JP5639164B2 - 異なる平均サイズの粒子を具備する焼結多孔質材料 - Google Patents

Description

関連出願
本発明は、２００９年６月１８日に出願された米国仮出願第６１／２１８，３１０号の権利を主張する。上記の出願の全体技術は、参照によって本明細書に組み込まれる。

ウエハー処理の速度は、しばしば処理ツールのロードロックでタイムスペントする「ベントアップ」および「ベントダウン」によってゲートされる。この速度は、１９９０年代に、乱流ガスのパターンを生成することなく、チャンバの高速排気を許可し、粒子を拡散し、ワークを汚染するロードロックディフューザ（多孔質膜）の導入で、大幅に上がった。これらのディフューザの例は、ニッケル膜に基づく製品ラインである、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ ＣｈａｍｂｅｒＧａｒｄ（登録商標）（Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社（チャスカ、ミネソタ州）から入手可能）がある。この膜の性質のために、ディフューザはまた、粒子フィルタとしても機能し、９対数減少値（ＬＲＶ）（即ち、汚染の９９．９９９９９９９％を除去）までを備えた、３ナノメートルの濾過を提供する。

ＦＶ−５０として知られている、ＣｈａｍｂｅｒＧａｒｄ（登録商標）平面シートディフューザ（膜）は、最大操作圧力４５ｐｓｉｄデザインする。この圧力は、１００，０００サイクルの保証寿命を有する。サイクルの数字が大きいほど、今日のシングルウエハーツールのために有益であろう。ＦＶ−５０は、０．１００インチの厚さ、および６５％の多孔率であるシート中へ２ミクロンのニッケル粉末を焼結することにより製造される製品である。材料は、３ナノメータの粒子サイズへの９より下のＬＲＶ値を提供する。材料は、表面上に均一に気体拡散する、細孔構造を持つディフューザ（膜）として、理想的に適している。

近年では、特に単一のウエハー処理で、さらにロードロックチャンバのベントスピードを向上させる必要がある。多くのエンドユーザーは、流量を増加させ、ベント時間を短縮するために、チャンバのディフューザへの不活性ガスの供給圧力を増加している。結果として、ライフサイクルの数も劇的に増加している。ロードロックディフューザ／フィルタは、それらを処理するように設計されたより高い圧力、およびより多くのサイクルにさらされている。

最近の金属のディフューザ（膜）は、また高効率のフィルタとして機能する。これらのフィルタは、微細な金属粒子（平均値サイズ、１０ミクロン以下）の焼結によって作られる、高い表面積および高気孔率の物体である。これらの材料は、強力かつ堅牢な高分子材料と比較した場合、限界を有する。平らなシートを扱う場合の、特別なケースである。単一のウエハーチャンバは、ボリュームを最小限に抑える設計により非常に浅いので、平らなシート状のディフューザ（膜）の使用は、管状の要素よりもはるかに優れていることが示されており、少ないチャンバの容積を占有しながら、よりスムーズなガスの流れを提供する。

高効率微粒子ろ過を提供しながら、チャンバ内のガスの乱流を生成することなく、数百万サイクル以上の高いガス圧に耐えることができ、平らなシートの形で製造することができるフィルタ／ディフューザの必要性はそこに存在する。

一実施形態において、本発明は、第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および第２の平均のサイズの金属粒子の第２の粉のブレンドを含む多孔質膜であり、第１の粉および第２の粉は、一緒に焼結する。第１の平均サイズは第２の平均サイズの５倍から５０倍大きく、多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％が第１の粉末によって構成されている。

別の実施形態において、本発明は、入口と出口とを有する筐体および、入口と出口とを流体連通し、筐体内に配置されている多孔質膜を含む、気体ディフューザ装置である。多孔質膜は、第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および、第２の平均サイズの金属粒子の第２の粉のブレンドを具備し、第１の粉および第２の粉は、一緒に焼結する。第１の平均サイズは第２の平均サイズの５倍から５０倍大きく、多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％が第１の粉末によって構成されている。

別の実施形態において、本発明は、入口と出口とを有する筐体および、入口と出口とを流体連通し、筐体内に配置されている多孔質膜を含む、気体ディフューザ装置である。多孔質膜は、０．２ｃｍ〜０．５ｃｍの厚さを有する平らなシートであり、気体の０．１ミクロンの粒子に対して少なくとも６の対数減少値、３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２の速度、および平方インチ当たり少なくとも３００ポンドの破裂圧力を有する。多孔質膜は、第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および、第２の平均サイズの金属粒子の第２の粉のブレンドを具備し、第１の粉および第２の粉は、一緒に焼結し、ここで、第１の平均サイズは第２の平均の大きさの５倍から５０倍以上であり、多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％が第１の粉末によって構成されている。

