DE4000783A1

DE4000783A1 - Koronaentladungszelle und verfahren zur herstellung einer ozonerzeugerzelle

Info

Publication number: DE4000783A1
Application number: DE4000783A
Authority: DE
Inventors: Robert D Wooten; John C Egermeier
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1990-07-26
Also published as: JPH02289402A; JP3112271B2; US4970056A; DE4000783C2

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf eine Koronaentladungszelle und insbesondere auf eine Ozonerzeu gerzelle sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer sol chen Ozonerzeugerzelle.

Die Technik der Ozonerzeugung ist alt und gut entwickelt. So wird in vielen Teilen der Welt die Klärung von Wasser durch Behandlung mit Ozon und nicht durch die Anwendung von Chlor durchgeführt.

Ein gängiger Typ einer Ozonerzeugerzelle enthält zwei lei tende Elektroden, zwischen denen schichtweise eine dielek trische Schicht und ein Luftspalt angeordnet sind. Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas wird durch den Luft spalt geleitet, und wenn eine entsprechend hochfrequente Wechselspannung an die Elektroden gelegt wird, vollzieht sich eine Glimmentladung in dem Luftspalt, welche den hin durchströmenden Sauerstoff in Ozon umwandelt.

Ozon wird auch zunehmend als Prozeßgas bei der Herstellung von Halbleitern verwendet. Wenn herkömmliche Ozonerzeuger bei der Halbleiterverarbeitung angewandt werden, ergibt sich jedoch ein Problem. Die besondere Betriebsweise der Ozoner zeugerzelle bewirkt, daß Atome des Elektrodenmaterials ver dampft werden und in den Ozonstrom eintreten. Da das Ozon während der Bearbeitung mit dem Halbleiterwafer in Berührung kommt, wird für Halbleiteranwendungen Ozon von höchster Reinheit benötigt, und auch schwach verunreinigtes Ozon kann nicht nutzbar verwendet werden.

Zusätzlich ist die zur Halbleiterverarbeitung benötigte Ozon konzentration beträchtlich höher, vielleicht doppelt so hoch, wie die zur Wasserklärung notwendige Konzentration. In eini gen Ozonerzeugern nach dem Stand der Technik wird zur Erzie lung höherer Ozonkonzentrationen der Weg beschritten, die an die Zellen angelegte Spannung zu erhöhen. Beispielsweise verwenden einige solcher Ozonerzeuger Spannungsversorgungen mit Scheitelspannungen bis zu 60 KV. Mit einer solch hohen Versorgungsspannung sind die Nachteile verbunden, daß die Spannungsversorgungen sehr kostspielig sind, daß sie nicht so zuverlässig wie Niederspannungsversorgungen sind, und daß sie zu unkontrollierten Glimmentladungen an Teilen der Zelle außerhalb des Luftspalts führen können.

Daher ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Ozonerzeuger zu schaffen, welcher Ozon von hoher Reinheit liefert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Ozonerzeuger zelle zu schaffen, mit welcher schon bei relativ niedrigen Betriebsspannungen relativ hochkonzentriertes Ozon erzeugt werden kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Ozonerzeu ger mit einer aus Quarz gefertigten dielektrischen Schicht gelöst. Es hat sich gezeigt, daß Quarz weniger zur Verdamp fung neigt als die typischerweise früher verwendeten dielek trischen Materialien, und der kleine Betrag der Verdampfung gibt Siliziumatome in den Ozonstrom frei, welche für die be handelten Halbleiter viel weniger schädlich sind als die Substanzen, welche in größerer Menge durch andere dielektri sche Materialen freigesetzt werden.

