JP5665151B2 - 静電気帯電計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造、電子機器製造、精密機械製造、薬品製造および食品製造などのさまざまな製造現場で発生する静電気帯電を計測し、これを管理するための静電気帯電計測方法及び装置に関する。

静電気は、様々な製造現場で不規則に発生し、部品や製品の破壊だけでなく、火災等の障害・災害を引き起こす原因になっている。具体的な例として、半導体製造現場において、静電気が発生することが多い。半導体製造現場で製造されるＩＣ、ＬＳＩなどの電子素子、これらが実装されている電子基板、およびこの電子基板が組み込まれている電子機器は、静電気に極めて脆弱である。このような問題を生じさせる静電気は、接触・剥離・放電などによって帯電したデバイス・装置・人が他の物に触れたりすることで発生している。発生した静電気は、電子デバイスの静電気破壊、誤作動などの障害を引き起こす。

高分子材料は電気抵抗率の極めて大きな絶縁体であるので、高分子材料に多量の静電気が帯電すると、これ自身、又はこれによって誘導を受けた物体から発生した放電が、可燃性物質を発火させることがある。発火は、爆発・火災へと発展する恐れがあることも報告されている。さらに静電気の吸引・反発作用が、原材料及び半製品・製品のコンタミネーションやゴミ付着など静電気トラブルが大きな障害となるため、電子・化学工業、精密機械工業、製薬工業、食品工業などでは、製造現場での静電気制御が不可欠な状況になっている。

このような静電気に伴う事故の発生を防止するためには、当然ながら、製造現場での静電気の発生が防止されることが重要である。例えば半導体のようなチップを扱う作業者がアースバンドをつけることで静電気帯電の発生が防止される。あるいは、製造ラインにおける絶縁部分に、導電性の塗装や界面活性剤の皮膜を塗布して導電性を持たせて静電気を帯電させないことが行われる。また、イオナイザーなどにより、非接触に帯電を除去するなどの対策が講じられることもある。しかし、こうした対策も、静電気の大きさによっては不十分であることもある。また、これらの対策による帯電除去・抑制効果は、時間とともに劣化するので、定期的に同じ対策作業を繰り返す必要がある。対策作業の繰り返しは、コストの増加、生産性の低下を招く。

そこで製造現場では、製造工程の各工程間に発生する静電気帯電を、簡易に計測し、静電気発生の要因を分析して、工程自体が見直されることがある。例えば、製造現場において、帯電しにくい素材が選択されたり、接触スピード・圧力など製造工程条件が変更されたりする。あるいは、適当であって必要最小限のタイミングで、静電気除去処理が、工程に取り入れられる。

このような工程見直しの対応においては、低コストの静電気帯電の管理を実現するための計測技術の開発が切望されている。

しかし、例えば半導体製造のような製造現場では、各工程間で絶えず製品が流れている。このため、静電気帯電の計測技術は、生産効率を低下させないように非破壊で静電気帯電の計測を行えること、金属や絶縁物が混在する中で計測対象の環境に左右されないことを必要とする。さらには、静電気帯電の計測装置は、製造装置等による空間的制約があっても、遠隔から計測対象の静電気帯電を計測できるとの条件も満たす必要がある。

このような静電気帯電計測に関する技術として、表面電位計が用いられる技術（例えば、特許文献１参照）、一次の電気光学効果であるポッケルス素子とＣＣＤカメラが用いられる技術（例えば、特許文献２参照）が、提案されている。

しかしながら、非特許文献１の技術は、実際の製造現場において、周囲の金属・アースに電気力線が引きずられるため環境の影響を受けやすいことから、被検体にプローブを近づける近接計測を行う必要がある。このため遠隔計測と空間分解能は反比例の関係となって、非特許文献１の技術は、静電気帯電を高い精度で計測できない問題を有している。

また、非特許文献２の技術は、二次元分布の高速計測という利点を有するが、ポッケルス効果のある計測対象に制約されるとともに、ポッケルス結晶板を計測対象に近づけて静電気帯電を計測する必要がある。すなわち、正確な静電気帯電計測が困難であることにより、空間的制約が多い製造現場での使用は困難である。

あるいは、圧力波法（例えば、非特許文献３参照）、パルス静電音響法（例えば、非特許文献４参照）が、提案されている。

しかしながら、非特許文献３、非特許文献４のいずれの技術も、計測対象物の側面に電極を直接接触させる接触式で、固体内の電荷分布を計測する技術であることから、製造現場に適用しにくい問題を有している。

さらに、音波を空中に放射して、浮遊している電荷から放出される電界の変化を、音波速度と検出時間から位置を求めることによって、空間電荷分布を計測する技術が提案されている（例えば、非特許文献５参照）。

しかし、これは空中に浮遊している電荷を計測対象としており、音波により計測場を乱すため、再現性が低く、感度が悪いなどの欠点も多い。

一方、静電気帯電計測を目的としたものではないが、被計測物体において荷電粒子が多い部分に音波集束ビームを照射すると電磁波が誘起される原理を利用する技術も提案されている（例えば、非特許文献６、特許文献１参照）。ニューロンが活動する際に、Ｎａイオンが濃度勾配に基づいて細胞内に拡散して電荷分布を形成させる。この電荷分布している領域に音波が収束されて誘起された電磁波の強度が計測されることにより、ニューロンの活動が直接的に計測される。

