静電気学会誌，37, 5（2013）215-220

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

電極加熱による低発塵コロナ放電式イオナイザーの開発
佐藤 朋且，鈴木 政典 ，水野 彰

＊，1

＊

＊＊

（2013年5月8日受付；2013年7月22日受理）

Development of Low-particle-emission Corona Discharge Ionizer
by Electrode Heating＊，1Tomokatsu SATO＊＊＊

, Masanori SUZUKI , Akira MIZUNO(Received May 8, 2013; Accepted July 22, 2013)
Corona discharge type ionizers are widely utilized in clean rooms, such as those for LCD manufacturing processes. However,these ionizers are also known to generate particles due to the deposition of particles to electrodes and the release of particles
into air of clean room. In order to resolve this problem, we devised a method for inhibiting the deposition of particles toelectrodes, by heating the electrodes and utilizing the thermophoretic force that is generated. We were then able to obtain thefollowing results :(1)Using the deposition velocity of particles, we calculated the temperature gradient necessary to inhibit their deposition. The
temperature gradient for inhibiting the deposition of particles 0.001 μm or larger was found to be 100 °C per 1mm. (2)We
conducted an experiment of heating of an ionizer electrode to approximately 90°
C. The result was that compared to a nonheated case, the amount of deposition of particles on the electrode was reduced. (3)As a practical method of ionizer electrodeheating, we devised a self-heating type electrode that utilizes Joule heating of a resistive element. It was found as a result of
this experiment that it was possible to heat the electrode to the desired temperature.

1．はじめにな異物（主にシリコンシーラントから脱ガスしたシロキ

一般に，液晶製造等のクリーンルームは，静電気が非サンガスがコロナ放電により粒子化した SiO2）の電極へ常に発生し易い環境となっており，ガラス基板の表面上の析出・飛散と，電極自身の摩耗の主に 2 つの原因（図に 空 気 中 の 塵 埃 を 付 着 さ せ る 静 電 吸 着（ ESA：1）によって発塵していることが知られており ，清浄環Electrostatic Attraction ）や，静電気放電（ESD：Electrostatic

境下においては発塵源となってしまう問題が生じていDischarge）による集積回路の絶縁破壊，および ESD でる．そこで筆者らは，高純度 N2 ガスで電極周囲をパー発生した電磁干渉（EMI：Electromagnetic Interference）にジすることによりシロキサンの析出を低減するシースエよる生産装置の誤動作等の生産障害を引き起こし，製品ア機能と，耐摩耗性特殊金属の放電電極を搭載した，低の歩留まり低下の問題となっている．これらの障害を防発塵のシースエア式イオナイザーを考案し，クリーンル

ぐ静電気対策の一つとして，イオナイザーによる静電気ームにおける静電気除去に対応してきた ．しかしなが

1）2）除去（除電）が挙げられ，コロナ放電方式，放射線方式

ら，近年の液晶ガラス基板の大型化に伴い，シースエア（軟 X 線方式），紫外線方式等によるものが知られている．

式イオナイザーも大型化したことから，高純度 N2 ガス

中でもコロナ放電式は他の方式に比べて安価で簡便なたの使用量が増加し，ユーザーからその削減が求められるめ広く利用されている．しかし，このコロナ放電式のイようになってきた．そこで，シースエア方式に代わり，オナイザーは，クリーンルームの空気中に含まれる微量電極を加熱することで発生する熱泳動力を利用して電極への異物の析出を抑制する，電極加熱による低発塵イオ

キーワード：クリーンルーム，イオナイザー，シロキサン，コロナ放電，熱泳動力，沈着速度＊
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ナイザーを考案した．温度勾配のある場に微粒子が存在する場合，微粒子が低温側に向かう力を受け移動する現象を熱泳動といい，この時微粒子が受ける低温側に向かう力を熱泳動力という ．本報では，イオナイザー電極
3）への異物（シロキサン）析出が，クリーンルーム中のシリコンシーラントからのシロキサンガスが電極近傍で粒子化し，その微粒子（ SiO2）が電極へ付着することによって生じていると仮定し，電極を加熱することで得られる熱泳動力によってその抑制が可能であるか検討を行っ216（30）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）

