KR100254653B1 - 대상물을 처리하는 방법 - Google Patents

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KR100254653B1
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알란 이 월터
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월터 알란 이.
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Abstract

본 발명은 계면활성제 세척 및 음파 캐비테이션을 한뒤 유기 용매 또는 증기로 건조시킴으로써 복잡한 구조를 갖는 부품을 세척하는 방법에 관한 것이다. 본 방법을 수행하기 위해서는 세척할 대상물을 보유할 밀폐 용기(12), 밀폐 용기내에 대상물을 고정하기 위한 수단(14), 처리 유체가 밀폐 용기를 통과하도록 하는 적어도 하나의 포트(22) 및 밀폐 용기에 인접한 음파 발생기(16)을 포함하는 장치가 사용된다. 바람직한 실시 태양에서는 뜨거운 유기 증기를 챔버에 주입시키기 위한 포트(76) 또는 밸브(78) 및 용기를 초고압으로 유지하게 하는 수단을 장치속에 포함하고 있다.

Description

[발명의 명칭]
대상물을 처리하는 방법
[발명의 배경]
우주선 부품, 베어링 및 전자 장치와 같은 민감한 부품을 클리닝하는 데는 다양한 방법들이 사용된다. 전기 또는 전자 부품은 사용 시에, 예컨대 연기, 먼지 기타 공기 중에 포함된 오염물에 의하거나 오일 또는 윤활제에 의해 오염될 수 있다. 이 중에서 오일은 표면 장력이 낮고 점도가 높기 때문에 수많은 다른 오염물들에 비해 제거하기가 어려우며 많은 용매 및/또는 세정제를 사용하여서도 마찬가지로 제거하기가 어렵다.
오염물, 특히 오일성 오염물의 제거제로서 효과적으로 입증된 재료로는 각종의 알코올, 플루오르화 알코올 및 기타 할로겐화 화합물이 있는데, 이 중에서 예를들면, 염소화탄화수소 및 프레온TM같은 클로로플루오로탄소류(CFC)가 널리 사용되고 있다. 농축 부식산 또는 농축 부식 염기 또한 세정제로 사용되어 왔다. 하지만 이같은 약품들은 대개 비싸고, 취급상 위험성이 있으며, 환경 문제 및 처리 문제를 일으킨다.
음파 클리닝(sonic cleaning)은, 예컨대 의료용, 치과용, 수술용 공정 또는 식품 가공에 사용되는 정화 기구 및/또는 소독 기구에 사용되어 왔다. 이 방법은 일반적으로 수조안에 상기 기구들을 넣은 뒤, 그것을 초음파 에너지로 처리하는 것이다. 초음파 에너지 처리는 액체 중에 부유하는 미생물을 살상하는 것으로 오래전부터 알려져 왔다(미국 특허 제4,211,744호(1980)에 기술됨) 또한, 이 에너지 처리법은 콘텍트렌즈의 세척 및 소독(할렉의 미국 특허 제4,382,824호(1983)), 수술용 기구의 세척 및 소독(영 등의 미국 특허 제4,193,818호(1980)), 및 심지어는 의사의 손같은 인체의 세척 및 소독(피시맨의 미국 특허 제3,481,687호(1969))에도 사용되고 있다.
부품들은 유체로 가공 처리한 후에는 이를 건조시키는 것이 일반적이다. 그러나, 건조하기 위해 헹굼액을 증발시키면 반점이 발생하거나 줄무늬가 생기는 일이 흔히 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 초고순도의 물을 증발시키더라도 일부 부품의 표면 위에서 건조시켰을 때는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 물은 반도체 표면상의 실리콘 및 이산화규소를 미량 용해시킬 수 있어, 그 후 증발 시 웨이퍼 표면상에 용질물의 잔여물을 남긴다.
이러한 물의 증발 현상 없이 대상물을 건조시키는 데 스핀-헹굼기-건조기로 알려진 장치가 유용하게 사용된다. 이 장치는 대상물 표면에서 물을 "떼어내기" 위해 원심력을 사용한다. 그러나, 대상물에 가해지는 기계적인 응력으로 인해, 특히 큰 물건 또는 깨지기 쉬운 물건인 경우에는 파손의 우려가 있다. 또한, 스핀-헹굼기-건조기의 기계적 복잡성으로 인해 발생하는 오염물을 제어해야 되는 문제가 있다. 대상물을 종래대로 건조 질소에 고속으로 통과시키면, 대상물의 표면에 정전기가 발생할 수 있다. 이후, 건조기를 열면 반대 전하를 띤 공기 중의 입자들이 빠르게 대상물 표면으로 끌려가서 결과적으로 미립자들에 의한 오염물이 생성된다. 또한, 전술한 단점외에도 스핀 사이클 진행 시 대상물 표면으로부터 물의 증발을 막는 것이 어렵다.
최근, 민감한 대상물을 증기 건조 또는 화학적 건조하는 방법 및 장치가 개발되었다. 일반적으로, 화학적 건조법은 두단계로 이루어진다. 먼저, 헹굼 유체를 제거한 후 비수성 건조용 유체로 교체하는 단계와, 그 후 그 비수성 건조용 유체를 미리 건조시킨 기체, 예컨대 질소를 사용하여 증발하는 단계가 있다. 이소프로판올을 사용하여 반도체 웨이퍼를 화학적으로 건조시키는 방법은 미국 특허 제4,778,532호 및 제4,911,761호에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 민감한 부품, 특히 복잡한 형상의 부품을 탈지(degrease), 세척 및 건조시키는 데 사용할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
[발명의 요약]
본 발명은 밀폐 용기 내에 대상물을 넣고, 그 용기에 세정 및/또는 헹굼 유체를 통과시킨 뒤, 그 표면에 잔여물을 침착시키지 않는 조건하에서 그 대상물을 건조시키므로써 대상물의 표면을 세척하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 세정 및 헹굼 유체는 제거하고자 하는 오염물 유형에 따라 선택되는 것으로서, 수성 및 비수성 유체를 포함할 수 있다. 바람직한 실시 태양에서는, 용기 내에 존재하는 1종 이상의 유체에 음파 에너지를 적용한다.
본 발명은 디스크상의 정보를 판독 및/또는 기록하는 컴퓨터 시스템에 사용되는 판독 헤드와 같은 복잡하고 민감한 전자 부품의 세척에 특히 유용하다. 이 방법은 하드 디스크, 항공 우주선의 부품(예, 자이로스코프, 볼 베어링), 의료용 기기 및 기타 정밀 부품의 세척에 유용하게 사용된다. 또한, 본 발명은 인쇄 배선판을 디플럭스(deflux)하는 데도 사용할 수 있으며, 미소 부품을 탈지시키는 데 있어서, 특히 보편적으로 사용되어 온 프레온TM가공법을 대체하는 방법으로 사용할 수도 있다. 많은 계면과 부면을 갖는 부품, 즉 인벌류우트된(involuted) 부품은 본 발명의 방법을 통하여 철저히 세척되고 건조될 수 있다. 본 발명의 방법은 금속, 세라믹 또는 플라스틱 표면에도 사용할 수 있다.
본 발명의 장치는 세척하고자 하는 대상물을 봉입하기 위한 봉입물 및 액체가 그 봉입물을 통과하여 그 내부의 대상물 주위를 흐르게 하는 수단으로 이루어진다. 세정액 및 헹굼액은 용기의 하단에 위치한 포트를 통해 용기 내로 주입시키는 것이 좋다. 모든 표면을 철저히 세정하거나 헹구기 위해 액체를 교반하는 수단을 장치 내에 부가시킬 수도 있다. 초음파 에너지 또는 메가음파 에너지를 발생시킬 수 있는 음파 변환기를 이 목적으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 장치는, 큰 덩어리의 오염물을 제거하기 위해 액체를 분무하는 기능의 대상물 예비 세척용 분무 헤드를 임의로 구비할 수 있다. 이 장치는 용기의 상단에 위치한 제2포트일 수 있는 봉입물로부터 액체를 제거하는 수단 및 용기를 유기 건조용 용매 또는 유기증기로 충전시키므로써 대상물을 건조시키는 수단을 포함한다.
