静電気学会誌，40, 6（2016）289-294

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

有機エレクトロニクスデバイス製造工程に向けた
ACコロナ放電型イオナイザの減圧下での除電特性
松尾 武 ，根本 大輔 ，佐藤 直幸 ，池畑 隆
＊

＊

＊

＊, 1

（2016年3月7日受付；2016年9月2日受理）

Study on Static Neutralization of Corona Discharge Ionizer Under Reduced Pressurefor Organic Electronic Devices Manufacturing Process
＊

＊

＊

＊, 1

Takeshi MATSUO , Daisuke NEMOTO , Naoyuki SATO and Takashi IKEHATA（Received March 7, 2016; Accepted September 2, 2016）

Neutralization characteristics in a mixed N2-CF3I gas are investigated with a squared-AC ionizer operated at the frequency of
451-100 Hz and the voltage of 1-6 kV at the pressure of 10 -10 Pa. The purpose of this study is to investigate how the negativeions produced from CF3I can modify the ion balance for oxygen-free atmospheres and to clarify the effect of the total pressure
on the static elimination performance of the ionizer. The ratio of 0.1％ for the partial pressure of CF3I is found to be proper for4
the ion balance. We conclude that the static elimination at 100 Hz and 2 kV at 10 Pa is the best condition where it achieves ashorter static elimination time with a lower ripple voltage.

1．研究背景性ガスが必要となる．そのため筆者らは，はじめ化学的クリーンルーム内の電子デバイス製造工程では，しばに安定かつ不活性で電子付着断面積の大きい SF6 に着目

しば静電気帯電による障害が問題となり，除電装置としし，大気圧において N2-SF6 混合ガス中の除電特性を調査てコロナ放電型イオナイザが広く使用されている．

した．その結果，SF6 を 0.01％～0.1％混入させると良好

コロナ放電型イオナイザは針状電極（エミッタ）に高電なイオンバランスが保たれることが分かった ．しかし，圧を印加して，コロナ放電を起こす．コロナ放電により

SF6 は地球温暖化係数が CO2 の 23900 倍あり，排出規制作業雰囲気の気体分子がイオン化され，その正負のイオ対象ガスとなっている．そこで，SF6 の代替ガスとしてンを用いて除電を行う．

期待されているヨウ化トリフルオロメタン CF3I

1-2）

5）

6-8）に着一方，近年実用化が進展する有機 EL 等の製造工程で目した．CF3I は SF6 と同様に化学的に安定かつ不活性では，空気中に含まれる酸素が化学的に活性で有機材料を電子付着断面積が大きい負性ガスであるが，地球温暖化劣化させるため，作業雰囲気に窒素などの不活性ガスか，係数が CO2 と同程度である．調査の結果，CF3I の除電もしくは減圧雰囲気を使用する必要がある

特性は SF6 とほぼ同様の結果を示した ．

．しかし，

3-4）

9）

窒素雰囲気でコロナ放電を起こすと正負のイオンバラン

一方，LSI 製造プロセスでは，減圧・高真空下での処スが崩れる．これは窒素が電子親和力を持たず，負イオ理工程も増えてきている ．しかし筆者らの知る限り，ンを形成しないため，コロナ放電から正イオンと電子が真空中あるいは減圧下で放電型イオナイザの除電特性を発生するためである．正イオンと電子は移動度が大きく調査した例はない．そこで減圧下での AC 放電型イオナ異なるため，正負のイオンバランスが崩れ，被除電物のイザの挙動を調査することにした．その初期の成果は学電位は大きく負に帯電する．従って，除電を行うために会等で口頭発表されているがは作業雰囲気のイオンバランスを維持することが重要でオナイザ周波数，エミッタ電圧の三つのパラメータを変あり，窒素雰囲気では負イオンを形成する酸素以外の負化させたときの除電特性の変化を詳しく検討した .

