(57)【要約】  【課題】  放電反応のためのエネルギー効率を高めることのできる放電反応装置を提供する。  【解決手段】  放電反応装置１は、互いに対向する第１の電極部材３と第２の電極部材２と、第１の電極部材３の表面に設けられる第１の誘電体５と、第１の電極部材３と第２の電極部材２の間に原料ガスＧを供給するガス供給部６と、第１の電極部材３と第２の電極部材２に接続され、第１の電極部材３と第２の電極部材２の間で放電を発生させるための電圧を印加する電源部７を備える。第２の電極部材２の表面には、トレンチ溝８が形成されており、トレンチ溝８の谷部９は、第２の誘電体４で埋められている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１の電極部材と第２の電極部材と、
前記第１の電極部材の表面に設けられる第１の誘電体と、
前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に原料ガスを供給するガス供給部と、
前記第１の電極部材と前記第２の電極部材に接続され、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間で放電を発生させるための電圧を印加する電源部と、
を備え、
前記第２の電極部材の表面には、トレンチ溝が形成されており、
前記トレンチ溝の谷部は、第２の誘電体で埋められていることを特徴とする放電反応装置。
【請求項２】
前記トレンチ溝の山部は、突形状の頂上部を有しており、
前記頂上部は、前記谷部を埋めている前記第２の誘電体の表面から突出している、請求項１に記載の放電反応装置。
【請求項３】
前記第２の誘電体の表面から前記頂上部が突出している高さは０〜０．２５ｍｍである、請求項２に記載の放電反応装置。
【請求項４】
前記トレンチ溝の山部は、平面形状の頂上部を有しており、
前記頂上部は、前記谷部を埋めている前記第２の誘電体の表面と同一平面で露出している、請求項１に記載の放電反応装置。
【請求項５】
前記頂上部の露出している幅は０〜０．５ｍｍである、請求項４に記載の放電反応装置。
【請求項６】
前記第２の誘電体には、チタン、タングステン、アンチモン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、亜鉛、タンタル、ニオブ、イットリウム、または、ジルコニウムが取り込まれている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放電反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間で放電を発生させることにより原料ガスから反応ガスを生成する放電反応装置に関し、特に、オゾンの発生のためのエネルギー効率を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電極間で放電を発生させることにより酸素ガス（原料ガス）からオゾンガス（反応ガス）を生成するオゾン発生装置が提案されている。従来のオゾン発生装置では、互いに対向する電極面を有する一対の電極の間に酸素ガスが供給され、高圧交流電源から高電圧を印加して放電を発生させて、オゾンガスが生成される（例えば特許文献１参照）。このようにして生成されたオゾンガスは、半導体や液晶パネル等の製造プロセス等に使用される。
【０００３】
また従来、電極の表面に溝を形成することによって、高効率てオゾンを生成する技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。このように、電極の表面に溝を形成すると、電極の溝の山部（頂上部）において電界強度が高く、より強い放電が行われ、高濃度のオゾンを発生させることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０１０５号公報
【特許文献２】特開昭６３−１３７７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、電極の溝の山部（頂上部）で放電が行われるものの、電極の溝の谷部でも放電が行われる。この溝の谷部での放電はエネルギー密度が低くオゾンの発生にあまり寄与しないばかりか、使用条件によってはオゾンの分解に作用することもあり、オゾン発生（放電反応）のためのエネルギー効率を充分に高められないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、放電反応のためのエネルギー効率を高めることのできる放電反応装置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】
本発明の放電反応装置は、互いに対向する第１の電極部材と第２の電極部材と、前記第１の電極部材の表面に設けられる第１の誘電体と、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に原料ガスを供給するガス供給部と、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材に接続され、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間で放電を発生させるための電圧を印加する電源部と、を備え、前記第２の電極部材の表面には、トレンチ溝が形成されており、前記トレンチ溝の谷部は、第２の誘電体で埋められている。
【０００８】
この構成によれば、電極部材（第２の電極部材）のトレンチ溝の谷部が誘電体（第２の誘電体）で埋められているので、谷部での放電（放電反応にあまり寄与しない放電）を抑制することができ、放電反応のためのエネルギー効率を高めることができる。
