产业技术综合研究所研发出非接触型静电检测技术

産業技術総合研究所(産総研)の研究グループは、振動と電磁界を用いた新しい静電気検出方法を考案し、さまざまな制約が存在する生産現場でも柔軟に対応できる非接触型静電気計測技術を開発したことを明らかにした。同成果は、 産総研 生産計測技術研究センター 光計測ソリューションチームの菊永和也 研究員、野中一洋 研究チーム長、坂井一文 招聘研究員、蒲原敏浩 産総研特別研究員らによるもので第72回応用物理学会学術講演会において発表された。

生産現場では静電気がいたるところで不規則に発生するため、電子デバイスの破壊、フィルムの吸着、製品へのゴミ付着などのトラブルが起こり、生産性低下の原因となっている。特に半導体の生産現場では、綿密な静電気対策を施しているにも関わらず、高絶縁材料の使用、半導体回路の微細化・多層化に伴うデバイス静電気放電耐性の低下などから静電気問題が深刻化しており、静電気障害を効率的かつ確実に軽減するために、生産現場では各プロセス工程間に発生する静電気を高速で計測できる技術が求められていた。

これまで静電気計測器として現場で広く使用されてきたのは表面電位計だが、センサを測定対象物に近づける必要があったため測定できる空間に制約があり、また原理的に、近傍の帯電物やアースなどの測定環境の影響を受けやすいといった問題があった。さらに静電気分布を計測するためには1点ずつセンサを動かして測定しなければならないため、2次元平面の静電気分布計測の高速化が困難であった。

産総研は、生産現場で不規則に発生する静電気を数値化し、生産プロセスにフィードバック可能な新しい静電気のオンサイト計測技術の開発に取り組んできており、今回、静止している静電気を外部から振動させて、発生する電磁界を検出する新しい静電気計測技術の開発を行った。

具体的には、帯電体を音波などによって振動させて電界と磁界を相互に誘起させ電磁界を発生させ、アンテナで電界の変化を測定して静電気を計測するというもの。

図1 ポリイミドフィルムの静電気分布の計測例。収束した音波をあてた位置の情報と、計測した静電気の情報を組み合わせて可視化した

通常、電磁界は、導体を流れる電流によって電界と磁界が時間的・空間的に変化し、お互いに誘起しあうことで発生するが、今回の方法では、帯電体を振動させることで、静止している電荷(静電気)の位置を空間的に変化させ、交流電流と同様の効果を作り出して電磁界を誘起させるようになっている。

図2 今回開発された技術の概念図。(1)帯電体(電荷を帯びている物体)。 (2)帯電体を振動させる。(3)物体を除いて考えると静止している電荷が振動している。(4)電荷の振動に伴って振動した電場と磁場が誘起され、電磁界が発生する。(5)発生した電磁界をアンテナで検出して、静電気の情報に変換する

実際に実験装置を用いて、ポリイミドフィルムを音波で振動させアンテナで検出した電界強度変化を観測したところ、帯電していないポリイミドフィルムでは音波照射によって振動させても電界は変化しないのに対し、帯電したポリイミドフィルムを振動させると電界の変化が観測された。

図3 実験装置の構成

図4 電界強度の時間依存性

これにより、物体の振動と電界変化が周期性に密接な関係を持っており、帯電した物体を物理的に周期的に振動させることで電磁界が発生することが確認された。

静電気の計測では静電気量と電気的極性(正負)の情報を得る必要がある。静電気を定量的に評価するために、その静電位を計測できる表面電位計を使用し、帯電したポリイミドフィルムの表面電位と電磁界特性の関係を調べたところ、検出された電磁界強度は、正負の電気的極性に関わらず表面電位量に比例していることが確認された。

図5 電磁界と静電気の関係。この関係から電磁界を測定することで静電気の情報を得ることが可能

また、誘起された電磁界の位相は、電気的極性によって大きく異なっていることも確認された。これは正と負の電荷が同じ方向に移動したとき、電流としての向きは逆方向になるため、電荷の振動によって発生した電磁界の位相が異なることによるためである。同技術は、振動した部分の静電気量だけに比例した電磁界が360℃どの方向でも検出可能であるため、周囲の電気的環境や空間制約に左右されることもない。

また、音波を収束させてせまい部分だけを振動させると、その部分の静電気だけが計測でき、音波をあてる部分を走査することで、2次元の静電気量分布を計測できる。さらに、収束した音波の照射位置は電気的に制御ができるので、走査速度を早くすることで平面の静電気量分布計測の高速化が可能だという。

なお、研究グループで今後、空間的制約の多い生産現場で使用可能な静電気センサの開発を行うことを目標としているほか、収束させた音波を高速で走査できる超指向性音響システムを開発し、静電気分布を短時間で可視化するシステムの開発を行う予定であるとしている。