10），本論文では圧力，イ11-12）

具体的には，まず大気圧 N2-CF3I 混合ガスの除電特性
キーワード：静電気除電，イオナイザ，AC コロナ放電，イオンバランス，オフセット電圧，窒素，CF3I，気圧＊茨城大学大学院理工学研究科応用粒子線科学専攻（〒316-8511 茨城県日立市中成沢町 4-12-1）
Institute of Applied Beam Science, Ibaraki University,
4-12-1, Nakanarusawa, Hitachi, Ibaraki 316-8511, Japan1
takashi.ikehata.eng@vc.ibaraki.ac.jp

を CF3I 分圧比を変化させて調査し，イオンバランスに適した CF3I 分圧比を求めた．そして，以後の減圧実験において，CF3I 分圧比をその最適値（0.1％）に固定した．次に圧力を変化させ，N2-CF3I 混合ガスにおける DC での電流電圧特性，コロナ開始電圧を測定した．ここで，圧力範囲を 10 ～10 Pa に限定した．これは 10 ～10 Pa の範4545290（28）

静電気学会誌 第40巻 第 6 号（2016）

囲ではコロナ放電を維持できるが，10 Pa まで減圧する3と，放電の形態がコロナからグロー様に遷移したためである．グロー放電をベースにした真空除電は興味深い研究対象であるが，議論が拡散するため，本論文はコロナ放電領域のイオナイザの挙動を調査することに集中することとした．最後に N2-CF3I 混合ガスの圧力，イオナイザ周波数，エミッタ電圧を変化させて除電特性を包括的に調査した．その結果，オフセット電圧，電圧リップル，除電時間と上記 3 パラメータの関係が明らかになった．

2．実験装置および方法実験装置を Fig.1 に示す．ステンレス製真空容器（直図 1 実験装置
Fig.1 Experimental setup.

径 210 mm×高さ 300 mm ）内にエミッタ（先端曲率半径 50 μm，タングステン製）および検出プレート（100り，静特性と交流特性の関係性をより考察しやすいと考×100×1 mm，アルミニウム製）を設置し，検出プレーえたため方形波を選択した．また，エミッタ先端から検トをチャージドプレートモニター（ CPM，ヒューグル出プレートまでの距離 DEP を 100 mm で一定とした．

エレクトロニクス 700A 型）に接続する．CPM はオシロ

分圧比特性を測定する際は，全圧を 10 Pa に固定し，スコープ（テクトロニクス TDS2024B 型）に接続され，CF3I ガスの分圧比を 0.0005％～1％まで変化させた．減PC に取り込まれた検出プレート電位波形から除電特性圧特性を測定する際は全圧を 10 Pa から 10 Pa まで変化が求められる．

させ，分圧比は CF3I：0.1％に固定した．

554

容器内の雰囲気ガスを変化させるときには，はじめに油拡散ポンプを用いて容器内の空気を 9×10 Pa まで排3．実験結果気する．次に高純度の負性ガスを注入し，圧力を調整す

3.1 除電特性の評価方法

る．調整する方法として，負性ガスの分圧比が 0.0005％

測定された除電特性の一例を Fig.2 に示す．Fig.2 からから 1％の範囲ではバラトロン圧力計（ MKS 627A 型）評価パラメータとして，オフセット電圧 VPF，電圧リッを用いて圧力を調整し，1％より大きい圧力では半導体

プル VR，除電時間 TS を算出する．

–3圧力計（ YOKOGAWA FP101A 型）を用いる．最後に高まずオフセット電圧 VPF の求め方を説明する．初期帯電純度（6N ）の窒素ガスを注入し，任意の圧力まで全圧させたプレート電位 VP がほぼ一定となる時間（ t = 9 s かを調整する．

ら 10 s の 1秒間）で電位を時間平均し，さらに正負バイア減圧下における直流でのコロナ放電電流測定およびコスでの値を相加平均した値をオフセット電圧 VPF とする．

