JP4534565B2 - Method for producing ceramic porous - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス多孔質板の製造方法に関し、特にガスセンサーやフィルターといった自動車部品に用いられるセラミックス多孔質板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of producing a ceramic porous plate, more particularly a manufacturing method of Rousset La mix porous plate used in automobile parts such as gas sensors and filters.
一般に、セラミック多孔質板は、緻密構造のセラミックス(図1参照)とは異なり、例えばセラミック粉末と分散媒をバインダー,分散剤,整泡剤,泡安定剤などと共に混合して原料スラリーが作成されて、これを攪拌して泡立てた後に、気泡を含む状態で板状に成形され、次いで乾燥された後、焼成されて得られる(図2参照)。 In general, a ceramic porous plate is different from a ceramic with a dense structure (see FIG. 1). For example, a ceramic slurry and a dispersion medium are mixed with a binder, a dispersing agent, a foam stabilizer, a foam stabilizer, etc. to produce a raw material slurry. Then, after stirring and foaming, it is formed into a plate shape containing bubbles, then dried and fired (see FIG. 2).
ここで、バインダーは、乾燥後の成形体の強度を増して、成形作業を容易にするため、またスラリーの粘度を高めることによって泡立ての効率を増して泡の安定化を計る目的で添加される。分散剤は、分散媒中でセラミック粉末を分散させて原料スラリーの高濃度化を可能にし、成形体でのセラミック部分の密度を増加する目的で添加される。整泡剤は、原料スラリーの泡立ちを助けて成形体の気孔率を増す目的で添加される。泡安定剤は、泡立てによって生じた原料スラリーの泡を安定化し、成形体が乾燥する間に泡が消失しないようにするために添加される。分散媒は、原料スラリーを各添加剤に均一に混合し、成形可能な流動性を付与するために使用される。 Here, the binder is added for the purpose of increasing the strength of the molded body after drying and facilitating the molding operation, and increasing the viscosity of the slurry to increase the efficiency of foaming and to stabilize the foam. . The dispersant is added for the purpose of dispersing the ceramic powder in the dispersion medium to enable high concentration of the raw material slurry and increasing the density of the ceramic portion in the formed body. The foam stabilizer is added for the purpose of helping foaming of the raw slurry and increasing the porosity of the molded body. The foam stabilizer is added in order to stabilize the foam of the raw material slurry generated by foaming and prevent the foam from disappearing while the molded body is dried. The dispersion medium is used for uniformly mixing the raw material slurry with each additive and imparting moldable fluidity.
このスラリーによる成形体を乾燥,焼成する際の、焼成の方法,条件等は、緻密なセラミックスの場合とほぼ同様である。また、セラミック多孔質板の気孔率は、原料スラリーに添加される整泡剤の量や攪拌の度合によって調整されていた。 The firing method, conditions, and the like when drying and firing the molded body from the slurry are substantially the same as those for the dense ceramic. Moreover, the porosity of the ceramic porous plate was adjusted by the amount of the foam stabilizer added to the raw slurry and the degree of stirring.
従来のセラミック多孔質板に関しては、通常の測定手法で求められる気孔率、細孔径、容積分布等の高精度な制御が、前記した製造プロセスによっては困難であった。すなわち、これまでのセラミック多孔質板の製造方法において、均一な気孔率を持ったセラミック多孔質板を得るには、材料の特性や製造条件の制御などに頼らざるを得ず、しかもその気孔率を高精度に制御することは非常に困難であるという問題があった。 With respect to the conventional ceramic porous plate, high-precision control such as porosity, pore diameter, volume distribution and the like required by a normal measurement method has been difficult depending on the manufacturing process described above. In other words, in order to obtain a ceramic porous plate having a uniform porosity in the conventional methods for producing a ceramic porous plate, it is necessary to rely on control of the material characteristics and manufacturing conditions, and the porosity. There is a problem that it is very difficult to control the system with high accuracy.
このように、従来のセラミック多孔質板において、その気孔率等の制御は、原料スラリーに含有させるセラミック粉末の粒径や整泡剤などの添加物の配合比、攪拌の度合い、焼成条件などに頼らざるを得ず、高精度な気孔率の制御は困難であった。 As described above, in the conventional ceramic porous plate, the porosity and the like are controlled by the particle size of the ceramic powder to be contained in the raw slurry, the blending ratio of additives such as a foam stabilizer, the degree of stirring, the firing conditions, etc. Therefore, it was difficult to control the porosity with high accuracy.
一方、薄膜形成手法の一つとして、原子層成長法とも呼ばれるALD(Atomic Layer Deposition(以下同じ)) 法が知られている。その一般的特徴としては、原子層または分子層のオーダーで薄膜の膜厚制御が可能であること、2種以上の異なる原料ガスを交互に被成膜基板上に供給し、吸着、脱離、反応作用を利用した表面反応を用いるため表面被覆性に優れていることがあげられる。尚、かかる方法は、通常平坦な表面の基板上において成膜されることが多く、多孔質基板に適用された例はあまり見られなかった。 On the other hand, an ALD (Atomic Layer Deposition (hereinafter the same)) method, also called an atomic layer growth method, is known as one of thin film formation methods. As its general characteristics, it is possible to control the film thickness of the thin film in the order of atomic layer or molecular layer, and two or more different source gases are alternately supplied onto the deposition substrate, and adsorption, desorption, Since surface reaction utilizing reaction action is used, the surface coverage is excellent. In many cases, such a method is usually formed on a substrate having a flat surface, and few examples have been applied to porous substrates.
ALD法の適用例の一つとして、ALD法によってAl2O3で改質された多孔質アルミナ膜が知られている(非特許文献1参照)。ただし、その多孔質アルミナ膜は、約57μmの多孔質層と2μm以下の緻密層からなる全体厚みが60μm程度のものである。 As one application example of the ALD method, a porous alumina film modified with Al 2 O 3 by the ALD method is known (see Non-Patent Document 1). However, the porous alumina film has a total thickness of about 60 μm consisting of a porous layer of about 57 μm and a dense layer of 2 μm or less.
さらに、原子層エピタキシャル成長(Atomic Layer Epitaxy)法による多孔質シリコン層への酸化錫膜の形成が知られている(非特許文献2参照)。ただし、その多孔質シリコン層は、厚みが2μm程度のものである。 Furthermore, it is known to form a tin oxide film on a porous silicon layer by an atomic layer epitaxy method (see Non-Patent Document 2). However, the porous silicon layer has a thickness of about 2 μm.
このように、多孔質膜または多孔質層にALD法の成膜技術を適用した例が、いくらか見られる。しかしながら、いずれにおいても、その厚さが高々60μm程度のものであって、厚さが厚い板状のセラミック多孔質材料において、ALD法が適用された例は見られない。 Thus, there are some examples in which the ALD method is applied to a porous film or a porous layer. However, in any case, there is no example in which the ALD method is applied to a plate-like ceramic porous material having a thickness of at most about 60 μm and a thick thickness.
固体電解質センサーなど、板状のセラミック多孔質材料の気孔率によってガスの拡散を制御しようとするガスセンサーなどにおいては、高精度な気孔率の制御が必須であって、高精度に制御されかつ均一な気孔率をもつセラミック多孔質の供給が望まれる。本発明は、従来方法では困難であった気孔率の高精度な制御を行うことを容易にして、高精度に制御されかつ均一な気孔率をもつ厚さが0.5mm以上の板状のセラミック多孔質材料の製造方法を提供することを目的としている。 In gas sensors that control the diffusion of gas by the porosity of a plate-like ceramic porous material such as a solid electrolyte sensor, it is essential to control the porosity with high accuracy, and it is controlled with high accuracy and uniformity. It is desirable to supply a ceramic porous material having a high porosity. The present invention facilitates high-precision control of the porosity, which was difficult with the conventional method, and is a plate-like ceramic having a thickness of 0.5 mm or more with high-precision control and uniform porosity. It aims at providing the manufacturing method of a porous material.
