(57)【要約】より有効なキャリアのクリーニングおよび乾燥を促進するための超撥水性表面を備えるキャリアである。本発明では、キャリアの表面全体または表面の一部が超撥水性にされる。キャリアの超撥水性表面により、クリーニングで使用される場合に表面と接触する液体は、液膜またはかなりの数の液滴を残さずに、急速かつ容易に「転がり落ちる」。その結果、表面の乾燥に費やされる時間や労力は少なくなり、再付着する残留物が最小となる。それにより、全体的な処理の質を向上させる。そのうえ、超撥水性表面は、汚染物質が液体または蒸気の形の場合、汚染物質の初期付着に耐性がある。
2006523961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品のためのキャリアであって、
表面を備える基板部分を有する本体を有し、前記表面の少なくとも一部分は実質的に均一な形状の複数の突出部を上に有して超撥水性表面を形成し、各突出部は基板部分に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は、超撥水性表面が、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を、下式により決定される接触線密度値「ΛＬ」以上に定めるように配置され、
2006523961.tif 000019
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すキャリア。
【請求項２】
突出部は凸部である請求項１のキャリア。
【請求項３】
突出部は多面体形状である請求項２のキャリア。
【請求項４】
各突出部は実質的に正方形横断面を有する請求項２のキャリア。
【請求項５】
突出部は円柱または類円柱形状である請求項２のキャリア。
【請求項６】
突出部は基板に形成された凹部である請求項１のキャリア。
【請求項７】
突出部は実質的に均一なアレイで配置される請求項１のキャリア。
【請求項８】
突出部は長方形アレイで配置される請求項７のキャリア。
【請求項９】
突出部は基板部分に対して実質的に均一な突出部高さを有し、突出部高さは下式により決定されるメートル単位の臨界突出部高さ値「Ｚｃ」よりも高く、
2006523961.tif 000020
ここで、ｄは隣接する突出部の間のメートル単位の距離、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは度単位の突出部立上り角である請求項１のキャリア。
【請求項１０】
超撥水性表面部分を備えるキャリアを製造するプロセスであって、
外表面を有する基板を有するキャリアを設けることを有し、および
実質的に均一な形状の複数の突出部を前記基板の前記外表面に形成することを有し、
各突出部は基板部分に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は下式により決定される接触線密度値「ΛＬ」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を表面が有するように配置され、
2006523961.tif 000021
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すプロセス。
【請求項１１】
前記突出部はフォトリソグラフィにより形成される請求項１０のプロセス。
【請求項１２】
突出部は、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティング、および平行カーボンナノチューブの層を基板に配置することから構成されるグループから選択されるプロセスにより形成される請求項１０のプロセス。
【請求項１３】
所定圧力値までの液圧において超撥水性を備える表面を有するキャリアを製造するためのプロセスであって、
突出部立上り角を選択することを有し、
以下の式により臨界接触線密度「ΛＬ」を決定することを有し、
2006523961.tif 000022
ここで、Ｐは所定圧力値、γは液体の表面張力、θａ，０は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは突出部立上り角であり、
基板部分を備えるキャリアを設けることを有し、および
表面が臨界接触線密度以上の実際の接触線密度を有するように基板部分に複数の突出部を形成することを有するプロセス。
【請求項１４】
突出部はフォトリソグラフィを用いて形成される請求項１３のプロセス。
【請求項１５】
突出部は、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティングを用いて、または、平行カーボンナノチューブの層を基板に配置することにより形成される請求項１３のプロセス。
【請求項１６】
突出部に対して幾何学形状を選択する段階をさらに有する請求項１３のプロセス。
【請求項１７】
突出部に対してアレイパターンを選択する段階をさらに有する請求項１３のプロセス。
【請求項１８】
突出部に対して少なくとも一つの寸法を選択する段階、および接触線密度のための等式を用いて突出部に対して少なくとも一つの他の寸法を決定する段階を有する請求項１３のプロセス。
【請求項１９】
メートル単位の臨界突出部高さ値「Ｚｃ」を下式により決定する段階をさらに有し、
2006523961.tif 000023
