JP4097633B2 - イオンバランスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス等の製造プロセスにおいて、デバイスの帯電を防止するためにイオナイザにより正負イオンを前記デバイスに吹き付けて除電する際に、正負イオンの量をバランスさせるために使用するイオンバランスセンサに関するものである。

この種のイオナイザ（除電装置）に使用されるイオンバランスセンサの従来技術としては、例えば後述する特許文献１に記載されたものが知られている。
この従来技術は、イオンバランス測定器内に二つの静電位センサを設けると共に、除電対象物の静電位を測定する静電位センサを静電位測定対象物に向け、自己（イオンバランス測定器）の周囲の静電位を測定する静電位センサを静電位測定対象物に向けないように配置し、二つの静電位センサの測定値の差を演算し、自己の周囲のイオンの影響による対象物の静電位測定値に含まれる誤差を軽減して除電対象物の静電位を測定するものである。

また、他の従来技術として、後述する特許文献２に記載されているように、イオナイザの吹き出し口にメッシュ状のイオンバランスセンサを配置し、このイオンバランスセンサにより測定した電圧を基準値と比較してその結果により正負の高電圧電源をオンオフ制御することによりイオンバランスを適正に保つようにしたイオナイザの正負イオン出力バランス方法及び装置が知られている。

特開２００３−２１７８９２号公報（段落［００１２］〜［００２１］、図１〜図３等） 特開２００１−４３９９２号公報（段落［００２１］〜［００２３］、図５等）

上述した特許文献１に記載された発明では、二つの静電位センサや演算装置等が必要であるため、イオンバランス測定器の回路構成が複雑化し、その大形化や製造コストの上昇を招くおそれがあった。
また、特許文献２に記載された発明では、イオナイザの吹き出し口付近におけるイオンバランスを制御しているに過ぎず、実際の除電対象物の表面におけるイオンバランスを正確に制御できないという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、極めて簡単な構成でイオンバランスを正確に検出し、小形化及び製造コストの低減が可能であると共に、除電対象物の表面近くにおけるイオンバランスの検出を可能にしたイオンバランスセンサを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、正イオンまたは負イオンにより帯電するアンテナと、
このアンテナがゲート電極に接続され、接地されたソース電極とゲート電極との間にイオンバランス検出用抵抗が接続されると共に、ソース電極とドレイン電極との間に直流電源と負荷抵抗とが直列に接続されたノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴと、を備え、
前記イオンバランス検出用抵抗の抵抗値を、前記ＭＯＳＦＥＴのソース電極とゲート電極との間に接続されて静電破壊を防止する保護用ダイオードの逆方向抵抗値よりも小さく設定し、
帯電したアンテナと接地との間を前記イオンバランス検出用抵抗を介して流れる電流による電圧降下によってゲート電極の電圧を変化させ、このゲート電極の電圧によるドレイン電流の変化を検出することにより、前記アンテナを帯電させたイオンの正負のバランスを検出するものである。

請求項２に記載した発明は、正イオンまたは負イオンにより帯電するアンテナと、
このアンテナが各ゲート電極に接続され、接地された各ソース電極と各ゲート電極との間にイオンバランス検出用抵抗がそれぞれ接続されると共に、各ソース電極と各ドレイン電極との間に直流電源と発光ダイオードとがそれぞれ直列に接続されたノーマリーオフ形のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ及びノーマリーオフ形のｐチャンネルＭＯＳＦＥＴと、を備え、
各イオンバランス検出用抵抗の抵抗値を、各ＭＯＳＦＥＴのソース電極とゲート電極との間に接続されて静電破壊を防止する各保護用ダイオードの逆方向抵抗値よりも小さく設定し、
帯電したアンテナと接地との間を前記イオンバランス検出用抵抗を介して流れる電流による電圧降下によってゲート電極の電圧を変化させ、このゲート電極の電圧により何れかのＭＯＳＦＥＴのドレイン電流を増加させて当該ＭＯＳＦＥＴ側の発光ダイオードを発光させることにより、前記アンテナを帯電させたイオンの正負のバランスを検出するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載したイオンバランスセンサにおいて、
前記イオンバランス検出用抵抗を、個々の抵抗値が異なる複数の抵抗により構成し、これらの抵抗のうちの一つを選択してソース電極とゲート電極との間に接続するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載したイオンバランスセンサにおいて、
前記アンテナを構成するプローブにより中空の空間を形成し、ゲート電極を含むＭＯＳＦＥＴ及び前記イオンバランス検出用抵抗を前記空間に内蔵したものである。

