(57)【要約】【課題】電極の間隔の調整が不要であり、オゾンの生成コストが上昇することのない放電素子の製造方法、および放電素子を提供する。【解決手段】放電素子１は、放電ギャップ１２を介して対向する一対の放電用電極３Ａ，３Ｂと、一対の放電用電極３Ａ，３Ｂを支持する絶縁基板２と、を備える。放電素子１の製造方法は、電極用板体５１に放電ギャップとして用いる貫通孔１２を形成して、一対の放電用電極を互いに一部が接続された状態にするギャップ形成工程と、貫通孔１２を設けた電極用板体５１の一方の面を絶縁基板２に接合する接合工程と、絶縁基板２に接合した電極用板体５１を分割して、一対の放電用電極３Ａ，３Ｂが分離した状態の放電素子１を生成するダイシング工程と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ギャップを介して対向する一対の放電用電極と、
前記一対の放電用電極を支持する絶縁基板と、
を備える放電素子の製造方法であって、
電極用板体に前記放電ギャップとして用いる貫通孔を形成して、前記一対の放電用電極を互いに一部が接続された状態にするギャップ形成工程と、
前記貫通孔を設けた電極用板体の一方の面を絶縁基板に接合する接合工程と、
前記絶縁基板に接合した電極用板体を分割して、前記一対の放電用電極が分離した状態の放電素子を生成するダイシング工程と、
を備えた、放電素子の製造方法。
【請求項２】
前記ギャップ形成工程の前に、
電極用板体の一方の面にキャビティを設けるキャビティ形成工程を備えた、請求項１に記載の放電素子の製造方法。
【請求項３】
前記ギャップ形成工程と前記接合工程との間に、
前記電極用板体を熱酸化膜により被覆する膜形成工程を備えた、請求項１または２に記載の放電素子の製造方法。
【請求項４】
前記接合工程と前記ダイシング工程との間に、
前記電極用板体の放電ギャップの間に、前記電極用板体が前記熱酸化膜から露出する開口部を複数形成する開口部形成工程と、
前記複数の開口部に金属電極を形成する金属電極形成工程と、
を備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の放電素子の製造方法。
【請求項５】
絶縁基板と、
放電ギャップを介して対向する放電電極部、および前記絶縁基板に接合された接合部をそれぞれ有する一対の放電用電極と、
を備え、
前記放電電極部は、前記絶縁基板と離間していることを特徴とする、放電素子。
【請求項６】
絶縁基板と、
放電ギャップを介して対向する放電電極部、および前記絶縁基板に接合された接合部をそれぞれ有する一対の放電用電極と、
を備え、
前記放電ギャップは、電極用板体に設けられた貫通孔であることを特徴とする、放電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大気圧下での放電によってプラズマを発生する放電素子の製造方法、および放電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オゾンを用いて除菌、殺菌、および消臭などを行うために、大気圧下で放電を行ってオゾンを発生させる方式のオゾン発生器が使用されている。この方式のオゾン発生器として、誘電体バリア型（例えば、特許文献１参照。）がある。
【０００３】
誘電体バリア型のオゾン発生器は、空間に一定間隔で対向配置されており、表面に誘電体が設けられた一対の電極の間に、交流高電圧を印加して、プラズマを発生させる。このプラズマにより、空気中の酸素が分解、結合してオゾンが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３２０６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の誘電体バリア型のオゾン発生器は、電極の間隔が一定となるように電極を動かして調整される。しかしながら、電極の間隔を例えば０．０３ｍｍといった微小な値に調整する必要があり、調整が難しく、間隔がばらつくという問題がある。電極の間隔を大きくすることで、間隔のばらつきによる影響は小さくなるが、放電開始電圧を高くする必要がある。放電開始電圧を高くするには、オゾン発生装置の駆動用電源の規模を大きくしなければならず、電源の費用が増加する。そのため、オゾンの生成コストが上昇する。
【０００６】
そこで、この発明は、電極の間隔の調整が不要であり、オゾンの生成コストが上昇することのない放電素子の製造方法、および放電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、放電ギャップを介して対向する一対の放電用電極と、一対の放電用電極を支持する絶縁基板と、を備える放電素子の製造方法である。この製造工程は、ギャップ形成工程と、接合工程と、ダイシング工程と、を備えている。ギャップ形成工程では、電極用板体に放電ギャップとして用いる貫通孔を形成して、一対の放電用電極を互いに一部が接続された状態にする。接合工程では、貫通孔を設けた電極用板体の一方の面を絶縁基板に接合する。ダイシング工程では、絶縁基板に接合した電極用板体を分割して、前記一対の放電用電極が分離した状態の放電素子を生成する。
