JP2020008317A - イオンセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定イオン量を正しく算出することができるイオンセンサを提供する。【解決手段】平板状のイオン検出電極１と平板状の電圧印加電極２を平行に対向するようにシールドケース４内に配置し、一方の開口部からイオンを含む気体が電極間の空間に流入し、他方の開口部から気体が流出する構造とし、放射ノイズが入射可能な領域のイオン検出電極は、その一部を切り欠き、電圧印加電極より第２の開口部側に配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、雰囲気中のイオン量を測定することができるイオンセンサに係り、特にノイズ耐性に優れたイオンセンサに関する。

半導体装置の静電破壊を防止するため、半導体装置や半導体装置の製造装置の帯電を中和、除去する必要がある。そのため製造現場では、雰囲気中のイオン量を測定するイオンセンサと、空気中のイオン量が予め設定したイオン量となるように所定のイオンを発生されるイオナイザを設置している。またイオナイザから発生するイオン量を測定するためにも、イオンセンサが用いられている。

一般的なイオンセンサの構成を図１０に示す。この種のイオンセンサは、イオン検出電極１を中心に配置し、その周囲を取り囲むように電圧印加電極２が配置している。電圧印加電極２には電源３が接続され、イオン検出電極１と電圧印加電極２との間に所定の電圧を印加する。この電圧の印加で発生する電界により、イオン検出電極１と電圧印加電極２の間に存在するイオンがイオン検出電極２表面に引き寄せられ、イオンからイオン検出電極２に移動する電荷を計測することで、イオン量を検知する構成となっている。電源３の極性を切り換えることで、プラスイオンとマイナスイオンをそれぞれ検知することができる。この種のイオンセンサは、特許文献１に記載されている。

ところで、近年持ち運び可能なイオンセンサの要請が高まっている。そこで、図１０に示す構成のイオンセンサについて小型化を試みると、イオン検出電極１と電圧印加電極２との間の空間が狭くなるため、この空間に存在するイオン量が減少し、センサ感度が低下してしまうという問題があった。

そこで、イオン検出電極１と電圧印加電極２とを平行に配置し、イオン検出電極１と電圧印加電極２との間の空間を広くするセンサ構造とすることが考えられる。図１１にこの種のイオンセンサの一例を示し、図１１（ａ）は斜視図を、図１１（ｂ）は長手方向の断面図をそれぞれ示している。この種のイオンセンサは、平板状のイオン検出電極１と平板状の電圧印加電極２とを平行に対向するようにシールドケース４内に配置し、一方の開口部からイオンを含む気体が電極間の空間に流入し、他方の開口部から流出する構造となっている。イオン検出電極１と電圧印加電極２は、それぞれ図示しない電源に接続されており、電極間に電界が発生している。

イオンセンサの周囲に存在するイオンは、この電界内に到達すると、電源の極性に応じてプラスイオンあるいはマイナスイオンのいずれかがイオン検出電極１に引き寄せられ、電荷がイオン検出電極１に移動する。その電荷を計測することでイオン量を算出、検知することができる。

ところでこのような電極構造とすると、シールドケース４の開口部が大きくなり外部から被測定イオン以外の放射ノイズがイオン検出電極に入射してしまう。例えば図１１（ｂ）に示すように、蛍光灯やインバータ等から発せられるノイズが、放射ノイズとしてイオンセンサの開口部からイオン検出電極１に飛来する。このとき、感度の高いイオン検出電極はアンテナとして働き、放射ノイズを受けて電圧や電流を発生させてしまい、イオン量の計測結果にノイズを重畳させてしまうという問題があった。

また一般的にイオンセンサに発生する電界は、電圧印加電極２の表面、特に端面から放射状に発生する。そのため電圧印加電極２の端面では、電圧印加電極２の端部から開口部側に向かった電界が発生することになる。このような電界が存在すると、移動度の大きいイオン（小イオンと言われ、酸素分子などの気体分子が帯電したもの）がイオンセンサ内に流入することができず、計測されないという問題点があった。