ここで、ｄは隣接する突出部の間のメートル単位の距離、θａ，０は表面上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角である請求項１３のプロセス。
【請求項２０】
製品のためのキャリアであって、
表面上に基板およびポリマー外層基板を有する本体を有し、外層は液体と接触するための超撥水性表面を形成する複数の突出部を上に備える表面を有し、突出部は表面が臨界接触線密度値以上の平均接触線密度を有するように分散され、および超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すキャリア。
【請求項２１】
臨界接触線密度値「ΛＬ」は下式により決定され、
2006523961.tif 000024
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値である請求項２０のキャリア。
【請求項２２】
表面と接触する液体は液滴の形であり、および臨界接触線密度「ΛＬ」は下式により決定され、
2006523961.tif 000025
ここで、Ｖは液滴の立方メートル単位の体積、ｇは液体のキログラム／立方メートル単位の密度（ρ）、（ｇ）は重力によるメートル／秒２単位の加速度、（ｈ）は液体のメートル単位の深さ、（γ）は液体のニュートン／メートル単位の表面張力、ωは基板に対する突出部の側面の度単位の平均立上り角、θａは表面上の液滴の見かけの前進接触角、および（θａ，０）は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角である請求項２０のキャリア。
【請求項２３】
ポリマー外層はフルオロポリマーを有する請求項２０のキャリア。
【請求項２４】
ポリマー外層はアルキルケトン二量体を有する請求項２０のキャリア。
【請求項２５】
超撥水性表面部分を備えるキャリアを製造するプロセスであって、
外表面を有する基板を有するキャリアを設けることを有し、および
化学蒸着プロセスを用いて外表面にポリマー材料の層を付着させることにより超撥水性表面を形成することを有し、
ポリマー材料の層は複数の突出部を備える外表面を有し、突出部は臨界接触線密度値以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を超撥水表面が有するように分散され、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すプロセス。
【請求項２６】
臨界接触線密度値「ΛＬ」は下式により決定され、
2006523961.tif 000026
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値である請求項２５のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、本明細書で全面的に文献援用される、２００３年４月１５日に出願された「高圧液体のための超撥水性表面」という名称の米国実用特許出願第１０／４５４，７４３号および米国仮特許出願第６０／４６２９６３号の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的には精密電子部品のためのキャリア、より詳しくは超撥水性または超撥液性表面が上に形成されたキャリアに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
半導体ウェーハまたは他の精密電子部品を有益な製品に形成するプロセスでは、高いレベルの精度と清潔さが必要である。これらの製品がますます複雑になり小型化するにつれて、汚染問題が大きくなっている。汚染問題は、「クリーンルーム」として知られる制御された製造環境を設けることによって軽減する。このようなクリーンルームは、技術的および経済的に実行可能な程度まで、化学的な粒子汚染から保護される。
【０００４】
クリーンルームは実質上、大気中に見られるほとんどの汚染物質を除去するが、同じクリーンルーム環境で部品を完全に処理することが不可能であるか賢明でないことが多い。さらに、すべての汚染および汚染物質が回避されるわけではない。このような理由および他の理由から、精密電子部品は、保護用キャリアを用いて、大量に運搬、保管、製造される。専用キャリアの例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２に開示され、これらすべてが本発明の所有者に譲渡され、ゆえにそのすべてが全面的に文献援用されている。本出願において、「キャリア」の語は、Ｈバーウェーハキャリアと前面開閉式一体化ポッド（ＦＯＵＰｓ）と標準機械インタフェースポッド（ＳＭＩＦｓ）などの半導体ウェーハキャリア；レティクルキャリア；およびハードドライブディスクやその他の様々な機械的装置のような小型電子部品を保管、運搬、製造、概ね保持するためにマイクロ電子産業で使用される他のキャリアを含むが、これらに限定されない。
【０００５】
汚染および汚染物質は、様々な方法で発生する。例えば、ウェーハキャリアにウェーハが挿入されたり取り出される際に、またドアがキャリアに装着されたり取り外される際に、粒子が機械的に発生し、または、様々な処理流体に反応して化学的に発生することもある。汚染は、キャリア自体の気体放出の結果であるか、人間の行為による生物学的性質のものであるか、キャリアの不適切または不完全な洗浄の結果であることも考えられる。汚染はまた、処理中にステーション間で運搬される際にキャリアの外部で発生することもある。
