KR20060003006A - 울트라포빅 표면을 갖는 캐리어 - Google Patents

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KR20060003006A
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챨스 더블유. 익스트랜드
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 캐리어의 보다 효과적인 클리닝 및 건조를 증진시키기 위한 울트라포빅 표면을 구비한 캐리어를 제공한다. 본 발명에서, 캐리어의 전체 표면 또는 표면의 일부는 울트라포빅으로 제조된다. 캐리어의 울트라포빅 표면은 클리닝에 사용될 수 있는 바와 같이 표면과 접촉하는 액체가 액체 필름 또는 사실상 복수의 액체 물방울을 남겨두지 않으면서 신속하고 용이하게 "롤 오프(roll off)"되게 한다. 결국, 표면을 건조시키는 데 적은 시간 및 에너지가 소비되고, 재 침착된 잔류물을 최소화하여, 전체적인 공정의 질을 개선시킨다. 또한, 울트라포빅 표면은 오염물이 액체 또는 증기 형태일 수 있는 초기 오염물 증착에 저항할 수 있다.
반도체 웨이퍼, 울트라포빅, 오염물, 캐리어, 클리닝, 기판부, 거친 부분, 접촉 라인

Description

울트라포빅 표면을 갖는 캐리어{CARRIER WITH ULTRAPHOBIC SURFACES}
관련 출원
본 출원은, 전체적으로 본 발명에 참조로서 합체된, 미국 특허 출원 일련번호 제10/454,743호 및 발명의 명칭이 "고압 액체용 울트라포빅 표면"인 2003년 4월 15일자로 출원된 미국 가출원 일련번호 제60/462963호의 이점을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 정밀한 전자 부품용 캐리어, 특히 그 위에 울트라하이드로포빅(ultrahydrophobic) 또는 울트라료포빅(ultralyophobic) 표면이 형성된 캐리어에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 또는 다른 정밀한 전자 부품을 유용한 제품에 형성하기 위한 공정에는 높은 수준의 정밀성 및 청결성을 필요로 한다. 이러한 제품은 복잡성 및 소형화가 증가하게 되고, 오염에 대한 관심이 증가하고 있다. 오염 문제는 "클린룸(clean room)"으로서 공지된 제어식 제작 환경을 구비함으로써 감소된다. 이러한 클린룸은 기술적으로 그리고 경제적으로 실행가능한 범위에서 화학적 그리고 미립자 오염으로부터 방지된다.
클린룸이 사실상 주변 공기에서 발견되는 대부분의 오염물을 제거하더라도, 종종 동일한 클린룸 환경에서 부품을 완전하게 처리할 수 없거나 또는 이러한 처리 가 적절하지 않을 수 있다. 또한, 모든 오염 및 오염 물질이 제거되는 것은 아니다. 이러한 이유 및 다른 이유로, 정밀한 전자 부품은 보호 캐리어를 사용하여 이송되고, 저장되어 벌크(bulk)로 조립된다. 구체적인 캐리어의 예는, 모두 본 발명의 소유자에게 양도된 미국 특허 제6,439,984호, 제6,428,729호, 제6,039,186호, 제6,010,008호, 제5,485,094호, 제5,944,194호, 제4,815,601호, 제5,482,161호, 제6,070,730호, 제5,711,427호, 제5,642,813호 및 제3,926,305호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 본 발명에 참조로서 합체된다. 본 발명의 목적을 위해, 용어 "캐리어"는 H-바 웨이퍼 캐리어, 전방 개구 단일식 퍼드(Front Opening Unified Pods; FOUPs) 및 표준 기계식 인터페이스 퍼드(Standard Mechanical Interface Pods; SMIFs)와 같은 반도체 웨이퍼 캐리어; 래티클(reticle) 캐리어; 및 저장, 수송, 조립과, 일반적으로 하드 드라이브 디스크 및 다른 갖가지 기계적 장치와 같은 소형 전자 부품의 보유를 위한 마이크로 전자 산업에 사용되는 다른 캐리어를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
오염 및 오염 물질은 많은 상이한 방식으로 생성될 수 있다. 예컨대, 미립자는 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어로 삽입되거나 이로부터 제거될 때, 그리고 도어가 캐리어에 부착되거나 또는 이로부터 제거될 때에 웨이퍼에 기계적으로 생성될 수 있거나, 상이한 처리 액체와 반응하여 화학적으로 생성될 수 있다. 또한, 오염은 캐리어 자체 상에 가스 제거의 결과일 수 있거나, 인간의 활동으로 인한 생물학적인 결과일 수 있거나, 캐리어의 부적당하거나 완전치 않은 세척의 결과일 수도 있다. 오염은 또한 처리 중에 스테이션들 사이에서 이송될 때 캐리어의 외부에서 발생될 수 있다.
처리 오염 및 오염 물질은 캐리어의 주기적인 세척 및 클리닝에 의해 감소될 수 있다. 전형적으로, 캐리어는 그 내부 및 외부면이 세척 액체의 쇄도 또는 분사를 받게 되는 클리닝 장치에 배치됨으로써 오염 및 오염 물질이 세척된다. 세척 단계 이후, 현저한 양의 액체가 캐리어 상에 남게 된다. 이러한 잔류 액체는 전형적으로 건조 가스의 증기 또는 원심 스피닝에 의해 건조된다.