본 발명의 바람직한 한 실시 태양에서, 상기 장치는 비활성 기체 또는 공기를 주입하는 수단 및 용기를 통해 세정액 또는 헹굼액을 순환시키는 수단을 포함한다. 용기는 그 상단에 포트를 구비하는 것이 바람직한데, 이는 용기 내의 제1유체를 상단 포트 밖으로 배출할 수 있도록 하는 반면 제2 유체는 하단 포트를 통해 용기 내로 주입된다. 하단을 통해 유체를 아래쪽으로 교체시키기 위해 증기 또는 가스를 상부에 있는 유입구를 통해 주입한다. 이는 대상물을 공기 중에 노출시키지 않으면서 한 유체를 다른 유체로 직접 교환시킬 수 있게 된다. 상기 두개의 포트를 하나의 라인으로 연결시킬 수 있으며, 이로써 용기를 통해 유체를 순환시킬 수 있다. 상기 장치는 유체를 공기 중에 노출시키지 않고 용기에 세정액 또는 헹굼액을 공급하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 한 실시 태양에서는, 그러한 액체를 함유하는 저장 탱크를 하나의 라인으로 상기 용기와 연결시킨다. 그 저장 탱크에는 탱크를 가압하기 위한 수단, 예로 비활성 기체를 사용하여 가압하는 수단이 제공될 수 있다. 세정액 또는 헹굼액은 사용 후 탱크 내로 복귀한다. 또 다른 실시 태양에서, 상기 장치는 여과 수단, 증류 수단 또는 시스템 내에서 재사용하기 위해 상기 액체를 회수하는 수단을 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 방법은 다음 단계들로 이루어진다:
용기를 세척하고자 하는 대상물을 넣고 용기를 밀폐하는 단계,
대상물이 잠기도록 세정 유체를 용기에 채워서 대상물의 표면 전부를 상기 유체와 접촉시키는 단계,
바람직하게는, 음파 에너지 또는 기타 교반 수단을 사용하여 액체를 교반하는 단계,
세정 유체를 제거한 뒤 대상물이 잠기도록 용기 내에 헹굼 유체를 채우는 단계, 및
헹굼 유체를 제거한 뒤 대상물의 표면에 헹굼 유체 방울, 세정제 또는 오염물이 실질적으로 남지 않는 조건하에 유기 건조용 용매를 사용하여 대상물 표면으로부터 헹굼 유체를 제거하는 단계.
용기로부터 대상물을 분리하기 전에 질소와 같은 비활성 기체 및/또는 공기로 용기를 퍼즈(purge)할 수 있다.
상기 방법의 한 실시 태양에서는 수성 또는 반수성(semi-aqueous) 프로토콜을 사용하여 대상물을 세척한다. 이 실시 태양에서는, 우선 봉입물 내에 대상물을 고정시키는데, 대상물에 물을 분무하여 대상물을 미리 헹구는 단계를 임의로 수행할 수 있다. 그 후, 상기 봉입물에 헹굼을 채워 상기 기계적 처리 결과 생성된 표면 오염물 또는 큰 덩어리의 미립물질들을 제거한다. 이어서, 수성 프로토콜에서는 대상물을 물/계면활성제 혼합물을 포함하는 세척 용액에 담근다. 반수성 프로토콜에서는 세척액은 탄화수소 용매/계면활성제 혼합물인 것이 바람직하다. 바람직하거나 또는 필요한 경우에는 액체 매체를 통해 초음파 또는 메가음파 에너지를 적용할 수 있다. 마지막으로 교반을 통해, 인벌류우트되거나 손 닿기 어려운 부품 표면까지 철저하게 세척한다. 세정 유체 및 헹굼 유체가 대상물 주위를 이동하는 동안 부품들은 움직이지 않게 한다. 계면활성제를 제거하기 위해서 상기 부품을 물로 다시 헹군다. 바람직한 한 실시 태양에서는 최종 헹굼 과정 후에 용기 내로 물혼화성 유기 증기, 예컨대 알코올 또는 아세톤 증기를 주입하는 건조 단계를 실시한다. 유기 증기는 부품의 모든 표면으로부터 물을 떼어낸다. 그 뒤, 상기 알코올 건조된 부품을 지닌 용기를, 용기로부터 그 부품을 분리하기 전에 임의로 질소 및/또는 공기로 퍼즈할 수 있다. 이로써, 대상물 표면은 철저히 건조되며 잔여물을 함유하지 않게 된다.
본 발명 방법의 또 다른 실시 태양에서는, 비수성 프로토콜을 사용하여 대상물을 세척한다. 대상물을 봉입물 내에 고정시킨다. 이 때, 임의로 큰 덩어리의 미립물질을 제거하기 위해 물 또는 유기 용매로 미리 헹굴 수 있다. 그 후, 그 대상물을 유기 세척 용매, 바람직하게는 테르펜 도는 테르펜류의 혼합물 중에 담근다. 테르펜 용매는 임의로 계면활성제를 함유할 수 있다. 필요에 따라, 초음파 또는 메가음파 에너지를 적용한다. 이어서, 상기 세정 용매를 용기로부터 배출시키고, 용기에 헹굼 용매를 채워 잔류한 세정 용매를 용해시켜 그것을 대상물 표면으로부터 제거한다. 이 헹굼 단계 후에는 뜨거운 유기 증기로 건조 단계를 수행할 수 있다. 마지막으로, 대상물이 공기 중에 노출되기 전에 대상물을 철저히 건조시키도록 비활성 기체로 용기를 퍼즈한다.
전술한 방법 및 장치는 오염물을 가능한한 거의 실질적으로 제거하여야 하는 대상물의 울트라 클리닝에 특히 유용하게 사용된다. 용매, 세정제 및 헹굼제의 정확한 조절, 수압에 의한 전체적인 흐름, 초음파 또는 메가음파 에너지의 적용 및 건조용 용매 또는 증기에 의한 헹굼액 방울 및/또는 오염물 제거 공정을 조합하므로써 매우 철저히 세정하고 헹구어진 완전히 오염물이 없는 표면을 얻을 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 얻은 결과를 이하에서는 "울트라 클리닝"이라 칭한다.
본 발명의 장치 및 방법은 민감한 전자 부품, 즉 볼 베어링, 인쇄 배선판, 의료 기기, 컴퓨터용 하드디스크 및 정밀 부품들을 세척하는 데 바람직한 특징들을 갖추고 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 많은 소형 부품을 함유하는 표면, 즉 인벌류우트된 표면 또는 고도로 복잡한 형상을 갖는 대상물 표면을 철저히 세척 및/또는 정화하는 데 사용할 수 있다. 상기 반응 용기는 전체적으로 밀폐되어 있으므로 작업자가 침식성 세척 용매 또는 냄새가 강한 용매(예, 테르펜)와 접촉하는 것을 막아준다. 테르펜은 그것이 천연 물질이고, 미생물 분해되며 대부분의 오염물을 용해시키는 우수한 용매라는 점에서 특히 유리하게 사용된다. 테르펜은 종래 비싸고 환경에 해로운 물질인 프레온의 사용을 요하는 대상물의 세척에 사용될 수 있다. 이 시스템은 완전히 밀폐되어 있기 때문에 대부분의 테르펜과 관련된 냄새의 문제가 일어나지 않는다.
처리하고자 하는 대상물을 용기 내에 고정시키면 깨지기 쉽거나 민감한 제품들이 움직이지 않고 세척될 수 있다. 반복하여 재사용하기 위해 비수성 용매를 재순환시킬 수도 있다. 상기 장치 및 방법은 세척 수단과 건조 수단을 연합시키므로써 설비 가격을 줄이고 제품 이동 및 화학 약품의 노출을 최소화한다. 이 방법은 급속 침식 및/또는 얼룩을 일으킬 수 있는 유해한 기체-액체 계면을 없애며 세척된 제품을 외부의 오염원으로부터 보호한다. 이 방법은 자동화된 화학 조작 및 포괄적인 컴퓨터 통합 과정에 맞게 개조 사용할 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명 자체 뿐아니라 전술한 본 발명의 개요, 목적 및 다양한 특징들은 첨부된 도면과 함께 다음의 설명을 통해 더욱 잘 이해될 것이다.
제1도는 수성 방법에 대한 본 발명 장치의 한 실시 태양을 예시하는 개략적인 단면도이다.
제2도는 용기 내에 유체 제거용 배수 밸브를 포함하는, 수성 방법에 대한 본 발명 장치의 한 실시 태양을 예시하는 개략적인 단면도이다.