【０００６】
プロセスの汚染物質または汚染は、キャリアを定期的に洗浄および／またはクリーニングすることによって軽減される。一般的に、外面と内面が大量のクリーニング流体の冠水またはスプレーにさらされるクリーニング装置に載置することにより、キャリアは汚染物質および汚染を除去される。洗浄段階の後、キャリアにはかなりの量の流体が残留する。この残留流体は一般的に、乾燥ガスの流れで、または回転遠心器によって乾燥される。
【０００７】
キャリアは、乾燥が困難な表面の複雑な構成を持つことが多い。そのうえ、残留量のクリーニング流体が、洗浄段階の後に膜または複数の細かい液滴としてキャリアの表面に付着する。残留クリーニング流体に浮遊した汚染物質は、流体が乾燥する際に表面に再付着して、キャリアが再利用される際のキャリーオーバー汚染物質となる。結果的に、プロセスの効率および有効性が全体的に低下する。
【０００８】
業界で依然として必要とされるのは、キャリアのより有効なクリーニングおよび乾燥を促進してプロセス残留汚染物質のレベルを低下させるという特徴を備えるキャリアである。
【特許文献１】米国特許第６，４３９，９８４号
【特許文献２】米国特許第６，４２８，７２９号
【特許文献３】米国特許第６，０３９，１８６号
【特許文献４】米国特許第６，０１０，００８号
【特許文献５】米国特許第５，４８５，０９４号
【特許文献６】米国特許第５，９４４，１９４号
【特許文献７】米国特許第４，８１５，６０１号
【特許文献８】米国特許第５，４８２，１６１号
【特許文献９】米国特許第６，０７０，７３０号
【特許文献１０】米国特許第５，７１１，４２７号
【特許文献１１】米国特許第５，６４２，８１３号
【特許文献１２】米国特許第３，９２６，３０５号
【特許文献１３】米国特許第５，７８８，３０４号
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、キャリアのより効果的なクリーニングおよび乾燥を促進するための超撥水性表面を備えるキャリアを含む。本発明では、キャリアの表面全体または表面の一部が超撥水性にされる。キャリアの超撥水性表面により、クリーニングで使用される場合に表面と接触する液体は、液膜またはかなりの数の液滴を残さずに、急速かつ容易に「転がり落ちる」。その結果、表面の乾燥に費やされる時間や労力は少なくなり、再付着する残留物が最小となる。それにより、全体的な処理の質を向上させる。そのうえ、超撥水性表面は、汚染物質が液体または蒸気の形の場合、汚染物質の初期付着に耐性がある。
【００１０】
本発明の特に好適な実施例では、超撥水性表面は、基板に形成された緊密な間隔のマイクロ規模からナノ規模の複数の突出部を含む。本出願では、「マイクロ規模」は概ね１００マイクロメートル未満の寸法を指し、「ナノ規模」は概ね１００ナノメートル未満の寸法を指す。表面は、ある所定の圧力値まで超撥水性を維持するように設計される。突出部は、下式により決定される接触線密度値「ΛＬ」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した所定の接触線密度を表面が有するように配置される。
2006523961.tif 000003
ここで、Ｐは所定圧力値、γは液体の表面張力、θａ，０は度単位で実験測定された突出部材料上の液体の真の前進接触角、ωは突出部立上り角である。所定圧力値は、キャリアのクリーニングまたは使用中に発生することが予測される予想液圧よりも高くなるように選択される。
【００１１】
突出部は、基板材料自体中もしくはその表面上に、または基板表面に配置された１層以上の材料に形成される。突出部は、規則的もしくは不規則的な形状の三次元固体または凹部であり、何らかの規則的な幾何学パターンで、またはランダムに配置される。突出部は、フォトリソグラフィを用いて、またはナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティングを用いて、または平行なカーボンナノチューブの層を基板に配置することによって形成される。
【００１２】
あるいは、化学蒸着法（ＣＶＤ）を含めた様々な周知のプロセスのいずれかにより、ランダムなパターンの表面が製造されてもよい。
【００１３】
本発明はまた、所定圧力値までの液圧において超撥水性を有する表面を備えるキャリアを製造するためのプロセスを含む。プロセスは、突出部立上り角を選択する段階；下式により臨界接触線密度「ΛＬ」値を決定する段階、
2006523961.tif 000004
ここで、Ｐは所定圧力値、γは液体の表面張力、θａ，０は度単位で実験測定される突出部材料上の液体の真の前進接触角、ωは突出部立上り角である；表面部分を備えるキャリアを設ける段階；および表面が臨界接触線密度以上の実際の接触線密度を有するように表面部分に複数の突出部を形成する段階を含む。
【００１４】
プロセスは、下式によりメートル単位の臨界突出部高さ値「Ｚｃ」を決定する段階をさらに含む。
2006523961.tif 000005
ここで、ｄは隣接する突出部の間のメートル単位の距離、θａ，０は表面における液体の度単位の真の前進接触角であり、ωは度単位の突出部立上り角である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
