(57)【要約】本発明は、ナノ多孔質α-アルミナ粉末であって、平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含む粉末を含んでなるナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。本発明はまた、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末、並びに本発明のナノサイズα-アルミナ粉末を含むスラリー、具体的には水性スラリーを提供する。本発明はさらに、本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末及びナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法、並びに、本発明のスラリーを使用した研磨方法を提供する。
2006522005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含むことを特徴とする、ナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項２】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約10 nm〜約100 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項３】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約20 nm〜約90 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項４】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約25 nm〜約80 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項５】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約30 nm〜約70 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項６】
前記α-アルミナ一次粒子の99 %以上が約10nmの分布の近傍内のサイズを有している、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項７】
前記孔又はボイドの最小寸法が約20 nm〜約400 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項８】
前記孔又はボイドの最小寸法が約50 nm〜約300 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項９】
前記孔又はボイドの最小寸法が約100 nm〜約200 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１０】
前記粉末の容積の約10 %〜約75 %がα-アルミナである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１１】
前記粉末の容積の約10 %〜約50 %がα-アルミナである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１２】
前記孔又はボイドの相互貫通列が柱状又は管状構造を有している、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１３】
前記柱状又は管状構造の直径が約20 nm〜約250 nmである、請求項12に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１４】
前記柱状又は管状構造の直径が約50 nm〜約150 nmである、請求項12に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１５】
前記相互結合されたα-アルミナ一次粒子が首状部によって結合されている、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粒子。
【請求項１６】
前記首状部の断面が、前記α-アルミナ一次粒子の断面の約10 %〜約90 %である、請求項15に記載のナノ多孔質α-アルミナ粒子。
【請求項１７】
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むことを特徴とする、ナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項１８】
前記ナノサイズα-アルミナ粉末が、ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又は破断することにより調製される、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項１９】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約10 nm〜約100 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２０】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約20 nm〜約90 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２１】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約25 nm〜約80 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２２】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約30 nm〜約70 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２３】
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を含んでなることを特徴とする、スラリー。
【請求項２４】
前記ナノサイズα-アルミナ粉末が、ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又は破断することにより調製される、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２５】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約10 nm〜約100 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２６】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約20 nm〜約90 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２７】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約25 nm〜約80 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２８】
前記α-アルミナ粒子のサイズが約30 nm〜約70 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２９】
さらに水を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３０】
さらに脱イオン水を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３１】
さらに1種又は2種以上の添加剤を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３２】
前記添加剤が、貯蔵条件下又は研磨条件下でα-アルミナに対して化学的に不活性である、請求項31に記載のスラリー。
