JP2014186900A

JP2014186900A - 放電素子およびその製造方法

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Publication number: JP2014186900A
Application number: JP2013061728A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Konaka; 義宏小中; Masutaro Nemoto; 益太郎根本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】プラズマ放電を生じさせる交流高電圧による絶縁破壊を抑制して、信頼性を向上させることができる、放電素子、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】放電素子１は、絶縁基板２と、電極３と、絶縁膜４と、を備えている。絶縁基板２は、耐熱ガラスまたはセラミックスにより形成されている。電極３は、絶縁基板２上に形成され、交流高電圧が印加される。絶縁膜４は、電極３を被覆する。また、絶縁基板２の電極３と対向する表面側の放電開始電圧が、絶縁膜４の電極３と対向する表面側の放電開始電圧よりも低くなるように、絶縁基板２および絶縁膜４が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流高電圧が印加されるとプラズマを発生する放電素子、およびその製造方法に関するものである。

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広く使用されている。この方式のオゾン発生器として、沿面放電型（例えば、特許文献１参照。）がある。

図４（Ａ）は、従来の沿面放電型のオゾン発生器の構造を示す断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すオゾン発生器の上面図である。

沿面放電型のオゾン発生器１０１は、絶縁基板１０２上に櫛形の電極１０３が形成されている。電極１０３は、シリコン酸化膜等の絶縁膜１０４で覆われている。絶縁膜１０４には２つの開口部１０５、１０６が設けられており、電極１０３に設けられているパッド１０３Ｐ１とパッド１０３Ｐ２が露出している。

オゾン発生器１０１によりオゾンを発生させるときには、パッド１０３Ｐ１とパッド１０３Ｐ２に、外部電源１０７を接続して交流高電圧を印加する。このとき、放電開始電圧は、絶縁基板１０２側の表面よりも絶縁膜１０４側の表面の方が低いため、絶縁膜１０４側の表面にプラズマが発生する。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２００が発生する。

図５は、従来の沿面放電型のオゾン発生器の製造プロセスを示すフローチャート図である。図６は、従来の沿面放電型のオゾン発生器の製造プロセスを模式的に示す図である。

従来の沿面放電型のオゾン発生器１０１の製造プロセスは以下の通りである。

（１）電極形成工程
絶縁基板１０２上にレジストパターニングを行う。そして、金属蒸着、リフトオフを順番に行って、図６（Ａ）に示すように、櫛形の電極１０３を形成する（Ｓ１０１）。

（２）絶縁膜形成工程
図６（Ｂ）に示すように、絶縁基板１０２の電極１０３を形成した表面に、ＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−ＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により絶縁膜１０４であるＳｉＯ_２膜（厚さ５μｍ）を成膜する（Ｓ１０２）。

（３）開口部形成工程
絶縁膜１０４上にレジストパターニングを行う。そして、絶縁膜１０４の、パッド１０３Ｐ１とパッド１０３Ｐ２の上部をＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法により除去して、図６（Ｃ）に示すように、開口部１０５、１０６を形成する（Ｓ１０３）。

特開平１０−２０３８０５号公報

図４に示した従来の沿面放電型のオゾン発生器１０１では、交流高電圧を連続的に印加してプラズマ放電を生じさせると、電極１０３を覆っている絶縁膜１０４が徐々に劣化し、最終的に絶縁膜１０４に絶縁破壊が発生して放電が停止する。そのため、オゾン２００を発生することができなくなる。この問題の対処方法としては、沿面放電型のオゾン発生器の製造工程において、絶縁膜の成膜時間を長くして絶縁膜を厚くして、交流高電圧による絶縁膜の劣化を遅らせることが考えられる。

しかし、上記のように製造工程を変更した場合、絶縁膜自身の応力により膜の割れや剥がれが発生するため、絶縁膜を厚くすることは困難である。さらに、絶縁膜の成膜時間を長くした場合、絶縁膜成膜装置の占有時間が長くなるため、製造コストが増大する。

