JP2012133934A - イオナイザーの放電電極 - Google Patents

Abstract

【課題】針状電極の摩耗を防止することにより微細な金属粒子の飛散を防止することができ、また、安定した放電によりイオン発生の安定性を高めることができるイオナイザーの放電電極を提供する。
【解決手段】イオナイザーの放電電極１００は、針状電極を構成する基材金属１の先端部表面に下地めっき層３が積層され、その下地めっき層３の表面に表層金属２が積層されて構成されている。基材金属１は、タングステン又はタングステン合金であり、表層金属２は、ロジウム又はイリジウムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、クリーンルーム内等で発生する静電気を除去するために使用されるイオナイザーの放電電極に関するものである。

半導体製造のクリーンルームでは、相対湿度が静電気の発生し易い４０％程度となる低湿度環境であることや、ウェハ及び半導体素子を運搬するために電気抵抗の高いプラスチック容器が多用されていることなどにより、静電気が容易に発生する。この静電気はウェハ表面上への塵埃の付着やウェハ上のＩＣや半導体素子の破壊につながるため、製品の歩留まりを低下させている。しかも、最近の半導体素子の高密度化に伴い、クリーンルームの超高清浄度化が望まれると共に半導体素子の静電気耐性も低下しているため、この様な静電気による生産障害がますます問題となっている。

そこで、上記のようなクリーンルームにおける静電気を除去する対策として、イオナイザーが利用されている。イオナイザーは、放電電極を有しており、放電電極に高電圧を印加することでコロナ放電を起こさせ、その時に発生するイオンによって帯電体上の電荷を中和させて除電を行っている。

しかしながら、上記のようなコロナ放電式イオナイザーにおいては、針状電極が摩耗して、微細な金属粒子が飛散することが問題になっていた。そこで、本出願人は、先に特許文献１に示すような、タングステン電極の表面がニッケルに被覆された積層構造を有する針状のイオン発生電極を備えたクリーンルーム用イオナイザーを提案した。

特許第３３２１１８７号

本発明者は、上記のようなクリーンルーム用イオナイザーの放電電極からの発塵のメカニズムについてさらに検討を重ねた。その結果、以下に述べるような知見を得た。まず、本発明者は、従来の放電電極（トリウム・タングステン合金（Ｔｈ−Ｗ）電極）について摩耗防止効果を調べたところ、図５に示すような結果が得られた。

試験条件は、一方向流型クリーンルーム内に設置した直流パルスタイプのイオナイザーに上記の放電電極を正負一対で取り付け、一定時間使用した後、超音波洗浄したものである。図５の（ａ）〜（ｃ）は、放電電極の摩耗状態を走査型電子顕微鏡（倍率：１７５倍）で観察したものである。図５の（ａ）は、未使用の放電電極を観察した結果、図５の（ｂ）は、超音波洗浄後の正電極を観察した結果、図５の（ｃ）は、超音波洗浄後の負電極を観察した結果をそれぞれ示したものである。

図５の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、正電極は負電極に比べて明らかに摩耗が著しいことが分かった。これは、正電極においては、腐食を伴う化学スパッタリングが支配的であるためであると考えられる。すなわち、正電極は、酸素イオンのスパッタを受けるため、表層部分に脆弱な酸化膜（腐食層）が形成され、それが再度スパッタを受けるため、より早くスパッタリングが進行するものと考えられる。

一方、図５の（ｃ）に示すように、負電極はあまり摩耗していないことから、負電極においては物理スパッタリングが支配的であると考えられる。また、図５の（ｂ）に示されているように、電極の摩耗により電極の先端形状が丸くなることから、このスパッタリングにより安定的に放電しにくくなり、イオン発生が不安定になるものと考えられる。

そこで、本発明者は、イオンのスパッタリングにより電極自身が飛散すること（電極の摩耗）が、電極からの発塵の原因の１つであるとの知見に基づいて、針状電極の摩耗を防止することにより微細な金属粒子の飛散を防止することができ、また、安定した放電によりイオン発生の安定性を高めることができる放電電極の研究を重ねた。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、針状電極の摩耗を防止することにより微細な金属粒子の飛散を防止することができ、また、安定した放電によりイオン発生の安定性を高めることができるイオナイザーの放電電極を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のイオナイザー放電電極は、タングステン又はタングステン合金を基材金属とする針状電極を有し、前記針状電極の先端部表面にロジウム又はイリジウムの表層金属が積層されていることを特徴とする。

前記針状電極と前記表層金属との間には、下地めっき層を有することが望ましい。下地めっき層を介することで、タングステン又はタングステン合金を基材金属とする針状電極から表層金属が剥離し難くなる。本発明者等の鋭意研究の結果、タングステン又はタングステン合金を針状電極とし、ロジウム又はイリジウムを表層金属とする場合、下地めっき層を金めっき層とすることで、ロジウム又はイリジウムの表層金属が剥離することを効果的に防止できるとの知見が得られた。又は、下地めっき層を二重層とし、針状電極側をニッケルめっき層、表層金属側を金めっき層とすることで、ロジウム又はイリジウムの表層金属が剥離することを効果的に防止できるとの知見が得られた。