【請求項３３】
前記添加剤が、貯蔵条件下又は研磨条件下でα-アルミナ粒子の凝集を抑止する、請求項31に記載のスラリー。
【請求項３４】
前記スラリーのpHが約2〜約11である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３５】
前記スラリーのpHが約1〜約6である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３６】
前記スラリーのpHが約8〜約10.5である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３７】
下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；そして
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、また相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成すること；
を含むことを特徴とする、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法。
【請求項３８】
前記アルミナ前駆体がベーマイトである、請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
前記アルミナ前駆体が分子アルミニウム化合物である、請求項37に記載の方法。
【請求項４０】
前記分子アルミナ前駆体が、アルコキシド、酸化アリール、カルボキシレート、ハロゲン化物、スルフェート、ニトレート、オキサレート、及びアセトアセトネートから選択された1つ又は2つ以上のアニオンを含むアルミニウム塩から選択される、請求項37に記載の方法。
【請求項４１】
前記α-アルミナ種粒子が、前記固形ゲル中に均質に分散される、請求項37に記載の方法。
【請求項４２】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを0 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、低減された気圧下で0 ℃〜約80 ℃の温度で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４３】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを-20 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、20 ℃〜約80 ℃の温度及び約200 Torr以下の圧力で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４４】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを-30 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、40 ℃〜約80 ℃の温度及び約50 Torr以下の圧力で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４５】
前記焼成工程が約1200 ℃未満の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４６】
前記焼成工程が約1100 ℃未満の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４７】
前記焼成工程が約750 ℃〜約1050 ℃の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４８】
前記焼成工程が約800 ℃〜約1000 ℃の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４９】
前記α-アルミナ種粒子の平均粒子サイズが約125 nm未満である、請求項37に記載の方法。
【請求項５０】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約10 nm〜約100 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５１】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約20 nm〜約90 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５２】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約25 nm〜約80 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５３】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが約30 nm〜約70 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５４】
前記α-アルミナ一次粒子の99 %以上が約10nmの分布の近傍内のサイズを有している、請求項37に記載の方法。
【請求項５５】
前記孔又はボイドの最小寸法が約20 nm〜約400 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５６】
前記孔又はボイドの最小寸法が約50 nm〜約300 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５７】
前記孔又はボイドの最小寸法が約100 nm〜約200 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５８】
前記粉末の容積の約10 %〜約75 %がα-アルミナである、請求項37に記載の方法。
【請求項５９】
前記粉末の容積の約10 %〜約50 %がα-アルミナである、請求項37に記載の方法。
【請求項６０】
前記孔又はボイドの相互貫通列が柱状又は管状構造を有している、請求項37に記載の方法。
【請求項６１】
前記柱状又は管状構造の直径が約20 nm〜約250 nmである、請求項60に記載の方法。
【請求項６２】
前記柱状又は管状構造の直径が約50 nm〜約150 nmである、請求項60に記載の方法。
【請求項６３】
前記相互結合されたα-アルミナ一次粒子が首状部によって結合されている、請求項37に記載の方法。
【請求項６４】
前記首状部の断面が、前記α-アルミナ一次粒子の断面の約10 %〜約90 %である、請求項63に記載の方法。
【請求項６５】
生成される前記ナノ多孔質α-アルミナが、約0.1〜約25重量%の前記α-アルミナ種粒子を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項６６】
生成される前記ナノ多孔質α-アルミナが、約1〜約15重量%の前記α-アルミナ種粒子を含む、請求項65に記載の方法。
【請求項６７】
前記水溶性有機ポリマーが、ポリオール、糖、ポリアルキレンオキシド、ポリ(メト)アクリル酸、ポリ(メト)アクリレート、及びこれらの混合物から選択される、請求項37に記載の方法。
【請求項６８】
前記水溶性有機ポリマーは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール又はこれらの混合物である、請求項67に記載の方法。
【請求項６９】
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含むナノ多孔質α-アルミナ粉末を準備し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含むことを特徴とする、ナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法。
【請求項７０】
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を微粉砕により破断することにより前記ナノサイズα-アルミナ粉末を形成する、請求項65に記載の方法。