実用新案登録第３１１７４５９号公報

従来のイオンセンサの構成では、イオンセンサの開口部から放射ノイズが入射し正しく被測定イオンのイオン量を算出することができないという問題があった。また、電圧印加電極の端部から生じる電界により、被測定イオンの一部がイオンセンサ内に流入できず、測定誤差が生じるという問題があった。本発明はこのようは実状に鑑み、被測定イオン量を正しく算出することができるイオンセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、イオンを含む気体が流入する第１の開口部と該第１の開口部から流入した前記気体が流出する第２の開口部との間の空間内に、平板状の電圧印加電極と、該電圧印加電極と平行に平板状のイオン検出電極とを配置し、前記電圧印加電極と前記イオン検出電極との間に電界を発生させ、前記電界により前記イオン検出電極表面に引き寄せられるイオンから、前記イオン検出電極に移動する電荷を計測してイオン量を算出するイオンセンサにおいて、前記第１の開口部から入射する放射ノイズの入射可能な領域に配置される前記イオン検出電極の一部を切り欠くとともに、前記第１の開口部側の前記電界の向きが前記第１の開口部側から前記第２の開口部側に傾斜するように、少なくとも前記イオン検出電極の一部が前記電圧印加電極より前記第２の開口側に配置されていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のイオンセンサにおいて、前記イオン検出電極は、前記第１の開口部側に頂点を配置した三角形状の第１のイオン検出電極部と、該第1のイオン検出電極部に連続し前記第２の開口部側に延出する方形状の第２のイオン検出電極部とを備えていることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のイオンセンサにおいて、前記電圧印加電極は、前記第１の開口部側に頂点が配置した三角形状の第１の電圧印加電極部と、該第1の電圧印加電極部に連続し前記第２の開口部側に延出する方形状の第２の電圧印加電極部とを備えていることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のイオンセンサにおいて、前記電圧印加電極は、前記第１の電圧印加電極部と前記第２の電圧印加電極部との間に、前記第１の電圧印加電極部を構成する三角形状の斜辺より傾斜の緩やかな斜辺を有する台形形状の第３の電圧印加電極部を備えていることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか記載のイオンセンサにおいて、前記第１の開口部を複数備えていることを特徴とする。

本発明のイオンセンサは、放射ノイズが入射可能な領域のイオン検出電極の一部を切り欠くことで放射ノイズによる計測結果への影響を少なくしている。一方イオン検出電極の一部を切り欠くことでイオン検出電極の面積が小さくなったとしても、被測定イオンが内部に流入する方向に電界の向きを傾けることで、被測定イオンをイオン検出電極上に確実に移動させるような電界を発生させることができ、十分大きな出力を得ることができるイオンセンサを提供することが可能となった。

さらに電圧印加電極とイオン検出電極を所望の形状とし、中央部の電界を強くすることで被測定イオンをイオン検出電極上に効率よく移動させる電界を発生させることが可能となり、好ましい。具体的には、イオン検出電極を三角形状の第１のイオン検出電極部を備える構造とすると、第１の開口部の中央部分で最も電界が集中し、この電荷が集中した中央部分から被測定イオンが流入する構成とすることができる。さらに電圧印加電極についても三角形状の第１の電圧印加電極部とし、三角形状の第１のイオン検出電極部とを備える構成とすると、第１の開口部の中央部分で電界を集中させることができ、好ましい。

三角形状のイオン検出電極は、開口部に近い程面積が狭くなるため、開口部から放射ノイズが入射した場合でも、入射する面積が小さくため、放射ノイズの入射による影響を少なくすることが可能となる。

三角形状の電圧印加電極は、三角形の頂点に角度が鋭角となっている第１の電圧印加電極を備えることで電界を集中させることができ、傾斜の緩やかな斜辺を有する台形形状の第３の電圧印加電極部を備えることで、対向するイオン検出電極の面積を確保することが可能となる。

さらにイオンを含む気体が流入する第１の開口部を複数備える構造とすると、同一極性のイオンの検出結果を補正したり、逆極性のイオンを同時に検出することができる等の利点がある。

本発明の第１の実施例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第１の実施例のイオンセンサの電極の配置を説明する図である。 本発明の第１の実施例のイオンセンサの電界の向きを説明する図である。 本発明の第２の実施例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第３の実施例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第３の実施例の変形例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第３の実施例のさらに別の変形例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第４の実施例のイオンセンサの説明図である。 本発明の第５の実施例のイオンセンサの説明図である。 従来のイオンセンサの構成を説明する図である。 従来の別のイオンセンサの構成を説明する図である。