しかしながら、非特許文献６及び特許文献１の技術は、超音波の使用を前提としていることから、水などの媒質を必要とする問題を有している。しかも、例えば、被計測物体がＧａＡｓの場合、検出される信号は増幅８２ｄＢ(約１２０００倍)して６８μＶと顕著に低く、他の実施例においてもｎＶオーダーと極めて低いことが示されている。結果として、検出される電磁波強度が非常に微弱である問題がある。これは音圧を加えたときに分極が発生する圧電性材料の特性のためであり、帯電した種々材料が混在する製造現場には非特許文献６や特許文献１の技術は、適していない。また、電磁波強度が非常に微弱であることから電波暗室が必要である点でも、非特許文献６や特許文献１の技術は、製造現場に適していない。

また、計測対象を流体内に配置して音波を照射し、被計測物体との境界層において流体に発生する電気信号あるいは磁気信号を計測する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の技術は、計測対象の化学的特性、生物学的特性を検出できるが、信号を電極で直接計測するので電極の接触を必要とする問題を有している。

国際再公表公報 ＷＯ２００７−０５５０５７号公報 特表２００４−５１２５２８号公報

尾前宏: 鹿児島県工業技術センター研究報告,No.20,pp.57-63(2006) A. Kanno, K. Sasagawa, T. Shiozawa, and M. Tsuchiya: Optics Express18 (2010) 10029-10035 E. Eisenmenger, M. Haardt: Solid St. Comm. 41 (1982) 2769-2775 T. Maeda, Y. Oki, A. Nishikata, T. Maeno: Trans.Inst.Elect.Engnr.Jpn. A 126 (2006) 185-190 A. Hazmi, N. Takagi, D. Wang and T. Watanabe: Sensors 7 (2007)3058-3070 K. Ikushima, S. Watanuki, S. Komiyama: Appl. Phys. Lett. 89 (2006)194103

一般的にどのような材料（金属・半導体・絶縁体）でも帯電は起こり、金属では、表面が均一に帯電し、半導体や絶縁体では、不均一かつランダムに正と負の電荷が帯電する。半導体製造などの製造現場においては、電子素子が帯電することが、電子素子の破壊などに繋がる危険性については、上述の通りである。

ここで、電子素子が正に帯電しているとは、電位が高いということであり、帯電している電子素子が、隣接する電子素子、アース、あるいはマイナスに帯電している他の素子などの電位の違うものと接触することによって、放電が生じる。

特に、電子素子の場合は、電子素子毎の帯電が問題となるため、電子素子の静電気帯電を製造ラインの流れを妨げることなく、簡易な方法で計測する必要がある。

電子素子の静電気帯電の計測に既存の表面電位計を用いた場合には、図１（１）のような場合であれば静電気帯電を計測可能である。しかし、実際の半導体製造ラインでは、製造ラインの上方に各種機器が配置されていることが多い。製造ラインの上方に表面電位計が配置されると、微小な塵埃が誘因される可能性があるので、空間的な制約を受ける。例えば、製造ラインの直上を避け、図１（２）のように、製造ラインの斜め上方に、表面電位計が配置されることになる。このような斜め上方での計測では、計測される電位が不正確なものとなったり、周囲の影響（例えばアース部分があれば電界がそこに引き寄せられる）を受けたりすることで、計測される電位が、本来の電位よりも大きくなったり小さくなったりする。この結果、当然ながら、計測される静電気帯電の大きさは、不正確となる。

また、通常、部分的な静電気帯電を計測する場合、非接触型の表面電位計が用いられることが多いが、表面電位計は図２(１)に示すように計測距離が遠いと計測範囲が広がるため、遠隔計測と空間分解能は反比例の関係にある。また、表面電位計は図２(２)に示すように周囲にグランド（接地）があったり、他の帯電物があったりする場合に誤差が大きくなる。

また、一般的に、計測対象物全体の静電気帯電量を計測する場合は、計測対象物を導電性のケースに入れ、内部と外部に別れた二重の導体容器内に帯電物を入れることで発生する内部導体容器の電位が計測されることで、静電気帯電量を算出する「ファラデーケージ」が必要となる。このため、計測対象物に接触しなくてはならず、再現性が乏しい。

そこで、本発明は、計測対象物に振動を与え、その計測対象の静電気帯電の振動に伴い発生する電磁波（電波や電磁界）を計測することにより、（１）非破壊による静電気帯電を計測する、（２）金属や絶縁物が混在する中で計測対象の環境影響を少なくして静電気帯電を計測する、（３）近接させずに静電気帯電を計測する、との３つの条件を同時に満たす、静電気帯電計測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の静電気帯電計測技術は、帯電している計測対象物または計測箇所ごとに空間的な振動を与えることによって、発生した電磁波（電波や電磁界）を計測する。

実験の結果、音波などによって帯電した計測対象物に振動を加えると、その振動している周波数と同期した電磁波が検出されることが確認された。加えて、正弦波や方形波などの波形の音波に追従する電磁波が基本波や高調波の形で観測された。この結果から、計測対象物に加える振動を制御することによって、帯電した計測対象物から発生する電磁波特性の制御が可能である。これらの計測対象物から発生する電磁波特性に基づいて、計測対象物の静電気帯電量が計測されると考えられる。