た．また，実用的な電極の加熱方法についても併せて検討を行ったので，その結果について報告する．

2．微粒子付着の抑制に必要な温度勾配の概算
熱泳動力によってイオナイザー電極への微粒子付着を抑制するためには，その熱泳動力を得るための温度勾配を電極と周囲の空間との間に形成する必要がある．ここでは，その必要な温度勾配を気相中での微粒子の沈着速度から概算して，電極への微粒子付着抑制の可能性を検討する．微粒子の沈着のメカニズムとしては，ブラウン拡散や重力沈降，今回検討する熱泳動力の他，電界の影響がある場合には静電気力が作用する．これら沈着力のうち，イオナイザー電極を加熱することで得られる熱泳

図 2 熱泳動力による微粒子付着の抑制（電極）Fig.2 Inhibition of particle deposition by thermophoretic force（ heated electrode ）．

動力が，沈着と逆方向に作用して微粒子付着が抑制されるモデル（図 2）を設定して概算を行う．しかし，実際のイオナイザー電極近傍における微粒子の挙動から各種沈着速度を導くには系が複雑なため，Liu ら4）が提唱した，垂直一方向流内で水平に置かれたウェハー表面への微粒子沈着のモデルにおける沈着速度の推定式を適用した．Liu らは，Sparrow ら の行ったナフタリンを円板上5）から昇華させたときの物質移動の実験式をウェハー表面への微粒子沈着に適用しているが，以降多くの研究者によって研究が進められ，国内においても藤井ら ，阪田
6）

ら7）によってその妥当性が実験的に示されている．Liuらが提唱した微粒子の沈着速度 VT は（1）式で与えられる．
（1）式にウェハーを加熱することによる熱泳動速度

図 3 熱泳動力による微粒子付着の抑制（ウェハー）
Fig.3 Inhibition of particle deposition by thermophoretic force（ heated wafer ）．

VTM を加算すると，沈着速度 VT は（2）式となる．種々VT = VD ＋ VG ＋ VE

（1）の沈着速度はそれぞれ（3）～（6）式で表される．加算すVT = VTM ＋ VD ＋ VG ＋ VE

（2）

8）

る熱泳速度 VTM は低温方向，つまり付着と逆方向に働く

VTM：熱泳動力による沈着速度［ m/s ］

ため負の符号が付いており，これが図 3 のようにブラウ

VD ：ブラウン拡散による沈着速度［ m/s ］

ン拡散等の沈着速度を上回る場合に，微粒子付着が抑制

VG ：重力による沈着速度［ m/s ］

される．この時（2）
式は VT = VTM + VD + VG + VE < 0 となり，

VE ：静電気力による沈着速度［ m/s ］

この条件での熱泳動速度 VTM から必要な温度勾配 ΔT を（3）求める．各式に用いる各係数や諸条件は以下のように与える．

（4）
（5）
（6）
（7）
D ：拡散係数［ m /s ］
2

図 1 電極への異物付着と電極の摩耗
Fig.1 Particle deposited on an electrode and wear of an electrode.

DW：ウェハー直径 150［ mm ］
SC ：シュミット数（ = ν/D ）［－］電極加熱による低発塵コロナ放電式イオナイザーの開発（佐藤 朋且ら）

217（31）

Re ：レイノルズ数（ = UDW/ν ）［－］ν ：空気の動粘度 1.56 × 10 ［ m /s ］
-52

CC ：カニンガムの補正係数［－］
U ：垂直一方向流 0.35［ m/s ］
DP ：粒子径［ m ］
F ：グレーディエント力
ε0 ：真空の誘電率 8.85 × 10 ［ F/m ］-12εr ：SiO2 粒子の比誘電率 4.6［ - ］
E0 ：電極先端部の電界強度［ V/m ］
g ：重力加速度 9.8［ m/s ］
2

ρp ：粒子の密度［ kg/m ］
3

図 5 微粒子付着抑制に必要な温度勾配の概算結果
Fig.5 Result of rough estimate temperature gradient necessary toinhibiting the deposition of particles.

