PFA チューブ内表面上で球晶が形成する溝の定量化～球晶サイズが影響を及ぼす溝の体積と表面平滑性への関係～
概要
本稿では、PFA 成形チューブ内表面に存在する球晶の凹凸に起因した表面粗度について、非接触で精度の高い表面形状観察手法である白色干渉顕微鏡を用いて評価を行った結果についてご紹介いたします。本検討では球晶によって形成される溝に着目し、その溝が単位面積当たりに占める体積を求めることで定量化できることを見出しました。本方法を用いた評価結果から、PFA 樹脂銘柄ごとに溝の体積は異なり、また球晶が小さくなるほど溝の体積が小さくなること、さらに成形条件によって溝の体積が異なることが明らかとなりました。

1. はじめに晶サイズを均一かつ微細化した PFA 451HP および PFA

PFA (パーフルオロアルコキシアルカン)チューブは耐951HP Plus 樹脂におきましては、形成される球晶が小さ薬品性や純粋性に優れており、腐食性の高い高純度薬くなることで、PFA チューブ内表面全体に存在する凹凸液を使用する半導体製造装置の配管において多く使用の高低差が小さくなり、形成される凹みも浅く小さくなりまされております。弊社におきましては、半導体市場からす。実際、弊社製品を使用される半導体ユーザー様からのご要望にお応えする形で、PFA 樹脂における末端基は、系内で凹んだ空間があると洗浄しにくい場合がある安定化による耐熱特性の向上、耐薬品性の向上、純粋ので、球晶レベルやさらに大きなスケールにおける凹凸性の向上、続いて球晶サイズの均一かつ微細化によるを減らしたい、というご要望をいただきます。これは球晶表面平滑性の向上、さらには、構造の最適化による耐透と球晶の境界に存在する凹んだ空間や、強加工によって過性かつ耐久性の向上を行い、製品開発・上市してまい生じる凸部位といった箇所にパーティクルが滞留するこりました（表 1）。このような特性を有する PFA 樹脂は化とが、原因になっていると考えられます。

学プラント分野においても用いられております。特に、球表 1 半導体市場のご要望に対応するためにチューブグレード PFA に付与された特徴とそれらを担う差別化技術（末端基安定化技術、球晶制御技術、構造の最適化技術）チューブグレード PFA

特徴とそれを担う差別化技術
耐熱特性等の基礎的末端基の安定化技術

均一で微細な球晶制構造の最適化技術にな PFA の特性による、耐熱特性・耐御技術による、成形体よる、透過の抑制と耐薬品性・純粋性の向上の表面平滑性の向上

久性の向上

従来の PFA

PFA 350○

PFA HPPFA 450HP

○○

シリーズ

PFA 451HP○○○

PFA 951HP Plus○○○

PFA HP Plusシリーズ© 2020 Chemours-Mitsui Fluoroproducts Co.,Ltd.
2020-111○

図 1 白色干渉顕微鏡を用いた PFA チューブ内表面の観図 2 チューブ円筒面の円弧に起因する形状の除去前後

察結果 （暗色部：球晶と球晶の境界に存在する溝、明色(溝の体積算出に必要な画像補正)

部：球晶の頭頂部）

ここで、結晶性高分子である PFA 樹脂はチューブ微鏡ではサンプルと検出系が非接触で PFA チューブ成形における溶融状態からの冷却過程において、樹内表面の表面粗度の評価を行うことが可能です。また、

脂内部全体に球晶と呼ばれるマイクロメートルサイズ

本解析においてはチューブ円筒面の円弧に起因するのボールのような形をした分子鎖の高次構造体を形形状の除去(図 2)補正のみを実施いたしました。ガウ成することは周知の事実です。その影響で、チューブシアンフィルタ補正については任意のカットオフ値によの内表面はボールが敷き詰められたような凹凸をもって解析結果が変わるため実施しておりません。

つ形状 をしています。白色干渉顕微鏡を用いてチュ溝の定量については、図 3 に示されるように得られーブ内表面を実際に観察した結果 (図 1)からも球晶た白色干渉顕微鏡像から高さ分布ヒストグラムを作り、と球晶 の境 界 に溝 が存 在してい ること が認 められ、標準偏差σを基準面と規定し、基準面(1σ)以下の部

PFA チューブ内表面の表面平滑性を検討する際はそ分を溝と定義して解析を行いました。図 3 中で青色にの溝の影響を考慮する必要があります。そこで、PFA塗りつぶされております部分が溝として評価される範

