JP2020095937A - 静電気保護被膜、物品ハンドリング装置及び静電気保護部材 - Google Patents
静電気保護被膜、物品ハンドリング装置及び静電気保護部材 Download PDFInfo
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Abstract
Description
まず、本件発明に係る静電気保護被膜について説明する。本件発明に係る静電気保護被膜は、静電気放電から保護対象物を保護するために用いられる。本件発明において、静電気放電からの保護対象とする保護対象物は、主に、半導体、半導体集積回路等の電子部品、これらを用いて構成された各種電子機器等である。しかしながら、本件発明において、当該静電気保護被膜の保護対象物はこれらに限定されるものではない。例えば、人体等を静電気放電に伴う衝撃等から保護するために、当該静電気保護被膜を用いてもよい。
(1)炭素皮膜の物性
まず、当該炭素皮膜の物性について説明する。本件発明に係る静電気保護被膜は、以下の電気特性(表面抵抗、表面電荷の半減期等)を備えると共に、以下の機械特性(硬度、摩擦係数等)を有することが好ましい。
当該静電気保護被膜の抵抗値を体積固有抵抗値ではなく、表面抵抗値で規定したのは、次の理由による。まず、体積固有抵抗値に比べて、表面抵抗値は通常1桁以上小さい値を示す。また、静電気は物体の表面に帯電し、これが放電される際、電荷は主に物体の表面を流れる。そのため、当該静電気保護被膜の機能に鑑みて、ここでは抵抗値を表面抵抗値で規定した。なお、表面抵抗が3×104Ωより大きい場合、その材料の体積固有抵抗は概ね1×105Ωより大きくなる。
まず、半減期は次のものをいう。基材の表面に当該静電気保護被膜を設けた試験片を作製し、この試験片にコロナ放電場(10kV)で帯電させた後、帯電圧或いはサージ電圧(又はサージ電流)の最大値(ピーク値)が1/2に減衰するまでの時間を半減期という。
例えば、当該静電気保護被膜を電子機器等の製造工程におけるESD対策として用いる場合、タクトタイムに応じて適宜調整することが好ましい。半導体ハンドリング装置等の物品ハンドリング装置等についても同様である。タクトタイムとは、1日当たりの製造ラインの稼働時間を1日当たりの電子機器等の生産数量で除した値をいう。このタクトタイムに対して当該静電気保護被膜の表面電荷の半減期が長くなると、ある工程から次の工程までの間に表面に蓄積した電荷を十分に散逸させることができず、電子機器等の製造時に電子機器等に静電気の電荷が蓄積していく。そのため、静電気放電に伴う保護対象物の誤動作や損傷を十分に抑制することができない場合があるため好ましくない。当該観点から、表面電荷の半減期は50秒以下であることが好ましく、40秒以下であることがより好ましい。
当該炭素皮膜の絶縁耐圧特性は20kV/mm以上であることが好ましい。例えば、静電気放電が生じたときに、当該炭素皮膜の絶縁耐圧特性が20kV/mm以上であると、静電気放電が生じた際に、当該炭素皮膜からなる静電気保護被膜を保護対象物に設けることにより、当該炭素皮膜が薄くても保護対象物を静電気放電に伴う損傷や誤動作から保護することができる。
当該炭素皮膜の硬度が5Gpa以上であることが好ましい。硬度がこのように高い炭素皮膜を用いて静電気保護被膜を構成することにより、耐摩耗性が高く、他の物体と接触、摺動、剥離等したときに摩耗しにくく、摩耗粉を発生しにくくすることができる。そのため、例えば、半導体製造装置等のクリーンルーム内に設置され、他の物品と摺動する部位に設ける静電気保護被膜として好適である。
当該炭素皮膜の摩擦係数が0.5以下であることが好ましい。摩擦係数がこのように小さい炭素皮膜を用いて静電気保護被膜を構成することにより、他の物体と接触、摩擦、剥離等したときに静電気を発生しにくくすることができる。
