JP3292203B2 - コロナ放電用電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，気体中または真空中の
清浄空間内に存在する物品の静電気を除去するのに使用
されるコロナ放電用の針状電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】製品表面の微粒子汚染や帯電を極端に嫌
う分野，例えば半導体製造業では，クリーンルーム内，
各種ガス（例えばＡrやＮ₂ガス等）で満たされた製造装
置内，更には真空装置内の清浄空間内に存在する製品に
対して，微粒子の静電吸着による表面汚染や帯電による
電気的特性の劣化を防止するために，製品の周辺に発生
する静電気を除去されねばならない。一般に，かような
静電気の除去は針状電極を用いたイオナイザによって行
われ得る。

【０００３】イオナイザには各種のものが知られている
が，その原理は針状電極に高圧電流を印加することによ
って針状電極の先端でコロナ放電を行わせるものであ
る。このコロナ放電によって発生する正または負のイオ
ンを反対極性に帯電している帯電物品に供給することに
よって静電気が中和され除電される。

【０００４】前記の清浄空間内に存在する物品（例えば
ウエハやウエハキャリヤ等）や周囲部材の静電気の除去
には，微粒子の発生の伴わないイオナイザを使用するこ
とが必要である。イオナイザ自身が微粒子発生源となる
のであれば逆効果となり，使用目的が達成できない。

【０００５】MICROCOTAMINATION,August 1985 p.28〜32
や静電気学会講演論文集 '91(1991.10), P.397〜400 に
は，金属の針状電極を用いたコロナ放電では空気イオン
のスパッタ現象や金属の酸化現象によって電極が劣化
し，放電中に金属微粒子が電極から発生することが記載
されている。

【０００６】この電極からの発塵を防止するために，金
属の針状電極の先端をセラミックス等の誘電体で覆う方
式を本発明者らは提案した。これは，例えば特開平3-23
0499号公報や特開平3-230500号公報に記載されているよ
うに，先端が尖ったセラミックスチユーブ内に, 高電圧
が印加される金属針を, この金属針の先端が該チューブ
の先端内面と接するように装着したものである。

【０００７】エアロゾル研究第６巻第４号（1991) P.36
5〜372 によると, このようなセラミックス被覆電極(同
文献 Fig.2(d))では, その内部の金属針に交流高電圧を
印加すると, 外側のセラミツクス誘電体を介してコロナ
放電を起こして (同文献Fig.3(d)),周囲の空気を電離し
正負のイオンを発生させることができ，この場合には，
前述の微粒子の発生は皆無にすることができる (同文献
Fig.16)。したがって，超清浄空間内の製品の除電に威
力を発揮することができる。

【０００８】該セラミックス被覆電極では外被の誘電体
（セラミツクス）を介してコロナ放電を起こさせるの
で, 金属針の先端がセラミツクスチューブの先端内面に
密着していることが必要である。このために，セラミツ
クスチューブとその中の金属針とは「ずれ」が生じない
ように, 両者は接着剤などを用いて互いに剛構造に接合
されている。

【０００９】この密着が必要な理由は次のとおりであ
る。

【００１０】エアロゾル研究第６巻第４号（1991) P.36
5〜372 によると, 金属針の先端がセラミツクスチュー
ブの先端内面から離れた場合には (同文献 Fig.2(e))の
中空石英被覆電極), コロナ放電はセラミツクスチュー
ブの先端外面では起こらず,金属針の先端で起こる (同
文献 Fig.3(e))。この場合, チューブの内部に閉じ込め
られた空気のみが電離し，チューブの外側の空気は電離
しない。

【００１１】さらに，金属針の先端でコロナ放電が起こ
った場合, 放電時間の経過とともに先端部の酸化が進行
し，先端部が劣化することが知られているが, これは前
述の中空石英電極の金属針の先端についても同様である
(同文献 p.369) 。ところが金属針の先端がセラミツク
スチューブの先端内面に接触している場合には，７ケ月
間の連続稼動に対してもチューブ内部にある金属先端部
の酸化は一切みられない (同文献 p.369) 。つまり，該
セラミツクス被覆電極では，空気イオン発生のためだけ
でなく，金属針先端部の酸化による劣化を防止するため
にも，金属針の先端がセラミツクスチユーブの先端内面
に密着していることが不可欠となる。