また、帯電した計測対象物に同じ振動を加え、計測対象物の電位のみ変化させた実験によって、表面電位と電磁波強度が比例関係にあること、そして、計測対象物の電位が正と負によって計測される電磁波の位相が異なることが確認された。したがって、この現象を利用すれば、計測対象物に加えた振動数と同じ周波数の電磁波を計測することで計測対象物の静電気帯電状態を計測することができる。

不均一に帯電した絶縁フィルムを対象とした計測実験では、表面電位計で計測された静電気帯電分布と本発明方法で計測された静電気帯電分布の結果が一致したことから、この手法が帯電計測において有効である。

より具体的には、本発明の静電気帯電計測方法は次のようなものである。

第１の発明に係る静電気帯電計測方法は、計測対象物に予め選定した振動数、振幅の振動を与える付与工程と、計測対象物の振動に伴って発生する電磁波の強度を計測する強度計測工程と、計測対象物の振幅を計測する振幅計測工程と、強度計測工程で計測された電磁波の強度および振幅計測工程で計測された振幅に基づいて、計測対象物の静電気帯電量を計測する帯電量計測工程と、を備え、振動の周波数は、数Ｈｚ〜数ｋＨｚであり、計測対象物と、強度計測工程を実現して電磁波を受信する受信手段とは、空間的に離隔している

第３の発明に係る静電気帯電計測方法は、第１又は第２の発明に加えて、強度計測工程および振幅計測工程の少なくとも一方で計測された電磁波の位相に基づいて、計測対象物の静電気帯電状態が、負帯電であるか正帯電であるかを判別する判別工程をさらに備える。

第４の発明に係る静電気帯電計測方法は、第１から第３のいずれかの発明に加えて、付与工程は、計測対象物に、予め選定した振動数及び音圧の音波を照射する。

第５の発明に係る静電気帯電計測方法は、第１から第３のいずれかの発明に加えて、付与工程は、計測対象物を支持する支持台を、予め選定した振動数及び振幅で振動させる。

第６の発明に係る静電気帯電計測方法は、第４の発明に加えて、付与工程は、円筒状部材の底部に設置されて音波を発生する音波発生器を有し、計測対象物を円筒部材の上方に配置する。

第７の発明に係る静電気帯電計測方法は、第４の発明に加えて、付与工程は、音波集束手段により音波を収束させて、計測対象物に局所的な振動を加える。

第８の発明に係る静電気帯電計測方法は、第７の発明に加えて音波集束手段は、音波発生器から発生される音波を集束させる円錐状部材、円形凹面レンズ、音響レンズ及び複数の音源を用いた電子フォーカスの少なくとも一つを使用する。

第９の発明に係る静電気帯電計測方法は、第１から第３のいずれかの発明に加えて、付与工程は、計測対象物に接触する端部を有する振動子を備え、振動子を計測対象物と接触させて、予め選定した振動数及び振幅で振動させる。

第１０の発明に係る静電気帯電計測方法は、第７から第９のいずれかの発明に加えて、付与工程は、計測対象物に振動を与える位置をスキャンし、強度計測工程は、スキャンされる位置に対応して電磁波を計測することにより、計測対象物における静電気帯電分布を計測する。

第１１の発明に係る静電気帯電計測装置は、計測対象物に所定の振幅、周波数の振動を与える振動付与手段と、計測対象物の振動に伴って発生する電磁波を受信して電磁波の強度を計測する受信手段と、計測対象物の振幅を計測する振幅計測手段と、受信手段で計測された電磁波の強度および振幅計測手段で計測された振幅に基づいて、計測対象物の静電気帯電量を演算する演算手段と、を備え、振動の周波数は、数Ｈｚ〜数ｋＨｚであり、計測対象物と、受信手段とは、空間的に離隔している。

第１２の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１１の発明に加えて、計測対象物の振幅を計測するレーザー変位計を更に備える。

第１３の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１１又は第１２の発明に加えて、演算手段は、受信手段が受信する電磁波の位相に基づいて、計測対象物の静電気帯電を、負帯電もしくは正帯電のいずれかで判別する判断手段をさらに備える。

第１４の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１１から第１３のいずれかの発明に加えて、振動付与手段は、計測対象物に予め選定した振動数及び音圧の音波を照射する音波発生装置を有する。

第１５の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１１から第１３のいずれかの発明に加えて、振動付与手段は、計測対象物を支持する支持台を、予め選定した振動数及び振幅で振動させる振動発生装置を有する。

第１６の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１４の発明に加えて、音波発生装置は、円筒状部材の底部に設置した音波発生器を有し、音波発生器は、円筒状部材の上方に配置される計測対象物に音波を照射する。

第１７の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１４の発明に加えて、音波発生装置は、円錐状部材の底部に設置した音波発生器、円形凹面レンズ、音響レンズ及び複数の音源を用いた電子フォーカスの少なくとも一つを有し、音波発生装置は、収束させた音波を計測対象物に照射する。

第１８の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１１から第１３のいずれかの発明に加えて、振動付与手段は、計測対象物に接触する端部を備えた振動子を有し、振動子は、計測対象物との接触点において、予め選定した振動数及び振幅で振動を付与する。