【請求項７１】
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、また相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含むことを特徴とする、ナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法。
【請求項７２】
基板の研磨方法であって、下記の工程：
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を含むスラリーを準備し；そして
前記基板と研磨パッドとの間の界面に、前記スラリーを適用すること；
を含むことを特徴とする、基板の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノサイズα-アルミナ粒子、ナノ多孔質α-アルミナ・ゲル、及びこれらの製造方法に関し、そしてより具体的には、平均粒子サイズが約100 nm未満のナノサイズα-アルミナ粒子に関する。本発明はまた、本発明のα-アルミナ粒子を含む化学機械研磨用組成物(CMP)、及びこれらの組成物を使用したCMP研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超微細アルミナ(酸化アルミニウム)粉末は、種々の産業分野において最も幅広く使用されるセラミック材料のうちの1つである。微細アルミナ粉末の用途は、半導体及び精密光学成分を研磨するための研磨剤、自動車用触媒コンバータにおけるキャリヤ構造を含む触媒キャリヤ、ポリマー用充填剤、及び塗装用顔料などとして使用することを含む。アルミナは12を超える種々異なる結晶相を有し、これらの相のそれぞれは異なる格子構造と物理特性とを有している。しかし最もよく知られた、一般に使用されるアルミナ粉末は、γ-アルミナ及びα-アルミナである。低温相であるγ-アルミナは熱力学的に準安定的であり、そして、種々の条件に応じて、約1100℃又は約1200℃を超える温度で、熱力学的に安定な相であるα-アルミナに変態する。不完全なスピネル構造によって、γ-アルミナ粉末は極めて小さな粒子サイズ、例えば約20 nm未満の粒子サイズ、及び極めて大きい表面積、例えば約300m2/gを上回る表面積を有することができる。さらに、γ-アルミナは、蒸気相及び液相双方の処理技術を介して処理することができる。平均粒子サイズが40 nm未満の超微細γ-アルミナ、及びγ-アルミナを有する研磨スラリーが、商業的に入手可能である。
【０００３】
α-アルミナの密度は、γ-アルミナの密度よりも約20 %高く、γ-アルミナよりも化学的及び機械的に耐久性が高い。従って、ナノサイズα-アルミナ粒子は、ナノサイズγ-アルミナよりも幅広い範囲の用途に適するべきである。しかし、相変態中に、結晶格子内の酸素の再編成に基づき、アルミナ粒子サイズが大幅に増大するので、γ-アルミナから調製されたα-アルミナの粒子サイズは通常、100 nmよりも大きい。
【０００４】
ナノサイズα-アルミナ、例えば約100 nm未満のα-アルミナ粒子を形成することは、長い間の課題になっている。粒子が急速に粒成長するのを防止することが、極めて重要である。平均粒子サイズが100 nmを上回る微細α-アルミナ粉末を、種含有ゾル-ゲル法を介して調製できることがよく知られている。この方法の場合、硝酸又は酢酸を含有する酸性水溶液中で、ベーマイトを先ず解膠し、次いで解膠中に、2, 3重量%のα-アルミナα-アルミナ種、普通は微細α-アルミナ粒子を溶液に添加することにより、相変態がより低い温度で発生するのを可能にする。ゾルを約100 ℃で炉乾燥させ、乾燥ゲルに変換する。ミクロンサイズ顆粒に破砕した後、これらの粒子を通常は約1000 ℃を上回る高温で焼成することにより、α-アルミナ粒子を生成する。この温度はよく制御して、粒子成長を防止しなければならない。しかしこの方法の場合、ミクロンサイズ粒は、相変態プロセス中、無傷のままであり、その結果、変態完了後には、機械的に強い硬質のα-アルミナ粒が生じる。ナノアルミナ粒子を形成する際には、粒を破砕又は破壊して、典型的には平均粒子サイズが100 nmを上回る一次粒子にするために、高い機械エネルギーが必要となる。さらに、研削プロセスはしばしば、高いレベルの不純物汚染を引き起こす。
【０００５】
米国特許第5,312,791号明細書には、アルミナ粒及び繊維を調製するための改変されたアプローチが記載されている。出発材料はベーマイトであり、ベーマイトを解膠し、次いで水中に分散させることにより、アルミナゾルを発生させる。ゾルは液体窒素中で急速に冷却するか、或いは、凍結乾燥によってゆっくりと冷却する。真空下でゾルから水を昇華させることにより、厚さ1〜3 μｍのフレークから成るゲルを形成する。米国特許第5,312,791号明細書に記載された方法により、ミクロンサイズの最小寸法を有する、より微細なアルミナ粉末、フレーク、繊維及び粒を形成することができる。しかし、粉末自体は多孔性を有していないので、より小さな粒子を形成するために、高い機械エネルギーの研削を必要とし、このような研削は、α-アルミナ生成物中に高いレベルの不純物を導入する。
【０００６】
従来技術において観察されたこれらの欠点及びその他の欠点を考えると、より純度の高い、より小さく且つより均質なα-アルミナ粉末、並びにこれらの粉末の製造方法を開発することが強く望まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、安定なナノ多孔質α-アルミナ粉末及びナノサイズα-アルミナ粉末を形成するための技術を提供する。本発明はさらに、懸濁安定性のための化学添加剤を全く又は極めてわずかしか含まない、前記粉末を含むスラリーを提供する。本発明のスラリーは、二酸化ケイ素(SiO2)上の高い材料除去量を可能にし、そしてさらに、極めて良好な表面仕上げを提供する。本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法は、アルミナ前駆体の水溶液を、ナノサイズα-アルミナ種粒子とともに播種し、水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機/無機ゾルを形成し、前記ゾルを凍結乾燥させ、そして乾燥させられたゾルを焼成することにより、ナノ多孔質α-アルミナ粉末を形成することを含む。ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断又は破砕することにより、本発明のナノサイズα-アルミナ粉末が調製される。
【０００８】
本発明は、ナノ多孔質α-アルミナ粉末であって、平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含むナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。本明細書中に使用される「ナノ多孔質α-アルミナ粉末」という用語は、多孔質凝集α-アルミナ粒子、例えば二次多結晶アルミナ粒子から成るα-アルミナ粉末を含むものとし、それぞれの多孔質粒子は、平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合された複数の一次粒子と、複数の孔又はボイドとを含む。ナノ多孔質α-アルミナ粒子のサイズは具体的には制限されない。典型的には、本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末は、多結晶凝集粒子の広い分布約500 nm〜約100 μｍを含む。
【０００９】
本発明はさらに、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末、及び前記粉末を含むスラリーを提供する。本発明のナノサイズα-アルミナ粉末は典型的には、本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又は別の形式で破断して、多孔質α-アルミナ粒子の一次α-アルミナ粒子を解放することにより調製される。
【００１０】
