专利名称：制备氮化铝的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备氮化铝的方法与装置，特别涉及一种使用燃烧合成反应来有效地制备疏松状氮化铝产物的方法与装置。
背景技术：
近年来，由于氮化铝具有独特的物理特性，例如接近于金属并十倍于氧化铝的高热导性；可与硅和碳化硅相比拟的低热膨胀系数与高电绝缘性；优良的抗热震性；与氧化铝陶瓷材料相当的机械强度；优良的抗腐蚀性等等。因此，氮化铝已成为工业上相当重要的应用材料。氮化铝已被广泛地应用于许多商业用途上，例如电子元件的基板、集成电路的封装材料、散热材料、以及容纳或处理熔融金属和盐的容器。
氮化铝的制备方法通常为热碳素还原和氧化铝的氮化；金属铝与氮气直接反应；气相中氯化铝与氨气进行反应；高温自行合成法(Self-propagatingHigh-temperature Synthesus；SHS)，即燃烧合成(Combustion Synthesus)。前述三种方法和其改善的制备方法均存在下列缺点耗时较多；消耗较多的能源；较低的转换率等。与这三种方法相较，燃烧合成法是一种新发展出来制备氮化铝的方法，其具有快速反应速率；较低的能源消耗；适用于大量生产的简单制备步骤；以及较高的转换率等优点。燃烧合成法基本上是由点火启动自发性化学反应，并快速地传播燃烧波穿过反应混合物，来生产氮化铝。由燃烧合成法成功地生产氮化铝的因素包括有提供足够并全部穿过反应混合物的氮气；避免所生产的氮化铝发生结块，以利于后续之研磨过程；以及实现完全反应。另外，控制氮气的温度、回收氮气以及冷却反应室壁有利于进一步提升制备氮化铝的品质与产率、延长反应室的寿命、并减少生产成本。
以下将叙述几个以燃烧合成法来制备氮化铝的公知技术(1)美国专利第5629278号公开了于0.75至30大气压的氮气中点燃铝或铝合金的粒状材料而制备氮化铝的方法。可在此粒状材料中添加20至60重量百分比的稀释剂，粒状材料中铝转换至氮化铝的转换率为至少75％。
(2)日本特许公开公报昭第63-274605号的专利申请中公开的方法为先以一适当的比例充分地混合铝粉和氮化钠(NaN3)或其它如氮化钾(KN3)、氮化钡(Ba3N2)等；接着将此混合物放入耐高温容器中；然后，将此耐高温容器置入电炉中，此电炉中充满压力小于或等于10kg/cm2的氮气；反应物先在电炉中预热，再以电热线点燃以进行燃烧反应，从而产生氮化铝粉。
(3)Uda et al.(“Preparation of Mixed Ultrafine(Al+AlN)Powders and TheirNitridation”，Physical Chemistry of Powder Metals Production and Processing，TheMinerals，Metals & Materials Society，1989.)公开了使用一种简易炉来制备氮化铝烧结锭的方法先将超细的铝和氮化铝混合而成的反应锭置于冷炉中，再于氮气中加热；当温度到达870K时，发生伴随有强光的反应锭燃烧，然后温度于几秒钟内到达870K至1700K，从而获得了坚硬且多孔的氮化铝烧结锭。
(4)Clark et al.(“Combustion Synthesis Using Microwave Energy”，Ceram.Eng.SciProc.11[9-10]，pp.1729-1742，1990.)公开了一种燃烧合成方法将铝粉倒入熔合的二氧化硅)坩埚中；再将坩埚置入微波炉中，并通入5分钟的氮气以清除空气；然后启动微波源引发高温自行合成(SHS)。
(5)Miyamoto(“New Ceramic Processing Approaches Using Combustion SynthesisUnder Gas Pressure”，Ceramic Bulletin，Vol.69，No.4，pp.686-690，1990.)公开了一种以燃烧合成制备氮化铝的方法，其中将铝粉放在多孔石墨坩埚中，然后将坩埚放在充满着1-10大气压氮气的反应器中。
(6)在Long et al.(“Aluminum Nitride，a Refractory for Aluminum for 2000℃”，Journal of American Ceramic Society，Vol.42，No.2，pp53-59，Feb.1，1959)的论文中，提到Mellor(“Comprehensive Treatise On Inorganic and Theoretical Chemistry”，Vol.VIII，Nitrogen and Phosphorus.Longmans，Green and Co.，New York，1928.)曾报告了Brieglib and Geuther于1862年在大气压的氮气中对铝圈(Al Turnings)加热以产生氮化铝，其中反应温度为约700℃。Mellor还报告了Zengheis公开了氮化铝的形成方式，其中铝先在氧中燃烧，然后当铝金属还在燃烧时，以氮气取代氧气进行反应。
氮化铝燃烧合成的公知制备方法可大致分为两类一种为对反应物加压制成反应锭；另一种则将反应物填入一耐高温容器如石墨或陶瓷坩埚中。其中前者需在燃烧前先将反应物处理为反应锭，因而造成较高的操作成本和复杂的操作步骤；而后者则难以制造出高品质与高产量的氮化铝。此外，公知技术均无法实现前述通过燃烧合成法成功地生产氮化铝的因素。
因此，非常需要发展一种制造氮化铝的方法与装置，以满意地达到前述通过燃烧合成法成功地生产氮化铝的因素，并克服公知技术的缺点。
发明内容
鉴于上述发明背景中，用公知的燃烧合成法制备氮化铝存在以下缺点操作步骤复杂、操作成本高、以及氮化铝品质与产量差，且无法有效地满足前述通过燃烧合成法成功地生产氮化铝的因素。
本发明的目的在于提供一种制备氮化铝的方法与装置，提供足够并全部穿过反应混合物的氮气；避免所生产的氮化铝发生结块，以利于后续的研磨制程；并达到反应完全。