제3도는 화학 약품 저장 탱크와 도관, 밸브 및 유용한 용매의 재사용과 관련된 수단을 포함하는 비수성 방법에 대한 본 발명 장치의 한 실시 태양을 예시하는 개략적 다이아그램이다.
제4도는 용기에 유기 건조 증기를 공급하는 장치를 예시하는 개략적 다이아그램이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 특히 복잡한 형상을 갖는 대상물의 울트라 클리닝에 관한 것이다. 본 발명의 장치 및 방법은, 특히 인벌류우트된 미세 부분의 울트라 클리닝에 관하여 기술하였으나, 그 일반적인 원리는 다른 대상물을 세척하는 데에도 적용된다.
수성 프로토콜을 사용하여 본 발명의 울트라클리닝 방법을 수행하는 적합한 장치를 제1도에 개략적으로 도시하였다. 용기(12)에는 수성 세정 유체, 헹굼 유체, 물혼화성 유기 기체 및 건조 증기로 처리하기 위한 대상물(들)이 들어 있다. 용기(12)는 세척하고자 하는 대상물을 고정하거나 보유하기 위한 보유 수단(14), 예를 들면 배스킷, 랙, 트레이 또는 기타 디바이스를 내부에 포함하고 있다. 보유 수단(14)의 구조는 세척하고자 하는 대상물(들)의 크기, 유형 및 형상에 부분적으로 좌우된다. 밀폐 가능한 해치 도어(28)를 통해 용기(12) 내부로 접근할 수 있다. 용기(12)는 세정 유체 및 헹굼 유체 배수가 용이하도록 경사벽들로 이루어진 좁아진 하단을 갖는다. 용기(12)에는 대상물을 처리하기 위해 용기(12) 내로 유입되고 용기 밖으로 배출될 수 있는 헹굼수 및/또는 세정수의 조절용 밸브(70) 및 (72)가 구비되어 있다.
물은 밸브(70)를 거쳐 라인(84), (82), 그리고 용기(12)를 처리 유체로 채우기 위한 유입구/배출구(22)를 통하여 주입된다. 이 유체는 용기(12)를 지나 위쪽으로 흐른다. 또한, 물에 계면활성제를 첨가하기 위한 유입구(74)가 제공된다. 용기(12)를 채운 뒤, 물 공급 조절용 밸브(70)를 닫는다. 바람직한 한 실시 태양에서는, 용기(12)는 처리 유체 중에 초음파 또는 메가음파 공동현상(空洞現像)을 일으키기 위해 용기(12)의 측면에 장착되는 하나 이상의 음파 변환기(16)를 갖추고 있다.
용기(12)는 임의로 그 측면에 장착되는 분무 헤드(26)를 구비한다. 이 분무 헤드는 용기 내 대상물 표면에 물 또는 기타 유체를 분무함으로써 대상물을 미리 헹구어 큰 덩어리의 이물질 및 오염물을 제거한다. 상기 예비 헹굼 유체는 개방 밸브(30)에 의해 도관(86)을 거쳐 분무 헤드(26)로 주입된다.
본 발명의 방법에 사용되는 세정 유체 및 헹굼 유체들은 포트(24) 및 유입구/배출구(22)를 통해 배수시킴으로써 용기로부터 제거될 수 있다. 사용된 액체가 라인(82)를 통해 제거 처리될 수 있도록 밸브(72)를 개방한다. 대안적으로, 유입구/배출구(22), 포트(24) 및 개방 포트(32)를 거치도록 제2 유체를 주입함으로써 용기(12) 내 제1 유체를 교체시킬 수 있는데, 이로써 제1 유체는 포트(32) 및 라인(24)을 통해 용기의 상단으로 이동한다. 이 방법에 따르면, 용기 내부의 대상물을 공기에 노출시키지 않고 유체를 다른 유체로 직접 교체할 수 있다. 라인(34)는 유체 배수구 또는 유체 보유 탱크에 연결될 수 있다.
상기 방법의 다른 실시 태양에서는, 라인(84)와 (34)를 연결시켜서 얻은 루우프를 통해 유체를 순환시킬 수 있다. 이러한 점에서, 제1도에 도시된 바와 같이 라인(34,84)는 라인(86)에 의해 연결된다. 밸브(88) 및 (90)을 개방하면, 용기(12)와 라인(34), (86), (84) 및 (82)로 이루어진 완전한 루우프가 형성된다. 이 실시 태양은 조절된 유속 및 온도 조건하의 유체를 공급하기 위해 상기 처리 유체를 순환시킬 수 있는 폐쇄 유체 루우프를 제공함과 동시에 루우프 내 유체들을 효과적이고 완전하게 교체함으로써 처리 유체를 정화한다. 복수의 상이한 유체들을 혼합하여, 필요한 밸브 및 도관외에 어떤 다른 기계적 부품에 의해서도 오염되지 않거나 그것을 오염시키지 않으면서 유체를 효과적으로 보존하는 루우프에 전달된다.
본 발명 장치의 또 다른 실시 태양은 제2도에 도시하였다. 이 실시 태양에서는 세정 및 헹굼 유체를 제거하기 위해 용기(12)에 한개 이상의 배수구(36)가 제공된다. 따라서, 세척할 대상물을 전술한 대로 용기(12)에 넣고, 라인(82) 및 밸브(70)를 통해 용기에 수성의 세정 유체 또는 헹굼 유체를 충전시키며, 개방 밸브(38)를 개방하여 배수구(36)을 통해 이들 유체를 배출한다.
제3도에서는 유기 용매 사용에 적합한 용기를 도시하였다. 제3도에 도시된 바와 같이, 세정, 헹굼 또는 건조용 용매를 저장하기 위한 1개 이상의 저장 탱크(58) 및 (60)가 라인(66)과 (64)에 의해 용기(12)에 연결된다. 각각의 저장 탱크는 질소 공급선(44 및 54) 및 그 배출선(46 및 56)을 구비하는 것이 바람직하다. 조작 시, 내용물에 가압하기 위해 탱크(58 또는 60)에 질소를 주입하고, 탱크 내 용매를 라인(62)를 통해 용기(12) 내로 유입시키기 위해 밸브(40) 또는 (42)를 개방한다. 일회의 세정 사이클 또는 헹굼 사이클을 수행한 후에는, 라인(62)를 통해 용매가 배수되어 재사용 또는 재순환을 위해 탱크로 돌아간다. 상기 장치는 용기 내 용매량을 표시하는 게이지(68)를 포함할 수도 있다.
상기 장치는 액체 또는 증기 형태인 건조용 용매를 사용하여 대상물을 건조시키는 수단을 포함한다. 바람직한 한 실시 태양에서 건조용 용매는 고온 유기 증기이다. 이를 위해, 제1도, 제2도 및 제3도에 도시된 각각의 장치들에는 고온 유기 건조 증기가 용기(12) 내로 주입되는 유입구가 존재한다. 제1도, 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같이 유기 건조 증기는 밸브(78) 및 (76)을 통해 용기(12)에 주입된다. 유기 증기는 유기 용매를 증발시키는 디바이스로부터 상기 용기에 공급된다. 건조 증기를 사용하는 장치 및 방법은 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,911,761호에 기재되어 있다. 본 발명 시스템에 사용하기 위한 적당한 디바이스(120)가 제4도에 도시되어 있다.
제4도에서, 디바이스(120)는 유기 건조 증기를 생성시키는 보일러(124)를 포함한다. 보일러(124)는 유입구(126) 및 배출구(128)를 구비하여, 건조용 유체를 그것의 끓는점 이상으로 빨리 가열하기 위해 가열 밴드(130) 또는 다른 적당한 열전달 디바이스를 구비한다. 압력 표시기(132)는 가열 범위를 제어하기 위한 정보를 제공하며 온도 표시기(134)는 배출구(128)를 통과한 유체의 온도를 모니터한다. 보일러(124)는 열전달이 지속적으로 수행될 수 있도록 항상 건조용 유체를 충분히 채우고 있어야 한다. 이를 위해, 액체 수위 탐지기(135) 및 스위치가 제공될 수 있다. 안전 릴리이프 밸브(136)를 보일러(124)의 상단에 장치한다. 밸브(138)은 수송 라인(122)으로의 접근을 제어한다. 또한, 바람직하게는 여과된 질소 가스 공급원을 라인(122)에 연결한다. 밸브(137)은 상기 기체가 라인(122)로 가는 것을 제어한다.