本発明によれば、正イオンまたは負イオンにより帯電したアンテナと接地との間に、イオンバランス検出用抵抗を介して電流が流れ、この抵抗における電圧降下によってＭＯＳＦＥＴのゲート電極に電圧が印加される。この電圧に応じてＭＯＳＦＥＴのチャンネルが制御され、ドレイン電流が変化するため、ドレイン電流の変化を電圧の変化として取り出すことにより、アンテナが正負何れのイオンにより帯電したかを検出することができ、言い換えれば正負イオンのイオンバランスを検出することができる。
上記の本発明では、回路構成が極めて簡単であるため、小形化及び製造コストの低減が可能である。また、アンテナを除電対象物の近傍において使用できるから、正負イオンの到達位置におけるイオンバランスを正確に検出でき、半導体デバイス等の製造プロセスに適用した際に極めて有用である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態に係るイオンバランスセンサの構成図であり、請求項１の発明に相当する。
図１において、１１はノーマリーオン形（ディプレッション形）のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、そのゲート電極Ｇには導電性のアンテナ２０が接続されている。このアンテナ２０には、図示されていないイオナイザにより発生した正負イオンが吹き付けられるようになっている。すなわち、半導体デバイス等の除電対象物の表面近傍にアンテナ２０を配置することにより、アンテナ２０が正負イオンを捕捉するように構成されている。

ＭＯＳＦＥＴ１１のソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間には、負荷抵抗Ｒ_Ｌと直流電源Ｖ_ＤＳとが直列に接続されている。なお、ソース電極Ｓは接地（バルク電極に接続）されている。また、Ｏutは負荷抵抗Ｒ_Ｌと直流電源Ｖ_ＤＳとの間から引き出された出力端子である。
更に、Ｄ_ＧＳは、ＭＯＳＦＥＴ１１の静電破壊を防止するためにその製造プロセスで予め作り込まれた保護用ダイオードであり、図示する極性でゲート電極Ｇとソース電極Ｓとの間に接続されている。

さて、この実施形態では、ゲート電極Ｇとソース電極Ｓとの間にイオンバランス検出用抵抗Ｒが接続されている。この抵抗Ｒの抵抗値は、保護用ダイオードＤ_ＧＳの逆方向抵抗値よりも十分に低い既知の値であるものとする。

次に、この実施形態の動作を説明する。
ＭＯＳＦＥＴ１１はノーマリーオン形であるため、周知の図２（ａ）のような特性を持ち、ゲート電圧（Ｖ_ＧＳ）が０［Ｖ］の状態でソース電極Ｓ、ドレイン電極間にチャンネル（図１の例ではｎチャンネル）が形成され、直流電源Ｖ_ＤＳによってドレイン電流Ｉ_Ｄが流れている。ここで、ゲート電圧が０［Ｖ］の状態とは、アンテナ２０が正負何れにも帯電していない状態であり、イオナイザから吹き付けられる正負イオンのイオンバランスがとれている状態に相当する。
このときの出力端子Ｏutの電圧Ｖ_ｏｕｔを、図２（ｂ）に示す如くＶ_１（負の値）とする。

次いで、例えば図２（ｂ）の時刻ｔ_１以後に正イオンの方が負イオンより多くなると、余剰の正イオンによりアンテナ２０からイオンバランス検出用抵抗Ｒを介して接地側に電流が流れる。これにより、抵抗Ｒの両端にはゲート電極Ｇ側が正となる電圧Ｖ_ＧＳが発生し、この電圧がゲート−ソース間に印加される。この電圧Ｖ_ＧＳは、ＭＯＳＦＥＴ１１のｎチャンネルを拡げるように作用するため、ドレイン電流Ｉ_Ｄが時刻ｔ_１以前より増加し、結果的に電圧Ｖ_ｏｕｔが負側に増加して図２（ｂ）のＶ_１ｐのように変化する。