캐리어는 종종 건조시키기 힘든 복잡한 표면 배치를 갖는다. 또한, 클리닝 액체의 잔류량은 세척 단계 이후 필름과 같은 캐리어의 표면 또는 갖가지 작은 물방울로 부착될 수 있다. 잔류 클리닝 액체에 보유된 임의의 오염물은 액체가 건조될 때 표면 상에 재침착될 수 있어, 캐리어가 재사용될 때 오염물의 이월을 야기시킬 수 있다. 결국, 처리 효율 및 효과는 전체적으로 감소된다.
감소된 수준의 잔류 처리 오염물을 갖는 캐리어의 보다 효과적인 세척 및 건조를 증진시키는 특징을 갖는 캐리어가 본 기술 분야에서 여전히 필요로 하고 있다.
본 발명은 캐리어의 보다 효과적인 클리닝 및 건조를 증진시키기 위한 울트라포빅 표면을 구비한 캐리어를 포함한다. 본 발명에서, 캐리어의 전체 표면 또는 표면의 일부는 울트라포빅으로 제조된다. 캐리어의 울트라포빅 표면은, 클리닝에 사용될 수 있는 바와 같이 표면과 접촉하는 액체가 액체 필름 또는 사실상 복수의 액체 물방울을 남겨두지 않으면서 신속하고 용이하게 "롤 오프(roll off)"되게 한다. 결국, 표면을 건조시키는 데 적은 시간 및 에너지가 소비되고, 재침착된 잔류물을 최소화하여, 전체적인 공정 품질을 개선시킨다. 또한, 울트라포빅 표면은 오염물이 액체 또는 증기 형태일 수 있는 초기 오염물 증착에 대한 저항성을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 울트라포빅 표면은 기판 상에 나노스케일 거친 부분(nanoscale asperity)으로 형성된 복수의 밀접하게 이격된 마이크로스케일을 포함한다. 본 출원의 목적을 위해, "마이크로스케일"은 일반적으로 100 마이크로미터보다 작은 치수를 언급하고, "나노스케일"은 일반적으로 100 나노미터보다 작은 치수를 언급한다. 상기 표면은 임의의 소정 압력값까지 울트라포빅 특성을 유지하도록 설계된다. 상기 거친 부분은 하기 식에 따라 결정된 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 이보다 큰 미터당 접촉 라인의, 미터 단위로 측정된 소정의 접촉 라인 밀도를 갖는다.
Figure 112005058108214-PCT00001
여기서, P는 소정의 압력값이고, γ는 액체의 표면 장력이고, θa,o는 도 단위의 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이다. 상기 소정의 압력값은 캐리어의 클리닝 또는 사용 중에 겪게 될 것으로 예측되는 예상 액체 압력보다 크도록 선택될 수 있다.
거친 부분은 기판의 표면 상에 배치된 하나 이상의 재료 층에 또는 기판 재료 자체에 형성될 수 있다. 거친 부분은 임의의 규칙적인 또는 불규칙적으로 형성된 3차원 고형체 또는 공동일 수 있고 규칙적인 기하학적 패턴 또는 불규칙적으로 배치될 수 있다. 상기 거친 부분은 사진 석판술을 사용하거나 또는 나노머시닝, 마이크로스탬핑, 마이크로접촉 프린팅, 금속 콜로이드 모노층 자체 조립, 원자력 현미경 나노머시닝, 졸-겔 성형, 자체 조립 모노층 지향 패터링, 화학적 에칭, 졸-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크에 의한 프린팅을 사용하거나, 또는 기판 상에 평행한 탄소 나노튜브의 층을 침착시킴으로써 형성될 수 있다.
대안적으로, 불규칙적으로 패턴 형성된 표면은 화학적 증착(CVD)을 포함하는 종래의 다양한 공정에 의해 제작될 수 있다.
또한, 본 발명은 소정 압력값에 이르는 액체 압력에서 울트라포빅 특성을 갖는 표면을 구비한 캐리어를 제조하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 공정은 거친 부분 상승각을 선택하는 단계와, 하기 식에 따라 임계 접촉 라인 밀도 "ΛL"를 결정하는 단계와, 기판부를 갖는 캐리어를 제공하는 단계와, 상기 표면이 임계 접촉 라인 밀도와 동일하거나 또는 이보다 큰 실제 접촉 라인을 갖도록 기판부 상에 복수의 돌출식 거친 부분을 형성하는 단계를 포함한다.
Figure 112005058108214-PCT00002
여기서, P는 소정 압력값이고, γ는 액체의 표면 장력이고, θa,o는 도 단위의 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 거친 부분 상승각이다.
상기 공정은 하기 식에 따라 미터 단위의 임계 거친 부분 높이값 "Zc"을 결정하는 단계를 더 포함한다.
Figure 112005058108214-PCT00003
여기서, d는 인접 거친 부분들 사이의 미터 단위의 거리이며, θa,o는 도 단위의 표면 상의 액체의 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이다.
도1a는 본 발명에 따라 그 위에 울트라포빅 표면을 갖는 캐리어의 일 실시예의 사시도이다.
도1b는 본 발명에 따라 그 위에 울트라포빅 표면을 갖는 캐리어의 다른 실시예의 사시도이다.