용기 내에서 미소 부품들을 건조시키기 위해, 밸브(78) 및 (76)을 통해 가압한 유기 증기를 용기(12)로 주입한다. 거품이 형성되지 않으며 내부 표면을 비롯한 어떤 표면 상에도 소적 또는 잔여 수분을 남기지 않고 미소 부품을 건조시키는 것이 바람직하다. 소적 및 잔여 수분에는 용질의 잔존 오염물이 포함될 수 있다. 포트(24) 및 유입구/배출구(22)를 통해 헹굼 유체를 하부로 배수시키면서 상기 증기를 용기의 상단에 주입하는 방식으로 고온 유기 증기의 흐름을 제공함으로써 남아 있는 모든 헹굼 용매를 제거한다. 유기 증기는 헹굼액과 혼화 가능한 것을 선택한다. 바람직한 한 실시 태양에서는 헹굼 유체가 하부로 배수됨에 따라 가열된 이소프로필 알코올(IPA) 또는 아세톤 증기가 용기(12) 내로 주입된다. 미소 부품의 표면에 남아 있는 소적은 이 유기 증기에 의해 제거된다. IPA 또는 아세톤 층의 증기는 대개 물 또는 테르펜 용매인 헹굼액과 결합하면 헹굼액 또는 유기 건조용 용매 보다 낮은 온도에서도 증발하는 공비층을 형성한다. 교체되는 매체의 온도는 중요하다. 그 온도는 약 55℃ 내지 약 60℃가 바람직하다. 만약 이 온도가 매우 높으면, 공비 층은 파괴될 수 있다. 유기 용매와 물이 혼화할 수 있는 것이라 하더라도 공비 층은 용매와 물간의 표면 장력 및 열적인 차이로 인해 구별될 것이다. 일단 헹굼액을 완전히 배수하고, 용기(12)의 건조 증기를 깨끗한 기체의 흐름, 바람직하게는 질소로 펴즈한다. 밸브(80) 및 (76)을 통해 질소를 용기(12) 내로 주입한다. 공비 잔여물을 상기 기체 흐름으로 제거한다. 이 같은 처리 후 얻어진 미소 부품들은 울트라 클리닝되었으며 인벌류우트된 모든 표면은 건조되었다.
이 시스템은 스프링 적재된 유니트들을 포함할 수 있어서, 여러개의 밸브 및 유니트의 제어 시스템에 작동되지 않을 때는 유니트 밖으로 처리 유체들을 배수시킬 것이므로 과도한 압력 누적 현상은 일어나지 않는다. 적당한 반응 경로들은, 예컨대 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,899,767호에 기술되어 있다.
일반적으로 상기 방법은 다음 경로에 의해 수행된다. 세척하고자 하는 대상물을 하나 이상의 포트(24)가 구비되어 있고, 내부에 하나의 챔버를 갖는 용기(12) 안에 넣는다. 용기의 챔버는 밀폐시키는 것이 바람직하다. 대상물 표면이 유체중에 잠길 때까지 대상물의 헹굼 및/또는 세정에 사용되는 유체들을 포트(24)를 통해 용기 내로 통과시킨다. 그 후, 초음파 또는 메가음파 에너지를 용기 내 유체 중 하나 이상에 적용할 수 있다. 공비층의 일체성을 유지하기 위해 헹굼액을 서서히 배수시킨다. 그 하강 속도는 공비층 표면 장력을 파괴하는 와동을 막고 소적을 남지 않게 하는 속도, 일반적으로 약 2 inch/분 이하가 바람직하다. 이 배수 단계는 약 1 psig 내지 약 2 psig의 정압에서 수행하는 것이 바람직하다.
수성 세척 프로토콜이 사용되는 경우, 처리 유체는 일반적으로 헹굼액으로는 고온 및/또는 저온의 물을, 세척액으로는 물/계면활성제 혼합물을 사용한다. 수성세척은 염 및 이온성 오염물을 제거하는 데 바람직한 방법이다. 반수성(semi-aqueous) 세척 프로토콜에서는 세척 용매로 1종 이상의 계면활성제를 함유하는 탄화수소 용매를 사용한다. 유용한 용매로는, 예컨대 물혼화성 알코올 및 테르펜이 있다. 반수성 세척법은 이온 및 유기 오염물 모두를 제거하는 데 사용할 수 있다. 상기 두가지 프로토콜은 모두 물을 사용하여 오염물을 헹군다. 수성 및 반수성 프로토콜의 세척 단계에 유용하게 사용되는 계면활성제로는 음이온계, 비이온계 또는 양이온계 계면활성제의 대다수 유형이 포함된다.
비수성(non-aqueous) 프로토콜을 사용하는 경우, 헹굼 및 세정 단계에서 유기 용매를 사용한다. 이를 위해서는 아세톤, 알코올 및 트리클로로에탄과 같은 각종 탄화수소 용매를 사용할 수 있다. 특히 민감한 전자 미소 부품들의 세척에 유용하게 사용되는 유기 용매의 예로는 테르펜 용매들이 있다. 테르펜은 많은 식물의 필수 지방속에서 천연으로 발견되는 유기 물질이다.
테르펜은 규칙적인 수미식(head-to-tail configuration) 구조로 결합된 이소프렌유니트로 이루어진 탄소 골격을 갖는다. 테르펜 화합물류의 예로는 시트로넬롤, γ-테르피넨, 이소보르네올, 캄펜 및 스쿠알렌이 있다. 테르펜류는 단일고리형(예, 디펜텐), 이중고리형(예, 피넨) 또는 반고리형(예, 미르센)일 수 있다. 특히, 유용하게 사용되는 테르펜은 페트로펌TM(PetrofermTM) (미국 플로리다주에 소재한 페르나디나 비치 인코포레이티드 제품)으로 시판하는 것을 들 수 있다. 테르펜 용매류는 미생물 분해가 가능하고 비독성이나, 많은 것들이 자극성 냄새가 있어서 대부분의 시스템에서 그 유용성이 제한된다. 그러나 본 발명의 시스템은 완전히 밀폐되어 있으므로 테르펜과 같은 방향성 용매를 사용할 수 있다. 다른 유용한 용매의 예로는 N-메틸 피롤리돈과 같은 지방족 아미드와 아민의 혼합물인 포토레지스트 스트리퍼(stripper)를 들 수 있다. 유용한 포토레지스트 스트리퍼로는 어드밴드스드 케미칼 테크놀로지(미국 펜실베니아주 베들레헴 소재)에 의해 제조된 것들이 있다. 이 용매들은 인체에 해로우므로 노출이 제한되어야 한다. 본 발명의 시스템은 전체적으로 밀폐되어 있으므로 이들 용매를 안전하게 사용할 수 있다.
테르펜 용매들은 밸브(40) 또는 (42) 및 포트(24)(제3도)를 통해 용기 하부에 주입되는 것이 바람직하며, 재순환 또는 재사용을 위해 용기의 하부를 통해 포트(24)를 거쳐 저장 탱크(58) 또는 (60)으로 배수된다. 예컨대, 오염물을 제거하기 위해 테르펜을 여과 또는 증류할 수 있으며 그후 재사용한다.
대상물을 비수성 방법을 사용하여 세척한 후, 그 세척 용매와 혼화 가능한 유기 용매로 용기를 채우고 대상물을 함침시킴으로써 잔여물이 남지 않도록 동일한 용기 내에서 헹굼 및 건조를 수행할 수 있다. 이 유기 용매는 대상물, 심지어 인벌류우트된, 도달하기 어려운 표면에 남아 있는 모든 세정 용매를 제거한다. 유기 용매로 헹군 뒤에는 초고압하, 즉 1 기압 이상의 압력 하에서 용기에 고온 유기 증기를 가하는, 전술한 고온 유기 증기에 의한 건조법을 수행한다. 헹굼 및 건조를 목적으로 하는 유용한 유기 용매로는 식 R-O-R'로 표시되는 화합물을 들 수 있는데, 식 중 R 및 R'은 탄소 원자수가 약 2 내지 약 10인 유기 치환체를 이룬다. 이소프로필 알코올 및 아세톤이 특히 바람직하다. 비수성 프로토콜에서는 상기 두가지 유기 용매로 헹군 뒤, 유기 증기로 건조시키는 방법을 사용할 수 있다. 건조 단계 이후에는 질소 같은 비교적 비활성인 기체 및/또는 공기로 용기를 정화시킬 수 있다.
