(57)【要約】【課題】オゾン生成部の構成をより簡易な構造なものにしてオゾン生成装置を小型化及び低コスト化させる。【解決手段】オゾン生成装置１は冷凍機２と熱的に接続した熱伝導体３と、オゾンチャンバ４と熱伝導体３とを熱的に接続させる可変熱抵抗部５とを備え、熱伝導体３は金属製の材料からなると共に主面が長方形に形成され、熱伝導体３の主面上に複数の可変熱抵抗部５が直列に配置される。冷凍機２は熱伝導体３の下面３２の短辺側付近で熱的に接続するとよい。可変熱抵抗部５は金属製の支持部材によって熱伝導体３に支持するとよい。前記支持部材としては、可変熱抵抗部５が固定される板状に形成されたステージ部と、このステージ部を支持する共に熱伝導体３の長辺側の端面に接続される板状に形成された支持部とからなるものがある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と熱的に接続した熱伝導体と、
オゾンチャンバと前記熱伝導体とを熱的に接続させる可変熱抵抗部とを備え、
前記熱伝導体は金属製の材料からなると共に主面が長方形に形成され、
前記熱伝導体の上面に複数の前記可変熱抵抗部が直列に配置されたこと
特徴とするオゾン生成装置。
【請求項２】
前記冷凍機は前記熱伝導体の下面の短辺側付近で熱的に接続されたこと
を特徴とする請求項１記載のオゾン生成装置。
【請求項３】
前記可変熱抵抗部は金属製の支持部材によって支持され、
前記支持部材は、前記可変熱抵抗部が固定される板状に形成されたステージ部と、前記ステージ部を支持する共に前記熱伝導体の長辺側の端面に接続される板状に形成された支持部とからなること
を特徴とする請求項１または２記載のオゾン生成装置。
【請求項４】
前記熱伝導体と前記可変熱抵抗部とを格納する格納部を備えたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオゾンガスを液化することにより濃縮した高濃度オゾンガスを供給可能にするオゾン生成装置に係り、特に液体オゾンを生成しながら高濃度オゾンガスを供給可能にした装置において、オゾンチャンバの温度を調整を行う温度制御部の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年オゾン（元素記号：Ｏ2）の利用が、その強い酸化力を利用して上下水処理を始めとして種々の分野で進展している。中でも、半導体素子の製造分野では、Ｓｉウェーハ洗浄やＴＥＯＳ−ＣＶＤ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）への適用が検討されつつある。Ｓｉウェーハ洗浄は、オゾンガスを純水に溶かしたオゾン水を洗浄液として用いるもので、希ふっ酸水溶液等と併用することでＳｉウェーハ上の重金属や有機物を除去できることが発表されている（非特許文献１）。ＴＥＯＳ−ＣＶＤは半導体素子を多層配線化する際の層間絶縁膜の形成に用いられ、電極によるウェーハ表面の凹凸を絶縁膜で平坦化できることが特長である。このＴＥＯＳ−ＣＶＤにオゾンを添加することによって平坦化の性能が向上することが報告されている（非特許文献２）。
【０００３】
これらは１０％程度の比較的低濃度のオゾンガスを利用した例であるが、８０％以上の比較的高濃度のオゾンガスを利用することで従来のオゾンガス利用では考えられなかった新たな応用の可能性が指摘され始めている。一例を挙げれば、特開平８−３３５５７６号公報で開示されているＳｉ半導体の酸化膜形成がある。この公報によれば、従来の熱酸化法では為し得ない比較的低温での酸化膜形成が可能で、亜酸化層や欠陥構造の少ない良質の酸化膜の形成が可能であることなどが紹介されている。
【０００４】
ところで、オゾンガスの生成には一般に無声放電方式が用いられる。これは放電により酸素ガスからオゾンと酸素の混合ガスを発生させるもので、発生効率の限度と爆発の危険性のため、常温常圧下で約１０体積％以上のオゾンガスを生成することは困難であった。そこで、発生したオゾンガスを一旦液化して、その後に気化させることにより８０％以上の高濃度オゾンガスを生成する方法が特許文献１（特公平５−１７１６４号公報）で紹介されている。
【０００５】