本明細書中に使用される「ナノサイズα-アルミナ粉末」という用語は、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子から成るα-アルミナ粉末を意味するものとする。より好ましくは、本発明のナノサイズα-アルミナ粉末のα-アルミナ粒子の実質的に全てが、約100 nm未満である。
【００１１】
本発明はさらに、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；そして
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成すること；
を含む、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法を提供する。
【００１２】
さらに別の実施態様の場合、本発明は、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含むナノ多孔質α-アルミナ粉末を準備し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含む、ナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明はさらに、α-アルミナ粉末及びスラリーを研磨剤として使用することを含む研磨方法を提供する。本研磨方法は、
平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を含むスラリーを準備し；そして
基板と研磨パッドとの間の界面に、前記スラリーを着けること；
を含む。
【００１４】
本発明の別の観点及び実施態様を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明により提供されたα-アルミナ粉末、及びこれらの粉末を含むスラリーは、例えば研磨、CMP用途、及び触媒キャリヤ材料などを含む種々の用途において使用するのに適している。本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末は、触媒キャリヤ材料、絶縁材料、濾過媒体としての使用、並びに、ナノメーター・スケールの孔又はボイドを有する材料が望ましいその他の用途に特に適している。ナノサイズα-アルミナ粉末及びスラリーは、研磨及びCMP用途に使用するのに特に適している。なぜならば、本発明のα-アルミナ粒子は例外的な硬さを有しており、そしてこれらの平均粒子サイズが約10 nm〜約100 nmであるからである。さらに本発明のα-アルミナ粒子は、高い材料除去量を提供するとともに、基板の欠陥発生を最小限に抑える。
【００１６】
本発明のナノサイズα-アルミナ粉末は、種々の硬質材料の研磨に適している。硬質材料の一例としては、サファイア、スピネル、シリコン、コランダム、及びコランダム構造を有するその他の材料が挙げられる。ナノサイズα-アルミナ粉末は、化学機械研磨用途(CMP)のための1種又は2種以上の化学的な添加剤と組み合わせて使用することもできる。本発明のナノサイズα-アルミナ粉末を使用したCMPに対する好ましい基板は、1つ又は2つ以上の金属がデポジットされた半導体基板を含む。好ましい金属は、二酸化ケイ素基板上にデポジットされた白金、パラジウム、タンタル、タングステン、銅、銀、金を含む。
【００１７】
上述のように、本発明は、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ一次粒子の相互結合列と、孔又はボイドの相互貫通列とから成るナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。より好ましくは、相互結合列のα-アルミナ一次粒子の平均サイズは、約10〜100 nm、約20〜90 nm、約25〜80 nm、又は約30〜70 nmである。本発明の他の好ましいナノ多孔質α-アルミナ粉末は、α-アルミナ一次粒子の99%以上が約10nmの分布の近傍内のサイズを有するα-アルミナ一次粒子の相互結合列を含む。
【００１８】
典型的には、相互結合されたα-アルミナ一次粒子は、首状部（ネック）によって結合されている。すなわち、α-アルミナ一次粒子のサイズは相変態中に増大し、これにより、隣接する粒子同士を融合させる。好ましい実施態様の場合、「首状部」、すなわち隣接する粒子が互いに融合した領域は、α-アルミナ一次粒子の断面の約10 %〜約90 %である。
【００１９】
ナノ多孔質α-アルミナ粉末中に存在する多孔質α-アルミナ粒子の孔又はボイドのサイズ又は形状は、具体的には制限されない。或る好ましい実施態様、例えば触媒キャリヤなどの場合、孔又はボイドは、1種又は2種以上の反応体又は生成物が多孔質粒子に入る又はここから出るのを可能にするのに十分に大きいことが望ましいことがある。ナノ多孔質α-アルミナ粉末の容易な微粉砕又は破砕を可能にするいかなる孔又はボイドも、本発明のナノサイズα-アルミナ粉末の製造において使用するのに適している。本発明の好ましいナノ多孔質α-アルミナ粉末は、孔又はボイドが約20nm〜約400nmの最小寸法を有する多孔質粒子を含む。より好ましくは、孔又はボイドの最小寸法は、約50nm〜約300nmである。特に好ましい実施態様の場合、孔又はボイドの最小寸法は約100nm〜約200nmである。
【００２０】
α-アルミナであるナノ多孔質α-アルミナ粉末の容積パーセントは、用途に応じて変化させることができる。一般には、α-アルミナ一次粒子は、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の1〜約75容積%を占める。より好ましくは、α-アルミナ一次粒子は、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の約10〜約75容積%、又は約10〜約50容積%を占める。
【００２１】
ナノ多孔質α-アルミナ粒子中のボイド及び孔のアーキテクチャ及び配列は、具体的には制限されない。理論に縛られることを希望するものではないが、ボイド及び孔のアーキテクチャ、サイズ及び配列は典型的には、水溶性有機ポリマーのサイズ及び物理特性と関数関係にある。或る好ましい実施態様の場合、孔又はボイドの相互貫通列は柱状又は管状構造を有している。より好ましくは柱状又は管状構造の直径は、約20 nm〜約250 nm、又は約50 nm〜約150 nmである。
【００２２】
本発明はさらに、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末、及び前記粉末を含むスラリーを提供する。本発明のナノサイズα-アルミナ粉末は典型的には、本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末を微粉砕、破砕又は別の形式で破断して、多孔質α-アルミナ粒子の一次α-アルミナ粒子を解放することにより調製される。より好ましくは、相互結合列のα-アルミナ一次粒子の平均サイズは、約10〜100 nm、約20〜90 nm、約25〜80 nm、又は約30〜70 nmである。本発明の他の好ましいナノ多孔質α-アルミナ粉末は、α-アルミナ一次粒子の相互結合列を含み、α-アルミナ一次粒子の99%以上は、約10nmの分布の近傍内のサイズを有している。
【００２３】
本発明の好ましいスラリーは、本発明の1種又は2種以上のナノサイズα-アルミナ粉末を含む。好ましいナノサイズα-アルミナ粉末は、本明細書中に記載された任意のナノサイズα-アルミナ粉末を含む。より好ましいスラリーは、ナノサイズα-アルミナ粉末のα-アルミナ粒子が水性混合物中に分散させられているスラリーを含む。好ましい水性混合物は、水、具体的には脱イオン水又は蒸留水、1種又は2種以上の界面活性剤、有機酸、又はその他の添加剤を含む水溶液を含む。好ましい添加剤は、貯蔵条件下又は研磨条件下でα-アルミナに対して化学的に不活性である。付加的に好ましい添加剤は、水性混合物中のα-アルミナ粒子の凝集を阻害することができる。水性混合物に対する特に好ましい添加剤は、有機酸、例えば酢酸、ギ酸、乳酸、グリコール酸、クエン酸、シュウ酸、及び炭素原子数約6未満のその他のカルボン酸を含む。
【００２４】
