(57)【要約】【課題】平面的あるいは立体的に配置された複数の微小流路に均等に気体を分配することができる微小流路構造体及び、この微少流路構造体を利用し、気体を従来より効率よく活性化、分解、混合、反応等の処理ができる気体の処理装置を提供する。【解決の手段】気体を導入する少なくとも一つの導入口と、導入口に連通する少なくとも一つの導入路と、導入路に連通しかつ気体を均等に分配して送る少なくとも一つの微小流路と、微小流路に連通しかつ気体を排出する排出路及び排出路に連通する少なくとも一つの排出口とを有し、導入路の内径は微小流路の内径よりも大きく、かつ導入路の内径は、導入口との連通位置から離れるに従って次第に大きくなる、及び、連通位置から離れても同じである、のどちらか一つである、微小流路構造体及びこれを利用した気体の処理装置を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を導入する少なくとも一つの導入口と、前記導入口に連通する少なくとも一つの導入路と、前記導入路に連通しかつ前記気体を均等に分配して送る少なくとも一つの微小流路と、前記微小流路に連通しかつ前記気体を排出する排出路及び前記排出路に連通する少なくとも一つの排出口とを有し、前記導入路の内径は前記微小流路の内径よりも大きく、かつ前記導入路の内径は、前記導入口との連通位置から離れるに従って次第に大きくなる、及び、連通位置から離れても同じである、のどちらか一つである、微小流路構造体。
【請求項２】
導入口に最も近い微小流路Ｙ１から導入口に最も遠い微小流路Ｙｎまでの、ｎ本の微小流路が導入路と連通した流路を有する微小流路構造体において、導入口と導入路との連通位置をＸ０、前記微小流路Ｙ１と導入路との連通位置をＸ１、連通位置Ｘ０と連通位置Ｘ１との間の導入路に沿った長さをａ１、以下、連通位置、微小流路、微小流路間の長さが順序づけられ、導入口から最も遠い微小流路Ｙｎと導入路との連通位置をＸｎ、微小流路Ｙｎより１つ導入口寄りの微小流路をＹｎ−１、微小流路Ｙｎ−１と導入路との連通位置をＸｎ−１、連通位置Ｘｎ−１と連通位置Ｘｎとの間の導入路に沿った長さをａｎとしたとき、ａ２からａｎがすべて等しい、請求項１に記載の微小流路構造体。
【請求項３】
前記微小流路の壁の全面又は少なくとも一部に金属を配置した、請求項１又は請求項２に記載の微小流路構造体。
【請求項４】
微小流路構造体の壁に配置された、金属に電流を流すための少なくとも一つの電流発生手段を含む、請求項３に記載の微小流路構造体。
【請求項５】
微小流路構造体の壁の数箇所に配置された金属間に電界を生じさせるための少なくとも一つの電圧発生手段を含む、請求項３に記載の微小流路構造体。
【請求項６】
微小流路構造体の外部に設けられ、微小流路に導入された気体を加熱するための加熱手段を備えた請求項１〜５のいずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項７】
請求項１又は請求項２記載の微小流路構造体と、前記導入口に連通しかつ気体を移送するための導管と、を含む気体の処理装置。
【請求項８】
微小流路構造体及び導管が合成石英ガラスによりできている、請求項７記載の気体の処理装置。
【請求項９】
微小流路の壁の全面又は少なくとも一部に金属が配置され、かつ、前記金属に電流を流すための少なくとも一つの電流発生手段を含む、請求項７又は請求項８に記載の気体の処理装置。
【請求項１０】
微小流路の壁の一つ以上の箇所に金属が配置され、かつ、前記金属に電流を流すための少なくとも一つの電流発生手段を備える、請求項７又は請求項８に記載の気体の処理装置。
【請求項１１】
微小流路構造体の外部に設けられ、微小流路に導入された気体を加熱するための少なくとも一つの加熱手段を含む、請求項７又は請求項８に記載の気体の処理装置。
【請求項１２】
気体が酸化窒素及び／又はアンモニアである請求項７〜１１のいずれかに記載の気体の処理装置。
【請求項１３】
微小流路の壁の全面又は少なくとも一部に触媒が配置されている、請求項７又は請求項８に記載の気体の反応装置。
【請求項１４】
触媒が金属または金属を含む化合物である、請求項１３記載の気体の反応装置。
【請求項１５】
触媒にエネルギーを与えるための少なくとも一つのエネルギー発生手段を含む、請求項１３又は請求項１４記載の気体の反応装置。
【請求項１６】