ロナ放電開始電圧測定を行う場合，被除電物に見立てた次に電圧リップル VR の求め方を説明する．除電後のプ検出プレートをデジタル電流計を介して接地する．電源は TREK610E 型を直流電源モードで動作させる．その後，圧力もしくは電源電圧を変化させ，測定を行う．
除電特性を測定する場合，被除電物に見立てた検出プ
レートを CPM に接続し，プレートの電位 VP を CPM で初期帯電 VO = ∓550 V まで帯電させる．これは減圧するとコロナ開始電圧が大きく下がるため 10 Pa-10 Pa におい
35て安定に帯電を維持するため ∓550 V を選択したものである．電源は TREK610E 型を交流電源モードで動作させ，方形波をエミッタに印加し，正負の荷電粒子を生成する．
そして，荷電粒子の流入によるプレート電位 VP の時間変化（除電特性）を測定する．印加電圧は正弦波が一般的だが，方形波では半周期の電圧が一定であるため，過渡領域を除くとエミッタ電流が直流値に漸近する．これよ

図 2 オフセット電圧 VPF, 電圧リップル VR, 除電時間 TS の定義
Fig.2 Determination of offset voltage VPF, voltage ripple VR andstatic elimination time TS.

有機エレクトロニクスデバイス製造工程に向けたACコロナ放電型イオナイザの減圧下での除電特性（松尾 武ら） 291（29）レート電位には振動成分（電圧リップル）が残る．初期
帯電させたプレート電位 VP がほぼ一定となる時間（ t =9 s から 10 s ）での振動振幅の標準偏差を電圧リップル
VR とする．
最後に除電時間 TS の求め方を説明する．初期電位 VO とオフセット電圧 VPF の差を ΔV とすると ΔV = VO-VPF となる．
ΔV が VO の 1/10 になるまでの時間を除電時間 TS とする．

3.2 除電特性のCF3Iガス分圧比依存性（大気圧）N2-CF3I および N2-O2 混合ガス中におけるオフセット電p n ）（p n ）+ （p N2）
圧 VPF と負性ガス分圧比 δ ≡ （⁄ （）の関係9）

p n ）は CF3I または O2 の分を Fig.3 に示す．ここで （圧である．測定は 10 Pa，電圧振幅 6 kV，f = 10 Hz の条5件で行った．Fig.3 より，CF3I の分圧比を増加させるこ

図 4 コロナ放電電流（ DC ）と気圧の関係
Fig.4 Emitter current as a function of total pressure.とで VPF は負の値から 0 V に近づいていき，0.1％から0.01％の分圧比で VPF ≈ 0 の良いイオンバランスが得られることが分かった．このことから，CF3I を 0.1％から0.01％混入させると酸素を 20％混入させたときとほぼ同考える），移動度を μ+ として，J = en+μ +E と表せる．
減圧すると移動度は大きくなり，μ +∝1/p であるので，Fig.4 から n+∝1/p が示唆される．

数の負イオンが生成されると考えられる．これは CF3I

しかしながら，キャリア生成の圧力依存性に関しては，

9）分子と O2 分子の電子付着断面積の違いで説明できる ．

実験を含めて未検討であり，今後の課題となろう．いず

CF3I は低電子エネルギー領域（10 ～10 eV ）で，O2 にれにしても，Fig.4 より減圧すると電流が大きくなること

比べ 3 桁から 4 桁大きい断面積を有するが確認できた．よって，減圧下でイオナイザを動作させ–2–1．

13-14）

ると除電電流が大きくなるため迅速な除電が期待できる．

3.4 減圧下でのコロナ放電開始電圧
Fig.5 にコロナ放電開始電圧と気圧の関係を示す．測定方法はプレートをデジタル電流計を介して接地し，電源電圧を DC の 1 kV から 10 kV まで変化させ，電流が流れはじめるときの電圧をコロナ放電開始電圧 VS とした．Fig.5から減圧すると VS が下がり，10 Pa まで減圧すると 2 kV4から 2.5 kV でコロナ放電が起こっていることが確認できた．しかし，10 Pa 以下の低気圧にすると放電発光がエミ3ッタ先端部からエミッタ電極全体に拡がり，コロナ放電からグロー放電へと遷移している様子が認められた．これよ
図 3 N2-CF3I および N2-O2 混合ガス中におけるオフセット電圧
VPF と負性ガス分圧比の関係
Fig.3 Offset voltage VPF as a function of the partial pressure ratioof electronegative gases in N2- CF3I and N2- O2 gases.