また、時刻ｔ_１以後に負イオンの方が正イオンより多くなると、アンテナ２０の余剰の負イオンにより、前記とは逆に接地側からイオンバランス検出用抵抗Ｒを介してアンテナ２０側に電流が流れるため、抵抗Ｒの両端にはゲート電極Ｇ側が負となる電圧Ｖ_ＧＳが発生する。この電圧Ｖ_ＧＳは、ｎチャンネルを狭めるように作用するため、ドレイン電流Ｉ_Ｄが時刻ｔ_１以前より減少し、結果的に電圧Ｖ_ｏｕｔが正側に増加して図２（ｂ）のＶ_１ｎのように変化する。

ここで、イオンバランス検出用抵抗Ｒの抵抗値を、並列に接続されている保護用ダイオードＤ_ＧＳの逆方向抵抗値よりも十分に低い値にすることにより、両者の合成抵抗値は抵抗Ｒによって支配的になり、正負何れかに帯電したアンテナ２０から抵抗Ｒを流れる電流による電圧降下を確実にゲート−ソース間の電圧Ｖ_ＧＳとして検出することができる。
特に、温度変化の影響を受けやすく、個々のＭＯＳＦＥＴによってばらつきがある保護用ダイオードＤ_ＧＳの逆方向抵抗値として所望の値を得るのは難しいことから、抵抗値が既知である抵抗Ｒを用いることは、イオンバランスに応じたＭＯＳＦＥＴ１１の動作を確実にするものである。

以上のように、本実施形態によれば、イオンバランスがとれているＶ_ＧＳ＝０の状態の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを予め測定しておき、この電圧Ｖ_ｏｕｔが正負どちら側に変化したかによってアンテナ２０を帯電させた余剰イオンの極性、言い換えればアンテナ２０に吹き付けられた正負イオンのアンバランス状態を検出することができる。
従って、検出したアンバランス状態に応じてフィードバック制御によりイオナイザのエミッタに印加する正または負の電圧を調整することにより、正負のイオンバランスを適正に制御することも可能になる。

なお、図３はノーマリーオン形のｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２を使用した第２実施形態であり、この実施形態も請求項１の発明に相当する。回路構成上は、直流電源Ｖ_ＤＳ及び保護用ダイオードＤ_ＧＳの極性を除いて図１と同様である。
この実施形態においても、イオンバランスがとれているＶ_ＧＳ＝０の状態から出力電圧Ｖ_ｏｕｔが正負どちらに変化したかによって正負イオンのアンバランス状態を検出することが可能である。

次に、図４は本発明の第３実施形態を示しており、請求項３の発明に相当する。
前述した第１、第２実施形態において、正負イオンのアンバランスが大きいと、イオンバランス検出用抵抗Ｒの電圧降下によってゲート電極Ｇに印加される電圧Ｖ_ＧＳが大きくなり、ドレイン電流Ｉ_Ｄが飽和してこのＩ_Ｄによる出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変化の様子が検出不可能になってしまう。
そこで、この第３実施形態では、イオンバランス検出用抵抗として抵抗値（何れの抵抗値も保護用ダイオードＤ_ＧＳの逆方向抵抗値より十分に低い値とする）が異なる複数の抵抗を並列的に設け、対象とする除電システムに最適な抵抗値のイオンバランス検出用抵抗を選択できるようにしたものである。

すなわち、図４において、Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……は、ゲート電極Ｇとソース電極Ｓとの間に、何れかが切替スイッチ１３によって選択的に接続されるイオンバランス検出用抵抗であり、これ以外の構成は図１と同様である。なお、図４ではｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１１を使用しているが、図３に示したｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１２にも適用可能であるのは言うまでもない。
その動作としては、切替スイッチ１３により抵抗値の異なるイオンバランス検出用抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……のうち何れかを選択可能である点以外は図１の実施形態と同様である。例えば、ある抵抗Ｒ_１をゲート電極Ｇとソース電極Ｓとの間に接続した状態で正負イオンのアンバランスによりドレイン電流Ｉ_Ｄが飽和し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔに変化が見られない場合には、ドレイン電流Ｉ_Ｄが非飽和領域になる電圧Ｖ_ＧＳを発生させる他の抵抗Ｒ_２，Ｒ_３，……を選択するように切替スイッチ１３を切り替えればよい。