도1c는 본 발명에 따라 그 위에 울트라포빅 표면을 갖는 캐리어의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도1d는 본 발명에 따라 그 위에 울트라포빅 표면을 갖는 캐리어의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도1e는 복수의 나노/미크로 스케일 거친 부분이 직사각형 어레이로 배치된 본 발명에 따른 울트라포빅 표면의 확대 사시도이다.
도2는 도1의 표면의 일부의 평면도이다.
도3은 도2에 도시된 표면부의 측단면도이다.
도4는 거친 부분이 육각형 어레이로 배치된 본 발명의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도5는 도4의 다른 실시예의 측단면도이다.
도6은 거친 부분들 사이에 부유된 액체의 편향을 도시한 측단면도이다.
도7은 거친 부분 상부에 부유하고 있는 액체의 양을 도시한 측단면도이다.
도8은 거친 부분들 사이의 공간의 바닥에 접촉하고 있는 액체를 도시한 측단면도이다.
도9는 거친 부분 상승각이 예각인 본 발명의 다른 실시예에서의 단일 거친 부분의 측단면도이다.
도10은 거친 부분 상승각이 둔각인 본 발명의 다른 실시예에서의 단일 거친 부분의 측단면도이다.
도11은 거친 부분이 원통형이고 직사각형 어레이로 배치된 본 발명의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도12는 도11의 다른 실시예의 측단면도이다.
도13은 다양한 거친 부분 형상 및 배치에 대한 접촉 라인 밀도의 테이블 리스팅 식이다.
도14는 본 발명의 다른 실시예의 측단면도이다.
도15는 도14의 다른 실시예의 평면도이다.
도16은 본 발명의 다른 실시예에서의 단일 거친 부분의 평면도이다.
도1a는 예시적 형태로, 본 발명에 따른 캐리어(12)의 일 실시예를 도시한다. 캐리어(12)는 일반적으로 상부(14a), 바닥부(14b), 한 쌍의 대향 측면(14c, 14d), 배면(14e) 및 개방 전방부(14f)를 갖는 엔클로저(enclosure; 14) 형태의 본체부(13)를 포함한다. 개방 전방부(14f)는 도어(15)에 의해 선택적으로 폐쇄가능할 수 있다. 엔클로저(14) 내에서, 웨이퍼 지지부(17)의 형태인 하나 이상의 장치 지지부(16)는 서로에 대해 평행하게 이격된 관계로 웨이퍼를 지지하도록 구비된다. 캐리어(12)는, 예컨대 운동학적 커플링부(18) 및 로봇형 취급 플랜지(19)와 같은 처리에 그 사용을 용이하게 하기 위한 다른 부품 또는 부분을 가질 수 있다.
울트라포빅 표면(20)은 캐리어(12)의 전체면 또는 임의의 소정부 상에 형성될 수 있다. 따라서, 울트라포빅 표면은 캐리어(12)의 임계 위치에 위치될 수 있고, 다른 부분은 종래의 표면을 가질 수 있다. 울트라포빅 표면(20)은 다양한 구성으로 형성될 수 있고, 이하에 설명한 바와 같이 다양한 처리에 사용될 수 있다.
다양한 다른 캐리어의 실시예는 도1b 내지 도1d에 도시한다. 이러한 실시예들 각각에서, 울트라포빅 표면(20)은 캐리어(12) 상에 요구되는 곳에 형성될 수 있다.
액체에 의한 습윤 방지면은 액체가 물일 때 하이드로포빅으로서 언급될 수 있고, 다른 액체에 대해서는 료포빅으로서 언급될 수 있다. 상기 표면은 일반적으로 이 표면이, (약 20도보다 작은) 낮은 접촉각 이력값과 결합된 (약 120도보다 큰 ) 표면을 갖는 액체 액적의 매우 높은 강화 접촉각, 액체 물방울을 보유하도록 현저하게 감소된 표면의 경향, 또는 상기 표면인 완전하게 액체에 침지되었을 때 상기 표면에 액체-가스-고체 인터페이스가 존재하는 특징을 갖는 범위에서 습윤되는 것이 방지되는 경우 울트라하이드로포빅 또는 울트라료포빅 표면으로서 언급될 수 있다. 본 출원의 목적을 위해, 용어, 울트라포빅은 일반적으로 울트라하이드로포빅 및 울트라료포빅 표면을 언급하는 데 사용된다.
본 발명에 따른 울트라포빅 표면(20)의 하나의 양호한 실시예의 확대도가 도1e에 도시된다. 표면(20)은 일시적으로 다중 돌출 거친 부분(24)을 갖는 기판(22)을 포함한다. 각각의 거친 부분(24)은 복수의 측면(26) 및 상부(28)를 갖는다. 각각의 거친 부분(24)은 도면에서 "x"로 표시한 폭 치수와, 도면에서 "z"로 표시한 높이 치수를 갖는다.
도1e 내지 도3에서 도시된 바와 같이, 거친 부분(24)은 규칙적인 직사각형 어레이로 도시되며, 각각의 거친 부분은 도면에서 "y"로 표시한 이격 치수로 인접한 거친 부분과 이격되어 배치된다. 거친 부분(24)의 상부 에지(30)에 대한 각도는 φ로 표시되고, 기판(22)에 대한 거친 부분(24)의 측면(26)의 상승각은 ω로 표시된다. 각도 φ와 ω의 합은 180도이다.
