JP2005028267A

JP2005028267A - デバイス、反応装置、分離装置、基板部材、デバイスの製造方法

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Publication number: JP2005028267A
Application number: JP2003195400A
Authority: JP
Inventors: Akira Akiba; 朗秋葉; Minoru Sakata; 稔坂田; Kazuhiro Yamada; 和弘山田; Akira Endo; 明遠藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Bussan Nanotech Research Institute Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Bussan Nanotech Research Institute Inc
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】反応の効率を高め、物質の必要量を少なくすることができ、小型でしかも汎用性の高いデバイス、反応装置等を提供することを目的とする。
【解決手段】デバイス１０は、二枚一対の基板１１Ａ、１１Ｂ間に、基板１２を挟み込んで積層し、基板１２の上面側に、物質の投入口となる開口部１７Ａを備え、基板１２の下面側に、物質の排出口となる開口部１７Ｂを備えた構成となっている。そして、基板１２には、基板１２を貫通する複数の孔１５を形成し、各孔１５に、基板１２の一面側から他面側に貫通する微細流路が多数形成されたポーラス材料を担持する構成とした。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応、抽出分離等を行う場合に用いて好適なデバイス、反応装置、分離装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に、化学反応を実験的に生じさせる際は、フラスコ等の容器内に所定の物質を投入し、撹拌等を行っている。
しかしながら、フラスコ等の容器内では、分子レベルから見ればマクロスケールであり、「拡散現象」が反応を支配している。つまり、反応場が巨大であるため、容器内に拡散した所定の物質どうしが、ある確率で遭遇した場合のみ反応が生じる。
【０００３】
これに対し、近年、マイクロリアクタ等と称されるデバイスが提供されている（例えば、非特許文献１、２参照。）。図１４に示すように、マイクロリアクタ１は、例えば複数の物質を流す溝状の流路２を備えたもので、例えば、別々の供給口２ａ、２ｂ、２ｃから供給した物質Ａ、Ｂ、Ｃが、それぞれ合流した後に化学反応を生じるものである。
このようなマイクロリアクタ１は、細い流路２という小さい反応場で化学反応を生じさせるため、所定の化学反応をフラスコ等の容器よりも確実に生じさせることができる。これにより、反応時間も早く、また短い拡散距離（流路２の長さ）で反応を終了させることができ、結果として反応の効率が非常が良く、また物質の必要量もフラスコ等の容器に較べれば遥かに少なくて済むため、経済的であるという利点を有する。
【０００４】
【非特許文献１】
藤井輝夫、「生化学反応を行うマイクロリアクター」、ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ、石油学会、２０００年、第２３巻、第１１号、ｐ．９３２−９３８
【非特許文献２】
久本秀明、北森武彦、「マイクロチップに集積化した化学システム」、ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ、石油学会、２０００年、第２３巻、第１１号、ｐ．９２４−９２７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなマイクロリアクタ１では、フラスコ等に比較すれば遥かに反応場が小さいとは言え、より一層、反応の効率を高め、物質の必要量を少なくするために、さらに小さな反応場を有したデバイスが必要とされている。
また、従来のマイクロリアクタ１は、流路２のスケール（溝幅）が数〜数百μｍであり、近年の化学反応・合成研究分野では、より小さなナノスケールの反応場が求められている。
【０００６】
加えて、このようなマイクロリアクタ１では、多数の物質を組み合わせて化学反応を生じさせようとした場合、物質どうしの合流箇所が増えるため、自ずと流路２が長くなり、デバイスとして大型化してしまうという問題がある。さらに、流路２には、物質の数に応じた合流箇所が必要であるため、組み合わせる物質の数に応じ、それに対応する配置・形状の流路２が必要であり、汎用性に欠けるという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より一層、反応の効率を高め、物質の必要量を少なくすることができ、小型でしかも汎用性の高いデバイス、反応装置、分離装置等を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明のデバイスは、板状（薄膜状を含む）で複数の貫通孔が形成された第一の基板と、この第一の基板の一面側を覆う第二の基板と、第一の基板の他面側を覆う第三の基板とを備え、第一の基板のそれぞれの貫通孔には、複数の微細孔を有するポーラス材料が設けられている。そして、第一の基板と第二の基板の間には、外部に連通する開口部を有した第一の室が形成され、第一の基板と第三の基板との間には、外部に連通する開口部を有した第二の室が形成されている。