【０００９】
また、本発明の放電反応装置では、前記トレンチ溝の山部は、突形状の頂上部を有しており、前記頂上部は、前記谷部を埋めている前記第２の誘電体の表面から突出してもよい。
【００１０】
この構成によれば、トレンチ溝の山部（頂上部）において高い電界強度での放電を生じさせることができる。さらに、トレンチ溝の山部（頂上部）の放電特性は、従前の放電反応装置（電極部材のトレンチ溝の谷部が誘電体で埋められていない放電反応装置）と大きく変わらないため、従前の特性データを有効に利用することができる。
【００１１】
また、本発明の放電反応装置では、前記第２の誘電体の表面から前記頂上部が突出している高さは０〜０．２５ｍｍであってもよい。
【００１２】
また、本発明の放電反応装置では、前記トレンチ溝の山部は、平面形状の頂上部を有しており、前記頂上部は、前記谷部を埋めている前第２の誘電体の表面と同一平面で露出してもよい。
【００１３】
この構成によれば、トレンチ溝の山部（頂上部）が谷部を埋めている誘電体の表面と同一平面であるため、例えば機械加工により精度良く製作することができる。
【００１４】
また、本発明の放電反応装置では、前記頂上部の露出している幅は０〜０．５ｍｍであってもよい。
【００１５】
また、本発明の放電反応装置では、前記第２の誘電体には、チタン、タングステン、アンチモン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、亜鉛、タンタル、ニオブ、イットリウム、または、ジルコニウムが取り込まれてもよい。
【００１６】
この構成によれば、誘電体（第２の誘電体）に、チタン、タングステン、アンチモン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、亜鉛、タンタル、ニオブ、イットリウム、または、ジルコニウムなどの金属が取り込まれているので、窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。したがって、ＮＯｘを含まないクリーンな反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、放電反応のためのエネルギー効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における放電反応装置の主要な構成を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態における放電反応装置の円形電極面を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における放電反応装置の電極形状の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における放電反応装置の電極形状の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における放電反応装置の電極形状の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態の放電反応装置について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、半導体や液晶パネル等の製造プロセス等に用いられる放電反応装置の場合を例示する。
【００２０】
本発明の実施の形態の放電反応装置の構成を、図面を参照して説明する。ここでは、まず、本実施の形態の放電反応装置の原理について説明する。図１は、本実施の形態の放電反応装置の主要な構成を示す説明図である。図１に示すように、放電反応装置１は、互いに対向する一対の電極部材（高圧電極２と接地電極３）と、電極部材２（高圧電極２）の表面に設けられる誘電体４と、電極部材３（接地電極３）の表面に設けられる誘電体５と、一対の電極部材２、３の間に原料ガスＧ（たとえば酸素ガス）を供給するガス供給部６と、一対の電極部材２、３に接続される電源部７を備えている。
【００２１】
電源部７は、一対の電極部材２、３の間で放電を発生させるための電圧を印加する機能を備えている。この場合、高圧電極２に電源部７の高圧側が接続され、高圧電極２に高電圧が印加される。接地電極３は接地されている。高圧電極２の表面には、複数のトレンチ溝８が設けられている。トレンチ溝８の谷部９は、誘電体４で埋められている。
【００２２】
誘電体４の形成は、溶射や無機系接着剤によって行われる。例えば、溶射によって誘電体４を形成する場合には、主剤のアルミナ、シリカ等の粉末にチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、イットリウム（Ｙ）、または、ジルコニウム（Ｚｒ）の粉状のものを混合し、比較的低温で被膜を形成できるプラズマ溶射で施工することが好ましい。また、溶射による盛り上がりは機械加工で平坦にすることが好ましい。
【００２３】
また、無機系接着剤によって誘電体４を形成する場合には、アルミナ、シリカ等を主成分とするペースト状の材料に、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、イットリウム（Ｙ）、または、ジルコニウム（Ｚｒ）の粉末を混合し、溝部に充填して焼成して形成することが好ましい。
【００２４】