本発明は、ALD法を用いてセラミックス多孔質基板の細孔内壁面に薄膜を形成することにより得られる、高精度に気孔率が制御された板状のセラミック多孔質材料と、その板状のセラミック多孔質材料を提供するための製造方法に関するものである。 The present invention relates to a plate-like ceramic porous material having a highly accurate porosity controlled by forming a thin film on the pore inner wall surface of a ceramic porous substrate using the ALD method, and the plate-like ceramic porous material. those concerning the manufacturing method for providing a porous ceramic material.
すなわち本発明は、多孔質板の両面において開口部を有し該多孔質板を貫通した平均細孔径が5nm〜200μmの細孔部を有し厚さが0.5mm以上のセラミック多孔質板であって、該細孔部内壁の少なくとも一部にALD法によって分子層または原子層レベルで膜厚制御された薄膜が形成されていることを特徴とする、セラミック多孔質板の製造方法を提供するものである。 That is, the present invention is a ceramic porous plate having openings on both sides of the porous plate and having pores with an average pore diameter of 5 nm to 200 μm penetrating the porous plate and having a thickness of 0.5 mm or more. A method for producing a ceramic porous plate, characterized in that a thin film whose film thickness is controlled at the molecular layer or atomic layer level by an ALD method is formed on at least a part of the inner wall of the pore. Is.
かかる本発明で製造されるセラミック多孔質板の好ましい態様として、該薄膜が、金属、金属の酸化物、金属の窒化物および金属の酸窒化物からなる群から選ばれる物のALD法による層のいずれか一層で、または同一あるいは異なる層が積層されて形成されているものが挙げられる。 As a preferred embodiment of the ceramic porous plate produced in the present invention, the thin film is a layer formed by the ALD method of a material selected from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides and metal oxynitrides. Examples thereof include any one layer, or the same or different layers stacked.
該薄膜の好ましい態様としては、該薄膜形成のための該金属の酸化物が、SiO2 、Al2O3 、TiO2、Ta2O5、ZnO、Y2O3、SnO2またはZrO2であるものが挙げられる。また、該薄膜形成のための金属の窒化物が、Si3 N4、AlNまたはTiNであるものが挙げられる。さらに 該薄膜の他の好ましい態様としては、該薄膜形成のための金属の酸窒化物が、SiON、AlON、TiON、TaONまたはSnONであるものが挙げられる。また、該薄膜形成のための金属が、銅、タングステンまたは白金であるものが挙げられる。 In a preferred embodiment of the thin film, the metal oxide for forming the thin film is SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZnO, Y 2 O 3 , SnO 2 or ZrO 2 . Some are listed. In addition, the metal nitride for forming the thin film may be Si 3 N 4 , AlN or TiN. Furthermore, as another preferred embodiment of the thin film, a metal oxynitride for forming the thin film is SiON, AlON, TiON, TaON or SnON. Moreover, the metal for forming the thin film is copper, tungsten, or platinum.
また、本発明で製造される好ましいセラミック多孔質板の態様としては、該セラミック材料が、SiO2 、Si3 N4 、Al2O3 、AlN、ZrO2、Y2O3およびMgOからなる群から選ばれる化合物のいずれかまたはその組合せを含むものが挙げられる。さらに好ましいセラミック多孔質板としては、該セラミック材料の主成分が、該SiO2 、Si3 N4 、Al2O3 、AlN、ZrO2、Y2O3およびMgOからなる群から選ばれる化合物のいずれかまたはその組合せであるものが挙げられる。 Further, as a preferred embodiment of the ceramic porous plate produced in the present invention , the ceramic material is a group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO. And those containing any one of the compounds selected from or a combination thereof. As a more preferable ceramic porous plate, the main component of the ceramic material is a compound selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO. Any one or a combination thereof may be mentioned.
本発明によれば、細孔部内壁の少なくとも一部に分子層または原子層レベルで膜厚制御された薄膜を備えるセラミック多孔質板のALD法による製造方法であって、多孔質基板の両面において開口部を有し該多孔質基板を貫通した細孔部を有するセラミック多孔質基板の一方の表面側にALD法の原料ガスを供給し、該セラミック多孔質基板の他の表面側からガスを流出させて、該細孔部に該原料ガスを通過させることによってALD薄膜を形成すること、前記ALD薄膜形成のサイクルを繰り返すこと、該一方の表面側の圧力(P1)および該他の表面側の圧力(P2)の圧力差(P1−P2)と該セラミック多孔質板の気孔率との関係を把握し、薄膜形成によって所望の気孔率にまで達する圧力差(P1−P2)になった時点で、ALD薄膜形成サイクルを停止することを特徴とする、セラミック多孔質板の製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for producing a ceramic porous plate having a thin film whose film thickness is controlled at a molecular layer or atomic layer level on at least a part of an inner wall of a pore by an ALD method, on both surfaces of a porous substrate. ALD source gas is supplied to one surface side of a ceramic porous substrate having an opening and a pore passing through the porous substrate, and the gas flows out from the other surface side of the ceramic porous substrate Forming the ALD thin film by passing the source gas through the pores , repeating the cycle of forming the ALD thin film , the pressure (P 1 ) on the one surface side and the other surface side the pressure differential (P 1 -P 2) and to grasp the relationship between the porosity of the ceramic porous plate, the pressure differential reaching the desired porosity by the thin film forming pressure (P 2) (P 1 -P 2 ) as they become, ALD thin film formed Characterized by stopping the cycle, method for producing a ceramic porous plate is provided.
さらに好ましいセラミック多孔質板の製造方法の態様として、ALD法によって薄膜を形成したセラミック多孔質板をさらに加熱処理する工程を含む、製造方法が挙げられる。 As a more preferable embodiment of the method for producing a ceramic porous plate, there is a production method including a step of further heat-treating the ceramic porous plate on which a thin film is formed by the ALD method.
本発明においては、ALD法の原料ガスの導入室および排気室を含むチャンバーと、該原料ガスの導入手段と、ガスの排気手段とを備えた、細孔部内壁の少なくとも一部に分子層または原子層レベルで膜厚制御された薄膜を備えるセラミック多孔質板のALD法による製造装置であって、多孔質基板の両面に開口部を有し該多孔質基板を貫通した細孔部を有するセラミック多孔質基板を介して該導入室および該排気室と、該導入室における圧力(P 1 )および該排気室における圧力(P 2 )をモニターしてその圧力差(P 1 −P 2 )を検出する手段と、該圧力差(P 1 −P 2 )によってALD法による薄膜形成サイクルを制御するための制御手段を具備したことを特徴とする、セラミック多孔質板の製造装置を好ましく用いることができる。 In the present invention, a molecular layer or at least a part of the inner wall of the pore portion, comprising a chamber including an ALD source gas introduction chamber and an exhaust chamber, the source gas introduction means, and a gas exhaust means, is provided. An apparatus for manufacturing a ceramic porous plate having a thin film whose thickness is controlled at an atomic layer level by an ALD method, wherein the ceramic has openings on both sides of the porous substrate and has pores penetrating the porous substrate. The introduction chamber and the exhaust chamber, the pressure in the introduction chamber (P 1 ) and the pressure in the exhaust chamber (P 2 ) are monitored via the porous substrate, and the pressure difference (P 1 -P 2 ) is detected. means for, characterized by comprising a control means for controlling the thin film forming cycle by the ALD method by pressure difference (P 1 -P 2), can be preferably used an apparatus for manufacturing a ceramic porous plate .