本发明的另一目的在于提供一种制备氮化铝的方法与装置，控制氮气的温度、回收氮气并冷却反应室壁，从而提升制备氮化铝的品质与产率；延长反应室的寿命；以及减少生产成本。
根据本发明的上述目的，本发明提供了一种制备氮化铝的方法首先，制备充满铝粉和稀释剂(氮化铝粉)混合物的反应物包含体，该反应物包含体具有位于其最上端的点燃区、与点燃区相邻的传递区、与传递区相邻的持续区、以及与持续区相邻的结束区。其中在点燃区内填入粒径为约25μm的纯细铝粉；在传递区中填入铝粉与稀释剂的混合物(铝粉与稀释剂的重量比较高)；在持续区中填入铝粉与稀释剂的混合物(铝粉与稀释剂的重量比为中等)；在结束区中填入铝粉与稀释剂的混合物(铝粉与稀释剂的重量比较低)。然后，将反应物包含体的坩埚放置在反应室中具有多个贯穿孔的底座上，并预热至设定温度且持续一段设定时间。对反应室抽真空后，导入再循环氮气并使其穿过反应室中的反应物包含体，且反应室的内壁和外壁之间充有进行再循环的冷却液。接着，在点燃区内点火以进行燃烧合成，从而制备出氮化铝。
另一方面，本发明提供了一种制备氮化铝的方法首先，制备充满铝粉和稀释剂(氮化铝粉)混合物的反应物包含体，该反应物包含体具有点燃区、上层、中间层和下层。每一个上层、中间层和下层均具有位于其中心位置的一传递区、与传递区相邻的一持续区、和与持续区相邻的一结束区。其中在点燃区内仅填入粒径为约25μm的纯细铝粉；而在上层、中间层和下层内填入铝粉和稀释剂的混合物，其中，上层的传递区中所填入混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于点燃区；中间层和下层的传递区中所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比依次减少；对每一个上层、中间层和下层而言，传递区、持续区和结束区中所填入混合物中铝粉对稀释剂的重量比依次减少。然后，将反应物包含体的坩埚放置在反应室中具有多个贯穿孔的底座上，并预热至设定温度并持续一段设定时间。对反应室抽真空后，导入再循环氮气并使其穿过反应室中的反应物包含体，且反应室的内壁和外壁之间充有进行再循环的冷却液。接着，在点燃区点火以进行燃烧合成，从而制备出氮化铝。
此外，本发明还提供了一种制造氮化铝的装置。该制备氮化铝的装置至少包括具有内壁和外壁的反应室，其中内壁和外壁间充有再循环的冷却液；具有多个贯穿孔的底座，其中该底座用来支撑反应物包含体的坩埚；预热装置，用以预热反应物包含体至设定温度并持续一段设定时间；氮气再循环系统，用以抽出热氮气并输入冷氮气，其中氮气再循环系统至少包括一冷却装置，以冷却热氮气而形成冷氮气；以及点火装置，用以点燃反应物包含体来制备氮化铝。
图1为制备氮化铝时，延反应物包含体中燃烧波传递方向的侧视示意图，其中反应物包含体的高度(H)大于反应物包含体直径(D)的两倍；即H＞2D。
图2A和图2B分别为制备氮化铝时，延反应物包含体中燃烧波传递方向的侧视和俯视示意图，其中反应物包含体的直径(D)大于反应物包含体高度(H)的两倍；即D＞2H。
图3A为根据本发明的一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的立体示意图。
图3B为根据本发明之一的较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的俯视示意图。
图4A为根据本发明的又一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的立体示意图。
图4B为根据本发明的又一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的俯视示意图。
图5为根据本发明的再一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的俯视示意图。
图6为根据本发明的一较佳实施例中，制备氮化铝的装置的示意图。
图7为根据本发明的一较佳实施例中，制备氮化铝的装置中底座的结构示意图。
图8为根据本发明的一较佳实施例中，制备氮化铝的装置中坩埚的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的特征在于提供含有铝粉和稀释剂混合物的反应物包含体，混合物中铝粉对稀释剂以多个不同比例存在，其中氮化铝用作稀释剂来降低反应温度，从而使熔化铝粉的聚结达到最小，提高产品的合格率。本发明的特点是根据反应温度在燃烧合成的不同阶段中，填充铝粉和稀释剂混合物，混合物中铝粉对稀释剂(氮化铝粉)有各种不同的重量比。在燃烧合成的开始阶段(传递区)，使用铝粉对稀释剂的重量比较高的混合物来减少稀释剂(氮化铝粉)的含量，从而提高反应温度，使燃烧波得以快速地传播。在燃烧合成的中间阶段(持续区)，使用氮气再循环系统和铝粉对稀释剂的重量比居中的混合物来维持反应温度，从而保持最佳的燃烧状态。在燃烧合成的最终阶段(结束区)，由于反应室已累积了较多的能量与较高的温度，故使用铝粉对稀释剂的重量比较低的混合物来增加稀释剂(氮化铝粉)的含量，从而缓和燃烧反应，逐渐地结束燃烧反应。