【０００８】
この発明においては、電極用板体に貫通孔を設け、これを放電ギャップとして、さらに、該放電ギャップが形成された電極用板体を絶縁基板に接合してから一対の放電用電極が分離した状態に分割されるので、放電ギャップが電極用板体の分割前後で変化しない。そのため、ギャップ形成工程において、電極用板体に所望の間隔の放電ギャップを設けることで、製造工程において電極の間隔調整が不要となる。これにより、オゾン発生装置の駆動用電源の規模を小さくすることができ、電源の費用や消費電力などのオゾンの生成コストを抑制できる。
【０００９】
上記発明において、ギャップ形成工程の前に、キャビティ形成工程を備えている。キャビティ形成工程は、電極用板体の一方の面にキャビティを設ける。
【００１０】
この発明においては、電極用板体にキャビティを形成後に、このキャビティに放電ギャップを形成することで、放電ギャップを形成する部分の電極用板体の厚みが薄くなるので、放電ギャップの形成時間を短くすることができる。
【００１１】
上記発明において、ギャップ形成工程と接合工程との間に、膜形成工程を備えている。膜形成工程では、電極用板体を熱酸化膜により被覆する。
【００１２】
この発明においては、一対の放電用電極を熱酸化膜で被覆する工程を行った後に、この熱酸化膜付きの一対の放電用電極を、温度耐性の低い絶縁基板に貼り付ける。これにより、絶縁基板に悪影響を与えることなく、熱酸化膜を緻密かつボイドがない状態で形成することができる。
【００１３】
上記発明において、接合工程とダイシング工程との間に、開口部形成工程と、金属電極形成工程と、を備えている。開口部形成工程では、電極用板体の放電ギャップの近傍に、電極用板体が露出する開口部を複数形成する。金属電極形成工程では、複数の開口部に金属電極を形成する。
【００１４】
この発明においては、絶縁基板に接合した電極用板体を分割する前に、複数の放電素子に対して、一括して開口部と金属電極を形成するので、これらを分割後に形成する場合に比べて、効率良く放電素子を製造できる。
【００１５】
この発明の放電素子は、絶縁基板と、放電ギャップを介して対向する放電電極部、および前記絶縁基板に接合された接合部をそれぞれ有する一対の放電用電極と、を備え、放電電極部は、絶縁基板と離間している。
【００１６】
この発明においては、放電電極部を絶縁基板の表面から離間させることで、一対の放電用電極の上面・下面・対向する側面を放電に利用できる。これにより、プラズマを効果的に発生させることができ、オゾンの発生量を増加させることができる。また、放電時に発生する異物が放電ギャップに残留せずに、キャビティ内に落下させることができる。これにより、一対の放電用電極が異物により短絡する不具合の発生を回避できる。
【００１７】
この発明の放電素子は、絶縁基板と、放電ギャップを介して対向する放電電極部、および絶縁基板に接合された接合部をそれぞれ有する一対の放電用電極と、を備え、放電ギャップは、電極用板体に設けられた貫通孔であることが好ましい。
【００１８】
この発明においては、放電ギャップが貫通孔で形成されるので、従来の放電ギャップの形成方法よりも、高精度な放電ギャップを実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、電極の間隔の調整が不要であり、オゾンの生成コストを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る放電素子の構造を示す上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すオゾン発生器のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る放電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】電極用板体の上面図である。
【図４】図４（Ａ）は、キャビティを形成した電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。図４（Ｂ）は、放電ギャップを形成した電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。図４（Ｃ）は、熱酸化膜に被覆された電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図４（Ｃ）に示す熱酸化膜に被覆された電極用板体の上面図である。
