一般に、スポンジローラを最初に使用する際には、スポンジローラ自身(特に、突起の外面のうち被洗浄面と接触する領域)の清浄度を高める必要があり、被洗浄面のスクラブ洗浄を行う前に、スポンジローラの洗浄が行われる。具体的には、スポンジローラを洗浄装置に装着し、ダミーの被洗浄面に対してスクラブ洗浄を行う。また、スクラブ洗浄中は、被洗浄面から除去された粒径の比較的小さいパーティクルや、研磨剤等の粒径の比較的大きいパーティクルが、洗浄液とともに流通する。
しかし、突起の外面が、突起の内部組織に比べて気孔率が低い表皮層に覆われていると、表皮層の表面における開口率も自ずと低くなり、洗浄水が流通し難い。このため、スポンジローラ自身の洗浄に時間がかかり、立ち上げ時間(ブレークイン時間)が増大してしまう。
また、開口率が低い表皮層の表面では、スクラブ洗浄時において、表皮層の開口よりも粒径が小さいパーティクルが表皮層の表面の開口から突起の内部(表皮層の内部)に進入した場合、そのパーティクルが突起の内部に捕捉され易く、製品のライフサイクルの低下を招いてしまう。
さらに、開口率が低い表皮層の表面では、スポンジローラの素材の存在比率(面積比率)が高く、洗浄時に粒径の比較的大きいパーティクルが捕捉され易い。このため、捕捉されたパーティクルが被洗浄面に接触してダメージを与えてしまう可能性が生じる。
そこで、本発明は、洗浄工程の立ち上げ時間の短縮化、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面に対するダメージの低減を図ることが可能な洗浄用スポンジローラの提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の洗浄用スポンジローラは、湿潤状態で弾性を有するポリビニルアセタール系多孔質素材によって構成され、略円筒形状のロール体と該ロール体の外周面上に一体形成された複数の突起とを有し、これら複数の突起を被洗浄面に回転接触させて被洗浄面を洗浄する。突起の外面は、突起の内部組織が露出した状態で洗浄時に被洗浄面と接触する内部露出面を有する。ロール体の外周面と突起の外周面とは、内部露出面よりも開口率が低い表皮層でそれぞれ覆われ、突起の外周面の表皮層は、ロール体の外周面の表皮層から連続している。なお、突起の外面とは、頂部外面や外周面を含む突起の表面全域を意味し、この表面全域の少なくとも一部に内部露出面が形成されている。
内部露出面の開口率は、50%以上が好ましく、60%以上がさらに好ましい。
内部露出面は、突起の頂部のうち少なくとも回転方向前方の領域を含んでいればよく、突起の頂部外面を内部露出面として形成してもよい。さらに、突起は、外周面から頂部外面までの高さよりも大きい直径を有する円柱形状であってもよい。
また、全て突起の頂部外面の面積の合計は、各突起の外端上を通る仮想接触外周面の面積に対して、50%以下が好ましい。さらに、被洗浄面が直径300mmウェハの場合、突起の数は100以上であることが好ましい。
ここで、一般に、内部組織が表皮層によって覆われたポリビニルアセタール系多孔質素材の場合、表皮層は内部組織に比べて気孔率が低く、表皮層の表面は内部組織が露出している場合に比べて開口率が低くなる。このため、表皮層の方が内部組織に比べて洗浄水が流通し難い。
この点に関し、上記構成では、突起の外面は、表皮層よりも気孔率(開口率)が高い突起の内部組織が露出した内部露出面を有し、この内部露出面が洗浄時に被洗浄面と接触する。このため、スポンジローラを最初に使用する際に、スポンジローラ自身(特に、突起の外面のうち被洗浄面と接触する領域)の清浄度を高める目的でダミーの被洗浄面に対してスクラブ洗浄を行う時間(立ち上げ時間・ブレークイン時間)を短縮することができる。
また、内部露出面では、開口率が比較的高いため、内部露出面の開口よりも粒径が小さいパーティクルが内部露出面の開口から突起の内部に進入した場合であっても、そのパーティクルが突起の内部に捕捉され難く、製品のライフサイクルを向上させることができる。
さらに、内部露出面では、開口率が比較的高く、洗浄用スポンジローラの素材(ポリビニルアセタール系多孔質素材)の存在比率(面積比率)が低い。このため、洗浄時に粒径の比較的大きいパーティクルが捕捉され難く、捕捉されたパーティクルによって被洗浄面がダメージを受けてしまうことを抑制することができる。