チューブ内表面の球晶と球晶の境界に存在する溝の囲になります。基準面を高さ分布ヒストグラムの平均体積の定量 化について検討を行 ったところ、技術的値とした場合では一部の球晶の頭頂部も溝の評価対知見が得られましたので、本稿にてご報告いたします。

象として含まれてしまい、また基準面を 2σとした場合
では溝のごく一部しか評価対象に含まれないのに対し、基準面を 1σとすることで球晶と球晶の境界に存在す

2. 球晶と球晶の境界に存在する溝の体積の数値化る溝が概ね評価対象になることがご覧いただけると思球晶と球晶の境界に存在する溝の体積の定量は、います。以上のように、ある一定の高さを基準面とする高分解能で広域計測かつ短時間の測定が可能な白のではなく、高さ分布から統計的に基準面を定めるこ

色干渉顕微鏡 VS1540 (日立ハイテク社製、垂直分解とにより、サンプル間の球晶サイズやそのばらつきに

能: 0.01 nm)を使用して評価を行いました。白色干渉顕影響されない溝の体積の評価を行いました。

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2020-112

図 3 球晶境界に存在する溝の定義(青色部分が統計的に算出された球晶境界の凹部、本稿では 1σ以下の凹部を溝と定義)

図 4 各 PFA 樹脂製チューブ内表面上における球晶と球晶の境界に存在する溝3. PFA 樹脂の各銘柄における溝の体積

4. 溝の体積の成形条件依存性

上記記載の手法で定義された白色干渉顕微鏡像のまた、溝の体積の成形条件依存性につきましても検討

溝を図 4 に示します。樹脂銘柄ごとに溝の出方に差がを行いました。球晶制御を行っていない樹脂銘柄であるあることが確認できました。また、表 2 に示すように樹PFA 450HP 樹脂について、弊社所有の押出成形機にて脂銘柄ごとに溝の体積にも差がでることが確認できましシリンダーの温度を 340℃にした条件と、360℃にした条た。さらに、図 5 に示すようにチューブ内表面上に存在件でチューブの押出を行い、上記と同様の手法で溝のする球晶のサイズを白色干渉顕微鏡の断面像から見積体積の算出を行いました。その結果を表 3 に示します。

もりますと、表 2 に示す通り溝の体積と球晶の直径とのPFA 450HP 製チューブについて 340℃及び 360℃で成間に正の相関が示されました。つまり、球晶サイズ微細形された場合の溝の体積を比較すると、より高温で成化品は、球晶サイズ微細化を行っていない製品よりも溝形された 360℃成形チューブが大きな溝の体積を示しまの体積が大幅に小さいことが明らかとなりました。

した。本結果は、高温で成形を行うことで、溶融樹脂が© 2020 Chemours-Mitsui Fluoroproducts Co.,Ltd.
2020-113表 2 算出された溝の体積と球晶サイズの関係

PFA チューブ

溝体積

球晶サイズ(1σ以下)
33/µm-2/10 µm mm

図 5 チューブ内表面の断面像から見積もられた球晶サイズ(例：PFA 450HP)

PFA 450HP

34.415～35

PFA 451HP

6.24～8PFA 951HP Plus

2.32～4

表 3 成形温度と算出された溝の体積の関係の境界にできる溝の体積を数値化することが可能となり(PFA 450HP 製チューブ)ました。その結果、球晶と球晶の境界にできる溝の体積

成形温度/℃

溝体積

球晶サイズ

は PFA 樹脂銘柄ごとに異なること、球晶が小さくなるほ(1σ以下)/µm

ど球晶と球晶の境界にできる溝の体積が小さくなること、成形温度が変わると溝の体積が変化することの三点が/103 µm3 mm-2わかりました。従って、PFA の表面平滑性を検討する際
340

18.3

15～25

は、球晶境界の溝を含んだ評価が必要であることを、本360

34.415～35

稿の結論とさせていただきます。

徐冷され、球晶サイズが大きくなったためであると考えられます。
本結果から、樹脂の銘柄だけでなく、同一銘柄であっても温度などの成形条件を変えることで球晶サイズが変わり、溝の体積にも影響することが確認できました。

5. まとめ
本稿で検討しました白色干渉顕微鏡を用いた視覚的に理解しやすい溝の観察および新たな解析手法の開発
によって、PFA チューブ内表面に形成される球晶と球晶

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