別の実施形態において、本発明は気体流の精製方法である。その方法は、多孔質膜を介して気体流を導くことを含む。多孔質膜は、第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および、第２の平均サイズの金属粒子の第２の粉のブレンドを具備し、第１の粉および第２の粉は、一緒に焼結する。第１の平均サイズは第２の平均サイズの５倍から５０倍大きく、多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％が第１の粉末によって構成されている。

多孔質膜は、高いスループットと濾過効率を維持しながら、有利に、今までの気体流の精製に用いてきた材料より高い破裂強度を有する。

先行技術の多孔質膜を表示する走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ、２０００倍の倍率）を示す図である。 平均サイズ５０ミクロンのニッケル粒子の第１の粉および平均サイズ２ミクロンのニッケル粒子の第２の粉を具備する、本発明の多孔質膜のＳＥＭ写真（図２に対して１０００倍の倍率、図３に対して２００倍の倍率）を示す図である。 平均サイズ５０ミクロンのニッケル粒子の第１の粉および平均サイズ２ミクロンのニッケル粒子の第２の粉を具備する、本発明の多孔質膜のＳＥＭ写真（図２に対して１０００倍の倍率、図３に対して２００倍の倍率）である。 本発明の装置の例示的な実施形態の概略図である。 本発明の異なる多孔質膜を介した圧力の関数として圧力降下（Ｔ調整）のプロットを示す図である。 本発明の３種類の多孔質膜について測定された気孔率の関数として、１００ｓｌｐｍ（Ｔ調整）での圧力降下のプロットを示す図である。 本発明の異なる多孔質膜に生成する、気孔率の関数としての対数減少値（ＬＲＶ）のプロットを示す図である。 本発明の、加えられた力の関数として測定される様々な膜のたわみ（圧力による変動）のプロットを示す図である。 本発明の、膜（出口は大気圧に維持）の差圧の関数として測定される、様々な多孔質膜による流量のプロットを示す図である。

上記は、参照文字が異なった視点を通して同じ部品を参照しており、添付の図面に示されているように、本発明の実施形態例の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。図面は縮尺や強調を示しているとは限らず、また、本発明の実施形態を示すことに置かれている。

用語集
様々な組成物および方法が記載されているが、これらは異なる場合があり、本発明が説明された特定の分子、組成、方法論やプロトコルに限定されないことを理解すべきである。また、説明で使用される用語は、特定のバージョンまたは実施形態を説明する目的のためであり、特許請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲を制限するものではないということを理解すべきである。

本明細書および添付の特許請求の範囲において使用されているように、文脈が明らかでない限り単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、複数の参照を含む。他に定義しない限り、本明細書において使用されているすべての技術用語および科学用語は、一般に当業者によって理解されているのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと類似のまたは同等の方法および材料は、本発明の実施形態の実施または試験において使用することができる。全ての刊行物は参照により本明細書に組み入れられる。本明細書では、発明が先行発明によってそのような開示に先行する権利がされていないことを認めるものと解釈されるべきである。「任意の」または「任意に」は、後述の事象または状況が発生しない場合があること、および記述は、事象が発生している例とそうでない例を含むことを意味する。すべての数値は、明示的に示されていないかどうかに係らず、本明細書中において「約」または「実質的に」という用語によって、変更され得る。「約」または「実質的に」という用語は、一般的に当業者が記載値と同等に考慮する数値の範囲（すなわち、同じ機能または結果を持つ）を指す。いくつかの実施形態において、「約」または「実質的に」という用語は、記載値の±１０％を示し、別の実施形態では、「約」または「実質的に」という用語は、記載値の±２％を示す。組成物および方法が、様々な構成要素またはステップを「具備している」（「含む」という意味を含むがこれに限定されない）という用語で記述されているが、組成物および方法はまた、様々な構成要素またはステップを「本質的に含む」または「含む」が、そのような用語は、本質的に閉じた部材群を定義として解釈されるべきである。

本明細書において使用されているように、「ＬＲＶ」という用語は、「対数減少値」を示し、それは、指定された粒径および材料の厚さに対して、指定された流量（または気体速度）の下での、ろ過効率の尺度である。ＬＲＶ値１は、汚染物質の９０％がフィルタによって保持されることを意味し、ＬＲＶ値２は、汚染物質の９９％がフィルタによって保持されることを意味し、ＬＲＶ値３は、汚染物質の９９．９％がフィルタによって保持されること、などを意味する。流量（気体速度）の任意の値、粒子サイズ、および材料の厚さは、本発明の多孔質膜のＬＲＶを測定するために選択することができる。当業者は、特定の値は便宜的な、実験装置および／または使用目的であることを理解するであろう。例えば、一つの実施形態において、ＬＲＶは、１００ｎｍの平均サイズと約０．４ｃｍ（例えば、０．４４ｃｍ）の材料の厚さを有する粒子に対して、約３ｓｐｌｍ／ｃｍ^２の速度で測定することができる。代替的に、ＬＲＶは、１０ｎｍの平均サイズと約０．４ｃｍ（例えば０．４４ｃｍ）の材料の厚さを有する粒子に対して、約３ｓｐｌｍ／ｃｍ^２の速度で測定することができる。代替的に、ＬＲＶは、３ｎｍの平均サイズと約０．４ｃｍ（例えば０．４４ｃｍ）の材料の厚さを有する粒子に対して、約３ｓｐｌｍ／ｃｍ^２の速度で測定することができる。