本発明のイオンセンサは、平板状のイオン検出電極と平板状の電圧印加電極を平行に対向するようにシールドケース内に配置し、一方の開口部からイオンを含む気体が電極間の空間に流入し、他方の開口部から気体が流出する構造としている点で図１１で説明した従来例のイオンセンサと同様の構成となっている。一方、イオン検出電極、あるいはイオン検出電極と電圧印加電極の形状を変更している点で図１１で説明した従来例のイオンセンサと相違する構成となっている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。図１は第１の実施例のイオンセンサの説明図で、図１（ａ）は斜視図を、図１（ｂ）は長手方向の断面図をそれぞれ示している。また図２は、図１に示すイオンセンサのシールドケース４の内壁の位置、イオン検出電極１および電圧印加電極２の形状と相互の位置関係を模式的に示した説明図である。シールドケース４の内面に配置されたイオン検出電極１と電圧印加電極２との間の空間に、図面左側の開口部（以下、第１の開口部という）からイオンを含む気体が流入し、図面右側の開口部（以下、第２の開口部という）から流出するものとし、イオン検出電極１あるいは電圧印加電極２を電源に接続するための接続手段については図示を省略している。なお説明では便宜上、イオン検出電極１のイオンの流れる方向に平行な両辺を電圧印加電極２の対向する両辺と重ならないように図示しているが、両辺が重なるように配置し、イオン検出電極１の面積を確保するのが好ましい。

従来例で説明したように、シールドケース４の開口部が大きくなると、イオンセンサ内に流入するイオン量が増加する半面、被測定イオン以外の電荷を有する放射ノイズも、図１（ｂ）に矢印で示すようにシールドケース内に入射してしまう。そこで本実施例のイオン検出電極１は、放射ノイズが入射する可能性のある領域にイオン検出電極が配置されないようにその一部を切り欠いた構造としている。具体的には、図２に示すように、第１の開口部側に頂点がある三角形状の部分（第１のイオン検出電極部に相当）を有し、この三角形状に連続する方形状の部分（第２のイオン検出電極部に相当）とを有する構造としている。イオン検出電極１の先端は、第1の開口部より第２の開口部側に配置し、かつ電圧印加電極の先端より第２の開口部側にずれた配置としている。同様に、第２の開口部側のイオン検出電極１の先端も、第１の開口部側にずれた配置としている。

このようにイオン検出電極１の先端が、空間の中央部側にずれた配置とすることで、放射ノイズが入射可能な領域にイオン検出電極１が存在しないため、放射ノイズがイオン検出電極１に入射することはない。あるいはイオン検出電極１の先端が、放射ノイズが入射可能な領域に配置されたとしても、この領域に存在するイオン検出電極１の面積は非常に小さくなり、イオン検出電極１に入射する放射ノイズの量はわずかとなり、計測結果に与える影響は少なくなる。

また、イオン検出電極１の先端を電圧印加電極２の先端より第２の開口部側にずらして配置することで、電圧印加電極２の端部からイオン検出電極１に向かう電界の向きは図３に矢印で示すように、第１の開口部側から第２の開口部側に傾くことになる。その結果、第１の開口部からシールドケース４内に流入したイオンは、その流入する方向と同じ向きとなる電界の向きに沿って移動することになる。

特に、電界の影響を受けやすい移動度の大きいイオン（小イオン）は、電界によってイオン検出電極１側の図３の右方向に引き寄せられ、さらに電界の影響を受け電圧印加電極２側からイオン検出電極１側へ移動してイオン検出電極１に到達することになる。イオン検出電極１の先端部（第１のイオン検出電極部）を三角形状に切り欠いたとしても、被検出イオンはイオン検出電極１に到達するように、イオン検出電極１の先端の三角形状の傾斜を適宜設定すれば、確実に被測定イオンを捕捉することが可能となる。

この三角形状の傾斜は、イオン検出電極１と電圧印加電極２との間の寸法や両電極に印加される電圧によって変化する電界強度等に応じて、イオン検出電極１に到達するイオン量が多くなるように調整するのが好ましい。同様に三角形状の先端部の位置を相対的にどの位置に配置するかも適宜設定すればよい。なお、放射ノイズが全く入射しない位置までイオン検出電極１を移動するとイオン検出電極１の面積が大幅に小さくなるため、わずかながら放射ノイズが入射する位置にイオン検出電極１を配置したとしても、イオン検出電極１の一部を切り欠き先端が先鋭な三角形状とすることで、放射ノイズが入射するイオン検出電極１の面積は非常に狭くなり、ほとんど測定結果に影響のないレベルに留めることも可能である。