好ましい実施例の詳細な説明
図１ａは、本発明によるキャリア１２の実施例を例として示す。キャリア１２は概ね、上面１４ａと底面１４ｂと一対の対向側面１４ｃ，１４ｄと背面１４ｅと開口前面１４ｆとを備える容器１４の形の本体部分１３を含む。開口前面１４ｆは、ドア１５により選択的に閉じることができる。容器１４の中には、ウェーハ支持体１７の形の一つ以上の装置支持部分１６が設けられており、ウェーハを相互に平行離間関係で支持する。キャリア１２は、例えば、運動学的連結部分１８およびロボット取扱いフランジ１９のような、プロセスでの使用を容易にするための他の部品または部分を有してもよい。
【００１６】
超撥水性表面２０は、キャリア１２の表面全体またはその所望の部分に形成される。このようにして、キャリア１２の重要箇所に超撥水性表面が形成される一方で、他の部分は従来の表面を有してもよい。超撥水性表面２０は、様々な構成のいずれかで形成されてよく、後述するような様々なプロセスを用いてよい。
【００１７】
キャリアの他の様々な実施例が図１ｂ〜ｄに描かれている。これらの実施例の各々において、キャリア１２上の所望の箇所に超撥水性表面２０が形成される。
【００１８】
液体による浸潤に対して耐性を備える表面は、液体が水である場合には撥水性、他の液体については撥液性として言及される。表面が一般に超撥水性または超撥液性表面と言及されるのは以下の場合である。すなわち、低い接触角ヒステリシス値（約２０度未満）と組み合わされた、表面に対する液滴の非常に高い前進接触角（約１２０度を超える）；著しく低い表面の液滴保持傾向；または表面が液体に完全に浸漬された際の表面における液体・気体・固体界面の存在、のいずれかまたはすべてを特徴とする程度まで表面が浸潤に抵抗する場合である。本出願では、超撥水性表面と超撥液性表面との両方を指すのにまとめて超撥水性の語が用いられる。
【００１９】
本発明による超撥水性表面２０の好適な一実施例の拡大図が、図１ｅに描かれている。表面２０は概ね、複数の突出部２４を備える基板２２を含む。各突出部２４は、複数の側面２６および上面２８を有する。各突出部２４は、図では「ｘ」で示された幅寸法と、図では「ｚ」で示された高さ寸法とを有する。
【００２０】
図１ｅ〜３に描かれているように、突出部２４は規則的な長方形アレイで配置され、各突出部は、図で「ｙ」と示された間隔寸法により隣接の突出部から離間している。突出部２４の上面エッジ３０により定められる角度はφで示され、基板２２に対する突出部２４の側面２６の立上り角はωで示されている。角度φとωとの和は１８０度である。
【００２１】
一般的には、液体・固体・気体界面が表面に維持される時に、表面２０は超撥水性を呈する。図７に描かれているように、液体３２が上面２８と、突出部２４の上面エッジ３０に近接する側面２６の一部分とにのみ接触しており、突出部の間の空間３４が空気または他の気体が充填されたままである場合には、必要な液体・固体・気体界面が存在する。液体は、突出部２４の上と、突出部２４の上面エッジ３０の間に「懸架」されていると言える。
【００２２】
以下で開示されるように、液体・固体・気体界面の形成は、突出部２４の所定の相関的な幾何学パラメータと、液体の性質とに左右される。本発明によれば、表面２０が所望の液圧で超撥水性を示すように突出部２４の幾何学的な性質が選択される。
【００２３】
図１ｅ〜３の長方形アレイを参照すると、表面２０は、点線を境界線として描かれた、各突出部２４を取り囲む均一エリア３６に分割される。各均一エリア３６における突出部の面密度（δ）は以下の等式で表される。
2006523961.tif 000006
ここで、ｙはメートル単位で測定された突出部間の間隔である。
【００２４】
図１ｅ〜３に描かれた正方形断面の突出部２４については、上面エッジ３０における上面２８の周の長さ（ｐ）は、
2006523961.tif 000007
であり、ここで、ｘはメートル単位の突出部の幅である。
【００２５】
周ｐは、液体・固体・気体界面の箇所を画定する「接触線」と呼ばれる。表面の接触線密度（Λ）すなわち表面の単位面積あたりの接触線の長さは、周（ｐ）と突出部の面密度（δ）との積であるため、
2006523961.tif 000008
となる。
【００２６】
図１ｅ〜３に描かれた正方形突出部の長方形アレイについては、
2006523961.tif 000009
となる。
【００２７】
液体に作用する重力による体積力（Ｆ）が突出部の接触線に作用する表面力（ｆ）より小さい場合には、突出部２４の上に一定量の液体が懸架される。重力に関連する体積力（Ｆ）は、以下の式により決定される。
2006523961.tif 000010
ここで、ｇは液体の密度（Ｐ）、（ｇ）は重力による加速度、および（ｈ）は液体の深さである。ゆえに、例えばおよそ１０００ｋｇ／ｍ３の密度を持つ水の１０メートルの柱では、体積力（Ｆ）は、
2006523961.tif 000011
となる。
【００２８】
他方、表面力（ｆ）は、液体の表面張力（γ）、垂線に対する突出部２４の側面２６の見かけの接触角θｓ、突出部の接触線密度（Λ）、および液体の見かけの接触面積（Α）に依存し、
2006523961.tif 000012
となる。
【００２９】
所定の固体材料上の液体の真の前進接触角（θａ，０）は、本質的に突出部を持たない材料表面上の液体の最大の実験測定静止接触角として定義される。真の前進接触角は、当該技術で周知の技術によって容易に測定可能である。