そこで、この発明は、プラズマ放電を生じさせる交流高電圧による絶縁破壊を抑制して、信頼性を向上させることができる放電素子、およびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明の放電素子は、絶縁基板と、電極と、絶縁膜と、を備えている。絶縁基板は、耐熱ガラスまたはセラミックスにより形成されている。電極は、絶縁基板上に形成され、交流高電圧が印加される。絶縁膜は、電極を被覆する。また、絶縁基板の電極と対向する表面側の放電開始電圧が、絶縁膜の電極と対向する表面側の放電開始電圧よりも低くなるように、絶縁基板および絶縁膜が形成されている。

この発明においては、電極に交流高電圧を印加し徐々に電圧を上げると、絶縁基板の表面において放電が開始されてプラズマが発生する。絶縁基板は、耐熱ガラスまたはセラミックスにより形成されており、成膜した絶縁膜よりも厚みを厚く加工がしやすく、厚く加工した場合でも、絶縁膜自身の応力による膜の割れや剥がれが発生しないという利点がある。また、交流高電圧が印加された場合に、成膜した絶縁膜よりも劣化しにくい。そのため、絶縁基板上でプラズマ放電を行うことで、成膜した絶縁膜上でプラズマ放電を行う場合よりも、絶縁破壊が発生するまでの時間を大幅に延ばすことができる。これにより、オゾンを発生させることが可能な時間が従来よりも長くなり、装置の信頼性を高めることができる。

上記発明において、絶縁基板は、電極と対向する表面が鏡面加工されている。

電極の表面に鏡面加工を施すことで、絶縁基板表面の粗さが小さくなるため、絶縁基板表面において連続放電を行ったときに、電界集中が発生しにくくなり、絶縁基板の劣化を遅らせることができる。これにより、絶縁破壊が発生するまでの時間をさらに延ばすことができる。

上記発明において、絶縁膜は、電極の交流高電圧を印加する部分に開口部を備えている。

この構成においては、プラズマを発生させる絶縁基板の表面と異なる面に開口部を設けているので、プラズマの影響を受けて、開口部の電極から異常放電が発生するのを防止できる。また、開口部の電極がプラズマの影響を受けて腐食するのを防止できる。

上記発明において、絶縁膜は、絶縁基板に貼り付けられたフィルムである。

この構成においては、絶縁膜を成膜せずに貼り付けることで、ＣＶＤ法やＲＩＥ法等のプロセスを用いることなく、短時間で絶縁膜を設けることができる。これにより、放電素子の製造コストを抑制できる。

この発明によれば、プラズマ放電を生じさせる交流高電圧による絶縁破壊を抑制して、信頼性を向上させることができる。

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断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すオゾン発生器の上面図である。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２に示す製造フローで形成される放電素子の製造過程を模式的に示す図である。図４（Ａ）は、従来の沿面放電型のオゾン発生器の構造を示す断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すオゾン発生器の上面図である。従来の沿面放電型のオゾン発生器の製造プロセスを示すフローチャート図である。従来の沿面放電型のオゾン発生器の製造プロセスを模式的に示す図である。

本発明の実施形態に係る放電素子について、図１乃至図３に基づいて説明する。

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断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すオゾン発生器の上面図である。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、図２に示す製造フローで形成される放電素子の製造過程を模式的に示す図である。

放電素子１は、絶縁基板２、電極３、および絶縁膜４を備えている。

絶縁基板２は、耐熱ガラスにより形成されている。絶縁基板２は、一例として厚さ１５μｍであり、研磨により薄肉化される。絶縁基板２は、図４に示した従来のオゾン発生器１０１において電極をカバーする絶縁膜よりも、厚みが厚くなっている。絶縁基板２として耐熱ガラスを用いる場合、テンパックスフロート（登録商標）やパイレックス（登録商標）のように、ホウケイ酸ガラスを材料とする耐熱性や耐熱衝撃性に優れたものが好ましい。なお、絶縁基板２は、セラミックスなど、絶縁膜の素材であるシリコン酸化膜やポリイミド等よりも交流高電圧印加時に劣化しにくい材料により形成することも可能である。