【００１２】かようなセラミックス被覆電極を用いたイ
オナイザは，次のような理由によって，将来の半導体製
造にも使用可能であると考えられる。

【００１３】空気清浄,29(3),1991, 1〜9 によれば, 近
い将来予測される64MbitDRAMの量産時には，次のような
ウエハ表面汚染が防止されねばならないとされている。 (1) パーテイクル付着 (2) 金属汚染 (3) 有機物汚染 (4) 自然酸化膜の成長

【００１４】現在の４MbitDRAMの量産を対象としたクリ
ーンルームでは，一般大気中の空気を超高性能フイルタ
でろ過し，空気からパーテイクルを完全に除外して清浄
化される。搬送，洗浄，フォトリソの工程ではウエハ表
面はこの清浄空気に曝されることになる。該清浄空気中
にはパーテイクルは全く含まれないが，元々の一般大気
中に含まれていた有機ガスや水分は超高性能フイルタで
もろ過されずにそのまま残る。そこで，有機ガスについ
ては通常は活性炭フイルタで除去している。空気清浄,2
9(3),1991, 1〜9 の図４によれば，該清浄空気には水分
が１％以上も含まれ，ウエハの自然酸化膜は容易に成長
する。自然酸化膜の成長を防止するには水分濃度を0.1p
pm以下に下げる必要がある。

【００１５】このウエハ表面の自然酸化膜の成長を防止
するには，ウエハの搬送，洗浄，フォトリソの工程全体
を酸素を殆んど含まない不活性ガス (例えば窒素やアル
ゴンガス) を封入したチヤンバ内に閉じ込める方法（空
気清浄,29(3),1991, 1〜9 ）と，該工程全体を水分濃度
が0.1ppm以下の乾燥空気を封入したチヤンバ内に閉じ込
める方法がある。前者を窒素ガス封入法, 後者を乾燥空
気封入法と呼ぶことにする。

【００１６】前者の窒素ガス封入法における静電気除去
技術としては，イオナイザよりも紫外線照射が有効であ
るとされている。例えば第１４回超ＬＳＩウルトラクリ
ーンテクノロジーシンポジウム，Proceeding p.39 〜51
によれば，窒素ガス雰囲気中におけるウエハの帯電は,
紫外線照射によるガスのイオン化により防止できるとさ
れている (同文献, Fig.2)。ところが，酸素が存在する
と, 紫外線はオゾンの生成分解に消費されてイオン生成
量が激減してしまい，静電気除去は不可能になるとされ
ている (同文献Fig.11) 。したがって，酸素が存在する
雰囲気では, 静電気除去は, 前記のセラミツクス被覆電
極を用いたイオナイザによらざるを得ないことになる。
後者の乾燥空気封入法では，乾燥空気中には酸素が20％
も含まれるので, その静電気除去は該イオナイザによら
ざるを得ないことになる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところが，該セラミッ
クス被覆電極は，雰囲気の温度変化が生じない環境 (通
常のクリーンルームでは例えば23±0.5 ℃の温度に制御
される) で使用される場合にはとくに問題は生じない
が，温度変化の大きな環境で使用される場合には，放電
不良, 場合によっては, 破損の問題が生じることがわか
った。

【００１８】例えば半導体製造工程では，雰囲気ガスで
充満された装置や真空装置の内部でウエハが搬送・処理
されるさいに，該装置内部の温度変化幅が数百度になる
場合もあり，このような温度変化を受ける環境で前記の
セラミックス被覆電極を使用すると，セラミツクスと金
属針との熱膨張差によって，金属針の先端とセラミック
ス内面との密着が緩んで放電不良を起こしたり，逆に金
属針がセラミックス層を突き破ってその電極構造を破壊
してしまうことがある。本発明はこの問題の解決を目的
としたものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，電源側
に一端が接続された棒状金属電極の他端にセラミツクス
チユーブを被着してなるコロナ放電用のセラミツクス被
覆電極において，該金属電極とセラミツクスチユーブと
がバネ材を介して弾性的に相対移動可能にセットされて
いることを特徴とするコロナ放電用電極を提供する。

【００２０】

【作用】金属とセラミツクスとでは熱膨張率が相違す
る。例えばタングステンの線膨張率は 4.4×10^-6/℃で
あるのに対し, 石英ガラスのそれは 0.4×10^-6/℃であ
り,約10倍も異なる。一般に金属は温度によって伸び縮
みし易い素材として知られ,セラミツクスは伸び縮みし
にくい素材として知られている。