请参照图1，其为制备氮化铝时，于反应物包含体中延燃烧波传递方向的侧视示意图，其中反应物包含体的高度(H)大于反应物包含体直径(D)的两倍；即H＞2D。如图1所示，一旦位于反应物包含体最顶端的点燃区44被点燃，燃烧波基本上沿着一维的方向由反应物包含体的顶端传播至其底端，随着燃烧合成的进行，其传播区域分别对应于燃烧合成各阶段的传递区55、持续区66和结束区77，其中每一个传递区55、持续区66和结束区77分别垂直地占据了反应物包含体约1/3的部分。请参照图2A和图2B，其分别为制备氮化铝时，于反应物包含体中延燃烧波传递方向的侧视和俯视示意图，其中反应物包含体的直径(D)大于反应物包含体高度(H)的两倍；即D＞2H。如图2A和图2B所示，一旦位于反应物包含体最顶端的点燃区44被点燃，燃烧波基本上沿着一维的方向由反应物包含体的中心部分传播至其较外端的部分，其分别为水平分布的传递区55、持续区66和结束区77，其中每一个传递区55、持续区66和结束区77分别水平地占据反应物包含体约1/3的部分。为了提高燃烧合成的效率，于点燃区44、传递区55、持续区66和结束区77中，分别填充有铝粉和稀释剂的混合物，混合物中铝粉对稀释剂的重量比有所不同。为了适当地控制燃烧反应的温度，燃烧合成进行越久，则需加入越多稀释剂(即铝粉对稀释剂的重量比愈低)。例如于点燃区44中填入粒径为约25μm的纯细铝粉；传递区55填入的混合物中铝粉对稀释剂(氮化铝粉)的重量比为约6∶1至约12∶1；持续区66填入的混合物中铝粉对稀释剂(氮化铝粉)的重量比为约2∶1至约6∶1；结束区77填入的混合物中铝粉对稀释剂(氮化铝粉)的重量比为约1∶1至约4∶1。
再者，若反应物包含体的高度(H)介于反应物包含体的直径(D)的一半与两倍之间；即D/2≤H≤2D，则可将反应物包含体分成点燃区、上层、中间层和下层，而每一个上层、中间层和下层均具有传递区、持续区和结束区。如前所述，点燃区仅填入有粒径为约25μm的纯细铝粉；上层传递区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于点燃区；中间层和下层传递区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比系依次减少，即中间层传递区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于上层传递区的混合物，而下层传递区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于中间层传递区的混合物。此外，对每一个上层、中间层和下层而言，传递区、持续区和结束区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比依次减少，即持续区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于传递区的混合物，而结束区所填入的混合物中铝粉对稀释剂的重量比低于持续区的混合物。
在制作如图1所示的实施例时，仅需一个中空壳体即可。但在制作如图2A和图2B所示的实施例或D/2≤H≤2D的实施例时，必须于中空壳体中先安置一个多层结构，用以填充其中铝粉对稀释剂的重量比有所不同的混合物。
请参图3A和图3B，其分别为根据本发明的一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的立体示意图和俯视示意图。其中多层结构100由圆柱体20和22组成。然后将多层结构100放置在中空壳体88之中，以形成反应物包含体，形成分别对应于如前所述的传递区、持续区和结束区的分区C1、B1和A1，用以容纳各种混合物，混合物中铝粉对稀释剂重量比各不相同。将各种不同比例的混合物填入分区C1、B1和A1后，圆柱体20和22可被移除或仍保留于原地，亦即圆柱体20和22可依实际需要选择是否参加燃烧反应。中空壳体88可由石墨或铝等制成，其形状可与组成多层结构100的构件相同，例如为圆柱体。
另外，多层结构100也可为其它不同的形状。请参照图4A和图4B，其分别为根据本发明的另一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的立体示意图和俯视示意图。其中多层结构100可由一个一体元件10卷曲至螺旋形而成，并将螺旋形的外端20密封成一封闭端以容纳混合物。然后将多层结构100放置在中空壳体88之中，以形成反应物包含体，从而形成了例如分别对应于传递区、持续区和结束区的分区C2、B2和A2，分区C2、B2和A2可容纳各种混合物，混合物中铝粉对稀释剂的重量比各不相同。外端20可以铝线绑住；或焊接于一体元件10的外表；或以其它适用的方式来形成一封闭端。
请参照图5，图5为根据本发明的再一较佳实施例中，用于制备氮化铝，且具有多层结构的反应物包含体的俯视示意图。多层结构100可由多个多角柱体组成，例如图5所示的两个六角柱体30和32。然后将多层结构100放置在六角柱体形的中空壳体98中，以形成反应物包含体，从而形成分别对应于传递区、持续区和结束区的分区C3、B3和A3，分区C3、B3和A3可容纳各种混合物，混合物中铝粉对稀释剂的重量比各不相同。另外，多层结构100可由铝网、铝片、铝箔、铝丝或其它耐高温材料构成，条件是不同区域可被分割出来填充不同混合物，混合物中铝粉对稀释剂的重量比各不相同。
请参照图6至图8，图6为根据本发明的一较佳实施例中制备氮化铝的装置的示意图。图7为根据本发明的一较佳实施例中制备氮化铝的装置的底座结构示意图。图8为根据本发明的一较佳实施例中制备氮化铝的装置的坩埚结构示意图。坩埚190的外侧部分有一环状槽192，环状槽192用于插入和固定中空壳体88。在中空壳体88插入坩埚190上的环状槽192后，将多层结构100放进中空壳体88中以形成反应物包含体的框架，其中坩埚190具有多个贯穿孔195，用以让氮气穿过。当反应物包含体的框架完成之后，便依据前述说明来填充铝粉和氮化铝粉的混合物，即于结束区中填入其中铝粉对稀释剂的重量比较低的混合物；于传递区中填入其中铝粉对稀释剂的重量比较高的混合物；于反应物包含体的顶端填入纯细铝粉。当反应物包含体准备妥当之后，将坩埚190放置在具有多个贯穿孔125的底座120上，再打开预热装置127，其通过间隙L1安装在反应物包含体的四周，以将反应物包含体加热至设定温度(如约90℃至约400℃)并持续一段设定时间(如约30分钟至约90分钟)，将反应物包含体中的水气排除。接着，关闭预热装置127，再通过真空管路10对反应室140抽真空。坩埚190可由例如石墨制成，其形状可与中空壳体88相对应。