일반적으로, 표면(20)은 액체-고체-가스 인터페이스가 표면에서 유지될 때 울트라포빅 특성을 나타낸다. 도7에 도시된 바와 같이, 액체(32)가 거친 부분(24)의 상부 에지(30)에 인접한 측면(26)의 부분 및 상부(28)와만 접촉하여 공기 또는 다른 가스로 충전된 거친 부분들 사이의 공간(34)에서 제거된다면, 필요한 액체-고 체-가스 인터페이스가 나타난다. 상기 액체는 거친 부분(24)의 상부 에지들 사이 그리고 그 위에서 "부유"하게 된다.
이하 설명하는 바와 같이, 액체-고체-가스 인터페이스의 형성은 거친 부분(24)의 밀접한 관계의 기하학적 파라미터 및 액체의 특성에 따라 달라진다. 본 발명에 따라, 거친 부분(24)의 기하학적 특성은 기판(20)이 임의의 소정 압력에서 울트라포빅 특성을 나타내도록 선택될 수 있다.
도1e 내지 도3의 직사각형 어레이를 참조할 때, 표면(20)은 각각의 거친 부분(24)을 둘러싸는 점선으로 경계지어져서 도시된 균일한 영역(36)으로 분할될 수 있다. 각각의 균일한 영역(36)에서 거친 부분(δ)의 면적 밀도는 다음의 식으로 설명될 수 있다.
Figure 112005058108214-PCT00004
(1)
여기서, y는 미터 단위로 측정된 거친 부분들 사이의 간격이다.
도1e 내지 도3에 도시된 바와 같은 사각형 단면을 갖는 거친 부분(24)에 대해, 상부 에지(30)에서 상부(28)의 주변부(p)의 길이는
p = 4x (2)
이며, 여기서 x는 미터 단위의 거친 부분 폭이다.
주변부(p)는 액체-고체-가스 인터페이스의 위치를 한정하는 "접촉 라인"으로서 언급될 수 있다. 표면의 단위 영역당 접촉 라인의 길이인 표면의 접촉 라인 밀도(Λ)는 거친 부분(δ)의 영역 밀도와 주연부(p)의 곱이다.
Λ = p δ (3)
도1e 내지 도3에 도시된 사각형 거친 부분의 직사각형 어레이에 대해,
Λ = 4x/y2이다. (4)
액체에 작용하는 중력에 의해 본체력(F)이 거친 부분의 접촉 라인에 작용하는 표면력(f)보다 적은 경우 액체의 양은 거친 부분(24) 상에 부유하게 된다. 중력과 관련된 본체력(F)은 다음의 식에 따라 결정될 수 있다.
F = ρgh (5)
여기서, g는 액체의 밀도(ρ)이고, (g)는 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 액체의 깊이이다. 따라서, 예를 들어 1000 kg/㎥의 대략적인 밀도를 갖는 물의 10 미터 컬럼에 대해, 본체력(F)은
F = (1000 kg/m3)(9.8 m/s2)(10m) = 9.8 x 104 kg/m2-s 이다.
한편, 표면력(f)는 액체의 표면 장력, 수직(θs)에 대해 거친 부분(24)의 측면(26)과의 외형상 접촉각, 거친 부분(Λ)의 접촉 라인 밀도 및 액체(A)의 외형상 접촉 영역에 따라 달라진다.
f = - Λ A γ cos θs (6)
주어진 고체 재료 상의 액체의 실제 진행된 접촉각(θa,o)은 본질적으로 거친 부분을 갖지 않은 재료의 표면 상의 액체의 가장 큰 실험적으로 측정된 고정식 접촉각으로서 정의된다. 실제 진행 접촉각은 본 기술 분야의 공지된 기술에 의해 용 이하게 측정가능하다.
거친 부분을 갖는 표면 상의 부유 물방울은 거친 부분 측면에서 실제 진행 접촉각 값(θa,o)을 나타낸다. 거친 부분(θs)의 측면에서의 수직에 대한 접촉각은 다음과 같이 φ 또는 ω에 의해 실제 진행 접촉각(θa,0)과 관련있다.
θs = θa,o + 90°- φ = θa,o + ω - 90° (7)
F 및 f를 여산하고, 접촉 라인 밀도(Λ)를 구함으로써, 임계 접촉 라인 밀도 파라미터(ΛL)는 표면에서의 울트라포빅 특성을 예견하기 위해 측정될 수 있다.
Figure 112005058108214-PCT00005
(8)
여기서, g는 액체의 밀도(ρ)이고, (g)는 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 액체의 깊이이고, (γ)는 액체의 표면 장력이고, ω는 도 단위의 표면에 대한 거친 부분의 측면의 상승각이고, (θa,0)는 도 단위의 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이다.
만일 Λ > ΛL인 경우, 액체는 거친 부분(24)의 상부에 부유하여 울트라포빅 표면을 생성한다. 그렇지 않고, Λ < ΛL인 경우, 액체는 거친 부분 위에서 붕괴되어 표면에서의 접촉 인터페이스는 울트라포빅 특성없이 액체/고체로만 된다.
상기 주어진 식의 분자에서 사용값을 대체함으로써, 임계 접촉 라인 밀도의 값은 소정의 압력량에서 울트라포빅 특성을 유지하는 표면을 설계하도록 결정될 수 있다는 점을 알 수 있다. 상기 방정식은
Figure 112005058108214-PCT00006
(9)
으로서 일반화될 수 있다.