【図６】図６（Ａ）は、フリットガラスが塗布された絶縁基板の断面図である。図６（Ｂ）は、熱酸化膜に被覆された電極用板体を貼り付けた絶縁基板のＣ−Ｃ断面図である。図６（Ｃ）は、フリットガラスを焼成して電極用板体が接合された絶縁基板のＣ−Ｃ断面図である。図６（Ｄ）は、ハーフカット処理された電極用板体のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、金属電極が形成された電極用板体のＣ−Ｃ断面図である。図７（Ｂ）は、フルカット処理された放電素子のＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る放電素子の構造を示す上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すオゾン発生器のＡ−Ａ断面図である。なお、図１、図２〜図７には、各部の関係を明確にするために、実際の寸法比とは異なる比率で各部を示している。
【００２２】
放電素子１は、絶縁基板２と一対の放電用電極３Ａ、３Ｂを備えている。放電素子１は、そのサイズが小型であり、例えば、２．０ｍｍ×２．５ｍｍ×９００μｍである。
【００２３】
絶縁基板２は、一対の放電用電極３Ａ、３Ｂを支持する。絶縁基板２は、ガラス製で、一例として厚さ６００μｍである。絶縁基板２としてガラスを用いる場合、テンパックスフロート（登録商標）のように、放電用電極３Ａ、３Ｂの素材であるシリコンと線膨脹率が近いものが好ましい。また、絶縁基板２は、後述のように放電用電極３Ａ、３Ｂを被覆する絶縁膜であるシリコン熱酸化膜４などよりも交流高電圧印加時に劣化しにくい、セラミックスなどの材料により形成することも可能である。
【００２４】
放電用電極３Ａ、３Ｂは、単結晶シリコン製で、一例として厚さ３００μｍである。放電用電極３Ａ、３Ｂは、それぞれ接合部３１Ａ，３１Ｂと、放電電極部３２Ａ，３２Ｂを備えている。放電用電極３Ａ、３Ｂは、それぞれ接合部３１Ａ，３１Ｂが絶縁基板２に接合されている。放電電極部３２Ａ，３２Ｂは、櫛形に形成されており、放電ギャップ１２を介して対向する。放電電極部３２Ａ，３２Ｂは、厚さ３０μｍである。放電ギャップ１２の間隔は２０μｍである。また、放電電極部３２Ａ，３２Ｂは、空間（キャビティ）１１を介して絶縁基板２と対向している。キャビティ１１は、一例として深さ２７０μｍ、幅１ｍｍである。
【００２５】
放電用電極３Ａ，３Ｂは、端部の一部を除き絶縁膜であるシリコン熱酸化膜４に被覆されている。放電用電極３Ａ，３Ｂは、シリコン熱酸化膜４に被覆されていない端部の開口部に電圧印加用の金属電極５Ａ，５Ｂが形成されている。金属電極５Ａ，５Ｂは、Ａｕ、Ｐｔ、またはＴｉ製である。
【００２６】
放電素子１において、オゾン（Ｏ３）を生成するときには、図１（Ｂ）に示すように、放電用電極３Ａ，３Ｂに形成された金属電極５Ａ，５Ｂに、外部電源７を接続して交流高電圧を印加する。外部電源７から印加する交流高電圧を徐々に上昇させて放電開始電圧に達すると、放電ギャップ１２において、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂの表面で放電が開始されてプラズマ２００が発生する。このプラズマ２００により、空気中の酸素が分解・結合してオゾンが生成される。パッシェンの法則では、大気圧中において、２０μｍ付近で最も放電開始電圧が低くなる。放電素子１では、上記のように放電ギャップ１２の間隔を２０μｍにしているので、２ｋＶp-p以下で放電を開始してプラズマを発生させることが可能である。
【００２７】
次に、本発明の放電素子の製造方法について、図２〜図７に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る放電素子の製造方法を示すフローチャートである。図３は、電極用板体の上面図である。図４（Ａ）は、キャビティを形成した電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。図４（Ｂ）は、放電ギャップを形成した電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。図４（Ｃ）は、熱酸化膜に被覆された電極用板体のＢ−Ｂ断面図である。図５は、図４（Ｃ）に示す熱酸化膜に被覆された電極用板体の上面図である。図６（Ａ）は、フリットガラスが塗布された絶縁基板の断面図である。図６（Ｂ）は、熱酸化膜に被覆された電極用板体を貼り付けた絶縁基板のＣ−Ｃ断面図である。図６（Ｃ）は、フリットガラスを焼成して電極用板体が接合された絶縁基板のＣ−Ｃ断面図である。図６（Ｄ）は、ハーフカット処理された電極用板体のＣ−Ｃ断面図である。図７（Ａ）は、金属電極が形成された電極用板体のＣ−Ｃ断面図である。図７（Ｂ）は、フルカット処理された放電素子のＣ−Ｃ断面図である。
【００２８】
本発明では、電極用板体５１から放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂを作成するが、まず、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂが一部で接続された状態になるように、電極用板体５１に放電ギャップ１２を設ける。そして、電極用板体５１を絶縁基板２に接合してから、電極用板体５１を絶縁基板２とともに分割して、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂを切り離された状態にする。このような製造方法により、放電ギャップ１２の間隔が変化することがなく常に一定なので、電極の間隔調整が不要である。
