JP6088153B2 - ブラシローラ - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体電子デバイスウェハ、シリコンウェハ、ハードディスク等のエレクトロニクス部品の製造工程のうち、主に洗浄工程のスクラブ洗浄で用いられるブラシローラに関する。

近年のエレクトロニクス工業では、各種部品の精密度が飛躍的に進み、それに伴って製造環境の清浄性に関する要求も高まっている。特に部品表面の化学的汚染や付着粒子は、製品の歩留まりや動作の信頼性に大きな影響を与えるため、製造工程における洗浄工程の重要性は非常に大きく、様々な洗浄方法が開発、実施されている。

例えば、半導体電子デバイスウェハ、シリコンウェハ、ハードディスク等の被洗浄体の表面（被洗浄面）を洗浄する方法として、例えば、ポリビニルアセタール系多孔質素材によって構成され、回転軸の外周に固着された弾性を有する略円筒状のロール体と、ロール体の外周面上に一体形成された複数の突起と、を有するスポンジローラ（ブラシローラ）によるスクラブ洗浄が知られている。スクラブ洗浄とは、ロール体の外周部分の複数の突起を被洗浄面に接触させて、両者の接触部分に水その他の洗浄液を供給しながら回転軸を介してスポンジローラを回転させることにより、擦り洗いするものである。

特許第３３７８０１５号公報

上記スクラブ洗浄の洗浄対象となる薄肉平板状の被洗浄体が第１の被洗浄面と第２の被洗浄面とを表裏に有する場合、１対のブラシローラを用いたスクラブ洗浄が広く行われている。１対のブラシローラは、互いに略平行に配置した状態で相反する方向に回転する２つの回転軸にそれぞれ固着される。被洗浄体は、２つの回転軸と略平行な姿勢で１対のブラシローラの間に配置され、第１の被洗浄面には一方のブラシローラの突起を回転接触させ、第２の被洗浄面には他方のブラシローラの突起を回転接触させることによって、被洗浄体を表裏両側から同時にスクラブ洗浄することが可能となる。デバイスの高精細化が進む中で、被洗浄物に対し接触するメカニズムであるスクラブ洗浄に対し、洗浄性能の向上と共に、デバイスウェハに与えるダメージの低減が求められている。

本発明は、被洗浄体を表裏両側から同時にスクラブ洗浄する洗浄工程において、被洗浄体に与えるダメージを低減させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のブラシローラは、湿潤状態で弾性を有する多孔質素材によって構成され、略円筒形状のロール体と複数の突起とを有する。突起は、ロール体の外周面上の基端部から頂部に向かって一体的に突出する。ロール体は、ロール体の内径部に回転軸を挿通した状態で回転軸に固定的に支持される。ブラシローラは、回転軸を中心としてロール体を回転させ、突起を薄肉平板状の被洗浄体の被洗浄面に回転接触させて被洗浄面を洗浄する。

突起の頂部は、基端部から離れた側に位置し、突起の外壁に囲まれた面である。ロール体の外周面からの上記複数の突起の各々の基端部における突出方向は、基端部に対して頂部がロール体の回転方向後側にオフセットするように回転軸の中心を通る基準直線に対して傾斜する。

突起の突出方向とは、基端部の中央に位置する基端側基準点と頂部の中央に位置する先端側基準点とを結ぶ傾斜直線の方向であり、基端側基準点と回転軸の中心とを結ぶ基準直線に対して傾斜直線が傾斜する。

突起の突出方向は、基準直線に対して５度〜６０度の範囲で傾斜することが好適である。すなわち、基準直線と傾斜直線との間の角度は、５度以上６０度以下が好適である。

突起の強度や耐久性を確保するため、基準直線に沿った突起の高さは、ロール体の回転方向に沿った基端部の幅の２倍以下であることが好適である。

また、被洗浄面に対する所望の洗浄効果を確保するため、ロール本体の外周面の回転方向の同一円周上に配置される突起の数は、４個以上４０個以下が好適であり、ロール本体の外周面の回転軸方向に沿った同一直線上に配置される突起の数は、２個以上６０個以下が好適である。また、突起の形状は、ほぼ円柱状が好適であり、突起の頂部の面積は、１πｃｍ^２以下が好適である。

ブラシローラは、ポリビニルアセタール系樹脂多孔質素材によって形成されてもよい。この場合、多孔質素材の気孔径は５０μｍ以上２００μｍ以下が好適であり、多孔質素材の３０％圧縮応力は、４ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下が好適である。

