JP2023040748A - 真空除電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高真空エリアにおいて、外部からガスを供給せずに除電ができる真空除電装置を提供すること。【解決手段】 真空チャンバー１内に、プラス電圧が印加されるメッシュ電極６と、このメッシュ電極６との間で電界を形成する接地電極２と、上記メッシュ電極６の近傍に設けられ、熱電子を放射するフィラメント１０とを備え、上記フィラメント１０から放射され、メッシュ電極６が形成する電界から力を受ける熱電子の運動によって上記真空チャンバー１内の残留ガス分子を電離させる構成にした。【選択図】 図１

Description

この発明は、真空エリア内の帯電物体を除電するための真空除電装置に関する。

従来から、樹脂製のフィルム表面に蒸着によって薄膜を形成することが行なわれている。
蒸着が施される樹脂製のフィルムは、絶縁性のため、静電気帯電しやすい性質を持っている。また、蒸着プロセスの雰囲気は高真空なので、電気的に絶縁性である。
高真空下で上記フィルムなどの表面が一旦帯電するとその電荷は逃げにくい。そのため、帯電状態が維持されてしまう。

帯電すると、フィルム同士は付着しやすく、搬送不良を起こしたり、しわや傷の原因になったりする。
また、蒸着処理の前にフィルム表面が帯電していると、蒸着が不均一になってしまうこともある。
また、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などのデバイスの製造プロセスでは、高真空下での処理が必要である。そして、ＬＳＩなどは、静電気帯電とこれに起因する放電によって損傷してしまうような静電気敏感デバイスである。

このように、高真空エリアでは除電の用途がある。
しかし、高真空エリアでは、コロナ放電によって生成されるイオンでフィルムの表面電荷を中和する一般的な除電装置をそのまま用いることはできない。
なぜなら、真空製膜プロセスや静電気敏感デバイスの製造が実行される高真空下では、コロナ放電によってイオンを生成できないからである。

このような高真空下の帯電物体を除電できる装置として、特許文献１に示す装置が知られていた。
この従来の装置では、高真空を維持したチャンバー内に電圧を印加するメッシュ電極と接地電極とを設け、メッシュ電極に高電圧を印加して電界を形成し、この電界内にパルス的にガスを供給し、瞬間的、局所的に真空度を下げて放電を発生させるようにしていた。この放電によってプラズマが生成され、このプラズマを介して帯電物体の表面電荷が接地側へ流れて除電されるというものである。
なお、上記ガスの供給はパルス的、すなわち瞬間的に行なわれるので、真空度はすぐに回復し、高真空度を保つことができる。

特開２０２０－０３０９３６号公報 特開２０１８－０５６１１５号公報

上記従来の除電装置で、メッシュ電極で形成される電界中にガスをパルス的に供給するのは、チャンバー全体の真空度を必要以上に低下させないためである。例えば、ガス供給源の圧力を所定の圧力に保ちながら、バルブの開時間を約１００［μｓ］という短時間に制御している。
バルブの開時間が長くなれば、ガスの供給量が多くなってチャンバー内の真空度が下がってしまう。一方、バルブの開時間が短すぎてガスの供給量が少なければ、生成されるプラズマが足りずに、除電不足になってしまう。

このように、上記した従来の真空除電装置では、真空チャンバー内へのガス供給量の正確な制御が必要である。そのため、バルブの開閉制御が難しいうえ、高精度な制御が可能な高価なバルブが必要であるという問題があった。
この発明の目的は、高精度なガス供給量の制御を必要とせず、真空度を低下させずに、安定して除電ができる真空除電装置を提供することである。

第１の発明は、真空エリア内に、プラス電圧が印加されるメッシュ電極と、このメッシュ電極との間で電界を形成する接地電極と、上記メッシュ電極の近傍に設けられ、熱電子を放射するフィラメントとを備え、上記フィラメントから放射されて上記メッシュ電極によって形成された電界から力を受ける熱電子の運動によって上記真空エリア内の残留ガス分子を電離させる構成にしている。

第２の発明は、上記接地電極と上記メッシュ電極との間に上記フィラメントを設けて熱電子放射エリアとし、上記メッシュ電極を境にして、上記熱電子放射エリアと反対側に、除電対象の保持手段が設けられている。

第３の発明は、上記フィラメントを保持する電気的絶縁体からなるフィラメント保持部材を備え、上記フィラメント保持部材は、上記フィラメントの突出側において、当該フィラメント保持部材と上記接地電極との間にスリットを維持して上記接地電極に取り付けられている。