また、ロール体の外周面が開口率の低い表皮層によって覆われているため、洗浄用スポンジローラの内側から外側に向かう洗浄液は、ロール体の外周面よりも突起の内部露出面から流出し易い。このため、ブレークイン時間の短縮、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面へのダメージの付与の抑制を、さらに図ることができる。
また、突起の外周面が開口率の低い表皮層によって覆われているため、洗浄用スポンジローラの内側から突起を介して外側に向かう洗浄液は、突起の外周面よりも内部露出面から流出し易い。このため、ブレークイン時間の短縮、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面へのダメージの付与の抑制を、さらに図ることができる。
突起の回転方向の前側では、内部露出面がロール体の外周面に向かって傾斜していてもよい。
上記構成では、スクラブ洗浄時において、内部露出面が被洗浄面に接触し易いため、ブレークイン時間の短縮、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面へのダメージの付与の抑制を、さらに図ることができる。
本発明に係る洗浄用スポンジローラによれば、洗浄工程の立ち上げ時間の短縮化、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面に対するダメージの低減を図ることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る洗浄用スポンジローラ(以下、単にスポンジローラと称する)を、図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態に係るスポンジローラによって被洗浄面を洗浄する状態を示す斜視図、図2は図1のスポンジローラの側面図、図3は図2のスポンジローラの突起のIII−III線矢視断面図、図4は図3の突起の外観斜視図、図5は図2のスポンジローラの使用状態を模式的に示す側面図、図6は図5の要部拡大図、図7は図2のスポンジローラを成形するための型を示す斜視図、図8は図2のスポンジローラの製造方法を示す断面図である。なお、図1では突起の図示を省略している。
図1〜図6に示すように、スクラブ洗浄の対象となる被洗浄体10は、薄厚円盤状のウェハであり、被洗浄面10aは、被洗浄体10の表面及び裏面である。
スクラブ洗浄を行う上下一対のスポンジローラ1は、略円筒形状のロール体3と、ロール体3の外周面3a上に一体成形された複数の突起5とを有する。各突起5は、円柱形状であり、頂部外面5aと外周面5bとを有する。各ロール体3には、金属やプラスチックなどの硬質な材料によって形成された略円柱状の回転軸2がそれぞれ装着される。なお、突起5の形状は、円柱形状に限定されるものではない。
スクラブ洗浄は、上下の回転軸2を所定距離だけ離間させて略平行に配置し、被洗浄面10aを回転軸2と略平行に配置した状態で上下のロール体3の間(上側のロール体3の突起5と下側のロール体3の突起5との間)に被洗浄体10を挟み、被洗浄面10aに洗浄液を供給し、回転軸2をそれぞれ回転させる(回転方向を矢印7で示す)とともに、回転軸2と略直交する回転軸6を中心に被洗浄面10aを回転させる(回転方向を矢印8で示す)ことにより行われる。すなわち、回転する被洗浄面10aにロール体3の突起5の頂部外面5aが回転接触することにより、被洗浄面10aがスクラブ洗浄される。
なお、一対のスポンジローラ1の配置は、上述のような上下位置に限定されるものではなく、例えば、一対のスポンジローラ1をそれぞれ起立状態とし左右に配置したり、斜め方向に配置するなど、様々な態様で配置することが可能である。また、被洗浄体10の回転軸6は、スポンジローラ1の回転軸2と略直交するように設定すればよく、例えば、一対のスポンジローラ1及びその回転軸2を略鉛直方向に起立させた場合には、被洗浄体10の回転軸6を略水平方向に配置すればよい。
スポンジローラ1(ロール体3及び突起5)は、含水状態で弾性を有するポリビニルアセタール系多孔質素材(PVAt系多孔質素材)から成る。PVAt系多孔質素材は、乾燥状態で硬化し、湿潤状態で軟化する。また、PVAt系多孔質素材は、吸水性及び保水性に優れ、湿潤時に好ましい柔軟性と適度な反発弾性を示し、耐磨耗性にも優れている。回転軸2はロール体3の内径部に挿通され、ロール体3を固定的に支持する。例えば、回転軸2の外周面とロール体3の内周面とを接着剤によって固着してもよく、また、回転軸2の外径をロール体3の内径よりも大きく形成し、回転軸2をロール体3の内径部に圧入することにより、ロール体3の弾性力によってロール体3を回転軸2に固定的に支持させてもよい。さらには、ロール体3を製造する際に、図7に示す芯棒29の代わりに回転軸2を使用することによって、ロール体3を回転軸2に固着または支持させてもよい。この場合、反応後のスポンジローラ1(ロール体3)は、回転軸2を伴った状態のまま型21から取り出され水洗される。このような固定的な支持により、ロール体3は、回転軸2と共に回転する。