세정 또는 헹굼 단계에서 용매를 사용할 것인지 또는 물을 사용할 것인지는 세척하고자 하는 대상물의 유형 및 제거하고자 하는 오염물 유형에 의해 주로 결정된다. 예를 들면, 염 및 이온 오염물들은 수성 방법에 의해 가장 잘 제거된다. 이온 및 유기 오염물의 혼합물은 반수성 방법을 사용하여 제거될 수 있으며, 유기 오염물은 비수성 방법에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 추가로, 몇몇 플라스틱 부품들은 특정 용매에 의해 침식될 수 있으므로 수성 액체를 사용하여 세척하는 것이 가장 좋다. 그러나, 특정 금속 대상물에서는 물을 사용하는 것이 급격한 침식을 일으킬 수 있으므로 유기 액체를 사용하여 세척하는 것이 가장 좋다.
초음파 또는 메가음파 변환기(16)에 의해 초음파 또는 메가음파 에너지를 공급할 수 있다. 그 음파 변환기(16)는 용기의 외벽 옆에 위치하거나 외벽에 부착시킬 수 있으므로 음파 에너지를 용기 내부에 직접 적용시킬 수 있게 해준다. 음파 에너지는 용기 내 유체를 교반시킨다. 주파수가 약 20 Khz 내지 약 40 Khz 범위인 초음파 에너지를 사용한다. 주파수가 약 0.8 mhz 내지 약 1.5 mhz 범위인 메가음파 에너지를 이러한 목적에 사용한다. 본 발명에 유용한 음파 변환기의 예로는 프로소닉TM(ProsonicTM)으로 시판되는 Ney Corporation(미국 코네티컷주 블룸필드 소재)의 제품이 있다.
수성 프로토콜을 사용하는 본 발명 방법의 바람직한 한 실시 태양은 계면활성제 습식법에 의해 대상물을 세척하는 단계 및 음파 공동화처리 후 알코올 증기로 건조시키는 단계로 이루어진다.
일반적으로, 계면활성제 습식 단계와 음파 공동화 단계는 동시에 수행한다. 제1 단계는 유체들을 유입하고 배수시키기 위한 유입구/배출구(22 및 34)를 제외하고는 완전히 밀폐된 용기(12) 내에 세척하고자 하는 대상물(들)을 위치시키는 것으로 이루어진다. 이 장치는 용기 내 유체 흐름에 플러그 흐름(plug-flow)을 일으키도록 고안되는 것이 바람직하다. "플러그 흐름"이란 용어는 전진점을 가지고, 흐름 방향을 가로지르며, 두 액체를 혼합 시 그 계면에 생기는 일정한 농도 구배를 갖는 일반적으로 디스크 형태 용량의 액체로 정의되는 액체 흐름을 말한다. 플러그 흐름을 만드는 구조의 예는 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,633,893호에 상세히 기재되어 있다. 그 뒤 용기를 닫고 고온수로 대상물을 헹군다. 이 물에 계면활성제를 주입하여 계면활성제/물 혼합물을 형성하고 음파 변환기(16)에 의해 초음파 에너지를 용기(12)에 적용하여 계면활성제/물 혼합물의 공동화를 일으킨다. 이를 위해, 예컨대 초음파 변환기를 상기 용기에 직접 장착할 수 있다. 상기 용기 내 용액에 초음파 에너지를 적용하면 함침된 부품을 세척할 수 있도록 용액중에 공동화가 일어난다. 초음파 에너지는 함침된 제품을 철저히 세척하기에 충분한 시간, 예컨대 2분 내지 10분 동안 적용한다. 그 시간은 대상물 형태, 제거될 오염물 성질 및 오염 정도와 같은 몇가지 요소에 좌우된다. 이어서, 대상물을 찬물로 헹군 후 뜨거운 물로 헹구는 것이 바람직하다. 수압에 의해 대상물을 처리하는데 사용되는 유체를 하부로부터 용기에 충전시킴으로써 난류를 최소화하여 유체 맴돌이의 형성을 막음과 동시에 대상물을 에워싼다. 여기서 사용되는 "수압에 의한 충전"이란 표현은 기포 또는 상 계면 없이 액체로 채워지는 것을 의미한다. 수압에 의한 충전을 수행하는 적당한 반응 메카니즘은 본 명세서에서 참고로 인용한 미국 특허 제4,795,497호에 기재되어 있다.
그 후, 건조 단계를 수행한다. 이 공정의 제1 단계에서는 라인(122) 및 밸브(78) 및 (76)을 통해 용기의 상부에 이소프로필(IPA) 알코올 증기를 유입한다. 마지막으로 헹군 뜨거운 물이 제거되면서 증기가 용기를 채우게 된다. 이로써 용기 상부에서부터 뜨거운 물이 교체된다. 외부로 드러나지 않는 인벌류우트된 표면을 갖는 부품의 표면으로부터 실질적으로 모든 미량의 물을 제거하기 위해 이같은 알코올 증기 건조 단계를 수행한다. 이 단계에서는, IPA 증기가 용기를 충전시킴에 따라, 뜨거운 헹굼물이 배수된다. 따라서, 수위가 낮아지면서 물 속에 있던 대상물이 따뜻한 건조 IPA 증기 쪽으로 나온다. IPA 층의 하강 속도는 2 inch/분 이하가 바람직하다. 이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니나, 물/IPA 액체 계면에서의 표면 장력에 의해 입자들이 용기의 아래 및 용기 밖으로 밀려나간다고 생각된다. IPA 증기는 IPA 부유층을 형성하면서 후진하는 냉각기 액체 상에서 응축한다. IPA는 물과 혼화할 수 있으나, 표면 장력차 및 밀도차로 인해 별개층으로 유지된다. IPA/물 계면이 아래로 내려가면서, 강한 표면 장력에 의해 모든 소량의 헹굼액 및 입자들이 떨어진다. 그 후, 질소와 같은 비활성 기체를 밸브(80) 및 (76)을 통해 주입함으로써 용기의 알코올 증기를 퍼즈시킬 수 있다.
필요한 경우, 잔존하는 미량의 IPA도 퍼즈시키기 위해 밸브(80) 및 (76)을 통해 압축 공기를 용기 내에 주입할 수 있다. 이 공정은 습윤한 표면이 공기와 접촉할 때 야기될 수 있는 금속 부품의 급속한 산화에 의한 문제를 방지한다.
본 발명 방법의 또 다른 실시 태양은 반수성 프로토콜을 사용하는 것이다. 이 실시 태양에서는 세척하고자 하는 미소 부품을 용기(12)에 넣고 그 용기를 밀봉한다. 임의로, 미소 부품을 분무 헤드(26)를 통해 물로 미리 헹굴 수 있다. 그후, 대상물이 완전히 잠기도록 라인(82)을 따라 용기에 용매를 채운다. 용매는 계면활성제를 포함할 수 있으며 또한 물혼화성 용매일 수도 있다. 그 용기에 음파 에너지를 적용한다. 만약 제1도에 도시한 용기가 사용되는 경우, 라인(82) 및 밸브(72)를 통해 용기로부터 용매를 배수시키고, 제2도에 도시한 용기가 사용되는 경우는, 배수구(36) 및 밸브(38)을 통해 용매를 배수시킨다. 대상물을 고온수로 헹군다. 그 후, 전술한 바와 같이 IPA 증기를 용기에 주입하여 뜨거운 헹굼물을 직접 교체시킨다. 질소와 압축 공기의 순으로 상기 용기로부터 IPA 증기를 퍼즈한다.
비수성 프로토콜을 사용하는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 태양은 테르펜 또는 테르펜류의 혼합물로 대상물을 세척하는 단계, 및 음파 공동화처리 후에 혼화성 유기 헹굼액, 바람직하게는 IPA 또는 아세톤으로 테르펜 용매를 제거하는 단계로 이루어진다.