り，圧力の範囲を 10 Pa～10 Pa に限定することにした．
453.3 減圧下でのコロナ放電電流
Fig.4 にコロナ放電電流（ DC ）と気圧の関係を示す．
この測定ではプレートをデジタル電流計を介して接地し，電源の電流リミットを 1 mA に設定した．測定は電源電圧（ DC ）を ∓6 kV，CF3I = 0.1％の条件で行った．
なお，10 Pa より減圧すると電流リミットが作動したた
4め，測定は 10 Pa まで行った．Fig.4 から，概ね I+, I– ∝41/p の関係が認められる．衝突性輸送によるキャリア電2流密度 J は , キャリアの数密度を n+（例として正電荷を

図 5 コロナ放電開始電圧と気圧の関係
Fig.5 Corona inception voltage Vi as a function of total pressure.

292（30）

静電気学会誌 第40巻 第 6 号（2016）

これは実験をコロナ放電領域に限定するためである．

3.5.2 圧力依存性

以上の観測結果より，減圧下ではコロナ放電型イオナ

Fig.7 に圧力を変化させた際のオフセット電圧 VPF，電イザの低電圧駆動が可能であり，実用上のメリットが大

圧リップル VR，除電時間 TS を示す．測定は電源電圧（ AC ）きいと考えられる．

を 6 kV，f = 50 Hz，CF3I = 0.1％の条件で行った．オフセ

3.5 減圧下でのACコロナ放電イオナイザにおける除ット電圧 VPF においては減圧しても VPF に大幅な変化が電特性ないことが分かった．それでも，10 Pa で -80 V 程度の3.5.1 除電特性電圧が観測されている．筆者らは MOS ゲート絶縁膜

Fig.6 に圧力 p およびイオナイザ周波数 f を変化させた（ SiO2）の絶縁耐圧415）をもとに静電気除電の目標値を ∓場合の除電特性を示す．測定は電源電圧（ AC ）を 620 V に置いている．実測値は目標値を超えており，今後，kV，CF3I = 0.1％の条件で行った．

イオナイザ動作条件（例えば，方形波デューティー比，Fig.6 から減圧下において，オフセット電圧 VPF に大幅な変化は見られないが電圧リップル VR が大きくなって直流バイアスなど）の調整によってオフセット電圧をゼロに近づける努力が必要である．

いることが分かる．しかし，f を大きくすると VR が小さ電圧リップル VR においては，減圧するほど VR が大きくなり，低リップル，迅速な除電が可能だと分かった．

くなり，10 Pa では 10 Pa のおおよそ 2.5 倍である．こ

そこで，最適な除電パラメータを求めるため，圧力依存

れは Fig.4 より減圧するとイオン電流の値が増えること性，周波数依存性，電源電圧依存性を調査した．

が原因ではないかと考えた．

45AC 電圧の半周期 T/2 におけるプレートの電圧は以下で与えられる．
（1）

図 6 圧力 p およびイオナイザ周波数 f を変化させた場合の，V0 = -550 V（ b ）除電特性．V0 = +550 V（ a ）Fig.6 Neutralization characteristics as a function of pressure and（ a ）and V0 = -550 V（b）．
ionizer frequency for V0 = +550 V

図 7 圧力 p を変化させた場合のオフセット電圧 VPF（ a ），，除電時間 TS（ c ）電圧リップル VR（ b ）b ）and static
Fig.7 Offset voltage VPF（ a ），voltage ripple V（Ras a function of pressure p.
elimination time T（S c）

有機エレクトロニクスデバイス製造工程に向けたACコロナ放電型イオナイザの減圧下での除電特性（松尾 武ら） 293（31）
ここで，Vp はプレートの電圧，Qp はプレートに流れ込