当該炭素皮膜の表面抵抗と表面電荷の半減期が上記範囲内である限り、当該炭素皮膜における炭素原子の格子構造は特に限定されるものではない。また、当該炭素皮膜は、炭素をベースにする被膜であるが、炭素以外の元素を添加物として含んでいてもよい。表面抵抗と表面電荷の半減期が上記範囲内である炭素皮膜として、例えば、炭素原子の格子構造に、グラファイトに代表されるsp2構造の炭素とダイアモンドに代表されるsp3構造の炭素とを含む非晶質構造の炭素皮膜が挙げられる。当該静電気保護被膜は、この非晶質構造の炭素皮膜からなることが好ましい。特に、水素を含み、sp2構造の炭素とsp3構造の炭素とを含む非晶質構造の炭素皮膜であることが好ましい。以下、当該炭素皮膜の好ましい構成について説明する。
上記電気特性を発現させる上で、下記式(1)で表すsp3構造の炭素の含有割合が20(%)以上90(%)以下であることが好ましく、30(%)以上80(%)以下であることがより好ましく、35(%)以上75(%)以下であることがさらに好ましい。なお、上記電気特性とは、表面抵抗が3×104Ωより大きく1×1012Ω以下であり、且つ、表面電荷の半減期が10ナノ秒以上60秒以下であることを指す。
但し、
上記式(1)においてsp3及びsp2は、X線光電子分光法(XPS法)により当該炭素皮膜表面の元素分析を行ったときの、sp3構造の炭素原子数及びsp2構造の炭素原子数に相当する。
当該炭素皮膜は、水素を0atm%以上50atm%以下含むことが好ましい。バンドギャップ間の電荷伝導挙動は、バンドギャップ内に生じた局在準位(不純物準位)における電子のホッピング現象によって決まる。局在準位は、炭素のダングリングボンド或いは添加元素(水素等)等の不純物の存在によって生じる。従って、当該炭素皮膜の電気特性は、上記sp2構造の炭素含有量とsp3構造の炭素含有量との含有割合だけでなく、当該炭素皮膜における水素含有量等の炭素以外の元素の含有量によっても変化する。水素は炭素のダングリングボンドと結合する。そのため、水素含有量を上記範囲内で調整することにより、バンドギャップ内の局在準位を変化させ、当該炭素皮膜の電気特性を上述の範囲内で調整することができる。
当該炭素皮膜は、水素に加えて、N、F、Al、Si、Cr、Ag、Ti、Cu、Ni、W、Ta、Mo、Zr、B、Fe、Pt、P、S、I、Mg、Zn及びGeからなる群から選択される一以上の元素を添加元素として含むことが好ましい。
当該炭素皮膜の膜厚は1nm以上10μm以下であることが好ましい。上記電気特性及び機械特性を有すれば、当該炭素皮膜の膜厚が薄くとも、静電気の発生を抑制すると共に、静電気放電時に電荷を緩やかに散逸させて、静電気放電に伴う電気機器等の損傷や誤動作を抑制することができる。当該炭素皮膜の膜厚は用途に応じて適宜調整することができる。例えば、静電気対策だけではなく、耐摩耗性等が要求される用途については、当該炭素皮膜の膜厚が厚い方が好ましい。また、より高い絶縁耐圧が要求される場合にも膜厚が厚い方が好ましい。絶縁耐圧特性(kV/mm)が同じ場合、膜厚が厚い方が使用時における絶縁耐圧(kV)が高くなるためである。従って、耐摩耗性や高い絶縁耐圧等が要求される用途については、当該炭素皮膜の膜厚は10nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましい。一方、電気特性、機械特性、膜厚等の均一な炭素皮膜を得る上での生産効率やコスト的な観点から、当該炭素皮膜の膜厚は5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましい。但し、上記耐摩耗性等が要求される用途等において、コスト的な制限がなければ当該炭素皮膜の膜厚は特に限定されるものではない。
上記電気特性等を有する炭素皮膜を成膜する方法は、上記電気特性等を有する炭素皮膜が得られる限り、特に限定されるものではないが、例えば、次に説明する方法で成膜することが好ましい。