次いで、図５は本発明の第４実施形態を示しており、請求項４の発明に相当する。
上述した第１〜第３実施形態において、アンテナ２０が帯電している極性に関わらず、アンテナ２０とゲート電極Ｇとの間のリード線に周囲からノイズが混入すると、このノイズによってＭＯＳＦＥＴがオンしてしまい、ドレイン電流Ｉ_Ｄが増加するおそれがある。この第４実施形態は、上記の不都合を解消するためのものである。

すなわち、第１〜第３実施形態におけるアンテナ２０に相当する導電性部材として、中空の球状部２１ａ及び管状部２１ｂからなるプローブ２１を形成し、前記球状部２１ａ内にゲート電極Ｇを含むＭＯＳＦＥＴ１１自体を内蔵すると共に、この球状部２１ａの一点をゲート電極Ｇに接続する。
なお、ソース電極Ｓ及びドレイン電極にはリード線３１が接続され、これらのリード線３１はシールドカバー３２により包囲されて管状部２１ｂ内を通り、外部に導出されている。リード線３１には、図示されていない直流電源及び負荷抵抗が接続されている。また、図５では、ＭＯＳＦＥＴ１１の静電破壊を防止する保護用ダイオードは図示を省略してある。

図５のように構成すれば、外来ノイズがプローブ２１とゲート電極Ｇとの間のリード線に混入する恐れはなく、ＭＯＳＦＥＴ１１の誤動作も防止することができる。
また、前記球状部２１ａには、図４に示したようにＭＯＳＦＥＴ１１と複数のイオンバランス検出用抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……とからなる構成部品を内蔵しても良く、また、ｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１２を用いても良いのは勿論である。
なお、この実施形態において、図５に示したように球状部２１ａ及び管状部２１ｂを一体化して導電性部材により形成するだけでなく、球状部２１ａを導電性部材により形成してアンテナとして動作させ、管状部２１ｂを絶縁体により形成しても良い。また、球状部２１ａ及び管状部２１ｂを導電性部材により形成すると共に両者を絶縁体により電気的に分離し、球状部２１ａをアンテナとして動作させる一方で、管状部２１ｂを接地しても良い。この場合には、接地された管状部２１ｂの周辺のイオンは検出されることなく管状部２１ｂから大地へ吸収されることになる。

次に、図６は本発明の第５実施形態を示す回路構成図であり、前後するが請求項２の発明に相当する。この実施形態は、イオンバランスを視覚的に表示可能としたものである。
図６において、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１１’及びｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１２’は何れもノーマリーオフ形（エンハンスメント形）であり、これらのゲート電極Ｇは何れもアンテナ２０に接続されている。また、各ＭＯＳＦＥＴ１１’，１２’のゲート電極Ｇとソース電極Ｓとの間には前記同様にイオンバランス検出用抵抗Ｒがそれぞれ接続されている。なお、この図でも、保護用ダイオードの図示を省略してある。

更に、ＭＯＳＦＥＴ１１’のソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間には、発光ダイオードＬＥＤ_１と直流電源Ｖ_ＤＳ１とが直列に接続されていると共に、ＭＯＳＦＥＴ１２’のソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間にも、発光ダイオードＬＥＤ_２と直流電源Ｖ_ＤＳ２とが直列に接続されている。ここで、発光ダイオードＬＥＤ_１，ＬＥＤ_２の発光色は、例えば一方が赤、他方が緑というように異なっている。

上記の構成によれば、アンテナ２０が帯電した正負イオンのアンバランスに応じて、例えば正イオンが多い場合には発光ダイオードＬＥＤ_１を発光させ、負イオンが多い場合には発光ダイオードＬＥＤ_２を発光させることができ、正負のイオンバランスを色分けにより視覚的に表示することができる。
図示されていないが、この実施形態においても、イオンバランス検出用抵抗を複数設けて切替可能としたり、アンテナ２０を図５のプローブ２１のように形成してその球状部に発光ダイオードＬＥＤ_１，ＬＥＤ_２及び直流電源Ｖ_ＤＳ１，Ｖ_ＤＳ２以外の構成部品を内蔵しても良い。

