JP2702951B2 - ガス流中にイオンを発生させる装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、ガス流中にイオンを発生させる装置に関
し、マイクロチップ、フィルム、磁極板、レーザー蓄積
板および印刷回路板等の感応性を有する製品において、
放電を管理しない場合に破壊または粒子付着の増加を生
じてしまう静電荷を減少させるための装置に関する。 ［発明の背景］ レーザーおよび磁気蓄積板を用い、また１μ以下の分
解能レンジの微細なミクロ的構造を有する他の製品を用
いる高度に集積化された半導体素子の製造においては、
粒子汚染および制御されない放電により、著しい品質低
下が生じてしまう。本文における用語「ミクロ的構造」
とは一般に、微粒子の付着が品質の低下をもたらしてし
まう、感応性を有するプラスチック・フィルムあるいは
表面を包含している概念である。静電荷は、破損の原因
である。このようなミクロ的構造の製造は、例えば、空
気が高レベルに濾過されて乱流の少ないピストン状の排
出流で流れるクリーン・ルーム内で行なわれる。このよ
うなクリーン・ルームに流入する空気流は、クリーン・
ルームへの空気流による粒子の通過がほとんどない程に
高レベルまで濾過することができる。製造中に生じる粒
子は、ほとんどが製造プロセス自体からもたらされ、あ
るいは作業要員によってもたらされる。本発明による装
置もまた、限られた作業場所、即ち特に調整された空気
流を用いるステーションにおいて、使用することができ
る。 電荷は、摩擦、静電誘導あるいは容量性プロセスによ
って生じ、また、特に絶縁表面上で製品が移動している
場合に生じるものである。電荷が、数千ボルトの電圧に
までなる場合がある。このような帯電面は、静電力によ
りエアロゾル（煙霧質）、特に帯電したエアロゾルを逓
増的に吸引してしまう。 500ボルトに帯電された表面の場合、帯電されていな
い面と比較して、約20倍の粒子の付着が生じる。このよ
うな表面の電荷は、ミクロ的構造全体にわたり制御され
ない状態で放電され、そして、このミクロ的構造は、静
電的ブレークダウンあるいは高電流密度のいずれかによ
って破壊されてしまう。シリコン・チップ上の感応性を
有する金属酸化物半導体構造は、約50Vの電圧の放電に
よって破壊されてしまう。 製品の絶縁面の帯電および粒子の付着の増加は、正お
よび負の極性を有するイオンを含む空気流によって阻止
することができる。したがって、空気中の粒子の電荷お
よび製品表面の電荷の双方により、電荷は補償される。
ミクロ的構造においては、制御されない放電は生じな
い。表面の放電は、空気のイオンにおける制御された放
電によって低減される。静電的感応性を有する製品の場
合には、正と負のイオンが均一に分布していることが特
に重要である。 正と負の空気イオンを生じるためには、針の尖端また
はワイヤの、不均一な電界におけるタウンゼント・ガス
放電を用いることが知られている。尖端部にイオンを生
じさせるための装置が、米国特許第1,356,211号に開示
されており、一方、ドイツ特許公開公報第2809054号に
は、ワイヤにイオンを生成するための装置について記載
している。尖端部またはワイヤ表面付近においては、約
0.5mmの広がりを有する放電ゾーンが形成され、該ゾー
ンでガスの分子がイオン化される。放電ゾーンからの距
離が増加すると電界が弱くなるので、イオンの速度が低
下する。イオンを空気流により運び去ることができるよ
うにするための条件は、不均一な電界におけるイオン速
度が空気流より小さな値まで低下することである。大き
く湾曲した表面上でガス放電を付勢するためには、６〜
7kVの電圧が必要である。このようなイオン化装置を約1
0kVの電圧で使用する場合、イオン速度は50〜100cm以内
で1m/秒まで低下する。クリーンな作業ステーションに
おける標準的な空気の流量は約0.5m/秒である。以上か
ら、空気流中のイオン分布に関しては、空気の流速と、
電荷の電気的な形態（geometry）と関連した高電圧の時
間的パターンとの間に密接な関係があることが、明らか
である。 従来のイオン化装置は、10〜20kVの電圧で動作してい
