JP7440021B2

JP7440021B2 - 真空除電装置

Info

Publication number: JP7440021B2
Application number: JP2020055558A
Authority: JP
Inventors: 信雄野村; 智史最上; 和樹峯村; 隆池畑
Original assignee: Ibaraki University NUC; Kasuga Denki Inc
Current assignee: Ibaraki University NUC; Kasuga Denki Inc
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021157909A

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。

そのため、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く、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、高真空エリアで行なわれる、フィルムの真空製膜プロセスや静電気敏感デバイスの製造プロセスなどで、除電の用途がある。
しかし、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することが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、高真空を維持した空間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５［ｋＶ］以上の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

上記従来の真空除電装置ではプラズマを生成するために、メッシュ電極に対して５［ｋＶ］以上の高電圧の印加が必要だった。その理由は、以下のとおりである。
例えば０．１［Ｐａ］以下の高真空状態では、電離可能なガス分子も、ガス分子に衝突してガス分子を電離させるための電子も少ないため、放電は発生しにくい。このような空間に、パルス的にガスを供給して瞬間的に真空度を下げたとしても、放電のきっかけとなる電子数はそれほど多くはならない。このように空間に存在する電子数が少ない状態で放電を発生させるためには、個々の電子の運動量を大きくして少ないガス分子への電離衝突確率を高める必要がある。なお、電離衝突とは、電子がガス分子に衝突してガス分子を電離させる衝突のことであり、電子の運動量がガス分子を電離させることができる程度に大きいときの衝突である
そして、上記電子の運動量を大きくするため、従来では、メッシュ電極に高電圧を印加して電子の周囲の電界強度を高くせざるを得なかった。

このように、上記従来の真空除電装置は高電圧を必要とするため、電源が大型化するとともにエネルギー消費量も大きくなり、実用化が難しいという問題があった。
この発明の目的は、低電圧でも放電によってプラズマ生成ができ、実用化が容易な真空除電装置を提供することである。
なお、この発明における低電圧とは、電子技術協会の定義より、直流７５０［Ｖ］、交流６００［Ｖ］以下のことである。

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、上記真空エリア内にパルス的にガスを供給するガス供給手段とを備え、上記電界内に生成されたプラズマを介して、帯電物体の表面電荷を接地側へ流す構成にした真空除電装置であって、上記メッシュ電極の近傍に、熱電子を放射するフィラメントを設けたことを特徴とする。
そして、上記熱電子がメッシュ電極で形成される電界で運動してガス分子に衝突し、ガス分子を電離させて放電のきっかけを作る。

なお、上記メッシュ電極の近傍とは、フィラメントから放射された熱電子が、メッシュ電極で形成される電界の影響を受ける範囲である。このような範囲を保っていれば、熱電子が十分に運動でき、ガス分子との衝突確率を高くできる。
フィラメントがメッシュ電極に近ければ近いほど、熱電子の移動速度が大きくなって、ガス分子への電離衝突確率が上がるのでガス分子を電離させる機能が高まると推測できる。ただし、放電を促すガス分子への電離衝突確率は、フィラメントに供給する電流Ｉ_Ｆや、メッシュ電極の印加電圧Ｖｍ、メッシュ電極とフィラメント間距離Ｌとの相対的な関係で決まる。
また、フィラメントの位置は、メッシュ電極を境にして接地電極と同じ側であっても、反対側であっても良い。

第２の発明は、上記メッシュ電極と上記接地電極とで囲まれたガス供給空間内に上記ガスを供給するようにした。
第３の発明は、上記ガス供給空間内に上記フィラメントを設けている。

第４の発明は、上記メッシュ電極と上記接地電極との間に形成された電界内に、上記フィラメントから熱電子を放射させた後に、上記ガス供給手段が、上記電界内にパルス的にガスを供給する構成にした。