また、本発明によれば、多孔質板の両面において開口部を有し該多孔質板を貫通した平均細孔径が5nm〜200μmの細孔部を有し厚さが0.5mm以上のセラミック多孔質板であって、該細孔部内壁の少なくとも一部にALD法によって分子層または原子層レベルで膜厚制御された薄膜が形成されていることを特徴とするセラミック多孔質板を用いて成る、フィルターを提供することができる。 Further , according to the present invention , the ceramic porous material having openings on both sides of the porous plate and pores having an average pore diameter of 5 nm to 200 μm penetrating the porous plate and having a thickness of 0.5 mm or more. A porous ceramic plate characterized in that a thin film whose film thickness is controlled at the molecular layer or atomic layer level by an ALD method is formed on at least a part of the inner wall of the pore. Can provide a filter.
また本発明によれば、同様のセラミック多孔質板を用いて成る触媒担体を提供することができる。 Moreover , according to this invention , the catalyst support | carrier which uses the same ceramic porous board can be provided.
さらに本発明によれば、同様のセラミック多孔質板を用いて成るガスセンサーを提供することができる。 Furthermore , according to this invention , the gas sensor which uses the same ceramic porous board can be provided.
通常、ALD法は原子層エピタキシャル成長(Atomic Layer Epitaxy)法とも呼ばれる。本発明ではALD法として説明するが、原子層エピタキシャル成長(Atomic Layer Epitaxy)法も本発明に含まれることになる。 Usually, the ALD method is also called an atomic layer epitaxy method. Although the present invention is described as an ALD method, an atomic layer epitaxy method is also included in the present invention.
本発明のALD法により薄膜が形成されたセラミック多孔質板は、板状であってその厚みが0.5mm以上のものであることを一つの特徴とするものである。好ましくは、その厚さが0.5〜10mmであり、さらに好ましくはその厚さが0.5〜5mm、特に好ましくはその厚さが0.5〜2mmである。厚さが0.5mm未満では、本発明方法を適用する上で実用上重要ではなく、また厚さが10mmを超える場合には原料ガスを効果的に透過させる上で困難性を伴い、本発明における方法での製造が容易でなくなり好ましくない。 One feature of the ceramic porous plate on which a thin film is formed by the ALD method of the present invention is plate-like and has a thickness of 0.5 mm or more. The thickness is preferably 0.5 to 10 mm, more preferably 0.5 to 5 mm, and particularly preferably 0.5 to 2 mm. If the thickness is less than 0.5 mm, it is not practically important in applying the method of the present invention, and if the thickness exceeds 10 mm, there is difficulty in effectively permeating the raw material gas, This is not preferable because it is not easy to produce by this method.
また、本発明のALD法により薄膜が形成されたセラミック多孔質板は、多孔質板の両面において開口部を有し該多孔質板を貫通した細孔を有し、平均細孔径(直径)が5nm〜200μmの細孔部を有したことを、他の一つの特徴とするものである。その下限としては、好ましくは20nm、さらに好ましくは50nm、特に好ましくは0.1μmである。またその上限としては、好ましくは100μm、さらに好ましくは50μm、特に好ましくは10μmである。その平均細孔径の好ましい範囲としては、20nm〜100μmであり、さらに好ましくはその平均細孔径が50nm〜50μm、特に好ましくはその平均細孔径が0.1〜10μmである。平均細孔径が5nm未満では原料ガスを効果的に透過させる上で困難性を伴い、本発明における方法での製造が容易でなくなり好ましくなく、また平均細孔径が200μmを超える場合には分子層または原子層レベルでの薄膜形成で気孔率等の細孔を制御するが実用上困難であって、それによって得られる効果が見られなくなる。 Further, the ceramic porous plate in which a thin film is formed by the ALD method of the present invention has pores that have openings on both sides of the porous plate and penetrate the porous plate, and the average pore diameter (diameter) is Another feature is that it has a pore portion of 5 nm to 200 μm. The lower limit is preferably 20 nm, more preferably 50 nm, and particularly preferably 0.1 μm. The upper limit is preferably 100 μm, more preferably 50 μm, and particularly preferably 10 μm. The preferable range of the average pore diameter is 20 nm to 100 μm, more preferably the average pore diameter is 50 nm to 50 μm, and particularly preferably the average pore diameter is 0.1 to 10 μm. If the average pore diameter is less than 5 nm, it is difficult to effectively permeate the raw material gas, and the production by the method in the present invention is not easy, and if the average pore diameter exceeds 200 μm, the molecular layer or Although pores such as porosity are controlled by forming a thin film at the atomic layer level, it is practically difficult, and the effect obtained thereby cannot be seen.
かかる薄膜が形成されたセラミックス多孔質板の好ましいものとしては、通常気孔率が5%以上、好ましくは5%〜85%であり、さらに好ましくは20%〜85%であり、特に好ましくは40%〜80%である。また好ましくは、通常気孔率が5%〜85%であり、平均細孔径が5nm〜200μmの連続した空孔を有しているものが挙げられる。さらに好ましくは、気孔率が20%〜85%であり、平均細孔径が100nm〜200μmの連続した空孔を有しているものが挙げられる。特に好ましくは、気孔率が40%〜80%であり、平均細孔径が1〜50μmの連続した空孔を有しているものが挙げられる。また、細孔が実質上均一に分布したものが好ましい。気孔率が5%より低い場合には、原料ガスを効果的に透過させる上で困難性を伴い、本発明における方法での製造が容易でなくなり好ましくない。気孔率が85%より高い場合には、分子層または原子層レベルでの薄膜形成で気孔率等の細孔を制御するが実用上困難であって、それによって得られる効果が見られなくなるので好ましくない。 As a preferable ceramic porous plate on which such a thin film is formed, the porosity is usually 5% or more, preferably 5% to 85%, more preferably 20% to 85%, and particularly preferably 40%. ~ 80%. Preferably, those having continuous pores with a normal porosity of 5% to 85% and an average pore diameter of 5 nm to 200 μm can be mentioned. More preferably, those having continuous pores having a porosity of 20% to 85% and an average pore diameter of 100 nm to 200 μm can be mentioned. Particularly preferred are those having continuous pores having a porosity of 40% to 80% and an average pore diameter of 1 to 50 μm. Further, those in which the pores are distributed substantially uniformly are preferable. When the porosity is lower than 5%, it is difficult to effectively permeate the raw material gas, and it is not preferable because the production by the method of the present invention is not easy. When the porosity is higher than 85%, it is practically difficult to control the pores such as the porosity by forming a thin film at the molecular layer or atomic layer level. Absent.
かかる気孔率を測定する方法としては、種々あるが、ここでは一般的なアルキメデス法で求められる開気孔率と、幾何学法で求められる全気孔率を用いる。すなわち、開気孔率は以下の(1)式で求められる。
気孔率=(飽和質量-乾燥質量)/(飽和質量-水中質量) ×100(%) (1)
また、全気孔率は以下の(2)式で求められる。
全気孔率=(1−嵩密度/真密度) ×100(%) (2)
さらに、嵩密度は次の式(3)で求められる。
嵩密度=全体の質量/ L×W×T (3)
尚ここで、飽和質量は完全に給水したときの質量を意味し、乾燥質量は乾燥時の質量を意味し、水中質量は水中での質量を意味し、真密度は重量密度を意味し、Lは多孔質板の縦方向の大きさを意味し、Wは横方向の大きさを意味し、Tは厚さを意味する。
There are various methods for measuring the porosity. Here, the open porosity obtained by a general Archimedes method and the total porosity obtained by a geometric method are used. That is, the open porosity is obtained by the following equation (1).
Porosity = (saturated mass-dry mass) / (saturated mass-mass in water) x 100 (%) (1)
Further, the total porosity is obtained by the following equation (2).
Total porosity = (1−bulk density / true density) × 100 (%) (2)
Furthermore, the bulk density is obtained by the following equation (3).
Bulk density = total mass / L x W x T (3)
Here, the saturated mass means the mass when water is completely supplied, the dry mass means the mass at the time of drying, the mass in water means the mass in water, the true density means the weight density, L Means the vertical size of the porous plate, W means the horizontal size, and T means the thickness.