その結果、シールドケース４内に流入したイオンは、確実にイオン検知電極に到達させることができ、出力の大きいイオンセンサを提供することが可能となる。

なお本実施例では、第１の開口部端まで電圧印加電極２を形成していない。これは、電圧印加電極の端面が露出すると、その端部から放射上に電界（漏れ電界）が発生し、移動度の大きいイオンがシールドケース４内に入ることができなくなるためである。従って、第１の開口部の漏れ電界を防止するため、電圧印加電極２をシールドケース４内に形成している。このような漏れ電界を防止するため、シールドケース４の第１の開口部の端部に周知の電界をシールドする構造物を追加することも当然可能である。その場合、電圧印加電極２は、開口部側に移動することも可能である。しかしこの場合、放射ノイズの入射可能な領域に配置するイオン検出電極１の面積は大きくしない方が好ましいため、電圧印加電極２はイオン検出電極１から離れて配置されることになるので、印加する電圧を高くして所望の電界強度が得られるようにする等、工夫する必要がある。

次に第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例では、イオン検出電極１の先端部と電圧印加電極２の先端部とが離れた位置で重なり合っている場合について説明したが、先端部間の距離を近づけることで電界を大きくするため、図４に示すように先端部が重なるように配置しても良い。即ち、本実施例のイオン検出電極１は、放射ノイズが入射する領域にイオン検出電極が配置しないように、第１の開口部側に頂点がある三角形状の部分を有し、この三角形状に連続する方形状の部分とを有する構造としている。イオン検出電極１の先端は、第１の開口部より第２の開口部側に配置し、上記第１の実施例と異なり、イオン検出電極１の先端と電圧印加電極２の先端が一致するように配置している。

このように配置しても、イオン検出電極１の先端に放射ノイズが入射することがなく、あるいは入射したとしてもわずかな量となる。さらに、電界の向きは、図４に矢印で示すように第１の開口部側から第２の開口部側に傾くことになり、第１の開口部からシールドケース４内に流入したイオンは、電界の向きに沿って移動することになる。特に本実施例では、イオン検出電極１の先端部と電圧印加電極２の先端部とが、上記第１の実施例と比較して近い位置に配置できるため、電界の大きさが大きくなり、被測定イオンの移動をより促進させることができる。

次に第３の実施例について説明する。上述の第１、第２の実施例では、電圧印加電極２の先端部は、第１の開口部と平行な形状であったが、本実施例は電圧印加電極２の構造が異なる。具体的には、本実施例の電圧印加電極２は、第１の開口部側に頂点がある三角形状の部分と、この三角形状に連続する方形形状の部分を有する構造とし、三角形状の斜辺の傾斜は、イオン検出電極１の先端部の斜辺の傾斜と同じとしている。

このような構造としても、電圧印加電極２からイオン検出電極１に向かう電界の向きは図５に矢印で示すように、第１の開口部側から第２の開口部側に傾くことになる。その結果、第１の開口部からシールドケース４内に流入したイオンは、電界の向きに沿って移動することになる。

その際、電界の影響を受けやすい移動度の大きいイオン（小イオン）は、電界によってイオン検出電極１側の図５の右方向に引き寄せられ、さらに電界の影響を受け電圧印加電極２側からイオン検出電極１側へ移動してイオン検出電極１に到達することになる。イオン検出電極１の先端の三角形状の傾斜を適宜設定すれば、確実に被測定イオンを捕捉することが可能となる。

なお、イオン検出電極１の先端部の三角形状の傾斜と、電圧印加電極２の先端部の三角形状の傾斜は、必ずしも一致させる必要はない。例えば、図６に示すように、電圧印加電極２の先端の傾斜の方を大きくしたり、図７に示すようにイオン検出電極１の先端部の傾斜の方を大きくしたり、適宜設定することができる。図７に示す例では、イオン検出電極１の先端部と電圧印加電極２の先端部を図４で説明したように一致させることも可能である。

次に第４の実施例について説明する。上述の第３の実施例では、電圧印加電極２の先端部を三角形状とする場合について説明したが、本実施例では第１の開口部側に頂点がある三角形状の部分と、方形状の部分との間に、台形形状の部分（第３の電圧印加電極部に相当）を形成している。