反应室140具有两层侧壁内壁142和外壁144。内壁142和外壁144之间存在进行再循环的冷却液112，其由冷却装置152冷却，以降低反应室140的温度而延长反应室140的寿命。冷却液112可例如为水。接着，使氮气再循环系统通过气体输入口119a、119b和119c、底座120上的贯穿孔125以及填满混合物的反应物包含体，导入氮气至反应室140中。氮气除由反应物包含体的底部穿过反应物包含体外，也可自反应物包含体的四周进入反应物包含体，故本发明并不限于此。氮气再循环系统至少包括冷却装置150、压缩机160和氮气供应槽170。然后，以例如钨丝、钨带、石墨片或石墨带等点火装置130来点燃反应物包含体，以进行燃烧合成以制备氮化铝。在燃烧合成中，反应完的氮气温度上升，再通过气体输出口114a和114b被抽至冷却装置150，然后被压缩机160压缩，使氮气被送回反应室140中(通过大于反应室140中的压力)。虽然对氮气进行回收使用，但反应后仍有一定量的氮气损失掉，因此使用氮气供应槽170来弥补所损失的氮气，其中氮气供应槽170具有一供气口178，用以接收氮气。当反应完成之后，使用排气口111使反应室140中的压力恢复至大气压。
更进一步而言，本发明的又一特征在于提供具有冷却装置的氮气再循环系统。使用氮气再循环系统的目的如下(1)降低氮化铝的温度以维持最佳反应温度，从而避免氮化铝晶粒在高温中成长，其中高温中成长的氮化铝容易烧结成块，而结块的氮化铝会增加后续研磨处理的难度。
(2)进行反应时，反应室的温度增加，其中的压力也由于氮气的膨胀而增加，因此将氮气送回反应室(因反应室的压力太高之故)较为困难，造成氮气输送中断，从而燃烧合成被迫减缓或甚至停止，特别是对于大宗反应混合物而言。因此，借助于具有冷却装置的氮气源，可迅速地降低反应室中的温度，减少其中的压力，故本发明不必使用压力特高的氮气源，就可确保燃烧合成的稳定性与连续性。
(3)当燃烧合成完成之后，冷氮气的再循环可快速地冷却反应室和氮化铝产物，因而减少因氮化铝晶粒表面与空气接触而形成氢氧化铝的机率，从而增加了设备的再使用率。
(4)于反应中进行适当的冷却，可减少加入稀释剂(氮化铝)，因而实质上提高了产品的合格率。而氮气循环可有效地减少氮气的费用。
综上所述，通过使用前述的氮气再循环系统并在反应物包含体的不同区域填入各种混合物，混合物中铝粉对稀释剂(氮化铝)的比例各不相同，反应物可以在最佳反应条件下继续进行反应，得到了优良的反应结果，因而确保了氮化铝产物的品质；容易进行后续的研磨步骤；并且提高了合格率。
另一方面，除氮化铝(AlN)粉外，本发明的稀释剂还可使用例如Al2O3、BN、Si3N4、TiN、SiC、ZrO2、TiO2或SiO2等。
以下将以下列的较佳实施例来说明本发明，此些较佳实施例仅用来举例说明，并未限制本发明的范围。
实施例1-9使用安装在小型石墨坩埚中的小型石墨中空壳体；实施例10-13使用安装在大型石墨坩埚中的大型石墨中空壳体；实施例14-17仅将材料放置在适当的石墨坩埚中而不使用中空壳体。小型石墨中空壳体为外径15cm，高度30cm，厚度1.5cm的圆柱体；小型石墨坩埚为外径15cm，高度10cm的圆柱体；大型石墨中空壳体为外径68cm，高度30cm，厚度2.2cm的圆柱体；大型石墨坩埚为外径68cm，高度10cm的圆柱体。在所有的实施例中，均使用氮化铝为稀释剂，且每一个石墨坩埚和底座均有多个孔，用于使导入的氮气穿过反应物包含体。
实施例1仅有反应室壁冷却将铝粉对氮化铝的重量比为4∶1的铝粉与氮化铝、和1.0％NaN3的均匀混合物填入小型石墨中空壳体中以形成反应物包含体，其中混合物的总重量为1.060kg；密度为0.335mg/cm3。再于反应物包含体的顶端中央位置铺上3mm厚，直径约50mm的纯铝粉层(如图1所示的点燃区44)。当反应物包含体准备好之后，打开预热装置，使反应物包含体的温度维持在90℃～400℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压为3大气压的氮气到反应室内，并以电流30～40安培；电压50～60伏特的电源通入钨丝(点火装置)约1～1.5分钟。一旦引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体，此时氮气压力维持在2～3大气压。当反应物包含体的温度达到2000℃后便不再升高，当反应室内的表压上升至4大气压时，关闭氮气，便完成整个反应过程，其总反应时间共9分50秒。同时，冷却液继续再循环2小时，以降低至反应室的温度。
本实施例的产物为黄色疏松多孔状。反应后重量为1510mg，铝到氮化铝的转化率为99.2％，其中O％＝0.0477％；N％＝33.89％；C％＝0.0771％；S％＝0.0039％。
实施例2具有反应室壁冷却与氮气再循环除了实施例2的反应室中有氮气再循环之外，实施例2的其余步骤类似于实施例1。当反应物包含体的温度达到1900℃时，打开气体输入口和气体输出口，以25～35L/分钟的流量自反应室的顶端抽出氮气。冷却后的氮气被输送泵传送至氮气供应槽内，再以增加为150L/分钟流量的氮气输出至反应室中。当反应物包含体的温度达到1950℃后不再继续上升，直到反应室内的表压升至4大气压时，氮气流量减少为30L/分钟，从而完成反应过程，其反应时间共10分钟20秒。随后，使氮气持续再循环30～40分钟，直到反应物包含体的温度为400℃。
本实施例的产物为黄色疏松多孔状。反应后重量为1450mg，铝到氮化铝的转化率为99.8％，其中O％＝0.0431％；N％＝34.09％；C％＝0.076％；S％＝0.0037％。
实施例3～8于实施例2中填入不同比例的铝∶氮化铝除了应用不同的铝对氮化铝的比例外，实施例3～8的其余步骤类似于实施例2。实施例3～8的结果如表一所示。
表一