気体が酸化窒素及び／又はアンモニアである請求項１３〜１５のいずれかに記載の気体の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応等の気体の処理を行なう複数の微小流路を有する微小流路構造体において、前記複数の微小流路に均等に気体を分配する微小流路形状を有する微小流路構造体、及びこの微少流路構造体を利用した、気体の微小流路内での化学反応、特に気体の活性化、分解、混合、反応等を行なわせしめる気体の処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、数ｃｍ角のガラス基板上において長さが数ｃｍ程度で、幅と深さがサブμｍから数百μｍの微小流路を有する微小流路構造体を用い、流体を微小流路へ導入することにより化学反応を行う研究が注目されている。このような微小流路は、微小空間の短い分子間距離および大きな比界面積の効果により、効率の良い化学反応を行なうことができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような微小空間の特性を生かしたまま、微小流路での化学反応を工業的に利用しようとする試みも行われている。この場合、微小空間の小ささ故に、単一の微小流路では、単位時間当りの生成量または排出量が少なくならざるを得ない。しかし、多数の微小流路を並列に配置することができれば、前記微小流路の特性を生かしたまま単位時間当たりの生成量あるいは排出量を増加させることができる。よって、例えば１本の微小流路を有する微小流路基板を複数用意し、反応溶液の入り口や反応生成物の出口などの共通部分と連通した縦穴でつないで積層することなどが試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このように、微小空間の特徴を生かしたまま、大量に化学反応を行なう場合には、最小単位である微小流路の集積度を平面的に高める、あるいは立体的に積層することで可能であると言われている。しかしながら、平面的あるいは立体的に配置された微小流路へ均等に流体を分配することは、従来非常に困難であった。
【０００５】
また、一般的な各種半導体デバイスの製作において、特に半導体基板材料として代表的なＳｉなどの下地材料に、前記下地材料とは異なる材料の薄膜を、例えばＣＶＤ（化学蒸着法）などの成膜プロセスなどにおいて成膜する際、Ｎ２ＯやＮＨ３の気体をプラズマや加熱した金属触媒により活性化させ、半導体の下地材料にドープすることで、例えばＳｉＮ等の薄膜を形成することが試みられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、プラズマを用いる方法は、数十ＫＶ以上の高電圧を発生させる必要があり、装置が大掛かりになり、またプラズマ中で生成される高エネルギー荷電粒子の半導体基板材料への入射による界面欠陥の発生が避けられない。また、加熱した金属触媒を用いる方法は高温に加熱する必要が、例えばＮＨ３の活性化には１６００℃以上に加熱する必要がある。一般的に半導体成膜装置には石英製のガラス管あるいはガラスボートが用いられる。しかし、石英が１分あたり１ｍｍで延び始める温度である軟化点が約１６００〜１７００℃程度であるため、石英製の容器を使用することが出来ない。よって、より耐熱性の優れたセラミック製の特殊な容器が必要になるなどの問題があった。
【０００７】
【非特許文献１】Ｈ．Ｈｉｓａｍｏｔｏ  ｅｔ．ａｌ．（Ｈ．ひさもと  ら著）「Ｆａｓｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ  ｔｈｅ  ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｆｏｒｍｅｄ  ｉｎ  ａ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  ｃｈｉｐ」，  Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，  ２００１年発行，  ２６６２−２６６３頁
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９２２７５号公報
【特許文献２】特開平１０−８３９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、かかる従来の実状に鑑みて提案されたものであり、微小流路構造体に平面的あるいは立体的に配置された複数の微小流路に均等に流体を分配することが可能とすることにある。また、この微少流路構造体を利用し、気体を従来より効率よく活性化、分解、混合、反応等の処理ができる気体の処理装置を提供することにある。なお、気体の処理装置における処理とは、流体の活性化、分解、複数の気体の混合、反応等の処理を意味する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するものとして、気体を導入する少なくとも一つの導入口及びこれに連通する少なくとも一つの導入路と、前記導入路に連通しかつ前記気体を均等に分配して送る少なくとも一つの微小流路と、前記微小流路に連通しかつ前記気体を排出する排出路及びこれに連通する少なくとも一つの排出口とを有し、前記導入路の内径がは前記微小流路の内径よりも大きく、かつ導入口との連通位置から離れるに従って次第に大きくなる、及び、連通位置から離れても同じである、のどちらか一つである、微小流路構造体である。このような構成とすることで、微小流路構造体に平面的あるいは立体的に配置された複数の微小流路に均等に気体を分配することや２種以上の気体を混合することが可能となること、また、前記微小流路の中の全てあるいは少なくとも一部に触媒や金属を配置してもよい。触媒は金属であっても、金属を含む化合物であってもよい。金属を触媒及び／またはヒーターとして利用したり、金属を電極として利用して金属間で放電することで、導入した気体を活性化し、あるいは分解、反応させることができ、上記の従来技術による課題を解決することができることを見出し、本発明を完成することができた。