Zusätzlich ist das Quarzdielektrikum in einer sehr dünnen Schicht mit einer Dicke von weniger als etwa 0,89 mm (35 mils) vorgesehen und vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,51 mm (20 mils). Dies gestattet, niedrige Versor gungsspannungen zu verwenden, bei denen noch Ozon von rela tiv hoher Konzentration erzeugt wird.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Her stellungsverfahren für eine dielektrische Quarzschicht der erforderlichen Dicke. Mit handelsüblicher Technik kann näm lich keine verwendbare und ausreichend dünne Quarzschicht erzeugt werden. Bei diesen Verfahren ist eine Oberfläche einer Quarzplatte mit Wachs auf ein Trägermaterial geklebt, während die andere Oberfläche bis auf die gewünschte Dicke abgeschliffen wird, und nach dem Schleifen wird der Quarz typischerweise durch Erhitzen des Wachses von dem Trägerma terial entfernt. Wenn Quarzplatten mit einem Durchmesser von 15 bis 18 cm (6 oder 7 inches) auf unter etwa 1 mm (40 mils) abgeschliffen werden, zeigt sich jedoch, daß sich die Ränder bei der Entfernung von dem Trägermaterial krüm men, was sie als dielektrische Schicht unbrauchbar macht.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu erst die Quarzschicht an die Zellenelektrode gekittet wird und dann die Schicht auf die gewünschte Dicke abgeschliffen wird. Weil das Quarzdielektrikum nicht mehr von der Elektro de entfernt wird, stellt der Krümmeffekt kein Problem dar, und der Rest der Ozonerzeugerzelle wird unter Verwendung der Elektroden/Dielektrikum-Kombination als Bauteil hergestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Ozonerzeugers ge mäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Explosionszeichnung einer Elektrode und der zugehörigen dielektrischen Quarzschicht.

Fig. 3 zeigt das Bauteil aus Elektrode und Dielektrikum nach dem Kitten des Dielektrikums an die Elektrode.

Fig. 4 zeigt das Abschleifen der Quarzschicht auf eine ge eignete Dicke.

Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung der Gesamtheit eines erfindungsgemäßen Ozonerzeugers.

In Fig. 1 ist ein Ozonerzeuger abgebildet, welcher eine Ozonerzeugerzelle 2 und eine Hochspannungs-Wechselstromver sorgung 4 aufweist.

Die Ozonerzeugerzelle enthält ebene Elektroden 6 und 8, zwi schen denen schichtweise eine dünne ebene dielektrische Schicht 10 sowie ein Luftspalt 12 angeordnet sind. Zusätz lich muß eine Vorkehrung zur Kühlung getroffen werden, so z.B. in Form eines Röhrensystems durch eine oder durch beide Elektroden, durch welches Kühlflüssigkeit geleitet wird.

Im Betrieb der Einrichtung wird Sauerstoff oder ein Sauer stoff enthaltendes Gas in einen Kanal 14 eingespeist, wel cher zu dem Luftspalt 12 führt. Die an die Elektroden 6 und 8 angelegte Hochspannung bewirkt eine Glimmentladung in den Luftspalt 12, und nach einer gut bekannten Reaktion wird der Sauerstoff in dem Luftspalt in Ozon umgewandelt, oder man erhält ein Gemisch von Ozon und Sauerstoff.

Gemäß der Erfindung besteht das Dielektrikum aus Quarzmate rial und vorzugsweise aus synthetischem Quarz. Der Grund dafür ist, daß es sich gezeigt hat, daß die Verwendung eines Quarzdielektrikums die Erzeugung von Ozon sehr hoher Rein heit ergibt.

Wie oben erwähnt wurde, führen beim Stand der Technik, bei dem vorherrschend aus Glas oder Keramik bestehende Dielek trika verwendet werden, Verdampfungserscheinungen zu Verun reinigungen des Ozonstroms. Dies geschieht, wenn die Glimm entladung Atome in dem Luftspalt ionisiert. Die Ionen werden durch die angelegte Hochspannung gegen die Elektroden be schleunigt und können dann Atome des Elektrodenmaterials herausschlagen, welche dann in den Gasstrom gelangen. Dies geschieht auch bei Elektroden aus blankem Metall, welche ge meinhin für die geerdete Elektrode verwendet werden.

Weil Glas aus Siliziumdioxid mit wesentlichen Anteilen von Verunreinigungen besteht, und weil die Verunreinigungen im allgemeinen chemisch schwächer gebunden sind als das Sili ziumdioxid, sind es hauptsächlich die Verunreinigungen, z.B. Natrium, welche in den Ozon-Prozeßstrom gelangen. Weil die Verunreinigungen einen Halbleiterwafer unbrauchbar machen, wenn sie sich auf ihm niederschlagen, kann ein Ozonerzeuger, welcher ein Prozeßgas mit solchen Verunreinigungen erzeugt, nicht erfolgreich zur Halbleiterbearbeitung verwendet werden.