は電源電圧（ AC ）を 6 kV，10 Pa，CF3I = 0.1％の条件

む電荷量，CP はプレートの静電容量，I はプレートに流で行った．オフセット電圧 VPF において，VPF は f による4れ込むイオン電流を表す．プレートの静電容量 CP は定変化がほとんどないことがわかる．電圧リップル VR に数であるため Vp はプレートに流れ込む電荷によって決おいては，f を大きくしていくと VR が小さくなり，100 Hzまる．従って，減圧によりプレートに流れ込む電流が増を 10 Hz と比較するとおおよそ 1/20 になっていることえると，エミッタ電極に +6 kV が印加されているときはが分かった．VR が f に依存する原因は，eq.
（1）から，正イオンが多く流れ込み，プレートは正に再帯電し，-6プレートに流れ込む電荷量 Qp が周波数 f に反比例する

kV が印加されているときは，負イオンが多く流れ込み，こととイオン電流が f に依存する負に再帯電を起こして，結果として大きな電圧リップルえられる．以上の実験結果より，減圧で大きくなる電圧を生じていると考えられる．

リップルは，周波数を高くすることで抑えられることが除電時間 TS に関しては，減圧すると TS が短くなり，10 Pa では 10 Pa のおおよそ 1/10 になる．
4516）ことの相乗効果と考分かった．

3.5.4 エミッタ電圧依存性

これは Fig.6 より，減圧によってイオン電流が増え，Fig.9 にエミッタ電圧 VE を変化させた際のオフセット半周期当たりの電荷量が増えたため，除電時間が早くな

電圧 VPF，電圧リップル VR，除電時間 TS を示す．測定は fったと考えた．

= 50 Hz，10 Pa，CF3I = 0.1％の条件で行った．オフセッ

以上より圧力特性から減圧すると電圧リップルが増え，除電時間が短くなることが分かった．

3.5.3 周波数依存性

4ト電圧 VPF は，エミッタ電圧を低くしても大幅な変化がないことが分かった．
電圧リップル VR においては，低電圧にすると VR が小Fig.8 にイオナイザ周波数 f を変化させた際のオフセッさくなり，6 kV と 2 kV を比較すると 2 kV は 6 kV のお

ト電圧 VPF，電圧リップル VR，除電時間 TS を示す．測定

およそ 1/4 になっていることがわかる．これは VE を下

図 8 イオナイザ周波数 f を変化させた場合のオフセット電圧
VPF（ a ），電圧リップル VR（ b ），除電時間 TS（ c ），voltage ripple VR（ b ）and static
Fig.8 Offset voltage VPF（ a ）c ）as a function of ionizer frequency f.
elimination time T（S図 9 エミッタ電圧 VE を変化させた場合のオフセット電圧
VPF（ a ），電圧リップル VR（ b ），除電時間 TS（ c ）Fig.9 Offset voltage VPF（ a ），voltage ripple VR（ b ）and static
as a function of emitter voltage VE.
elimination time T（S c）

静電気学会誌 第40巻 第 6 号（2016）

294（32）

げるとイオン電流が小さくなり，プレートに流入する電荷量 Qp が小さくなるためと考えられる．除電時間 TS においては，低電圧にすると TS が長くなり，2 kV では 6kV の約 2 倍になることが分かった．これは上の VR と同様に，VE を下げるとイオン電流が小さくなり，プレートに流入する電荷量 Qp が小さくなるためと考えられる．
2 kV における除電時間 TS はおおよそ 0.2 s であり，十分迅速な除電と言える．以上の結果から，減圧するとイオナイザを低電圧で運転することが可能である．

2） 静電気学会編：静電気ハンドブック，pp. 383-384，オーム社（2006）
3） J. S. Chang and A. A. Berezin: Neutralisation of static surface
charges by a stabilized corona discharge ionizer in a nitrogenenvironment. J. Electrostat., 51-52（2001）64-70
4） 向川政治，大久保貴広，大谷 勝，高木浩一，藤原民也，
伊藤剛：コロナ放電方式イオナイザーによる窒素雰

囲気中のウェーハの帯電と除電．静電気学会誌，32［2］（2008）84-89
5） 根本大輔，Y. Kristanto，賀 婉婷，松尾 武，佐藤直幸，

3.5.5 まとめ岡野一雄，池畑

3.3 減圧下でのコロナ放電電流および 3.4 減圧下でのコロナ放電開始電圧より，コロナ放電を維持するという条件下で 10 Pa まで減圧が可能であった．また，10 Pa44