【００１１】
以下、本発明を詳細に説明する。なお図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例等についても説明するが、本発明は以下の各実施例等に限定されるものではない。例えばこれら実施例の構成要素同士を適宜組合せてもよい。
【００１２】
まず、本発明の微小流路構造体を用いて、複数の微小流路に均等に気体を送ることに関して以下に説明する。
【００１３】
本発明の微小流路構造体は、気体を導入する少なくとも一つの導入口と、前記導入口に連通する少なくとも一つの導入路と、前記導入路に連通しかつ前記気体を均等に分配して送る少なくとも一つの微小流路と、前記微小流路に連通しかつ前記気体を排出する排出路及び前記排出路に連通する少なくとも一つの排出口とを有している。前記導入路の内径は、前記微小流路の内径よりも大きく、かつ前記導入路の内径は、前記導入口との連通位置から離れるに従って次第に大きくなる、及び、連通位置から離れても同じである、のどちらか一つである、となっている。大きくなる場合には、例えば多段階的に大きくなっても、円錐状に大きくなってもよく、条件によって適宜適当な形状が選択できる。
【００１４】
ここで、本発明の微小流路構造体の最も基本的な概念図を図１に示す。導入路（３）の片側の端に気体を導入するための導入口（１）を設け、導入路よりも内径（流路幅）が小さい微小流路（４）を配置する。なお微小流路（４）の端には排出路（２）が設けられている。ここで微小流路とは、内径が約５００μｍ以下の流路を意味する。また導入路とは、内径が５００μｍより大きく数ｃｍ以下、好ましくは１ｃｍ以下の流路を意味する。本発明では内径とは、断面が円形でない場合は、同じ断面積を有する円筒の内径であると定義される。また本発明において流路の断面形状としてはいかなる形状をとることも可能であるが、特に半月形や矩形形状であることが好ましい。導入口と導入路をつなぐ流路の内径に特に制限はないが、導入路と同程度の内径であることが望ましい。
【００１５】
微小流路の配置については、導入口とは異なる位置で導入路と連通しておれば特に制限はない。この点をさらに図１を用いて具体的に示す。図１は、導入口に最も近い微小流路Ｙ１から導入口に最も遠い微小流路Ｙｎまでの、ｎ本の微小流路が導入路と連通した流路を有する微小流路構造体である。導入口と導入路との連通位置をＸ０（便宜上、図に示すように導入口の中心ラインが導入路壁の位置と交わる点をＸ０と表した。）、前記微小流路Ｙ１と導入路との連通位置をＸ１（図に示すように微小流路の中心ラインが導入路壁に該当する位置と交わる点をＸ１と表した。）、連通位置Ｘ０と連通位置Ｘ１との間の導入路に沿った長さをａ１とした。またそれぞれの、連通位置、微小流路、微小流路間の長さを順序づけ、導入口から最も遠い微小流路Ｙｎと導入路との連通位置をＸｎ、微小流路Ｙｎより１つ導入口寄りの微小流路をＹｎ−１、微小流路Ｙｎ−１と導入路との連通位置をＸｎ−１、連通位置Ｘｎ−１と連通位置Ｘｎとの間の導入路に沿った長さをａｎとした。Ｙ１からＹｎまでの微小流路に均等に気体を分配するために、ａ２からａｎがすべて等しくなる配置とすることが好ましい。さらに、ａ１〜ａｎをすべて等しくすることでこの効果をさらに向上させることができる。
【００１６】
しかしながら、本発明では、ａ２からａｎがすべて等しくなる配置であってもよく、そのときの使用する材料や製造等の条件によって、隣り合う連通位置と連通位置の長さを適宜選択、あるいは変更することも可能である。例えばａ１からａｎまで順次長さが長くなる、あるいは順次短くなる構成であってもよい。
【００１７】
また、このような微小流路構造体において、微小流路構造体が微小流路を有する１または２以上の微小流路基板から構成されていてよい。またその基板上に複数の導入路を有し、この各々の導入路が微小流路基板、ひいては微小流路と連通した構造としてもよい。
【００１８】
図２〜図５には、本発明の幾つかの形態を示す概念図が示される。なお上記でも述べたが、本発明は、これらの形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
【００１９】
図２は、導入路（３）の内径が導入口（１）の連通位置から離れるに従って次第に大きくなる例である。進行方向に垂直な断面積が次第に大きくなってゆく導入路の変化の割合は、適宜好適なものが選択できるが、好ましい変化の割合は、導入路の最小断面積から最大断面積まで一次関数的に変化するものである。本発明では導入口の断面形状は、円形が好ましいが、いかなる形状であっても任意に選択できる。例えば円形、楕円、半円や四角等の形状であってもよい。