Andererseits zeigt sich, daß ein Quarzdielektrikum keine solchen Probleme schafft. Als Grund dafür wird angesehen, daß die Zusammensetzung von Quarz fast reinem Siliziumdioxid entspricht, und soweit Verunreinigungen existieren, sind sie in extrem kleinen Konzentrationen von vielleicht wenigen Teilen pro Million vorhanden. Wenn sich während des Betriebs des Ozonerzeugers im Luftspalt Ionisation ereignet und der Quarz von den resultierenden Teilchen beschossen wird, er gibt sich nur eine minimale Abgabe von Atomen in den Prozeß strom, weil die Atome des Siliziumdioxids stark gebunden sind. Außerdem sind die Atome, welche abgegeben werden, nicht so schädlich wie andere Verunreinigungen, weil die Atome des Siliziums und des Sauerstoffs typischerweise nicht mit den auf dem Halbleiterwafer hergestellten Strukturen unverträg lich sind.

Die dielektrische Quarzschicht wird sehr dünn hergestellt, um die Erzeugung hoher Ozonkonzentrationen mit relativ nied rigen angelegten Spannungen zu gestatten, und sollte dünner sein als etwa 0,89 mm (35 mils). Vorzugsweise ist sie dünner als etwa 0,63 mm (25 mils), und in der bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung ist die Quarzschicht etwa 0,51 mm (20 mils) dick, während der Luftspalt etwa 0,76 mm (30 mils) mißt. In der Praxis gibt es eine untere Grenze der Dicke des Dielektrikums von 0,25 bis 0,38 mm (10 bis 15 mils), weil ein dünneres Dielektrikum nicht in der Lage ist, den zur Erzeugung des gewünschten Ozons erforderlichen Spannungen standzuhalten.

Wiederum bezogen auf Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Größe des Luftspalts durch die Höhe der Dichtung 18 bestimmt wird, welche die Elektrode 8 von der dielektrischen Schicht trennt.

Die Elektrode 8 ist in der abgebildeten Ausführungsform die geerdete Elektrode und vorzugsweise aus Aluminium. Ferner ist diese Elektrode mit Al₂O₃ beschichtet, welches das Alu minium während des Betriebs der Zelle vor Erosion schützt. Eine Ozonerzeugerzelle herkömmlicher Bauart, bei der eine geerdete Aluminiumelektrode ohne eine schützende Schicht Al₂O₃ verwendet wird, entwickelt nach wenigen Dutzend Be triebsstunden einen pulvrigen Niederschlag auf der Elektro de, wohingegen sich keine erkennbare Veränderung der Ober fläche der Elektrode 8 der in Fig. 1 gezeigten Zelle auch nach Hunderten von Betriebsstunden ergibt. Die Elektrode 8 kann auch in derselben Weise wie die Elektrode 6 geschützt werden, also durch Verwendung von Quarz.

Die Hochspannungselektrode 6 kann ebenso aus Aluminium be stehen oder alternativ aus einem anderen leitenden Metall wie Kupfer oder Stahl.

Die Stromversorgung 4 erzeugt eine hochfrequente hohe Wech selspannung. Beispielsweise wird in einer gebauten, aktuel len Ausführungsform eine Spannung mit einem Scheitelwert von 14 kV bei einer Frequenz von 12 kHz verwendet. Wegen der dünnen dielektrischen Schicht von etwa 0,51 mm (20 mils) er gibt diese relativ kleine Spannung die Erzeugung von Ozon in einer Konzentration von 8%. Vergleichsweise verwenden typi sche herkömmliche Ozonerzeuger zur Wasserklärung eine höhere Spannung, um Ozon in einer Konzentration von nur 4% bei gleichem Durchsatz zu erzeugen.

In der oben erwähnten aktuellen Ausführungsform sind die Elektroden quadratisch und haben etwa 15 bis 18 cm (6 bis 7 inches) Seitenlänge, die Dicke des Luftspalts beträgt 0,76 mm (30 mils), die Hochspannungselektrode ist 31,8 mm (1 1/4 inch) dick, und die Erdelektrode ist 25,4 mm (1 inch) dick, wäh rend der verwendete synthetische Quarz aus Nippon Silicia Glas OZ oder von einer vergleichbaren Qualität ist.

Wie oben erwähnt, kann die dünne dielektrische Quarzschicht nicht mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden, und ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeu gung der dünnen Quarzschicht.

Fig. 2 zeigt auseinandergezogen eine Elektrode 6 und eine Quarzschicht 10. Die Elektrode ist als rechtwinklig oder quadratisch abgebildet, obwohl ihre Form willkürlich ist und beispielsweise auch kreisförmig sein könnte. Zusätzlich ist in die Elektrode ein Kühlkanal 22 mit einem Einlaß 24 und einen Auslaß 26 gebohrt.