なお、バナジウム、アンチモン、タングステン、マンガン、鉄、ニッケル、コバルト、または、チタンは、酸化物（例えば、Ｖ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｍｎ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣａＴｉＯ3、ＭｇＴｉＯ3、ＴｉＯ3など）として、溶射膜、無機系接着剤に取り込まれてもよい。あるいは、タングステン、チタン、または、タンタルは、合金（例えば、ＷＣ（タングステンカーバイト）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴａＣ（炭化タンタル）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）など）として、溶射膜、無機系接着剤に取り込まれてもよい。
【００２５】
次に、本実施の形態の放電反応装置１の具体例について説明する。図２は、高圧電極２の一例を示す図である。図２に示すように、高圧電極２としては、円形電極面が使用される。
【００２６】
一般に、放電反応装置１（オゾン発生装置）は、互いに対向する円形電極面を有する対の電極部材（高圧電極２および接地電極３）、両電極部材２、３の対向する間に配置される誘電体５と、円板形空間を備えている。円板形空間は、対向する円形電極面の間の空間（放電が生じる空間）であり、この空間へ酸素を含む原料ガスを流動させると酸素がオゾンに変換される。高圧電極２は、電源の高圧側に接続され、接地電極３は、電源のアース側に接続される。なお、本実施例では、高圧電極２の表面に、複数のトレンチ溝８を形成しているが、接地電極３の表面に複数のトレンチ溝を形成するようにしてもよい。すなわち、トレンチ溝を形成する電極は、高圧電極であってもよく、接地電極であってもよい。
【００２７】
図３は、本実施の形態の放電反応装置１の電極形状の一例を示す図である。図３に示すように高圧電極２の電極面は、複数のトレンチ溝８を備えている。この場合、トレンチ溝８は、同心状に配置され、互いにほぼ平行に伸びている。そして、上述のように、このトレンチ溝８の谷部９に溶射や無機系接着剤による誘電体４が形成されている。
【００２８】
また、図３に示すように、トレンチ溝８の山部１０は、突形状の頂上部１１を有しており、頂上部１１は、谷部９を埋めている誘電体４の表面から突出している。例えば、誘電体４の表面から頂上部１１が突出している高さＡは０〜０．２５ｍｍである。なお、トレンチ溝８の深さ（谷部９から頂上部１１までの高さ）Ｂは０．３〜１．５ｍｍであり、頂上部１１のピッチＣは０．７５〜３．０ｍｍである。
【００２９】
高圧電極２は、金属により形成される。接地電極３は、サファイアの裏面に施した銀系のメタライズ層により形成され、誘電体５は、円板状の単結晶サファイアから形成される。放電空間は、トレンチ溝８の山部１０および誘電体４の表面と誘電体５の間の空間により形成される（図１参照）。トレンチ溝８の山部１０と誘電体５の間の距離は、０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍである。半導体製造に使用されるようなクリーンなオゾンガスを必要とする場合は、誘電体５の材料はクリーンな材質であるサファイアもしくは高純度のアルミナセラミックス、高純度石英ガラス等が適当である。
【００３０】
図２に示すように、原料ガスＧは、入口通路１２、外周空間１３を経て円板形空間へ導入され、円板形空間内をほぼ半径方向内向きに流動され、高圧電極２の中心部に設けられる中心空間１４へ集められ、案内通路１５を経て電極の半径方向外方へ案内される。この場合、原料ガスＧは、トレンチ溝８と誘電体５の間の空間をトレンチ溝８を横切る方向に流動される。なお、原料ガスＧは、円板形空間内をほぼ半径方向内向きに流動される代りに、半径方向外向きに流動されてもよい。この場合、原料ガスは、最初に案内通路１５を経て中心空間１４へ供給され、円板形空間内をほぼ半径方向外向きに流動され、外周空間１３を経て入口通路１２へ案内される。
【００３１】
高圧電極２は、電源部７の高圧側へ連結され、接地電極３は、電源部７のアース側へ連結される。そして、両電極２、３の間の円板形空間に高圧交流電圧が印加され、両電極２、３の間の円板形空間にバリア放電が生じる。この円板形空間を通るように、酸素を含む原料ガスＧが流動され、その一部がオゾンに変換される。本実施の形態では、原料ガスＧの流れが多数のトレンチ溝８を横切る方向とされ、放電密度の高いトレンチ溝８の頂上部１１を必ず通過するので、高濃度のオゾンを発生することが可能である。
【００３２】
本実施の形態の放電反応装置１では、一対の電極部材２、３の間に原料ガスＧが供給され、電源部７から電圧が印加されて放電が発生する。この場合、一対の電極部材２、３の放電に接する部分（接地電極２の表面）は、電極材料としてアルミニウムが用いられ、陽極酸化処理膜で被覆されている。陽極酸化処理膜で電極を被覆することにより、電極の耐久性が向上する。
【００３３】
また、本実施の形態では、このトレンチ溝８の谷部９に溶射や無機系接着剤による誘電体４が形成されている。この誘電体４に、チタン、タングステン、アンチモン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、亜鉛、タンタル、ニオブ、イットリウム、または、ジルコニウムなどの金属が取り込まれているので、窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。したがって、ＮＯｘを含まないクリーンな反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を発生させることができる。