【００２０】
図３は、２本の導入路（３）からそれぞれＹ１からＹｎで示される微小流路（４）を引き出してＹ字状に合流させた例である。図３に示される微小流路構造体を用いて、２本の導入路に化学反応を起こさせる気体や混合させる気体をそれぞれ導入することで、複数のＹ字状の微小流路に均等に気体を分配することができ、すべての微小流路に同じ条件で化学反応や混合を行なうことができる。
【００２１】
図４は、微小流路（４）を有する３つの微小流路構造体（６）を一つの導入路（３）に対して縦に配置し構成した、すなわち導入路の長軸方向に対して各構造体の面が垂直になるように間隔をあけて位置を揃えて配置した、例である。導入口（１）が導入路（３）の上部に設けられている。なお図４に示したそれぞれの微小流路構造体は、図５に示すような、同様に導入路（３）に対して等間隔で配置した微小流路（４）を有する微小流路構造体（６）である。このように導入路（３）を、二段階に分けて設けることも、本発明では可能である。また、本発明では、微小流路構造体（６）を一種の微小流路（４）として、構成することもできる。よって図４の構成を図１の構成の一例とすることができる。
【００２２】
図６は、円盤状の基板に導入口（１）と導入路（３）を形成した上部カバー体（１６）と、上部カバー体と同じ大きさの円盤状の基板に上部カバー体の導入路と連通する微小流路（４）を放射状に配置した微小流路基板（８）と、上部カバー体と同じ大きさの円盤状の基板に微小流路と連通する複数の排出口（２）を有する下部カバー体（１７）を張り合わせた微小流路構造体（６）の例である。
【００２３】
以上のような微小流路を有する微小流路基板は任意の方法で製造できるが、例えば石英やセラミック、シリコン、あるいは金属や樹脂等の基板材料を、機械加工やレーザー加工、エッチングなどにより直接加工することによって製作できる。また、基板材料がセラミックや樹脂の場合は、流路形状を有する金属等の鋳型を用いて成形することで製作することもできる。なお一般的に、前記微小流路構造体は、カバー体と微小流路基板を接合して使用する。カバー体と微小流路基板を接合する接合方法としては、基板材料がセラミックスや金属の場合は、ハンダ付けや接着剤を用いられる。例えば、基板材料が石英、樹脂の場合は、百度〜千数百度の高温下で荷重をかけて熱接合させたり、基板材料がシリコンの場合は洗浄により表面を活性化させて常温で接合させるなどなどの方法がある。微小流路基板はどのような色であってもよく、有色であって、着色されていても、透明あるいは半透明であっても、よい。透明であれば内部を観察でき、有色であれば内部のものの光による劣化や反応を防止できる。
【００２４】
次に、本発明の微小流路構造体を用いて、微小流路に導入した気体を混合し、活性化し、あるいは分解、反応させる処理装置について、以下に説明する。
【００２５】
本発明の処理装置は、前述した微小流路構造体と、前記導入口に連通しかつ気体を移送するための導管と、からなる気体の処理装置である。このような構成の処理装置にすることで、微小流路構造体部分において気体の均一分配が可能になり、処理対象の気体を微小流路構造体へ移送するための導管と結合させた優れた処理装置を構成することができる。よって気体の混合、活性化、加熱、分解等の処理を効率よくかつ正確に行うことができる。一般に気体を活性化したり分解したりする場合、図７に示すような気体を導入する導管直径（５）が数〜十数ｃｍ程度（例えば、具体的には１．０〜１．５ｃｍ程度）、導管長さ（９）が数十ｃｍ程度（例えば、具体的には１５〜２０ｃｍ程度）の、例えば石英製の導管（１０）を導管の外部からヒーター（１５）などの加熱装置や部材で加熱する。この場合、加熱された石英製の導管と気体が接触する単位体積当たりの表面積（比表面積）は、導管の直径を５ｃｍ、導管の長さを２０ｃｍとすると８０ｍ−１（計算式：導管の内表面積÷導管容積）となる。これに対し、図５に示すような例えば５００μｍの幅と深さを有し、流路長２０ｃｍの微小流路を１０本形成した石英製の微小流路構造体の微小流路の単位体積当たりの表面積（比表面積）は、８０００ｍ−１（計算式：流路の内表面積÷流路容積）となる。このため、図７の導管と図５の微小流路構造体を気体が通過する時間が同じであれば、加熱された石英と気体が接触する比表面積は、微小流路構造体の比表面積が導管のそれの１００倍であることから、微小流路構造体の熱効率は導管に比べて約１００倍高い。よって、約１００倍早く気体を活性化したり分解したりすることができる。このことから考えると、上記大きさの導管と同程度の気体の活性化、分解を得るには、かなり短い長さでよい。上記微小流路の幅と深さを用いた場合、長さは２００μｍ程度で良いことになる。