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メッシュ電極と接地電極とで形成される電界によって運動し、パルス的に供給されたガス分子に衝突してガス分子を電離させ、放電のきっかけを作ることができる。
フィラメントから熱電子が放射されることによって、ガス分子に衝突する電子の数を多くできるため、個々の電子の運動量をそれほど大きくしなくても、ガス分子を電離させて放電のきっかけを作ることができる。個々の電子の運動量をそれほど大きくしなくても良いので、メッシュ電極で形成される電界強度を高くする必要がなく、その分メッシュ電極に印加する電圧を低く抑えることができる。

例えば、フィラメントを設けていない場合には、メッシュ電極へ５［ｋＶ］以上の印加電圧が必要であったのに対し、フィラメントを用いたことによって、５００［Ｖ］程度の低電圧の印加でも放電発生が可能になった。
メッシュ電極への高電圧印加が不要になれば、大きな電源が必要なく、省エネルギー化もできて実用性が高まる。

第２の発明によれば、メッシュ電極と接地電極とで囲まれたガス供給空間の容量を小さくできるので、その空間内をプラズマ生成可能な濃度にするためのガス供給量を少量にすることができる。そのため、ガスを効率的に利用して放電を可能にできるとともに、真空エリア全体の真空度の低下を抑え、真空度の回復を早くできる。

第３の発明によれば、熱電子が放射されるエリアにガスが供給されるので、供給されたガス分子に熱電子が衝突する確率が高くなり、より効率的に放電を促すことができる。したがって、メッシュ電極への印加電圧を低くしても、安定したプラズマ生成ができる。

第４の発明によれば、フィラメントから放射された熱電子が、メッシュ電極による電界の作用で運動している状態でガスが供給されるので、ガス供給とほぼ同時にガス分子と熱電子とが衝突して放電を促すことができる。つまり、真空エリアに供給されたガスが速やかに電離して、効率的にプラズマ生成に寄与する。
真空エリアに供給されても、プラズマ生成に寄与しないガスは単に真空度を下げるものになってしまうが、この発明ではより効率的なプラズマ生成ができ、真空度の低下も最小限に抑えることができる。

この発明の実施形態の真空除電装置のプラズマ生成エリアの概念図である。実施形態のリング部材を、真空チャンバーの内側から見た図である。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値Ｉ_Ｆに対する熱電子電流値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放電確認実験の結果を示した表である。

図１～４を用いて、この発明の一実施形態を説明する。
この実施形態の真空除電装置では、図１に示すように接地電位を保つ真空チャンバー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、１×０．１［Ｐａ］以下の圧力のことである。

上記真空チャンバー１は開口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が形成されるとともに、その中央部にはガス供給孔２ｂが形成されている。このガス供給孔２ｂには後で説明するガス供給手段Ｇが接続されている。

上記凹部２ａ内には絶縁体からなるリング部材４が複数のボルト５で固定されている。このリング部材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。
上記メッシュ電極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。
また、上記のようにリング部材４を介して対向する接地電極２とメッシュ電極６とで囲まれた空間がこの発明のガス供給空間Ｓとなる。

さらに、上記メッシュ電極６と直流電源８との接続過程には、抵抗Ｒ１，Ｒ２やコンデンサＣが接続されている。
メッシュ電極６に対して上記直流電源８と並列に接続されたコンデンサＣは、蓄電機能を発揮して、放電発生時にメッシュ電極６に電流を安定して流す機能を発揮する。
また、コンデンサＣと直流電源８との間に設けられた抵抗Ｒ１は直流電源８を保護するものであり、コンデンサＣとメッシュ電極６との間に設けられた抵抗Ｒ２はメッシュ電極６に過大な電流が流れないようにするためのものである。

さらに、上記リング部材４には、開口内に突出するように一対のホルダー９，９が設けられ（図２参照）、これらホルダー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、上記ホルダー９，９とフィラメントとは、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の折り曲げ部分をガス供給空間Ｓに臨ませている。このようにしたフィラメント１０は上記ホルダー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。なお、図２は、上記接地電極２に固定されたリング部材４を真空チャンバー１の内側から見た図であるが、この図２ではメッシュ電極６は省略されている。