る。該電圧は時間的に見て、均一（第1c図）であるか、
または50〜60Hzの正弦波形電圧（第1a図）であるか、矩
形電圧であるかのいずれかである。 放電の電界形態および電圧が同じ場合においては、正
のエミッチよりも負のエミッタにおいて、多くのイオン
が生成されることは知られている。同数の正と負のイオ
ンが空気流に含まれている場合にはイオン化装置は表面
を中性化するに過ぎないため、正弦波の交流電圧はエミ
ッタの給電のためには不都合であるが、矩形電圧および
直流電源の場合には、これらの直流電圧レベルを調整す
ることにより、極性バランスが補償されたイオンを生成
することが可能である。 矩形状の電圧および正弦波状の交流電圧はピーク極性
の切り替えが生じ、該切り替えが空気の流速に比べて短
くなる場合がある。この場合には、空気中の配合された
イオンは、空気の流速よりも速い極性変化により、尖端
部に戻されてしまい、空気のイオン化には役立たないと
いう問題が生じる。イオンの配合効率もまた損なわれ
る。なお、配合効率とは、尖端部において生じるイオン
の総数に対する空気流に入っているイオンの数の比率を
意味するものとする。 これらの欠点により、点電極に流れる電流を増大させ
てしまう。点電極の電流が大きな場合は、除去される物
質が増加し、その結果、尖端部の半径が増大すると共に
尖端部における粒子の蓄積が増加する。このため、イオ
ンの生成は不均一な電界の減少により減少し、問題を生
じることになる。これらの欠点は、動作電圧を増大する
ことにより、さらに助長されてしまう。 ２つの尖端グループが別々に直流電圧を与えられる公
知のシステムにおいてはまた、リターン遷移による電流
が増大する。この場合、尖端部間の電位差が約20kVとな
り、尖端部間の間隔は約30cmというかなりの大きさでな
ければならない。この場合、平均的なイオン速度が非常
に大きいため、電界の周縁部からのごく一部のイオンし
か空気流によって取出されない。従って、交流電圧で作
動するイオン化装置の場合と同じ欠点が予想される。平
坦なイオン化装置の構造は、例えばクリーン・ルームの
天井の下の面積が大きい場合に適合するものであるが、
局部的に不連続なイオン生成をもたらす。このようなイ
オン化装置の境界領域においては、一方の極性のイオン
が過剰量となり、これが実際のイオン化装置の機能とは
反対に、余分な電荷をもたらすことになる。直流電圧に
より提供されかつ空気流の断面に沿って電極間に生じ
た、電極面と平行な一定の強さの電界が、流出側で負と
正のイオンの分離をもたらすことは、さらに不利であ
る。このような分離は、過剰量である一方の極性のイオ
ンにより、数百ボルトの電荷をもたらしてしまうことが
ある。 例えば、米国連邦標準規格209cの規定による、特に厳
しい条件のクラス10のクリーン・ルームにおけるイオン
化装置の運転経験によれば、第１図に示されたイオン化
装置の３つの動作モードの場合に問題点が生じた。これ
らの欠点は、尖端部の遊離、クリーン・ルームの空気中
への尖端部の金属材料の混入、および尖端部における汚
染物質の蓄積、ならびに固形粒子への気相物質の電気化
学的な変換プロセスに関するものである。テキサス・イ
ンストルメント社のB.Y.Liu等の最近の研究「クリーン
・ルーム用の電子イオン化装置の特性」（IBSI985年
版）によれば、クリーン・ルームの空気中には更に1m³
当り1.5×10⁶個までの粒子が存在している。しかし、最
上品質のクリーン・ルーム内では、1m³当り約300個以下
の粒子が存在するだけである。 ［発明の概要］ 本発明は、ガス流に露呈された電極装置と、負及び正
のパルスを交互に発生し、長い期間にわたりガス流断面
に均一なイオン分布をもたらす動作条件を保証する高電
圧電源とを備えた、ガス流柱にイオンを精製する装置を
提供する。本発明においては、尖端の点放電電極および
その対向電極が所定の距離において設けられたことによ
って電界が得られ、点放電電極に加えられる高電圧の時
間的変化を、点放電電極と対向電極との間のガス速度お
よびイオンの異働時間と関連付けることができ、その結
果、イオンの配合効率が向上する。点放電電極および対