よって、本発明を用いた場合、気体の活性化、分解する装置を超小型化することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、図８に示すように微小流路（４）の壁の全面あるいは、１箇所又は数箇所といった部分に、１以上の金属（１８）を配置しても良い。ここで、微小流路の中に金属を配置するとは、図８のように微小流路の内径以下あるいは流路に入りうる大きさの直径を有する金属線を入れても良いし、図９及び図９のＡ−Ａ’断面を示す図１０、図１１及び図１１のＢ−Ｂ’断面を示す図１２のように蒸着やスパッタあるいはＣＶＤ等などの既知の方法を用いて、微小流路の壁の全面あるいは一部に金属薄膜を形成してもよいことを意味する。また、ここでいう金属としては、気体を活性化したり分解したりするのに触媒作用を発現するものが好ましく、さらに微小流路内に配置された場合この金属を加熱することでヒーターとして直接利用できるものがより好ましい。このような金属の例として、例えば気体としてＮ２Ｏ（酸化窒素）やＮＨ３（アンモニア）を活性化したり分解したりする場合では、白金、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、ルテニウム、パラジウム、クロム等があげられる。触媒にエネルギーを与えるための少なくとも一つのエネルギー発生部材を含んでもよい。
【００２７】
ここで、金属を加熱する装置や方法などの手段としては、微小流路構造体または気体の処理装置の外部に設けられた、ヒーター等の加熱装置といった加熱手段を備えて、微小流路内の金属を加熱して微小流路に導入された気体を加熱しても良い。または、前述の微小流路構造体または気体の処理装置の微小流路の壁に配置された金属と電流を流すための少なくとも一つの電流発生手段（電源）とを接続し、電流を流して加熱しても良いし、また、電磁誘導によりこの配置された金属内に渦電流を生じさせて加熱しても良い。このようにすることで、微小流路の大きな非表面積による熱効率の増大に加えて、金属の触媒効果も加わり、より効率よく気体の活性化、分解、混合、反応を行なうことができる。なお本発明において記載される手段とは、装置、方法、工程、部材、部分等を含むものとする。
【００２８】
また、図１１及び図１２のように、微小流路構造体または気体の処理装置の微小流路内の壁の一部となる数箇所に金属を配置して、金属間に電位差を与えて金属間に電界を生じさせることで、微小流路内の気体中で放電を起こさせる（プラズマを発生させる）ことで、導入した気体を活性化、分解、混合、反応させても良い。
【００２９】
また、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、微小流路の壁の数箇所に配置された金属間に電界を生じさせるための少なくとも一つの電圧発生手段を備えていてもよい。
【００３０】
一般に大気中で１０ｍｍ程度のギャップで金属を配置し、金属間の電位差を直流で１０ＫＶ程度与えると放電が生じる。この場合、金属間の電界は１×１０６Ｖ／ｍである。本発明における微小流路の場合、図７（ｃ）に示した金属間の距離、すなわち微小流路の深さを１０μｍとすると、１×１０６Ｖ／ｍの電界を得るには、直流１０Ｖ程度の電源が有れば可能となる。直流で１０ＫＶの高電圧を発生する電源装置にくらべ、本発明では直流１０Ｖを発生させるには乾電池が１〜数個程度あれば実現できる。よって電圧供給装置を大幅に簡略化したうえに、微小流路内に放電を生じさせ、導入した気体を活性化、分解、混合、反応させることができる。
【００３１】
このように本発明の微小流路構造体または気体の処理装置を用いることで、気体を混合し、活性化し、あるいは分解、反応させる処理を容易に行うことができる。
【００３２】
具体的には、気体を活性化させる場合、上記の微小流路構造体の微小流路に気体を導入した後、導入された気体を加熱して、及び／又は微小流路内に配置した複数の金属間に電圧を印加して気体中で放電を起こさせて（プラズマを発生させて）、気体を活性化させることができる。
【００３３】
また本発明の微小流路構造体または気体の処理装置における微小流路内で活性化された気体を、微小流路構造体または気体の処理装置の外部に設けられた基板に接触させてもよい。前記基板上に活性化された気体に由来する膜を形成させることで、この接触による均一な膜を形成させることができる。
【００３４】
また、導入された気体を加熱して又は気体に電流を流して、気体を分解又は反応させることもできる。従って、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、微小流路構造体の外部に設けられた、微小流路に導入された気体を加熱するための加熱手段を備える微小流路構造体であることが好ましい。また、加熱した場合に、より高い温度、具体的には１０００度以上の温度に微小流路構造体が耐え得るようにするためには、本発明における微小流路構造体及び導管が、石英ガラスであることが好ましく、合成石英ガラス、特に純度の高い合成石英ガラスであることがより好ましい。
【００３５】