第１９の発明に係る静電気帯電計測装置は、第１７又は第１８の発明に加えて、振動付与手段は、計測対象物に対してスキャンさせるｘ−ｙステージを有し、演算手段は、ｘ−ｙステージにおけるスキャン位置に対応して電磁波を計測することにより、計測対象物における静電気帯電分布を計測する。

本発明の静電気帯電計測方法は、計測対象物に振動を与え、その計測対象物の静電気帯電の振動に伴い発生する電磁波（電波や電磁界）の強度を計測することにより、計測対象物の静電気帯電状態を計測できる。この結果、計測対象物の周辺にアースされた部分や電位の高い箇所があっても、これらを振動から分離すれば、これらの影響を受けることなく非接触での計測が行える。すなわち、計測対象物の静電気帯電状態に影響を与えることもなく、静電気帯電計測方法は、正確に静電気帯電状態を計測できる。加えて、電磁波を検出するアンテナは、検出可能な領域内で自由に設置できるので、静電気帯電計測方法は、計測対象物の周辺に空間的な制約があっても、空間的制約に縛られずに、静電気帯電を計測できる。

その際、計測対象物の振幅を計測すれば、電磁波の強度との関係から静電気帯電量を計測することができ、また、電磁波の位相から、静電気帯電状態が負帯電か正帯電かを判別することができる。

さらに、計測対象物に対し局所的な振動を与え、振動箇所をスキャニングすることにより、本発明の静電気帯電計測方法は、振動を与えた位置とそのときの電磁波強度と関係から、計測対象物表面の静電気帯電分布を計測できる。

表面電位計による計測の空間制約を示す図。 表面電位計による計測の環境による影響を示す図。 本発明の基本原理を示す図。 本発明の設置自由度を示す図。 本発明の一実施例を示す図。 この実施例の電磁波強度の計測結果を示す図。 照射する音波の周波数を変更した場合の電磁波強度の計測結果を示す図。 本発明の他の実施例を示す図。 この実施例において、負帯電させたときと、正負帯電させたときの電磁波強度の計測結果を示す図。 この実施例において、負帯電させたときと、正負帯電させたときの計測した電磁波の位相を示す図。 本発明のさらに他の実施例を示す図。 この実施例において、計測した電磁波強度と計測対象物に与えた振幅との関係を示す図。 本発明のさらに他の実施例を示す図。 本発明の静電気帯電計測方法による電荷分布の計測結果を示す図。 本発明の静電気帯電計測方法による電荷分布の計測結果を検証するための表面電位計による計測結果を示す図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

最初に、本発明の静電気帯電計測方法の基本原理を説明する。図１は、表面電位計による計測の空間制約を示す図である。図２は、表面電位計による計測の環境による影響を示す図である。図３は、本発明の基本原理を示す図である。図４は、本発明の設置自由度を示す図である。

なお、本発明の静電気帯電計測方法は、計測対象物に予め選定した振動数、振幅の振動を与える付与工程と、計測対象物の振動に伴って発生する電磁波の強度を計測する強度計測工程と、計測工程で計測された電磁波の強度に基づいて、計測対象物の静電気帯電状態を計測する状態計測工程と、を備える。この構成によって、付与工程によって計測対象物に与えられた振動に基づく電磁波の強度が、強度計測工程で計測される。計測された電磁波の強度は、計測対象物の静電気帯電の帯電量を始めとする静電気帯電状態を示しており、状態計測工程が、この静電気帯電状態を計測する。この結果、計測対象物の静電気帯電量（静電気帯電の極性なども）が、本発明の静電気計測方法で計測される。

同様に、本発明の静電気帯電計測方法が具現化される静電気帯電計測装置は、計測対象物に所定の振幅、周波数の振動を与える振動付与手段と、計測対象物の振動に伴って発生する電磁波を受信する受信手段と、受信手段で受信した電磁波の強度に基づいて、計測対象物に帯電した静電気帯電量を演算する演算手段と、を備える

振動付与手段は、計測対象物に、種々の手段で振動を与える。振動するは予め計測対象物の特性などに応じて決定されている。計測対象物は、付与された振動によって、仮想的な電磁波を発生する。この仮想的な電磁波は、計測対象物が備える帯電電荷の上下移動による電磁波である。受信手段は、この計測対象物が発生させる電磁波を受信する。受信手段は、受信した電磁波を、演算手段に出力する。演算手段は、得られた電磁波に基づいて、計測対象物に帯電した静電気帯電量を演算する。静電気帯電量のみならず、静電気帯電の極性などの状態も演算する。

静電気帯電計測装置は、振動と受信とを離隔した状態で行えるので、受信手段および演算手段は、計測対象物と離隔することができる。このため、製造ラインを流れる計測対象物に、受信手段や演算手段は接する必要がないので、空間制約がある場合でも、静電気帯電計測装置は、計測対象物の静電気帯電状態を計測できる。また、振動付与手段は、計測対象物を直接的もしくは間接的に振動させればよいので、振動付与手段も、空間制約にかかわらず計測対象物を振動させることができる。この点でも、静電気帯電計測装置は、製造現場に容易に設置が可能となる。