여기서, P는 상기 표면이 평방미터당 킬로그램 단위로 울트라포빅 특성을 나타내는 상태에서의 최소 압력이고, γ는 미터당 뉴턴(Newton) 단위의 액체의 표면 장력이고, θa, 0는 도 단위의 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이다.
상기 관련에 따라 형성된 표면(20)은 상기 식(9)에 사용된 P의 값을 포함하고 임의의 액체 압력 값이 이를 넘은 상태에서 울트라포빅 특성을 나타낸다는 점이 일반적으로 예견된다. 울트라포빅 특성은 상기 표면이 침지되어 액체의 제트 또는 분사를 받던지 또는 개별적인 물방울에 충격을 받을지는 나타낼 수 있다. 압력값(P)은 캐리어가 사용 또는 클리닝 중에 받게 되는 가장 큰 예견 액체 또는 증기압보다 크도록 선택될 수 있다는 점을 용이하게 알 수 있다.
P의 값은 허용 오차의 변화 및 다른 이러한 요인으로 인한 표면에서의 예견된 불연속성보다 순간적으로 또는 국부적으로 높을 수 있는 압력을 설명하기 위한 적절한 안전 인자를 제공하도록 선택되어야 한다는 것을 일반적으로 알 수 있다.
표면(20)은 액체 접촉이 표면 상의 물방울 형태인 매우 낮은 값의 P일 경우, P의 값은 액체의 균일한 층의 반대로 물방울의 작은 외관상 접촉 영역을 설명하도록 선택되어야 한다. 일반적으로, 표면 상의 작은 물방울의 평방미터 단위의 외관 상 접촉 영역(A)은 다음과 관계로 얻어진다.
Figure 112005058108214-PCT00007
(10)
여기서, V는 입방미터 단위의 물방울의 체적이고, θa는 표면 상의 물방울의 외관상 진행 접촉각이다. 상기 표면 상에 물방울을 부유시키기 위한 임계 접촉 라인 밀도(ΛL) 파라미터는
Figure 112005058108214-PCT00008
(11)
이 된다.
여기서, V는 입방미터 단위의 물방울의 체적이고, g는 액체의 밀도(ρ)이고, (g)는 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 액체의 깊이이고, (γ)는 액체의 표면 장력이고, ω는 도 단위의 기판에 대한 거친 부분의 측면의 상승각이고, θa는 표면 상의 물방울의 외관상 진행 접촉각이고, (θa,o)는 도 단위의 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이다. 식(11)은 상기 표면이 물방울을 부유시키는 것을 보장하도록 저압 울트라포빅 표면을 위해 선택된 P의 값을 확인하는 데 사용될 수 있다.
일단 임계 접촉 라인 밀도의 값이 측정되면, 거친 부분의 기하학적 나머지 상세 부분은 접촉 라인 밀도에 대한 방정식에서 주어진 x 및 y의 관계에 따라 결정 될 수 있다. 다시 말해서, 상기 표면의 기하학적 형상은 접촉 라인 방정식에서 x 또는 y의 값을 선택하고 다른 변수를 풀어서 결정될 수 있다.
상기 액체 인터페이스는 도6에 도시된 바와 같이 양(D1)만큼 인접한 거친 부분 사이에서 하향 편향된다. 양(D1)이 거친 부분(24)의 높이(z)보다 클 경우, 액체는 거친 부분(24)들 사이의 지점에서 기판(22)과 접촉한다. 이러한 상황이 발생하게 되면, 액체는 공간(34)으로 견인되고, 거친 부분 위에서 붕괴되어 표면의 울트라포빅 특성은 파괴된다. D1의 값은 임계 거친 부분 높이(Zc)를 나타내며, 다음의 식에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112005058108214-PCT00009
(12)
여기서, (d)는 인접 거친 부분들 사이의 거리이고, ω는 거친 부분 상승각이고, θa,o는 거친 부분 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이다. 거친 부분(24)의 높이(z)는 임계 거친 부분 높이(Zc)와 적어도 동등하여야 하고 바람직하게는 이보다 커야한다.
도1e 내지 도3에서 거친 부분 상승각(ω)이 90도이더라도, 다른 거친 부분 기하학적 형상이 가능하다. 예컨대, ω는 도9에 도시된 바와 같이 예각일 수 있거나 도10에 도시된 바와 같이 둔각일 수 있다. 일반적으로, ω는 90도와 130도 사이인 것이 바람직하다.
또한, 매우 다양한 거친 부분 형상 및 배치가 본 발명의 범위 내에서 가능하 다는 점을 알 수 있다. 예컨대, 거친 부분은 도11 및 도12에 도시된 바와 같이 다면체, 원통형일 수 있거나 또는 다른 적절한 삼차원 형상일 수 있다. 또한, 다양한 방식이 거친 부분의 접촉 라인 밀도를 최대화하는 데 사용될 수 있다. 도14 및 도15에 도시된 바와 같이, 거친 부분(24)에는 기부(38) 및 헤드부(40)가 형성될 수 있다. 상부 에지(30)에서 헤드부(40)의 큰 주연부는 표면의 접촉 라인 밀도를 증가시킨다. 또한, 리세스(42)와 같은 특징은 상부 에지(30)에서 주연부를 증가시키기 위해 도16에 도시된 바와 같이 거친 부분(24)에 형성될 수 있어, 접촉 라인 밀도를 증가시킨다. 거친 부분은 또한 기판에 형성된 공동일 수 있다.