제1 단계는 수성 가공법에서 전술한 바와 같이 용기(12) 내에 대상물을 위치시키는 단계이다. 임의로, 커다란 더러운 입자 및 오일을 제거하기 위해 부품 상에 물 또는 유기 기체 또는 액체를 분무함으로써 대상물을 예비 세척할 수 있다. 테르펜 또는 테르펜류의 혼합물을 밸브(40) 및 포트(24)(제3도)를 통해 용기(12)내에 주입하여 대상물이 상기 용매에 잠기도록 한다. 테르펜 용매는 계면활성제를 포함할 수 있다. 용기 내 액체에 메가음파 또는 초음파 에너지를 적용한다. 일단 세척 단계가 끝나면, 포트(24) 및 밸브(40)를 통해 테르펜 용매를 저장기(58)로 다시 배수시킨다. 임의의 헹굼 단계를 수행할 수도 있다. 밸브(42)를 통해 유입되는 액체인 헹굼 용매를 용기에 채운다. 용매는 테르펜과 혼화할 수 있고 테르펜을 용해시킬 수 있어서 대상물 표면에서 잔여 테르펜을 제거할 수 있는 것으로 선택한다. 물은 몇몇 물혼화성 테르펜을 헹구는 데 사용할 수 있다. 그러나, 이런 목적으로는 IPA 및 아세톤을 비롯한 용매가 바람직하다. 그 후, 포트(24)를 통해 용기로부터 용매를 배수·제거하는데, 재순환 및/또는 재사용을 위해서는 밸브(42)를 거쳐 저장기(60)로, 폐기를 위해서는 밸브(48)를 통해 배수시킨다. 테르펜 또는 헹굼 용매를 증기로 교체하기 위해 뜨거운 유기 증기, 바람직하게는 IPA를 밸브(78) 및 (76)을 통해 용기(12)의 상단에 주입한다. 그 후, 용기(12)를 질소 기체로 퍼즈하여 미량의 건조용 용매 또는 증기도 모두 제거한다. 임의로, 용기(12)를 압축 공기로 퍼즈한다. 이 같은 프로토콜을 따르면, 대상물은 울트라 클리닝되는데, 1 ㎛ 이하 크기의 미량의 오염물도 실질적으로 모두 제거된다.
본 발명의 방법에 사용된 용매는 반복적으로 재 사용할 수 있다. 테르펜은 일반적으로 수회 사용 후에도 세척력을 유지하므로 상기 미소 부품을 세척하는데 사용된 테르펜을 보유 탱크로 배수시킨 뒤 재 사용할 수 있다. 이 시스템 내에 여과 디바이스를 설치함으로써 테르펜을 여과할 수 있거나 또는, 예컨대 증류시킴으로써 테르펜을 시스템 밖으로 재 순환시킨 후, 다시 사용할 수 있다. IPA 또는 기타 헹굼용 또는 건조용 용매들 또한 여과하거나 재 순환시켜서 재 사용할 수 있다. 유기 용매를 여과, 증류 또는 재순환하는 수단은 당해 기술 분야에 공지되어 있다.
대상물의 세정 및/또는 헹굼 과정에 음파 에너지의 적용 과정을 포함시킴으로써 세척액이 직접 닿지 않고 또한 닿기 어려운 인벌류우트된 표면까지도 철저히 세척할 수 있도록 한다. 예를 들면, 컴퓨터 산업에서 사용되는 하드디스크는 그 하드 디스크 조립체 헤드가 약 0.5 ㎛ 이하의 간격으로 디스크 위에 "떠 있어야" 하기 때문에 오염물을 1 ㎛ 단위 이하의 수준으로 제거해야 한다. 디스크 상에 1 ㎛ 이하 크기의 입자들이 존재하면 그 조립체는 "파괴"될 수 있다. 본 발명의 방법은 실질적으로 모든 1 ㎛ 이하 크기의 오염물을 제거한다.
이 시스템의 세척 및 건조 효율을 시험하기 위해, 다양한 미소 부품을 시험하였다. 하드 디스크 헤드, 복잡한 모양의 정밀 부품, 미니어처 볼 베어링 및 나사를 비롯한 부품들을 시험하였다. 처리 후, 물 또는 기타 액체가 잔류하는가를 알아보기 위해 처리 전과 처리 후의 부품들을 정밀 천칭에 달았다. 액체가 남아있는 경우에는 그 부품의 순무게가 증가할 것이다. 본 발명의 장치 및 방법을 사용한 결과, 가장 복잡한 기계적 구조를 갖는 경우에도 모든 액체가 제거되어 졌다.
전체적인 세척 및 건조 단계를 수행하는 10 ℓ 들이 스테인레스 강 용기 챔버에 부품을 고정시켜 놓았다. 챔버 하부에 위치한 정지 나사선 스피너(spinner)를 통해 챔버 내에 유체를 계속하여 채웠다. 용기 챔버의 측벽에 장착된 초음파 변환기는 부품을 둘러싼 액체의 공동화를 일으켜서 오염물 제거를 촉진한다. 이 변환기는 최대 600 Watt의 동력으로 작동하며 J. M. Ney Company(미국 코네티컷주 블룸필드 소재)의 제품이다.
제1도에 도시한 바와 같이, 처리 유체는 용기(12) 챔버를 충전하면서 유입구/배출구(22)를 통해 하부에서부터 유입되고 배출구(32)를 통해 상부로 배출된다. 챔버는 세척하고자 하는 부품을 보유할 정도의 크기이면 충분하며, 하부로 유입되는 물과 화학약품은, 유체역학적으로 균일한 플러그를 이루면서 전술한 바와 같이 반복하여 세척하고자 하는 부품을 횡단함으로써 챔버를 채우도록 고안된다.
몇몇 세척 과정에서는 제1도에서 도시한 바와 같이, 균질화 및 교반을 위해 세척 약품을 폐쇄 루우프 시스템에 계속적으로 순환시킨다. 화학 약품의 주입은 제2도에서와 같이, 화학 약품의 가압된 상자에 질소 기체를 적용함으로써 수행된다. 유속이 약 1 gpm 내지 약 5 gpm인 뜨거운 물로 챔버를 헹군다. 비수성 세척 공정에서는 헹구는 데 물을 사용하지 않는다. 대신, 건조 용매를 사용한다.
세정 및 헹구기를 한 뒤, 앞에서 상술한 바와 같이 챔버 상단에 고온의 IPA 증기를 주입하면, 이곳에서 증기가 저온의 표면에서 응축함으로써 액체로 전환된다. 따라서 IPA 증기는 측정 가능한 액체 IPA 층을 형성한다. 그와 동시에 라인(82) 또는 (84)를 통해 챔버 하부 밖으로 남아 있는 유체를 서서히 배수시킨다. 챔버를 열기 전에 급격한 산화를 막기 위해 남아 있는 IPA 증기를 질소 기체로 퍼즈한다.
여러 시장에서 구입한 물품의 다양한 부품들을 본 프로토콜을 사용하여 세척하였다. 모든 부품들은 공장 또는 실험실에서 세척 및 시험된 실제 제품 부속들이다. 그 부품을 시험하고 오염물 제거 정도를 측정하여 세척 장비의 효율을 알아보았다.
대다수의 정밀 부품으로부터 제거되어야 하는 주오염물은 이온, 유기물 및 미립자이다. 염화 나트륨(NaCl)과 같은 이온체는 탈이온수로 제거하였으며 잔존한 이온성 물질은 이오노그래프를 사용하여 측정하므로써 NaCl의 총 당량수(㎍)를 파악하였다. 유기물은 용매 또는 경우에 따라서는 IPA에 의해 제거되는 불수용성 필름이었다. 이것을 기체 크로마토그래피 분석/질량 분광 분석(GC/MS)에 의해 측정하였다. 부품을 물로 헹구고 액체 입자 계수관(LPC)으로 용질을 측정함으로써 입자 제거 정도를 판단하였다. 건조율은 세척 전과 후에 분석 천칭으로 샘플의 무게를 달아봄으로써 측정하였다. 측정 전에 부품을 몇 분간 냉각시켰다. 다음에 예시되는 실시예들은 어떤 방법으로든 본 발명을 한정하지 않는다.