【００３０】
突出部を備える表面の上の懸架滴は、突出部の側面において真の前進接触角値（θａ，０）を示す。突出部の側面における垂線に対する接触角（θｓ）は、以下のように、φまたはωにより真の前進接触角（θａ，０）に関係付けられる。
2006523961.tif 000013
【００３１】
Ｆとｆとを等しくして接触線密度Λを求めることにより、表面における超撥水性を予想するための臨界接触線密度パラメータΛＬは以下のように決められる。
2006523961.tif 000014
ここで、ｇは液体の密度（ρ）、（ｇ）は重力による加速度、（ｈ）は液体の深さ、液体の表面張力（γ）、ωは基板に対する突出部の側面の度単位の立上り角、および（θａ，０）は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角である。
【００３２】
Λ＞ΛＬの場合、液体は突出部２４の上に懸架されて超撥水性表面が形成される。また、Λ＜ΛＬの場合には、液体は突出部から落下して、表面上の接触界面は超撥水性を持たない単なる液体／固体となる。
【００３３】
上述の等式の分子に適切な値を代入することにより、所望する量の圧力で超撥水性を保持する表面を設計するように臨界接触線密度の値が決定されることは理解できるだろう。等式は以下のように一般化される。
2006523961.tif 000015
ここで、Ｐは、表面が超撥水性を必ず示すキログラム／平方メートル単位の最高圧力、γは液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは度単位の突出部立上り角である。
【００３４】
上記の関係にしたがって形成された表面２０が、上の等式（９）で使用されたＰの値までのおよびＰの値を含む液圧値において超撥水性を示すことは概ね予想されるだろう。表面が浸漬されても、液体のジェットまたはスプレーを受けても、または個々の液滴に衝突されても、超撥水性が示される。使用中またはクリーニング中にキャリアが受けるであろう最高予想液体・蒸気圧力よりも高くなるように圧力値Ｐが選択されることは、容易に理解されるだろう。
【００３５】
予想よりも瞬間的または局所的に高い圧力、公差の変動による表面の不連続性、およびその他のこのような因子からなる所定の安全因子を与えるように、Ｐの値が選択されるべきであることは、概ね理解できるだろう。
【００３６】
表面２０が、液体接触が表面上の液滴の形となる非常に低いPの値になるように意図される場合、Ｐの値は、均一な液体層と比較して小さい、液滴の見かけの接触面積からなるように選択されなければならない。一般に、表面上の細かい液滴の平方メートル単位の見かけの接触面積（Ａ）は以下の関係によって求められる。
2006523961.tif 000016
ここで、Ｖは液滴の立方メートル単位の体積、およびθａは表面上の液滴の見かけの前進接触角である。液滴を表面上に懸架するための臨界接触線密度ΛＬパラメータは以下のようになる。
2006523961.tif 000017
ここで、Ｖは液滴の立方メートル単位の体積、ｇは液体の密度（ρ）、（ｇ）は重力による加速度、（ｈ）は液体の深さ、液体の表面張力（γ）、ωは基板に対する突出部の側面の度単位の立上り角、θａは表面上の液滴の見かけの前進接触角、および（θａ，０）は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角である。等式１１は、Ｐの値が、表面が確実に液滴を懸架するような低圧の超撥水性表面に対して選択されたことをチェックするのに有益である。
【００３７】
臨界接触線密度の値が決定されると、接触線密度についての等式で与えられるｘとｙとの関係にしたがって、突出部の幾何学形状の残りの詳細が決定される。言い換えると、接触線等式でｘまたはｙのいずれかの値を選択して他の変数を求めることにより、表面の幾何学形状が決定される。
【００３８】
図６に描かれているように、液体界面は、隣接する突出部の間で量Ｄ１だけ下方へ撓む。量Ｄ１が突出部２４の高さ（ｚ）よりも大きい場合には、突出部２４の間の点で液体は基板２２と接触する。これが起こると、液体は空間３４へ引き寄せられて突出部から落下し、表面の超撥水性が損なわれる。Ｄ１の値は臨界突出部高さ（Ｚｃ）を表し、以下の式により決定することができる。
2006523961.tif 000018
ここで、（ｄ）は隣接する突出部の間の距離、ωは突出部立上り角、θａ，０は、実験測定による突出部材料上の液体の真の前進接触角である。突出部２４の高さ（ｚ）は、臨界突出部高さ（Ｚｃ）に少なくとも等しいか、望ましくはこれより高い。
【００３９】
図１ｅ〜３では、突出部立上り角ωは９０度であるが、他の突出部幾何学形状も可能である。例えば、ωは図９に描かれているような鋭角でも、図１０に描かれているような鈍角でもよい。一般に、ωは８０度と１３０度との間であることが望ましい。
【００４０】
本発明の範囲内で様々な突出部形状および配列が可能であることも理解できるだろう。例えば、突出部は多面体、図１１〜１２に描かれた円柱、類円柱、他の適当な三次元形状でよい。そのうえ、突出部の接触線密度を最大にするために様々な戦略を利用できる。図１４と１５に描かれているように、突出部２４は基部３８と頭部４０とを備えるように形成されてもよい。上面エッジ３０における頭部４０の周が長くなると、表面の接触線密度が高くなる。また、図１６に描かれているように、くぼみ４２のような特徴を突出部２４に形成して、上面エッジ３０での周を長くすることで接触線密度を高めてもよい。突出部は、基板に形成された凹部でもよい。