また、ロジウム又はイリジウムの表層金属は、１μｍ以上１０μｍ未満の厚みを有することが望ましい。その理由は以下のように考えられる。すなわち、ロジウム又はイリジウムを表層金属とした場合、それにより化学スパッタリングを防止できるが、物理スパッタリングを完全には防止することはできない。そのため、表層金属のロジウム又はイリジウムの厚みが１μｍ未満の場合、薄すぎて長期間使用に耐えられないことがある。一方、１０μｍ以上の場合は、ロジウム又はイリジウムの熱伝導率が小さいため、熱がこもりやすく、スパッタリングを受けやすくなる。また、電極先端を細く仕上げることにより低い電圧で安定的な放電（安定的なイオン発生）を行うことができるものであるが、厚みが１０μｍ以上になると、直径５０μｍ程度の細い電極先端に均一にロジウム又はイリジウムをめっきすることが困難になる。

本発明によれば、タングステン又はタングステン合金を基材金属とする針状電極を有し、針状電極の先端部表面にロジウム又はイリジウムの表層金属が積層されていることにより針状電極の摩耗を防止し、それにより微細な金属粒子の飛散を防止することができ、また、放電が安定することでイオン発生の安定性を高めることができるイオナイザーの放電電極を提供することができる。

第１の実施形態に係るイオナイザーの放電電極の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る放電電極の端面付近を拡大した断面図である。 放電電極の摩耗状態を観察した結果を示す写真である。 クリーンルームの構成を示す図である。 従来の放電電極の摩耗状態を観察した結果を示す写真である。

以下、本発明に係るイオナイザーの放電電極の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示す放電電極１００は、イオナイザーに取り付けられる。イオナイザーは、放電電極に高電圧を印加することでコロナ放電を起こさせ、その時に発生するイオンによって帯電体上の電荷を中和させて除電を行っている。

図１に示すように、このイオナイザーの放電電極１００は、針状電極を構成する基材金属１の先端部表面に下地めっき層３が積層され、その下地めっき層３の表面に表層金属２が積層されて構成されている。針状電極は、先端が円錐台の棒形状を有する。下地めっき層３及び表層金属２は、針状電極の先端を含む先端部全周囲を覆って積層されている。針状電極の径は、およそ２ｍｍであり、先端から５ｍｍ程度の高さまでの全周囲が下地めっき層３及び表層金属２で覆われている。先端の径は、およそ５０μｍ程度が望ましい。先端の径が太いと、放電が不安定になるためである。

基材金属１としては、タングステン（Ｗ）又はタングステン合金（Ｔｈ−Ｗ合金、Ｌａ−Ｗ合金）である（以下、タングステン等という）。タングステン等は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の金属である。

表層金属２としては、イリジウム（Ｉｒ）又はロジウム（Ｒｈ）である（以下、特定しない限り、イリジウム等という）。この表層金属２は、例えば電気めっき処理により積層される。イリジウム等は、金属の腐食性を示す仕事関数がおよそ５ｅＶ以上の化学的に安定な金属で、且つ、融点が１０００℃以上の金属である。化学的に安定な金属とは、本実施形態では、酸化されにくい非酸化金属である。

イリジウム等は仕事関数が大きく酸化されにくい。しかし、熱伝導率が小さいため電極先端に熱がこもりやすく、イリジウム等を単体で電極として構成した場合には摩耗しやすい。そこで、比較的熱伝導率の大きなタングステン等を基材とし、その上にイリジウム等を積層することで、熱がこもりやすいイリジウム等の短所を基材のタングステン等がカバーして摩耗を防止することができる。

ただし、イリジウム等で形成される表層金属２は、基材金属１をタングステン等で形成する関係においては、その厚みが１μｍ以上１０μｍ未満であることが望ましい。その理由は以下のように考えられる。すなわち、イリジウム等の表層金属２によって化学スパッタリングを防止することはできるが、物理スパッタリングを完全に防止することはできない。そのため、イリジウム等の表層金属２の厚みが１μｍ未満の場合、薄すぎて長期間使用に耐えられないことがある。一方、１０μｍ以上の場合は、イリジウム等の表層金属２の熱伝導率が小さいため、熱がこもりやすく、スパッタリングを受けやすくなる。また、図１に示すように電極先端を細く仕上げることにより低い電圧で安定的な放電（安定的なイオン発生）を行うことができるものであるが、１０μｍ以上の厚みになると、細い電極先端に均一に表層金属２をめっきすることが困難になる。

下地めっき層３は、第１の実施形態において、金（Ａｕ）である。金は、タングステン等にイリジウム等を積層する場合においてバインダとして効率よく作用することが見出された。すなわち、金で形成された下地めっき層３は、この場合、所謂ストライクめっき層である。金は、タングステン等とイリジウム等との両方に密着性が良く、イリジウム等のタングステン等への定着性を向上させる。この下地めっき層３の厚みは、およそ０．１μｍである。尚、イリジウム等を下地めっき層３の上にめっきした後、焼き締めすると更に定着性が向上する。