ここで、ポーラス材料としては、例えば、管状（トンネル状）の微細孔を複数有して構成された六方トンネル構造シリカを用いることができる。ここで、微細孔は、例えば、ＩＵＰＡＣ（ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＵＮＩＯＮＯＦＰＵＲＥＡＮＤＡＰＰＬＩＥＤＣＨＥＭＩＳＴＲＹ：国際純正および応用化学連合）の規定における、直径２ｎｍ以下のマイクロ孔（ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ）、直径２〜５０ｎｍのメソ孔（ｍｅｓｏｐｏｒｅ）等とすることができる。
【０００９】
ポーラス材料は、微細孔が連続する方向を、このポーラス材料が設けられた基板の貫通孔が連続する方向と略同一とするのが好ましい。
なお、このような微細孔は、微細孔が連続する方向を、ポーラス材料が設けられた基板の貫通孔が連続する方向と略同一とすることで、ポーラス材料において、基板の一面側から他面側に貫通する複数の微細流路を形成する。また、ポーラス材料には、ポーラス材料が設けられた基板の貫通孔が連続する方向と略同一の方向、つまり基板の一面側から他面側に貫通する微細孔が存在すれば、必ずしも基板の一面側から他面側に直線的に貫通する必要はなく、また他にそれ以外の方向に連続する微細孔が存在していても良い。さらに、このような微細孔は複数の空間が互いに連続することで形成されるものであってもよい。
【００１０】
第一の室、第二の室を設けるには、第一の基板または第二の基板の少なくとも一方と、第一の基板または第三の基板の少なくとも一方に、それぞれ第一の基板の貫通孔が形成された領域を囲むように壁状部を形成すればよい。この壁状部に囲まれた部分に第一の室、第二の室が形成される。
【００１１】
このようなデバイスは、第一の室の開口部から物質を供給すると、この物質は第一の基板の貫通孔に設けられたポーラス材料の微細孔を通り、第二の室に移り、第二の室に形成された開口部から排出される。
このような物質の流れを利用し、このデバイスを、化学反応装置や分離装置とすることができる。このようなデバイスでは、ポーラス材料の微細孔に対して供給できる物質であれば、気体、液体、固体を問わず、様々な物質を取り扱うことができる。
【００１２】
また、第二の基板と第三の基板の間に、複数の第一の基板を積層することもできる。その場合、互いに上下に位置する第一の基板間に、外部に連通する開口部を有した第三の室を形成してもよい。これには、第一の室、第二の室と同様、互いに上下に位置する第一の基板の少なくとも一方に、貫通孔が形成された領域を囲むように壁状部を形成すればよい。この壁状部に囲まれた部分に第三の室が形成される。
さらに、基板に形成された貫通孔は、その連続する方向において、第一の内径を有した部分と、第一の内径よりも小さな第二の内径を有した部分とを有し、ポーラス材料は、第二の内径を有した部分に担持させることができる。ここで、貫通孔は、第一の内径を有した部分と第二の内径を有した部分とを有していればいかなる形状であってもよい。例えば、第一の内径を有した部分と第二の内径を有した部分との間に段差部を設けても良いし、また第一の内径を有した部分から第二の内径を有した部分に向けて内径が漸次小さくなるテーパ状（すりばち状）の孔形状とすることもできる。
【００１３】
本発明は、複数の物質の化学反応を生じさせる反応装置として捉えることもできる。この場合、この反応装置は、基板に、一方向に連続する貫通孔が複数形成され、それぞれの貫通孔に、基板の一面側から他面側に貫通する複数の微細流路を有するポーラス材料が担持され、ポーラス材料の微細流路内を複数の物質の反応場とすることを特徴とする。
また、微細流路に触媒を担持し、基板の一面側に供給された物質と触媒を微細流路内で反応させることもできる。
このような反応装置は、上記のような構成を有しているのであれば、他の部分の構成をいかなるものとしてもよいが、例えば、基板を、貫通孔に対応する領域に空隙を有した状態で基板の表面を覆う二枚一対のカバーで挟み込み、一方のカバーには、空隙に物質を投入する投入口を形成し、他方のカバーには、微細流路を通った物質を空隙から排出する排出口を形成した構成とすることができる。
【００１４】
本発明は、板状で複数の貫通孔が形成された基板と、基板の貫通孔に担持され、基板の一面側から他面側に貫通する複数の微細流路を有するポーラス材料と、を備え、ポーラス材料の微細流路内を通過した物質を回収することを特徴とする分離装置として捉えることもできる。
この分離装置は、さらに、基板を複数積層し、各層にて、前段の基板の微細流路を通過し、後段の基板の微細流路を通過しなかった物質を回収することもできる。これには、各層にて、基板間に空隙を形成し、この空隙から物質を回収するための排出口等を設ける必要がある。
また、この分離装置は、上記のような構成を有しているのであれば、他の部分の構成をいかなるものとしてもよいが、例えば、基板を、貫通孔に対応する領域に空隙を有した状態で基板の表面を覆う二枚一対のカバーで挟み込み、一方のカバーには、空隙に物質を投入する投入口を形成し、他方のカバーには、微細流路を通過した物質を空隙から排出させて回収するための排出口を形成した構成とすることができる。
【００１５】
本発明は、複数の貫通孔が形成され、それぞれの貫通孔に、基板部材の一面側から他面側に貫通する複数の微細孔を有するポーラス材料が担持されていることを特徴とする基板部材として捉えることもできる。