上記のように、本発明の各実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴに若干の部品を追加するだけで、実用的かつ安価なイオンバランスセンサを提供することができる。
なお、上記各実施形態では、単体のＭＯＳＦＥＴを用いる場合について説明したが、いわゆるＦＥＴ入力オペアンプと呼ばれるオペアンプの入力段に形成されたＭＯＳＦＥＴに対しても、本発明を適用することが可能である。

本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。 第１実施形態の動作説明図である。 本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第５実施形態を示す回路構成図である。

符号の説明

１１，１１’：ＭＯＳＦＥＴ（ｎチャンネル）
１２，１２’：ＭＯＳＦＥＴ（ｐチャンネル）
１３：切替スイッチ
２０：アンテナ
２１：プローブ
２１ａ：球状部
２１ｂ：管状部
３１：リード線
３２：シールドカバー
Ｇ：ゲート電極
Ｓ：ソース電極
Ｄ：ドレイン電極
Ｖ_ＤＳ，Ｖ_ＤＳ１，Ｖ_ＤＳ２：直流電源
Ｒ_Ｌ：負荷抵抗
Ｒ，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３：イオンバランス検出用抵抗
Ｄ_ＧＳ：保護用ダイオード
ＬＥＤ_１，ＬＥＤ_２：発光ダイオード
Ｏut：出力端子

Claims (4)

1. 正イオンまたは負イオンにより帯電するアンテナと、
   このアンテナがゲート電極に接続され、接地されたソース電極とゲート電極との間にイオンバランス検出用抵抗が接続されると共に、ソース電極とドレイン電極との間に直流電源と負荷抵抗とが直列に接続されたノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴと、を備え、
   前記イオンバランス検出用抵抗の抵抗値を、前記ＭＯＳＦＥＴのソース電極とゲート電極との間に接続されて静電破壊を防止する保護用ダイオードの逆方向抵抗値よりも小さく設定し、
   帯電したアンテナと接地との間を前記イオンバランス検出用抵抗を介して流れる電流による電圧降下によってゲート電極の電圧を変化させ、このゲート電極の電圧によるドレイン電流の変化を検出することにより、前記アンテナを帯電させたイオンの正負のバランスを検出することを特徴とするイオンバランスセンサ。
2. 正イオンまたは負イオンにより帯電するアンテナと、
   このアンテナが各ゲート電極に接続され、接地された各ソース電極と各ゲート電極との間にイオンバランス検出用抵抗がそれぞれ接続されると共に、各ソース電極と各ドレイン電極との間に直流電源と発光ダイオードとがそれぞれ直列に接続されたノーマリーオフ形のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ及びノーマリーオフ形のｐチャンネルＭＯＳＦＥＴと、を備え、
   各イオンバランス検出用抵抗の抵抗値を、各ＭＯＳＦＥＴのソース電極とゲート電極との間に接続されて静電破壊を防止する各保護用ダイオードの逆方向抵抗値よりも小さく設定し、
   帯電したアンテナと接地との間を前記イオンバランス検出用抵抗を介して流れる電流による電圧降下によってゲート電極の電圧を変化させ、このゲート電極の電圧により何れかのＭＯＳＦＥＴのドレイン電流を増加させて当該ＭＯＳＦＥＴ側の発光ダイオードを発光させることにより、前記アンテナを帯電させたイオンの正負のバランスを検出することを特徴とするイオンバランスセンサ。
3. 請求項１または２に記載したイオンバランスセンサにおいて、
   前記イオンバランス検出用抵抗を、個々の抵抗値が異なる複数の抵抗により構成し、これらの抵抗のうちの一つを選択してソース電極とゲート電極との間に接続することを特徴とするイオンバランスセンサ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載したイオンバランスセンサにおいて、
   前記アンテナを構成するプローブにより中空の空間を形成し、ゲート電極を含むＭＯＳＦＥＴ及び前記イオンバランス検出用抵抗を前記空間に内蔵したことを特徴とするイオンバランスセンサ。

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