さらに多孔質板中の細孔径や容積を測定することも気孔率を考慮する上で重要である。これらの特性を測定する手法として、通常水銀圧入式が用いられる。その原理は、大抵の物質と反応せず、漏れもない水銀に圧力を加えることによって固体の細孔中へ圧入し、その時に加えた圧力と、細孔内へ押し込まれた(侵入した)水銀の容積との関係を測定することによって細孔の大きさや容積を測定するものである。尚、測定時には多孔質板中の気体は完全に脱気されている必要がある。加えられた圧力と、その圧力で水銀が侵入可能な細孔径の関係は、ウオッシュバーン(Washburn)の式(4)で導かれる。
D=−4γcosθ/P (4)
ここで、P は加える圧力(N/m2))、D は細孔径(直径)(m)、γは水銀の表面張力(0.48N/m)、θは水銀と細孔壁面の接触角で通常140度である。 γ、θは定数で、ウオッシュバーンの式(4)から、加えた圧力とP と細孔直径D の関係が求められ、その時の侵入容積を測定することにより、細孔径とその容積分布が導かれ、さらに平均細孔径が導かれる。
Furthermore, measuring the pore diameter and volume in the porous plate is also important for considering the porosity. As a method for measuring these characteristics, a mercury intrusion method is usually used. The principle is that pressure is applied to mercury that does not react with most substances and does not leak, so that it is pressed into solid pores, and the pressure applied at that time and mercury that is pushed into (invaded) the pores. The size and volume of the pores are measured by measuring the relationship with the volume. In the measurement, the gas in the porous plate needs to be completely deaerated. The relationship between the applied pressure and the pore diameter at which mercury can enter at that pressure is derived from the equation (4) of Washburn.
D = -4γcosθ / P (4)
Where P is the applied pressure (N / m 2 )), D is the pore diameter (diameter) (m), γ is the surface tension of mercury (0.48 N / m), and θ is the contact angle between mercury and the pore wall surface. Usually it is 140 degrees. γ and θ are constants, and the relationship between the applied pressure and P and the pore diameter D is obtained from Washburn's equation (4). By measuring the intrusion volume at that time, the pore diameter and the volume distribution can be derived. Furthermore, the average pore diameter is derived.
本発明により製造されるセラミックス多孔質板は、ALD法を用いて細孔内部にセラミック多孔質板の細孔内壁面に薄膜を形成することにより、気孔率の高精度な制御がなされたことを特徴とする。すなわち、ALD法の製膜によって、分子層または原子層レベルでの薄膜の均一な膜厚制御がなされたものである。 The ceramic porous plate manufactured according to the present invention is that the porosity is controlled with high accuracy by forming a thin film on the inner wall surface of the porous plate of the ceramic porous plate using the ALD method. Features. That is, uniform film thickness control of the thin film at the molecular layer or atomic layer level is performed by the ALD method.
尚、本発明により製造されるセラミック多孔質板は、該細孔部において、ALD法によって薄膜が形成されたことによって、該薄膜形成前のセラミック多孔質基板より、その内容積および気孔率が減少している。尚、その気孔率の減少の程度が、多孔質基板の平均細孔径によって大きく変化し得る。 The ceramic porous plate produced according to the present invention has a smaller internal volume and porosity than the ceramic porous substrate before the thin film is formed by forming a thin film in the pores by the ALD method. is doing. It should be noted that the degree of porosity reduction can vary greatly depending on the average pore diameter of the porous substrate.
本発明により製造されるセラミック多孔質板は、従来の方法により製造されたセラミック多孔質基板へのALD法での薄膜形成を特徴としており、原材料としてのセラミック多孔質基板そのものの材料や、その製法は特に問わない。さらには多孔質ガラスであっても良く、ポーラスシリコン、メソポーラスなど、化学的、物理的食刻作用で製作する微細加工多孔質板へも適用可能である。本発明の原材料としてのセラミック多孔質基板は、SiO2 、Si3 N4 、Al2O3 、AlN、ZrO2、Y2O3およびMgOからなる群から選ばれる化合物のいずれかまたはその組合せを含むものが好ましい。かかるSiO2 、Si3 N4 、Al2O3 、AlN、ZrO2、Y2O3およびMgOからなる群から選ばれる化合物のいずれかまたはその組合せが、該セラミックの主成分をなすものが、特に好ましい。さらに詳細には、ヤング率、熱膨張係数、ポアッソン比等の物理定数が基材に近いものが好ましく、密着性や熱膨張係数差(熱応力)の点で基材の組成に実質上等しいものが好ましい。 The ceramic porous plate produced according to the present invention is characterized by thin film formation by ALD method on a ceramic porous substrate produced by a conventional method, and the material of the ceramic porous substrate itself as a raw material, and its production method Is not particularly limited. Furthermore, it may be a porous glass, and can be applied to a microfabricated porous plate manufactured by chemical or physical etching such as porous silicon or mesoporous. The ceramic porous substrate as a raw material of the present invention is made of any one or a combination of compounds selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO. The inclusion is preferred. Any one of the compounds selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO or a combination thereof constitutes the main component of the ceramic, Particularly preferred. More specifically, those having physical constants such as Young's modulus, thermal expansion coefficient, Poisson's ratio and the like are preferable, and are substantially equal to the composition of the base material in terms of adhesion and thermal expansion coefficient difference (thermal stress). Is preferred.
かかる原材料セラミック多孔質基板の厚さは、前記した薄膜形成後のセラミック多孔質板の厚さと実質上同等である。またその細孔部の平均細孔径については、10nm〜200μmが好ましい。さらに好ましくはその平均細孔径が50nm〜100μm、特に好ましくはその平均細孔径が0.1〜10μmである。 The thickness of the raw material ceramic porous substrate is substantially equal to the thickness of the ceramic porous plate after the thin film is formed. Moreover, about the average pore diameter of the pore part, 10 nm-200 micrometers are preferable. More preferably, the average pore diameter is 50 nm to 100 μm, and particularly preferably the average pore diameter is 0.1 to 10 μm.
また、原材料セラミック多孔質基板の気孔率は、成膜時の原料ガスを透過できればよく、好ましくは5%以上、特に好ましくは20%以上である。また、好ましくは85%以下、特に好ましくは60%以下である。 Moreover, the porosity of the raw material ceramic porous substrate is sufficient if it can permeate the raw material gas at the time of film formation, and is preferably 5% or more, particularly preferably 20% or more. Further, it is preferably 85% or less, particularly preferably 60% or less.
本発明により製造されるセラミック多孔質板における細孔部内壁の少なくとも一部にALD法によって膜厚制御されて形成された薄膜としては、たとえば、安定な薄膜材料としての金属や、半導体等の金属の酸化物、金属の窒化物および金属の酸窒化物からなる群から選ばれる物のALD法による層のいずれか一層で、または同一あるいは異なる層が積層されて形成されているものが好ましい。薄膜を形成する方法がALD法であれば、その薄膜の材料は特に問わない。それは目的や特性によって形成する薄膜を決定すればよい。 Examples of the thin film formed by controlling the film thickness by ALD method on at least a part of the pore inner wall of the ceramic porous plate manufactured according to the present invention include, for example, metals as stable thin film materials, metals such as semiconductors, etc. oxides, the more any layer by the ALD method ones selected from the group consisting of nitrides and metal oxynitride of a metal or virtuous preferable ones are formed identical or in a different layer laminate, . If the method for forming the thin film is an ALD method, the material of the thin film is not particularly limited. What is necessary is just to determine the thin film formed according to the objective and a characteristic.