上記構成では、基端部に対して頂部がロール体の回転方向後側にオフセットするようにロール体の外周面からの突起の突出方向が回転軸の中心を通る基準直線に対して傾斜している。このため、突起の突出方向が基準直線に沿っている場合に比べて、突起が被洗浄面に回転接触する際に被洗浄体が受けるダメージが低減する。従って、被洗浄体を表裏両側から同時にスクラブ洗浄する場合であっても、被洗浄体が受けるダメージを低減させることができる。

本発明によれば、被洗浄体を表裏両側から同時にスクラブ洗浄する洗浄工程において、被洗浄体に与えるダメージを低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る１対のブラシローラによって被洗浄体を洗浄する状態を示す斜視図である。 図１のブラシローラの側面図である。 図１のブラシローラを正面から視た模式図である。 図３の突起の拡大図である。 図３の突起の拡大斜視図である。 図２のブラシローラを成形するための型を示す斜視図である。 図２のブラシローラの製造方法を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図１では突起の図示を省略している。

図１〜図５に示すように、スクラブ洗浄の対象となる被洗浄体１０は、薄肉円盤状のウェハであり、第１の被洗浄面１１Ａと第２の被洗浄面１１Ｂとを表裏に有する。

スクラブ洗浄を行う左右１対のブラシローラ１（第１のブラシローラ１Ａと第２のブラシローラ１Ｂ）は、略円筒形状のロール体３（第１のロール体３Ａと第２のロール体３Ｂ）と、ロール体３（３Ａ，３Ｂ）の外周面１２から略均一な密度で一体的に突出する複数の突起５（第１の突起５Ａと第２の突起５Ｂ）とを有する。各突起５は、円柱形状であり、突起５は、ロール体３の外周面１２上の基端部５ｂから頂部（先端部）５ａに向かって一体的に突出する。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（第１の回転軸２Ａと第２の回転軸２Ｂ）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、左右の回転軸２を所定距離だけ離間させて略平行に配置し、被洗浄体１０（被洗浄面１１）を回転軸２と略平行に配置した状態で左右のロール体３（第１のロール体３Ａの突起５Ａと第２のロール体３Ｂの突起５Ｂ）の間に被洗浄体１０を挟み、被洗浄面１１（第１の被洗浄面１１Ａと第２の被洗浄面１１Ｂ）に洗浄液を供給し、左右の回転軸２を相反する方向へ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を中心に被洗浄体１０（被洗浄面１１）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。回転する第１の被洗浄面１１Ａに第１のロール体３Ａの突起５Ａが回転接触することにより、第１の被洗浄面１１Ａがスクラブ洗浄され、回転する第２の被洗浄面１１Ｂに第２のロール体３Ｂの突起５Ｂが回転接触することにより、第２の被洗浄面１１Ｂがスクラブ洗浄される。

なお、１対のブラシローラ１の配置は、上述のような起立した左右の配置に限定されるものではなく、例えば、１対のブラシローラ１を上下に配置したり、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、ブラシローラ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、１対のブラシローラ１及びその回転軸２を略水平方向に配置した場合には、被洗浄体１０の回転軸６を略鉛直方向に設定すればよい。また、第１及び第２の回転軸２Ａ、２Ｂは、同期するように回転させてもよく、独立に（非同期で）回転させてもよい。

ブラシローラ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６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、反応後のブラシローラ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。

２つのブラシローラ１Ａ，１Ｂは、ほぼ同じ形状を有している。すなわち、第１のロール体３Ａと第２のロール体３Ｂとは略同一形状であり、第１の突起５Ａと第２の突起５Ｂとは略同一の円柱形状である。また、複数の第１の突起５Ａと複数の第２の突起５Ｂとは、共通のパターンに従ってロール体３Ａ、３Ｂの外周面１２にそれぞれ配置されている。

スクラブ洗浄中において、第１及び第２の突起５Ａ，５Ｂは、第１及び第２の被洗浄面１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ当接して回転方向７の後方へ弾性変形する。このとき、第１の突起５Ａは第１の被洗浄面１１Ａを押圧し、第２の突起５Ｂは第２の被洗浄面１１Ｂを押圧する。デバイスの高精細化が進む中で、被洗浄物に対し接触するメカニズムであるスクラブ洗浄に対し、洗浄性能の向上と共に、デバイスウェハ（被洗浄体１０）に与えるダメージの低減が求められている。

本発明では、ロール体３の外周面１２からの突起５の突出方向を、基端部５ｂに対して頂部５ａがロール体３の回転方向７の後側にオフセットするように回転軸２の中心（軸心）１７を通る基準直線１３に対して傾斜させている。突起５の突出方向とは、基端部５ｂの中央に位置する基端側基準点１５と頂部５ａの中央に位置する先端側基準点１６とを結ぶ傾斜直線１４の方向であり、基端側基準点１５と回転軸２の中心１７とを結ぶ基準直線１３に対して傾斜直線１４が傾斜する。本実施形態の突起５は円柱形状であるため、基端側基準点１５は突起５の円形断面の中心であり、先端側基準点１６は円形の頂面５ａの中心である。