水素を含む炭素皮膜は、CVD法(化学気相堆積法)、PVD法(物理気相堆積法)により成膜することができる。当該炭素皮膜を成膜する際に、炭化水素ガスをチャンバー内に導入することで、水素を含む炭素皮膜を成膜することができる。炭化水素ガスとして、鎖状型炭化水素であるメタン、プロパン、エチレン、アセチレン、芳香型炭化水素であるベンゼン、トルエン、スチレン等を用いることができる。特に、メタン、アセチレン等を用いることが好ましい。また、黒鉛等からなる炭素固体ターゲットを用いる場合は、チャンバー内に水素ガスを導入すればよい。
水素を含まない炭素皮膜は、炭素固体ターゲットを用いたPVD法により成膜される。具体的には、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ホロカソード法、カソードアーク法、レーザーアブレーション法等により、イオン化されたアルゴン原子を炭素固体ターゲットに衝突させて炭素イオンをたたき出し(スパッタ)、或いはアーク放電、レーザー照射により炭素を昇華、イオン化し、負に印加された基材上に成膜する。水素を添加したい場合は上記のように黒鉛等の炭素固体ターゲットを用い、真空容器内に水素を導入して水素プラズマを発生させ、カーボンイオン及び水素イオンを共に基材の表面に堆積させることにより基材上に水素を含む炭素皮膜を成膜することができる。
水素以外の添加元素を含有する炭素皮膜を成膜するには、上記各種CVD法、PVD法のいずれの方法も採用することができる。真空容器内に、N、F、Al、Si、Cr、Ag、Ti、Cu、Ni、W、Ta、Mo、Zr、B、Fe、Pt、P、S、I、Mg、Zn及びGeからなる群から選択される一以上の元素を含むガス、或いはターゲット材を用いることにより、これらの添加元素を含む、炭素皮膜或いは炭化水素皮膜を得ることができる。
次に、本件発明に係る静電気保護部材の実施の形態を説明する。本件発明に係る静電気保護部材は、本件発明に係る上記静電気保護被膜を備え、物品の表面に設けられる。当該静電気保護部材が設けられる物品は、上記した保護対象物であってもよいし、当該保護対象物の製造時、搬送時、或いは、使用時等に、当該保護対象物と接触、摩擦、剥離等する他の物品であってもよい。静電気保護膜は、上述のとおりであるため、ここでは説明を省略する。また、以下においても、当該静電気保護部材が設けられる物品(保護対象物又は他の物品)を基材と称する。当該基材について以下で述べない事項は上述したとおりである。
次に、本件発明に係る物品ハンドリング装置の実施の形態を説明する。本件発明に係る物品ハンドリング装置は、物品を治具で保持し、当該物品を所定の位置に保持又は搬送する物品ハンドリング装置であって、前記治具の物品との接触面に、本件発明に係る上記静電気保護被膜が設けられたことを特徴とする。物品ハンドリング装置により保持又は搬送される物品は、上記した保護対象物に相当する。静電気保護被膜は、上述のとおりであるため、ここでは説明を省略する。
実施例1では、水素とフッ素を含む炭素皮膜からなる静電気保護被膜をプラズマCVD法によりアルミナ製基材上に成膜した。具体的な手順は次のとおりである。まず、50mm×50mmの厚みが5mmの研磨されたアルミナ製基材(絶縁体)を用意し、アセトンとエタノールを用いてそれぞれ5分間超音波洗浄を行い、表面の脱脂及び洗浄を行った。このアルミナ製基材を高周波プラズマ蒸着装置のチャンバー内の所定の位置にセットした。そして、ターボモレキュラー真空ポンプでチャンバー内が4×10−4paに到達するまで真空引きした。次いで、アルゴンガスをチャンバー内に60sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)導入し、高周波電圧を印加し、900W、20分間の条件でアルゴンボンバードを行い、アルミナ製基材の表面をドライ洗浄した。アルゴンボンバード後、チャンバー内にアセチレンを10sccm及びCF4を3sccm導入し、高周波電圧を印加し、500W、30分間の条件でアルミナ製基材上に水素とフッ素を含み、膜厚が約120nmの炭素皮膜を成膜した。成膜中の基材温度は50℃であった。