電極３は、絶縁基板２上に櫛形に形成されており、絶縁基板２の両端部近傍に、電圧印加用のパッド３Ｐ１とパッド３Ｐ２を備えている。電極３のＬ＆Ｓは３０μｍである。

絶縁膜４は、有機樹脂材料であるポリイミド製のフィルムであり、厚さ３００μｍであり、絶縁基板２に貼り付けられ、電極３を被覆する。絶縁膜４は、その底面に２つの開口部５、６が形成されている。この開口部５、６において露出する電極３のパッド３Ｐ１、３Ｐ２に外部電源７が接続される。

放電素子１において、オゾンを生成するときには、パッド３Ｐ１とパッド３Ｐ２に、外部電源７を接続して交流高電圧を印加する。放電素子１では、放電開始電圧が、絶縁膜４側の表面よりも絶縁基板２側の表面の方が低くなるように構成されている。そのため、外部電源７から印加する交流高電圧を徐々に上げていくと、絶縁基板２側の表面で放電が開始されてプラズマが発生する。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２００が生成される。

本発明では、電極３に交流高電圧が印加されたときの、絶縁基板２の電極３と対向する表面側の放電開始電圧が、絶縁膜４の電極３と対向する表面側の放電開始電圧よりも低くなるように構成されている。例えば、絶縁基板２と絶縁膜４とが誘電率等の放電に関する特性が略同じであれば、図１に示すように絶縁基板２の厚みＤを、絶縁膜４の厚みＤ_Ｂよりも小さくする。このようにすることで、放電素子１では、従来のようにシリコン酸化膜等の絶縁膜４側の表面（絶縁膜４の電極３と対向する表面）ではなく、絶縁基板２側の表面（絶縁基板２の電極３と対向する表面）でプラズマが発生する。

本発明では、絶縁基板２として、耐熱ガラスを使用している。さらに、絶縁基板２の厚み（１５μｍ）を、従来のオゾン発生器１０１の絶縁膜（５μｍ）よりも厚くしている。この耐熱ガラスは、従来の絶縁膜よりも厚みを厚く加工しやすい。また。絶縁基板の素材であるガラスは、絶縁膜の素材であるシリコン酸化膜やポリイミド等よりも、交流高電圧が印加された場合に劣化しにくい。また、絶縁基板の素材であるガラスは、絶縁膜の素材であるシリコン酸化膜やポリイミド等よりも、厚みを厚く加工しやすく、厚く加工した場合でも、絶縁膜自身の応力による膜の割れや剥がれが発生しないという利点がある。

そのため、放電素子１では、絶縁基板２の表面において連続放電を行ってプラズマを発生させても、プラズマの影響によるダメージを従来のオゾン発生器１０１よりも十分小さくすることができる。その結果、絶縁基板２において絶縁破壊が発生するまでの時間を、従来のオゾン発生器１０１よりも大幅に延ばすことができる。これにより、放電素子１では、オゾンを長時間発生させることができ、装置の信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の放電素子の製造方法について、図２と図３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、図２に示す製造フローで形成される放電素子の製造過程を模式的に示す図である。

（１）電極形成工程
まず、厚さ５００μｍの絶縁基板２を用意し、この絶縁基板２の電極３を形成する面に、フォトリソグラフィ法によりレジスト膜のパターンを形成した後に、Ｃｕ／Ｔｉ膜を蒸着する。一例として、Ｃｕ膜の厚みは３００ｎｍであり、Ｔｉ膜の厚みは５０ｎｍである。そして、レジスト膜を剥離（リフトオフ）することによって、図３（Ａ）に示すように、櫛形電極の電極３を形成する（Ｓ１）。

なお、電極３の材料はＣｕ／Ｔｉに限るものではなく、ガラス基板との密着性や放電時の電力への耐性が十分であれば、他の材料も可能である。電極３の形成法としてリフトオフを用いているが、全面成膜後に、エッチング液を用いてパターニングすることも可能である。

（２）フィルム貼り付け工程
図３（Ｂ）に示すように、絶縁膜４として使用するポリイミドフィルムを、真空ラミネータを用いて絶縁基板２の電極３を形成した面に貼りつける。その後、熱処理することでフィルムを硬化させる（Ｓ２）。