（第２実施形態）
第２の実施形態に係る放電電極１００は、第１の実施形態の変形例である。第１の実施形態と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図２に示すように、第２の実施形態に係る放電電極１００は、タングステン等の基材金属１にイリジウム等の表層金属２を定着させる下地めっき層３を２重層としている。基材金属１側、換言すると内殻層は、ニッケル（Ｎｉ）めっき層３ａであり、表層金属２側、換言すると外殻層は、金（Ａｕ）めっき層３ｂである。この下地めっき層３の厚みは、あわせて０．５μｍ程度である。

ニッケルは、タングステン等に金を積層する場合においてストライクめっき層としてより効率よく作用することが見出され、また金は、ニッケルにイリジウム等を積層する場合においてストライクめっき層としてより効率よく作用することが見出された。これにより、イリジウム等のタングステン等への定着性をより向上させる。尚、イリジウム等を下地めっき層３の上にめっきした後、焼き締めすると更に定着性が向上する。

（作用・効果）
上記の第１及び第２の実施形態の放電電極１００について摩耗防止効果を調べたところ、図３に示すような効果が得られた。

実施例１（図３の（ｂ））として、基材金属１をＬａ−Ｗ合金で形成し、且つ表層金属２をイリジウムで形成した放電電極１００を使用した。実施例２（図３の（ｃ））として、基材金属１をＬａ−Ｗ合金で形成し、且つ表層金属２をロジウムで形成した放電電極１００を使用した。比較例（図３の（ａ））として、Ｔｈ−Ｗ合金単体で形成した従来電極を使用した。

試験条件は、図４に示すように、上記の放電電極を正負一対の電極とした直流パルスタイプのイオナイザー１３を一方向流型クリーンルーム１４内で一定時間使用した。印加電圧は１５ｋＶ、放電電流は３μＡである。尚、この試験条件で用いた一方向流型クリーンルーム１４は、天井面にＵＬＰＡフィルタ１０（ウルパフィルタ、Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）が配置され、床面に格子状のグレーチング１１が配置され、０．３ｍ／Ｓの一方向流をファン１２によりＵＬＰＡフィルタ１０側からグレーチング１１側へ送る。放電電極１００は、正負双方ともＵＬＰＡフィルタ１０側に設置された。

図３の（ａ）は、従来電極の正極を１００時間使用し、その前後を観察した写真である。図３の（ｂ）は、実施例１の正極を１４１２時間使用し、その前後を観察した写真である。図３の（ｃ）は、実施例２の正極を６７３時間使用し、その前後を観察した写真である。図３から明らかなように、イリジウム又はロジウムを表層金属２とする放電電極１００は、従来の放電電極に比べて、著しく摩耗が少ないことが分かる。

このように、タングステン又はタングステン合金を基材金属１とする針状電極を有し、針状電極の先端部表面にロジウム又はイリジウムの表層金属２が積層されることで、イオナイザーの放電電極は、電極の表面が酸化されにくくなると共に、熱がこもりやすい表層金属の短所を基材金属によってカバーすることができるので、針状電極の摩耗を防止することができる。

また、針状電極と表層金属２との間に下地めっき層を形成することで、タングステン又はタングステン合金を基材金属１とし、ロジウム又はイリジウムを表層金属２とする場合でも、表層金属２の定着性が向上し、剥離し難くなる。金めっき層を下地めっき層３とし、又はニッケルめっき層３ａと金めっき層３ｂの２重層で形成した下地めっき層３では、上記の金属を基材金属１及び表層金属２とした場合、特に定着性が向上する。また、ロジウム又はイリジウムを下地めっき層３の上にめっきした後、焼き締めすると更に定着性が向上する。

また、ロジウム又はイリジウムの表層金属２を１μｍ以上１０μｍ未満の厚みで形成することで、よりスパッタリングによる摩耗を低減させることができる。

以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができ、それら変更についても発明の範囲に含まれるものである。

１ 基材金属
２ 表層金属
３ 下地めっき層
１００ 放電電極
１０ ＵＰＬＡフィルタ
１１ グレーチング
１２ ファン
１３ イオナイザー
１４ 一方向流型クリーンルーム

Claims (5)

1. タングステン又はタングステン合金を基材金属とする針状電極を有し、
   前記針状電極の先端部表面にロジウム又はイリジウムの表層金属が積層されていること、
   を特徴とするイオナイザーの放電電極。
2. 前記針状電極と前記表層金属との間に下地めっき層を有すること、
   を特徴とする請求項１記載のイオナイザーの放電電極。
3. 前記下地めっき層は、金めっき層であること、
   を特徴とする請求項２記載のイオナイザーの放電電極。
4. 前記下地メッキ層は、二重層であり、前記針状電極側がニッケルめっき層、且つ前記表層金属側が金めっき層であること、
   を特徴とする請求項２記載のイオナイザーの放電電極。
5. 前記ロジウム又はイリジウムの表層金属は、１μｍ以上１０μｍ未満の厚みを有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のイオナイザーの放電電極。