この発明によれば、フィラメントから放射された熱電子がプラス電位のメッシュ電極で形成された電界によって運動し、チャンバー内の残留ガス分子に衝突して残留ガス分子を電離させることができる。ガス分子の電離によって生成されたイオンや電子が、除電対象の表面電荷を中和して除電することができる。
熱電子が、残留ガス分子を電離させるため、外部からガスを供給する必要がない。したがって、真空度の低下を考慮したバルブの開閉制御が必要なく、高価なバルブも必要ない。

第２の発明によれば、熱電子放射エリア内に、除電対象の保持手段を設けないため、メッシュ電極と接地電極との距離を小さくして、メッシュ電極と接地電極とで形成される強い電界中に熱電子を放射でき、熱電子の運動エネルギーを大きくできる。また、メッシュ電極の近くに除電対象を保持できるのでメッシュ電極を通過した勢いのある熱電子との電離衝突によって生成されたイオンや電子を、有効に除電に寄与させることができる。

第３の発明によれば、フィラメントの蒸気によって、フィラメントと接地電極とが導通することを防止でき、熱電子放射を安定して維持できる。

この発明の実施形態の真空除電装置における熱電子放射エリア付近の概念図である。 実施形態のフィラメント保持部材であるリング部材の平面図である。 実施形態のフィラメントに通電したときのフィラメント電流Ｉ_Ｆに対する熱電子電流Ｉ_Ｅの関係を示したグラフである。 実施形態の装置を用いた除電確認実験の結果を示した表である。

［実施形態］
図１～４を用いて、この発明の一実施形態を説明する。
図１は、実施形態の真空除電装置における熱電子放射エリア付近の概念図である。図２は、実施形態のフィラメント保持部材であるリング部材の平面図である。図３は、実施形態のフィラメントに通電したときのフィラメント電流Ｉ_Ｆに対する熱電子電流Ｉ_Ｅの関係を示したグラフである。図４は、実施形態の真空除電装置を用いた除電実験の結果を示した表である。

この実施形態の真空除電装置は、図１に示すように接地電位を保ち、真空エリアを構成する真空チャンバー１が図示しない真空ポンプによって高真空に保たれるようにしている。この実施形態における高真空とは、１０×１０^―１［Ｐａ］以下の圧力のことである。
上記真空チャンバー１は円形の開口１ａを有し、その開口１ａを大気側から覆うように接地電極２が設けられている。この接地電極２は真空チャンバー１の外周面との間に図示しないシール部材を介在させ、複数のボルト３によって真空チャンバー１に固定されている。
そして、上記真空チャンバー１及び接地電極２は導体である金属で形成され、接地電極２及び真空チャンバー１は同じ接地電位を保っている。

上記のように、真空チャンバー１の開口１ａは接地電極２によって大気側から塞がれるので、真空チャンバー１内の真空度が上がれば上がるほど、大きな差圧が接地電極２に作用し、開口１ａを塞ぐ方向の力が発揮される。そのため、真空チャンバー１はほぼ完全な気密性が保たれる。
また、上記接地電極２には、真空チャンバー１側の面に上記開口１ａと一致する円形の凹部２ａが形成され、この凹部２ａ内には、電気的絶縁体からなるフィラメント保持部材であるリング部材４が設置されており、リング部材４は複数のボルト５で接地電極２に固定されている。
さらに、リング部材４にはその開口部分を覆うようにメッシュ電極６が複数のボルト７で固定されている。このメッシュ電極６には直流電源８が接続され、プラスの電圧が印加される。

さらに、上記リング部材４には、開口１ａ内に突出するように一対のホルダ９，９が設けられ（図２参照）、これらホルダ９，９が、Ｕ字状に曲げたタングステンのフィラメント１０の両端を支持している。言い換えると、上記ホルダ９，９とフィラメント１０とは、それらが相まって全体としてほぼＵ字状に形成されるとともに、フィラメント１０の折り曲げ部分を凹部２ａの中央に臨ませている。このようにしたフィラメント１０は上記ホルダ９，９を介して可変直流電源１１に接続され、通電によって熱電子を放射するようにしている。上記のように対向する接地電極２とメッシュ電極６とリング部材４とで囲まれた空間が熱電子放射エリア１２である。なお、図２は、上記接地電極２に固定される面側から見た平面図であるが、この図２ではボルト５，７の挿入孔を省略している。