このような基板部材を用いることで、上記したようなデバイス、反応装置、分離装置等を形成することができる。
【００１６】
また、本発明は、複数の貫通孔を有した基板の貫通孔に、微細孔が貫通孔の連続する方向に略一致するようにポーラス材料を形成する工程と、基板に、貫通孔に対応する領域に空隙を有した状態で基板の表面を覆うカバーを積層して取り付ける工程と、を有することを特徴とするデバイスの製造方法として捉えることもできる。
【００１７】
さて、上記したようなデバイス、反応装置、分離装置、基板部材、デバイスの製造方法において、基板に形成した貫通孔は、その断面形状が円形であるのが好ましく、その孔径は、１０ｎｍ〜１ｍｍであるのが望ましい。また、基板は、シリコンまたはアルミナ等で形成するのが好適であり、その厚さは、０．１μｍ〜１ｍｍとするのが望ましい。
また、ポーラス材料は、例えば酸化ケイ素や酸化チタン、あるいはそれらにアルミニウム、チタン、ジルコニウム等をドーピングしたもので形成するのが好ましい。さらに、ポーラス材料は、管状に連続する微細孔の径が０．５〜３０ｎｍであるのが好ましく、このようなポーラス材料は、基板の貫通孔の容積に対し、その占積率が１％以上となるように設けるのが良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるデバイス１０の構成を説明するための図である。この図１に示すように、デバイス１０は、二枚一対の基板（第二の基板、カバー）１１Ａ、基板（第三の基板、カバー）１１Ｂ間に、基板（第一の基板）１２を挟み込むことで、これら基板１１Ａ、１２、１１Ｂが積層された構造となっている。
図２に示すように、基板１１Ａ、１１Ｂは、同じ形状を有したもので、平板状のベース部１３の一面側に、その表面１３ａに直交する方向に立ち上がる所定高さの壁状部１４がベース部１３の外周縁部に沿って連続するよう形成された構成となっている。この壁状部１４は、その一部に切り欠き部１４ａが形成されている。この基板１１Ａ、１１Ｂは、例えばシリコン、ガラス、樹脂等で形成することができる。
【００１９】
基板１２は、その厚さ方向に貫通する複数の孔（貫通孔）１５を有している。これら複数の孔１５は、その径が１０ｎｍ〜１ｍｍで、基板１１Ａ、１１Ｂに対向させた状態で、壁状部１４よりも内側に位置する領域に形成されている。ここで、孔１５の数や配置は特に限定する意図はないが、例えば千鳥状に配置することができる。
この基板１２は、例えば、シリコン、酸化ケイ素、アルミナ等で形成するのが好適である。
【００２０】
図３に示すように、このような基板１１Ａ、１１Ｂおよび１２は、基板１１Ａ、１１Ｂの壁状部１４を基板１２の表面１２ａ、１２ｂに当接させた状態で、互いに接合あるいは接着されている。
これにより、基板１１Ａと基板１２の表面１２ａの間、および基板１１Ｂと基板１２の表面１２ｂの間には、壁状部１４に囲まれることで、キャビティ（第一の室、空隙）１６Ａ、キャビティ（第二の室、空隙）１６Ｂが形成されている。また、壁状部１４に形成された切り欠き部１４ａは、基板１１Ａと基板１２、基板１１Ｂと基板１２に挟み込まれることで、外部に連通する開口部１７Ａ、１７Ｂを形成し、この開口部１７Ａ、１７Ｂは、キャビティ１６Ａへの物質の投入口、あるいはキャビティ１６Ｂからの物質の排出口として機能するようになっている。
【００２１】
さて、図４に示すように、基板１２の各孔１５は、例えばその断面形状が円形とされている。そして、孔１５には、基板１２の一面側から他面側に貫通する微細孔２０ａを複数有するポーラス材料２０が設けられている。
このポーラス材料２０は、メソポーラス材料、マイクロポーラス材料等によって形成されている。メソポーラス材料、マイクロポーラス材料としては、例えばＭＣＭ（ＭｏｂｉｌＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＭａｔｅｒｉａｌの略称）−４１（登録商標、例えばＭｏｂｉｌ社製）等を用いることができる。ＭＣＭ−４１は、例えば直径２〜５０ｎｍ程度の均一な微細孔を有する物質であり、界面活性剤のミセルを鋳型にして得られるシリカゲル体である。
【００２２】
このようなポーラス材料２０は、水熱合成法、あるいは溶媒蒸発法等によって得ることができる。
水熱合成法の場合、図５に示すように、界面活性剤アルキルトリメチルアンモニウム（ＡＴＭＡ）：（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１Ｍｅ_３Ｎ^＋Ｘ⁻）の球状ミセル３１を形成し、この球状ミセル３１から棒状ミセル３２を形成する。そして、複数の棒状ミセル３２どうしが接合することで、棒状ミセル３２の六方構造が自己組織化する。この後、自己組織化して形成された構造体３３を、オートクレーブ中で水熱合成することで、ケイ酸イオンの縮合化を図り、六方構造シリカ−ＡＴＭＡ複合体３４を得る。しかる後、例えば５００℃で熱処理を施すことで、棒状ミセル３２を飛ばし、複数の微細孔２０ａが高い規則性を持って配列した状態で一体化した、いわゆるハニカム構造状の六方トンネル構造シリカ３５が形成される。この六方トンネル構造シリカ３５がＭＣＭ−４１等のポーラス材料２０である。