Die Quarzplatte 10 hat die gleiche Form und die gleiche oder etwas größere Fläche wie die Oberfläche der Elektrode 6 und ist 1,57 mm (62 mils) dick, welches eine handelsübliche Dicke ist. In der bevorzugten Ausführungsform betragen die Kantenlängen der Elektrode und des Quarzüberzugs wenigstens 10×10 cm (4×4 inches).

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Quarzschicht wird an die Elektrode gekittet, indem eine kleine Menge Kitt in die Mitte der Elektrode gegeben wird und dann die Quarz schicht gegen die Elektrode gepreßt wird, so daß der Kitt, welcher von relativ geringer Viskosität ist, nach außen ge drückt wird, um die gesamte Oberfläche zu bedecken. Der ver wendete Kitt ist vorzugsweise ein unter UV-Licht aushärten der Kitt, wobei das Bauteil unmittelbar nach Aufbringen des Kitts und Pressen der Quarzschicht gegen die Elektrode unter eine UV-Lampe gebracht wird, um den Kitt auszuhärten. Falls gewünscht, kann handelsüblicher Epoxykitt verwendet werden, aber etwas bessere Ergebnisse erhält man mit dem UV-aushär tenden Typ.

Die Elektrode wird vor der Anbringung des Quarzes und wäh rend der Aushärtung des Kitts auf 45°C±5° erwärmt. Wenn die Vorwärmung unterlassen wird, wird sich während des Betriebs der Zelle, wenn die Materialien warm werden, das Aluminium stärker ausdehnen als der Quarz, und die Quarzschicht wird springen. Wenn der Vorwärmschritt wie beschrieben durchge führt wird, übt das beim Abkühlen zusammenziehende Aluminium Druckkräfte auf den Quarz aus, jedoch ist dies nicht proble matisch, weil Quarz stärker auf Druck als auf Zug belastbar ist.

Nach dem Kitten der Quarzschicht an die Elektrode wird der Quarz auf seine endgültige Dicke abgeschliffen; dieser Schritt ist in Fig. 4 veranschaulicht. Das vorher gekittete Bauelement befindet sich fest auf einem Tisch 27 einer kon ventionellen optischen Schleifmaschine, und zwar beispiels weise mittels einer Unterdruck-Spannvorrichtung. Der Kopf 28 der Schleifmaschine kann ein mit Diamanten beschichtetes, tassenförmiges Rad sein, mittels welchem der Quarz abge schliffen wird, indem es bei mehreren tausend Umdrehungen pro Minute rotiert und in aufeinanderfolgenden Strichen vor- und zurückbewegt wird, die jeweils gegenüber dem vorherge henden über der Oberfläche des Quarzes verschoben wird, bis die ganze Oberfläche abgefahren ist. Der Maschinentisch 27 wird mit beispielsweise einigen hundert Umdrehungen pro Mi nute in einer Richtung gedreht, welche der Drehrichtung des Kopfes während des Schleifvorgangs entgegengesetzt ist, und der Tisch wird aufwärts gegen den Quarz bewegt, bis die ge wünschte Dicke erreicht ist. Nach dem Schleifen wird die Oberfläche des Quarzes glattpoliert.

Wie oben im Zusammenhang mit dem der Erfindung zugrundelie genden Verfahren erwähnt, ist es möglich, den Quarz auf eine Dicke von 0,51 mm (20 mils) und sogar dünner abzuschleifen. Dies war mit herkömmlichen Techniken nicht möglich, bei de nen die Quarzschicht nur zeitweise während des Schleifens auf einem Träger gesichert und dann entfernt wird. Bei qua dratischen Quarzplatten mit einer Seitenlänge von 15 bis 18 cm (6 bis 7 inches) bewirken die herkömmlichen Verfahren beim Abschleifen auf weniger als 1 mm (40 mils), daß sich die Ränder der Platte wie die von Kartoffelchips winden und von dem Trägermaterial abstehen, was sie als Dielektrikum unbrauchbar macht.

Während die hier abgebildeten Ausführungsformen Ozonzeuger zellen mit ebenen Elektroden zeigen, sind auch andere Formen möglich, wie z.B. zylindrische. In diesem Fall würde man ein spezielles Schleifwerkzeug zum Abschleifen von zylindrischen Oberflächen verwenden.