[실시예 1]
[디스크 드라이브]
디스크 드라이브 시장에서는 더 많은 정보를 더 적은 선폭으로 압축시키고자 하는 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 이는 1 ㎛ 이하 크기의 입자들은 방출할 수 있는 모든 부품의 세척 방법에 대한 요구를 증대시켰다. 부품들 중 많은 것들은 소형이며 다양한 물질로 제조된 인벌류우트된 복잡한 표면을 갖는다. 추가적인 문제는 세척을 많은 서브 부속들을 조립한 후 수행하여야 한다는 것이다. 다음은 디스크-드라이브 조립체를 이루는 몇몇 주 부속의 목록이다:
디스크 알루미늄 또는 세라믹 기판
텅스텐/코발트/니켈 및 인 층
덮개 에폭시 페인트칠한 알루미늄 주물
플렉스 케이블 아크릴계 접착제에 의한 캡튼(Captain;폴리아미드)
(Flex Cables)
작동 콤 알루미늄, 마그네슘 또는 플라스틱
(Actuator comb)
E 블럭 세라믹 헤드를 갖는 알루미늄 작동 조립체
각종 하드웨어 316 SS 나사 부품들
이들 부품을 세척하는 데 수성 프로토콜을 사용하였다. 사용된 계면활성제는 투르코 프로덕츠 인코포레이티드(미국 캘리포니아주 웨스트 민스터 소재)에서 제조한 Caviclean #2의 1% 수용액이다. 이 계면활성제를 선택한 이유는 세라믹 헤드에 유해한 영향을 미치는 염화물을 함유하지 않기 때문이다.
세척될 복잡한 구조를 갖는 세개의 부품으로 작동 조립체, E 블럭 조립체 및 범퍼 조립체를 선택하였다. 세척을 수행하기 전과 후에 분석용 천칭에 부품의 무게를 달았다.
다른 세척 시스템으로는 물방울을 남기지 않고 부품을 건조시키기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.
다음 방법을 사용하였다:
[디스크-드라이브 세척법]
45℃에서 용기에 물과 1% 계면활성제를 채움 1 분
대상물을 담그고 초음파 에너지를 적용함 4 분
50℃에서 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 5 분
IPA 건조 5 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 17 분
그 결과를 다음 표 1에 수록하였다.
[실시예 2]
다른 실시예로서, 와이어의 전기공학적 코일 및 잠금 장치를 적재한 스프링으로 이루어진 조립체를 전술한 방법을 사용하여 세척하였다. 또한, 종래 방법과 비교하기 위해 프레온TM증기 탈지제를 사용하여 상기 제품을 세척하였다.
[세척에 사용된 방법]
전기공학적 코일
60℃에서 탈이온수로 용기를 채움 2 분
1/2% 농도로 계면활성제를 주입함 2 분
챔버 내에서 약품을 순환시킴 1 분
초음파 에너지를 적용함 2 분
60℃의 고온 탈이온수로 10 Meg 까지 헹굼 10 분
IPA 건조 15 분
N2 퍼즈 3 분
합계 40 분
다음과 같은 결과를 얻었다.
5개의 샘플에 대해 상기 부품으로부터 헹구어 낸 입자들의 수를 액체 입자 계수기로 측정하였다:
프레온TM증기 탈지제 IPA 건조과정을 사용한 수성 세척
23.1 ㎍ 3.4 ㎍
각 방법에 의해 세척된 5개의 부품에 대한 평균 세척도를 이오노그래프(Ionograph) 500 M을 사용하여 측정하였다.
프레온TM증기 탈지제 IPA 건조 과정을 사용한 수성 세척
35,050개의 입자 〉5㎛ 13,217 개의 입자〈 5 ㎛
[실시예 3]
[스테인레스 강 나사]
본 실시예에서는 모든 크기의 밀접히 접촉되어 있는 "매립" 나사에 대한 세척능 및 건조능을 알아보기 위해 200개의 스테인레스 강 나사들을 배스킷에 넣었다. 다음 방법을 사용하여 부품을 세척하였다.
[스테인레스 강 나사 세척에 사용된 방법]
60℃에서 용기에 물과 0.5% 계면활성제를 채움 2 분
초음파 에너지를 적용함 2 분
60℃에서 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 5 분
IPA 건조 5 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 16 분
마찬가지로, 세척 조작 전과 후에 분석 천칭으로 부품의 무게를 달았다. 그 결과를 표 4에 수록하였다.
세척 후의 무게는 상당히 감소되었는데, 이것은 오염물의 상당수가 나사로부터 제거되었음을 입증하는 것이다.
[실시예 4]
[자이로스코프]
공학용 자이로스코프는 다양한 금속, 플라스틱, 에폭시 수지 및 절연 와이어로 제조된다. 세척할 부품들은 작고 복잡하므로 일반적으로는 프레온TM및 초음파 탈지제 중의 1-1-1 트리클로로에탄으로 세척된다. 본 실시예는 서브조립체의 세척 및 건조에 있어서 문제가 되는, 홈이 있는 구멍에 남아 있는 용액을 세척할 수 있는가를 시험하였다. 이 같은 조립체를 세척하고 액체 IPA 중에서 건조시킨 뒤, 증기상 IPA를 사용하였다. 세척 조작 전 후의 조립체 무게를 분석 천칭으로 달았다. 다음 방법을 사용하여 자이로스코프를 세척하였다.
[자이로스코프 세척에 사용된 방법]
60℃에서 액체 IPA를 용기를 채움 2 분
100% 동력의 초음파를 적용함 2 분
IPA 건조 4 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 10 분
그 결과를 표 5에 수록하였다.
[실시예 5]
[볼 베어링]
스테인레스 강 구조물인 볼 베어링 조립체는 종래에는 프레온TM및 증기 탈지제 중의 1-1-1 트리클로로에탄을 사용하여 세척하였었다. 탈이온수와 계면활성제, 즉 0.2% Immunol S-6(미국 펜실베니아주 필라델피아 소재의 해리 밀러 코포레이션 제품)를 함유하는 수용액으로 본 발명의 방법에 따라 볼 베어링 조립체를 세척하였다. 이 조립체는 환상 캐비티 내에 일련의 볼 베어링을 포함하는 고리 모양의 환상 운반체로 이루어진다.
다음 방법으로 베어링을 세척하였다.
[볼 베어링 세척에 사용한 방법]
65℃에서 용기에 물 및 0.2% Immunol S-6을 채움 1 분
대상물을 담그고 초음파 에너지를 적용함 10 분
65℃에서 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 6 분
IPA 건조 1 분
N2 퍼즈 2 분
공기 건조 4 분
합계 24 분
세척 정도는 세척된 조립체를 분해한 후 베어링 고리의 내부 표면을 육안 관찰하여 평가했다. 20배율 쌍안 현미경으로는 어떤 입자 오염물들도 관찰되지 않아야 한다. 이어서, 세척된 베어링 레이스(bearing race)를 달아 오염에 의해 생긴 토오크를 측정하였다.
그 결과, 표 6에 나타낸 바와 같이 100% 수율이 얻어졌다.
[실시예 6]
[드릴 비트]
인쇄 배선판을 천공하는 데 사용되는 정밀 드릴 비트(drill bit)를 본 발명의 방법을 사용하여 세척하였다. 기계 조작 후 남은 절삭유 및 금속 부스러기를 표면으로부터 제거하였다. 정밀 드릴 비트는 종래 프레온TM증기 탈지제로 세척되어 왔다. 본 실시예에서는 다음 방법에 따라 계면활성제로 수성 세척을 수행한 뒤 IPA 증기로 건조시켰다.
[정밀 드릴 비트 세척에 사용한 방법]
60℃에서 용기를 물과 1% 계면활성제로 채움 2 분
초음파 에너지를 적용함 2 분
60℃에서 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 6 분
IPA 건조 5 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 16 분
물 헹금 단계를 생략하고 처리 시간을 줄이기 위해, 헹굼제 및 건조제로서 IPA와 테르펜 용매, 즉 오렌지색 테르펜류의 혼합물인 BIOACT 121(페트로펌 인코포레이티드)를 사용하는 비수성 방법을 세척 방법으로 사용하였다. 탄화물 드릴 비트로 된 스테인레스 강 랙(rack)을 BIOACT 121 배쓰에 5 초 동안 담가둔 후 곧바로 세척용 용기에 넣었다. 액체 IPA를 용기 내로 펌프한 뒤 그 용액에 초음파를 적용하였다. 액체 IPA를 저장기로 배수시키면서 IPA 증기 건조를 수행하였다. 다음 방법을 사용하였다.