また、溶媒蒸発法の場合、ＴＥＯＳと水、アルコールとを含む有機シラン溶液を用い、これを酸加水分解した液に、界面活性剤（ＡＴＭＡまたはＥＯ_２０−ＰＯ_７０−ＥＯ_２０などトリブロックコポリマー）を添加したものを、基板上にスピンコート法やディップコート法を用いて塗布し、界面活性剤の存在下で１００〜２００℃の温度範囲で加熱して、水・アルコールを蒸発させることにより、界面活性剤分子を凝集せしめ、棒状ミセル３２を作成する。この後、さらに水・アルコールを蒸発させ、さらに界面活性剤を凝集させることにより、図５に示すように、周期的に自己組織化した棒状ミセル３２の構造体３３を含むシリカ−界面活性剤複合体３４が基板上に得られる。しかる後、例えば５００℃で熱処理を施すことで、棒状ミセル３２を飛ばし、複数の微細孔２０ａが高い規則性を持って配列した状態で一体化した、いわゆるハニカム構造状の六方トンネル構造シリカ３５が形成される。この六方トンネル構造シリカ３５がＭＣＭ−４１等のポーラス材料２０である。
【００２３】
もちろん、ポーラス材料２０は、六方トンネル構造シリカ３５のＭＣＭ−４１以外のもの、例えばＭＣＭ−４８やＦＭＳ−１６、ＳＢＡ−１１、ＳＢＡ−１２、ＳＢＡ−１４、ＳＢＡ−１５、ＳＢＡ−１６等を用いることも可能である。
加えて、ポーラス材料２０は、微細孔２０ａが高い規則性を持って配列された六方トンネル構造シリカ３５に限らず、基板１２の一面側から他面側に貫通する微細流路を有しているのであれば、他のいかなる構造を有したものでも良い。例えば、ＭＣＭ−４８、ＳＢＡ−１１、ＳＢＡ−１４、ＳＢＡ−１６は、自己組織化した周期的空孔構造、いわゆるキュービック構造を持つ。
【００２４】
このようなポーラス材料２０は、図４に示したように、微細孔２０ａが連続する方向を、基板１２の孔１５が連続する方向に略一致させた状態で設けられている。
このとき、図６（ａ）に示すように、ポーラス材料２０を、孔１５の全体に充填するように設けてもよいが、図６（ｂ）に示すように、ポーラス材料２０を、孔１５の内周壁面に沿って所定の厚さの部分にだけ環状に設け、中央部の残りの部分を充填材３６で埋めるようにしてもよい。
【００２５】
また、図７（ａ）に示すように、孔１５を、第一の内径ｄ１を有した小径部４０と、第一の径ｄ１より大きな第二の内径ｄ２を有した大径部４１とを有し、その内周面を段差部４２を有する不連続面とすることもできる。
図７（ｂ）に示すように、孔１５を、上方（デバイス１０を使用する状態での上方）から下方に向けてその径が漸次縮小するテーパ部４３を有した構成とすることもできる。この場合、テーパ部４３の上端部４３ａに連続して、一定の径を有したストレート部４４を形成することもできる。この場合、孔１５の内周面は不連続面となる。
図７（ａ）や図７（ｂ）に示したように、孔１５の内周面を不連続面とする場合、小径部４０の部分や、テーパ部４３の下部（径の小さい部分）にのみポーラス材料２０を設けることができる。このようにすると、ポーラス材料２０（六方トンネル構造シリカ３５）を、基板１２の厚さ方向において短くすることができる。つまり、ポーラス材料２０の微細孔２０ａの長さを、基板１２の厚さに対し、小さくできるのである。
【００２６】
さて、図３に示したように、開口部（投入口）１７Ａから物質をキャビティ１６Ａにポンプ等で所定圧力に加圧して注入すると、キャビティ１６Ａ内の物質は、基板１２に形成された複数の孔１５に設けられたポーラス材料２０（六方トンネル構造シリカ３５）の微細孔２０ａを通り、下方の基板１１Ｂ側のキャビティ１６Ｂに流れ落ち、開口部（排出口）１７Ｂから排出されるようになっている。
【００２７】
このとき、ポーラス材料２０の微細孔２０ａに所定の触媒を担持させておけば、ポーラス材料２０を通るときに物質が触媒によって化学反応を起こす。つまり、デバイス１０を化学反応装置（反応装置）として用いることができる。
このようなデバイス１０では、ポーラス材料２０の微細孔２０ａ内という、非常に小さい反応場で化学反応を生じさせるため、所定の化学反応を、フラスコ等の容器内で行う場合よりも確実に生じさせることができる。これにより、反応の効率が非常が良く、また物質の必要量も遥かに少なくて済むため、非常に経済的となる。また、このようなデバイス１０内では、温度、圧力等の条件の制御も容易である。加えて、フラスコ等の容器内では、反応場が非常に大きいために見出せなかった（発見できなかった）ような現象も、見出すことができると期待できる。
しかも、このポーラス材料２０の微細孔２０ａの径はナノオーダサイズとすることができるため、反応場を従来のマイクロリアクタ１（図１４参照）に比してもさらに小型化することができ、上記効果は非常に顕著なものとなるうえ、分子レベル（ナノオーダ）での化学反応を生じさせることができる。
【００２８】
また、ポーラス材料２０の微細孔２０ａの径よりも大きな物質（の分子）はポーラス材料２０を通過することができないので、このデバイス１０を、微細孔２０ａを通過した物質のみを回収する、分離装置として用いることができる。この場合、ポーラス材料２０の微細孔２０ａの径はナノオーダサイズとすることができるため、従来に無い微細な、例えば分子レベルでの篩い分けが可能となる。
【００２９】
ところで、上記したようなデバイス１０は、ポーラス材料２０を備えた基板１２を複数層備えることもできる。
この場合、図８に示すように、上下の基板１１Ａ、１１Ｂ間に、複数枚の基板１２を積層して設ける。このとき、互いに対向する基板１２、１２間にキャビティ（第三の室）５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃが形成されるよう、各基板１２には、その外周縁部に所定高さの壁状部１２ｗを形成する。
【００３０】
図９に示すように、このようなデバイス１０は、化学反応装置とする場合、最下段の基板１２を除き、各基板１２の壁状部１２ｗに、外部に連通する開口部１８を形成し、これを物質の供給口とすることができる。