特許文献１のオゾンガスを液化させる方法は、オゾンと酸素の蒸気圧の差によってオゾンガスだけを液化するものである。例えば、１気圧のもと、オゾンの沸点は１６１Ｋであるが、酸素の沸点は９０Ｋである。したがって、９０Ｋ以上１６１Ｋ未満の温度に冷却すれば、オゾンは大部分が液体、酸素は大部分が気体状態となるのでオゾンだけを液体として分離できる。実際には高濃度オゾンの爆発性に対する安全上から減圧条件で取り扱うので、その際の温度と圧力条件下でのオゾンと酸素の蒸気圧の差で分離条件が決まる。例えば、温度９０Ｋで圧力１０ｍｍＨｇ（＝１３.３ｈＰａ）の場合を考えると、９０Ｋではオゾンの蒸気圧はほぼ０ｍｍＨｇ（＝０Ｐａ）だが、酸素は約６９０ｍｍＨｇ（＝９１８ｈＰａ）となりオゾンだけがこの条件下で液化される。
【０００６】
しかし、前記液体オゾンの製造では、液体状オゾンの生成と気体状オゾンの供給時とではバルブの切換えを行なう必要があり、生成しながらの高濃度オゾンガスの供給を行なうことができない。
【０００７】
高濃度オゾンガスの連続的な供給を行なうために特許文献２（特開２００１−１３３１４１）に開示されたオゾン生成装置のようにマルチベッセル方式が採用されたものがある。このマルチベッセル方式のオゾン生成装置によれば、一台のオゾンチャンバから濃縮オゾンを供給しつづけ、これに並行して残りのオゾンチャンバでは液体オゾンを生成しておくことができる。
【０００８】
前記マルチベッセル方式は、各オゾンチャンバに個別のコールドヘッド等が設けられているため、温度制御が容易である。しかし、この方式は分割構造のため、コールドヘッドそのものを個別構造とする必要がある。また、冷凍機から各コールドヘッドへの配管も個別の経路で設ける必要があり、装置が大型化し、コストも増大化する。
【０００９】
そこで、特許文献３（特開２００３−２０２０９）に開示されたオゾン生成装置がある。図４はこのオゾン生成装置の概略構成図である。オゾン生成装置４０は、単一のコールドヘッド４１と、オゾンチャンバ４２と熱的に結合する冷却用金属ブロック４３と、この冷却用金属ブロック４３とコールドヘッド４１とを熱的に接続させる可変熱抵抗制御装置４４とを備える。コールドヘッド４１は冷凍機４５から熱を導入している。コールドヘッド４１には可変熱抵抗制御装置４４が複数設けられている。個々の可変熱抵抗制御装置４４には冷却用金属ブロック４３が接続されている。そして、個々の冷却用金属ブロック４３にオゾンチャンバ４２が具備されている。冷却用金属ブロック４３にはヒータが設けられ、このヒータに供給する電力と可変熱抵抗制御装置４４の熱抵抗を個別に制御することにより、コールドヘッド４１側への熱伝導の影響を少なくさせながら、オゾンチャンバ４２の温度が個別に制御される。この構成によれば、コールドヘッド４１は単一のみ具備させればよく、また冷凍機４５からのコールドヘッド４１への配管は単一の経路のみを備えればよいこととなる。しかも、特許文献２のオゾン生成装置の構成に比べてオゾンチャンバの個別の温度制御が容易となる。
【非特許文献１】電子材料１９９９年３月号，ｐｐ．１３−１８
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ１１０−Ｌ１１２
【特許文献１】特公平５−１７１６４
【特許文献２】特開２００１−１３３１４１
【特許文献３】特開２００３−２０２０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３のオゾン生成装置は、コールドヘッド４１が単一に具備され、オゾンチャンバ４２と熱的に結合するための冷却用金属ブロック４３は複数設けられ、コールドヘッド４１と冷却用金属ブロック４３との間に可変熱抵抗制御装置４４を介在させたことで、オゾンチャンバ４２でのオゾン供給と廃棄と蓄積の各工程に応じて各々のオゾンチャンバ４２の温度を個別に制御することができる。また、オゾンチャンバ４２でのオゾンの供給と廃棄と蓄積の各工程に応じて各オゾンチャンバ４２の温度を個別に制御することができる。しかも、コールドヘッド４１は１台構成で済むので、従来の構成に比べて装置の小型化及びコストを削減することができる。また、オゾンチャンバ４２の個別の温度制御が容易となる。
【００１１】
しかしながら、液体オゾン生成装置の心臓部ともいえるオゾン生成部の構造、特に、コールドヘッド４１と冷却用金属ブロック４３との間の各構成が特殊形状であり、また機械的な可動部を有しているなど、簡易な構成とはいえず、さらなる小型化を阻害要因となっている。