本明細書で使用されているように、フィルタの材料（例えば多孔質膜）の「強度」は、
膜が、固定された平板の形で周囲に溶接されているディスクに設定されているときに材料が破裂するときのガス圧を示す。強度が測定される典型的な圧力は３００ｐｓｉである。

本明細書で使用されているように、用語「スループット」は一定の圧力で固定された断面積のフィルタを通過する流量を示す。

本明細書で使用されているように、材料の単位当たりの合計の内部表面はＢｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法により測定した値である。要約すると、ＢＥＴ法は、ガス分子の物理吸着による固体の表面の面積を計算するために使用することができる。当業者または表面物理学は、過度の実験無しに、本発明の多孔質膜の合計の内部表面を測定するために、ＢＥＴ法を採用することができるであろう。

本明細書で使用されているように、用語「バブルポイント」はバブルポイント圧力試験で得られた圧力の値を示す。バブルポイント圧力のテストは、事前に液体で湿らせた多孔質膜の細孔を通して気体（例えば、空気）を強制するために必要な圧力を測定する。液体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、メタノール、エタノール、または他の任意の適当な液体にすることができる。

本明細書で使用されているように、平方インチあたり１ポンドは６，８９４．８Ｐａに等しく、１００ｋＰａは１ｂａｒに等しい。

本明細書で使用されているように、「ｓｌｐｍ」は、流れの単位であり、０℃および圧力１．０１ｂａｒで窒素ガス流を用いて測定した１分当たりの標準リットルである。

本発明の多孔質膜
材料は高強度と長いライフサイクル機能を持つ細孔構造を組み込んで、開発されてきている。これは、少なくとも一つの粗い金属粉の金属粒子と少なくとも一つの微粉末金属粒子のブレンドおよびその後、それらが一緒に焼結することによって達成する。この材料は、組み込んだ場合、例えば、既存のディフューザ（膜）のような設計であるが、ＦＶ−５０に限定されない、インテグリス社製のものが、平方インチ圧力差（差分ｐｓｉまたは「ｐｓｉｄ」）あたり７５ポンドの圧力を扱うこと、および、気体中の０．００３ミクロンの粒子を６ｌｏｇの粒子低減を提供しながらライフサイクル１，０００，０００以上が可能である。さらに、焼結膜は、単独で微細なニッケル粉末を使用して作られた焼結多孔質膜の流れのプロファイルを保持する。

したがって、様々な実施形態において、本発明は、少なくとも一つの微細な金属粉および少なくとも粗金属粉末のブレンドの平らなシート膜で構成され、各構成金属粒子は、一緒に焼結した。微細粗粒子および粗金属粒子は、約５倍〜約５０倍異なり得る、異なる平均サイズを有し、いくつかの実施形態において、微細粗粒子および粗金属粒子は、５０倍以上異なり得る、異なる平均サイズを有する。

一つの実施形態において、本発明は、第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および、第２の平均サイズの金属粒子の第２の粉を具備し、第１の粉および第２の粉を一緒に焼結する。特定の実施形態では、追加の粉末（第３、第４の粉など）を使用することができる。

好ましくは、第１の平均サイズは５〜５０倍、第２の平均サイズよりも大きい。いくつかの実施例において、多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％の第１の粉を具備し、好ましくは、多孔質膜の気孔率は、３７容積％から５０容積％であり、より好ましくは、多孔質膜の気孔率は、４２容積％から４８容積％である。

特定の実施形態において、第１の平均サイズは、約４０ミクロンから約６０ミクロンであり、第２の平均サイズは好ましくは約２ミクロンよりも大きくなく、第１の平均サイズは約５０ミクロンであり、第２の平均サイズは約２ミクロンである。

本発明の多孔質膜に使用される粉末の金属粒子は、更に以下に説明する、必要なアプリケーションに適した任意の焼結金属の粒子を含むことができる。例えば、金属は鉄、クロム、ニッケル、および、ニッケルと鋼を含む合金から選択することができる。代替的に、金属は、ニオブやモリブデン、金や銀などの貴金属、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューヨーク、アメリカ合衆国）から入手可能なニッケル−クロム合金の線）、またはＨａｓｔａｌｌｏｙ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社（インディアナ州、アメリカ合衆国）から入手可能なニッケルベースの合金の線）などの超合金などの高融点金属とすることができる。好ましくは、第１の粉の金属粒子および第２の粉の金属粒子は、それぞれ独立して、ニッケルまたはステンレス鋼から選択される。いくつかの実施形態において、第１の粉の金属粒子および第２の粉の金属粒子は、それぞれ、ニッケルから選択される。