この場合、基板１１Ａの開口部１７Ａと、各基板１２の開口部１８とから、それぞれ別々の物質Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４をキャビティ１６Ａ、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ内に供給することができる。これにより、各基板１２の孔１５に設けられたポーラス材料２０で、物質Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を順次接触させて化学反応を生じさせることができる。
また、一部あるいは全ての基板１２の孔１５に設けられたポーラス材料２０には、触媒を担持させることもできる。その場合、その基板１２には開口部１８を形成しない構成とすることも可能である。
このように、基板１２を積層することで、多数の物質を組み合わせて化学反応を生じさせる場合も、デバイス１０が大型化するのを抑制することができる。しかも、組み合わせる物質の数に応じ、積層する基板１２の数を変更するのみでよいため、汎用性に富んでいると言える。
【００３１】
また、上記デバイス１０を、分離装置とする場合、多層の分離精製を行い、分離効果を高めることもできる。
この他、図９に示したように、各基板１２の壁状部１２ｗに開口部１８を形成し、これを物質の排出口とすることができる。このとき、各層の基板１２の孔１５に設けるポーラス材料２０（六方トンネル構造シリカ３５）の微細孔２０ａの径を異ならせることで、各層で、前段側（上方）の基板１２の微細孔２０ａを通過し、かつ後段側（下方）の基板１２の微細孔２０ａを追加しなかった物質を基板１２の排出口（開口部１８）から排出（回収）させることができる。つまり、各層で、回収する物質の粒径や分子径を異ならせることができる。これにより、１元入力に対し、Ｎ元の出力を行い、いわゆる篩い分け、選別作業を行うこともできるのである。
【００３２】
ところで、基板１２を複数段備える場合、図１０に示したように、互いに上下に位置する基板１２間に所定厚さのスペーサ６０等を介在させることで、基板１２、１２間にキャビティ５０Ａ、５０Ｂを形成するようにしてもよい。この場合、スペーサ６０には貫通孔６１を形成し、物質の流路を確保する。
【００３３】
さて次に、上記したようなデバイス１０の製造方法について説明する。
まず、基板１２を形成するには、図１１（ａ）に示すように、例えばＳｉ層１００ａ、ＳｉＯ_２層１００ｂ、Ｓｉ層１００ｃが積層されることで形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１００を用いる。このとき、各層の厚さは、例えば、Ｓｉ層１００ａ：２００〜５００μｍ未満、ＳｉＯ_２層１００ｂ：０．１〜１μｍ未満、Ｓｉ層１００ｃ：１〜１００μｍとするのが好ましい。
【００３４】
そして、図１１（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１００に対し、その一面側からＳｉ層１００ｃに所定径の孔１５をＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング等のドライエッチングにより形成する。このとき、孔１５の径は、１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲とするのが好ましい。
次いで、図１１（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１００の反対面側から、ＩＣＰエッチングやＢＨＦ（ＢｕｆｆｅｒｅｄＨＦ：バッファードフッ酸）によりＳｉ層１００ａに凹部１０１を形成し、ＳｉＯ_２層１００ｂを露出させる。
しかる後、ＳｉＯ_２層１００ｂの、少なくとも孔１５に対応した部分を適宜方法で除去する。
【００３５】
ところで、孔１５を、図７（ａ）や図７（ｂ）に示したような断面形状とする場合は、以下のような工程を経ることができる。
図７（ａ）に示した断面形状の孔１５の場合、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｓｉ層１００ｃの上面側からＩＣＰエッチング等により小径部４０を形成した後、図１２（ｃ）に示すように、Ｓｉ層１００ｃの下面側からＩＣＰエッチング等により大径部４１を形成すればよい。
また、図７（ｂ）に示した断面形状の孔１５の場合、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｓｉ層１００ｃの上面側からＩＣＰエッチング等によりストレート部４４を形成した後、図１３（ｃ）に示すように、Ｓｉ層１００ｃの上面側からＫＯＨ（水酸化カリウム）エッチング等により、テーパ部４３を形成する。
なお、上記のように小径部４０やストレート部４４を形成するに先立ち、ＳｉＯ_２層１００ｂの、少なくとも孔１５に対応した部分は、適宜方法で予め除去しておく必要がある。
【００３６】
ところで、基板１２を、図８に示したように外周部に壁状部１２ｗを有する形状ではなく、図３に示したように単なる平板状とする場合、ＳＯＩ基板１００ではなく、単層のシリコン基板を用いることも可能である。ただし、基板１２を薄型化する場合、特にハンドリング時等に強度が不足するため、図８に示したような、外周部に壁状部１２ｗを形成し、これを補強部とする形状とするのが好ましい。さらには、この壁状部１２ｗ以外に、基板１２の表面に、碁盤目状等、適宜形状の補強リブを形成することもできる。
【００３７】