实施例9于中空壳体中填入不同比例之铝∶氮化铝除了中空壳体中填入有不同比例的铝∶氮化铝之外，实施例9的其余步骤类似于实施例2。将铝粉对氮化铝的重量比为2∶1的铝粉与氮化铝、和1.0％NaN3的均匀混合物(0.35kg)填入中空壳体的底部(如图1所示的结束区77)；将铝粉对氮化铝的重量比为4∶1的铝粉与氮化铝、和1.0％NaN3的均匀混合物(0.35kg)填入中空壳体的中间部(如图1所示的持续区66)；将铝粉对氮化铝的重量比为6∶1的铝粉与氮化铝、和1.0％NaN3的均匀混合物(0.34kg)填入中空壳体的顶部(如图1所示的传递区55)，其中反应材料的总重量为1.04kg；密度为0.329mg/cm3。再于反应物包含体的顶端中央位置铺上3mm厚和直径约50mm的纯铝粉层(即如图1所示的点燃区44)。
本实施例的后续步骤类似于实施例2中的步骤，其总反应时间共10分20秒。本实施例反应后的产物为黄色疏松多孔状、易敲碎且无针状晶须。反应后重量为1415mg，铝到氮化铝的转化率为99.2％，其中O％＝0.0429％；N％＝34.04％；C％＝0.087％；S％＝0.0045％。
实施例10具有反应室壁冷却与氮气再循环将铝粉对氮化铝的重量比为4∶1的铝粉与氮化铝、和1.0％NaN3的均匀混合物填入大型石墨中空壳体以形成反应物包含体，其中混合物的总重量为30.3kg；密度为0.341mg/cm3。再于反应物包含体的顶端中央位置铺上3mm厚和直径约50mm的纯铝粉层(如图2所示的点燃区44)。当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～400℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环于，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气到反应室内，并以电流30～40安培；电压50～60伏特的电源通入钨丝(点火装置)约1～1.5分钟。一旦引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为150～750L/分钟的氮气穿过反应物包含体，此时氮气压力维持在2～3大气压。当反应物包含体的温度达到约2000℃时，打开气体输入口和气体输出口，以120～200L/分钟的流量自反应室的顶端抽出氮气。冷却后的氮气被输送泵传送至氮气供应槽内，再以增加为750～1000L/分钟流量的氮气输出至反应室中。当反应物包含体的温度达到2100～2200℃后不再继续上升，直到反应室内的表压升至3.5大气压时，减少氮气流量为120L/分钟，从而完成反应过程，其反应时间共24分钟。随后，氮气持续再循环50分钟直到反应物包含体的温度为500℃。
反应后，位于反应物包含体顶部及四周的产物为灰白色疏松状，中心区域的产物为黄色疏松多孔状、有晶须产生。产物的总重量为42.1kg，而铝到氮化铝的转化率为99.1％，其中O％＝0.0821％；N％＝33.58％；C％＝0.0237％；S％＝0.0022％。
实施例11于中空壳体中填入不同比例之铝∶氮化铝并移除多层结构除了于中空壳体的多层结构中填入不同比例的铝氮化铝之外，实施例11的其余步骤类似于实施例10。请参照图3A和图3B。在大型石墨中空壳体88中，使用长65cm、宽30cm、厚0.5mm的铝片来围成直径20cm的圆柱体(即圆柱体20)；使用长128cm、宽30cm、厚0.5mm的另一张铝片来围成直径40cm的圆柱体(即圆柱体22)。将重量比为8∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(2.8kg；0.318mg/cm3)填入分区C1；将重量比为6∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(8.9kg；0.328mg/cm3)填入分区B1；将重量比为4∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(18.2kg；0.331mg/cm3)填入分区A1。在混合物完全填充人反应物包含体后，移除圆柱体20和圆柱体22。
实施例11的后续步骤类似于实施例10中的步骤，其总反应时间共25分10秒。反应后，位于反应物包含体顶部及四周的产物为灰白色疏松状，中心区域的产物为黄色疏松多孔状，有晶须产生。反应后重量为40.8kg，铝到氮化铝的转化率为99.8％，其中O％＝0.0837％；N％＝34.025％；C％＝0.0249％；S％＝0.0024％。
实施例12于中空壳体中填入不同比例的铝∶氮化铝，但不移除多层结构除了不移除多层结构外，实施例12的其余步骤类似于实施例11。在混合物完全填充入反应物包含体后，实施例12具有三个圆柱体和四个分区。在大型石墨中空壳体中，使用长65cm、宽30cm、厚0.5mm的铝片来围成直径20cm的圆柱体；使用长128cm、宽30cm、厚0.5mm的又一张铝片来围成直径40cm的圆柱体；使用长160cm、宽30cm、厚0.5mm的再一张铝片来围成直径50cm的圆柱体。接着由内到外，将重量比为8∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(2.9kg；0.325mg/cm3)填入第一分区(最内层部分)；将重量比为6∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(9.0kg；0.331mg/cm3)填入第二分区；将重量比为4∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(6.5kg；0.328mg/cm3)填入第三分区；将重量比为2∶1的铝粉和氮化铝，以及1.0％NaN3的混合物(11.0kg；0.326mg/cm3)填入第四分区(最外层部分)。在混合物完全填充入反应物包含体后，圆柱体20和圆柱体22仍停留在原地。