例示的な実施形態において、本発明の多孔質膜は、気体速度３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２、膜の厚さ０．４ｃｍで、０．１ミクロンの粒子について、４〜６の対数減少値（ＬＲＶ）を示す。好ましくは、多孔質膜は、気体速度３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２、膜の厚さ０．４ｃｍで、０．１ミクロンの粒子について、６以上の対数減少値（ＬＲＶ）を示す。代替的には、本発明の多孔質膜は、気体速度３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２、膜の厚さ０．４ｃｍで、０．００３ミクロンの粒子について、４〜６の対数減少値（ＬＲＶ）を示す。好ましくは、多孔質膜は、気体速度３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２、膜の厚さ０．４ｃｍで、０．００３ミクロンの粒子について、６以上の対数減少値（ＬＲＶ）を示す。

例示的な実施形態において、本発明の多孔質膜は、４〜８ｐｓｉの水のバブルポイントを示す。

本発明の一つの実施形態は、約４０重量％〜約６０重量％の単一の平均サイズを有する金属粒子の第１のセットおよび、金属粒子の第１のセットよりも小さい第２の平均サイズを有するディフューザ（膜）の均衡を構成する金属粒子の第２のセットを具備する、多孔質ディフューザ（膜）である。金属粒子の第１のセットを共に焼結し、かつ、金属粒子の第２のセットを互いに焼結し、その第２の金属粒子のセットを、第１の金属粒子のセットと焼結する。ディフューザ（膜）は約３７容積％〜約５０容積％の気孔率を有し、ディフューザ（膜）の孔は、ディフューザ（膜）本体全体に均等に配置される。ディフューザ（膜）は、０．１ミクロンの粒子に対して４〜６のＬＲＶ値および３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２の気体速度を有する。膜は、０．２ｃｍ〜０．５ｃｍの厚さを有する。例えば、膜は、約０．４ｃｍの厚さのディフューザであり得る。例えば、膜（ディフューザ）は、任意の直径を有し得る。例えば、膜は、直径５．２ｃｍを有し得る。ディフューザ（膜）は、１インチ平方当たり少なくとも３００ポンドの破裂圧力（ｐｓｉ）を有し、好ましくは、３５０ｐｓｉよりも大きい破裂圧力を有する。また、ＬＲＶは、平均０．００３ミクロンの平均サイズを有する粒子を除き、同じ条件下で測定する。

本発明のいくつかの実施形態において、粗い金属粒子の第１のセットは、約４０ミクロン〜約６０ミクロンの平均サイズを有し、上記金属粒子の第２のセットは、約２ミクロンかそれよりも小さい平均サイズを有する。いくつかのバージョンにおいて、金属粒子の第２のセットは、約２ミクロンの平均サイズを有する。

本発明のバージョンのディフューザ（膜）は、約４２容積％〜約４８容積％の気孔率および、気体中０．１ミクロンの粒子について６以上のＬＲＶ値を有し得る。また、本発明のバージョンのディフューザ（膜）は、約４２容積％〜約４８容積％の気孔率および、気体中０．００３ミクロンの粒子について６以上のＬＲＶ値を有し得る。

ディフューザ（膜）は、圧力サイクルが約２秒の持続時間を有する、７５ｐｓｉｄ、１００万気圧のサイクル後に完全なままである。

本発明の一つのバージョンにおいて、金属粒子の第１のセットは約５０ミクロンのサイズを有するニッケルであり、金属粒子の第２のセットは約２ミクロンのサイズを有するニッケルである。これらの粒子から作られた、直径５ｃｍの平らなシート状の０．４４ｃｍの厚さのディフューザ（膜）は、気体中０．１ミクロンの粒子について少なくとも６のＬＲＶ値で特徴付けられ、該ディフューザ（膜）は、平方インチ当たり４〜８ポンドの水バブルポイント、５ｓｌｐｍ／ｃｍ^２の単位面積当たり（平方インチの圧力導入口あたり１８ポンドで）の窒素ガス流量、および３５０ｐｓｉより大きい破裂圧力を有する。また、ＬＲＶは、０．００３ミクロンの平均サイズを有する粒子を除いて、同じ条件下で測定する。