거친 부분은 상기 설명한 바와 같이 직사각형 어레이로, 도4 및 도5에 도시된 육방 어레이와 같은 다각형 어레이 또는 원형 또는 알모양 배치로 배치될 수 있다. 또한, 상기 거친 부분은 임계 접촉 라인 밀도가 유지되는 한 무작위로 분포될 수 있고, 이러한 무작위 배치가 적은 예견가능한 울트라포빅 특성을 가질 수 있더라도 덜 바람직하다. 이러한 거친 부분의 무작위 배치에서, 임계 접촉 라인 밀도 및 다른 관련 파라미터는 표면에 대한 평균과 같이 개념화될 수 있다. 도13의 테이블에서, 다양한 다른 거친 부분 형상 및 배치에 대한 접촉 라인 밀도 계산용 식이 리스트화되어 있다.
일반적으로, 기판 재료는 캐리어가 사용되는 처리 환경에서 사용하기에 적절하고, 마이크로 또는 나노 스케일 거친 부분이 적절하게 형성될 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 거친 부분은 사진 석판술 또는 임의의 다양한 적절한 방법에 의해 기판 재료 자체에서, 기판 재료에 침착된 다른 재료의 하나 이상의 층에서 직접적 으로 형성될 수 있다. 마이크로/나노 스케일 거친 부분에 적절할 수 있는 사진석판술 방법은 PCT 특허 출원 공개 WO 02/084340호에 개시되며, 전체적으로 본 발명에 참조로서 합체된다.
다른 방법이 미국 특허 출원 공개 제2002/00334879호에 개시된 나노 머시닝과, 미국 특허 제5,725,788호에 개시된 마이크로스탬핑, 미국 특허 제5,900,160호에 개시된 마이크로접촉 프린팅, 미국 특허 제5,609,907호에 개시된 금속 콜로이드 모노층 자체 조립, 미국 특허 제6,444,254호에 개시된 마이크로스탬핑, 미국 특허 제5,252,835호에 개시된 원자력 현미경 나노 머시닝, 미국 특허 제6,403,388호에 개시된 나노 머시닝, 미국 특허 제6,530,554호에 개시된 졸-겔 성형, 미국 특허 제6,518,168호에 개시된 표면 자체 조립 모노층 지향 패터링, 미국 특허 제6,541,389호에 개시된 화학적 에칭 또는 미국 특허 출원 공개 제2003/0047822호에 개시된 졸-겔 스탬핑을 포함하는 소정 형상 및 이격 거친 부분 형성에 적절할 수 있으며, 이들은 모두 전체적으로 본 발명에 참조로서 합체된다. 탄소 나노튜브는 소정의 거친 부분 기하학적 형상을 형성하는 데 사용가능하다. 탄소 나노튜브 구조체의 예는 미국 특허 출원 공개 제2002/0098135호 및 제2002/0136683호에 개시되며, 이들은 모두 본 발명에 참조로서 합체된다. 또한, 적절한 거친 부분 구조체는 콜로이드 잉크로 프린팅하는 종래의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 물론, 마이크로/나노 스케일 거친 부분이 요구되는 정밀한 정도로 형성될 수 있게 하는 임의의 다른 방법이 사용될 수도 있다.
몇몇 적용예에서, 특히 캐리어가 고유압을 받지 않을 경우 또는 상기 표면이 표면 상에 침착 또는 응축될 수 있는 액체의 방울을 반발시킬 수 있는 경우, 울트라포빅 표면(20)은 공지된 화학적 증착 기술을 사용하여 인가된 폴리머 코팅으로 형성될 수 있다. 예를 들어, PFA, PTFE의 얇은 층 또는 다른 폴리머 재료는 가스 상 중합을 사용하여 캐리어의 폴리카보네이트 표면에 인가될 수 있다. 최종 울트라포빅 표면(20)은 PFA 재료로 형성된 무작위 형상을 갖고 배치된 거친 부분으로 일반적으로 특징지어질 수 있으며, 저유압에서 울트라포빅일 수 있다.
저유압 적용예에 대한 다른 실시예에서, 플랙탈(Fractal) 울트라포빅 표면은 기판 상의 재료 층으로서 형성될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 알킬케텐 2량체(alkylketene dimer; AKD) 또는 유사한 재료의 층은 폴리머 기판 상에 용융되거나 주입될 수 있고 질소 가스 대기에서 경화되는 것을 허용한다. AKD 표면 형성하기 위한 하나의 적절한 방법은 1996년 5월 1일자, 제12권 9호의 페이지 2125의 랭뮤어(Langmuir)의 "슈퍼 방수 플랙탈면"의 명칭의 논문에서 티. 온다(T. Onda)에 의해 보다 충분하게 설명되며, 이 논문은 전체적으로 본 발명에 참조로서 합체된다.
저유압 적용예에 적절한 다른 실시예에서, 폴리프로필렌과 같은 폴리머 재료는 p-크실렌과 같은 용제에 용해될 수 있다. 메틸 에틸 케톤과 같은 비-용제의 양은 용액에 부가될 수 있고, 캐리어 기판 상에 침착된 용액에 부가될 수 있다. 상기 용제가 증발될 때, 다공성 겔형 울트라포빅 표면 구조체가 나타나게 된다.