さて、この後は、ＳＯＩ基板１００に形成された孔１５に、メソポーラス材料、マイクロポーラス材料からなるポーラス材料２０を担持させる。
これには図１１（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板１００に形成した凹部１０１側から、メソポーラス材料、マイクロポーラス材料の溶液２００を入れる。この溶液２００としては、例えば、水熱合成法の場合、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）：ＣＴＡＣ（セチルトリメチルアンモニウムクロライド）：ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝１：１．２：９．２：１０００の配合のものを用いることができる。また、溶媒蒸発法の場合、溶液２００には、例えば、ＴＥＯＳ：界面活性剤：Ｈ_２Ｏ：ＨＣｌ：ＥｔＯＨ＝１：０．０１５〜０．３００：３〜１０：０．０５４：２０の配合のものを用いることができる。
このときには、例えば、ＳＯＩ基板１００を、冶具３００内に収める。冶具３００は、上面が開口し、下面にＳＯＩ基板１００の孔１５に対向した部分に開口部３０１ａが形成されたホルダ３０１と、このホルダ３０１の上面の開口を塞ぎ、その中央部に溶液注入孔３０２ａが形成された蓋３０２とから構成される。これらホルダ３０１、蓋３０２は、例えばＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ／四フッ化エチレン）によって形成するのが好ましい。
このような冶具３００内にＳＯＩ基板１００を収めた状態で、蓋３０２の中央部に形成された溶液注入孔３０２ａから、ドリッパ３１０によって溶液２００を冶具３００内に所定の流量で滴下させる。すると滴下された溶液２００は、ＳＯＩ基板１００の凹部１０１に溜まり、各孔１５から滴下（ドリッピング）される。
【００３８】
所定時間、所定量の溶液２００を滴下させると、孔１５に、図５に示したように、棒状ミセル３２の六方構造が自己組織化した構造体３３が形成される。
この後、冶具３００からＳＯＩ基板１００を取り出し、余分な溶液２００を洗い流す（リンス）。そして、ケイ酸ナトリウムを添加し、オートクレーブ中で例えば１００℃で水熱合成する。これにより、六方構造シリカ−ＡＴＭＡ複合体３４が形成されるので、さらに、オートクレーブ中で例えば５００℃で熱処理する。
その結果、図１１（ｅ）に示すように、孔１５には、六方トンネル構造シリカ３５からなるポーラス材料２０が形成され、基板１２が形成される。
また、上記の水熱合成法に代え、溶媒蒸発法を採用する場合、溶液２００を滴下した後、大気中で放置するか７０℃程度の温度で加熱すると、水・アルコールが蒸発し棒状ミセル３２が生成し、孔１５に自己組織化した周期的構造体が形成される。この後、冶具３００からＳＯＩ基板１００を取り出し、余分な周期的構造体をスポンジなどで取り除く。この後、１００〜２００℃の温度範囲で加熱して、完全に水・アルコールを蒸発させるとシリカ−界面活性剤複合体３４が得られるので、さらに５００℃で熱処理する。これにより、図１１（ｅ）に示すように、孔１５には、周期的空孔構造体からなるポーラス材料２０が形成され、基板１２が形成される。
【００３９】
ところで、孔１５が、図７（ａ）や図７（ｂ）に示したような断面形状の場合、上記のようにして溶液２００を滴下させると、溶液２００の濃度（粘度）や流量を適宜調整する（濃度を高め、流量を遅くする）ことで、溶液２００は図１２（ｄ）、図１３（ｄ）に示したように、孔１５の断面積の小さい部分、小径部４０やテーパ部４３下部の径が小さい部分に留まりやすくなる。つまり、ポーラス材料２０を、孔１５に対し、より確実に、容易に形成することができ、また形成されるポーラス材料２０の厚さの制御も容易となるのである。このとき、実際には、溶液２００は、小径部４０やテーパ部４３の下部だけでなく、大径部４１やテーパ部４３の上部、ストレート部４４の壁面等にも付着することになるが、これらの部分で孔１５を塞がない限り、実質的なポーラス材料２０の流路長（微細孔２０ａの長さ）が影響を受けることはない。
【００４０】
このようにして、基板１２が形成されるわけであるが、この基板１２は、この後に基板１１Ａ、１１Ｂ、あるいは他の基板１２と積層されて接合される。このため、基板１１Ａ、１１Ｂ、あるいは他の基板１２との接合面となる部分には、保護のため金属膜等の保護膜を予め設けておくのが好ましい。
そこで、基板１１Ａ、１１Ｂ、あるいは他の基板１２と接合するに先立ち、この金属膜を剥離する。これには、例えば、いわゆるリバースエッチング技術であるリフトオフ工法を好適に用いることができる。このとき、金属膜には、一連のポーラス材料２０の形成工程中に溶液２００が付着することでその表面にメソポーラス材料、マイクロポーラス材料の層（膜）が形成されることがあるが、リフトオフ工法により、メソポーラス材料、マイクロポーラス材料の層（膜）とともに金属膜を除去することができる。
【００４１】
金属膜の除去後、図３や図８〜図１０に示すように、得られた基板１２の上下面に、基板１１Ａ、１１Ｂを接合する。
これには、例えば、陽極接合、接着剤による接合、金属−金属接合等を用いることができる。陽極接合の場合、接合強度が高く、優れた接合状態を得ることができる。また、接着剤による接合の場合、例えば旭硝子株式会社製のＣＹＴＯＰのようなアモルファスフッ素樹脂等、フッ素系の接着剤が好適である。この場合、基板１２や基板１１Ａ、１１Ｂの材質に対する適合性が広く、また他の方法に比較し、プロセス温度が低い（３００℃以下）というメリットがある。さらに、ＣＹＴＯＰの場合、広範囲に光の透過率が高いため、デバイス１０を分光分析向けとする場合に特に好適である。