また、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、気体反応用リアクターとしての用途に使用されうる。具体的には、微小流路中に導入された気体、例えば、ベンゼンとアンモニア、を微小流路に導入し、上記記載の白金やタングステンなどの金属触媒を電気的に加熱してあるいは外部から加熱してその触媒効率を高め、直接アニリンを合成する反応手法等が挙げられる。このように、本発明の微小流路構造体を化学反応のために用いれば、微小流路という狭い空間を利用した反応場が提供でき、反応物質の衝突頻度を高め効率を向上させることができる。また、非常に活性化が困難でその安定性も不十分な反応物質に対しても数μ秒から数ミリ秒といった短時間で目的物質の合成が可能となるなど、微小流路の特徴を有効に利用した反応が可能となる。
【００３６】
さらに、２種以上の気体を混合させる場合、例えば、図３に示される微小流路構造体に気体を導入し、２種以上の気体を接触させることで、混合を達成できる。
【００３７】
これらの処理に用いられる気体としては、本発明の目的を逸脱しない限り特に制限はない。例えば、テトラエトシキシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）、ジクロロシラン（Ｈ２ＳｉＣｌ２）、窒素などが挙げられる。また、酸化窒素やアンモニア、あるいは両者を同時に用いることもできる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の微小流路構造体は、気体を導入する少なくとも一つの導入口と、前記導入口に連通する少なくとも一つの導入路と、前記導入路に連通しかつ前記気体を均等に分配して送る少なくとも一つの微小流路と、前記微小流路に連通しかつ前記気体を排出する排出路及び前記排出路に連通する少なくとも一つの排出口とを有しており、さらに、前記導入路の内径は前記微小流路の内径よりも大きく、かつ前記導入路の内径は、前記導入口との連通位置から離れるに従って次第に大きくなる、及び、連通位置から離れても同じである、のどちらか一つである、構成となっている。このようにすることで、各々の微小流路に気体を均等に分配することができる。
【００３９】
また本発明の微小流路の配置については、導入口とは異なる位置で導入路と連通しておれば特に制限はない。この点をさらに具体的に示せば、図１に示すように、導入口に最も近い微小流路Ｙ１から導入口に最も遠い微小流路Ｙｎまでｎ本の微小流路が導入路と連通した流路を有する微小流路構造体において、導入口と導入路との連通位置をＸ０、前記微小流路Ｙ１と導入路との連通位置をＸ１、連通位置Ｘ０と連通位置Ｘ１との間の導入路に沿った長さをａ１、以下、連通位置、微小流路、微小流路間の長さが順序づけられ、導入口から最も遠い微小流路Ｙｎと導入路との連通位置をＸｎ、微小流路Ｙｎより１つ導入口寄りの微小流路をＹｎ−１、微小流路Ｙｎ−１と導入路との連通位置をＸｎ−１、連通位置Ｘｎ−１と連通位置Ｘｎとの間の導入路に沿った長さをａｎとしたとき、Ｙ１からＹｎまでの微小流路に均等に気体を分配するために、ａ２からａｎがすべて等しくなる配置とすることが好ましい。さらに、ａ１〜ａｎをすべて等しくすることでこの各微小流路に気体を均等に分配する効果をさらに向上させることができる。
【００４０】
また、このような微小流路構造体において、微小流路構造体が微小流路を有する１または２以上の微小流路基板から構成されていてよい。また、その基板上に複数の導入路を有し、各々の導入路が微小流路基板、ひいては微小流路と連通した構造としてもよい。このようにすることで、大量の気体の処理が可能となる。
【００４１】
また本発明は、前述した微小流路構造体と、前記導入口に連通しかつ気体を移送するための導管と、を含む気体の処理装置である。このような構成にすることで、微小流路構造体部分において気体の均一分配可能であり、処理対象の気体を微小流路構造体へ移送するための導管と微小流路構造体とを結合させた処理装置を構成することができ、気体の混合、活性化、加熱、分解等の処理を行うことができる。
【００４２】
また、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、微小流路の壁の全面あるいは、１箇所又は数箇所といった部分に、１以上の金属を配置しても良い。金属は、気体を活性化したり分解したりするのに触媒作用を発現するものが好ましく、さらに微小流路内に配置した金属を加熱することでヒーターとして直接利用できるものがより好ましい。このようにすることで、より効率的に気体を活性化、分解、混合、反応等の処理をおこなうことができる。金属の種類としては、鉄、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウムなどが挙げられ、なかでもタングステンを使用することが好ましい。
【００４３】