向電極の幾何学的構成により、均一なイオン分布が流路
だ面に生じ、クリーン・ルーム内の他のイオン生成の可
能性の悪影響が阻止される。同一の点放電電極に正と負
の高電圧が交互に発生されることにより、ガス流の方向
に対して直角な一定の電界を生じないようにし、これに
より、正イオンと負イオンとを分離できることになる。 点放電電極として腐食性の低い電極材料であるニオブ
を採用すれば、摩滅しにくくなり、またスパッタリング
が減少する。 本発明の装置は、最も厳しい品質のクリーン・ルーム
内およびこのようなクリーン・ルーム外の両方で使用す
ることができる。クリーン・ルーム外の充分に濾過され
ていない空気中では、粒子状の空気汚染物質の蓄積によ
る点放電電極の汚染が生じてしまい、これがイオン生成
の妨げとなっている。従って、清浄化の目的のために、
電極の支持部は、グリップまたはハンドルを使用してプ
ラグから外すことができ、また再び挿入することができ
ることが、好ましい。 高電圧のリレーを用いることにより、正及び負の２つ
の高電圧発生装置を相互に分離することが可能であり、
また点放電電極に対して正及び負の高電圧が１本の高電
圧用シールド単心ケーブルを介して供給される。高電圧
リレーを無負荷状態で切換えるため、リレーの寿命が著
しく延長される。 高電圧電源が低電圧の制御装置および高電圧モジュー
ルを備えるようにすることにより、該高電圧モジュール
を電極装置の付近のガス流の外側に配置することができ
るので、ガス流中に望ましくない乱流を生じない。ま
た、正と負のイオン量を調整するための高電圧モジュー
ルを付勢する低電圧の制御装置は、作業ステーションの
真近に置くことができる。電極装置と高電圧モジュール
との間の接続は高電圧用シールド・ケーブルによって行
なわれ、高電圧モジュールは低電圧の制御装置によって
直流で付勢され、そのため長いケーブルを使用すること
ができるので、敏感な電子制御／測定装置を電磁波放射
による干渉から保護することができる。 本発明の別の利点は、付加される粒子が著しく少なく
なることである。1m³当り約100粒子の分解能の場合に
は、本発明の装置によって付加的粒子の生成がないこと
が観察された。 気体放電による従来技術のイオン化装置においては、
作業要員の健康に危険な濃度のオゾンを生じることが知
られている。本発明の装置を動作させて行った測定で
は、自然の大気中のオゾン濃度を増加させることがなか
った。これは、点電極での放電電流の大きさが非常に小
さいためである。動作上の安全のための重要な基準は高
電圧のレベルであるが、このレベルは公知のイオン化装
置の場合には30kVにもなることがある。本発明において
は、イオン線量の高効率の結果として、また流路断面に
イオン・ソースが均一に分布するので、最大動作電圧を
15kV以下に低下させることができる。従来例と比べて低
い動作電圧にも拘らず放電時間が得られ、このため、例
えばチップ製造中における厳しい要求を満足することが
できる。 公知のイオン化装置においては、短い放電時間を達成
するため、点電極が感度の大きな製品の処理領域に向け
られている。この場合、製品の感度の闇値を越える電圧
は、該製品に影響を及ぼす恐れがある。このような従来
例の欠点は、本発明においては、作業面と平行な空気流
の断面における交番電界の水平配向により、また対向電
極を高密度で設置したことにより、大幅に低減すること
ができる。本発明の装置においては、作業面とイオン化
装置との間に接地電位の金属製の多孔版を配置した場合
は、イオン化装置の効率を低下させることなく、イオン
化装置のすぐ近くに作業面を配置することができる。 ［発明の実施例の形態］ 第４図は、低電圧の制御装置（低電圧制御装置）30
と、高電圧モジュール31と、電極装置32とを有する本発
明の装置を示している。電極装置32は、空気流の近傍、
例えばクリーン・ルームの場合には、空気フィルタの空
気出口の下方の天井領域に配置される。第5a図は、クリ
ーン・ルームの空気フィルタの天井領域の下方に取付け
るのに適している格子状の電極装置を示している。電極
装置32は、管状の金属製の接地された対向電極４と、固