【００２１】本発明のコロナ放電用電極は，金属導体と
セラミツクスチユーブとがバネ材を介して弾性的に相対
移動可能に接続されているので，温度変化のある環境で
使用しても，該熱膨張差による両者の伸縮差がバネ材に
よって吸収される。

【００２２】

【実施例】図１は本発明に従うセラミツクス被覆電極の
一実施例を示したものである。１は金属電極，２はセラ
ミツクスチユーブを示す。金属電極１はタングステン棒
が使用されており，セラミツクスチユーブ２は透明石英
の管である。このセラミツクスチユーブ２は石英のほか
にも，アルミナ，アルミナ・シリカ，耐熱ガラス等であ
ってもよい。

【００２３】図１の実施例では，先細りの針部３を先端
にもつ棒状タングステン電極１をセラミックスチューブ
２内に同心的に収容している。そのさい，セラミックス
チューブ２の先端も先細りの針部４をもつ封鎖された形
状とし，タングステン電極１の先端が，このセラミック
スチユーブの針部４の内面と接触している。

【００２４】タングステン電極１の他端は，これより径
大の金属導体５に金属バネ６を介して同軸的に導通接続
されている。すなわち，金属導体５の端部に，タングス
テン電極１の他端を軸方向にスライド可能に挿入する凹
部７を設け，この凹部７に金属バネ６を内装させたもの
である。したがって，タングステン電極１と金属導体５
とは金属バネ６を介して弾性的に相対移動可能となって
いる。すなわち，金属導体５の端部の凹部７にタングス
テン電極１の他端が金属バネ６を介してスライド可能に
挿入されるので，電極１は金属バネ６とセラミツクスチ
ユーブ２の先端との間で弾性的に懸架されている。

【００２５】金属導体５は高圧電源８に接続されるが，
これは絶縁材チユーブ９で保護されており，絶縁材チユ
ーブ９と金属導体５とはシール部材10によって固定され
ている。そのさい，このシール部材10にセラミツクスチ
ユーブ２の端部も同時に固定されている。このため，セ
ラミツクスチユーブ２と金属導体５とは相対移動ができ
ないように固定されるが，タングステン電極１とセラミ
ツクスチユーブ２とは金属バネ６を介して弾性的に軸方
向に相対移動可能となっている。

【００２６】この構成により，タングステン電極１の先
端がセラミツクスチユーブ２の先端内面に当接した状態
で，タングステン電極１の温度による伸縮は金属バネ６
によって吸収される。また，金属導体５の温度による伸
縮（シール部材10の位置から凹部７に至る長さの伸縮）
も金属バネ６によって吸収される。

【００２７】図２は，タングステン電極１の他端側に金
属導体５の端部を挿入する凹部12を設け, この凹部12に
金属バネ６を装填した以外は図１と同様の本発明に従う
セラミツクス被覆電極を示したものであり，このため
に，タングステン電極１の他端はその軸芯部に凹部12が
成形できるに十分な大きさの径とし，金属導体５の端部
をこの凹部12にスライド可能に挿入できるような径に縮
径してある。

【００２８】図２の場合も，図１と同様にタングステン
電極１はセラミツクスチユーブ２内で軸方向に弾性的に
移動可能となり，その温度変化による伸縮は金属バネ６
によって吸収されると共に，金属導体５の温度による伸
縮も金属バネ６によって吸収される。

【００２９】図３は，セラミツクスチユーブ２の内部に
これとほぼ同じ長さのタングステン電極１を装着した例
を示したもので，金属導体５の凹部７をシール材10の近
辺で形成した以外は図１と同様の構造を示したものであ
る。本例でも，電極１は比較的に長いものではあるが，
金属導体５の端部の凹部７に電極１の他端が金属バネ６
を介してスライド可能に挿入されるので，電極１は金属
バネ６とセラミツクスチユーブ２の先端４との間で弾性
的に懸架されることから，その温度差による伸縮は金属
バネ６によって吸収され得る。

【００３０】図４は，タングステン電極１と金属導体５
との間に比較的長い金属バネ６を装着した以外は図３と
同様の構造を示したものである。本例の場合，短いタン
グステン電極１の一端がセラミツクスチユーブ２の先端
４に当接し，他端は長い金属バネ６に導通接続されてお
り，この金属バネ６の他端が金属導体５の凹部７に嵌挿
されることから，電極１の温度差による伸縮並びに金属
バネ６自身の伸縮が金属バネの弾力によって吸収され
る。