二つの異なる大きさの焼結性粉末を、二つ以上のサイズのいくつかのバージョンにおいて、本発明のバージョンにおいて共にブレンドすることができる。本発明のいくつかのバージョンにおける焼結性粉末は、ニッケル、ニッケル含有合金、ステンレス鋼のような合金、および参照によって全文が本明細書に組み込まれる米国特許第５，４８７，７７１号において開示されるような合金に例示されるがそれに制限されない耐食性材料を含み得る。いくつかのバージョンにおいて、金属粒子はニッケルである。ブレンド中の小さい金属粒子粉のサイズは、標準粒子の還元条件（例えば、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ ＦＶ−５０フィルタの試験条件）の下で、小さな粒子によってのみ作られた焼結フィルタについて、０．００３ミクロンの試験粒子に対して約９ＬＲＶ以上のガス粒子の削減のための表面積が得られるように選択される。大きな、または、粗い金属粒子のサイズは、平方インチ当たり８００ポンド〜平方インチ当たり１５００ポンドの圧力において、小さな金属粒子と混合する場合、それらをコヒーレントな緑色コンパクトへ（即ち、未焼結圧縮した粉末）圧縮できるように、選択され得る。粗い粒子は、小さい粒子と４０重量％〜６０重量％の量で混合する場合、４０容積％〜６０容積％の範囲の気孔率を有する多孔質焼結膜を提供し、小さな粒子のみで作られたフィルタの圧力降下が約±２０％以内であるようなサイズを有することができる。本発明のいくつかのバージョンにおいて、粗い粒子は、小さい粒子と４０重量％〜６０重量％の量で混合する場合、４０容積％〜６０容積％の範囲の気孔率を有する多孔質焼結膜を提供し、小さな粒子のみで作られたフィルタの圧力降下が約±１０％以内であるようなサイズを有することができる。

焼結され得る小さなまたは微細な粒子は、１０ミクロン以下のサイズを有する。焼結され得る粗いまたは大きな粒子は、１０ミクロン以上のサイズを有し得る。

本発明のバージョンにおける多孔質焼結膜の構成は、全体の気孔率および粉のブレンドのパーセントに、依存しない、または弱い依存のＬＲＶを有する。更に、ＬＲＶを最大化させるために、材料の厚さを増加させる。

図１、図２、および図３を参照することによって、本発明の多孔質膜の外観をさらに理解することができる。図１は、共に焼結した単分散（単一サイズ）の金属粒子の粉を具備する、従来の多孔質膜を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。図２および図３は、それぞれ、５０ミクロンの平均サイズを有するニッケル粒子の第１の粉および、２ミクロンの平均サイズを有するニッケル粒子の第２の粉を具備する、本発明の多孔質膜のＳＥＭ顕微鏡写真（異なる倍率で）である。

多孔質膜を具備する気体ディフューザ装置
図４を参照すると、一つの実施例において、本発明は気体ディフューザ装置１００であり、入口１０４および出口１０６を有する筐体１０２を具備する。本発明の多孔質膜１０８は、入口１０４と出口１０６とを流体連通する筐体１０２内に配置されている。本明細書に記載されているいかなる多孔質膜も、装置１００において用いることができる。

例示的な実施形態では、装置１００は、０．１インチ以上の厚さを有する平面シートとして製造された多孔質膜１０８を具備する。一つの実施形態において、装置１００は約０．２ｃｍ〜約０．５ｃｍの厚さ（ｈ）を有する平面シートとして製造された多孔質膜１０８を具備する。例えば、膜１０８は約０．４０ｃｍまたは０．４４ｃｍの厚さを有することができる。膜１０８は、任意の直径を有することができる。例えば、膜１０８は、５．２センチメートルの直径（Ｄ）を有することができる。更なる実施形態において、多孔質膜の対数減少値は、気体中で０．１ミクロンの粒子について、少なくとも６である。また、ＬＲＶは、０．００３ミクロンの平均サイズを有する粒子を除いて同じ条件下で測定する。例示的な実施形態では、ディフューザ装置１００の多孔質膜は、平方インチ当たり少なくとも３００ポンドの破裂圧力（ｐｓｉ）、好ましくは３５０より大きいｐｓｉを示す。

本発明の方法
一つの実施形態において、本発明は、気体の流れを精製する方法である。該方法は、本発明の多孔質膜を介して気体の流れを導くことを含む。本明細書に記載されているいかなる多孔質膜も用いることができる。一つの実施形態において、図４に示される装置１００は、気体の流れの精製に用いることができる。

例証
本発明の多孔質膜は、本明細書において説明される方法を使用して準備された。本発明の多孔質膜のＬＲＶ値は、全体の気孔率と出発粒子粉体の組成から独立している。ＬＲＶ値、出発粉体組成、および膜気孔率との間には、いかなる測定可能な関係性も見つからなかった。本発明の多孔質膜のＬＲＶ値は、最終的な焼結多孔質膜の厚さの成長とともに増加する。気孔率および出発粉体の組成は、所望の圧力降下のための焼結多孔質膜に合わせて変更できる。