【００１２】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたもので、その目的は、オゾン生成部の構成をより簡易な構造とすることで、さらなる小型化及びコストダウンできるオゾン生成装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、請求項１記載のオゾン生成装置は、冷凍機と熱的に接続した熱伝導体と、オゾンチャンバと前記熱伝導体とを熱的に接続させる可変熱抵抗部とを備え、前記熱伝導体は金属製の材料からなると共に主面が長方形に形成され、前記熱伝導体の上面に複数の前記可変熱抵抗部が直列に配置されたこと特徴とする。
【００１４】
請求項２記載のオゾン生成装置は、請求項１記載のオゾン生成装置において、前記冷凍機は前記熱伝導体の下面の短辺側付近で熱的に接続されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載のオゾン生成装置は、請求項１または２記載のオゾン生成装置において、前記可変熱抵抗部は金属製の支持部材によって支持され、前記支持部材は、前記可変熱抵抗部が固定される板状に形成されたステージ部と、前記ステージ部を支持する共に前記熱伝導体の長辺側の端面に接続される板状に形成された支持部とからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載のオゾン生成装置は、請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン生成装置において、前記熱伝導体と前記可変熱抵抗部とを格納する格納部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１〜４記載の発明によれば、金属製の材料からなると共に主面が長方形に形成された熱伝導体に複数の可変熱抵抗部が設けられ、個々の可変熱抵抗部にオゾンチャンバが熱的に接続するようになっているので、冷凍機、コールドヘッド等を特殊な形状及び構成とすることなく、単一の冷凍機による複数のオゾンチャンバの温度制御を行なうことができる。
【００１８】
特に、請求項２記載の発明によれば、前記冷凍機は前記熱伝導体の下面の短辺側付近で熱的に接続されることで、オゾンチャンバの下方に空間が確保され、前記空間を有効利用できるようになる。また、オゾンチャンバの振動による周辺の装置への衝撃が緩和される。
【００１９】
さらに、請求項３記載の発明によれば、可変熱抵抗部を熱伝導体上で支持する支持部材は金属製の板状の部材からなるので、熱伝導体と可変熱抵抗部との間の熱伝効率が高まると共にオゾンチャンバの振動による周辺の装置への衝撃がより一層緩和される。
【００２０】
また、請求項４記載の発明によれば、オゾンチャンバを格納させた複数の真空断熱容器が格納部と一体化させたユニットの形態となっているので、このユニットが複数用いられることで、オゾンを任意に量産させることが可能となる。また、前記熱伝導体と前記可変熱抵抗部とが格納部によって外気と隔絶されるので、熱エネルギーの浪費を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように請求項１〜４記載の発明によればオゾン生成部の構成がより簡易な構造となりオゾン生成装置を小型化及び低コスト化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
（実施形態例１）
図１は、本発明の一実施形態に係るオゾン生成装置を示した概略図である。
【００２４】
オゾン生成装置１は、図１に示されたように、冷凍機２と熱的に接続した熱伝導体３と、この熱伝導体３とオゾンチャンバ４とを熱的に接続させる可変熱抵抗部５とを備える。
【００２５】
熱伝導体３は金属製の材料からなると共に図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示された形状から明らかなように主面である上面３１と下面３２とが長方形の板状に形成されている。熱伝導体３の上面３１には可変熱抵抗体として複数の可変熱抵抗制御装置５が直列に配置されている。金属製の材料としては熱伝導性に優れた金属が採用される。前記金属としては、例えば、銅、アルミニウム、黄銅、鉄、チタン、ステンレス鋼、ケイ素等のいずれかを主成分としたものが挙げられる。
【００２６】
冷凍機２はコールドヘッド６を介して熱伝導体３と熱的に接続されている。熱伝導体３は図１に示されたように下面３２の短辺側付近でコールドヘッド６と接続することにより冷凍機２から供給された熱を導入できるようになっている。
【００２７】
オゾンチャンバ４は図示省略されたオゾナイザーで生成させたオゾンを一時的に貯留する。オゾンチャンバ４はオゾンによって腐食さされない既知の材料からなる。前記オゾナイザーはオゾンガスを生成できるものであればよく既知の装置を採用すればよい。例えば明電舎製のＭＥＯ−１．０ＡＨが例示される。