該薄膜に使用される該金属酸化物としては、SiO2 、Al2O3 、TiO2、Ta2O5、ZnO、Y2O3、SnO2およびZrO2が好ましく、特にSiO2 、Al2O3 、TiO2が好ましい。該金属窒化物としては、Si3 N4、AlNおよびTiNが好ましく、特にSi3 N4が好ましい。また、該金属酸窒化物としては、SiON、AlON、TiON、TaONおよびSnONが好ましく、特にAlON、TiONが好ましい。さらに具体的な該金属としては、銅、タングステンおよび白金が好ましく、特に白金が好ましい。 As the metal oxide used in the thin film, SiO 2, Al 2 O 3 , TiO 2, Ta 2 O 5, ZnO, it is Y 2 O 3, SnO 2 and ZrO 2 preferably, especially SiO 2, Al 2 O 3 and TiO 2 are preferred. As the metal nitride, Si 3 N 4 , AlN and TiN are preferable, and Si 3 N 4 is particularly preferable. Further, as the metal oxynitride, SiON, AlON, TiON, TaON and SnON are preferable, and AlON and TiON are particularly preferable. More specific examples of the metal include copper, tungsten, and platinum, and platinum is particularly preferable.
本発明における該薄膜として特に好適なものは、非常に化学的、熱的に安定であるSiO2、Si3 N4、Al2O3が挙げられる。また、AlON、AlNおよびTiNの窒化物や酸窒化物であってもよい。 Particularly suitable as the thin film in the present invention are very chemically and thermally stable SiO 2 , Si 3 N 4 , and Al 2 O 3 . Further, nitrides or oxynitrides of AlON, AlN, and TiN may be used.
該薄膜は、通常これらの化合物または金属成分からなるいずれか一層で、または同一あるいは異なる層が積層されて形成されている。必要に応じて異なる層が組合わされて積層されることにより、目的の膜厚、ひいては目的とする気孔率、細孔径等が得られる。これらの化合物または金属成分からなる2種以上の異なる原料ガスを交互に被成膜セラミック多孔質板上に供給し、吸着、脱離、反応作用を利用した表面反応を用いた場合には、表面被覆性に優れている。 The thin film is usually formed of any one of these compounds or metal components, or the same or different layers are laminated. If necessary, different layers are combined and laminated to obtain a target film thickness, a target porosity, a pore diameter, and the like. When two or more different source gases composed of these compounds or metal components are alternately supplied onto the ceramic porous plate to be deposited, and surface reaction utilizing adsorption, desorption, or reaction action is used, the surface Excellent coverage.
尚、薄膜材料が例えば化学触媒、光触媒、磁性薄膜、半導体、固体電解質、ガス感応膜、電極材料、電極用のバリアメタル、他の物質との接着など界面制御用薄膜、脱臭効果などをもつ機能膜を、ALD法による薄膜と合せて用いてもよい。 In addition, thin film materials have chemical functions, photocatalysts, magnetic thin films, semiconductors, solid electrolytes, gas sensitive films, electrode materials, barrier metals for electrodes, thin films for interface control such as adhesion to other substances, and functions that have a deodorizing effect. The film may be used in combination with a thin film formed by the ALD method.
本発明のセラミック多孔質板の製造方法は、多孔質基板の両面において開口部を有し該多孔質基板を貫通した細孔部を有するセラミック多孔質基板に、ALD法によって該細孔部内壁の少なくとも一部に薄膜を形成する工程であって、ALDの原料ガスを原料ガス導入側から排気側に流通させて、該原料ガスをセラミック多孔質基板の該細孔部に通過させて、該薄膜を形成する工程を含むものである。さらに、該薄膜を形成する工程において、該一方の表面側の圧力(P 1 )および該他の表面側の圧力(P 2 )の圧力差(P 1 −P 2 )と該セラミック多孔質板の気孔率との関係を把握し、薄膜形成によって所望の気孔率にまで達する圧力差(P 1 −P 2 )になった時点で薄膜形成サイクルを停止することを特徴とする。好ましくは、該セラミック多孔質基板を介して原料ガスの導入室および排気ポンプに連通する排気室が形成されるように、該セラミック多孔質板をALDのチャンバー内部に設置することによって、ALD法による薄膜形成を行う製造方法が挙げられる。 The method for producing a ceramic porous plate according to the present invention comprises a porous ceramic substrate having openings on both sides of the porous substrate and having pores penetrating through the porous substrate. A step of forming a thin film at least in part, wherein a raw material gas of ALD is circulated from a raw material gas introduction side to an exhaust side, and the raw material gas is passed through the pores of the ceramic porous substrate, The process of forming is included. Furthermore , in the step of forming the thin film, the pressure difference (P 1 -P 2 ) between the pressure on the one surface side (P 1 ) and the pressure on the other surface side (P 2 ) and the ceramic porous plate It is characterized in that the relationship with the porosity is grasped, and the thin film formation cycle is stopped when the pressure difference (P 1 −P 2 ) reaching the desired porosity is reached by the thin film formation. Good Mashiku, as the exhaust chamber communicating with the inlet chamber and an exhaust pump of the raw material gas through the ceramic porous substrate is formed by placing the ceramic porous plate inside a chamber of the ALD, ALD The manufacturing method which performs the thin film formation by a method is mentioned.
本発明の製造方法において使用される、多孔質板の両面において開口部を有し該多孔質板を貫通した細孔部を有するセラミック多孔質板の主な製造方法としては、通常3000℃程度の高温反応を用いて、高融点セラミックスの一部を溶融し、セラミック同士を融着させた3次元網目構造を形成する方法が挙げられる。かかるセラミックとしては、前記したように、SiO2 、Si3 N4 、Al2O3 、AlN、ZrO2、Y2O3およびMgOからなる群から選ばれる化合物のいずれかまたはその組合せを含むものが好ましい。 The main production method of the ceramic porous plate used in the production method of the present invention, having pores on both sides of the porous plate and having pores penetrating the porous plate, is usually about 3000 ° C. A method of forming a three-dimensional network structure in which a part of high-melting-point ceramics is melted by using a high-temperature reaction and the ceramics are fused together is exemplified. As described above, the ceramic includes one or a combination of compounds selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO. Is preferred.
本発明の製造方法において、アルゴンや窒素といった不活性ガスと同時に薄膜形成のための原料ガスをセラミック多孔質板の細孔内部にガスを供給してその細孔にガスを通過させることで、細孔の内壁に薄膜を形成することが特に有効であることを見出した。細孔内部に薄膜を形成することで細孔の容積が減少し、結果的に気体や液体を透過する連続細孔の経路の断面積を小さくことが可能である。これによって、目的とする気孔率、細孔径等が精度高く制御できる。すなわち、ALD法による薄膜の形成をもってすれば、ALDの成膜サイクルごとに1モノレイヤー(monolayer)以下の分子層または原子層が形成されるので細孔の容積や連続した細孔の経路の断面積を分子層レベルで減少させることが可能である(図3参照)。 In the production method of the present invention, a raw material gas for forming a thin film simultaneously with an inert gas such as argon or nitrogen is supplied into the pores of the ceramic porous plate and the gas is allowed to pass through the pores. It has been found that it is particularly effective to form a thin film on the inner wall of the hole. By forming a thin film inside the pores, the volume of the pores can be reduced, and as a result, the cross-sectional area of the path of the continuous pores through which gas or liquid can pass can be reduced. Thereby, the target porosity, pore diameter, etc. can be controlled with high accuracy. That is, if a thin film is formed by the ALD method, a molecular layer or an atomic layer of one monolayer or less is formed for each ALD deposition cycle, so that the pore volume and the continuous pore path are interrupted. It is possible to reduce the area at the molecular layer level (see FIG. 3).
図3では、小球群がセラミックを構成する粒子群を、小球群の存在しない部分が細孔部を、小球群の外側輪郭に沿って層状に伸びる層がALD法により形成された薄膜を、それぞれ模式的に示している。尚、図2は、ALD法による薄膜形成前における、セラミックを構成する粒子群の部分と細孔部を模式的に示すものである。 In FIG. 3, a thin film in which a small sphere group is composed of ceramic particles, a portion where the small sphere group does not exist is a pore, and a layer extending in a layered manner along the outer contour of the small sphere group is formed by the ALD method. Are schematically shown. FIG. 2 schematically shows the part of the particle group constituting the ceramic and the pore part before the thin film is formed by the ALD method.