また本発明における金属を加熱する手段としては、微小流路構造体または気体の処理装置の外部に設けられた、ヒーター等の加熱装置といった少なくとも一つの加熱手段を備えて、微小流路内の金属を加熱して微小流路に導入された気体を加熱しても良い。あるいは、前述の微小流路構造体または気体の処理装置の微小流路の壁に配置された金属と電流を流すための少なくとも一つの電流発生手段（電源）とを接続し、電流を流して金属を加熱しても良い。また、電磁誘導によりこの配置された金属内に渦電流を生じさせて金属を加熱しても良い。このようにすることで、微小流路の大きな非表面積による熱効率の増大に加えて、金属の触媒効果も加わり、より効率よく気体の活性化、分解、混合、反応を行なうことができる。
【００４４】
また、微小流路構造体または気体の処理装置の微小流路内の壁の一部となる数箇所に金属を配置して、金属間に電位差を与えて金属間に電界を生じさせることで、微小流路内の気体中で放電を起こさせる（プラズマを発生させる）ことで、導入した気体を活性化、分解、混合、反応させることができる。
【００４５】
また、本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、微小流路の壁の数箇所に配置された金属間に電界を生じさせるための電圧発生手段を備えても良い。このような構成にすることで、流路幅は数十μｍから数百μｍの微小流路に放電させるには、数Ｖ程度の電源があれば良く、電圧供給装置を大幅に簡略化して微小流路内に放電を生じさせ、導入した気体を活性化、分解、混合、反応させることができる。なお本発明の微小流路において、限定されていない値の一例を以下に挙げる。本発明の微小流路の幅は、一例として、１０〜５００μｍであり、好ましくは２０〜２００μｍであり、更に好ましくは５０〜１００μｍである。本発明の微小流路の高さの一例は、１〜１００μｍであり、好ましくは１０〜５０μｍであり、更に好ましくは２０〜３０μｍである。なお本発明の微小流路の長さの一例は、０．１〜２０ｃｍであり、好ましくは１〜１０ｃｍであり、更に好ましくは３〜５ｃｍである。
【００４６】
また本発明の微小流路構造体または気体の処理装置は、微小流路構造体の外部に設けられ、微小流路に導入された気体を加熱するための加熱手段を備えた微小流路構造体であることが好ましい。また、微小流路構造体及び導管は、いかなる材料でできていてもよいが、好ましくは溶融石英ガラス、合成石英ガラス、複合石英ガラスなどで形成されることが好ましい。なかでも、加熱した場合により高い温度、具体的には１０００度以上の温度に微小流路構造体が耐え得るようにするためには、本発明における微小流路構造体及び導管が純度の高い合成石英ガラスであることがより好ましい。このようにすることで、導入された気体を加熱して、気体を分解又は反応させることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお本発明は、上記でも述べたように、これらの実施例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００４８】
第１の実施例として、図１３に示すような微小流路構造体（６）を製作した。７０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ１．６５ｍｍの石英製基板にブラスト加工により幅２ｍｍ、深さ５００μｍの導入路（３）と。この導入路に連通する幅５００μｍ、深さ５００μｍ、途中の折り返し位置を有する、長さ１５ｃｍの微小流路（４）を１０本形成した。１０本の微小流路と導入路がそれぞれ連通する位置の間隔は２ｍｍとした。この微小流路基板（８）と同サイズの石英製基板をカバー体（７）とし、微小流路基板の微小流路面と熱接合により接合し微小流路構造体を作製した。
【００４９】
この微小流路構造体の導入口（１）に、送液ポンプを使用して、流速１０Ｌ／分でＮ２Ｏを流し、１０本の微小流路の出口に１０個の流量計を配置して排出される流量を測定した。各微小流路からは０．９〜１．１Ｌ／分の範囲で、Ｎ２Ｏが排出され、各微小流路に均等にＮ２Ｏが流れていることを確認した。
【実施例２】
【００５０】
第２の実施例として、図１４に示した微小流路構造体（６）を作製した。図１４には、図１３と同じ微小流路構造体が３枚用いられている。３枚の微小流路構造体は、導入路（３）と連通して５ｃｍ間隔で配置されている。これらの微小流路構造体の微小流路の中には直径０．３ｍｍのタングステンワイヤ（１２）を図１５に示すように配置した。図１４の微小流路構造体を、図１６に示すようなＣＶＤ装置（１３）の中に配置し、ＣＶＤ装置の炉に設置されたヒーター（１５）で加熱した。ＣＶＤ装置の炉内は、真空ポンプにより０．３Ｔｏｒｒまで排気した。なお、ヒーター材料としてはカンタル材を用いた。次に気体の導入口からＮＨ３ガスを１０Ｌ／分の流速で導入し、直径３．５インチのＳｉウエハ基板（１４）にＳｉＮ膜を成膜した。Ｓｉウエハ基板は微小流路構造体から１０ｍｍ下に、また微小流路構造体の排出口からは１ｍｍ離れたところに配置した。ヒーターの温度は、石英が軟化する軟化点（１６００〜１７００℃）より低い１０００〜１１００℃（石英の内部ひずみが１５分で除去できる徐冷点、すなわち１１００〜１２００℃より若干低い温度）であり、成膜欠陥の少ない極めて良好なＳｉＮ膜を成膜できた。また、３枚のＳｉウエハ基板に成膜されたＳｉＮ膜の膜厚も５〜７ｎｍ程度であり、極めて均一に成膜することができた。なお、本実施例では、ＣＶＤ装置のヒーターを用いて外部から微小流路構造体を加熱している。しかし、微小流路に配置したタングステンワイヤに電源を接続して直接電流を流したり、電磁誘導により渦電流を生じさせることによりタングステンワイヤ自体をヒーターとしても良い。