【００２９】
以下、本発明の放電素子の製造方法について、具体的に説明する。
【００３０】
（１）キャビティ形成工程
まず、図３に示すような電極用板体５１を用意する。電極用板体５１は、単結晶シリコン製で、厚さ３００μｍである。電極用板体５１は、縦方向および横方向が分割後にｍ×ｎ個（ｍ，ｎは自然数）のセル３が得られるサイズである。セル３は、後述の工程において放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂに分離される。各セル３の周囲には、ダイシングの際に切削される切りしろ５２Ｔ、５２Ｙが設けられている。切りしろ５２Ｔは図３における縦方向の切りしろであり、第１の間隔毎に設けられている。切りしろ５２Ｙは図３における横方向の切りしろであり、第２の間隔毎に設けられている。
【００３１】
図４（Ａ）に示すように、電極用板体５１の一方の面（同図における下面）５１Ｕに、一定間隔で複数の凹部であるキャビティ１１を設ける（Ｓ１）。図４（Ａ）には、電極用板体５１の一方の面５１Ｕに、一定間隔でｍ×ｎ個のキャビティ１１を設けた例を示している。キャビティ１１は、電極用板体５１の一方の面５１Ｕにフォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより形成する。キャビティ１１の深さは前述のように２７０μｍである。
【００３２】
（２）放電ギャップ形成工程
図４（Ｂ）および図５に示すように、複数のキャビティ１１にそれぞれミアンダ状の貫通孔を設ける（Ｓ２）。このミアンダ状の貫通孔が放電ギャップ１２である。放電ギャップ１２は、電極用板体５１の他方の面（図４（Ｂ）における上面）５１Ｈからフォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより形成する。このようにミアンダ状の貫通孔を形成することで、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂは櫛歯状になる。この放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂの櫛歯状の部分は、間隔が２０μｍである。図５に示すように、放電ギャップ１２の形成後は、電極用板体５１の各セル３において、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂは、放電ギャップ１２を介して対向する。また、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂは、２つの切りしろ５２Ｙにより互いに一部が接続されている。さらに、隣接するセル３において、放電用電極３Ｂと放電用電極３Ａが、切りしろ５２Ｔにより接続されている。
【００３３】
（３）熱酸化膜形成工程
複数の放電ギャップ１２を設けた電極用板体５１を洗浄後に、その表面を熱酸化する（Ｓ３）。電極用板体５１である単結晶シリコンの熱酸化は、蒸気温度１１００℃、熱処理時間４０時間で水蒸気酸化により行う。これにより、図４（Ｃ）、図５に示すように電極用板体５１がシリコン熱酸化膜４に被覆される。
【００３４】
（４）フリットガラス塗布工程
図６（Ａ）に示すように、ガラス製の絶縁基板２Ｇの一方の面にフリットガラス２Ｆを塗布して、仮焼結する（Ｓ４）。フリットガラスは、周知のように粉末状のガラスであり、この実施形態では電極用板体５１を絶縁基板２に接合する接着剤として用いる。
【００３５】
（５）接合工程
図６（Ａ），図６（Ｂ）に示すように、フリットガラス２Ｆが仮焼結された絶縁基板２Ｇに、ステップＳ３においてシリコン熱酸化膜４で被覆された電極用板体５１の一方の面５１Ｕを、真空槽内で貼り合わる。そして、フリットガラス２Ｆを焼結する。これにより、図６（Ｃ）に示すように、シリコン熱酸化膜４で被覆された電極用板体５１が絶縁基板２Ｇに接合され、フリットガラス２Ｆは絶縁基板２Ｇと一体化する（Ｓ５）。以下、一体化したフリットガラス２Ｆと絶縁基板２Ｇを絶縁基板２と称する。
【００３６】
（６）開口部形成工程
図６（Ｄ）に示すように、電極用板体５１において、左右に隣り合うキャビティ１１の中間部である切りしろ５２Ｔに沿って、切りしろ５２Ｔよりも広い幅でダイシング（ハーフカット処理）を行う。すなわち、金属電極５を形成する部分のシリコン熱酸化膜４を除去して、電極用板体５１が露出する開口部（凹部）３Ｈを複数（ｍ＋１個）形成する（Ｓ６）。
【００３７】
（７）金属電極形成工程