本発明の製造法において、該導入側の圧力(P1)および該排気側の圧力(P2)をモニターして得られた圧力差(P1−P2)によってALD法による薄膜形成サイクルを制御する。圧力差(P1−P2)は、セラミック多孔質板の気体透過率に起因して発生するものである。セラミック多孔質板の気体透過率(気孔率と置き換えられ得る)が高いほど、圧力差(P1−P2)は小さく、薄膜形成によって気孔率が小さくなれば圧力差(P1−P2)は大きくなってくる。この圧力差(P1−P2)と、セラミック多孔質板の気孔率との関係を把握すれば、薄膜形成によって所望の気孔率にまで達した時点で成膜を停止することが可能となる。このように、セラミック多孔質板に薄膜を形成しながら所望の気孔率でこの成膜工程を的確に停止することによって、再現性の高い高精度に制御された気孔率、細孔径等を有するセラミック多孔質板を、能率(生産性)よく安定して製造することが可能となる。 In the production method of the present invention, the thin film formation cycle by the ALD method is determined by the pressure difference (P 1 −P 2 ) obtained by monitoring the pressure on the introduction side (P 1 ) and the pressure on the exhaust side (P 2 ). Control. The pressure difference (P 1 −P 2 ) is generated due to the gas permeability of the ceramic porous plate. Gas permeability of the ceramic porous plate as (may be replaced with porosity) is higher, the pressure difference (P 1 -P 2) is small, the pressure difference the smaller the porosity by a thin film forming (P 1 -P 2) Is getting bigger. By grasping the relationship between this pressure difference (P 1 −P 2 ) and the porosity of the ceramic porous plate, it becomes possible to stop the film formation when the desired porosity is reached by the thin film formation. . In this way, by accurately stopping this film forming process at a desired porosity while forming a thin film on the ceramic porous plate, a ceramic having a highly reproducible and highly controlled porosity, pore diameter, etc. The porous plate can be manufactured stably with high efficiency (productivity).
制御される各々の圧力P1とP2および圧力差(P1−P2)の具体的態様は、目的とするセラミック多孔質板に応じて適宜設定することが可能である。より具体的には、例えばある原料ガスの導入を開始して、各圧力P1400〜700PaとP2100〜400Paで原料ガスを供給し、該圧力差(P1−P2)が例えば300Paより低下した時点で原料ガスの導入を停止し、例えば1〜10秒間の該導入側および該排気側のパージの後に、必要に応じて次の原料ガスの導入を開始する形式で、所定の薄膜形成サイクルを実施する。 The specific modes of the pressures P 1 and P 2 and the pressure difference (P 1 −P 2 ) to be controlled can be appropriately set according to the target ceramic porous plate. More specifically, for example, the introduction of a certain raw material gas is started, and the raw material gas is supplied at each pressure P 1 400 to 700 Pa and P 2 100 to 400 Pa, and the pressure difference (P 1 −P 2 ) is, for example, 300 Pa. The introduction of the raw material gas is stopped at the time of lowering, for example, after the purge on the introduction side and the exhaust side for 1 to 10 seconds, the introduction of the next raw material gas is started if necessary, and the predetermined thin film A formation cycle is performed.
本発明の製造方法のより好ましい態様では、該セラミック多孔質板を介してALDの原料ガスの導入室および排気ポンプに連通する排気室が形成されるように、該セラミック多孔質板をALDのチャンバー内部に設置する工程として、具体的には原料ガスが導入室から排気室にセラミック多孔質板を介してのみ流れるようにする。すなわち導入室と排気室がセラミック多孔質板によって完全に分離されるように、セラミック多孔質板の装着を行うことが、高精度で薄膜形成サイクルを制御するのに有効である。すなわち、導入室と排気室とに完全に分離されるようにセラミック多孔質板を配置すれば、ガス導入室と排気室の間の圧力差(P1−P2)が正確にモニターでき、セラミック多孔質板に薄膜を形成しながら所望の気孔率でこの成膜工程を的確に停止し、再現性の高い高精度に気孔率が制御された多孔質板を製造することが可能となる。 In a more preferred embodiment of the production method of the present invention, the ceramic porous plate is formed in an ALD chamber so that an ALD source gas introduction chamber and an exhaust chamber communicating with an exhaust pump are formed through the ceramic porous plate. Specifically, as the step of installing inside, the source gas is allowed to flow only from the introduction chamber to the exhaust chamber through the ceramic porous plate. That is, mounting the ceramic porous plate so that the introduction chamber and the exhaust chamber are completely separated by the ceramic porous plate is effective in controlling the thin film formation cycle with high accuracy. That is, if the ceramic porous plate is arranged so as to be completely separated into the introduction chamber and the exhaust chamber, the pressure difference (P 1 −P 2 ) between the gas introduction chamber and the exhaust chamber can be accurately monitored, and the ceramic While forming a thin film on the porous plate, it is possible to accurately stop the film forming process at a desired porosity, and to manufacture a porous plate with highly reproducible and highly controlled porosity.
本発明の製造方法におけるALD法でのセラミック多孔質板の温度は、セラミック多孔質板に形成される目的の薄膜に応じて適宜設定することが可能である。より具体的には、ある原料ガスの導入を開始する前に、例えば原料材料であるセラミック多孔質板の温度を100〜500℃に設定する。薄膜形成サイクルを高精度で安定に制御するために、かかる温度制御は重要であり、目的の薄膜に応じたより限定された温度範囲、例えば設定温度±10℃以内、より好ましくは設定温度±1℃以内がより望ましい。 The temperature of the ceramic porous plate in the ALD method in the production method of the present invention can be appropriately set according to the target thin film formed on the ceramic porous plate. More specifically, before starting the introduction of a certain raw material gas, for example, the temperature of the ceramic porous plate that is the raw material is set to 100 to 500 ° C. In order to stably control the thin film formation cycle with high accuracy, such temperature control is important, and a more limited temperature range according to the target thin film, for example, within set temperature ± 10 ° C., more preferably set temperature ± 1 ° C. Within is more desirable.
本発明の製造方法のさらに好ましい態様における、薄膜の形成された該セラミック多孔質板を加熱処理する工程は、薄膜と原材料セラミック多孔質板との密着性を高める、薄膜材料との整合性を高める、薄膜中の未反応残留物質の除去、担体の安定化、薄膜の再結晶化、ならびに薄膜の化学的・物理的安定性の向上などの目的で、有効である。その温度や雰囲気は特に限定されるものではなく、目的とするセラミック多孔質板の所定の特性に見合った熱処理を施すことが望ましい。 In a further preferred embodiment of the production method of the present invention, the step of heat-treating the ceramic porous plate on which the thin film is formed increases the adhesion between the thin film and the raw material ceramic porous plate, and improves the consistency with the thin film material. It is effective for the purpose of removing unreacted residual substances in the thin film, stabilizing the support, recrystallizing the thin film, and improving the chemical and physical stability of the thin film. The temperature and atmosphere are not particularly limited, and it is desirable to perform a heat treatment corresponding to predetermined characteristics of the target ceramic porous plate.
