DE4000783C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronaentladungszelle nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2. Diese Koronaentladungszelle dient zur Ozonerzeugung.

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.

Typische Ozonerzeuger sind in folgenden Druckschriften be­ schrieben: "Guide to corona film treatment", J. C. von der Heide und H. L. Wilson, Modern Plastics, May 1961, S. 199-206 und 344; GB-PS 8 16 342; US-PS 36 07 709, 39 96 474 und 47 25 412.

Nur die letztgenannte Druckschrift offenbart eine Koronaent­ ladungszelle mit dielektrischen Schichten aus Quarz, wovon in den Oberbegriffen der Hauptansprüche ausgegangen wird.

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 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ozon­ erzeuger zu schaffen, durch den schon bei relativ niedrigen Betriebsspannungen relativ hochkonzentriertes und reines Ozon erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Koronaentla­ dungszelle durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung der Zelle ist im Patentanspruch 3 beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß Quarz von allen bisher verwendeten dielektrischen Materialien am wenigsten zur Verdampfung neigt, und der kleine Betrag der Verdampfung gibt Silizium­ atome in den Ozonstrom frei, welche für die behandelten Halbleiter viel weniger schädlich sind als die Substanzen, welche in größerer Menge durch andere dielektrische Mate­ rialen freigesetzt werden.

Zusätzlich ist das Quarzdielektrikum in einer sehr dünnen Schicht mit einer Dicke von weniger als etwa 0,89 mm vorgesehen und vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,51 mm. Dies gestattet, niedrige Versorgungsspannungen zu verwenden, bei denen noch Ozon von relativ hoher Konzentration erzeugt wird. In der gattungsbildenden US-PS 47 25 412 ist ein deut­ lich dickeres Quarzdielektrikum beschrieben.

Mit handelsüblicher Technik kann allerdings keine verwend­ bare 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 Trägermaterial entfernt. Wenn Quarzplatten mit einem Durchmesser von 15 bis 18 cm auf unter etwa 1 mm abgeschliffen werden, zeigt sich jedoch, daß sich die Ränder bei der Entfernung von dem Trägermaterial krümmen, was sie als dielektrische Schicht unbrauchbar macht.

Bei dem Verfahren zur Herstellung der Zelle wird das Quarz­ dielektrikum nicht mehr von der Elektrode entfernt und der Krümm­ effekt stellt kein Problem dar, und der Rest der Ozonerzeugerzelle wird unter Verwendung der Elektroden/Dielektrikum-Kombination als Bauteil hergestellt.

Es folgt die Beschreibung mehrerer Ausführungsformen anhand der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

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

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.

Das Dielektrikum besteht aus Quarzmaterial 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. Vorzugsweise ist sie dünner als etwa 0,63 mm, und in der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung ist die Quarzschicht etwa 0,51 mm dick, während der Luftspalt etwa 0,76 mm mißt. In der Praxis gibt es eine untere Grenze der Dicke des Dielektrikums von 0,25 bis 0,38 mm, 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 Elektrode, 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 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 Seitenlänge, die Dicke des Luftspalts beträgt 0,76 mm, die Hochspannungselektrode ist 31,8 mm dick, und die Erdelektrode ist 25,4 mm dick, wäh­ rend der verwendete synthetische Quarz aus Nippon Silicia Glas OZ oder von einer vergleichbaren Qualität ist.

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 dick, welches eine handelsübliche Dicke ist. In der bevorzugten Ausführungsform betragen die Kantenlängen der Elektrode und des Quarzüberzugs wenigstens 10×10 cm.

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 zurück bewegt 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.

Es ist möglich, den Quarz auf eine Dicke von 0,51 mm 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 bewirken die herkömmlichen Verfahren beim Abschleifen auf weniger als 1 mm, 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 Ozon­ erzeugers. 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 zusammen­ gehalten 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 (8)

1. Koronaentladungszelle mit zwei Elektroden und mindestens einer dielektrischen Schicht aus Quarz, die auf einer der Elektroden befestigt ist und zu der anderen Elektrode oder deren Schicht aus Quarz durch einen Luftspalt beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dielektrische Schicht (10) nicht dicker ist als 0,76 mm und eine Fläche von mehr als 161 cm² aufweist, die etwa genauso groß ist wie die Fläche der Elektrode (6), auf der die dielektrische Schicht (10) befestigt ist.

2. Koronaentladungszelle mit zwei Elektroden und mindestens einer dielektrischen Schicht aus Quarz, die auf einer der Elektroden befestigt ist und zu der anderen Elektrode oder deren Schicht aus Quarz durch einen Luftspalt beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dielektrische Schicht (10) etwa 0,51 mm dick ist und eine Fläche von mehr als 103 cm² aufweist, die etwa genauso groß ist wie die Fläche der Elektrode (6), auf der die dielektrische Schicht (10) befestigt ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Koronaentladungszelle, bei dem zwei Elektroden, von denen mindestens eine mit einer dielektrischen Schicht aus Quarz versehen ist, mit einem Luftspalt zwischen der Schicht oder einer der dielektrischen Schichten und der anderen Elektrode oder deren dielektrischer Schicht relativ zueinander befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Befestigung der Elektroden (6, 10) relativ zueinander mindestens eine dielektrische Quarzplatte (10) dauerhaft an jeweils eine Elektrode (6, 10) gekittet und nach dem Aushärten des Kitts auf eine Dicke von weniger als 0,89 mm abgeschliffen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte (10) auf eine Dicke von weniger als 0,46 mm abgeschliffen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte (10) auf einer Seite eine Oberfläche von 103 cm² oder mehr hat.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte (10) auf einer Seite eine Oberfläche von 232 cm² oder mehr hat.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6, 8) und das Dielektrikum (10) plan sind.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (6) vor dem Anbringen der Quarzplatte (10) und bis zum Aushärten des Kitts erwärmt wird.