このような構造としても、電圧印加電極２からイオン検出電極１に向かう電界の向きは図８に矢印で示すように、第１の開口部側から第２の開口部側に傾くことになる。その結果、第１の開口部からシールドケース４内に流入したイオンは、電界の向きに沿って移動することになる。

特に図８に示すように、鋭角な先端部を形成することで、この先端部近傍に電界がより集中し、強く近傍のイオンを引き付けることができる。一方、鋭角の傾斜のみで上述の図５乃至図７に示すような構成とすると、電圧印加電極２の傾斜に応じてイオン検出電極１の傾斜も鋭角に形成しなければならないことになる。これはイオン検出電極１の面積の縮小を招き好ましくない。そこで、図８に示すように傾斜の途中で傾斜を緩やかに変えることで、このようは不都合を解消することが可能となる。

なお、傾斜の途中で異なる傾斜に変わる変化点は、図８に記載するように各傾斜に１個に限らず、複数の変化点を形成してもよい。

次に第５の実施例について説明する。上述の第１乃至第４の実施例は、第１の開口部と第２の開口部がそれぞれ１個ずつ配置されている例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の開口部を複数備え、第２の開口部を１個としても良い。具体的には、上述の第１の実施例で説明した構造の図２に示す構造を例にとれば、図９に示すように、図面左右両側からイオンが流入し、図面下側から流出する構成とすることが可能である。形状の異なるイオン検出電極１を組み合わせたり、さらに形状の異なる電圧印加電極２と組み合わせたり、適宜設定すれば良い。

このように構成すると、それぞれのイオン検出電極１に基づく検出結果合を合算したり、異なる形状のイオン検出電極１の検出結果の差からノイズをキャンセルしたりする補正が可能となったり、極性の異なる被測定イオンを同時に検出可能となったり、利用範囲が拡大し好ましい。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明に上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、上記説明では、イオン検出電極１の三角形状を同一にして相対的に電圧印加電極２との関係を説明したものであり、イオン検出電極１の形状が図面に記載した形状に限定されるものではない。

１： イオン検出電極、２：電圧印加電極、３：電源、４：シールドケース

Claims (5)

1. イオンを含む気体が流入する第１の開口部と該第１の開口部から流入した前記気体が流出する第２の開口部との間の空間内に、平板状の電圧印加電極と、該電圧印加電極と平行に平板状のイオン検出電極とを配置し、前記電圧印加電極と前記イオン検出電極との間に電界を発生させ、前記電界により前記イオン検出電極表面に引き寄せられるイオンから、前記イオン検出電極に移動する電荷を計測してイオン量を算出するイオンセンサにおいて、
   前記第１の開口部から入射する放射ノイズの入射可能な領域に配置される前記イオン検出電極の一部を切り欠くとともに、
   前記第１の開口部側の前記電界の向きが前記第１の開口部側から前記第２の開口部側に傾斜するように、少なくとも前記イオン検出電極の一部が前記電圧印加電極より前記第２の開口側に配置されていることを特徴とするイオンセンサ。
2. 請求項１記載のイオンセンサにおいて、
   前記イオン検出電極は、前記第１の開口部側に頂点を配置した三角形状の第１のイオン検出電極部と、該第1のイオン検出電極部に連続し前記第２の開口部側に延出する方形状の第２のイオン検出電極部とを備えていることを特徴とするイオンセンサ。
3. 請求項１または２いずれか記載のイオンセンサにおいて、前記電圧印加電極は、前記第１の開口部側に頂点が配置した三角形状の第１の電圧印加電極部と、該第1の電圧印加電極部に連続し前記第２の開口部側に延出する方形状の第２の電圧印加電極部とを備えていることを特徴とするイオンセンサ。
4. 請求項３記載のイオンセンサにおいて、前記電圧印加電極は、前記第１の電圧印加電極部と前記第２の電圧印加電極部との間に、前記第１の電圧印加電極部を構成する三角形状の斜辺より傾斜の緩やかな斜辺を有する台形形状の第３の電圧印加電極部を備えていることを特徴とするイオンセンサ。
5. 請求項１乃至４いずれか記載のイオンセンサにおいて、前記第１の開口部を複数備えていることを特徴とするイオンセンサ。

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