实施例12的后续步骤类似于实施例10中的步骤，其总反应时间共25分40秒。反应后，位于反应物包含体顶部及四周的产物为灰白色疏松状，中心区域的产物为均匀黄色疏松状。反应后重量为41.3kg，铝到氮化铝的转化率为99.7％，其中O％＝0.075％；N％＝34.06％；C％＝0.0314％；S％＝0.0031％。
实施例13由细铝网制成的实心圆柱体，且覆盖有混合物将长20cm、宽28cm、厚0.25mm、交织孔隙为1mm的铝网(1079mg)卷成直径12cm、高27.5cm的实心圆柱体，再将此实心圆柱体插入如实施例1所示的小型石墨中空壳体以形成反应物包含体，其中反应物包含体的密度为0.3558mg/cm3。接着，以铝粉对氮化铝重量比为4∶1的铝粉与氮化铝，以及1.5％NaN3的混合物(100mg)覆盖反应物包含体的外表，再于反应物包含体顶端的中央位置铺上纯铝粉层(3mm厚、100mg)。
当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～400℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环于，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气到反应室内，并以电流30～40安培；电压50～60伏特的电源通入钨丝(点火装置)约1～1.5分钟。一旦引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体，此时氮气压力维持在2～3大气压。当反应物包含体的温度达到约1800～2000℃时，打开气体输入口和气体输出口，以25～35L/分钟的流量自反应室的顶端抽出氮气。冷却后的氮气被输送泵传送至氮气供应槽内，再以增加为150L/分钟流量的氮气输出至反应室中。当反应物包含体的温度达到2000℃后不再继续上升，直到反应室内表压升至4大气压时，将氮气流量减少为30L/分钟，从而完成反应过程，其反应时间共10分钟20秒。随后，氮气持续再循环30～40分钟直到反应物包含体的温度为600℃。
反应后，产物为黄绿色至黄色的疏松网状、易敲碎。产物的总重量为1580mg，而铝到氮化铝的转化率为99.2％，其中O％＝0.0553％；N％＝33.97％；C％＝0.0973％；S％＝0.0040％。
实施例14由细铝网制成的实心圆柱体，且覆盖有混合物，但不使用石墨中空壳体除了不使用石墨中空壳体外，实施例14的其余步骤类似于实施例13。将长20cm、宽28cm、厚0.25mm、交织孔隙为1mm的铝网(1079mg)卷成直径12cm、高27.5cm的实心圆柱体，且以铝线固定在反应室的底座上形成反应物包含体，其中反应物包含体的密度为0.3558mg/cm3。接着，以铝粉对氮化铝重量比为4∶1的铝粉与氮化铝，以及1.5％NaN3的混合物(100mg)覆盖反应物包含体的外表，再于反应物包含体顶端的中央位置铺上纯铝粉层(3mm厚)。
当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～200℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气到反应室内，并以电流30～40安培；电压50～60伏特的电源通入钨丝(点火装置)约1～1.5分钟。一旦引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体，此时氮气压力维持在2～3大气压。当反应物包含体的温度达到约1800～2000℃时，打开气体输入口和气体输出口，以30L/分钟的流量自反应室的顶端抽出氮气。当冷却的氮气被输送泵传送至氮气供应槽内，再以增加为150L/分钟流量的氮气输出至反应室中。当反应物包含体的温度达到2000℃后不再继续上升，直到反应室内的表压升至4大气压时，将氮气流量减少为30L/分钟，从而完成反应过程，其反应时间共10分钟45秒。随后，氮气持续再循环30～40分钟直到反应物包含体的温度为600℃。
反应后，产物为黄绿色至黄色的疏松网状、易敲碎。产物的总重量为1543mg，而铝到氮化铝的转化率为98.9％，其中O％＝0.0875％；N％＝39.886％；C％＝0.0823％；S％＝0.0032％。
实施例15由粗铝网制成的实心圆柱体，且覆盖有混合物除了使用粗铝网来取代细铝网外，实施例15的其余步骤类似于实施例13。将长6m、宽28cm、厚0.7mm、交织孔隙为3mm的粗铝网(692mg)卷成直径12cm、高28cm的实心圆柱体，再将此实心圆柱体插入如实施例1所示的小型石墨中空壳体以形成反应物包含体，其中反应物包含体的密度为0.513mg/cm3。接着，以铝粉对氮化铝重量比为4∶1的铝粉与氮化铝，以及1.5％NaN3的混合物(100mg)覆盖反应物包含体的外表，再于反应物包含体顶端的中央位置铺上纯铝粉层(3mm厚)。
当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～200℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气于反应室内，并施加电流于钨丝(点火装置)以引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体，此时氮气压力维持在2～3大气压。当反应物包含体的温度达到约1950℃时，打开气体输入口和气体输出口，自反应室的顶端抽出氮气。当反应物包含体的温度不再继续上升，且直到反应室内的表压升至4大气压时，反应完成，反应时间共9分钟50秒。随后，氮气持续再循环30分钟，而冷却液持续再循环2小时。
反应后，产物为黄绿色至黄色的疏松网状、易敲碎。产物的总重量为1030mg，而铝到氮化铝的转化率为98.2％，其中O％＝0.0879％；N％＝33.964％；C％＝0.0301％；S％＝0.003％。