상기 폴리머 층들 각각에서, 최종면은 일반적으로 무작위 형상으로 배치된 마이크로미터 스케일 거친 부분으로 특징지어진다. 이러한 표면에 대한 실제 접촉 라인 밀도 및 임계 접촉 라인 밀도 값은 개별적인 거친 부분의 변동으로 인해 결정 하기 어렵더라도, 이러한 표면들은 상기 표면에 대한 접촉 라인 밀도 값이 상기 표면에 대한 임계 접촉 라인 밀도와 동일하거나 또는 이를 초과하는 경우 이들 표면은 울트라포빅 특성을 나타낸다. 이러한 표면에 대해, 실제 접촉 라인 밀도는 본질적으로 각각의 거친 부분의 치수 및 기하학적 형상의 다양성으로 인해 표면의 평균값이다. 또한, 식(9) 및 식(11)에서의 거친 부분 상승각(ω)은 표면에 대한 평균값이어야 한다.
본 발명은 그 기술 사상 또는 필수적인 특징 내에서 다른 특정 형태로 실시될 수 있고, 따라서 본 발명의 실시예는 모든 면에서 제한적이지 않고 예시적인 것으로 고려되어야 한다.

Claims (26)

  1. 제품용 캐리어이며,
    표면을 갖는 기판부를 구비한 본체를 포함하며,
    상기 표면의 적어도 일부는 울트라포빅 표면을 형성하기 위해 그 위에 복수의 사실상 균일하게 형성된 거친 부분을 갖고, 각각의 거친 부분은 기판부에 대한 공통의 거친 부분 상승각을 갖고, 거친 부분은 울트라포빅 표면이 하기 식에 따라 결정된 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 또는 이보다 큰 표면적의 평방미터당 접촉 라인의 미터 단위로 측정된 접촉 라인 밀도를 형성하도록 위치되며,
    Figure 112005058108214-PCT00010
    여기서, γ는 미터당 뉴턴 단위의 표면과 접촉하는 액체의 표면 장력이고, θa,o은 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이고, P는 미터당 킬로그램 단위의 소정의 액체 압력값이며,
    울트라포빅 표면은 소정의 액체 압력값을 포함하고 이에 이르는 액체 압력의 액체와의 액체-고체-가스 인터페이스를 나타내는 제품용 캐리어.
  2. 제1항에 있어서, 거친 부분은 돌출부인 제품용 캐리어.
  3. 제2항에 있어서, 거친 부분은 다면체 형상인 제품용 캐리어.
  4. 제2항에 있어서, 각각의 거친 부분은 일반적으로 사각형 횡단면을 갖는 제품용 캐리어.
  5. 제2항에 있어서, 거친 부분은 원통형 또는 곡선주 형상인 제품용 캐리어.
  6. 제1항에 있어서, 거친 부분은 기판에 형성된 공동인 제품용 캐리어.
  7. 제1항에 있어서, 거친 부분은 사실상 균일한 어레이로 위치되는 제품용 캐리어.
  8. 제7항에 있어서, 거친 부분은 직사각형 어레이로 배치되는 제품용 캐리어.
  9. 제1항에 있어서, 거친 부분은 기판부에 대한 사실상 균일한 거친 부분 높이를 갖고, 거친 부분 높이는 하기 식에 따라 결정된 미터 단위의 임계 거친 부분 높이값 "Zc"보다 크며,
    Figure 112005058108214-PCT00011
    여기서, d는 인접 거친 부분들 사이의 미터 단위의 거리이고, θa,o는 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각인 제품용 캐리어.
  10. 울트라포빅 표면부를 갖는 캐리어 제조 방법이며,
    외부면을 갖는 기판을 포함하는 캐리어를 제공하는 단계와,
    기판의 외부면상에 복수의 사실상 균일한 형상의 거친 부분을 형성하는 단계를 포함하며,
    각각의 거친 부분은 기판부에 대한 공통의 거친 부분 상승각을 갖고, 거친 부분은 표면이 하기 식에 따라 결정된 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 이보다 큰 표면의 평방미터당 접촉 라인의 미터 단위로 측정된 접촉 라인 밀도를 갖고,
    Figure 112005058108214-PCT00012
    여기서, γ는 미터당 뉴턴 단위의 표면과 접촉하는 액체의 표면 장력이고, θa,o는 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이고, P는 미터당 킬로그램 단위의 소정의 액체 압력값이며,
    울트라포빅 표면은 소정의 액체 압력값을 포함하고 이에 이르는 액체 압력의 액체와의 액체-고체-가스 인터페이스를 나타내는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 거친 부분은 사진 석판술로 형성되는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 거친 부분은 나노머시닝, 마이크로스탬핑, 마이크로접촉식 프린팅, 금속 콜로이드 모노층 자체 조립, 원자력 현미경 나노머시닝, 졸-겔 성형, 자체 조립 모노층 지향 패터닝, 화학적 에칭, 졸-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크에 의한 프린팅, 및 기판상에 평행한 탄소 나노튜브의 층의 침착으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 형성되는 방법.
