ー３により金属ＡＩを加熱することによりＡＩ蒸気を発
生させ、窒化反応させることができる。この窒化反応で
得られたＡＩＮ微粒子はガス循環ポンプ１２によりダク
ト１０をＪしてＡＩＮ微粒子捕集装首１１で捕集するこ
とができる。

作用 ＩＣ用基板、ヒートシンクなどとして有用なＡＩＮ焼結
体の原料であるＡＩＮ粉末は微細かつ高純度な微粒子で
あることが必要である。

本発明の製造方法によると、従来法では得られなかった
高純度なＡＩＮ微粒子が得られる。従来法では、原料で
ある金属Ａｔやアルミナを粉末状で用いるため高純度な
ものが得難く、しかも、その粉末もあまり微細なものが
得られないので、焼結体の原料として用いるには酸化反
応や不純物の混入が起こりやすい粉砕工程が必要であっ
た。しかし、本発明の製造方法では、まず原料の形態は
特に制約されず、高純度である塊状原料（必要に応じて
９９、９９％の純度のものも入手可能）の使用が可能と
なるばかりでなく、焼結体の原料として用いるには特に
粉砕工程も必要とせず、しかも、窒化反応も不純物の混
入の恐れの少ない減圧された高純度気相中で進行するた
め極めて高純度なＡＩＮ？ｉｊ、粒子の製造が保証され
る。

また、本発明の製造方法で得られたＡＩＮ微粒子は実施
例に示したように極めて微細である。前記の従来の方法
は、金属Ａ１あるいはアルミナの粉末を窒素ガス雰囲気
下において焼成することによって窒化させるが、この際
、これらの粉末は互いに焼結あるいは融着したりするこ
とにより粗大化し、１μｍ以下の粒径の微粒子を得るこ
とが困難であった。一方、本発明は蒸気化した極めて微
細な金属Ａ１粒子またはＡＩ原子とＮ２およびＮ　Ｈ３
の気体分子とが反応するため、実施例でも見られるよう
に１μｍ以下の極めて微細な微粒子が容易に得られる。

かくして、本発明の方法によれば、高純度かつ微細なＡ
ＩＮ粉末を容易に得ることができるので、目的とするＡ
　ＩＮ　？Ａ結体の焼結性並びに放熱特性を大幅に改善
することが可能となり、ＡＩＮ焼結体を発熱量の大きな
ＬＳＩ等の放熱基板、ヒートシンクとして実用化するこ
とが可能となる。

実施例 次に、本発明を実施例にて具体的に説明するが、本発明
はこれらに限定されるものではない。

実施例１ 第１図における製造装置において、まず、真空チャンバ
１内に設置された高純度グラファイトルツボ２内に純度
９９．９％の金属ＡＩ塊を投入した。その後、真空チャ
ンバ１内を真空排気系４を用いて１０　’Ｔｏｒｒに排
気した後、反応ガス制御系によってＮ２ガスを１．Ｑｃ
ｃ／ｍｉｎおよびＮ　Ｈ３ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎの流
量でそれぞれ導入し、ＡＩＮ微粒子捕集系のバルブなど
によって真空チャンバ１内の圧力が１０Ｔｏｒｒになる
ように調整した。次に、ヒータ３によってルツボ２を加
熱してルツボ内の金属Ａ１を溶融、蒸発させ、窒化反応
させた。窒化反応後に形成されたＡＩＮ微粒子をＡＩＮ
微粒子捕集装首において未反応ガスから分離し、捕集し
た。また、ガラス製ペルジャー（捕集装置）内壁に付着
した。ＡＩＮに子については、グローブボックス（図示
せず）を用いてＮ２ガス中で捕集した。

このような本発明の製造方法で得られたＡＩＮ粉末につ
いてＩ　ＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ　Ｐｌａｓｒｎａ）法により不純物の分析を行ないそ
の結果を第１表に示した。同時に、従来法である前記の
金属ＡＩ窒化法およびアルミナ還元法で得られた市販の
ＡＩＮ粉末（それぞれ、シュタルク社製、徳山曹達■製
）についても、本発明の製造方法で得られたＡＩＮｖＪ
末と同様にして不純物の分析を行ない、その結果を第１
表に示した。

第１表 また、本発明の製造方法により得られたＡＩＮ粉末およ
び前記の不純物分析で用いた２種類の市販品のＡＩＮｖ
Ｊ末について、ＢＥＴ法により比表面積の測定を行ない
、それぞれ、結果を第２表に示した。

第２表 第２表の比表面積（ＢＥＴ値）の値を換算することによ
って、各々の製造方法により得られたＡＩＮ粉末粒子の
粒径は、第３表に示す様になり、特に本発明の製造方法
で得られた粒子が微細であることがわかる。

実施例２，３ 実施例１において、真空チャンバ内のガス圧を第３表に
示す値にした以外は、実施例１と同様にしてＡＩＮ粉末
を得、ＩＣＰ法により不純物の分析およびＢＥＴ法によ
る比表面積の測定を行なった。

実施例２および３で得られたＡＩＮ粉末粉末茶純物の含
有量については、第１表に示した実施例１の場合とほぼ
同程度であり、高純度のＡ！Ｎ紛夫が得られることがわ
かった。なお、分析結果に見られる酸素含有量について
は池の方法と同程度であるが、本発明の製造方法におけ
る窒化反応の工程はアンモニアの分解反応によって生じ
る水素のため還元性雰囲気であり、この酸Ｓ含有量につ
いては、ＡＩＮ粉末を捕集装置から取り出した後の酸化
によって生じたものと推定できる。従って、前記のよう
に有機溶剤に含浸させることで酸素含有量を低下させる
ことができるであろう。また、粒子径についてはＢＥＴ
法により比表面積を求め、その値から換算して第３表に
示すような値が得られた。これより反応条件であるガス
圧とＡＩＮｒｉ、子の粒径との間には密接な比倒関係が
あることがわかる。

第３表 発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明の製造方法によって
得られたＡＩＮ微粒子は、従来の製造方法によって得ら
れたＡＩＮ粉末に比べて、極めて高純度であり、従って
、本発明の製造方法で得られる微粒子は半導体基板等に
有用である高い熱伝導率を有するＡＩＮ焼結体の材料と
なりうる。しかも、該微粒子は極めて微細であるためＡ
ＩＮ焼結体の焼結性を改善するのに好適である。また、
本発明の製造方法は、粉砕工程やその他の複雑な工程を
要さず、簡略で経済的な方法である。

上記のことから、本発明は、特に半導体基板等の原料を
製造する上で極めて有用でありその工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法に用いる装置の概略図である
。 （主な参照番号） １・・真空チャンバ、　　　２・・ルツボ、３・・加熱
用ヒータ、　　４・・真空排気系、５・・Ｎ２、ＮＨ３
ガス導入管、 ６・・Ｎ２源、　　　　　　７・・Ｎ　）（３源、８・
・流量調節用バルブ、　９・・ガスモニタ、１０・・ダ
クト、　　１１・・微粒子捕集装量、１２・・ガス循環
ポンプ 特許出願人　　　１）　綺　　　明 住友電気工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒素および／またはアンモニアガスを含む減圧雰
   囲気下で金属アルミニウムを蒸発させ、これを窒化する
   工程を含む窒化アルミニウム微粒子の製造方法。
2. （２）窒素および／またはアンモニアガスの分圧が７．
   ５×１０＾−＾５Ｔｏｒｒ以上である特許請求の範囲第
   １項記載の窒化アルミニウム微粒子の製造方法。