図７（Ａ）に示すように、電極用板体５１において、ダイシング（ハーフカット）工程でシリコン熱酸化膜４を除去した開口部３Ｈに、メタルマスクを用いた蒸着法などにより金属電極（Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉのいずれか）５を成膜する（Ｓ７）。
【００３８】
なお、電極用板体５１に使用する単結晶シリコンは、金属電極５とのコンタクト抵抗を小さくするために、抵抗率０．１Ωｃｍ以下のｎ型シリコンを使用している。
【００３９】
（８）ダイシング工程（フルカット）
図７（Ｂ）に示すように、電極用板体５１にダイシング（フルカット処理）を行って、切りしろ５２Ｔと不図示の切りしろ５２Ｙに沿って分割して、複数（ｍ×ｎ個）の放電素子１を生成する（Ｓ８）。上記のように、切りしろ５２Ｙを切削することで、放電ギャップ１２を介して対向する放電用電極３Ａ，３Ｂが分離されることになり、電極間のアイソレーションを確保できる。
【００４０】
以上のような製造方法により放電素子１を製造することで、エッチングにより形成された貫通孔が放電ギャップ１２となり、放電ギャップ１２の間隔が変化することがなく常に一定であり、電極の間隔調整が不要である。すなわち、本実施形態においては、単結晶シリコンの電極用板体に貫通孔を設け、当該貫通孔を放電ギャップとするため、放電用電極の間隔が貫通孔の加工精度によって決まる。この加工精度は、従来のオゾン発生器における放電用電極の間隔を調整する精度よりも格段に高い。したがって、放電ギャップの間隔ばらつきが抑制されることになる。
【００４１】
また、半導体プロセスを用いて放電ギャップ１２を形成するので、微小ギャップを精度良く形成することができ、低電圧で放電を開始してプラズマを発生させることが可能である。
【００４２】
また、本発明では、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂをシリコン熱酸化膜４で被覆する工程を高温で行った後に、このシリコン熱酸化膜付きの放電用電極３Ａ，３Ｂを、温度耐性の低い絶縁基板２Ｇに貼り付ける。これにより、絶縁基板２Ｇに悪影響を与えることなく、シリコン熱酸化膜４を緻密かつボイドがない状態で形成することができる。これにより、信頼性が高く、優れた特性の放電素子１を製造できる。
【００４３】
また、放電素子１は、上記のように簡素な構成であり、製造工程も簡素なので、大量生産が可能である。
【００４４】
また、本発明では、上記のように電極用板体５１にキャビティ１１を形成後に、このキャビティ１１に放電ギャップ１２を形成することで、放電ギャップ１２を形成する部分の電極用板体５１の厚みが薄くなるので、放電ギャップ１２の形成時間を短くすることができる。
【００４５】
また、放電素子１では、前記のように放電ギャップ１２を介して対向する放電用電極３Ａの放電電極部３２Ａと、放電用電極３Ｂの放電電極部３２Ｂと、が絶縁基板２の表面から離間している。これにより、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂの上面・下面・対向する側面を放電に利用できるので、プラズマを効果的に発生させることができ、オゾンの発生量を増加させることができる。また、放電素子１では、上記の構造に加えて、前記のように、放電ギャップ１２の幅に比べて、キャビティ１１の幅の方が大きくなっている。これにより、放電時に発生する異物が放電ギャップ１２に残留せずに、キャビティ１１内に落下するので、放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂが異物により短絡する不具合の発生を回避できる。
【００４６】
また、本発明では、絶縁基板２に接合した電極用板体５１を分割する前に、複数の放電素子１に対して、一括して開口部３Ｈと金属電極５Ａ，５Ｂを形成するので、これらを分割後に形成する場合に比べて、効率良く放電素子を製造できる。
【００４７】
また、電極用板体５１に金属電極５Ａ，５Ｂを形成することで、電極用板体５１を分割後に、放電用電極３Ａ，３Ｂに対して交流高電圧の印加が容易となり、プラズマを効率良く発生させることができる。
【００４８】
なお、電極用板体５１を絶縁基板２に接合貼り付ける方法は、フリットガラスを用いる方法以外に、陽極接合法や直接接合による接合、接着剤による接着などがあり、その後の加工工程で放電用電極３Ａと放電用電極３Ｂの位置ずれが発生しなければ、どの方法を用いても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１…放電素子
２，２Ｇ…絶縁基板
２Ｆ…フリットガラス
３…セル
３Ａ，３Ｂ…放電用電極
３Ｈ…開口部
４…シリコン熱酸化膜
５Ａ，５Ｂ…金属電極
７…外部電源
１１…キャビティ
１２…放電ギャップ（貫通孔）
３１Ａ，３１Ｂ…接合部
３２Ａ，３２Ｂ…放電電極部
５１…電極用板体
２００…プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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