XPS法(X−ray Photoelectron Spectroscopy, EOL JPS−9010TR)により、真空度 10−6Pa中、0.1eVの分解能でC1sのピーク付近(282〜289 eV)をナロースキャンし、sp3構造の炭素含有割合(sp3/(sp3+sp2))を測定した。その結果、当該炭素皮膜のsp3構造の炭素含有割合は約70%だった。また、ラマン分光法(Reinshaw inVia Reflex)によりレーザー波長532nmで、当該炭素皮膜におけるsp2構造の炭素を示すGバンド(Ig)と、格子欠陥等に由来するDバンド(Id)の比(Id/Ig)比を測定した。当該炭素皮膜におけるsp2構造の炭素を示すGバンド(Ig)と、格子欠陥等に由来するDバンド(Id)の比(Id/Ig)比は約1であった。
ERDA(Elastic Recoil Detection Analysis:弾性反跳粒子検出SSDH−2(加速器),RBS−400(測定器))により測定したところ、水素含有量は24atm%であった。また、EPMA (Electron Probe Micro Analyzer 波長分散型X線分析JXA−8100)により測定したところ、フッ素含有量は5atm%であった。
i)電気特性
当該炭素皮膜の表面抵抗をJISK6911−1995に準拠して、JIS C 1302に準拠する絶縁抵抗計(Agilent Technologies社製の絶縁抵抗計4339B)を用いて測定したところ約1011Ωであった。
当該炭素皮膜の硬度をナノインデンター(Swiss CSM Instruments)により測定したところ、約25Gpaであった。
実施例2では、実施例1と同じアルミナ製基材を用い、プラズマCVD法により、当該アルミナ製基材上に密着層を成膜した後、水素を含む炭素皮膜からなる静電気保護被膜を成膜した。具体的な手順は次のとおりである。
実施例1と同様にして、XPS法により、当該炭素皮膜の炭素含有割合(sp3/(sp3+sp2))を測定したところ、当該炭素皮膜のsp3構造の炭素含有割合は約50%だった。また、実施例1と同様にして、ラマン分光法により、当該炭素皮膜におけるsp2構造の炭素を示すGバンド(Ig)と、格子欠陥等に由来するDバンド(Id)の比(Id/Ig)比は約1.4であった。
実施例1と同様にして測定したところ、水素含有量は29atm%であった。
i)電気特性
実施例1と同様にして当該炭素皮膜の表面抵抗を測定したところ、当該炭素皮膜の表面抵抗は約108Ωであった。また、実施例1と同様にして、当該炭素皮膜の表面電荷の半減期を測定したところ、1.5秒であった(図1参照)。さらに、実施例1と同様にアルミニウム製基材上に当該炭素皮膜を成膜して、絶縁耐圧を測定したところ、当該炭素皮膜の絶縁耐圧特性は33kV/mmであった。
実施例1と同様に当該炭素皮膜の硬度を測定したところ、当該炭素皮膜の硬度は約19Gpaであった。また、実施例1と同様に当該炭素皮膜の摩擦係数を測定したところ、当該炭素皮膜の摩擦係数は0.16であった。
実施例3では、実施例1と同じアルミナ製基材を用い、当該アルミナ製基材上に、イオンビーム法により、水素と、アルミニウムとを含む炭素皮膜からなる静電気保護被膜を成膜した。具体的な手順は次のとおりである。
実施例1と同様にして、XPS法により、当該炭素皮膜の炭素含有割合(sp3/(sp3+sp2))を測定したところ、当該炭素皮膜のsp3構造の炭素含有割合は約40%だった。また、実施例1と同様にして、ラマン分光法により、当該炭素皮膜におけるsp2構造の炭素を示すGバンド(Ig)と、格子欠陥等に由来するDバンド(Id)の比(Id/Ig)比は約2であった。