  13. 소정의 압력값에 이르는 액체 압력에서 울트라포빅 특성을 갖는 표면을 구비한 캐리어를 제작하기 위한 방법이며,
    거친 부분 상승각을 선택하는 단계와,
    하기 식에 따라 임계 접촉 라인 밀도 "ΛL"를 결정하는 단계와,
    기판부를 갖는 캐리어를 제공하는 단계와,
    표면이 임계 접촉 라인 밀도와 동일하거나 또는 이보다 큰 실제 접촉 라인을 갖도록 기판부 상에 복수의 돌출형 거친 부분을 형성하는 단계를 포함하며,
    Figure 112005058108214-PCT00013
    여기서, P는 소정의 압력값이고, γ는 액체의 표면 장력이고, θa,o는 도 단 위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 거친 부분 상승각인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 거친 부분은 사진 석판술을 사용하여 형성되는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 거친 부분은 나노머시닝, 마이크로스탬핑, 마이크로접촉식 프린팅, 금속 콜로이드 모노층 자체 조립, 원자력 현미경 나노머시닝, 졸-겔 성형, 자체 조립 모노층 지향 패터닝, 화학적 에칭, 졸-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크에 의한 프린팅를 사용하거나 또는 기판상에 평행한 탄소 나노튜브의 층의 침착에 의해 형성되는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 거친 부분에 대한 기하학적 형상을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 거친 부분에 대한 어레이 패턴을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제13항에 있어서, 거친 부분에 대한 적어도 하나의 치수를 선택하는 단계와, 접촉 라인 밀도에 대한 방정식을 사용하여 거친 부분에 대한 적어도 다른 하나의 치수를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제13항에 있어서, 하기 식에 따라 미터 단위의 임계 거친 부분 높이값 "Zc"을 결정하는 단계를 더 포함하며,
    Figure 112005058108214-PCT00014
    여기서, d는 인접 거친 부분들 사이의 미터 단위의 거리이며, θa,o는 도 단위의 표면상의 액체의 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각인 방법.
  20. 제품용 캐리어이며,
    기판과 기판상의 폴리머 외부층을 갖는 본체를 포함하며,
    외부층은 액체와 접촉하기 위한 울트라포빅 표면을 그 위에 형성한 복수의 거친 부분을 구비한 표면을 갖고, 거친 부분은 표면이 하기 식에 따라 결정된 임계 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 이보다 큰 평균 접촉 라인 밀도를 갖도록 분포되며,
    Figure 112005058108214-PCT00015
    여기서, γ는 미터당 뉴턴 단위의 표면과 접촉하는 액체의 표면 장력이고, θa,o는 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각 이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이고, P는 미터당 킬로그램 단위의 소정의 액체 압력값이며,
    울트라포빅 표면은 소정의 액체 압력값을 포함하고 이에 이르는 액체 압력의 액체와의 액체-고체-가스 인터페이스를 나타내는 제품용 캐리어.
  21. (삭제)
  22. 제품용 캐리어이며,
    기판과 기판상의 폴리머 외부층을 갖는 본체를 포함하며,
    외부층은 물방울 형태인 액체와 접촉하기 위한 울트라포빅 표면을 그 위에 형성한 복수의 거친 부분을 구비한 표면을 갖고, 거친 부분은 표면이 임계 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 이보다 큰 평균 접촉 라인 밀도를 갖도록 분포되고,
    Figure 112005058108214-PCT00016
    여기서, V는 입방미터 단위의 물방울의 체적이고, g는 입방미터당 킬로그램 단위의 액체의 밀도(ρ)이고, (g)는 제곱초당 미터 단위의 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 미터 단위의 액체의 깊이이고, (γ)는 미터당 뉴턴 단위의 액체의 표면 장력이고, ω는 도 단위의 기판에 대한 거친 부분의 측면의 평균 상승각이고, θa는 표면상의 물방울의 외관상 진행 접촉각이고, (θa,o)는 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각인 제품용 캐리어.
  23. 제20항에 있어서, 폴리머 외부층은 플루오르폴리머를 포함하는 제품용 캐리어.
  24. 제20항에 있어서, 폴리머 외부층은 알킬케텐 2량체를 포함하는 제품용 캐리어.
  25. 울트라포빅 표면부를 갖는 캐리어를 제조하는 방법이며,
    외부면을 갖는 기판을 포함한 캐리어를 제공하는 단계와,
    화학적 증착 공정을 사용하여 외부면상에 폴리머 재료의 층을 침착시킴으로써 울트라포빅 표면부를 형성하는 단계를 포함하고,
    폴리머 재료의 층은 복수의 거친 부분을 갖는 외부면을 구비하고, 거친 부분은 울트라포빅 표면이 하기 식에 따라 결정된 임계 접촉 라인 밀도값 "ΛL"과 동일하거나 또는 이보다 큰 표면적의 평방미터당 접촉 라인의 미터 단위로 측정된 접촉 라인 밀도를 갖도록 분포되며,
    Figure 112005058108214-PCT00017
    여기서, γ는 미터당 뉴턴 단위의 표면과 접촉하는 액체의 표면 장력이고, θa,o은 도 단위의 거친 부분 재료상의 액체의 실험적으로 측정된 실제 진행 접촉각이고, ω는 도 단위의 거친 부분 상승각이고, P는 미터당 킬로그램 단위의 소정의 액체 압력값이며,
    울트라포빅 표면은 소정의 액체 압력값을 포함하고 이에 이르는 액체 압력의 액체와의 액체-고체-가스 인터페이스를 나타내는 방법.
  26. (삭제)
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