η ：空気の粘度 1.82 × 10 ［ kg/ms ］-5

ρg ：空気の密度 1.197［ kg/m ］
3

ΔT：温度勾配［ K/m ］
T ：空気の絶対温度 296［ K ］

この結果から，イオナイザー電極を加熱して，周囲の空間との間に 100°C 程度の温度差を形成することで，0.001（8）μm 以上の微粒子の付着を抑制できる可能性があると考えられる．

3．実験による微粒子付着抑制効果の確認
3.1 実験概要および方法
微粒子付着抑制に必要な温度勾配の概算結果から，電極を加熱することで微粒子の付着を抑制できる可能性が示唆されたので，実際のイオナイザーを用いて微粒子付着の抑制効果の確認実験を行った．実験装置の概略を図6 に示す．実験に用いたイオナイザーは交流式（パルスAC タイプ）で，電極への印加電圧は AC7 kV，交番の周波数は 33 Hz，電極の直径は φ2 mm である．このイオ
図 4 回転双曲面対平板モデル
Fig.4 Hyperboloid of revolution versus plate model.

ナイザーを 2 台用い，一方の電極を加熱し（イオナイザーA ），もう一方を加熱無し（イオナイザーB ）の状態で一定時間運転し，運転後の電極先端部の異物の付着状

ただし，対象とする粒子径は，0.001 μ から 0.1 μm ま況を実体顕微鏡（ KEYENCE 製 VXH-1000）にて観察しでの範囲とし，粒子は無帯電粒子とした．イオナイザーて比較した．イオナイザーA の電極の加熱温度は，温度の放電電極近傍の電界中で無帯電粒子に作用する静電気力をグレーディエント力 F として（7）式 ，電界強度9）E0 は印加電圧 AC7 kV の交流式イオナイザーの放電電極が形成する電界強度として図 4 の回転双曲面対平板モデルから（8）式10）にて求め，微粒子に作用する静電気力による沈着速度 VE に適用した．各粒子径における温度勾配 ΔT の概算結果を図 5 に示す．図 5 から，粒子径が0.001 μm の微粒子が対象であれば，熱泳動力によって付着を阻むために必要な温度勾配 ΔT は約 100,000［ K/m ］
強，粒子径が 0.01 μm 以上の微粒子が対象であれば，必要な温度勾配 ΔT は約 5,000［ K/m ］以下となる．熱境界層の厚さが通常 1 mm 以下であることを考慮すると，

11, 12）

図 6 実験装置の概略
Fig.6 Experimental setting up.

218（32）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）

図 7 電極の温度測定の詳細
Fig.7 Details of electrode temperature measurement.

勾配の概算結果が 0.001 μm 以上の粒子では 100°C 前後であったことと，イオナイザーの樹脂部分の耐熱温度が

図 8 熱電対による電極の温度測定結果
Fig.8 The temperature measurements of the electrode by a thermocouple.

100〜130°
C であることから，90°C 程度を目標とした．
電極の加熱には，ニクロム線を用いた．電極の先端から3〜4 mm 上部（先端テーパー部から円柱状になった部分）にニクロム線を数回巻き付け，電極の温度が目標の 90°Cとなるように，絶縁トランスの直流電圧をスライダックで調整しながら印加して加熱した．電極の温度は，ニクロム線を巻き付けた部分（加熱部）を通常の T 型熱電対にて，電極先端の直近部分（先端部から 1 mm 以内）を極細型の特殊 K 型熱電対（線径 φ80 μm ）にて測定した．
電極の温度測定の詳細を図 7 に示す．電極の先端部が直図 9 電極先端部温度のシミュレーション結果
Fig.9 The simulation result of electrode tip temperature.

径約 50 μm と極めて微細で，ニクロム線の巻き付けや熱電対の取り付けが困難なため，この方法で加熱および温シミュレーション結果を図 9 に示す．ニクロム線を巻き度測定を行っている．なお，実際の電極先端部分の温度付けた加熱部が約 90°
C の場合，図 8 に示すように電極が上記の理由で測定できないため，ニクロム線を巻き付先端の直近部分の温度は平均で 87〜88°
C の間を推移しけた加熱部を 90°
C とした時の電極先端部分の温度につていた．一方，図 9 のシミュレーション結果では，ニクいて，数値シミュレーションによる確認を行った．シミ