金属−金属接合としては、例えば金―金接合等がある。この方法は、基板１２や基板１１Ａ、１１Ｂの材質に対する適合性が広いというメリットがある。
【００４２】
このようにして、基板１２の上下面に、基板１１Ａ、１１Ｂを接合することで、デバイス１０を得ることができる。もちろん、図８〜図１０に示したように、基板１２を複数積層する場合には、所定数の基板１２やスペーサ６０と基板１１Ａ、１１Ｂを互いに接合する。
【００４３】
上述したようなデバイス１０では、反応の効率を高め、物質の必要量を少なくすることができ、また小型で、しかも汎用性の高い化学反応装置を構成することができる。また、このデバイス１０は、分離装置として用いることもでき、その場合、従来に無い微細な、例えば分子レベルでの篩い分けが可能となる。
【００４４】
また、小径部４０やテーパ部４３下部の径が小さい部分にポーラス材料２０を形成することで、流路長を極小とした微細孔２０ａを形成することが可能となり、より一層小さな反応場を提供することができる。しかも、極小の反応場を形成するような場合でも、基板１２を過度に薄くすることなく、基板１２の強度を保ったまま、微細孔２０ａを短くすることができるのである。より具体的には、微細孔２０ａの流路長を極小とした場合、基板１２自体も同様の厚さとすることは可能であるが、そうすると、デバイス１０の組立時に基板１２をハンドリングする際や、デバイス１０内にポンプ等で加圧した状態で送り込まれる物質の圧力によって、基板１２が破損する恐れがある。これに対し、基板１２の厚さに対し、ポーラス材料２０をより短くすることで、基板１２を、ハンドリング時や物質を加圧した状態で送り込んだときにも破損することのない十分な強度を有したものとすることができる。逆に、基板１２を、破損することのない十分な強度を有したものとし、ポーラス材料２０の長さをその基板１２の厚さに合わせることも可能であるが、今度はその分、物質を送り込む圧力を上げる必要が生じ、これに伴い、基板１２もさらに厚くする必要が生じ、その結果、デバイス１０の大型化に繋がる可能性もある。したがって、デバイス１０のコンパクト化、基板１２の強度、物質を送り込む圧力等のバランスを考慮すると、上記デバイス１０の如く、基板１２の厚さに対し、ポーラス材料２０をより短くするのが最適なのである。
加えて、この小径部４０の長さ（基板１２の厚さ方向に連続する寸法）や、テーパ部４３の径や角度を適宜調整することで、ここに形成されるポーラス材料２０の長さの調整も容易かつ精度良く行うことが可能となる。
【００４５】
また、上記デバイス１０では、ポーラス材料２０を、基板１２を貫通する孔１５に設けるようにした。このような構造に対し、例えば図１４に示したマイクロリアクタ１の溝状の流路２にポーラス材料２０を担持させることも考えられる。
両者の体積の差を比較すると、基板１２の大きさ（面積）を統一し、両者とも孔１５あるいは溝状の流路２を基板１２に隙間が最小限となるように形成したとすると、孔１５あるいは溝状の流路２に担持されるポーラス材料２０の厚さが、両者の差となる。
後者、すなわち溝状の流路２の場合、このような状態でポーラス材料２０を成膜させる厚さの限界は、現状３μｍ程度とされている。これに対し、前者、すなわち基板１２を貫通する孔１５に担持したポーラス材料２０の場合、基板１２と同じ厚さまではポーラス材料２０を担持することが物理的に可能であり、基板１２をシリコン、酸化ケイ素、アルミナ等で形成する場合、その一般的な厚さは４００〜５００μｍである。
したがって、ポーラス材料２０を、基板１２を貫通する孔１５に設ける構成とすることで、溝状の流路２にポーラス材料２０を担持させる場合よりも、デバイス１０の反応効率を高めることができる。逆に、同等の反応効率を得るのであれば、上記構成のデバイス１０を、より小型化することができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態では、基板１１Ａ、基板１１Ｂと基板１２を積層する構成としたが、基板１２の積層数は１段、あるいは２段以上のいかなる段数であってもよい。
また、基板１１Ａ、１１Ｂや、基板１２、スペーサ６０については、その材質を例示したものもあるが、ポーラス材料２０を孔１５に担持できるのであれば、他のいかなる材質としても良い。
さらに、基板１２の形成方法、基板１２と基板１１Ａ、１１Ｂの接合方法等は、上記に挙げた以外の方法を採用してもよい。
加えて、基板１２の孔１５にポーラス材料２０を担持させる方法についても、他の適宜方法を採用することができる。加えて、ポーラス材料２０を形成するメソポーラス材料、マイクロポーラス材料についても、他のいかなる材料を用いても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、より一層反応場を小さくすることができるので、反応の効率を高め、物質の必要量を少なくすることができ、また小型で、しかも汎用性の高い化学反応装置を構成することができる。また、このデバイスは、分離装置として用いることもでき、その場合、従来に無い微細な、例えば分子レベルでの篩い分けが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態におけるデバイスの一例を示すものであり、その外観を示す斜視図である。
【図２】図１を上下に展開した図である。
【図３】デバイスの断面図である。
【図４】基板の貫通孔に設けられた多孔体を示す斜視断面図である。