後述の実験において、本発明の多孔質膜は、出発物質として、Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５ニッケル粉体（Ｎｏｖａｍｅｔ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社（ニュージャージー州、米国）から入手可能な、２ミクロンフィラメント状ニッケル粉体）および、「粗い」５０ミクロンＡｍｅｔｅｋ（登録商標）２００ニッケル粉体（Ａｍｅｔｅｋ（登録商標） Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ事業部（ペニンシュラ州、米国）から入手可能なニッケル粉体）のブレンドを使用して、準備した。Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５ニッケル粉体は、ＷａｆｅｒＧｕａｒｄ（登録商標）ＮＦ多孔質膜の製造ラインで使用されていることに留意されたい。ＮＦ膜は、Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５ニッケル粉体を焼結して製造されている。

実施例１ サンプルの準備
微粉および粗粉を含む膜の数は、以下の表１に示すような割合で作られる。

２．９インチ型は、力（ポンド）および下記の表２に示された粗粉の割合を使用して、緑色のフォームディスクを作るために使用された。センチメートル単位で緑色のフォームの厚さが推定された。グラム粗ニッケル粉末の質量および微細な、２ミクロンＶａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５粉の質量は、グラム単位で与えられる。

すべてのディスクを１０５０℃で１時間水素ガス中で焼結した。

１０５０℃で焼結することによって、結果として、Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２２５粉は、低い温度で焼結するよりも、よりしっかりと焼結接合する。１０５０℃以上での焼結は、表面積の損失に繋がり、続いて本発明の多孔質膜のＬＲＶ値が低下する。

気孔率は、約３７％〜５１％の範囲である。以前の実験は、１０５０℃よりも低い温度で焼結すると、多孔質焼結膜強度の大幅な損失という結果になることを示してきた。

最後のカットディスク（４７ｍｍ）は、表３に示す特徴を有していた。（表３において、質量はグラム（ｇ）単位であり、「Ｏｄ」はディスクのセンチメートル（ｃｍ）単位での外側の直径であり、「ｔ」はセンチメートル（ｃｍ）単位でのディスクの厚さであり、ρはグラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）単位でのディスクの密度であり、Ｐｏはパーセント単位での気孔率であり、かつ、ＩＤは、全体の気孔率と粗粉の割合を指す。例えば、「３７／４０」は、全体の気孔率３７％および、５０ミクロンの粉が４０重量％であることを指す。）

厚さは変化し、焼結後の圧縮は結果を歪める可能性があるので、すべての測定値は、２．５４ミリメートルの標準的な厚さに調整した。当業者は、この例では、膜の厚さは約０．２ｃｍ〜約０．３１ｃｍまで変化し得るが、適用業務と所望の結果を目的として、異なる厚さを利便性に基づいて選択することができる、ということを理解するだろう。例えば、膜の厚さは、約０．２ｃｍ〜約０．５ｃｍの範囲から選択できる。一つの実施例において、厚さは、表３に挙げた任意の値から選択し得る。別の実施例において、厚さは、０．４ｃｍとし得る。更に別の実施例において、厚さは、０．４４ｃｍとし得る。

実施例２：圧力降下の測定
表３に記載の多孔質膜で生成された圧力降下（「ＩＤ」によって識別される）を測定し、結果を図５に示す。図５において、Ｙ軸は流量（ｑ）／面積（ａ）（単位は、リットル毎分／平方センチメートルである）であり、Ｘ軸は圧力（平方インチ当たりのポンドで）である。圧力降下は、２．５４ミリメートルの標準的厚さに調整した。「ＮＦ膜」は、単一サイズのＶａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２２５のニッケル粉を使用して、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社によって製造された平面の多孔質膜を示す。

図５に示されたデータは、ＮＦ膜に最も近い圧力降下を有する多孔質膜は、５０ミクロンの粉６０％、Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２２５の粉４０％、および、全体の気孔率が４２％の材料であった。これらの結果は、出発ブレンド粉末の組成に基づく既存の膜を介する圧力降下を低減することができることを示す。この結論は、さらに出発粉末ブレンドの３種類の組成への気孔率の関数としての圧力降下の測定によって確認された。その結果は、図６に示す。

実施例３：粒子減少および対数減少値の測定
本発明の膜の粒子減少およびＬＲＶ値は、Ｓｅｍｉ Ｆ３８−０６９９「気体フィルタ使用のポイントの品質認定評価のための試験方法」に基づいて測定し、その全体を本明細書に参照によって組み込んだ。以下の表４は、「ＩＤ（複数）」によって記載された選択された膜についてのＬＲＶの値を示す。