定枠を形成する金属半円柱部分から作られた交差部材
１、８とを有している。先の尖った針状の点放電電極６
を支持する電極支持部５が、プラグ結合部、即ちプラグ
・コネクタ３、７によって、交差部財１、８に固定され
ている。対向電極４および電極支持部５は、１つの面内
に相互に平行に配置され、点放電電極もまた、１つの面
内に対向電極４に対して直交していることが望ましい。
第5a図においては、点放電電極６の電極支持部５毎に３
つの点放電電極６しか示していないが、更に多くの点放
電電極を設けることが望ましい。対向電極４および電極
支持部５は、約３〜15mmの直径を有し、これらの間隔は
５〜30cmの範囲である。点放電電極６は、約５〜30cmの
均一な間隔で設けられている。 高電圧は、交差部材１およびプラグ・コネクタ３の保
護抵抗を介して点放電電極６へ供給される。電極支持部
５は、電気的に並列接続されている。単心の高電圧用ケ
ーブル９の接地シールドの接続のため、クランプ接続部
（不図示）が交差部材１の内部またはその上に設けられ
ている。 第６図は、電極支持部および特にプラグ・コネクタ
３、７の断面図である。プラグ・コネクタ３は、肩部す
なわちプラグを有するアクリル製チューブ33を有し、そ
の内部には高電圧ケーブル10が挿入されている。チュー
ブ33のラグは、電極支持部５内に挿入され、電気的接続
部は高電圧線に接続されたブッシュ11と電極支持部５に
設けられたピン12とにより形成されている。チューブ33
は、高電圧の電極支持部と交差部材１の接地電位部との
間の表面漏洩経路を確保している。プラグ・コネクタ７
もまた絶縁用アクリル製ロッド34を有し、その端部は電
極支持部に挿入されて固定ピン14により固定されてい
る。圧縮ばね13がロッド34の端部に支持されている。固
定ピン14は捻れを防止し、そのため点放電電極は対向電
極４に対してその位置を変化することができない。２つ
のプラグ・コネクタ３、７は、ばねで固定したプラグ取
付け部を形成し、それにより、電極支持部を容易に取外
して洗浄することができる。 点放電電極は、第２図に示されるような、正と負のパ
ルスが交互に現れる高電圧パルスが供給される。例え
ば、最初に高電圧が時間t₁にわたり供給されるが、この
時間t₁は、電極４、６間の空間が正のイオンで充填され
るように選定される。この期間中、強電界によってイオ
ン化速度が大きくなり、その結果、第5a図に示される格
子状の電極装置に対して直角に流れる空気流へ、イオン
が配分されることはほとんどない。イオン遷移時間、す
なわち時間t₁後、高電圧が急峻に遮断されると、電界の
作用力が停止し、その結果、電極４、５、６間の最も強
い電界強度の空間からの空気流の摩擦作用力により、イ
オンが放電される。該イオン放電は時間t₂の間に生じ
る。その後、反対の極性の負の高電圧が点放電電極６に
供給される。この負の高電圧もまた、負のイオンが電極
４、５、６間の空間を充填するまで（時間t₃の間）供給
され、その後、急峻に遮断される。第5a図における点放
電電極６を有する電極支持部５と対向電極４との間の距
離ａ及びイオンの移動度を考慮して、高電圧の供給時間
t₁およびt₃を決定する。供給時間は、例えば、数ミリ秒
〜数十ミリ秒の間であり、特に５ミリ〜60ミリ秒の間が
好ましい。空気流の速度が0.1〜1m/秒の場合は、遮断時
間t₂、t₄、即ちパルス間隔は100〜1000ミリ秒の間であ
る。したがって、パルス・デューティ係数は、1:5〜1:2
0となる。 このような電極装置と高電圧の供給／遮断の相互作用
の結果、点放電電極の尖端部で生じたイオンのほとんど
が空気流に誘引される。その結果、尖端部における電流
が減少し、空気流中の不所望の粒子がその分減少する。 従来技術では高級な鋼鉄及びタングステンを電極材料
として使用しているが、本発明においては、腐食性が低
い電極材料が点放電電極として用いられる。研究によれ
ば、電極材料としてニオブおよびその合金を用いれば極
めて良好な結果が得られることが判り、そのため、該材
料を点放電電極６として用いることができる。 表１は、点放電電極に非パルス電流負荷を用いて1000