本発明は、前記のごとく原子層レベルで高度に精度よく制御された薄膜を備えるセラミック多孔質板を、ALD法により精度よく製造するための製造装置であって、ALDのチャンバーと、該チャンバーの上流側に連結されたALDの原料ガスの導入手段と、チャンバーの下流側に連結された排気ポンプ手段を含み、チャンバー内において該セラミック多孔質基板を設置することによって設けられた原料ガスの導入室および排気室を有し、より好ましくは、さらに該導入室における圧力(P1)および該排気室における圧力(P2)をモニターしてその圧力差(P1−P2)を検出する手段と、該圧力差(P1−P2)によってALD法による薄膜形成サイクルを制御するための制御手段を有する、セラミック多孔質板の製造装置を好ましく用いる。 The present invention is a manufacturing apparatus for accurately manufacturing a ceramic porous plate having a thin film controlled at high accuracy at the atomic layer level as described above by an ALD method, and comprises an ALD chamber, A source gas introduction chamber provided by installing the ceramic porous substrate in the chamber, including ALD source gas introduction means connected to the upstream side and exhaust pump means connected to the downstream side of the chamber And a means for monitoring the pressure (P 1 ) in the introduction chamber and the pressure (P 2 ) in the introduction chamber and detecting the pressure difference (P 1 -P 2 ). An apparatus for producing a ceramic porous plate having a control means for controlling a thin film formation cycle by the ALD method by the pressure difference (P 1 -P 2 ) is preferably used .
図4は、上記の本発明の製造方法に使用されるセラミック多孔質板の製造装置の原型を模式的に示したものである。図に示されるように、原材料であるセラミック多孔質基板が、ALDのチャンバー内部を原料ガス導入室と、排気ポンプにつながる排気配管が連結された排気室とに完全に隔離するように、基板固定治具によって設置されている。チャンバー内に設置された原材料のセラミック多孔質板を所定の温度に加熱するために、基板加熱用ヒーターが排気室内に備えられている。尚、該基板加熱用ヒーターは、温度制御手段(図示せず)に連結されており、また必要に応じて原料ガス導入室側に設けられても良い。製膜終了時、あるいは必要に応じて同一または異なる原料ガスによって製膜を繰り返す場合に、使用済みのガスを効率よく除去するための、ガス導入室と排気室下流側配管の双方に別々の連結されたパージ用配管およびそれらを連結するパージ用切り替えバルブ手段が設けられている。 FIG. 4 schematically shows a prototype of a ceramic porous plate production apparatus used in the production method of the present invention. As shown in the figure, the substrate is fixed so that the ceramic porous substrate, which is the raw material, completely isolates the interior of the ALD chamber into the source gas introduction chamber and the exhaust chamber connected to the exhaust pipe connected to the exhaust pump. It is installed with a jig. A substrate heating heater is provided in the exhaust chamber in order to heat the ceramic porous plate, which is a raw material, installed in the chamber to a predetermined temperature. The substrate heating heater is connected to a temperature control means (not shown), and may be provided on the source gas introduction chamber side as necessary. Separate connection to both the gas introduction chamber and the exhaust chamber downstream piping for efficient removal of used gas when film formation is completed, or when film formation is repeated with the same or different source gas as required Purged piping and purge switching valve means for connecting them are provided.
図6は、本発明において好ましく用いられるセラミック多孔質板製造装置の一態様の模式図であって、図4記載の製造装置においてさらに、ガス導入室と排気室双方の圧力P1、P2を各々の圧力計Pin、Poutによってモニターすると共に、それらに連動して各々の圧力P1、P2に基づく圧力差(P1−P2)を検出する圧力差モニター手段(図示せず)が設置されている。さらに好ましくは、その圧力差(P1−P2)によってALD法による薄膜形成サイクルを制御するための制御手段(図示せず)を備えている。 FIG. 6 is a schematic view of an embodiment of a ceramic porous plate manufacturing apparatus preferably used in the present invention. In the manufacturing apparatus shown in FIG. 4, the pressures P 1 and P 2 in both the gas introduction chamber and the exhaust chamber are further set. Pressure difference monitoring means (not shown) for monitoring by each pressure gauge P in , P out and detecting a pressure difference (P 1 −P 2 ) based on each pressure P 1 , P 2 in conjunction with them. Is installed. More preferably, a control means (not shown) for controlling the thin film formation cycle by the ALD method is provided by the pressure difference (P 1 -P 2 ).
尚、本発明との比較の意味で、例えば図4に示される装置において、下部基板固定用治具に届かない小さな多孔質基板を上部基板固定用治具のみに取り付けて、原料ガスが細孔内を通過することのない状態で、ALD法の成膜を行ったとしても、多孔質基板の表面近くのみで膜が形成され、多孔質基板の細孔内部まで製膜されにくく、望まれる多孔質基板全体での均一な成膜がなされたセラミックス多孔質板は得られない。 For the purpose of comparison with the present invention, for example, in the apparatus shown in FIG. 4, a small porous substrate that does not reach the lower substrate fixing jig is attached only to the upper substrate fixing jig, and the raw material gas has pores. Even if film formation by the ALD method is performed without passing through the inside, the film is formed only near the surface of the porous substrate, and it is difficult to form the film to the inside of the pores of the porous substrate. A porous ceramic plate having a uniform film formed on the entire porous substrate cannot be obtained.
また、このように細孔径、気孔率等が高精度に制御されたセラミックス多孔質板の用途としては、酸素センサー、空燃比センサーなどのガスセンサー用の多孔質板が挙げられる。中でも、ジルコニアを使用する固体電解質センサーとして用いることが有用である。すなわち、酸素などのガスの多孔質板に対する透過率と拡散係数が、精度良く制御され得る。 In addition, examples of the use of the ceramic porous plate in which the pore diameter, the porosity, etc. are controlled with high accuracy in this way include porous plates for gas sensors such as oxygen sensors and air-fuel ratio sensors. Among them, it is useful to use as a solid electrolyte sensor using zirconia. That is, the permeability and diffusion coefficient of a gas such as oxygen to the porous plate can be controlled with high accuracy.
また、本発明により製造されるセラミック多孔質板を用いて成るフィルターの例としては、生化学分離膜、イオン交換、ガス分離、分子ふるいなどその用途は問わない。中でも、種々の分離膜としての透過率制御に適する。 Moreover, as an example of the filter using the ceramic porous plate manufactured by this invention, the use, such as a biochemical separation membrane, ion exchange, gas separation, and molecular sieve, does not ask | require. Especially, it is suitable for the transmittance | permeability control as various separation membranes.
本発明により製造されるセラミック多孔質板を用いて成る触媒担体の例としては、白金などの成膜した触媒担体が挙げられ、中でも自動車の排気ガス触媒などに用いられる触媒担体用の基材としても有用である。さらには脱臭剤、光学触媒、抗菌触媒などの基材としても用いても良い。また、その他、防音壁の基材としても、本発明のセラミック多孔質板は有用である。 Examples of the catalyst carrier using the ceramic porous plate produced according to the present invention include a catalyst carrier having a film formed of platinum or the like, and in particular, as a substrate for a catalyst carrier used for an automobile exhaust gas catalyst or the like. Is also useful. Furthermore, you may use as base materials, such as a deodorizer, an optical catalyst, and an antibacterial catalyst. In addition, the ceramic porous plate of the present invention is useful as a base material for a soundproof wall.
本発明によれば、原子層または分子層レベルの高精度で膜厚制御された薄膜が全体に均一に形成された板状のセラミック多孔質材料を生産性良く安定に製造できる製造方法、およびそのために使用される製造装置が提供される。さらに、かかる優れたセラミック多孔質板を用いたフィルター、触媒担体、およびガスセンサーが提供される。 According to the present invention, the production method, and therefore the thin films thickness control with high precision of the atomic layer or molecular layer level it can be produced with good productivity stably uniformly formed plate-like ceramic porous material throughout A manufacturing apparatus for use in the present invention is provided. Furthermore, a filter, a catalyst carrier, and a gas sensor using such an excellent ceramic porous plate are provided.