ロム線を巻き付けた加熱部を 90°C に加熱した場合，先ュレーション計算対象の電極，およびイオナイザー筐体端部は約 88.0〜88.2°
C となった．これらの結果から，ニの形状は実物と同様とし，イオナイザー筐体の上部からクロム線によって電極先端から 3〜4 mm 上部を 90°Cに23°C，0.3 m/s の層流条件で給気し，下部から排気する条加熱した場合，実際の電極先端部分の温度としては 87件で計算を行った．また，一連の実験は，先ずイオナイ〜88°C 程度になっていると思われ，ほぼ目標の 90°C に加ザーA の電極の温度が目標の 90°C となるよう絶縁トラ熱できていることが判った．

ンスの出力電圧を設定し，その後，熱電対を取り外した

次に，イオナイザーA とイオナイザーB の異物の付着状態でイオナイザーA，B の 2 台を同時に運転し，異物状況の比較を示す．初期状態の実態顕微鏡写真を図 10

付着量の比較を行う手順とした．温度測定用の特殊熱電に，約 800 hr（33 日間）運転後の実態顕微鏡写真を図

対の取り付け位置が電極先端直近のため，特殊熱電対が11 に示す．図 11 から，イオナイザーA とイオナイザー異物の付着状況に影響することを防ぐためである．

B のどちらの電極先端部にもシロキサンが粒子化した
SiO2 と思われる，白い結晶状の異物が見られるが，付着3.2 実験結果量を比較すると明らかにイオナイザーA の電極の付着量ニクロム線を巻き付けた加熱部を 90°C とした時の特が少ない結果となった．この結果から，電極を 90°C程殊熱電対による電極先端の直近部分（先端部から 1 mm度に加熱する実験においても，熱泳動力によって微粒子以内）の温度測定結果を図 8 に，電極先端部分の温度のの付着を低減できる可能性が示唆された．

電極加熱による低発塵コロナ放電式イオナイザーの開発（佐藤 朋且ら）

219（33）

図 12 自己発熱型電極の概形
Fig.12 Form of self-heating electrode.

図 10 電極先端部実体顕微鏡写真（初期状態）
Fig.10 Tip of the electrodes of initial state.

表 1 電極サンプルの諸元と発熱温度
Table.1 Specifications of electrode samples and temperature.に 4 種類の自己発熱型電極サンプルについてその諸元，および通電開始 1 hr 後の電極の温度測定結果を示す．なお，電極の初期状態の温度は約 23°
C，前項と同様に電極先端の直近部分の温度を極細型の特殊 K 型熱電対を
図 11 電極先端部実体顕微鏡写真（約 800 hr 運転後）
Fig.11 Tip of the electrodes after about 800 hours operation.

用いて測定し，電極への印加電圧は AC7 kV，交番の周波数は 33 Hz とした．また，電極の抵抗値の測定にはエレクトロメータ（ ADVANTEST 製 R8252）を用いた . 表

4．実用的な電極の加熱方法の検討

1 から，サンプル No.1（抵抗体：ZrO2），No.2（抵抗体：イオナイザー電極を加熱する手段としては様々な方法ABS 樹脂）の通電開始 1 hr 後の温度は 32°
C～33°
C で，が考えられるが，今回の実験のようにニクロム線等の電温度上昇は 10°
C 前後，サンプル No.3，No.4（抵抗体：熱線を直接電極に巻き付けて加熱する方法は，実用上でSiC ） の 温 度 は 50 °C～80 °C で あ っ た．No.1，No.2 は，は幾つか問題がある．実際のイオナイザーには通常数十電極の抵抗値が高い（10 ～10 Ω ）ため，十分な放電本の電極が備わっており，その全てを加熱するための加電流が電極を流れず，発熱しなかったと考えられる．ま熱電力（電源）と，電極への電熱線の巻き付け加工が必た，電流が流れ難い結果，放電も非常に不安定であった．

要となり大幅なコスト増が予想される．また，電極と電一方，抵抗体に SiC を用いた No.3 の電極は，抵抗値を熱線系統が物理的に繋がるため，放電電流が電熱線系統10 Ω 程度まで下げた結果，安定して放電したものの，にリークする恐れもある．そこで，電極に抵抗体を組み温度上昇は 30°C 程度であった．No.3 より 2 桁程抵抗値

込み，放電電流がその抵抗体を流れることで発生するジを上げた No.4 の SiC 電極も安定して放電したが，こちュール加熱によって電極を加熱する，自己発熱型の電極