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、上記ガス供給空間Ｓ内であり、メッシュ電極６の近傍である。但し、フィラメント１０の取り付け位置は、メッシュ電極６の近傍であればよく、メッシュ電極６を挟んでガス供給空間Ｓとは反対側に設けてもよい。
なお、上記近傍とは、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範囲である。このような範囲を保っていれば、熱電子が十分に運動でき、ガス分子との電離衝突確率を高くできる。
フィラメント１０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、ガス分子への電離衝突確率が上がるのでガス分子を電離させる機能が高まると推測できる。ただし、放電を促すガス分子への電離衝突確率は、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Ｖｍ、メッシュ電極６とフィラメント１０との間の距離Ｌとの相対的な関係で決まる。

一方、接地電極２の中央部に貫通させたガス供給孔２ｂには、バルブ１２を介してガス源１３が接続されている。また、バルブ１２にはバルブ１２の瞬間的な開閉を制御できるバルブ制御部１４が接続されている。
そして、このバルブ制御部１４が、バルブ１２の開閉時間を制御することによって、ガス供給空間Ｓに必要量のガスをパルス的に供給することができるようにしている。
なお、上記バルブ１２、ガス源１３及びバルブ制御部１４が相まってこの発明のガス供給手段Ｇを構成している。

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。
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］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値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わかった。

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、熱電子の移動方向が切り替わり、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。

上記のようにフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給して熱電子が往復運動をしているときに、上記バルブ制御部１４によってバルブ１２を開状態にし、ガス供給空間Ｓにパルス的にガスを供給すると、供給されたガス分子に往復運動している熱電子が衝突してガス分子を電離させる。この電離がきっかけとなって放電が発生する。つまり、パルス的なガス供給が放電のトリガーとなり、プラズマが生成される。
なお、供給されたガス中の電子も、上記熱電子と同様の往復運動をしながらガス分子を電離させて放電に寄与する。

上記のように、この実施形態では、ガス供給空間Ｓに熱電子を放射することで、ガス分子を電離させる機能を有する電子数を多くして、ガス分子の電離を効率的に行なうことができる。
そのため、熱電子の生成がない従来装置のように、ガス供給空間Ｓの電界強度を高くしなくても、電子の電離衝突確率を高くしてガス分子を電離させることが可能になる。そのため、メッシュ電極６への印加電圧が低くても、パルス的に供給されたガスを電離させて除電に必要なプラズマを生成することができる。

次に、上記除電装置を用いた放電確認実験について説明する。
実験条件は以下の通りである。
真空チャンバー１内を１×１０^－４［Ｐａ］に維持し、メッシュ電極６への印加電圧は５００［Ｖ］に固定した。
そして、フィラメント電流Ｉ_Ｆを、１．４，１．５，１．６，１．７，１．８［Ａ］とし、各フィラメント電流Ｉ_Ｆに対して、上記バルブ１２の開時間のパルス幅を１００［ｍｓ］から減少させて、放電が起こる最小のパルス幅を求めた。

なお、放電が起こると、メッシュ電極６の電位が５００［Ｖ］から瞬間的に低下するので、放電の発生は、図示しない電位計によって上記メッシュ電極６の電位を計測することによって確認した。
また、この実験で用いるガスは空気であり、ガス源１３の圧力は大気圧である。

この放電確認実験の結果を図４に示す。
図４に示すように、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．４［Ａ］では、ガス供給時間が１００［ｍｓ］でも放電は発生しなかった。このことから、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．４［Ａ］では、フィラメント１０から放射される熱電子の量が少なすぎて放電を発生させることができないことが分かった。
また、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．５［Ａ］では、ガス供給のパルス幅が５０［ｍｓ］でメッシュ電極６の電圧低下が徐々に起こった。このことから、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．５［ｍＡ］では、放電は起こるが、一気に全ての電荷が放出されたのではなく、弱い放電しか起こらないことがわかった。そして、このような弱い放電では、エネルギー不足で除電に必要なプラズマ生成はできないと推測される。

上記に対し、フィラメント電流Ｉ_Ｆが１．６，１．７，１．８［Ａ］のときは、いずれも、放電が発生する最小のパルス幅は０．２［ｍｓ］だった。そして、ガス供給とほぼ同時にメッシュ電極６の電位がほぼゼロまで低下することを確認した。