本発明のその他の好ましいスラリーは、本発明の1種又は2種以上のナノサイズα-アルミナ粉末を含む。すなわち、本発明のスラリーは、α-アルミナの単一粒子サイズを含むか、或いは種々異なる平均粒子サイズを有する本発明の2種又は3種以上のナノサイズα-アルミナ粉末から形成される、2種又は3種以上の粒子サイズの複合混合物を含むことができる。種々異なる平均粒子サイズは、混合時に合体して、モノ・モード、バイ・モード又はポリ・モードの粒子サイズ分布を形成する。典型的には、単一平均粒子サイズ分布を有するα-アルミナ粒子を含むスラリーが好ましい。
【００２５】
本発明の水性スラリーのpHは典型的には、約2〜約11である。或る好ましい用途の場合、酸性pH又はアルカリ性pHを有するスラリーが望ましい。従って、本発明のより好ましい水性スラリーのpHは、約1又は2〜約6、又は約8〜約10.5である。
【００２６】
本発明のスラリーは、研磨又はCMP用途における研磨剤として、また金属触媒のためのキャリヤなどとして使用することを含む、種々の用途における使用に適している。
【００２７】
本発明の製造方法において、α-アルミナを形成することができるいずれの水溶性アルミニウム化合物も、α-アルミナ前駆体として使用するのに適している。典型的に好ましい出発材料は、ベーマイト及び分子アルミナ前駆体を含む。ベーマイト源は、ベーマイトが高純度Al(O)OHを提供する限り、特に重要ではなく、自然発生型又は合成型のベーマイトの両方を含むことができる。分子アルミナ前駆体は無機(硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、及び硫酸アルミニウムなど)又は有機(アルミニウムアルコキシド、及び酢酸アルミニウムなど)であってよい。ベーマイトは、本発明の方法にとって特に好ましい出発材料である。
【００２８】
好ましい実施態様の場合、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；そして
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成すること；
を含む、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法が提供される。
【００２９】
ゲル全体にわたって実質的に均質に分散させられた種粒子を有することにより、焼成中のゲルの効率的な播種を保証することが一般に望ましい。
【００３０】
α-アルミナ前駆体として分子アルミニウム化合物を使用することを含む本発明の方法の場合には、アルミニウムの任意の水溶性の有機又は無機配位錯体又は塩が、本発明の方法において使用するのに適していることがある。典型的に好ましい分子アルミナ前駆体は、アルコキシド、酸化アリール、カルボキシレート、ハロゲン化物、スルフェート、ニトレート、オキサレート、及びアセトアセトネートから選択された1つ又は2つ以上のアニオンを含むアルミニウム塩から選択される。特に好ましい分子アルミナ前駆体は、アルミニウムアルコキシド、カルボキシレート、ハロゲン化物又はニトレートを含む。
【００３１】
本発明の方法によって提供又は調製される好ましい水溶液は、水、ベーマイト及び/又は分子アルミナ前駆体、及びα-アルミナ種粒子を含む。分子アルミナ前駆体が採用される場合、水溶液がさらに1種以上の酸を含むことが望ましい場合がある。好ましい酸は、硝酸、硫酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、酢酸、ギ酸、及びプロピオン酸などから成る群から選択される。
【００３２】
好ましい水溶液において、α-アルミナ種粒子の平均粒子サイズは、約125 nm未満、又はより好ましくは約100 nm未満である。特に好ましい種粒子の平均粒子サイズは、約30 nm〜約100 nm、約40 nm〜約80 nm、又は約50 nm〜約70 nmである。
【００３３】
種α-アルミナ粒子を水中によく分散させ、次いでアルミニウム化合物を種粒子の水分散体に添加する。水分散体の播種効果を増大させることが望ましい。従って、種濃度を比較的高くすることにより、溶液の播種力を高める。例えば、種に由来する、生成物α-アルミナ粒子中のアルミニウム原子数と、分子アルミニウム前駆体に由来する、生成物α-アルミナ粒子中のアルミニウム原子数との比は、典型的には、約1:3〜約1:1000、又はより好ましくは約1:6〜約1:20である。好ましい実施態様の場合、種粒子は、生成物α-アルミナ粉末の約0.1〜約25重量パーセントを含む。特に好ましい実施態様の場合、種の濃度は生成物α-アルミナの約1〜15重量%又は1〜10重量%である。
【００３４】
理論に束縛されることを希望するものではないが、アルミナ前駆体と種との水溶液に添加される水溶性有機ポリマーは、ゾル内部で有機材料の領域を形成するように機能する。従って、α-アルミナ種粒子とα-アルミナ前駆体と水溶性有機ポリマーとを含む水性混合物から形成された有機-無機ゾルは、沈澱アルミナ前駆体と種粒子とから成る不連続領域と、溶媒和有機ポリマー領域とを有した。有機-無機ゾルを凍結乾燥させる結果、アルミナ前駆体と種粒子とから成る領域と、有機ポリマーから成る領域とを有する乾燥ゲルを生じさせる。乾燥ゲルの焼成は、有機ポリマーを熱分解し、ボイドを形成し、そしてアルミナ前駆体をα-アルミナに変態させる。
【００３５】
本発明は、アルミナの相転移温度未満の温度でクリーンな燃焼を示し、また有機-無機ゾルを形成することができる任意の水溶性有機ポリマーの使用を推奨する。好ましい水溶性有機ポリマーは、ポリオール、糖、ポリアルキレンオキシド、ポリ(メト)アクリル酸、ポリ(メト)アクリレート、及びこれらの混合物から選択される。特に好ましい水溶性有機ポリマーは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール又はこれらの混合物を含む。
【００３６】
本発明の方法は、有機-無機ゾルを急速に凍結し、そして水及びその他の揮発性物質を、低減された気圧下で除去する凍結乾燥工程を含む。典型的には、急速な冷却を保証するために質量に対して高い表面積を有する容器内にゾルを入れ、次いでこれを周囲温度0℃未満、より好ましくは-20℃、-30℃又は-40℃未満の大気と接触させることにより、急速に凍結させる。
【００３７】
有機-無機ゾルを凍結させた後、凍結ゾルから水を昇華させることにより、有機-無機ゾルを乾燥させる。乾燥プロセスを促進するために、一般には、減圧を発生させるために大気が部分的に排出された容器内に凍結ゾルを配置する。典型的には、昇華に適した減圧は、400 Torr以下、200 Torr以下、100 Torr以下、又は50 Torr以下である。一般に、圧力が低くなればなるほど、水の昇華速度は高くなる。本発明により提供された好ましい凍結乾燥工程の場合、凍結ゾルを、低減された圧力に晒したあとで0℃〜約100℃の温度まで加熱する。より好ましくは、凍結ゾルは、約20℃〜約80℃又は約40℃〜約80℃の温度まで加熱する。一般に昇華速度は、昇華容器内の圧力に対して反比例し、そして温度に対して正比例する。
【００３８】
本発明は、前駆体ゲルを約1200℃未満の温度で焼成することを含む、ナノ多孔質α-アルミナ粉末及びナノサイズα-アルミナ粉末を調製する新しい方法を提供する。より好ましくは、焼成温度は約1000℃〜1200℃、より好ましくは約1100℃未満である。より好ましくは、焼成は、分子アルミナ前駆体に応じて、約750℃〜1050℃、より好ましくは約800℃〜1000℃の温度で行われる。焼成は、周囲雰囲気、すなわち空気下で行われる。しかし、或る特定の環境において、酸素富化雰囲気を含む他の雰囲気が望ましい場合がある。
【００３９】
本発明の好ましい方法は、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ一次粒子の相互結合列と、孔又はボイドの相互貫通列とから成るナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。より好ましくは、本発明の方法は、相互結合列の一次α-アルミナ粒子の平均サイズが約10〜100 nm、約20〜90 nm、約25〜80 nm、又は約30〜70 nmであるナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。本発明の他の好ましい方法は、α-アルミナ一次粒子の99%以上が、約10nmの分布の周辺以内のサイズを有するナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。