ここでは、計測対象物の表面に正の電荷が帯電している場合を例として説明する。図３の（１）に示すように、表面が正に帯電している計測対象物に対し、図３（２）に示すように、その表面に音波が照射される。あるいは、計測対象物を支持する台に振動が加えられる。これらにより、計測対象物の振動（計測対象物全体の振動だけでなく、計測対象物に音波が付与された領域の振動）に伴い、図３（３）に示されるように正の電荷が振動する。更に、図３（４）に示されるように、計測対象物に加えた振動数と同じ周波数の電磁波が発生する。

なお、このように計測対象物を振動させる場合、計測対象物に音波を照射する場合でも、支持する台に振動を加える場合でも、振動により静電気の帯電状態が変化しないようにする必要がある。

このように、実施の形態の静電気帯電計測方法は、計測対象物を台ごと振動させたり、あるいは計測対象物に音波を照射して、振動させたりするだけで、電磁波を発生させることができる。また、この振動数と同じ周波数の電磁波に基づいて、静電気帯電計測方法は、計測対象物の静電気帯電量を正確に検出することができる。

計測対象物を台ごと振動させるには、図４（１）のように、搬送ラインの一部に計測対象物を振動させる振動発生装置を設置すればよい。あるいは、計測対象物に音波を照射して振動させるには、図４（２）のように、空間的な制約を避けた箇所にスピーカ等の音波発生装置が配置されて音波が照射されればよい。このとき、空間的制約を避けた適所に配置されたアンテナにより、電磁波が計測されることで、計測対象物の静電気帯電量を正確に計測できる。

（静電気帯電計測方法の実施例）
次に具体的な実施例を、図面に基づいて説明する。図５は、本発明の一実施例を示す図である。

図５に示されるように、音波発生器としてのスピーカ１の振動面に、直径６０ｍｍ、高さ１ｍ、厚さ５ｍｍのアクリル筒２を載置する。アクリル筒２の上面開口に、計測対象物としてポリイミドフィルム３を取り付け、ファンクションジェネレータ４を介して、アクリル筒２の下面開口に取り付けたスピーカ１が駆動される。この駆動により、計測対象物であるポリイミドフィルム３に、２〜１０Ｈｚの周波数の音波が照射される。モノポールアンテナ５、プリアンプ６を介して、オシロスコープ７により、電磁波強度の時間依存性が計測された。時間依存性により、計測対象物であるポリイミドフィルム３の静電気帯電量が計測される。

なお、この実施例では、スピーカ１の音圧を拡散させないために、アクリル筒２が使用されている。スピーカ１から発生される２〜１０Hzの音波がアクリル筒内に照射されることで、ポリイミドフィルム３を１〜３mm程度の振幅で振動させるスピーカ１とアクリル筒２とで、音波照射装置が構成される。

図６に、スピーカ１により、２Hzの音波をアクリル筒内に照射して、ポリイミドフィルム３を帯電させてない場合と帯電させた場合の計測結果を示す。図６は、この実施例の電磁波強度の計測結果を示す図である。

この計測結果からわかるように、帯電がない場合は、２Hzの音波照射にもかかわらず、電磁波強度に変化がないのに対し、帯電がある場合は、音波の周波数と同調して、電磁波強度に±２０ｄＢ程度の大きな変化が観測された。

図７は、照射する音波の周波数を変更した場合の電磁波強度の計測結果を示す図である。図７は、スピーカ１による照射音波の振動数を２Ｈｚから１０Ｈｚに順次変化させた場合の計測結果を示している（ただし、帯電量は、図６の場合とは異なる）。図７から、スピーカ１による照射音波の振動数に追従して電磁波強度が変化していることが分かる。なお、スピーカ１による照射音波の振動数は、計測対象物の振幅にも影響を与え、計測対象物の振幅は発生される電磁波強度に大きな影響を与えるので、計測対象物の材質や形状、厚さに応じて最適な振動数が選択される必要がある。

モノポールアンテナ５の感度特性やオシロスコープ７の検出精度にも依存するが、この実施例で用いたポリイミドフィルム３の場合には、スピーカ１による照射音波の振動数は、数１０Ｈｚ〜数１００Hzであることが好ましい。実際の実験でも、静電気帯電量が、高い精度で検出できた。この実施例では、アクリル筒２に、直接的にポリイミドフィルム３が取り付けられているが、絶縁されたフレームでポリイミドフィルム３の周囲が保持され、アクリル筒２の開口から若干の空隙を介して、ポリイミドフィルム３が配置されるようにしてもよい。

ここで、計測対象物の振幅と、帯電した計測対象物により発生する電磁波強度とは比例関係にあり、計測対象物の振幅が大きくなる音波の周波数を加えることによって電磁波の検出感度がよくなる。一般的には、ポリイミドフィルムのように、計測対象物全体を振動させることで対象物全体の静電気帯電を計測する場合には、１μm以上の振幅が得られやすい数Hz〜数kＨｚの低周波、もしくはこの周波数を含んだ音波（超音波との合成波等）が用いられることが有効である。いずれにしても、１μm以上の振幅が得られればよいので、計測対象物によっては、絶縁性の支持台に載置された計測対象物の上方にスピーカ１を配置し、このスピーカ１から出力される音波を計測対象物に照射するようにしてもよい。さらに、計測対象物がフィルム上のものであれば、その周囲を絶縁体からなる枠体で支持し、その表面にスピーカからの音波を照射すれば、きわめて低音圧の音波により計測対象物を効率よく振動させることができる。