【００２８】
オゾンチャンバ４は真空状態で断熱真空容器６内に格納されることにより、オゾンチャンバ４周囲における熱エネルギーの浪費が抑制されている。断熱真空容器６はオゾンチャンバ４内をオゾンを取り出し可能となるように設けられる。断熱真空容器６内の底部には冷却用金属ブロック７が設置されている。また、この冷却用金属ブロック７にオゾンチャンバ４が搭載されている。冷却用金属ブロック７は可変熱抵抗制御装置５から導入した熱をオゾンチャンバ４に供給する。このようにオゾンチャンバ４は熱伝導体３、可変熱抵抗制御装置５及び冷却用金属ブロック７を介して冷凍機２によって冷却される。
【００２９】
オゾンガスを連続発生するための各オゾンチャンバ４個別の温度制御は従来と同様に各々のオゾンチャンバ４の可変熱抵抗制御装置５や冷却用金属ブロック７に設けられたヒータ等の操作によって行なわれる。
【００３０】
可変熱抵抗制御装置５としては、例えば図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されたように、熱抵抗可変媒体が供給及び排出される筐体状に形成された可変熱抵抗ブロック５０がある。可変熱熱抵抗ブロック５０は熱抵抗可変媒体の供給、排出、若しくは熱抵抗可変媒体の変更、または異種の熱抵抗可変媒体を混合しての供給を行なって、可変熱抵抗ブロック５０の天板部５１と底板部５２との間の熱抵抗を調節する。これにより、冷凍機２からオゾンチャンバ４への熱伝導が調節され、冷却用金属ブロック７の温度を制御できるようになる。前記熱抵抗可変媒体としてはコールドヘッド６側の温度で液化しないことが望ましく、例えばヘリウム、水素、窒素、酸素、アルゴン、ネオンのいずれか、または水素と酸素の組み合わせを除く前記いずれかを組み合わせた混合ガス等が挙げられる。
【００３１】
また、可変熱抵抗制御装置５は、図１に示されたように複数具備されることにより、可変熱抵抗ブロック５０個別に前記熱抵抗可変媒体の供給、排出若しくは変更または異種媒体の混合を行なうことで、天板部５１と底板部５２との間の熱抵抗を調節して断熱真空容器６内の冷却用金属ブロック７を個別に温度制御することにより、オゾンチャンバ４におけるオゾンの液化、液体オゾンの気化、残留オゾンの廃棄を順次行なうことで、オゾンガスを連続的に供給できる。
【００３２】
さらに、可変熱抵抗制御装置５は、オゾンの系外への供給または廃棄時等でオゾンチャンバ４内の温度高くする場合、熱抵抗が大きくなるように可変熱抵抗ブロック５０内のガス圧を制御する。一方、オゾンを冷却または液化するためにオゾンチャンバ４内の温度を低くする場合、熱抵抗が小さくなるように可変熱抵抗ブロック５０の内圧を制御する。このようにして可変熱抵抗ブロック５０は内圧を制御することで熱抵抗を任意に制御することができるので、温度制御に必要なヒータ加熱量を低減できる。また、可変抵抗ブロック５０は各工程に応じてオゾンチャンバ４内の温度を所定値に制御できるので、高温状態のベッセル（オゾンチャンバ４を備えた断熱真空容器６）から低温状態のベッセルへの熱の回り込みが減少し、安定したマルチベッセル動作が可能となる。
【００３３】
オゾンチャンバ４は熱伝導体３上に直列に配置されており、コールドヘッド６から熱伝導体３上の各々のオゾンチャンバ４までの距離が各々異なっているが、冷凍機２の冷却性能により熱伝導体３は均一温度に冷却することができるため、各々のオゾンチャンバ４に対して同様の温度制御が可能であることが確認されている。さらに多くのオゾンチャンバ４を配置する必要が生じた場合等には、可変熱抵抗制御装置５や図示省略されたヒータ等の操作により、温度を補正することで対応できる。
【００３４】
本実施形態のオゾン生成装置１のように、直線状の熱伝導体３を用いて、冷凍機２、オゾンチャンバ４を一列に配置することで、コンパクトな構成となり、特に液体オゾン製造装置筐体内に収納する場合に筐体の幅または厚さの軽減に寄与する。
【００３５】
また、オゾン生成部の構造、特にコールドヘッド６と冷却用金属ブロック７との間を特殊な構成にする必要がなく、機械的な可動部のない簡易な構成とし、装置のさらなる小型化、コストダウンを可能とすることができる。
【００３６】
さらに、冷凍機２が熱伝導体３の下面３２の短辺側付近で熱的に接続されることで、オゾンチャンバ４の下方に空間が確保される。これにより前記空間を有効利用できる。また、オゾンチャンバ６の真下に冷凍機２、コールドヘッド６等が配置されていないので、万が一爆発等の際にも冷凍機２等の周辺機器への致命的ダメージが回避される。