【００４１】
突出部は、上述したような長方形アレイ、図４〜５に描かれた六角形アレイのような多角形アレイ、または円形や卵形配列で構成されてもよい。臨界接触線密度が維持される限り突出部はランダムに分散されてもよいが、このようなランダム構成は超撥水性の予想可能性が低いため、あまり望ましくない。このような突出部のランダム構成では、臨界接触線密度と他の関連パラメータは、その表面の平均値として概念化できる。図１３の表には、様々な別の突出部形状や配列に対して接触線密度を計算するための式が挙げられている。
【００４２】
一般に、基板材料は、マイクロまたはナノ規模の突出部が適切に形成されるとともに、キャリアが使用される処理環境での使用に適した材料でよい。突出部は、フォトリソグラフィまたは様々な適切な方法のいずれかにより、基板材料自体に、または、基板材料上に付着された１層以上の他の材料に直接形成される。マイクロ・ナノ規模の突出部を形成するのに適したフォトリソグラフィ法は、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ０２／０８４３４０号に開示されており、本明細書に全面的に文献援用される。
【００４３】
所望の形状と間隔の突出部を形成するのに適した他の方法は、米国特許出願公開第２００２／００３３４８７９号に開示されたナノマシニング、米国特許第５，７２５，７８８号に開示されたマイクロスタンピング、米国特許第５，９００，１６０号に開示されたマイクロコンタクトプリンティング法、米国特許第５，６０９，９０７号に開示された自己組織化金属コロイド単分子層、米国特許第６，４４４，２５４号に開示されたマイクロスタンピング、米国特許第５，２５２，８３５号に開示された原子間力顕微鏡ナノマシニング、米国特許第６，４０３，３８８号に開示されたナノマシニング、米国特許第６，５３０，５５４号に開示されたゾル・ゲル成形、米国特許第６，５１８，１６８号に開示された表面の自己組織化単分子層指向性パターニング、米国特許第６，５４１，３８９号に開示された化学エッチング、または米国公開特許出願第２００３／００４７８２２号に開示されたゾル・ゲルスタンピングを含み、これらすべてが本明細書に全面的に文献援用される。カーボンナノチューブ構造も所望の突出部形状を形成するために使用可能である。カーボンナノチューブ構造の例は、米国公開特許出願第２００２／００９８１３５号および第２００２／０１３６６８３号に開示されており、これらも本明細書に全面的に文献援用される。また、コロイドインクによる周知のプリンティングを用いて適当な突出部構造が形成される。言うまでもなく、マイクロ・ナノ規模の突出部が必要な精度で形成される他の任意の方法も使用されることは理解できるだろう。
【００４４】
ある用途では、特に、キャリアが高い流体圧力を受けない場合、または表面に沈殿または凝結する液滴を表面がはじくように意図される場合には、超撥水性表面２０は、周知の化学蒸着技術を用いて適用されるポリマー材料のコーティングによって形成されてもよい。例えば、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、または他のポリマー材料の薄層が、気相重合を用いてキャリアのポリカーボネート表面に適用されてもよい。結果として得られる超撥水性表面２０は、ＰＦＡ材料で形成されたランダムな形状および配列の突出部が一般的な特徴であり、低い流体圧力において超撥水性である。
【００４５】
流体圧力の低い用途のための別の実施例では、基板の上の材料層としてフラクタル超撥水性表面が形成される。このような実施例の一つでは、アルキルケトン二量体（ＡＫＤ）または同様の材料の層がポリマー基板に溶融されるか注入されて、窒素ガス雰囲気で硬化する。ＡＫＤ表面を形成する適当な方法の一つは、「超撥水性フラクタル表面」という名称の論文（Ｌａｎｇｍｕｉｒ第１２巻Ｎｏ．９，１９９６年５月１日）の２１２５ページにおいて、Ｔ．Ｏｎｄａ，ｅｔ  ａｌ．によりさらに詳しく記載されており、この論文は本明細書に全面的に文献援用されている。
【００４６】
流体圧力の低い用途に適した別の実施例では、ポリプロピレンのようなポリマー材料が、ｐ‐キシレンのような溶剤に溶解される。所定量のメチルエチルケトンのような非溶剤が溶液に追加され、溶液が部品のキャリア基板上に付着する。溶剤が蒸発すると、多孔性のゲル状超撥水性表面構造が結果的に得られる。
【００４７】
上述したポリマー層の各々では、結果として得られる表面は一般的に、ランダムな形状および配列のマイクロメートル規模の突出部を特徴とする。このような表面の実際の接触線密度および臨界接触線密度の値は、個々の突出部のばらつきのため決定が困難だが、これらの表面は、表面の接触線密度が表面の臨界接触線密度と等しいかまたは越える場合には超撥水性を示す。このような表面では、実際の接触線密度は、個々の突出部の寸法および幾何学形状の変動性ゆえに、必然的に表面の平均値となる。そのうえ、等式９および１１の突出部立上り角ωは、表面の平均値となる。
【００４８】