一方、計測対象物が硬い材料でしかも拘束されているような場合には、部分的に音波を照射しても振動が期待できない。このような場合には、計測対象物を拘束する支持台自体に振動が与えられることが好適である。あるいは、比較的振幅が得られやすい数十kＨｚ〜数十MHzの周波数の表面弾性波（表面を伝わる波）を、計測対象物に発生させることで、静電気帯電が計測できるようになる。

このように、計測対象物の振幅とスピーカ１による照射音波の振動数との関係は、計測対象物の特性に応じて変化するため、照射音波の振動数と音圧を変化させ、正確な帯電状態の検出が得られるようこれらを最適値に調整すればよい。この際、オシロスコープ７のような計測装置の検出値等に基づいて、振幅の高い振動数を自動的に検出して、最適な振幅が得られる音圧がフィードバックされると好適である。

次に、図８（１）に示されるように、計測対象物として銅板８が配置される場合について説明する。ポリイミドフィルム３の場合と同様に、電気的に絶縁された状態で、高電圧電源９からのコロナ放電により銅版８が均一に帯電される。その後、図８（２）に示されるように、ファンクションジェネレータ４を介して、ポリイミドフィルム３と同様に、スピーカ１が、銅板８に振動を与える。振動が与えられた銅板８の静電気帯電量が、表面電位計１２で計測された。

高Ｓ／Ｎ比で、信号線分のスペクトルを検出するロックインアンプ１０には、ファンクションジェネレータ４の信号と、アンテナ５が接続されている。ロックインアンプ１０は、銅板８を振動させたときに、アンテナ５が検出した電磁波強度と位相を計測し、その計測データをコンピュータＰＣ１１に取り込む。

一方、銅板８の電位は、表面電位計１２により計測され、本発明で計測された電磁波強度と表面電位計１２で計測された銅板８の電位の関係を図９に示す。なお、図９（１）は、銅板８を負帯電させた場合、図９（２）は、銅板８を正帯電させた場合を示す。

一般的に、Ｑ：電荷量、Ｃ：容量、Ｖ：電圧としたとき、Ｑ＝ＣＶの関係にあることが知られている。表面電位計で計測された電位は銅板８の静電気帯電量と比例しているので、静電気帯電量と電位は等価である。図９の結果は、本発明で計測された電磁波強度と表面電位計で計測された電位が比例していることを示している。これは、本発明の静電気帯電計測方法により電磁波強度を計測することで、表面電位を推測することが可能であることを示している。さらに、電磁波と静電気帯電量の関係が判明していることで、静電気帯電計測方法が、静電気帯電量Ｑを計測できることを示している。

しかし、本発明の方法で計測対象物から発生した電磁波強度を計測したとしても、その帯電電荷が正なのか負のかは不明である。そこで正負を判別するため、図１０に、アンテナ５により検出した電磁波の位相角度（Ｐｈａｓｅ）と銅板の電位の関係を示す。ここではファンクションジェネレータ４の信号が、対比信号（リファレンス）として用いられている。

この結果から分かるように、実施例の負帯電の場合には、電磁波強度を示す信号の位相角度（Ｐｈａｓｅ）は、マイナス（ほぼ−１００°）となる。一方、正帯電している場合には、電磁波強度を示す信号の移送は、プラス（ほぼ＋５０°）となる。このように、帯電の極性によって位相が異なることを利用することで帯電の正負を確実に判別することができる。

次に、図１１に示されるように、上記の銅板８の電磁波強度計測に際し、レーザー変位計１３を使用して、銅板８の振幅が計測される。計測された振幅の量がコンピュータＰＣ１１に取り込まれて、計測された電磁波強度と振幅との関係が測定される。図１２は、計測された電磁波強度と振幅との関係を示す。

図１２において、横軸は、レーザー変位計１３で計測した各周波数で規格化した振幅、縦軸は各周波数で規格化した電磁波強度を示し、振幅と電磁波強度が比例関係にあることが確認できる。このことから、どの周波数であっても振幅を大きくすれば電磁波強度を大きくすることができるため、感度が良くなる。

なお、実施例における電磁波強度の計測では、計測対象物の振幅に比例することから、図１１では、レーザー変位計１３を使用して、計測対象物である銅板８の振幅を実際に計測している。しかしながら、同一の計測対象物の静電気帯電状態を繰り返し計測する場合は、ファンクションジェネレータ４によるスピーカ１への出力と、計測対象物の振幅との関係を予め計測してマップを求めておけば、レーザー変位計１３は必ずしも必要ではない。

図１３に示す例は、合成樹脂製のフィルムに帯電した静電気帯電量分布を計測するためのものである。この場合、計測対象物としてポリプロピレンフィルム１４を使用し、図示しない絶縁体で周囲を保持している。そして、円筒状のアクリル筒２に換え、先細の円錐状のアクリル筒１５が使用されている。アクリル筒１５の底部に設置されたスピーカ１から発生される音波を、先細の頂部によりポリプロピレンフィルム１４の裏面に点状に収束させる。それと同時に、ｘ−ｙステージ１６をコンピュータＰＣ１１により制御して、照射位置をｘ方向、ｙ方向にスキャンさせ、そのスキャン位置の座標（ｘ、ｙ）に対応させて、アンテナ５が受信する電磁波強度がロックインアンプ１０により計測された。その計測結果を図１４（１）、（２）に示す。