【００３１】前記のいずれの実施例においても，タング
ステン電極１の他方の端部は金属バネ６を介して金属導
体17に導通接続されている。タングステン電極１の針部
３を覆うセラミツクスチユーブ２の厚みは２mm以下，好
ましくは0.5mm以下で0.05mm以上のように薄くすること
ができ，このような薄いセラミツクス製誘電体被覆とし
ても，熱膨張や熱収縮によるチユーブ２の破壊や放電不
良が防止される。

【００３２】図５はウエハ11の処理装置に本発明のコロ
ナ放電用電極12を装着した例を示したものである。図示
のウエハ処理装置は，ウエハ搬送トンネル13と，これに
接続するロードロックチャンバ14と，これに開閉ドア15
を介して接続されるプロセスチャンバー16とからなって
いる。ウエハ搬送トンネル13内には, ウエハへの微粒子
付着，金属汚染, 有機物汚染, 自然酸化膜の成長などを
防止するために，微粒子や有機性ガス, 更には水分等が
予め除去された高純度の乾燥空気 (窒素の酸素の混合ガ
ス）が封入される。

【００３３】 ウエハ搬送トンネル１３に乾燥空気を流
して稼働を開始する場合，その直前に，稼働中の乾燥空
気の純度を維持するために，トンネル全体を１２０〜１
４０℃に加熱（ベーキング）する。このベーキングによ
って，トンネル内壁や内部の搬送装置の表面に吸着した
不純ガスや水分を徹底的に発揮させ乾燥空気と共に外部
に排出する。このベーキング完了後にウエハ搬送トンネ
ル１３の実稼働が始まる。

【００３４】一方, 搬送中のウエハ11の表面に生じる帯
電を除去するためにコロナ放電用電極を設置し, 電極周
辺の空気を電離し, 発生するイオンによって除電を行な
うことが必要となるが，金属電極が露出するものでは粉
塵発生源となることが知られており，このため，本発明
者らが先に提案したセラミツクス被覆電極を用いること
が有益となる。この場合, 通常のセラミツクス被覆電極
では既述の熱膨張差によって温度変化が大きい搬送トン
ネルに設置すると放電不良もしくは電極破壊を招くこと
があるが，先の実施例に示した本発明のセラミツクス被
覆電極17によれば，この問題が完全に解決され，ウエハ
の除電が効率よく永続的に行える。

【００３５】

【発明の効果】以上のように，本発明によれば，ウエハ
処理装置のように，温度変化のある環境下においても，
粉塵を発生することなく且つ放電不良や破壊を起こすこ
となく帯電物品の除電が効率よく行えるコロナ放電用電
極が提供され，特に半導体製造分野での高い清浄度が必
要とされる空間内の帯電物品の除電に威力を発揮し，ま
た製品歩留りを大きく高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うコロナ放電用電極の略断面図であ
る。

【図２】本発明に従うコロナ放電用電極の他の例を示す
略断面図である。

【図３】本発明に従うコロナ放電用電極の更に他の例を
示す略断面図である。

【図４】本発明に従うコロナ放電用電極の更に他の例を
示す略断面図である。

【図５】本発明に従うコロナ放電用電極をウエハ処理装
置に適用した状態を示す透視斜視図である。

【符号の説明】

１ 棒状金属電極（タングステン電極） ２ セラミツクスチユーブ ３ 金属電極の針部 ４ セラミツクスチユーブの先端 ５ 金属導体 ６ 金属バネ ８ 高圧電源 ９ 絶縁材チユーブ １０ シール部材 １１ ウエハ １７ 本発明に従うコロナ放電用電極 １３ ウエハ搬送トンネル １４ ロードロックチャンバ １５ 開閉ドア １６ プロセスチャンバー

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源側に一端が接続された棒状金属電極
   の他端にセラミツクスチユーブを被着してなるコロナ放
   電用のセラミツクス被覆電極において，該金属電極とセ
   ラミツクスチユーブとがバネ材を介して弾性的に相対移
   動可能にセットされていることを特徴とするコロナ放電
   用電極。
2. 【請求項２】 金属電極の他端は，セラミツクスチユー
   ブの端部内面と接触している請求項１に記載のコロナ放
   電用電極。
3. 【請求項３】 セラミツクスチユーブは，石英からなる
   請求項１または２に記載のコロナ放電用電極。
4. 【請求項４】 セラミツクスチユーブの端部は，先細り
   に尖っている請求項１，２または３に記載のコロナ放電
   用電極。