本発明は、その趣旨または本質的な性質から逸脱せずに他の特定形状で具体化してもよく、そのため、本実施例は、あらゆる点で例示的であって限定的ではないと考えられることが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１ａ】本発明に係る超撥水性表面を上に備えるキャリアの一実施例の斜視図である。
【図１ｂ】本発明に係る超撥水性表面を上に備えるキャリアの代替実施例の斜視図である。
【図１ｃ】本発明に係る超撥水性表面を上に備えるキャリアの別の代替実施例の斜視図である。
【図１ｄ】本発明に係る超撥水性表面を上に備えるキャリアのまた別の代替実施例の斜視図である。
【図１ｅ】複数のナノ／マイクロ規模の突出部が長方形アレイで配列された、本発明に係る超撥水性表面の拡大斜視図である。
【図２】図１の表面の一部分の平面図である。
【図３】図２に描かれた表面部分の側面図である。
【図４】突出部が六角形アレイで配列された、本発明の代替実施例の部分平面図である。
【図５】図４の代替実施例の側面図である。
【図６】突出部間に懸架された液体の撓みを示す側面図である。
【図７】突出部の上に懸架された所定量の液体を示す側面図である。
【図８】突出部の間の空間の底面と接触する液体を示す側面図である。
【図９】突出部立上り角が鋭角である、本発明の代替実施例の単一突出部の側面図である。
【図１０】突出部立上り角が鈍角である、本発明の代替実施例の単一突出部の側面図である。
【図１１】突出部が円柱であり長方形アレイで配列された、本発明の代替実施例の部分平面図である。
【図１２】図１１の代替実施例の側面図である。
【図１３】様々な突出部形状および配列に対する接触線密度の式を挙げた表である。
【図１４】本発明の代替実施例の側面図である。
【図１５】図１４の代替実施例の平面図である。
【図１６】本発明の代替実施例の単一突出部の平面図である。
2006523961.tif 000027
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【図２】
2006523961.tif 000032
【図３】
2006523961.tif 000033
【図４】
2006523961.tif 000034
【図５】
2006523961.tif 000035
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006523961.tif 000039
【図１０】
2006523961.tif 000040
【図１１】
2006523961.tif 000041
【図１２】
2006523961.tif 000042
【図１３】
2006523961.tif 000043
【図１４】
2006523961.tif 000044
【図１５】
2006523961.tif 000045
【図１６】
2006523961.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月10日(2005.2.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品のためのキャリアであって、
表面を備える基板部分を有する本体を有し、前記表面の少なくとも一部分は実質的に均一な形状の複数の突出部を上に有して超撥水性表面を形成し、各突出部は基板部分に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は、超撥水性表面が、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を、下式により決定される接触線密度値「ΛＬ」以上に定めるように配置され、
2006523961.tif 000047
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すキャリア。
【請求項２】
突出部は凸部である請求項１のキャリア。
【請求項３】
突出部は多面体形状である請求項２のキャリア。
【請求項４】
各突出部は実質的に正方形横断面を有する請求項２のキャリア。
【請求項５】
突出部は円柱または類円柱形状である請求項２のキャリア。
【請求項６】
突出部は基板に形成された凹部である請求項１のキャリア。
【請求項７】
突出部は実質的に均一なアレイで配置される請求項１のキャリア。
【請求項８】
突出部は長方形アレイで配置される請求項７のキャリア。
【請求項９】
突出部は基板部分に対して実質的に均一な突出部高さを有し、突出部高さは下式により決定されるメートル単位の臨界突出部高さ値「Ｚｃ」よりも高く、
2006523961.tif 000048
ここで、ｄは隣接する突出部の間のメートル単位の距離、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは度単位の突出部立上り角である請求項１のキャリア。
【請求項１０】
超撥水性表面部分を備えるキャリアを製造するプロセスであって、
外表面を有する基板を有するキャリアを設けることを有し、および
実質的に均一な形状の複数の突出部を前記基板の前記外表面に形成することを有し、
各突出部は基板部分に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は下式により決定される接触線密度値「ΛＬ」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を表面が有するように配置され、