【図５】多孔体を生成する過程の一例を示す図である。
【図６】基板の貫通孔に対する多孔体の形成形態の例を示す断面図である。
【図７】基板の貫通孔の形状の形態を示す断面図である。
【図８】多孔体を備える基板を複数備える場合のデバイスの断面図である。
【図９】図８のデバイスに、各層に開口部を設けた場合の断面図である。
【図１０】多孔体を備える基板の間にスペーサを設けた場合のデバイスの断面図である。
【図１１】基板の製造工程の流れを示す図である。
【図１２】図７（ａ）に示した形状の貫通孔を基板に形成する工程を示す図である。
【図１３】図７（ｂ）に示した形状の貫通孔を基板に形成する工程を示す図である。
【図１４】従来のマイクロリアクタの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…デバイス、１１Ａ…基板（第二の基板、カバー）、１１Ｂ…基板（第三の基板、カバー）、１２…基板（第一の基板）、１２ｗ…壁状部、１４…壁状部、１５…孔（貫通孔）、１６Ａ…キャビティ（第一の室、空隙）、１６Ｂ…キャビティ（第二の室、空隙）、１７Ａ…開口部（投入口）、１７Ｂ…開口部（排出口）、１８…開口部、２０…ポーラス材料、２０ａ…微細孔、３５…六方トンネル構造シリカ、４０…小径部、４１…大径部、４３…テーパ部、４４…ストレート部、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ…キャビティ（第三の室）、６０…スペーサ、６１…貫通孔、２００…溶液、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４…物質

Claims

板状で複数の貫通孔が形成され、それぞれの前記貫通孔に、複数の微細孔を有するポーラス材料が設けられた第一の基板と、
前記第一の基板の一面側を覆う第二の基板と、
前記第一の基板の他面側を覆う第三の基板と、
前記第一の基板と前記第二の基板の間に形成され、外部に連通する開口部を有した第一の室と、
前記第一の基板と前記第三の基板との間に形成され、外部に連通する開口部を有した第二の室と、を備えることを特徴とするデバイス。
前記ポーラス材料の前記微細孔が連続する方向と、前記基板の貫通孔が連続する方向とが略同一であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
前記第二の基板と前記第三の基板の間に、複数の前記第一の基板が積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
互いに上下に位置する前記第一の基板間に、外部に連通する開口部を有した第三の室が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
前記貫通孔は、当該貫通孔の連続する方向において、第一の内径を有した部分と、前記第一の内径よりも小さな第二の内径を有した部分とを有し、
前記ポーラス材料は、前記第二の内径を有した部分に担持されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
複数の物質の化学反応を生じさせる反応装置であって、
一方向に連続する貫通孔が複数形成された基板と、
前記基板の前記貫通孔に担持され、前記基板の一面側から他面側に貫通する複数の微細流路を有するポーラス材料と、を備え、
前記ポーラス材料の前記微細流路内を、複数の前記物質の反応場とすることを特徴とする反応装置。
前記微細流路に触媒を担持し、前記基板の一面側に供給された前記物質と前記触媒を当該微細流路内で反応させることを特徴とする請求項６に記載の反応装置。
前記基板は、前記貫通孔に対応する領域に空隙を有した状態で前記基板の表面を覆う二枚一対のカバーに挟み込まれ、
一方の前記カバーには、前記空隙に前記物質を投入する投入口が形成され、他方の前記カバーには、前記微細流路を通った前記物質を前記空隙から排出する排出口が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の反応装置。
板状で複数の貫通孔が形成された基板と、
前記基板の前記貫通孔に担持され、前記基板の一面側から他面側に貫通する複数の微細流路を有するポーラス材料と、を備え、
前記ポーラス材料の前記微細流路内を通過した物質を回収することを特徴とする分離装置。
前記基板が複数積層され、各層にて、前段の前記基板の前記微細流路を通過し、後段の前記基板の前記微細流路を通過しなかった前記物質を回収することを特徴とする請求項９に記載の分離装置。
前記基板は、前記貫通孔に対応する部分に空隙を有した状態で前記基板の表面を覆う二枚一対のカバーに挟み込まれ、
一方の前記カバーには、前記空隙に前記物質を投入する投入口が形成され、他方の前記カバーには、前記微細流路を通過した前記物質を回収するため、前記空隙から排出する排出口が形成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の分離装置。
板状の基板部材であって、
複数の貫通孔が形成され、それぞれの前記貫通孔に、前記基板部材の一面側から他面側に貫通する複数の微細孔を有するポーラス材料が担持されていることを特徴とする基板部材。
複数の貫通孔を有した基板の前記貫通孔に、微細孔が前記貫通孔の連続する方向に略一致するようにポーラス材料を形成する工程と、
前記基板に、前記貫通孔に対応する領域に空隙を有した状態で前記基板の表面を覆うカバーを積層して取り付ける工程と、を有することを特徴とするデバイスの製造方法。