なお、上記リング部材４に取り付けられたフィラメント１０の位置は、メッシュ電極６の近傍である。
上記メッシュ電極６の近傍とは、フィラメント１０から放射された熱電子が、メッシュ電極６で形成される電界の影響を受ける位置のことである。このように、メッシュ電極６の近傍に、フィラメント１０が位置していれば、熱電子が十分に運動し、残留ガス分子との電離衝突の確率を高くできる。

フィラメント１０の位置がメッシュ電極６に近ければ近いほど、熱電子の移動速度が大きくなって、残留ガス分子への電離衝突の確率が上がり、ガス分子を電離させる機能が高まると考えられる。ただし、残留ガス分子への電離衝突の確率は、メッシュ電極６とフィラメント１０との間の距離だけでなく、フィラメント１０に供給するフィラメント電流Ｉ_Ｆや、メッシュ電極６の印加電圧、上記距離との相対的な関係で決まる。
なお、フィラメント１０の位置は、メッシュ電極６を境にして接地電極２と同じ側であっても、反対側であっても良い。

また、リング部材４において接地電極２に接触する側の底面には、開口１ａの同心円に沿ったリング状の凹部４ａが形成されている。凹部４ａは、接地電極２に接触する底面からの深さを３～４［ｍｍ］程度とし、熱電子放射エリア１２側すなわちフィラメント１０の突出側において、リング部材４と接地電極２との間にスリットが形成される。

また、真空チャンバー１内には、除電対象を保持する保持手段１３が設けられている。この保持手段１３は、除電対象を載置するテーブルや、帯状のフィルムを搬送する搬送ローラなど、処理対象の形態に応じた構成を備えている。そして、この実施形態では、保持手段１３は、メッシュ電極６を境にして、フィラメント１０が設けられた熱電子放射エリア１２と反対側に設けられている。

［作用・効果等］
以下に、この実施形態の除電装置の機能について説明する。
まず、図示していない真空ポンプを作動させて真空チャンバー１内を約１×１０^－４［Ｐａ］に維持しながら、上記フィラメント１０に通電してフィラメント１０から熱電子を放射させる。
真空チャンバー１内の１×１０^－４［Ｐａ］は、いわゆる高真空である。この程度の真空度では、真空チャンバー１の内周面に吸着しているガスやチャンバー材料に溶け込んでいるガスなど、様々な種類のガスが残留している。

なお、フィラメント１０から放射される熱電子量はフィラメント１０を流れるフィラメント電流Ｉ_Ｆに依存する。そこで、熱電子の放射に必要なフィラメント電流Ｉ_Ｆを確認するため、図２に示す可変直流電源１１によってフィラメント電流Ｉ_Ｆを変化させ、メッシュ電極６に流れる電流を熱電子電流Ｉ_Ｅとして測定した。

このとき、メッシュ電極６には＋５００［Ｖ］の電圧を印加して、メッシュ電極６が熱電子を捕獲するようにした。その測定結果を図３に示す。
図３からは、フィラメント１０へ供給するフィラメント電流Ｉ_Ｆが１．４［Ａ］以上になると熱電子電流Ｉ_Ｅが急増し、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．７［Ａ］を超えるとその増加量が小さくなることが分かった。

上記熱電子電流Ｉ_Ｅはフィラメント１０から放射された熱電子がメッシュ電極６を流れた量を示すものである。したがって、この実施形態においてフィラメント１０から熱電子を放射させるためには、フィラメント１０に１．４［Ａ］以上のフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給しなければならないことが分かった。

上記フィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給したら、メッシュ電極６にプラスの電圧を印加する。
メッシュ電極６にプラス電圧が印加されると、上記フィラメント１０から放射された熱電子は、メッシュ電極６のプラス電位によって形成された電界から力を受けて運動する。具体的には、熱電子がプラスのメッシュ電極６に引き付けられるように移動するが、熱電子がすぐにメッシュ電極６に吸収されるのではなく、上記熱電子はメッシュ電極６を一旦通過して反対側へ移動する。

メッシュ電極６を通過した熱電子には、それまでとは反対方向の、メッシュ電極６へ向かう力が作用するので、熱電子の移動方向は切り替わり、再度メッシュ電極６を通過し、反対方向の力を受ける。このように、熱電子はメッシュ電極６を境にして往復運動をすることになる。