实施例16由细铝网制成的中空圆柱体，且覆盖有铝箔将覆盖有铝箔的长15m、宽28cm、厚0.25mm、交织孔隙为1mm的铝网(总重量811mg)卷成内径1.5cm、外径10cm、高度28cm中空圆柱体，再将此中空圆柱体插入如实施例1所示的小型石墨中空壳体以形成反应物包含体，其中反应物包含体的密度为0.39mg/cm3。接着，以铝粉对氮化铝重量比为4∶1的铝粉与氮化铝，以及1.5％NaN3的混合物(100mg)填入此中空圆柱体，再于反应物包含体顶端的中央位置铺上纯铝粉层(3mm厚)。
当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～200℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气于反应室，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气于反应室内，并施加电流于钨丝(点火装置)以引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体。当反应物包含体的温度达到约2000℃时，打开气体输入口和气体输出口，自反应室的顶端抽出氮气。当反应物包含体的温度不再继续上升，且直到反应室内的表压升至4大气压时，反应过程完成，反应时间共11分钟。随后，氮气持续再循环30分钟，而冷却液持续再循环2小时。
反应后，产物为黄绿色至黄色的疏松网状、易敲碎。产物的总重量为1230mg，而铝到氮化铝的转化率为98.6％，其中O％＝0.0792％；N％＝33.83％；C％＝0.1172％；S％＝0.0025％。
实施例17由细铝网制成的实心圆柱体，且覆盖有铝箔将覆盖有铝箔的长17m、宽28cm、厚0.25mm、交织孔隙为1mm的铝网(总重量835mg)卷成直径10cm、高度28cm实心圆柱体，再将此实心圆柱体插入如实施例1所示的小型石墨中空壳体以形成反应物包含体，其中反应物包含体的密度为0.39mg/cm3。接着，将反应物包含体放入预先铺设粒径2～4mm、厚度1cm的氮化铝颗粒的底座上。以粒径0.8～1.2mm的氮化铝颗粒塞满实心圆柱体与小型石墨中空壳体的空隙部份，再以铝粉对氮化铝重量比为4∶1的铝粉与氮化铝，以及1.5％NaN3的混合物覆盖反应物包含体，再于反应物包含体顶端的中央位置铺上纯铝粉层(3mm厚)。
当反应物包含体准备好之后，打开预热装置以使反应物包含体的温度维持在90℃～400℃达30～60分钟。关闭预热装置并使用真空抽气系统对反应室抽真空后，注入1大气压的氮气到反应室中，并启动反应室的内壁和外壁之间的冷却液(水)再循环，其中冷却液的温度保持于约50℃。接着，输入表压2大气压的氮气于反应室内，并施加电流于钨丝(点火装置)以引燃位于反应物包含体顶端的纯铝粉后，立即关闭钨丝的电源，并打开底座下方的气体输入口，以导入流量为120L/分钟的氮气穿过反应物包含体。当反应物包含体的温度达到约1950℃时，打开气体输入口和气体输出口，自反应室的顶端抽出氮气。当反应物包含体的温度不再继续上升，且直到反应室内的表压升至4大气压时，反应过程完成，反应时间共11分钟。随后，氮气持续再循环35分钟，而冷却液持续再循环2小时。
反应后，产物为黄绿色至黄色的疏松网状、易敲碎。产物的总重量为1252mg，而铝到氮化铝的转化率为98.7％，其中O％＝0.5540％；N％＝33.872％；C％＝0.8888％；S％＝0.0202％。
由上述本发明的较佳实施例可知，本发明的优点之一在于提供了一种制备氮化铝的方法与装置，其中氮气被回收且冷却，且氮气从具有多个贯穿孔的底座充分地穿过反应混合物，故可减少生产成本；并确保输入足够的氮气至反应室中，从而完成反应。
本发明的又一优点在于提供了一种制备氮化铝的方法与装置，其中多层结构的应用可降低包含于空气的水气，故可简化反应混合物的脱水处理；并可允许不同组成的反应混合物填充于多层结构的各个区域，而有利于后续研磨步骤的进行，并确保氮化铝的品质。
本发明的又一优点在于提供了一种制备氮化铝的方法与装置，其中不同组成的反应混合物可根据燃烧的不同阶段而填充于多层结构中，故可维持最佳燃烧状态，从而完成反应。
本发明的再一优点在于提供了一种制备氮化铝的方法与装置，其中在反应室的内壁与外壁之间进行冷却再循环，故可延长反应室的寿命。
虽然本发明中公开了如上的较佳实施例，但这些实施例并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种制备氮化铝的方法，至少包括制备反应物包含体，该反应物包含体内填充有由铝粉和稀释剂所组成的混合物，且具有坩埚；将该反应物包含体的坩埚放置于反应室中；将该反应物包含体预热至设定温度并持续设定时间；对该反应室抽真空；导入氮气穿过该反应物包含体，其中该氮气为再循环氮气，且在进行燃烧合成过程中被冷却；以及在该反应物包含体的点燃区内点火，以进行燃烧合成而制备氮化铝，其中该点燃区位于反应物包含体的一端，点燃区内仅填入纯细铝粉，混合物中稀释剂的含量延燃烧合成过程中燃烧波进行的方向逐渐减少。
2.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的点燃区位于反应物包含体的最上端，所述的反应物包含体具有传递区，相邻于点燃区；持续区，相邻于传递区；以及结束区，相邻于持续区，其中点燃区中仅填入纯细铝粉；传递区中铝粉对稀释剂的重量比较高；持续区中铝粉对稀释剂的重量居中；结束区中铝粉对稀释剂的重量较低。
3.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的方法至少还包括于反应室的内壁和外壁之间进行冷却液再循环。