^１４０ｓｌｐ／ｃｍ^２での、２．５４ｍｍの厚さの直径４．７４ｃｍのディスク上での０．１ミクロンの粒子の測定

最も低い気孔率で、最も低い粗粉率のサンプルが、最も高いＬＲＶを有するということが、以前は当業者によって受け入れられてきた。予想外に、本発明の膜のＬＲＶの測定は、気孔率および開始粉ブレンド中の粗粉率によっては影響を受けないことが分かった。その結果は、図７においてプロットで示されている。

図７に示される結果は、流れの性能のために最適化された（例えば、気孔率の調整および／または出発ブレンド粉の構成による）膜の厚さの増加は、高いＬＲＶという結果になるであろう。例えば、気孔率５０％（表３においてＩＤ ５０／６０）、６０％の５０ミクロンの粒子の出発ブレンドから製造された本発明の多孔質膜にとって、４７ｍｍのディスク直径、５ｓｌｐｍ／ｃｍ^２の気体速度、１８ｐｓｉの圧力降下を持ちながら、６ＬＲＶという値が０．４ｃｍの厚さで得られる可能性がある。この流れは、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社の既存のＮＦ膜を介したものと同等である。

本発明の多孔質膜が６に近いＬＲＶ値を示すことに留意されたい。そのような値は、高い効率（効率９９．９９９９％）の濾過を提供するのに十分であると考えられる。高いＬＲＶを有する材料について、材料の厚さは増加し得て、このことはまた強度を増加させる。例えば、単一サイズの２ミクロンのニッケル粉Ｖｅｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５から調製された０．１８０インチの厚さの膜は、単位面積当たりの質量は０．８ｇ／ｃｍ^２であることを示した。

実施例４：強度の測定

本発明の多孔質膜の強度は、膜が固定された平板の形で周囲に溶接されているディスクに設定されているときに材料が破裂する際の気体の圧力として測定した。Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社によって製造されたＦＶ−５０製品（５０ミクロンの単一サイズのニッケル粒子から製造された多孔質膜）は、直径２．０５インチおよび厚さ０．１００インチのディスクについて、７５〜１００ｐｓｉの間で通常破裂する。同じ大きさの６０％の５０ミクロン粉の４２％気孔率のディスクは、３５０ｐｓｉまで破裂させられなかった。

実施例５、６および７

実施例５〜７において記述された全ての測定（図８および図９においてプロットで示されている）は、図４に示される装置を使用して行われた。この装置の多孔質膜は、ＩＤ４２／６０（表３に記載したように）の材料から製造され、ディスクの形状において、０．４４ｃｍの厚さおよび５．２ｃｍの直径を有する。

実施例５：たわみの測定

本発明の多孔質膜の２つのサンプル（ＦＶ−５０ＤＸＬ＃１およびＦＶ−５０ＤＸＬ＃２として示される）は、２つの対照サンプル（ＦＶ−５０Ｄ＃１およびＦＶ−５０＃２として示される）と比較した。「ＦＶ−５０Ｄ」は、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社によって製造された製品（５０ミクロンのニッケル粒子から製造された多孔質膜）であり、一方、ＦＶ−５０ＤＸＬは上述したような材料ＩＤ ４２／６０から製造された装置である。

膜材料のたわみ量（圧力による運動）は、適用される力の関数として測定した。その結果は図８に示す。

試験の結果は、同じ直径のディスクについて、平方インチあたり５０ポンドの入口の圧力と、通常の大気圧の出口の圧力とにおいて、本発明の多孔質膜は、０．００２インチ未満のたわみ、さらに０．００１インチ未満のたわみを有する。

実施例６：バブルポイントの測定

バブルポイント試験は、本発明の多孔質膜が単一サイズのＶａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５粉の焼結によって準備された多孔質膜よりも大きな穴のサイズを有することを示している。単一サイズのＶａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５粉の焼結によって製造された多孔質膜は、水中で約１０ｐｓｉのバブルポイントを有し、一方、本発明の試験を行った多孔質膜は、約６ｐｓｉのバブルポイントを有する。

実施例７：差圧の関数としての流速の測定

本発明の多孔質膜のサンプル（ＦＶ−５０ＤＸＬとして示される）を、対照サンプル（ＦＶ−５０Ｄとして示される）と比較した。「ＦＶ−５０」は、Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社によって製造された製品（５０ミクロンのニッケル粒子から製造された多孔質膜）であり、一方、ＦＶ−５０ＤＸＬは、上述したような材料ＩＤ４２／６０から製造した装置である。

本発明の多孔質膜を通過する流速は膜間差圧の関数として測定した。その結果を、様々な平均粒子サイズを有する単一サイズの金属粉から製造した多孔質膜と比較した。実験は以下のように行った。気体（空気）を既知の圧力で装置の入口へ導入した。出口の圧力は、常に大気圧に維持した。この気体の体積質量流速は質量流量計で測定した。これを、幾つかの異なる入口圧力で行った。体積質量流量対入り口圧力のプロットを作成した。