【００３７】
（実施形態２）
実施形態１では熱伝導体３と可変熱抵抗制御装置５とが直接接続された形態となっているが、可変熱抵抗制御装置５は支持部材によって支持するとよい。
【００３８】
前記支持部材としては、例えば図２（ａ）及び図２（ｂ）に示された支持部材８のように、可変熱抵抗制御装置５が固定されるステージ部８１と、このステージ部８１を支持する共に熱伝導体３の長辺側の端面に接続される支持部８２とを有するものがある。ステージ部８１と支持部８２は金属製の材料からなる板状の部材が曲げ加工によって形成される。可変熱抵抗制御装置５はボルト８３によってステージ部８１に固定されている。支持部８２は熱伝導体３の長辺側の端面にボルト８４によって固定されている。尚、支持部材８を構成する金属材料は熱伝導効率を考慮し熱伝導体３を構成させる材料と同じものを採用するとよい。
【００３９】
以上のように本実施形態のオゾン生成装置１によれば、可変熱抵抗制御装置５が金属製の支持部材８によって支持されることで、熱伝導体３と可変熱抵抗制御装置５との間の熱伝効率が高まる。また、オゾンチャンバ４内のオゾンが万が一爆発してオゾンチャンバ４が振動しても、支持部材８の緩衝作用によって前記振動の衝撃が緩和されて周囲の機器や部材の破損を抑制させることができる。
【００４０】
（実施形態３）
熱伝導体３と可変熱抵抗制御装置５とコールドヘッド６は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示されたオゾン生成装置１０のように、格納部９内に格納し、そしてこの格納部９を真空断熱容器６と接続させた形態にするとよい。このようにオゾンチャンバ４を格納させた複数の真空断熱容器６が格納部９と一体化させたユニットの形態とすれば、オゾンガス発生量を増大する場合等に前記ユニットを複数備えることにより各構成部材の大型化（大容量化）等を考慮することなく容易に対応できる。また、熱伝導体３と可変熱抵抗制御装置５とコールドヘッド６は格納部９によって外気と隔絶した状態となるので、熱エネルギーの浪費が抑制される。
【００４１】
図３（ａ）に示された格納部９は実施形態１の可変熱抵抗制御装置５と熱伝導体３とコールドヘッド６を格納した形態となっている。格納部９は、熱伝導体３とこれに設けられた可変熱抵抗制御装置５を格納する容器９１と、コールドヘッド６と熱伝導体３の一端付近を格納する容器９２とからなる。オゾンチャンバ４を格納させた真空断熱容器６は容器９１に熱的に接続された状態となっている。容器９１，９２は可変熱抵抗制御装置５と熱伝導体３とコールドヘッド６を格納できればよいので、その形状は特に限定されない。
【００４２】
図３（ｂ）及び図３（ｂ）に示された形態は実施形態２の可変熱抵抗制御装置５、支持部材８、熱伝導体３及び図示省略されたコールドヘッド６を格納させている。図示された容器９１は円筒状の容器に形成されている。オゾンチャンバ４を格納させた真空断熱容器６は容器９１に熱的に接続された状態となっている。尚、可変熱抵抗制御装置５と熱伝導体３とコールドヘッド６は格納できればよいので、容器９１の形状は図示された形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るオゾン生成装置を示した概略構成図。
【図２】（ａ）可変熱抵抗制御装置と熱伝導体との接続形態を示した側面図。（ｂ）可変熱抵抗制御装置と熱伝導体との接続形態を示した断面図。
【図３】（ａ）本発明の一実施形態に係るオゾン生成装置を示した概略構成図。（ｂ）可変熱抵抗制御装置と熱伝導体とを格納した容器の一実施形態を示した側面図。（ｃ）可変熱抵抗制御装置と熱伝導体とを格納した容器の一実施形態を示した断面図。
【図４】従来のオゾン生成装置を示した概略構成図。
【符号の説明】
【００４４】
１，１０…オゾン生成装置
２…冷凍機
３…熱伝導体
３１…上面、３２…下面
４…オゾンチャンバ
５…可変熱抵抗制御装置
５０…可変熱抵抗ブロック、５１…天板部、５２…底板部
６…真空断熱容器
７…冷却用金属ブロック
８…支持部材
８１…ステージ部、８２…支持部、８３，８４…ボルト
９…格納部
９１，９２…容器
【図１】
2007145661.tif 000003
【図２】
2007145661.tif 000004
【図３】
2007145661.tif 000005
【図４】
2007145661.tif 000006