【００４０】
本発明の好ましい方法は、孔又はボイドの最小寸法が約20 nm〜約400 nmであるナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。より好ましくは、これらの方法は、孔又はボイドの最小寸法が約50 nm〜約300 nm、又はより好ましくは約100 nm〜約200 nmであるナノ多孔質粉末を提供する。
【００４１】
これらの方法は、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の総容積を基準としたα-アルミナのパーセント容積を、用途に応じて変化させることができるナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。一般にこれらの方法は、α-アルミナ一次粒子がナノ多孔質α-アルミナ粉末の1〜約75容積%を占める粉末を提供する。より好ましくは、これらの方法は、α-アルミナ一次粒子がナノ多孔質α-アルミナ粉末の約10〜約75容積%、又は約10〜約50容積%を占める粉末を提供する(ナノ多孔質α-アルミナ粉末の容積は、α-アルミナ一次粒子の容積とボイド空間の容積との和である)。
【００４２】
特に好ましい実施態様の場合、本発明の方法は、柱状又は管状構造を備えた孔又はボイドの相互貫通列を有するα-アルミナ粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末を提供する。好ましくは、柱状又は管状孔の直径は、約20 nm〜約250 nm、又はより好ましくは約50 nm〜約150 nmである。
【００４３】
本発明はまた、平均粒子サイズ約100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
平均粒子サイズ約100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含むナノ多孔質α-アルミナ粉末を準備し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含む、ナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法を提供する。
【００４４】
一次粒子サイズ約100 nm未満のいかなるナノ多孔質α-アルミナ粉末も、本発明の方法において使用するのに適しているが、好ましいナノ多孔質α-アルミナ粉末が本発明の方法によって調製される。
【００４５】
本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又はその他の形式で細かくすることにより、ナノ多孔質粉末の一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を生成する。α-アルミナ一次粒子の相互結合列を破断するいかなる手段も、本発明の方法において使用するのに適しており、機械的手段及び超音波手段を含むことができる。機械的破断手段が典型的には好ましい。本発明のより好ましい方法は、ナノ多孔質粒子を微粉砕することにより、一次粒子の相互結合列を破断することを含む。
【実施例】
【００４６】
本発明を下記実施例によってさらに説明する。下記実施例は本発明を限定するものと解釈されるべきでは決してない。本出願全体を通して引用された全ての引用文献(参考文献、発行済特許明細書、発行済特許出願公開明細書を含む)の内容は全て、参照することで本明細書中に加入されたものとする。本発明の実施は、特に断りのない限りは、当業者の技術範囲内に含まれる常用の技術を採用する。このような技術は文献において十分に説明されている。
【００４７】
実施例1
アトリション・ミル内で脱イオン水(DI水)を用いて微粉砕された多結晶アルファ・アルミナ粉末を種として使用した。スラリー中のアルミナ種(固形分中33.5重量%)47.6 gを、プラスチック容器内で5400 gのDI中に分散させた。溶液に575 gの硝酸(7%)を添加し、これに600 gの商業的なベーマイト粉末(Siral-1.5, Condea)を添加した。溶液を2時間にわたって強力に撹拌することにより、ベーマイトを完全に解膠した。200 gのポリビニルアルコール(PVA、分子量11,000〜31,000、J. T. Baker)を800 gの水中にまず溶解させることにより、20重量%の溶液を形成した。PVA溶液をベーマイト溶液に添加し、そして1時間にわたってミキサーを使用してよく混合した。
【００４８】
溶液を小分けしてステンレス鋼製パン内に入れ、そして凍結乾燥のために凍結乾燥器チャンバ内に置いた。溶液をまず-45℃まで凍結し、次いで真空下で60℃の温度で昇華させた。凍結乾燥プロセス全体は、〜72時間かかった。凍結乾燥された材料はスポンジ状で白色であった。粉末を箱形炉内で1時間にわたって1190℃で焼成した。焼成後、粉末は高フラフ状で多孔質になり、そして乳鉢内で粉砕するのがきわめて簡単になった。X線回折及びHe密度測定に基づいて、材料が98〜100 %アルファ-アルミナであることが確認された。SEMは、材料がナノ多孔質であり、ハニカム構造を有したことを示す。孔は、凍結乾燥器内部の冷却及び加熱の方向に沿って配向されており、孔は水が昇華するのを可能にするトンネルとして使用されたと推定される。材料の断面図に対するSEMは、孔の直径が約150 nmであることを示した。図1及び図2を参照されたい。BET測定は、材料の表面積が38.5 m2/gであることを示す。
【００４９】
ナノ多孔質のハニカム構造により、この材料は、アトリション・ミルを用いて短時間(6時間)内でアルファ-アルミナのナノサイズ粒子に容易に微粉砕することができた。図3は、微粉砕後のスラリーのSEM画像を示す。
【００５０】
実施例2
実施例1におけるのと同じ、アトリション・ミル内でDI水を用いて微粉砕された多結晶アルファ・アルミナ粉末を、下記処理のための種として使用した。アルミナ種(固形分中33.5重量%)47.6 gを、プラスチック容器内で5400 gのDI水中に分散させた。溶液に300 gの硝酸(7重量%)を添加し、これに600 gの商業的なベーマイト粉末(P2K, Condea)を添加した。溶液を2時間にわたって強力に撹拌することにより、ベーマイトを完全に解膠して分散させた。ポリビニルアルコールの溶液(PVA、分子量11,000〜31,000、20重量%)2000 gをベーマイト溶液に添加し、そして1時間にわたってミキサーを使用してよく混合した。
【００５１】
溶液を小分けしてステンレス鋼製パン内に入れ、そして凍結乾燥のために凍結乾燥器チャンバ内に置いた。溶液をまず-45℃まで凍結した後、真空下で60℃の温度で昇華させた。凍結乾燥は、完全な乾燥を可能にするために〜72日間にわたって行った。凍結乾燥された材料はスポンジ状で白色であった。粉末を1.5時間にわたって1000℃で焼成した。焼成後、粉末は高フラフ状で多孔質になった。X線回折及びHe密度測定に基づいて、材料が〜100 %アルファ-アルミナであることが確認された。SEMは、材料がナノ多孔質であり、ハニカム構造を有したことを示す。孔は、実施例1と同様に、凍結乾燥器内部の冷却及び加熱の方向に沿って配向されている。柱のサイズは直径約150nmである。
【００５２】
開いたナノ多孔質構造により、焼成後のこの材料は、高純度アルミナを媒体として使用して、アトリション・ミル内で容易に破砕・微粉砕することができた。微粉砕済材料は粒子サイズ分析器で測定して、平均粒子D50 = 90 nmを提供した。
【００５３】
本発明の多数の実施態様に関して説明してきたが、開示された本発明の範囲及び思想に全て含まれる、本発明のその他の実施態様、及び/又は改変形、複合形、及び置換形が可能であることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図２】図1において撮像されたナノ多孔質α-アルミナ粉末を示す別の走査電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明のナノ多孔質α-アルミナ粉末を微粉砕することにより調製された本発明のナノサイズα-アルミナ粒子を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図１】