時間にわたって行なわれたテストの結果を示している。
欄２（材料損失）は、ニオブの摩滅量がタングステンに
比較して1/6に小さくなっていることを示している。タ
ンタルもまた、タングステンより優れた結果を示してい
る。 高電圧ケーブル９の長さを短縮するために、電極装置
の付近でしかも空気流の外側に置かれることが望ましい
高電圧モジュール31が、第7a図に詳細に示されている。
図示されていない駆動回路によって駆動される２つの発
振器18が、２つの高電圧変圧器19の１次側を低い電圧で
付勢し、該２つの変圧器の２次側にそれぞれ挿入された
高電圧ダイオード25により、一方の変圧器が正の高電圧
を生じ、また他方が負の高電圧を生じる。また、これら
のダイオード25にはそれぞれ高電圧リレー20が接続され
ており、該高電圧リレーにより、シールドされた高電圧
ケーブル９への高電圧供給を切換える。この高電圧ケー
ブルから点放電電極６に給電を行う。 高電圧リレー20を負荷のない状態で切換えるようにす
るために、発振器18と高電圧リレー20とは、第7b図のタ
イミングにより付勢される。第7b図に示されているよう
に、間欠的に付勢される発振器18が付勢されていない状
態でのみ、高電圧リレー20のオン／オフ切換えが実行さ
れ、これにより、高電圧リレーが無負荷状態で切り替え
られている。 低電圧の制御装置30を作業ステーションのすぐ付近に
配置することができ、あるいは中央の制御室内に収容す
ることもできる。この制御装置は、高電圧モジュールに
対して独立的に調整可能な直流電圧を供給し、その結
果、正及び負の高電圧値を相互に独立的に決定すること
ができる。低電圧の制御装置30により生じた直流電圧値
を調整してイオン極性のバランスを調整するため、正及
び負のイオンを生じるため用いられる電流がそれぞれ高
電圧モジュール31において測定され、制御装置30に制御
用変数として入力される。 電極装置の対向電極４は、第5a図のように構成する代
わりに、以下のように構成することができる。第5b図お
よび第5c図においては、対向電極が点放電電極６の周囲
にある要素により形成されている。第5b図においては、
電気的に接地されたフレーム装置16が対向電極として構
成される。第5c図においては、対向電極が接地された多
孔板17により構成され、この多孔板は覗き用隔壁等とし
て作用する。 本発明の別の実施例が第３図に示されており、該実施
例においては、イオンを室内に存在するガスまたは空気
流に配合する代りに、大きな断面にわたって同一方向の
流れを生じる手段を有する閉鎖装置が提供される。この
閉鎖装置はブロワ即ちファン及び圧力室21を備え、該圧
力室の下流側には、空気を均一にするための層である偏
向板23が設けられている。この偏向板23は、点放電電極
６に対する対向電極を形成し、点放電電極６は偏向板23
の下方に配置され、電極支持部５に固定されている。同
一方向の空気流は、圧力室の全周に設けられたガード24
によって安定化されている。 図面の簡単な説明 第１図は、放電電極に供給するための高電圧の時間的
変化を表すパターンを示す図である。 第２図は、本発明の装置による放電電極に供給する高
電圧の時間的変化を表す図である。 第３図は、本発明の装置の第１の実施例を示す断面図
である。 第４図は、本発明の装置の構成要素を示す概略図であ
る。 第5a図は、本発明の別の実施例の電極の配置を示す斜
視図である。 第5b図および第5c図は、本発明の更に別の従来例の電
極の配置を示す概略断面図である。 第６図は、第5a図に示された電極の電極支持部の部分
断面図である。 第7a図は、高電圧モジュールの回路図である。 第7b図は、第7a図に示された高電圧モジュールにおい
て発生するパルスを示すタイミング図である。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ガス流に露出された電極装置と、負及び正のパルス
   の交互のシーケンスを発生する高電圧電源とを用いて、
   ガス流中に電極装置からイオンを生成する装置におい
   て、 前記電極装置（31）が、少なくとも１つの尖端を有する
   放電電極（６）と、少なくとも１つの対向電極（４、1