実施例1と同様にして測定したところ、水素含有量は32atm%であった。また、アルミニウム含有量は7atm%であった。
i)電気特性
実施例1と同様にして当該炭素皮膜の表面抵抗を測定したところ、当該炭素皮膜の表面抵抗は約107Ωであった。また、実施例1と同様にして、当該炭素皮膜の表面電荷の半減期を測定したところ、0.2秒であった(図1参照)。さらに、実施例1と同様にアルミニウム製基材上に当該炭素皮膜を成膜して、絶縁耐圧を測定したところ、当該炭素皮膜の絶縁耐圧特性は25kV/mmであった。
実施例1と同様に当該炭素皮膜の硬度を測定したところ、当該炭素皮膜の硬度は約15Gpaであった。また、実施例1と同様に当該炭素皮膜の摩擦係数を測定したところ、当該炭素皮膜の摩擦係数は0.12であった。
実施例4では、SUS304製基材(50mm×50mm×5mm)上にプラズマCVD法により、水素を含む炭素皮膜からなる静電気保護被膜を成膜した。具体的な手順は次のとおりである。
実施例1と同様にして、XPS法により、当該炭素皮膜の炭素含有割合(sp3/(sp3+sp2))を測定したところ、当該炭素皮膜のsp3構造の炭素含有割合は約45%だった。また、実施例1と同様にして、ラマン分光法により、当該炭素皮膜におけるsp2構造の炭素を示すGバンド(Ig)と、格子欠陥等に由来するDバンド(Id)の比(Id/Ig)比は約1.7であった。
実施例1と同様にして測定したところ、水素含有量は28atm%であった。
i)電気特性
実施例1と同様にして当該炭素皮膜の表面抵抗を測定したところ、当該炭素皮膜の表面抵抗は約108Ωであった。導電体製の基材表面に設けた当該炭素皮膜の半減期は短いため、実施例1〜実施例3と同じ方法で半減期を測定することは困難である。そのため、実施例4では、コロナ放電ガン(10kV)を試験片に対して炭素皮膜側から放射し、空中放電させた後、基材からアースに流れる電圧を高速オシロスコープで測定した(図2(b)参照)。その結果、当該炭素皮膜の半減期は、10ナノ秒であった。また、このときのサージ電圧(ピーク値)は約400Vであった。さらに、SUS304製基板を用いたことを除いては、実施例1と同様にして絶縁耐圧を測定したところ、当該炭素皮膜の絶縁耐圧特性は31kV/mmであった。
実施例1と同様に当該炭素皮膜の硬度を測定したところ、当該炭素皮膜の硬度は約17Gpaであった。また、実施例1と同様に当該炭素皮膜の摩擦係数を測定したところ、当該炭素皮膜の摩擦係数は0.15であった。
上記実施例3と同様にして、添加元素をAlではなく、Si、N、Ag、Ti、Cu、Ni、W、Ta、Mo、Zr、B、Fe、Ptに代えたことを除いては、実施例3と同様にして各添加元素を含む炭素皮膜を絶縁性基材(アルミナ製基材)上に成膜した。各炭素皮膜の物性を表1〜表3に示す。なお、表1〜表3において、耐圧(kV/mm)は絶縁耐圧特性を表し、抵抗は表面抵抗を表す。
当該静電気保護被膜を絶縁体からなる基材表面に設けたことによる効果を検証するため、比較例1として、アルミナ製基材自体の表面抵抗及び表面電荷の半減期を測定した。アルミナ製基材は実施例1等で用いたアルミナ製基材と同じものとした。
当該静電気保護被膜を導電体からなる基材表面に設けたことによる効果を検証するため、比較例2として、SUS304製基材自体の表面抵抗及び表面電荷の半減期を測定した。SUS304製基材は実施例4で用いたSUS304製基材と同じものとした。
当該静電気保護被膜を導電体からなる基材表面に設けたことによる効果を検証するため、比較例3として導電体からなる基材表面に、本件発明に係る静電気保護被膜に代えて、グラファイト被膜を設け、表面抵抗及び表面電荷の半減期を測定した。ここで、SUS304製基材は実施例4及び比較例2で用いたSUS304製基材と同じものとした。また、グラファイト被膜は、表面抵抗が3×103Ω、体積固有抵抗が1×105Ω・cmであり、sp3/(sp3+sp2)が20%以下のものを用いた。