2006522005.tif 000003
【図２】
2006522005.tif 000004
【図３】
2006522005.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月6日(2005.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子サイズ100 nm未満の相互結合されたα-アルミナ一次粒子と、孔又はボイドの相互貫通列とを含み、かつ前記α-アルミナ一次粒子が、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；そして
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成すること；
を含む方法によって調製されることを特徴とする、ナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項２】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが10 nm〜100 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項３】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが20 nm〜90 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項４】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが25 nm〜80 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項５】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが30 nm〜70 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項６】
前記α-アルミナ一次粒子の99 %以上が10nmの分布の近傍内のサイズを有している、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項７】
前記孔又はボイドの最小寸法が20 nm〜400 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項８】
前記孔又はボイドの最小寸法が50 nm〜300 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項９】
前記孔又はボイドの最小寸法が100 nm〜200 nmである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１０】
前記粉末の容積の10 %〜75 %がα-アルミナである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１１】
前記粉末の容積の10 %〜50 %がα-アルミナである、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１２】
前記孔又はボイドの相互貫通列が柱状又は管状構造を有している、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１３】
前記柱状又は管状構造の直径が20 nm〜250 nmである、請求項12に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１４】
前記柱状又は管状構造の直径が50 nm〜150 nmである、請求項12に記載のナノ多孔質α-アルミナ粉末。
【請求項１５】
前記相互結合されたα-アルミナ一次粒子が首状部によって結合されている、請求項1に記載のナノ多孔質α-アルミナ粒子。
【請求項１６】
前記首状部の断面が、前記α-アルミナ一次粒子の断面の10 %〜90 %である、請求項15に記載のナノ多孔質α-アルミナ粒子。
【請求項１７】
平均粒子サイズ100 nm未満のα-アルミナ粒子を含み、かつ前記α-アルミナ粒子が、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含む方法によって調製されることを特徴とする、ナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項１８】
前記ナノサイズα-アルミナ粉末が、ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又は破断することにより調製される、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項１９】
前記α-アルミナ粒子のサイズが10 nm〜100 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２０】
前記α-アルミナ粒子のサイズが20 nm〜90 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２１】
前記α-アルミナ粒子のサイズが25 nm〜80 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２２】
前記α-アルミナ粒子のサイズが30 nm〜70 nmである、請求項17に記載のナノサイズα-アルミナ粉末。
【請求項２３】
平均粒子サイズ100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を含み、かつ前記α-アルミナ粒子が、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含む方法によって調製されることを特徴とする、スラリー。
【請求項２４】
前記ナノサイズα-アルミナ粉末が、ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破砕、微粉砕又は破断することにより調製される、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２５】
前記α-アルミナ粒子のサイズが10 nm〜100 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２６】
前記α-アルミナ粒子のサイズが20 nm〜90 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２７】
前記α-アルミナ粒子のサイズが25 nm〜80 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２８】
前記α-アルミナ粒子のサイズが30 nm〜70 nmである、請求項23に記載のスラリー。
【請求項２９】
さらに水を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３０】
さらに脱イオン水を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３１】
さらに1種又は2種以上の添加剤を含む、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３２】
前記添加剤が、貯蔵条件下又は研磨条件下でα-アルミナに対して化学的に不活性である、請求項31に記載のスラリー。
【請求項３３】
前記添加剤が、貯蔵条件下又は研磨条件下でα-アルミナ粒子の凝集を抑止する、請求項31に記載のスラリー。
【請求項３４】
前記スラリーのpHが2〜11である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３５】
前記スラリーのpHが1〜6である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３６】
前記スラリーのpHが8〜10.5である、請求項23に記載のスラリー。
【請求項３７】
下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；そして