ら は 温 度 上 昇 が 最 も 高 く，78 °C 程 度 ま で 上 昇 し た．

を考案した（図 12）．これにより，加熱用の電源等を付No.3，No.4 はどちらも十分な放電電流が流れた結果安加すること無く電極を加熱することが可能である．表 1

定して放電したが，抵抗値の大きさで発熱量に差が生じ

12135

220（34）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）たと考えられる．一般に，抵抗体を流れる電流で発生す

備考で表され，電流 I と3.2 節の評価においては，定量評価し得るのに十分な抵抗 R がそれぞれ大きいほど発生する熱量は大きくな異物付着量ではなく，採取・計量できなかったため，実る．しかし本方式では，放電を妨げず，かつ十分な発熱体顕微鏡写真を用いた目視による定性評価とした．なお，量が得られるように，電流値と抵抗値を最適にバランス

その後の実験での異物付着量についても，加熱無し＞加させることが必要となる．今回評価した電極サンプルの熱有りという同様の傾向を確認している .

るジュール加熱の熱量は（9）式

13）

中では，抵抗体に SiC を用い，抵抗値を 10 Ω 程度に調7整したものが安定して放電し，発熱量も大きかったが，参考文献

更なる最適化については今後の課題である．

1） 並木則和：クリーンルーム環境におけるガス - 粒子変換．

2

Q = I Rt = Wt

（9）

Q：熱量［ J ］
I ：抵抗体を流れる電流［ A ］

クリーンテクノロジー，4［7］（1994）67
2） 鈴木政典，鈴木国夫，田中政史，山路幸郎：無発塵空気イオン化システムの開発．空気清浄，26［5］（1989）48
3） 鈴木佐夜香，桑名一徳，土橋律：すすの熱泳動挙動の予測

R ：抵抗［ Ω ］

手法に関する研究．日本燃焼学会誌，52［159］（2010）68t ：時間［ s ］

4） B.Y.H.Liu, B.Fardi, K.H.Ann：Proceeding of 33rd Annual

W：電力［ J/s ］

Technical Meeting of the IES, p.461（ May, 1987）
5） Sparrow, E.M., G.T.Geiger：Local everage heat transfer

5．まとめ

characteristics for a disk situated perpendicular to a uniform

イオナイザー電極を加熱することで得られる熱泳動力

flow. J. Heat Transfer, 107（1985）321

により，電極への異物（微粒子）付着の抑制が可能であるか検討を行った．また，実用的なイオナイザー電極の加熱方法についても併せて検討した．結果を以下に示す．

6） 藤井修二，謝国平，金光映：エアロゾル化学・技術

研究討論会論文集，p.28（1988）
7） 阪田総一郎，池鯉鮒悟，井上正憲，吉田隆紀，岡田孝夫：
エアロゾル化学・技術研究討論会論文集，p.36（1988）①簡易モデルを用いて，微粒子付着の抑制が可能な熱泳動力を得るための温度勾配を試算した結果，0.001 μm

8） ウ ィ リ ア ム C. ハ イ ン ズ： エ ア ロ ゾ ル テ ク ノ ロ ジ ー，
p.151，井上書院（1985）の粒子では 100°
C 程度，0.001 μm よりも大きな粒子に

9） 静電気学会編：静電気ハンドブック，p.37, オーム社（1981）

ついては 100°
C 以下の温度差を電極と周囲の空間との10）静電気学会編：静電気ハンドブック，p.172, オーム社（1981）間に形成すれば良いことが示された．

11） ウ ィ リ ア ム C. ハ イ ン ズ： エ ア ロ ゾ ル テ クノ ロ ジ ー，

②イオナイザー電極をニクロム線で 90°C 程度に加熱する実験において，電極を加熱した場合，加熱しない場合に比べ異物付着量が少ない結果が得られた．温度勾配の概算結果も踏まえて，イオナイザー電極への異物付着抑制に対する本方式の有効性を確認した．
③実用的なイオナイザー電極の加熱方法として，電極に抵抗体を組み込み，放電電流が流れる際のジュール加熱によって加熱を行う方式を考案した．抵抗体の抵抗値や放電電流値を調整することで，所望の温度への加熱が可能であることが示された．

p.149，井上書院（1985）12）S.K. フリードランダー：エアロゾルの科学，p.67，産業図書（1983）
13）静電気学会編：新版 静電気ハンドブック，p.928, オーム社（1998）