【実施例３】
【００５１】
第３の実施例として、図６に示した微小流路構造体（６）を作製した。微小流路基板は、直径５インチ、厚さ１ｍｍの石英製基板の表面に、幅５００μｍ、深さ１０μｍ、長さ３０ｍｍの微小流路を放射線状に１８本ブラストにより形成することにより、製造した。各微小流路の両方の末端には、上部カバー体（１６）の導入路および下部カバー体（１７）の排出口と連通させるために直径１ｍｍの貫通した孔を設けた。また、上部カバー体（１６）には、微小流路基板と同サイズの石英製基板の中央に直径２ｍｍの導入口（１）を設け、導入路（３）として直径１１０ｍｍ、深さ３００μｍの円筒状の凹部と放射状の１８本の分配流路（１９）をブラストにより形成した。また下部カバー体（１７）は、微小流路基板と同サイズの石英製基板の中央を中心に直径５０ｍｍ、深さ３００μの円筒状の凹部と放射状の１８本の回収流路（２０）を設けた。その凹部の底面に、気体の排出口として、直径１ｍｍの貫通口を１８個放射状にブラスト加工により形成した。微小流路構造体は、上部カバー体と微小流路基板、及び下部カバー体を熱接合にて接合することによって、形成した。
【００５２】
また、図１７に示すように微小流路の上面と下面の少なくとも一箇所に白金（１１）をスパッタにより１００ｎｍの厚みで成膜した。この成膜した上面の白金は直流１０Ｖの電源に接続スイッチを介して接続され、下面の白金は接地した。この微小流路構造体を図１８に示すようなＣＶＤ装置（１３）の中に配置した。ＣＶＤの炉内は真空ポンプにより０．３Ｔｏｒｒに排気した。また、ＣＶＤの炉内は、ヒーター（１５）により３００℃にした。次に気体の導入口からＮＨ３ガスを５Ｌ／分の流速で導入し、直径５インチのＳｉウエハ基板（１４）にＳｉＮ膜を成膜した。Ｓｉウエハ基板は微小流路構造体から１０ｍｍ下に配置した。ＮＨ３ガスの導入と同時に微小流路内の上面の白金電極に電圧を印可し、微小流路内で放電を発生させたところ、成膜欠陥の少ない極めて良好なＳｉＮ膜を膜厚５〜７ｎｍ程度で成膜できた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明における最も基本的な微小流路形状を示した概略平面図である。
【図２】本発明における微小流路形状の一例を示す概略平面図である。
【図３】本発明における微小流路形状の一例を示す概略平面図である。
【図４】本発明における微小流路形状の一例を示す概略図である。
【図５】図４の一部分を拡大した微小流路形状の一例を示す概略平面図である。
【図６】実施例３に用いられた、本発明における微小流路形状の形態例の組みたて工程を示す概略斜視図である。
【図７】一般に気体を活性化したり分解したりする場合に用いられる、石英製導管の概略斜視図である。
【図８】微小流路の中の全てあるいは一部に１以上の金属を配置した場合の概略斜視図である。
【図９】微小流路の中の全てあるいは一部に１以上の金属を配置した場合の概略斜視図である。
【図１０】図９の線Ａ−Ａ’についての概略断面図である。
【図１１】微小流路の中の全てあるいは一部に１以上の金属を配置した場合の概略斜視図である。
【図１２】図１１の線Ｂ−Ｂ’についての概略断面図である。
【図１３】実施例１に用いた微小流路構造体の概略斜視図である。
【図１４】実施例２に用いた微小流路構造体の概略斜視図である。
【図１５】図１４の一部分を拡大した概略平面図である。
【図１６】実施例２に用いた微小流路構造体を、ＣＶＤ装置に適用した場合の一例を示す概略図である。
【図１７】実施例３に用いた微小流路構造体の微小流路の概略断面図である。
【図１８】実施例３に用いた微小流路構造体を、ＣＶＤ装置に適用した場合の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：導入口
２：排出口
３：導入路
４：微小流路
５：導管直径
６：微小流路構造体
７：カバー体
８：微小流路基板
９：導管長さ
１０：導管
１１：白金
１２：タングステンワイヤ
１３：ＣＶＤ装置
１４：Ｓｉウエハ基板
１５：ヒーター
１６：上部カバー体
１７：下部カバー体
１８：金属
１９：分配流路
２０：回収流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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