なお、図１４（１）は、前述のように、電磁波強度の計測結果の位相θを考慮して、負帯電、正帯電を識別して演算した結果を示したものであり、図中「−０．０００７４７７〜０．０００６４３４」は最小値と最大値を示している。

一方、図１４（２）は、位相を無視して、電磁波強度の計測結果をそのまま表したものであり、図中「２．６４Ｅ−５〜０．０００７４７７」は、その際の最小値と最大値を示している。

比較のため、表面電位計を使用して計測したポリプロピレンのフィルム１４の表面電位分布を図１５（１）、（２）に示す。なお、表面電位計としては、静電誘導を利用したタイプのものが使用された。図１５は、上記と同じようにｘ−ｙステージを用いてスキャン位置の座標（ｘ、ｙ）に対応させて、表面電位を計測し、その計測結果を示している。

図１５（１）「−３５２．７〜４０６．９」は最小値が−３５２．７Ｖで最大値が４０６．９Ｖということを示している。また、図１５（２）は、負帯電、正帯電を識別せず、絶対値の最小値が０．８４５Ｖで最大値が４０６．９であることを表している。

ここで、図１５（１）、（２）はそれぞれ図１４（１）、（２）に対応した結果になっている。

これらの結果から分かるように、本発明の静電気帯電計測法による表面電位の計測結果が、表面電位計による計測結果とほぼ正確に対応していることが確認できた。

また、実施例では、円錐状のアクリル筒１５の先端と、ポリプロピレンフィルム１４の裏面との間に若干の間隙を形成させて、直接的に接触しないようにしているが、先細の円錐状のアクリル筒１５の先端をポリプロピレンフィルム１４の裏面に接触するようにしてもよい。ただし、その際は、先細の円錐状のアクリル筒１５の先端のｘ−ｙ方向の移動に伴い、接触部で静電気が発生させる恐れがあるので、接触する先端部を凹凸にして、ポリプロピレンフィルム１４との接触面積を小さくして静電気発生を抑制することが好ましい。

以上の実施例では、計測対象物に対し、円筒状のアクリル筒２や円錐状のアクリル筒１５を介して、音波の発散が防止されたり、点状に収束されたりしている。しかし、計測対象物によっては、このような円筒状のアクリル筒２や円錐状のアクリル筒１５筒が使用されずに、計測対象物から離隔した位置に設置された音波発生装置が、計測対象物に対し音波を直接照射して、振動を与えることもできる。

さらに、図１３の例では、音波を計測対象物の表面に点状に収束させる音波集束手段として円錐状のアクリル筒１５を使用したが、これに限らず、凹面により音波を集束させる円形凹面レンズ、シリコンゴム等、内部を伝搬する音速の小さな素材で凸型に形成された音響レンズ、あるいは、複数の音源に時間差を設けることにより音波を収束させる電子フォーカスなどのデバイスが、音波集束手段として使用されてもよい。

さらに、計測対象物の種類によっては、音波発生装置からの音波による計測対象物の加振に限らず、計測対象物を保持する保持台などに振動発生装置を配置して、計測対象物を直接振動させてもよい。あるいは、ｘ−ｙステージを用いてｘ−ｙ方向に移動し得る収束音波や接触子により、計測対象物に局所的に振動を与え、その静電気帯電量分布を計測するようにしてもよい。

なお、計測対象物に直接振動を与える場合には、計測対象物とこれを保持する保持台との摩擦などにより新たな静電気が発生しないように、計測対象物を真空吸着することも好適である。あるいは、計測対象物と接触子との接触により新たに静電気が発生しないように、接触部を凹凸にして点状接触させて接触面積をできるだけ低減し、振動に伴う静電気の発生を効果的に抑制することが好ましい。

以上において説明した静電気帯電計測方法は、静電気帯電計測装置として実現されてもよい。

このように、本発明の静電気帯電計測方法、静電気帯電計測装置は、計測対象物に、音波照射あるいは直接微小な振動を与えることにより、電磁波を発生させ、この電磁波をアンテナ等で検出することにより、計測対象物の静電気帯電状態を計測することができる。この結果、半導体製造工程等、設置箇所に厳しい制約がある場合でも、静電気帯電計測装置は、アンテナでの受信が可能な位置に、容易に設置することができる。特に、低コストに組み込むことができる。

しかも、非常にレスポンスのよい計測が可能なので、静電気帯電量が危険値を超えた場合、例えば、アースによる帯電発生抑制や、製造工程内の絶縁体に対し、表面導電化による電荷緩和促進を行うことができる。さらには、イオナイザや軟Ｘ線を用いた除電などが対策を講じることにより、静電破壊等による不良品の発生が効果的に防止される。この点では、歩留まりの向上を図ることができる。さらには、フィルムコーティングの工程においては、静電気帯電によるムラを発生させることが防止できる。この結果、品質の高いコーティングを生成することが可能になる。

１ スピーカ
２ アクリル筒
３ ポリイミドフィルム
４ ファンクションジェネレータ
５ モノポールアンテナ
６ プリアンプ
７ オシロスコープ
８ 銅板
９ 高電圧電源
１０ ロックインアンプ
１１ コンピュータ（ＰＣ）
１２ 表面電位計
１３ レーザー変位計
１４ ポリプロピレンフィルム
１５ 円錐状のアクリル筒
１６ ｘ−ｙステージ