Fig. 5 zeigt die Gesamtheit eines erfindungsgemäßen Ozoner zeugers. Die Ozonerzeugerzelle enthält eine geerdete Elek trode 30 und eine Hochspannungselektrode 32, zwischen denen die dielektrische Schicht 34 und der Luftspalt 36 geschich tet sind. Die Zelle ist wie oben beschrieben gestaltet und hat zur Kühlung Röhrensysteme 38 und 40 in den jeweiligen Elektroden, durch welche eine gekühlte Inertflüssigkeit zir kuliert. Eine Wechselspannungsversorgung 37 ist mit dem Ver bindungspunkt 39 der Elektrode 32 verbunden, während der Verbindungspunkt 41 der Elektrode 30 geerdet ist.

Die geerdete Elektrode besteht aus der eloxierten Aluminium verbindung 1100. Die Hochspannungselektrode 32 sitzt auf ei nem Hochspannungssockel 42, und die Zelle ist in einer Klemmvorrichtung untergebracht, welche die Platten 44, 46 und 50 aufweist, welche durch vier Stützen an den Ecken ein schließlich der abgebildeten Stützen 52 und 54 zusammenge halten werden. Die Anordnung wird durch geeignete Einstel lung der Schraube 56 abgedichtet.

Damit ist ein verbesserter Ozonerzeuger zur Erzeugung von Ozon hoher Reinheit und hoher Konzentration beschrieben. Ob wohl die Einrichtung besonders geeignet ist zur Erzeugung von Prozeßgas zur Verwendung in der Halbleiterindustrie, kann sie auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Ozon benötigt wird, z.B. zur Wasserklärung.

Claims

1. Koronaentladungszelle mit
einer ersten Elektrode mit einer gegebenen Fläche,
einer an die erste Elektrode gekitteten dielektrischen Schicht, und
einer zweiten Elektrode, welche durch einen Luftspalt zu der dielektrischen Schicht beabstandet ist,
dadurch gekenn zeichnet,
daß die dielektrische Schicht aus Quarz mit einer Dicke von 0,76 mm (30 mils) oder weniger mit einer Fläche von mehr als 161 cm² (25 square inches) ist, wobei die gegebene Fläche der ersten Elektrode etwa genauso groß ist wie die Fläche des Dielektrikums, und wobei die dielektrische Schicht da durch erzeugt wird, daß zunächst eine Quarzschicht an die erste Elektrode gekittet und dann auf die Dicke von 0,76 mm (30 mils) oder weniger abgeschliffen wird.

2. Koronaentladungszelle mit
einer ersten Elektrode mit einer gegebenen Oberfläche,
einer an die erste Elektrode gekitteten dielektrischen Schicht, und
einer zweiten Elektrode, welche durch einen Luftspalt zu der dielektrischen Schicht beabstandet ist,
dadurch gekennzeich net,
daß die dielektrische Schicht aus Quarz mit einer Dicke von etwa 0,51 mm (20 mils) mit einer Fläche von mehr als 103 cm² (16 square inches) ist, wobei die gegebene Fläche der ersten Elektrode etwa genauso groß ist wie die Fläche des Dielek trikums, und wobei die dielektrische Schicht dadurch erzeugt wird, daß zunächst eine Quarzschicht an die erste Elektrode gekittet und dann auf die Dicke von 0,51 mm (20 mils) abge schliffen wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Ozonerzeugerzelle, ge kennzeichnet durch:
dauerhaftes Kitten einer dielektrischen Quarzplatte an eine erste Elektrode,
Abschleifen der Quarzplatte auf eine Dicke von weniger als etwa 0,89 mm (35 mils) nach dem Aushärten des Kitts,
Befestigen einer zweiten Elektrode relativ zu der Anordnung der ersten Elektrode und des Quarzdielektrikums derart, daß ein Luftspalt zwischen dem Quarzdielektrikum und der zweiten Elektrode entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte auf eine Dicke von weniger als 0,46 mm (25 mils) abgeschliffen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte auf einer Seite eine Oberfläche von 103 cm² (16 square inches) oder mehr hat.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte auf einer Seite eine Oberfläche von 232 cm² (36 square inches) oder mehr hat.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode und das Dielektrikum plan sind.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode vor dem Anbringen der Quarzplatte und bis zum Aushärten des Kitts erwärmt wird.