Claims (19)
- 基材の表面に設けられ、静電気放電から保護対象物を保護するための静電気保護被膜であって、
表面抵抗が3×104Ωより大きく1×1012Ω以下であり、且つ、表面電荷の半減期が10ナノ秒以上60秒以下の炭素皮膜からなることを特徴とする静電気保護被膜。 - 前記炭素皮膜は水素を含み、sp2構造の炭素とsp3構造の炭素とを含む非晶質構造を有する硬質炭素皮膜である請求項1に記載の静電気保護被膜。
- 前記炭素皮膜は、添加元素として、N、F、Al、Si、Cr、Ag、Ti、Cu、Ni、W、Ta、Mo、Zr、B、Fe、Pt、P、S、I、Mg、Zn及びGeからなる群から選択される一以上の元素を含む請求項1又は請求項2に記載の静電気保護被膜。
- 前記炭素皮膜の絶縁耐圧特性が20kV/mm以上である請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記炭素皮膜の硬度が5Gpa以上である請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記炭素皮膜の摩擦係数が0.5以下である請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記炭素皮膜の膜厚が1nm以上10μm以下である請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記基材は、静電気放電から保護するための保護対象物と近接又は接触する他の物品である請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記基材は、静電気放電から保護するための保護対象物である請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記基材は、絶縁体材料からなる請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の静電気保護被膜。
- 前記基材はセラミックス、樹脂又はゴムである請求項10に記載の静電気保護被膜。
- 物品を治具で保持し、当該物品を所定の位置に保持又は搬送する物品ハンドリング装置であって、
前記治具の前記物品との接触面に、表面抵抗が3×104Ωより大きく1×1012Ω以下であり、且つ、表面電荷の半減期が10ナノ秒以上60秒以下の炭素皮膜からなる静電気保護被膜が設けられたことを特徴とする物品ハンドリング装置。 - 前記接触面と前記静電気保護被膜との間に密着層が設けられる請求項12に記載の物品ハンドリング装置。
- 前記治具の前記物品との接触面は絶縁体材料からなり、当該絶縁体材料上に前記静電気保護被膜が設けられる請求項12又は請求項13に記載の物品ハンドリング装置。
- 前記絶縁体材料は、セラミックス、樹脂又はゴムである請求項14に記載の物品ハンドリング装置。
- 前記物品は半導体製品である請求項12〜請求項15のいずれか一項に記載の物品ハンドリング装置。
- 物品の表面に設けられる静電気保護部材であって、
請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の静電気保護被膜を備えることを特徴とする静電気保護部材。 - 前記静電気保護被膜を前記物品の表面に密着するための密着層を備える請求項17に記載の静電気保護部材。
- 前記物品は半導体を保持又は搬送するための治具であり、前記物品の表面はセラミックス、樹脂又はゴムからなる請求項17又は請求項18に記載の静電気保護部材。
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