上記のように往復運動をしている熱電子は、真空チャンバー１内の残留ガス分子に衝突してガス分子を電離させる。この電離によって、イオンと電子が生成される。
なお、電離によって生成された電子も、上記熱電子と同様の往復運動をしながらガス分子の電離衝突に寄与してイオンや電子が生成される。生成されたイオンまたは電子が、保持手段１３に保持されている除電対象の表面電荷を中和して、除電が行なわれる。例えば、プラスに帯電した除電対象には電子やマイナスのイオンが引き付けられ、マイナスに帯電した除電対象には、プラスのイオンが引き付けられ、除電対象の表面電荷を中和する。

次に、上記除電装置を用いた除電実験について説明する。
除電対象として、上記保持手段１３に保持させた金属製のプレートＰＬを帯電させて用いた。このプレートＰＬには真空チャンバー１外でチャージプレートモニター（ヒューゲルエレクトロニクス７００Ａ型）を接続している。このチャージプレートモニターは、上記プレートＰＬを帯電させたり、その表面電位の変化を測定したりする機能を備えている。除電実験では、チャージプレートモニターによって、プレートＰＬを、＋１０００［Ｖ］または－１０００［Ｖ］に帯電させて用いる。なお、実験に用いるプレートＰＬは一辺が４５［ｍｍ］の正方形である。

実験条件は以下の通りである。
真空チャンバー１は、縦、横、高さが、それぞれ７５０［ｍｍ］、７５０［ｍｍ］、１２５０［ｍｍ］の外観四角柱であり、上底面が上記接地電極２を構成している。
上記プレートＰＬを、保持手段１３によって、メッシュ電極６から約１０００［ｍｍ］の位置に保持する。
また、真空チャンバー１内は、図示しない真空ポンプによって５×１０^－４［Ｐａ］に維持し、真空ポンプは、常時作動させておく。

プレートＰＬを、チャージプレートモニターによって＋１０００［Ｖ］または－１０００［Ｖ］に帯電させたプレートＰＬのそれぞれについて次の実験を行なう。プレートＰＬを、＋１０００［Ｖ］または－１０００［Ｖ］に帯電させた後、メッシュ電極６に＋５００［Ｖ］の電圧を印加するとともにフィラメント電流Ｉ_Ｆを１．７［Ａ］を供給し、プレートＰＬの表面電位の変化をチャージプレートモニターによって測定する。

除電実験の結果を図４に示す。
図４は、横軸に時間、縦軸にプレートＰＬの表面電位を示したグラフである。実線のグラフ（１）は、＋１０００［Ｖ］に帯電させたプレートＰＬの表面電位の変化を示したもので、点線のグラフ（２）は－１０００［Ｖ］に帯電させたプレートＰＬの表面電位の変化を示したものである。いずれも、横軸の０時点には、メッシュ電極６に＋５００［Ｖ］の電圧を印加するとともにフィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを１．７［Ａ］供給している。

図４に示すように、＋１０００［Ｖ］に帯電したプレートＰＬは、メッシュ電極６への電圧印加とフィラメント１０への電流供給によって、瞬時に除電されることが分かった。
具体的には、フィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを１．７［Ａ］供給後、０．１［ｓｅｃ］ほどで、表面電位が数十［Ｖ］まで低下した。
このように、プラスの表面電位が瞬時に低下したのは、残留ガス分子が電離して生成された電子と熱電子とが、プレートＰＬのプラスの表面電荷を効率的に中和したからである。

なお、メッシュ電極６への電圧印加を行なわずに、フィラメント電流Ｉ_Ｆを１．７［Ａ］供給するだけでも、図４とほぼ同じ結果が得られることも確認済みである。このことから、上記の条件では、フィラメント１０から、＋１０００［Ｖ］に帯電した４５［ｍｍ］角のプレートＰＬの表面電荷を中和するのに十分な量の熱電子が放射されることが分かった。

一方、－１０００［Ｖ］に帯電したプレートＰＬは、点線のグラフ（２）に示すように、メッシュ電極６に電圧を印加するとともに、フィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給してから、約１０［ｓｅｃ］で表面電位が数十［Ｖ］に低下した。
フィラメント１０から放射された熱電子が残留ガス分子と電離衝突して、生成されたプラスイオンがプレートＰＬのマイナス電荷を中和したからである。

上記のように、この実施形態では、フィラメント電流Ｉ_Ｆ及びメッシュ電極６への印加電圧を適切に設定すれば、フィラメント１０から放射される熱電子を往復運動させて、残留ガス分子に電離衝突させることができる。熱電子が残留ガスに電離衝突するため、外部から真空チャンバー１内にガスを供給しなくても、除電に必要な電子やイオンを生成することができる。したがって、この実施形態では外部からプラズマ生成用のガスを供給する従来の真空除電装置のように、ガスの供給量を高精度に制御する必要がない。