図3に示すように、突起5の頂部外面5aは、突起5(スポンジローラ1)の回転方向7の前側がロール体3の外周面3aに向かって傾斜する湾曲面形状である。頂部外面5aの最頂端(外端)と最下端(突起5の外周面5bの上端)との距離hは、0.2mm以上が好適である。なお、本実施形態の頂部外面5aは、スポンジローラ1を反転させた場合も同様の条件下でスクラブ洗浄を行うことができるように、突起5の回転方向の前後両側がそれぞれロール体3の外周面3aに向かって対称的に傾斜する湾曲面形状に設定されている。
突起5の直径Dは、突起5の高さH(ロール体3の外周面3aから頂部外面5aの最頂端までの距離)よりも大きく設定されている。
複数の突起5は、ロール体3の外周面3aのほぼ全域において同じ配列パターンで配置されている。突起5の数及び大きさは、全て突起5の頂部外面5aの面積の合計が、各突起5の頂部外面5aの外端上を通る仮想接触外周面(図5に示すように突起5の頂部外面5aの回転軌跡9が規定する周面)の面積に対して、50%以下となるように設定されている。また、被洗浄面10aが直径300mmウェハの場合、突起の数は100以上であることが好ましい。
突起5の頂部外面5aは、突起5の内部組織が露出する内部露出面である。頂部外面5aの開口率は、50%以上であり、より好ましくは、60%以上である。これに対し、ロール体3の外周面3a及び突起5の外周面5bは、ロール体3及び突起5の内部組織よりも気孔率が低い表皮層4によって覆われている。表皮層4の表面の開口率は、突起5の頂部外面5aの開口率よりも低く、例えば20%以下である。
ここで、頂部外面5aの開口率とは、頂部外面5aの所定範囲内において、(頂部外面5aで開口している全ての気孔の総面積/頂部外面5aの所定範囲の面積)×100によって算出される値であり、外周面3a,5bの開口率とは、外周面3a,5bの所定範囲内において、(外周面3a,5bで開口している全ての気孔の総面積/外周面3a,5bの所定範囲の面積)×100によって算出される値である。各開口率は、例えば、以下の測定方法によって求めることができる。
スポンジローラ1の表面(頂部外面5a、外周面3a,5b)を電子顕微鏡で撮影(倍率:100倍)し、その撮影写真を2倍に拡大する(計200倍)。次に、200倍の撮影写真の上に、縦横の複数の境界線によって所定数の升目(5mm角)に区画された透明シートを載せる。次に、透明シート上から撮像写真を目視し、各升目において、開口部分(気孔部分)の面積が全面積の半分以上を占めているか否かを判定し、開口部分の面積が全面積の半分以上を占めている升目を開口領域と見做し、その升目数を数える。最後に、(開口領域と見做した升目数/総升目数)×100を、開口率として算出する。
PVAt系多孔質素材から成るスポンジローラ1は、例えば平均重合度500〜3000でケン化度80%以上のポリビニルアルコール(原料)を一種又はそれ以上混合して水溶液とし、この水溶液に架橋剤としてアルデヒド類、触媒として鉱酸類、及び気孔形成材として澱粉等を加え、これらの混合液を、図7及び図8に示すような所定の型21内に注入し、40〜80℃で反応させて型21から取り出した後、水洗により気孔形成材等を除去することによって得られる。
型21は、外型23と内型25と底板27と芯棒29とキャップ31とを有する。外型23及び内型25は、共に円筒状に形成されている。内型25は、外型23の内径と同一か又はそれよりも僅かに小さい外径を有し、外型23内に挿入される。芯棒29は、内型25のほぼ中心に挿入される。底板27は、外型23及び内型25の下端を塞ぐと共に、芯棒29の下端を支持する。キャップ31は、外型23の上端の内周面に嵌合される。芯棒29は、底板27とキャップ31とによって位置決めされる。