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成すること；
を含むことを特徴とする、ナノ多孔質α-アルミナ粉末の製造方法。
【請求項３８】
前記アルミナ前駆体がベーマイトである、請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
前記アルミナ前駆体が分子アルミニウム化合物である、請求項37に記載の方法。
【請求項４０】
前記分子アルミナ前駆体が、アルコキシド、酸化アリール、カルボキシレート、ハロゲン化物、スルフェート、ニトレート、オキサレート、及びアセトアセトネートから選択された1つ又は2つ以上のアニオンを含むアルミニウム塩から選択される、請求項37に記載の方法。
【請求項４１】
前記α-アルミナ種粒子が、前記固形ゲル中に均質に分散される、請求項37に記載の方法。
【請求項４２】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを0 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、低減された気圧下で0 ℃〜80 ℃の温度で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４３】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを-20 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、20 ℃〜80 ℃の温度及び200 Torr以下の圧力で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４４】
前記凍結乾燥工程が、
前記有機-無機ゾルを-30 ℃以下の温度まで凍結させ；そして
前記凍結されたゾルから、40 ℃〜80 ℃の温度及び50 Torr以下の圧力で水を昇華させること；
を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項４５】
前記焼成工程が1200 ℃未満の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４６】
前記焼成工程が1100 ℃未満の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４７】
前記焼成工程が750 ℃〜1050 ℃の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４８】
前記焼成工程が800 ℃〜1000 ℃の温度で行われる、請求項37に記載の方法。
【請求項４９】
前記α-アルミナ種粒子の平均粒子サイズが125 nm未満である、請求項37に記載の方法。
【請求項５０】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが10 nm〜100 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５１】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが20 nm〜90 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５２】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが25 nm〜80 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５３】
前記α-アルミナ一次粒子のサイズが30 nm〜70 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５４】
前記α-アルミナ一次粒子の99 %以上が10nmの分布の近傍内のサイズを有している、請求項37に記載の方法。
【請求項５５】
前記孔又はボイドの最小寸法が20 nm〜400 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５６】
前記孔又はボイドの最小寸法が50 nm〜300 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５７】
前記孔又はボイドの最小寸法が100 nm〜200 nmである、請求項37に記載の方法。
【請求項５８】
前記粉末の容積の10 %〜75 %がα-アルミナである、請求項37に記載の方法。
【請求項５９】
前記粉末の容積の10 %〜50 %がα-アルミナである、請求項37に記載の方法。
【請求項６０】
前記孔又はボイドの相互貫通列が柱状又は管状構造を有している、請求項37に記載の方法。
【請求項６１】
前記柱状又は管状構造の直径が20 nm〜250 nmである、請求項60に記載の方法。
【請求項６２】
前記柱状又は管状構造の直径が50 nm〜150 nmである、請求項60に記載の方法。
【請求項６３】
前記相互結合されたα-アルミナ一次粒子が首状部によって結合されている、請求項37に記載の方法。
【請求項６４】
前記首状部の断面が、前記α-アルミナ一次粒子の断面の10 %〜90 %である、請求項63に記載の方法。
【請求項６５】
生成される前記ナノ多孔質α-アルミナが、0.1〜25重量%の前記α-アルミナ種粒子を含む、請求項37に記載の方法。
【請求項６６】
生成される前記ナノ多孔質α-アルミナが、1〜15重量%の前記α-アルミナ種粒子を含む、請求項65に記載の方法。
【請求項６７】
前記水溶性有機ポリマーが、ポリオール、糖、ポリアルキレンオキシド、ポリ(メト)アクリル酸、ポリ(メト)アクリレート、及びこれらの混合物から選択される、請求項37に記載の方法。
【請求項６８】
前記水溶性有機ポリマーは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール又はこれらの混合物である、請求項67に記載の方法。
【請求項６９】
平均粒子サイズ100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法であって、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含むことを特徴とする、ナノサイズα-アルミナ粉末の製造方法。
【請求項７０】
基板の研磨方法であって、下記の工程：
平均粒子サイズ100 nm未満のα-アルミナ粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を含むスラリーを準備し；そして
前記基板と研磨パッドとの間の界面に、前記スラリーを適用すること；
を含み、かつ
前記ナノサイズα-アルミナ粉末を、下記の工程：
1種以上のアルミナ前駆体と複数のα-アルミナ種粒子とを含む無機ゾルを準備し；
前記無機ゾルに1種以上の水溶性有機ポリマーを添加することにより、有機-無機ゾルを形成し；
前記有機-無機ゾルを凍結乾燥させることにより、固形ゲルを形成し；
前記有機ポリマーを燃焼させることができ、かつ相互結合されたα-アルミナ一次粒子を含むナノ多孔質α-アルミナ粉末のα-アルミナ形成を誘発することができる温度で、前記固形ゲルを焼成し；そして
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を破断することにより、前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末の前記α-アルミナ一次粒子を含むナノサイズα-アルミナ粉末を形成すること；
を含む方法によって調製することを特徴とする、基板の研磨方法。
【請求項７１】
前記ナノ多孔質α-アルミナ粉末を微粉砕により破断することにより前記ナノサイズα-アルミナ粉末を形成する、請求項69に記載の方法。
【国際調査報告】
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2006522005.tif 000007
2006522005.tif 000008
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