   6、17、23）とを有し、 前記パルスの持続時間が、前記放電電極と対向電極との
   間のイオンの移動時間に実質的に等しくなるよう設定さ
   れており、 前記パルス間の時間間隔が、発生されたイオンのほぼす
   べてが電極装置に再結合されることなく前記ガス流内を
   移動するよう、設定されている ことを特徴とする装置。 ２．特許請求の範囲第１項記載の装置において、 前記パルスの持続時間が約５〜60ミリ秒であり、 前記ガス流の速度が約0.1〜1m/秒の場合に、該パルス間
   の時間間隔が約100〜1000ミリ秒である ことを特徴とする装置。 ３．特許請求の範囲第１または２項記載の装置におい
   て、前記電極装置（31）が、１つおきに配置されたロッ
   ド状の平行な対向電極（４）と、点放電電極（６）と、
   該点放電電極（６）を支持する電極支持部（５）とを有
   し、前記点放電電極（６）が、１つの面内において前記
   対向電極（４）に対して直角に配置されていることを特
   徴とする装置。 ４．特許請求の範囲第３項記載の装置において、 前記対向電極（４）および電極支持部（５）が、円柱形
   を呈し、かつ約３〜15mmの直径と約５〜50cmの交互の間
   隔とを有しており、 前記点放電電極（６）が、約５〜30cmの均等間隔で配置
   されていることを特徴とする装置。 ５．特許請求の範囲第３または４項記載の装置におい
   て、前記点放電電極（６）を支持する前記電極支持部
   （５）が、プラグ・コネクタ（３、７）に取外し自在に
   固定されることを特徴とする装置。 ６．特許請求の範囲第５項記載の装置において、前記電
   極支持部（５）を前記プラグ・コネクタ（３、７）に固
   定することができることを特徴とする装置。 ７．特許請求の範囲第１または２項記載の装置におい
   て、少なくとも１つの対向電極（16、17、23）が、前記
   点放電電極（６）から所定の距離にあり、かつ所定の電
   位の多孔板から形成されたフレーム構造または覗き隔壁
   等の、プラント部分の構成要素であることを特徴とする
   装置。 ８．特許請求の範囲第１〜７項いずれかに記載の装置に
   おいて、前記高電圧電源が、調整可能な直流電圧を供袷
   する低電圧制御装置（30）と、該低電圧制御装置（30）
   と接続された高電圧モジュール（31）とからなり、該高
   電圧モジュール（31）が電極装置（32）の付近に設置さ
   れることを特徴とする装置。 ９．特許請求の範囲第８項記載の装置において、前記高
   電圧モジュール（31）が、単心の高電圧線（９）により
   前記電極装置（32）に接続されていることを特徴とする
   装置。 １０．特許請求の範囲第８または９項記載の装置におい
   て、前記高電圧モジュール（31）は、正及び負それぞれ
   の高電圧を発生するために、発振器（18）と変圧器（1
   9）と整流器（25）とを含む電圧コンバータと、高電圧
   リレー（20）とを有していることを特徴とする装置。 １１．特許請求の範囲第10項記載の装置において、前記
   高電圧リレーが、付勢するパルス間隔において負荷のな
   い状態で前記発振器（18）の付勢と同時に切換えられる
   ことを特徴とする装置。 １２．特許請求の範囲第８項記載の装置において、イオ
   ン極性のバランスを調整するため、正と負のイオンを発
   生するために必要な電流が測定され、かつ該電流値が直
   流電圧値を設定するための制御可能な変数として提供さ
   れることを特徴とする装置。 １３．特許請求の範囲第１〜12項いずれかに記載の装置
   において、前記点放電電極（６）が、ニオブまたはその
   合金から作られていることを特徴とする装置。 １４．特許請求の範囲第１〜13項いずれかに記載の装置
   において、該装置はさらに、偏向板、多孔板等（23）に
   より閉鎖され、かつ前記ガス流が導入される圧力室（2
   1）を備えており、前記点放電電極（６）が該多孔板（2
   3）の流出側に配置され、該多孔板が前記対向電極
   （４）を形成していることを特徴とする装置。