では Fig.5,9 より，エミッタ電圧を 2 kV まで下げることができた．低電圧動作は装置のコンパクト化および省エネルギー化につながるため，実用的観点から望ましい．
一方，Fig.7 より減圧下では電圧リップルが大きくなる．
もとより低リップルが望ましい．Fig.8,9 より圧力が 104Pa, エミッタ電圧が 2 kV, イオナイザ周波数が 100 Hz での条件下が最も低リップルになることがわかった． Fig.
9（ c ）から，エミッタ電圧 2 kV の除電時間は大気圧と隆：N2-O2，N2-SF6 混合ガス雰囲気でのAC コロナ放電イオナイザの静電気除電特性．電気学会
論文誌 A，136［1］（2016）33-40
6） T. Hayashi, Y. Morikawa, K. Suu, M. Ishikawa: ArF resistfriendly etching technology. J. Vac. Sci. Technol. B, 26［5］（2008）1775-1781
7） M. K. M. Jamil, S. Ohtsuka, M. Hikita, H.Saitoh, M. Sakaki:Gas by-products of CF3I under AC partial discharge. J.
Electrostatics, 69（2011）611-617
8） 熊田亜希子，今井克樹，松岡成居，日高邦彦：CF3I ガス及びその混合ガスの放電特性と絶縁媒体としての適性．
電気学会論文誌 A，134［12］（2014）635-641
9） 根本大輔，賀婉婷，松尾武，佐藤直幸，岡野一雄，比べておおよそ一桁短く十分迅速な除電であると言え池畑る．まとめると，本実験では圧力が 10 Pa, エミッタ電テムの研究－ N2-CF3I 混合ガス雰囲気における除電－．

圧が 2kV, イオナイザ周波数が 100 Hz での条件下におい平成 27 年度電気学会基礎・材料・共通部門大会講演文

4て，低電圧，低リップルで迅速な除電が可能であった．

4．結論
N2-CF3I 混合ガス雰囲気における AC コロナ放電型イオナイザの除電特性を減圧下で測定した．圧力特性から，減圧すると除電電流が増え，電圧リップルが大きくなり，除電時間が短くなることが分かった．周波数特性から，周波数を上げると半周期当たりの供給電荷量が減るため電隆：有機エレクトロニクス製造工程向け除電シス

集，17（2015）610）服部信美，福本隼明，加藤忠雄 : クリーンテクノロジー
大気中から真空中へ．真空，33［12］（1990）895-89911） 松尾
池畑武，根本大輔，賀婉婷，佐藤直幸，岡野一雄，

隆：有機エレクトロニクス製造工程向け除電シス

テムの研究－減圧雰囲気下での除電－．平成 27 年度電気学会基礎・材料・共通部門大会講演文集，17（2015）1012）池畑隆，根本大輔，賀婉婷，松尾武，佐藤直幸，

岡野一雄：減圧雰囲気下におけるイオナイザ除電器の挙圧リップルが小さくなることが分かった．エミッタ電圧特動．平成 27 年度電気学会基礎・材料・共通部門大会講性から，2 kV 程度の低電圧でも除電が可能であることが演文集，17-E（2015）2分かった．以上の結果から，減圧下では，低電圧，低リップルで迅速な除電が可能であることが明らかになった．
謝辞
CF3I をご提供いただいた（株）東ソー・エフテック様に感謝します．

13）V. Vahedi and M. Surendra: A Monte Carlo collision model forthe particle-in-cell method: applications to argon and oxygen
discharges. Comp. Phys. Com., 87［1-2］（1995）179-198
14）L. G. Christophorou and J. K. Olthoff: Electron Interactions
with CF3I. J. phys. Chem. Ref. Data, 29（2000）553-569
15）渡辺行彦：破壊電圧分布からの MOS トランジスタゲー
ト酸化膜寿命予想．豊田中央研究所 R&D レビュー，34［4］（1999）19-24

参考文献
1） A. Ohsawa: 2-D electrohydrodynamic simulations towards
zero offset voltage with corona ionisers. J. Electrostat., 71［2］（2013）116-124

16）吉水 健剛，池畑 隆，岩本菜夏，岡野 一雄：AC イオナ
イザの周波数が除電能力に及ぼす影響．静電気学会誌 ,36［5］（2012）297-302