4.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的反应物包含体至少包括一多层结构，该多层结构的材料选自铝网、铝片、铝丝或铝箔。
5.如权利要求4所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的多层结构由多个形状组成，而这些形状选自圆柱体、多角柱体或其组合。
6.如权利要求4所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的多层结构由一个一体元件卷曲至螺旋形而成，并将该螺旋形的一外端密封成一封闭端。
7.如权利要求4所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的方法还包括在完成将混合物填充于反应物包含体中后，将该多层结构移除。
8.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的反应物包含体至少包括一中空壳体，其固定于坩埚上，而多层结构放置于中空壳体之中，传递区、持续区和结束区由反应物包含体的中心沿径向分布。
9.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的反应物包含体至少包括一中空壳体，其固定于坩埚上，而多层结构放置于中空壳体之中，传递区、持续区和结束区从中空壳体的顶端至底部垂直地分布。
10.如权利要求2所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述传递区中铝粉对稀释剂的重量比介于6∶1至12∶1之间；持续区中铝粉对稀释剂的重量比介于2∶1至6∶1之间；以及结束区中铝粉对稀释剂的重量比介于1∶1至4∶1之间。
11.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的设定温度介于90℃至400℃之间。
12.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的设定时间介于30分钟至90分钟之间。
13.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的稀释剂选自AlN、Al2O3、BN、Si3N4、TiN、SiC、ZrO2、TiO2或SiO2。
14.如权利要求1所述的制备氮化铝的方法，其特征在于，所述的点燃区位于反应物包含体的最上端，所述的反应物包含体具有上层，相邻于点燃区；中间层，相邻于上层；以及下层，相邻于中间层，每一上层、中间层和下层均有位于中心位置的传递区、与传递区相邻的持续区、和与持续区相邻的结束区，其中点燃区中仅填入纯细铝粉；中间层的传递区中铝粉对稀释剂的重量比小于点燃区中铝粉对稀释剂的重量比；中间层和下层的传递区中铝粉对稀释剂的重量比依次减少；对每一上层、中间层和下层而言，传递区、持续区和结束区中铝粉对稀释剂的重量比依次减少。
15.一种制备氮化铝的装置，至少包括反应室，具有内壁和外壁，其中内壁和该外壁间存在进行再循环的冷却液；底座，具有多个第一贯穿孔，该底座用来支撑反应物包含体，其中反应物包含体中填充有由铝粉和/或稀释剂所组成的混合物，且至少包括固定在坩埚上的中空壳体，坩埚上具有多个第二贯穿孔；预热装置，其安装在反应物包含体的周围，其中反应物包含体被预热至一设定温度并持续一段设定时间；氮气再循环系统，用以抽出和输入氮气，并经第一贯穿孔和第二贯穿孔穿过反应物包含体，其中氮气再循环系统至少包括冷却装置，从而在进入反应室之前冷却该氮气；以及点火装置，用以点燃位于反应物包含体顶端中心位置的混合物以制备氮化铝。
16.如权利要求15所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的反应物包含体至少包括一放置于中空壳体中的多层结构，其中的传递区、持续区和结束区由反应物包含体的中心沿着径向分布。
17.如权利要求16所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的多层结构由多个形状组成，这些形状选自圆柱体、多角柱体或其组合。
18.如权利要求16所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的多层结构由一个一体元件卷曲至螺旋形而成，并将螺旋形的一外端密封成封闭端。
19.如权利要求16所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的多层结构的材料选自铝网、铝片、铝丝或铝箔。
20.如权利要求15所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的反应物包含体至少包括一放置于中空壳体中的多层结构，其中的传递区、持续区和结束区从中空壳体的顶端至底部垂直地分布。
21.如权利要求15所述的制备氮化铝的装置，其特征在于，所述的坩埚具有环状槽，用以固定中空壳体。
全文摘要
本发明涉及一种制备氮化铝的方法与装置。该制备氮化铝的方法包括首先制备充满铝粉和稀释剂(氮化铝粉)混合物的反应物包含体，该反应物包含体具有点燃区、传递区、持续区和结束区；接着，将反应物包含体放置在反应室中具有多个贯穿孔的底座上，预热至设定温度并持续一段设定时间；然后，导入再循环氮气并使其穿过反应物包含体，在点燃区点火以进行燃烧合成，由此制备出氮化铝。该制备氮化铝的装置至少包括具有内壁和外壁的反应室、预热装置、氮气再循环系统和点火装置，其中有冷却液于内壁和外壁间进行再循环。
文档编号H01L23/15GK1576231SQ200310124298
公开日2005年2月9日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年7月2日
发明者刘中行, 赖振兴, 曹知行, 王沧田, 翁子斌 申请人:台盐实业股份有限公司