内型25の内周面と芯棒29の外周面との間には、ロール体3を形成するための略円筒状の空間33が区画される。内型25には、突起5を形成するための貫通孔35が複数形成され、各貫通孔35は空間33と連通する。混合液は、外型23とキャップ31との間に挿入された注型ノズル43から空間33へ注入され、空間33から各貫通孔35へ流入する。同時に、貫通孔35内の空気は、空間33へ移動し、空間33の上端から大気へ放出される。これにより、混合液が貫通孔35の末端まで確実に充填される。
ここで、型21から取り出した後のスポンジローラ1の外面(型21との接触面)には、開口部を有する皮膜状の組織(表皮層4)が存在する。表皮層4は、スポンジローラ1の内部組織に比べて、気孔率が低く、且つ平均気孔径が小さい。また、表皮層4の表面は、スポンジローラ1の内部組織が露出した内部露出面に比べて、開口率が低く、且つ平均開口径が小さい。
本実施形態では、スポンジローラ1を型21から取り出して水洗した後、ロール体3の内径部に回転支軸(図示省略)を挿入し、回転支軸にスポンジローラ1を固定的に支持させ、回転支軸を回転駆動してスポンジローラ1を回転させながら、突起5の頂部外面5aを覆う表皮層4に切削工具を押し当てて、頂部外面5aの表皮層4を除去する。この後加工により、突起5の頂部外面5aには、スポンジローラ1(突起5)の内部組織が露出し、その開口率が50%以上となる。また、頂部外面5aの平均開口径は、表皮層4の外面の平均開口径よりも大きい。一方、ロール体3の外周面3a及び突起5の外周面5bは、表皮層4によって覆われているため、その開口率は頂部外面5aの開口率よりも低い状態のまま維持され、且つ気孔の平均開口径も頂部外面5aの平均開口径よりも小さい状態のまま維持される。また、上記後加工を施すことによって、頂部外面5aが上記湾曲面形状となる。なお、上記後加工は、スポンジローラ1を湿潤状態及び乾燥状態の何れの状態として行っても良い。
図9は、表皮層4によって覆われた外周面3aを撮影した電子顕微鏡写真であり、図10は、表皮層4が除去された頂部外面5aを撮影した電子顕微鏡写真である。両者を比較すると、気孔(開口)を区画するPVAt系素材の領域(白色又は灰色の領域)は、外周面3a(図9)の方が頂部外面5a(図10)よりも著しく広いことが分かる。すなわち、頂部外面5aの方が外周面3aよりも開口率が著しく高く、且つ平均開口径が大きいことが分かる。
なお、本実施形態では、上記後加工によって頂部外面5aにスポンジローラ1の内部組織を露出させたが、上記後加工に代えて、例えば、スポンジローラ1の成形に際して頂部外面5aを形成する外型23の内周面が、外型23の材質自体を上記表皮層4を形成し難い特性を有するように、外型23の材質を選定したり、外型23の内周面に表面処理を施してもよい。また、本実施形態では、突起5の頂部外面5aのみで内部組織を露出させたが、突起5の外周面5bやロール体3の外周面3aでも内部組織を露出させてもよい。
また、本実施形態では、突起5の頂部外面5aの全域を内部露出面としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図11に示すように、突起5の頂部上面5aの中間位置から回転方向前方(矢印7方向)の下方に向かって斜め方向に突起5の頂部を部分的に切除して、内部露出面としての傾斜面5cを形成するなど、突起5の頂部に内部露出面が設けられていればよい。
また、適正含水状態におけるスポンジローラ1の有する30%圧縮応力(物性値)は、2kPa以上20kPa以下のものが好適である。適正含水状態とは、PVAt系多孔質素材が適正な弾力を発揮し得る含水状態をいい、含水率(乾燥状態に対する含水状態の重量%)が、およそ100%〜1500%の範囲で得られる。また、30%圧縮応力とは、適正含水状態のPVAt系多孔質素材を、両端面間の距離(長手方向の高さ)が30mmとなるように切断し、端面全体に荷重がかかるようにデジタル式荷重測定器にセットし、長手方向に30%(9mm)押し潰した時の荷重を計測し、該荷重を端面の面積で割った値として得られる。
また、PVAt系多孔質素材としては、その内部組織の気孔率が80%以上95%以下、平均気孔径が50μm以上200μm以下のものが好適である。
気孔率が80%より小さいと、湿潤時の柔軟性が不十分となり、また、気孔率が95%より大きいと、実用的強度に乏しく、何れも洗浄用途には適さないためである。また、平均気孔径が50μmよりも小さいと、湿潤時の弾性が不足して十分なブラッシング効果が得られず、200μmを超えると、目が粗すぎて精密洗浄には不適当なためである。