そのため、実施形態の真空除電装置では、ガスの供給量に応じて除電効果が不安定になったり、ガスの供給量が多すぎて真空チャンバー１内の真空度を低下させてしまったりする心配がない。また、ガスの供給源や、高精度のバルブ、バルブ制御手段などの設備も不要になり、装置構成をシンプルにできるとともに、設備コストも抑えられる。

さらに、この実施形態では、フィラメント１０を保持する絶縁体からなるリング部材４に凹部４ａを形成している。このように凹部４ａによって、リング部材４と接地電極２との間にスリットを設けて、フィラメント１０と接地電極２との間の距離をかせぐことで、フィラメント１０を構成するタングステンが、ホルダ９やリング部材４の表面に蒸着してフィラメント１０と接地電極２とが導通してしまうことを防止できる。

フィラメント１０に通電することで熱電子が放射される過程では、タングステンの蒸気も放出される。このタングステン蒸気でホルダ９、リング部材４、及び接地電極２のそれぞれの表面が連続して蒸着されると、フィラメント１０が接地電極２と導通して接地され、熱電子を放射できなくなってしまう。しかし、この実施形態では、上記凹部４ａを形成し、この凹部４ａが形成するスリットによって、リング部材４と接地電極２のそれぞれの表面が連続して蒸着されないようにして、フィラメント１０と接地電極２との遮断状態を維持するようにしている。そのため、フィラメント１０が接地電極２と導通することを防止して、すなわち、フィラメント１０が接地されることを防止して、熱電子放射を持続させることができる。ただし、上記スリット内にタングステンが侵入してしまえば、導通してしまうこともあるので、適度な清掃やリング部材４の交換などは必要である。
また、適切なタイミングでタングステンの蒸着面を清掃するようにすれば、上記凹部４ａがなくても、熱電子の放射を維持することができる。

なお、この実施形態では、フィラメント１０が設置された熱電子放射エリア１２と除電対象の保持手段１３とをメッシュ電極６を境に反対側に設けている。熱電子放射エリア１２と保持手段１３とを反対側に設けることで、メッシュ電極６と接地電極２との距離を小さくして、メッシュ電極６と接地電極２とで形成される強い電界中に熱電子を放射でき、熱電子の運動エネルギーを大きくできる。その結果、熱電子のガス分子への電離衝突の確率が高くなる。

また、除電対象の保持手段１３は、メッシュ電極６を境にフィラメント１０と反対側に設けることによって、メッシュ電極６の近くに設置することができる。したがって、メッシュ電極６を通過した高速の熱電子との電離衝突によって生成されたイオンや電子を、より有効に除電に寄与させることができる。
ただし、上記フィラメント１０、メッシュ電極６及び接地電極２の相対位置は、上記実施形態に限定されない。
また、フィラメント１０の材質は、熱電子を放出するような高温に耐えるものであれば、タングステンに限らない。また、フィラメントの形状や取り付け方も、上記実施形態に限定されない。

高真空度を維持したエリア内での帯電物体の除電処理に有用である。

１ 真空チャンバー
２ 接地電極
４ （フィラメント保持部材）リング部材
４ａ （スリットを形成する）凹部
６ メッシュ電極
８ （プラス）直流電源
１０ フィラメント
１１ （フィラメントの）可変直流電源
１２ 熱電子放射エリア
１３ （除電対象の）保持手段

Claims (3)

1. 真空エリア内に、
   プラス電圧が印加されるメッシュ電極と、
   このメッシュ電極との間で電界を形成する接地電極と、
   上記メッシュ電極の近傍に設けられ、熱電子を放射するフィラメントと
   を備え、
   上記フィラメントから放射されて上記メッシュ電極によって形成された電界から力を受ける熱電子の運動によって上記真空エリア内の残留ガス分子を電離させる真空除電装置。
2. 上記接地電極と上記メッシュ電極との間に上記フィラメントを設けて熱電子放射エリアとし、
   上記メッシュ電極を境にして、上記熱電子放射エリアと反対側に、除電対象の保持手段が設けられた請求項１に記載の真空除電装置。
3. 上記フィラメントを保持する電気的絶縁体からなるフィラメント保持部材を備え、
   上記フィラメント保持部材は、
   上記フィラメントの突出側において、当該フィラメント保持部材と上記接地電極との間にスリットを維持して上記接地電極に取り付けられた
   請求項１または２に記載の真空除電装置。

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