図９にその結果を示す。見られるように、本発明の多孔質膜の流れの特性は、単一サイズ粉末から製造した膜と緊密な相関関係を示す。

実施例８：選択された多孔質膜の特性の概要

図５に示されているのは、Ｖａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５ニッケル粉（２ミクロン）および５０ミクロンの平均粒子サイズを有する「粗い」ニッケル粉の焼結によって製造された本発明の多孔質膜の一つの実施形態の気孔率の概要である。また、単一サイズのＶａｌｅ Ｉｎｃｏ Ｔｙｐｅ２５５ニッケル粉を焼結することによって製造された多孔質膜の特性を比較のために示した。

本発明は特に、その実施形態の例を参照して示しまた説明してきたが、当業者は、形態および詳細における様々な変更は、本発明の範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲によって包含されることによってなされることが理解されるであろう。

Claims (15)

1. 多孔質膜であって、
   第１の平均サイズの金属粒子の第１の粉および第２の平均サイズの金属粒子の第２の粉のブレンドを具備し、前記第１の粉および前記第２の粉が共に焼結され、
   前記第１の平均サイズは、前記第２の平均サイズよりも５〜５０倍大きく、かつ、
   前記多孔質膜は、４０重量％〜６０重量％の前記第１の粉を具備し、
   前記第１の平均サイズが４０ミクロンから６０ミクロンであり、かつ、前記第２の平均サイズが２ミクロンよりも大きくなく、
   前記多孔質膜の水バブルポイントが、４〜８ｐｓｉであり、
   前記多孔質膜が、０．４センチメートルの厚さの膜上で測定された、気体中の０．１ミクロンの粒子についての速度が３ｓｌｐｍ／ｃｍ ^２ である場合、４より大きい対数減少値（ＬＲＶ）を有する、多孔質膜。
2. 前記多孔質膜の気孔率が、ａ）３７容積％〜５０容積％であるか、またはｂ）４２容積％〜４８容積％である、請求項１に記載の多孔質膜。
3. 前記第１の平均サイズが５０ミクロンであり、かつ、前記第２の平均サイズが２ミクロンである、請求項１に記載の多孔質膜。
4. 前記第１の粉の前記金属粒子および前記第２の粉の前記金属粒子が、それぞれ独立して、ニッケッルまたはステンレス鋼から選択される、請求項１に記載の多孔質膜。
5. 気体ディフューザ装置であって、
   入口および出口を有する筐体と、
   前記入口および前記出口と流体連通し、前記筐体内に配置された請求項１に記載の多孔質膜とを具備する、気体ディフューザ装置。
6. 前記多孔質膜の気孔率が、ａ）３７容積％〜５０容積％であるか、またはｂ）４２容積％〜４８容積％である、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１の平均サイズが５０ミクロンであり、前記第２の平均サイズが２ミクロンである、請求項５に記載の装置。
8. 前記第１の粉の前記金属粒子および前記第２の粉の前記金属粒子が、それぞれ独立して、ニッケルまたはステンレス鋼から選択される、請求項５に記載の装置。
9. 前記多孔質膜が、０．１インチ以上の厚さを有する平面シートである、請求項５に記載の装置。
10. 前記多孔質膜が、０．２ｃｍ〜０．５ｃｍの厚さを有する平面シートであり、さらに、気体中の０．１ミクロンの粒子についての速度が３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２である場合、前記多孔質膜の対数減少値が少なくとも６である、請求項５に記載の装置。
11. 前記多孔質膜が、平方インチ当たり少なくとも３００ポンドの破裂圧力を有するか、または平方インチ当たり３５０ポンドよりも大きい破裂圧力を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 気体流の精製方法であって、
    請求項１に記載の多孔質膜を介して気体流を導くステップを含み、
    それによって、前記気体流を精製する、気体流の精製方法。
13. 前記多孔質膜の気孔率が、ａ）３７容積％〜５０容積％であるか、またはｂ）４２容積％〜４８容積％である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の粉の前記金属粒子および前記第２の粉の前記金属粒子が、それぞれ独立して、ニッケルまたはステンレス鋼から選択される、請求項１２に記載の方法。
15. 入口および出口を有する筐体と、
    前記入口および前記出口と流体連通し、前記筐体内に配置された請求項１に記載の多孔質膜とを具備する気体ディフューザ装置であって、
    前記多孔質膜は、０．２ｃｍ〜０．５ｃｍの厚さを有する平面シートであり、気体中の０．１ミクロンの粒子についての速度が３ｓｌｐｍ／ｃｍ^２である場合、対数減少値が少なくとも６であり、平方インチ当たり少なくとも３００ポンドの破裂圧力を有する、気体ディフューザ装置。

Images