突起５の突出方向は、基準直線１３に対して５度〜６０度の範囲で傾斜することが好適である。すなわち、基準直線１３と傾斜直線１４との間の角度θは、５度以上６０度以下が好適である。

突起５の強度や耐久性を確保するため、基準直線１３に沿った突起の高さＨは、ロール体３の回転方向７に沿った基端部５ｂの幅Ｄの２倍以下であることが好適である。

被洗浄面１１に対する所望の洗浄効果を確保するため、ロール本体３の外周面１２の回転方向の同一円周上（同一の突起配置列上）に配置される突起５の数は、４個以上４０個以下が好適であり、ロール本体３の外周面１２の軸方向（回転軸２の軸心方向）に沿った同一直線上に配置される突起５の数は、２個以上６０個以下が好適である。また、突起５の頂部の面積は、１πcm^２以下が好適である。

ＰＶＡｔ系多孔質素材から成るブラシローラ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、及び気孔形成剤として澱粉等を加え、これらの混合液を、図６及び図７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剤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４５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。

また、適正含水状態におけるブラシローラ１の有する３０％圧縮応力（物性値）は、４ｋＰａ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。

ブラシローラ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。

さらに、ＰＶＡｔ系多孔質素材としては、見掛け密度が０．０６ｇ／ｃｍ^３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、基端部５ｂに対して頂部５ａがロール体３の回転方向７の後側にオフセットするようにロール体３の外周面１２からの突起５の突出方向が回転軸２の中心１７を通る基準直線１３に対して傾斜している。このため、突起５の突出方向が基準直線１３に沿っている（基準直線１３と一致している）場合に比べて、突起５が被洗浄面１１に回転接触する際に被洗浄体１０が受けるダメージが低減する。従って、被洗浄体１０を表裏両側から同時にスクラブ洗浄する洗浄工程において、被洗浄体１０に与えるダメージを低減させることができる。

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。

例えば、突起５の形状や基本パターンは上記に限定されず任意である。また、２つのブラシローラ１Ａ，１Ｂに異なるパターンで突起５を配置してもよく、第１の突起５Ａと第２の突起５Ｂとを異なる形状や大きさに設定してもよい。また、第１のロール体２Ａと第２のロール体２Ｂとを異なる大きさに設定してもよい。

また、上記実施形態では、１対のブラシローラ１Ａ，１Ｂによって被洗浄体の表裏の被洗浄面１１Ａ，１１Ｂをスクラブ洗浄する場合について説明したが、１つのブラシローラ１によって被洗浄体１０の１つの被洗浄面１１をスクラブ洗浄する場合であっても、被洗浄体１０が受けるダメージを低減することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…ブラシローラ、２，２Ａ，２Ｂ…回転軸、３，３Ａ，３Ｂ…ロール体、５，５Ａ，５Ｂ…突起、５ａ…基端部、５ｂ…頂部、１０…被洗浄体、１１，１１Ａ，１１Ｂ…被洗浄面、１２…外周面、１３…基準直線、１４…傾斜直線、１５…基端側基準点、１６…先端側基準点、１７…回転軸の中心

Claims (2)

1. 湿潤状態で弾性を有する多孔質素材によって構成され、略円筒形状のロール体と複数の突起とを有し、前記突起は、前記ロール体の外周面上の基端部から頂部に向かって一体的に突出し、前記ロール体は、該ロール体の内径部に回転軸を挿通した状態で該回転軸に固定的に支持され、前記回転軸を中心として前記ロール体を回転させ、前記突起を薄肉平板状の被洗浄体の被洗浄面に回転接触させて該被洗浄面を洗浄するブラシローラであって、
   前記突起の前記頂部は、前記基端部から離れた側に位置し、前記突起の外壁に囲まれた面であり、
   前記ロール体の外周面からの前記複数の突起の各々の前記基端部における突出方向は、前記基端部の中央に位置する基端側基準点と前記頂部の中央に位置する先端側基準点とを結ぶ直線の方向であり、前記基端部に対して前記頂部が前記ロール体の回転方向後側にオフセットするように前記回転軸の中心と前記基端側基準点とを結ぶ基準直線に対して傾斜する
   ことを特徴とするブラシローラ。
2. 請求項１に記載のブラシローラであって、
   前記突起の前記突出方向は、前記基準直線に対して５度〜６０度の範囲で傾斜する
   ことを特徴とするブラシローラ。

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