【００３４】
ここで、従来、窒素ガスを添加しないとオゾン濃度が徐々に低下する現象について説明する。放電によるプラズマ下では、電極表面を構成している原子が電極表面から抜ける現象が発生する。そして、その現象が発生している領域の周辺では、共有結合の相手を失って、結合に関与しない電子（不対電子）で占められたエリアが発現する。不対電子は、不安定であるために、化学的に活性となり、不対電子とオゾンが結合する。結合したオゾンは、分解されて酸素ガスに戻る。このような不対電子で占められたエリアは、放電時間と共に徐々に増えていくため、それに呼応してオゾンガスの濃度も徐々に低下していくと考えられる。
【００３５】
つぎに、窒素ガスを添加することによりオゾン濃度を維持できる原理について説明する。窒素ガスを添加すると、放電によるプラズマで生成したＮＯｘがその不対電子のエリアに取込まれ、活性点を塞ぐと考えられる。したがって、従来、窒素ガスを微量に添加することにより、高濃度のオゾンガスを安定して発生することが可能となる。本実施の形態では、従来のように窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。その理由は、トレンチ溝８の誘電体４の中に金属を取込むことにより、それらの金属分子または原子またはイオンが、不対電子で占められているエリアと結合し、活性点を塞ぐ作用があるためであると考えられる。
【００３６】
なお、バナジウム、アンチモン、タングステン、マンガン、鉄、ニッケル、コバルト、または、チタンなどの酸化物が、トレンチ溝８の誘電体４に取り込まれてもよい。この場合にも、上記と同様に、窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。
【００３７】
あるいは、タングステン、チタン、または、タンタルなどの合金が、トレンチ溝８の誘電体４に取り込まれてもよい。この場合にも、上記と同様に、窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態の放電反応装置１によれば、電極部材２のトレンチ溝８の谷部９が誘電体４で埋められているので、谷部９での放電（オゾン発生にあまり寄与しない放電）を抑制することができ、オゾン発生のためのエネルギー効率を高めることができる。
【００３９】
また、本実施の形態では、トレンチ溝８の山部１０（頂上部１１）において高い電界強度での放電を生じさせることができる。さらに、トレンチ溝８の山部１０（頂上部１１）の放電特性は、従前の放電反応装置（電極部材のトレンチ溝の谷部が誘電体で埋められていない放電反応装置）と大きく変わらないため、従前の特性データを有効に利用することができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、誘電体４に、チタン、タングステン、アンチモン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、亜鉛、タンタル、ニオブ、イットリウム、または、ジルコニウムなどの金属が取り込まれているので、窒素ガスを添加しなくても、高純度の原料ガス（例えば、純度９９．９９％以上の純酸素ガスなど）を用いて、高濃度の反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を安定して長時間発生させることができる。したがって、ＮＯｘを含まないクリーンな反応ガス（例えば、オゾンガスなど）を発生させることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。
【００４２】
例えば、図４には、放電反応装置１の電極形状の他の例が示される。図４に示すように、トレンチ溝８の山部１０は、平面形状の頂上部２１を有しており、頂上部２１は、谷部９を埋めている誘電体４の表面と同一平面で露出していてもよい。例えば、頂上部２１の露出している幅Ｄは０〜０．５ｍｍである。このように、トレンチ溝８の山部１０（頂上部２１）が谷部９を埋めている誘電体４の表面と同一平面であれば、機械加工により精度良く製作することができる。
【００４３】
また、図５には、放電反応装置１の電極形状の更に他の例が示される。図５に示すように、トレンチ溝８の山部１０（頂上部１１）まで誘電体４で埋められていてもよい。例えば、頂上部１１（頂上部１１）の埋没している幅Ｅは０〜０．５ｍｍである。このように、トレンチ溝８の山部１０（頂上部１１）まで誘電体４で埋められていれば、電極部材２が放電にさらされないため、電極部材の耐久性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる放電反応装置は、放電反応のためのエネルギー効率を高めることができるという効果を有し、半導体や液晶パネル等の製造プロセス等に用いられ、有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１  放電反応装置（オゾン発生装置）
２  第２の電極部材（高圧電極）
３  第１の電極部材（接地電極）
４  第２の誘電体
５  第１の誘電体
６  ガス供給部
７  電源部
８  トレンチ溝
９  谷部
１０  山部
１１  頂上部（突形状）
１２  入口通路
１３  外周空間
１４  中心空間
１５  案内通路
２１  頂上部（平面形状）
【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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