[드릴 비트 세척에 사용한 비수성 방법]
BIOACT 121에 담금 5 초
60℃에서 용기에 액체 IPA를 채움 2 분
초음파 적용 2 분
IPA 건조 4 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 10 분
드릴 비트 홈 및 생크(shank) 상에 남아 있는 입자들을 찾아보기 위해 쌍안 현미경을 사용하여 세척도를 측정하였다. 특히, 드릴 비트와 스테인레스 손잡이가 접한 지점에서 모든 잔여 오일을 완전히 제거하는 것이 중요한 것으로 여겨진다. 수성 및 비수성의 두가지 방법 모두에 의해 바람직한 세척도를 얻었다.
[실시예 7]
[포토레지스트 스트리핑]
실리콘 웨이퍼의 포토레지스트 스트리핑에 통상적으로 사용되는 용매는 인화성이 크고 침식성이 있으므로 취급시 주의해야 한다. 포토레지스트 스트리퍼는 N-메틸 피롤리돈과 같은 지방족 아미드인 염기성 용매와 아민의 두가지 성분으로 이루어지는 것이 보통이다. 문제는 부품의 부식에 사용되는 플라스마 부식 공정이 부식된 금속의 수직 단면에 염소 원자를 잔류시킨다는 것이다. 그것이 탈이온수에 노출되면, 알루미늄-구리 금속 이온을 부식하는 산을 형성한다. 1 ㎛ 이하의 라인 입체 구조에 있어서 특히 문제시되며, 이때의 부식에 의한 임계 크기 손실(CD 손실)은 0.2 ㎛ 이상이 될 수 있는데, 이것은 금속 라인간의 간격이 증가되었음을 의미한다.
본 실시예에서는 포토레지스트 화합물이 사용되었다. ACTTM-CMI-A(미국 펜실베니아주 베들레헴 소재의 어드밴스드 케미칼 테크놀로지스, 인코포레이티드의 제품)은 양성 레지스트 스트리퍼로서, 특히 부식에 매우 민감한 금속 및 금속 합금상의 레지스트를 제거하기 위해 제조된 것이다. 125 mm 웨이퍼를 포토레지스트로 피복한 후, 서로 다른 두가지 세척 기법을 사용하여 세척하고 건조시켰다. 한 실행에서는 스트리핑 후에 물로 웨이퍼를 헹구고, 다른 실행에서는 물 없이 스트리퍼를 건조시키기 위해 IPA 증기를 사용하였다. 스트리핑 전에 염을 확실하게 제거하기 위해, 헹굼 및 건조 조작을 스트리핑 전에 실시하였다.
포토레지스트 스트리핑법은 다음과 같다.
50℃에 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 2 분
IPA 건조 5 분
75℃에서 용기를 ACT-CMI-A로 채움 2 분
초음파 에너지를 적용 12 분
용기로부터 ACT를 배수시킴 2 분
50℃에서 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 5 분
IPA 건조 10 분
N2 퍼즈 4 분
합계 42 분
및
50℃에 탈이온수로 웨이퍼를 헹굼 2 분
IPA 건조 5 분
75℃에서 용기를 ACT-CMI-A로 채움 2 분
초음파 에너지를 적용 12 분
IPA 건조 10 분
N2 퍼즈 4 분
계 35 분
세척 후, 레지스트가 완전히 제거되었는가를 알아보기 위해 마이크로 형광 분석법을 사용하여 웨이퍼를 시험하였다. CD 손실을 물 헹굼법과, 물헹굼 과정이 없는 IPA 건조법에 대해 측정하였다. 부식 후 헹굼 과정을 거치지 않은 방법이 CD 손실이 더 낮다는 것이 입증되었다. 이 경우, 포토레지스트 스트리퍼 용매는 물로 헹굴 필요없이 IPA 증기로 직접 교체시켰다.
[실시예 8]
[세라믹]
세라믹은 하드디스크 드라이브로부터 변환기에 이르는 모든 제품의 재료로 사용된다. 이들은 일반적으로 프레온TM세척 조작법을 사용하여 세척된다. 세라믹은 물을 흡수하여 변환기의 공진 상태를 변형시키기 때문에 본 실시예에서는 수성 세척제를 사용하지 않고 세라믹 소나 (sonar) 변환기를 세척하였다. 세척 및 건조 후에 물이 세라믹의 기공 내로 들어가는 것을 막기 위해 전체 유니트를 에폭시 수지속에 밀봉하였다. 하기의 완전한 용매 세척 및 건조법을 사용하였다.
[세라믹 세척에 사용한 방법]
60℃에서 용기에 액체 IPA를 채움 2 분
100% 동력의 초음파 2 분
IPA 건조 4 분
N2 퍼즈 1 분
공기 건조 1 분
합계 10 분
가열한 액체 IPA를 용기에 채우고 이것에 변환기를 함침시킨 후, 외부 오염물을 제거하기 위하 초음파를 사용하였다. IPA 증기 건조를 통해 부품을 완전히 건조시켰다. 이같은 방법은 프레온TM을 IPA 액체와 증기로 대체시킴으로써 프레온TM의 필요성을 완전히 없애준다. 또한, 흡수성을 지닌 세라믹 표면에 물이 흡수되지 않았다는 것이 확인되었다.
[등가물]
당업자라면 본 명세서에 기술된 구체적인 실시 태양에 대한 다양한 균등물을 인식할 수 있을 것이다. 이같은 균등물은 후술한 특허청구범위에 포함되는 것이다.

Claims (22)

  1. 하나 이상의 면을 지닌 대상물을 처리하는 방법에 있어서, 대상물을 용기에 넣는 단계, 이 용기에 유기 용매를 주입시키는 단계, 그 대상물의 표면을 상기 유기 용매와 접촉시키는 단계, 및 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 용기 내의 조건을 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매를 주입시키는 단계는 유기 포토레지스트 스트리핑 용매를 포함하는 유기 용매를 주입시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매를 주입시키는 단계는 N-메틸 피롤리돈을 포함하는 유기 용매를 주입시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매를 주입시키는 단계는 이소프로필 알코올을 포함하는 유기 용매를 주입시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 건조 증기는 이소프로필 알코올 또는 아세톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 건조 증기는 식 R-O-R'(식 중, R은 탄소 원자수가 2 내지 약 10인 유기 라디칼로 이루어지며 R'은 탄소 원자수가 2 내지 10인 유기 라디칼 또는 수소로 이루어짐)으로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 건조 증기를 포함하는 유체를 사용하여 유기 용매를 아래쪽으로 압박함으로써 대상물의 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 건조 증기를 포함하는 유체를 유기 용매에 대해 아래쪽으로 압박하여 유기 용매를 배출시킴으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 대상물을 용기에 넣는 단계는 반도체 웨이퍼를 포함하는 대상물을 넣는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 접촉 단계는 대상물의 표면 및 유기 용매에 음파 에너지를 적용시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 접촉 단계는 주파수가 약 20 khz 내지 약 40 khz인 음파 에너지를 적용시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 접촉 단계는 주파수가 약 0.8 mhz 내지 약 1.5 mhz인 음파 에너지를 적용시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 대상물을 용기에 넣는 단계는 밀폐 가능한 봉입물로 이루어진 용기 내에 대상물을 넣는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 대상물을 용기에 넣는 단계는 용기 내에 대상물을 넣고, 상기 방법의 모든 단계에 걸쳐 대상물이 용기 내에서 움직이지 않도록 유지시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 대상물을 용기에 넣는 단계는 밀폐 가능한 봉입물로 이루어진 용기 내에 대상물을 넣는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 대상물을 용기에 넣는 단계는 다수개의 대상물을 용기 내에 넣는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 유기 용매에서 유체로의 직접 교체 속도를 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 용기 내의 압력을 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 적어도 유기 용매의 온도를 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 대상물 표면에서의 유체 응축 반응을 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 제거 단계는 대상물 표면의 유기 용매를 건조 증기를 포함하는 유체로 직접 교체시켜 유기 용매를 제거하되, 유기 용매에서 유체로의 상기 직접적인 교체 후에 상기 대상물 표면에 유기 용매 또는 건조 증기의 소적이 실질적으로 남아 있지 않고 증발하도록 적어도 유체의 온도를 조절함으로써 대상물 표면으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제거 단계 후에 상기 건조 증기를 포함하는 유체를 함유하는 용기를 비활성 기체로 퍼즈하는 단계를 더 포함하고, 이 때 상기 비활성 기체는 질소 또는 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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