Claims (19)

1. 計測対象物に予め選定した振動数、振幅の振動を与える付与工程と、
   前記計測対象物の振動に伴って発生する電磁波の強度を計測する強度計測工程と、
   前記計測対象物の振幅を計測する振幅計測工程と、
   前記強度計測工程で計測された電磁波の強度および前記振幅計測工程で計測された振幅に基づいて、前記計測対象物の静電気帯電量を計測する帯電量計測工程と、を備え、
   前記振動の周波数は、数Ｈｚ〜数ｋＨｚであり、
   前記計測対象物と、前記強度計測工程を実現して前記電磁波を受信する受信手段とは、空間的に離隔している、静電気帯電計測方法。
2. 前記計測対象物は、製造ラインを流れる、請求項1記載の静電気帯電計測方法。
3. 前記強度計測工程および前記振幅計測工程の少なくとも一方で計測された電磁波の位相に基づいて、前記計測対象物の静電気帯電状態が負帯電であるか、正帯電であるかを判別する判別工程をさらに備える、請求項１または２記載の静電気帯電計測方法。
4. 前記付与工程は、前記計測対象物に、予め選定した振動数及び音圧の音波を照射する、請求項１から３のいずれか記載の静電気帯電計測方法。
5. 前記付与工程は、前記計測対象物を支持する支持台を、予め選定した振動数及び振幅で振動させる、請求項１から３のいずれか記載の静電気帯電計測方法。
6. 前記付与工程は、円筒状部材の底部に設置されて音波を発生する音波発生器を有し、前記計測対象物を前記円筒部材の上方に配置する、請求項４記載の静電気帯電計測方法。
7. 前記付与工程は、音波集束手段により音波を収束させて、前記計測対象物に局所的な振動を加える、請求項４記載の静電気帯電計測方法。
8. 前記音波集束手段は、音波発生器から発生される音波を集束させる円錐状部材、円形凹面レンズ、音響レンズ及び複数の音源を用いた電子フォーカスの少なくとも一つを使用する、請求項７記載の静電気帯電計測方法。
9. 前記付与工程は、前記計測対象物に接触する端部を有する振動子を備え、前記振動子を前記計測対象物と接触させて、予め選定した振動数及び振幅で振動させる、請求項１から３のいずれか記載の静電気帯電計測方法。
10. 前記付与工程は、前記計測対象物に振動を与える位置をスキャンし、
    前記強度計測工程は、スキャンされる位置に対応して電磁波を計測することにより、前記計測対象物における静電気帯電分布を計測する、請求項７から９のいずれか記載の静電気帯電計測方法。
11. 計測対象物に所定の振幅、周波数の振動を与える振動付与手段と、
    前記計測対象物の振動に伴って発生する電磁波を受信して前記電磁波の強度を計測する受信手段と、
    前記計測対象物の振幅を計測する振幅計測手段と、
    前記受信手段で計測された電磁波の強度および前記振幅計測手段で計測された振幅に基づいて、前記計測対象物の静電気帯電量を演算する演算手段と、を備え、
    前記振動の周波数は、数Ｈｚ〜数ｋＨｚであり、
    前記計測対象物と、前記受信手段とは、空間的に離隔している、静電気帯電計測装置。
12. 前記計測対象物の振幅を計測するレーザー変位計を更に備える、請求項１１に記載の静電気帯電計測装置。
13. 前記演算手段は、前記受信手段が受信する電磁波の位相に基づいて、前記計測対象物の静電気帯電を、負帯電もしくは正帯電のいずれかで判別する判断手段をさらに備える、請求項１１または１２記載の静電気帯電計測装置。
14. 前記振動付与手段は、前記計測対象物に予め選定した振動数及び音圧の音波を照射する音波発生装置を有する、請求項１１から１３のいずれか記載の静電気帯電計測装置。
15. 前記振動付与手段は、前記計測対象物を支持する支持台を、予め選定した振動数及び振幅で振動させる振動発生装置を有する、請求項１１から１３のいずれか記載の静電気帯電計測装置。
16. 前記音波発生装置は、円筒状部材の底部に設置した音波発生器を有し、前記音波発生器は、前記円筒状部材の上方に配置される前記計測対象物に音波を照射する、請求項１４記載の静電気帯電計測装置。
17. 前記音波発生装置は、円錐状部材の底部に設置した音波発生器、円形凹面レンズ、音響レンズ及び複数の音源を用いた電子フォーカスの少なくとも一つを有し、前記音波発生装置は、収束させた音波を前記計測対象物に照射する、請求項１４記載の静電気帯電計測装置。
18. 前記振動付与手段は、前記計測対象物に接触する端部を備えた振動子を有し、前記振動子は、前記計測対象物との接触点において、予め選定した振動数及び振幅で振動を付与する、請求項１１から１３のいずれか記載の静電気帯電計測装置。
19. 前記振動付与手段は、前記計測対象物に対してスキャンさせるｘ−ｙステージを有し、前記演算手段は、前記ｘ−ｙステージにおけるスキャン位置に対応して電磁波を計測することにより、前記計測対象物における静電気帯電分布を計測する、請求項１７または１８記載の静電気帯電計測装置。