上記気孔率とは、乾燥機で十分に乾燥された乾燥状態の直方体のPVAt系多孔質素材を乾式自動密時計にて測定し、直方体の見掛け体積と真体積とから、次式(1)にて算出される値である。
気孔率(%)=(見掛け体積−真体積)/見掛け体積×100…(1)
また、上記平均気孔径は、PVAt系多孔質素材の内部組織に存在する複数の気孔の径の平均値である。本実施形態では、複数の気孔から所定の基準で抽出した所定数の気孔の長径(各気孔の長手方向の距離)の平均値を平均気孔径と定義し、例えば、以下の測定方法によって求めることができる。
スポンジローラ1を所定位置で切断し、その切断面に露出した内部組織を電子顕微鏡で撮影する。次に、撮影写真に所定の測定範囲を設定し、その測定範囲内に存在する複数の気孔の中から長径が大きい順に20個の気孔を抽出する。次に、抽出した20個の気孔の各長径を測定する。最後に、20個の測定値のうち大きい方から数えて11番目から20番目までの測定値の平均を、平均気孔径として算出する。
なお、内部露出面の平均開口径や表皮層4の表面の平均開口径についても、上記平均気孔径と同様に定義してもよい。すなわち、複数の開口から所定の基準で抽出した所定数の開口の長径(各開口の長手方向の距離)の平均値を平均開口径と定義し、上記平均気孔径と同様の測定方法によって求めてもよい。この場合、電子顕微鏡で内部露出面や表皮層4の表面を撮影した後、その撮影写真(図9及び図10参照)の所定の測定範囲内に存在する複数の開口の中から長径が大きい順に20個の開口を抽出し、抽出した20個の開口の各長径を測定し、20個の測定値のうち大きい方から数えて11番目から20番目までの測定値の平均を、平均開口径として算出すればよい。
さらに、PVAt系多孔質素材としては、見掛け密度が0.06g/cm3以上であり、保水率が600%以上のものが好適である。
上記見掛け密度は、所定形状(例えば矩形)のPVAt系多孔質素材の乾燥状態での重量(ドライ重量)と適正含水状態での外形寸法とを測定し、外形寸法から体積(ウエット体積)を算出し、ドライ重量をウエット体積で割った値として得られる。
また、保水率は、PVAt系多孔質素材の乾燥状態での重量(乾燥重量)と充分に含水した状態での重量(ウエット重量)とを測定し、次式(2)によって算出される値である。
保水率(%)=(ウエット重量−ドライ重量)/ドライ重量×100…(2)
以上説明したように、本実施形態によれば、突起5の頂部外面5aは、表皮層4よりも気孔率(開口率)が高い突起5の内部組織が露出した内部露出面であり、この頂部外面5aが洗浄時に被洗浄面10aと接触する。このため、スポンジローラ1を最初に使用する際に、スポンジローラ1自身(特に、突起5の外面のうち被洗浄面10aと接触する領域)の清浄度を高める目的でダミーの被洗浄面に対してスクラブ洗浄を行う時間(立ち上げ時間・ブレークイン時間)を短縮することができる。
また、頂部外面5aでは、開口率が比較的高いため、頂部外面5aの開口よりも粒径が小さいパーティクルが頂部外面5aの開口から突起5の内部に進入した場合であっても、そのパーティクルが突起5の内部に捕捉され難く、製品のライフサイクルを向上させることができる。
さらに、頂部外面5aでは、開口率が比較的高く、スポンジローラ1の素材(ポリビニルアセタール系多孔質素材)の存在比率(面積比率)が低い。このため、洗浄時に粒径の比較的大きいパーティクルが捕捉され難く、捕捉されたパーティクルによって被洗浄面10aがダメージを受けてしまうことを抑制することができる。
また、ロール体3の外周面3a及び突起5の外周面5bが開口率の低い表皮層4によって覆われているため、スポンジローラ1の内側から外側に向かう洗浄液は、ロール体3の外周面3a及び突起5の外周面5bよりも突起5の頂部外面5aから流出し易い。このため、ブレークイン時間の短縮、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面へのダメージの付与の抑制を、さらに図ることができる。
また、突起5の回転方向の前側では、頂部外面5aがロール体3の外周面3aに向かって傾斜しているので、スクラブ洗浄時において、頂部外面5aが被洗浄面10aに接触し易い。このため、ブレークイン時間の短縮、製品のライフサイクルの向上、及び被洗浄面へのダメージの付与の抑制を、さらに図ることができる。
なお、本発明は、一例として説明した上述の実施形態、及びその変形例に限定されることはなく、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。