上記のことから、この実施形態の除電装置では、１．６［Ａ］以上のフィラメント電流Ｉ_Ｆのとき、メッシュ電極６の印加電圧が５００［Ｖ］、すなわち低電圧でも強い放電を発生させることができることがわかった。しかも、ガス供給が、パルス幅０．２［ｍｓ］という瞬間的に行なわれるので、真空チャンバー１の高真空度に与える影響もほとんどない。
そして、上記フィラメント電流Ｉ_Ｆ＝１．６［Ａ］に対応する熱電子電流Ｉ_Ｅ＝１２［ｍＡ］が、低電圧（＋５００［Ｖ］）でも確実に放電を発生させることができる、最低の熱電子量に相当する（図３参照）。

上記のように、この実施形態の装置では、フィラメント電流Ｉ_Ｆを適切に設定すれば、メッシュ電極６に高電圧を印加しなくてもメッシュ電極６の電圧が一気に下がるような強い放電を効率的に発生させることができる。強い放電が発生すれば、その放電でプラズマが生成される。したがって、真空チャンバー１内の帯電物体の表面電荷を、このプラズマを介して真空チャンバー１の壁面などの接地側へ流す除電が可能になる。
そのため、この実施形態では、メッシュ電極６用として高電圧の大型電源の必要がなく、その分、除電装置の実用性が高まる。

なお、この実施形態の装置において、上記フィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給しない場合には、メッシュ電極６への印加電圧を＋１０［ｋＶ］にしても、パルス的なガス供給では放電が発生しないことを、上記実験とは別に確認している。
このことも、上記実施形態で、メッシュ電極６が低電圧でも放電が発生するのは、フィラメント１０から放射される熱電子がガス分子の電離に効率的に寄与しているからという推測の裏付けとなる。
そして、フィラメント１０にフィラメント電流Ｉ_Ｆを供給するか否かによって、メッシュ電極６の印加電圧を１０［ｋＶ］以上から５００［Ｖ］まで下げることができるメリットは大きい。

なお、上記実施形態では、接地電極２とメッシュ電極６とリング部材４とで囲まれたガス供給空間Ｓの容量を小さくできるので、放電発生に必要なガス供給量を最小にできる。そのため、供給されたガスを有効に放電発生に寄与させることができるが、ガス供給空間Ｓの形状や容量は上記実施形態には限定されない。
また、この実施形態では、フィラメント１０をガス供給空間Ｓ内に設けているので、供給されたガス分子を熱電子により衝突し易くすることができる。
ただし、上記フィラメント１０は、メッシュ電極６の近傍に設けられれば、放射された熱電子を十分に運動させてガス分子への電離衝突確率を高めることができるので、ガス供給空間Ｓの外に設けてもよい。

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
６メッシュ電極
８（プラス）電源
１０フィラメント
１１（フィラメントの）可変直流電源
１２バルブ
１３ガス源
１４バルブ制御部
Ｇガス供給手段

Claims

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、
上記真空エリア内にパルス的にガスを供給するガス供給手段と
を備え、
上記ガス供給手段からガスが供給されたとき、上記電界内にプラズマが生成され、このプラズマを介して、上記真空エリア内の帯電物体の表面電荷を接地側へ流す構成にした真空除電装置であって、
上記メッシュ電極の近傍に、熱電子を放射するフィラメントを設け、
上記フィラメントから放射された熱電子が、
上記メッシュ電極が形成する電界によって往復運動し、その運動過程において上記ガス供給手段から供給されたガスの分子に電離衝突する構成にした真空除電装置。
上記メッシュ電極と上記接地電極とで囲まれたガス供給空間を備え、
このガス供給空間内に上記ガスを供給する構成にした請求項１に記載の真空除電装置。
上記ガス供給空間内に、
上記フィラメントを設けた請求項２に記載の真空除電装置。
上記メッシュ電極と上記接地電極との間に形成された電界内に、上記フィラメントから熱電子を放射させた後に、
上記ガス供給手段が、上記電界内にパルス的にガスを供給する構成にした
請求項１～３のいずれか１に記載の真空除電装置。