[参考例]
通常のアルミナ多孔質体の製造法、すなわちアルミナ粉末と分散媒をバインダー,分散剤,整泡剤,泡安定剤と共に混合して原料スラリーを作成し、これを攪拌して泡立てた後に、気泡を含む状態で板状に成形し、次いで乾燥した後、焼成して得られたアルミナ多孔質基板(厚さ1mm、気孔率30%、大きさ50mm×50mm)を、図4に示されるように、ALDの反応チャンバーにALDの原料となるガスの導入室と、排気ポンプを用いて排気される排気室とに完全に分離されるように配置した。このときチャンバーとセラミックス多孔質板とのすきまが完全にふさがるような、基板固定用治具がチャンバー内に設置された。そのアルミナ多孔質基板をそのように設置し、細孔内部にAl2O3薄膜を形成し、細孔径、気孔率等を調整した例を以下に示す。尚、参考例では、セラミックス多孔質板としてアルミナを用いたが、他の材質であっても良い。
[ Reference example ]
A conventional method for producing an alumina porous body, that is, alumina powder and a dispersion medium are mixed together with a binder, a dispersing agent, a foam stabilizer, and a foam stabilizer to prepare a raw material slurry. As shown in FIG. 4, an alumina porous substrate (
図5には、上記のアルミナ多孔質基板を用いて、図4に示される装置を使用して、トリメチルアルミニウム(TMA)とH2OによりAl2O3の薄膜を成膜した、ALD薄膜形成サイクルを含む製膜プロセスを示す。すなわち、ALDチャンバーを40Pa程度の真空にし、窒素ガスを400cm3/分程度流しながら基板加熱用ヒーターでアルミナ多孔質基板を加熱し、基板温度を350℃に安定させた。その後TMAおよびH2O(蒸留水)を原料ボトル(図示せず)内にて室温で気化させ、キャリアガスである窒素ガスと共に400cm3/分でALDチャンバーに交互に導入した。すなわち、ALDチャンバーへのガスは、まず気化させたTMAを0.6秒間導入した後、アルミナ多孔質基板の細孔等の表面に吸着した分子以外の気相に存在する過剰のTMAを取り除くためのパージとして窒素ガスを5秒間導入し、その後、ガス導入室に残ったTMAガスを完全に排気するため、パージ切り替えバルブを開けてパージを行った。再び、このパージ切り替えバルブを閉じた後、同様に気化させたH2Oを1.0秒間導入した後、窒素パージを5秒間導入して、成膜を行った。 FIG. 5 shows the formation of an ALD thin film in which a thin film of Al 2 O 3 was formed from trimethylaluminum (TMA) and H 2 O using the above-described alumina porous substrate using the apparatus shown in FIG. The film formation process including a cycle is shown. That is, the ALD chamber was evacuated to about 40 Pa, the alumina porous substrate was heated with a substrate heating heater while flowing nitrogen gas at about 400 cm 3 / min, and the substrate temperature was stabilized at 350 ° C. Thereafter, TMA and H 2 O (distilled water) were vaporized at room temperature in a raw material bottle (not shown), and alternately introduced into the ALD chamber at 400 cm 3 / min together with nitrogen gas as a carrier gas. That is, in order to remove excess TMA present in the gas phase other than the molecules adsorbed on the surface of the porous alumina substrate after first introducing vaporized TMA for 0.6 seconds as the gas to the ALD chamber. As a purge, nitrogen gas was introduced for 5 seconds, and then the purge switch valve was opened to purge the TMA gas remaining in the gas introduction chamber completely. After the purge switching valve was closed again, similarly vaporized H 2 O was introduced for 1.0 second, and then nitrogen purge was introduced for 5 seconds to form a film.
このTMA導入→パージ→H2O導入→パージのALD成膜サイクルを1000回繰り返して成膜を行って、アルミナ多孔質基板の表面、および細孔内部に80nmの薄膜が多孔質基板全体にわたって均一に形成された。得られたアルミナ多孔質板の厚さは実質上変わらずに1mm、気孔率は29%であった。 This TMA introduction → purge → H 2 O introduction → purge ALD film formation cycle was repeated 1000 times to form a film, and the surface of the alumina porous substrate and the thin film of 80 nm inside the pores were uniform over the entire porous substrate. Formed. The thickness of the obtained alumina porous plate was substantially 1 mm without change, and the porosity was 29%.
[実施例]
さらに実施例として、同様のアルミナ多孔質基板を用い、図6に記載の装置を用いてALD法による製膜が可能である。図6に示すように、原料ガス導入室と排気室の圧力を各々の圧力計Pin、Poutにてモニターし、差圧(P1−P2)を検出する。尚、その圧力としては、たとえば窒素パージ(パージラインを通さない工程)の安定した圧力をモニターする。測定した圧力の差圧の検出は成膜サイクルごとに行なう。差圧(P1−P2)は、セラミック多孔質板の気孔率、または成膜された膜厚による影響を受けることから、前もって把握しておいた、該差圧(P1−P2)と気孔率の関係から、所望の気孔率が得られた時点で成膜サイクルを停止できるようにする。それにより初期のセラミックス気孔質基板の気孔率に左右されることなく、インラインで気孔率の高精度な制御が可能となる。
[ Example ]
Further , as an example, it is possible to form a film by the ALD method using the same alumina porous substrate and using the apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 6, the pressures in the source gas introduction chamber and the exhaust chamber are monitored by the respective pressure gauges P in and P out to detect the differential pressure (P 1 −P 2 ). As the pressure, for example, a stable pressure of nitrogen purge (a step not through the purge line) is monitored. The differential pressure between the measured pressures is detected every film formation cycle. Since the differential pressure (P 1 −P 2 ) is affected by the porosity of the ceramic porous plate or the film thickness of the deposited film, the differential pressure (P 1 −P 2 ) ascertained in advance. From the relationship between and the porosity, the film formation cycle can be stopped when a desired porosity is obtained. Thereby, it is possible to control the porosity with high accuracy in-line without being influenced by the porosity of the initial ceramic porous substrate.
図7には、図6に示される装置を使用して実施した実施例における、具体的なALD製膜プロセスが示される。具体的には、参考例と同様にして、TMA導入→パージ→H2O導入→パージの成膜サイクルを1000回程度繰り返して成膜を行い、差圧(P1−P2)が所定値に達した時点で成膜サイクルを停止する。参考例と同様に、セラミック多孔質基板の表面、および細孔内部には80nm程度の薄膜が形成される。このように図6に示される装置では、図4の装置による製膜よりもサイクルの停止が的確になされるので、より高精度の製膜が高い生産性でなされることが可能となる。 FIG. 7 shows a specific ALD film forming process in the embodiment carried out using the apparatus shown in FIG. Specifically, in the same manner as in the reference example , the film formation cycle of TMA introduction → purging → H 2 O introduction → purging is repeated about 1000 times, and the differential pressure (P 1 −P 2 ) is a predetermined value. When reaching the value, the film forming cycle is stopped. Similar to the reference example , a thin film of about 80 nm is formed on the surface of the ceramic porous substrate and inside the pores. As described above, in the apparatus shown in FIG. 6, the cycle is stopped more accurately than the film formation by the apparatus of FIG. 4, so that highly accurate film formation can be performed with high productivity.
尚、図7に示されるように、製膜後さらに、ALDチャンバーから取り出されたアルミナ多孔質板が加熱炉(図示せず)内において、さらに大気中で800℃の温度で60分間加熱された後、150℃まで冷却され、そこから取り出されることによって、加熱処理がなされる。薄膜と原材料アルミナ多孔質基板との密着性が高められ、薄膜材料との整合性が高められ、薄膜中の未反応残留物質の除去、アルミナ多孔質基板の安定化、薄膜の再結晶化、ならびに薄膜の化学的、物理的安定性の向上などが可能になる。 As shown in FIG. 7, after the film formation, the alumina porous plate taken out from the ALD chamber was further heated in a heating furnace (not shown) at a temperature of 800 ° C. for 60 minutes. Then, it is cooled to 150 ° C. and taken out from it, and heat treatment is performed. The adhesion between the thin film and the raw material alumina porous substrate is enhanced, the consistency with the thin film material is enhanced, removal of unreacted residual material in the thin film, stabilization of the alumina porous substrate, recrystallization of the thin film, and The chemical and physical stability of the thin film can be improved.
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