2006523961.tif 000049
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すプロセス。
【請求項１１】
前記突出部はフォトリソグラフィにより形成される請求項１０のプロセス。
【請求項１２】
突出部は、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティング、および平行カーボンナノチューブの層を基板に配置することから構成されるグループから選択されるプロセスにより形成される請求項１０のプロセス。
【請求項１３】
所定圧力値までの液圧において超撥水性を備える表面を有するキャリアを製造するためのプロセスであって、
突出部立上り角を選択することを有し、
以下の式により臨界接触線密度「ΛＬ」を決定することを有し、
2006523961.tif 000050
ここで、Ｐは所定圧力値、γは液体の表面張力、θａ，０は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは突出部立上り角であり、
基板部分を備えるキャリアを設けることを有し、および
表面が臨界接触線密度以上の実際の接触線密度を有するように基板部分に複数の突出部を形成することを有するプロセス。
【請求項１４】
突出部はフォトリソグラフィを用いて形成される請求項１３のプロセス。
【請求項１５】
突出部は、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティングを用いて、または、平行カーボンナノチューブの層を基板に配置することにより形成される請求項１３のプロセス。
【請求項１６】
突出部に対して幾何学形状を選択する段階をさらに有する請求項１３のプロセス。
【請求項１７】
突出部に対してアレイパターンを選択する段階をさらに有する請求項１３のプロセス。
【請求項１８】
突出部に対して少なくとも一つの寸法を選択する段階、および接触線密度のための等式を用いて突出部に対して少なくとも一つの他の寸法を決定する段階を有する請求項１３のプロセス。
【請求項１９】
メートル単位の臨界突出部高さ値「Ｚｃ」を下式により決定する段階をさらに有し、
2006523961.tif 000051
ここで、ｄは隣接する突出部の間のメートル単位の距離、θａ，０は表面上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角である請求項１３のプロセス。
【請求項２０】
製品のためのキャリアであって、
表面上に基板およびポリマー外層基板を有する本体を有し、外層は液体と接触するための超撥水性表面を形成する複数の突出部を上に備える表面を有し、突出部は表面が下式により決定される臨界接触線密度値ΛＬ以上の平均接触線密度を有するように分散され、
2006523961.tif 000052
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、および超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すキャリア。
【請求項２１】
記載なし
【請求項２２】
製品のためのキャリアであって、
表面に基板およびポリマー外層基板を有する本体を有し、外層は液滴の形の液体と接触するための超撥水性表面を形成する複数の突出部を上に備える表面を有し、突出部は表面が下式により決定される臨界接触線密度値ΛＬ以上の平均接触線密度を有するように分散され、
2006523961.tif 000053
ここで、Ｖは液滴の立方メートル単位の体積、ｇは液体のキログラム／立方メートル単位の密度（ρ）、（ｇ）は重力によるメートル／秒２単位の加速度、（ｈ）は液体のメートル単位の深さ、（γ）は液体のニュートン／メートル単位の表面張力、ωは基板に対する突出部の側面の度単位の平均立上り角、θａは表面上の液滴の見かけの前進接触角、および（θａ，０）は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角であるキャリア。
【請求項２３】
ポリマー外層はフルオロポリマーを有する請求項２０のキャリア。
【請求項２４】
ポリマー外層はアルキルケトン二量体を有する請求項２０のキャリア。
【請求項２５】
超撥水性表面部分を備えるキャリアを製造するプロセスであって、
外表面を有する基板を有するキャリアを設けることを有し、および
化学蒸着プロセスを用いて外表面にポリマー材料の層を付着させることにより超撥水性表面を形成することを有し、
ポリマー材料の層は複数の突出部を備える外表面を有し、突出部は、下式により決定される臨界接触線密度値ΛＬ以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を超撥水表面が有するように分散され、
2006523961.tif 000054
ここで、γは表面と接触する液体のニュートン／メートル単位の表面張力、θａ，０は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角、およびＰはキログラム／メートル単位の所定液圧値であり、超撥水性表面は所定液圧値までのおよびその値を含む液圧において液体との液体・固体・気体界面を示すプロセス。
【請求項２６】
記載なし
【国際調査報告】
2006523961.tif 000055