このとき、絶縁膜４として使用するポリイミドフィルムと、絶縁基板２や電極３と、の密着性が不十分な場合は、電極３上にプラズマＣＶＤやスパッタでＳｉＯ_２膜やＳｉＮ膜等の絶縁薄膜を全面形成後に、ポリイミドフィルムを貼りつけることも可能である。

また、本実施形態では絶縁膜４として単層のポリイミドフィルムを用いた例を示しているが、強度アップなどの目的で、フィルム状の絶縁膜としてエポキシ等の他の材料を用いることや、フィルム状の絶縁膜を２層構造にすることも可能である。

（３）絶縁基板薄肉化工程
図３（Ｃ）に示すように、絶縁基板２をグラインダで薄肉化後、研磨により鏡面加工を行う（Ｓ３）。

本発明では、放電開始電圧と信頼性のバランスを考慮して、研磨後の絶縁基板２の厚みを設定している。すなわち、絶縁基板２の厚みが厚すぎる場合、放電開始電圧が高くなる。また、絶縁基板２の厚みが薄すぎる場合、ガラス基板の寿命が短くなる。本発明では、実験の結果、一例として研磨後の絶縁基板２の厚みを１５μｍとすることで最も良い結果が得られた。

また、絶縁基板２を鏡面加工することで、絶縁基板２の表面の粗さが小さくなり（基板表面の凹凸がほとんどなくなり）、ピンホールもなくなる。そのため、交流高電圧を印加したときに、基板表面に電界集中が起こりにくくなり、絶縁基板２が受けるダメージを小さくすることができる。これにより、絶縁基板２の劣化をさらに遅らせることができ、放電素子１の信頼性をさらに向上させることができる。

（４）開口部形成工程
絶縁膜４において、外部電源７を接続して交流高電圧を印加するパッド３Ｐ１，３Ｐ２となる部分の樹脂を、レーザを照射して除去し、図３（Ｄ）に示すように、開口部５，６を形成する（Ｓ４）。放電素子１は、プラズマを発生させる絶縁基板の表面と異なる面に、パッド３Ｐ１，３Ｐ２を露出させる開口部が形成されるので、プラズマの影響を受けて、パッドから異常放電が発生するのを防止できる。また、プラズマの影響を受けてパッドが腐食するのを防止できる。

本実施形態では、レーザを照射して樹脂を除去することで開口部を形成しているが、これに限るものではなく、化学的なエッチングや感光性ポリイミドを用いて開口することも可能である。また、パッド３Ｐ１，３Ｐ２が薄い場合には、ステップＳ２の後に、ＵＢＭ（Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ｔｉ）をあらかじめ形成しておくことで、外部電源７を良好に接続できる。

（５）分割工程
複数の放電素子１を切断（ダイシング）して個片化する（Ｓ５）。

上記のような製造方法を用いることで、信頼性が高く優れた特性の放電素子１を製造できる。また、放電素子１は、上記のように簡素な構成なので、製造工程も簡素であり、大量生産が可能である。

以上のように、放電素子１では、プラズマを絶縁基板の表面に発生させ、絶縁基板として耐熱ガラス基板を薄肉化したものを使用することで、従来のようにＣＶＤ法により成膜したシリコン酸化膜等の絶縁膜に比べて厚膜化が可能となる。このため、連続放電においてガラス基板劣化による絶縁破壊までの時間を大幅に延ばすことができる。また、保護膜形成でＣＶＤやＲＩＥ法等の高価なプロセスを長時間使用することなく作製できるため、放電素子の製造コストをさらに抑制できる。

なお、絶縁基板２の電極３と対向する表面が、絶縁膜４の電極３と対向する表面よりも放電開始電圧が低くなるように構成する方法としては、絶縁基板２と絶縁膜４の厚みを調整する方法に限るものではない。例えば、絶縁基板２と絶縁膜４の材料や表面加工方法などにより調整できる。

１…放電素子
２…絶縁基板
３…電極
３Ｐ１、３Ｐ２…パッド
４…絶縁膜
５、６…開口部
７…外部電源
１０１…オゾン発生器
１０２…絶縁基板
１０３…電極
１０３Ｐ１、１０３Ｐ２…パッド
１０４…絶縁膜
１０５…開口部
１０７…外部電源
２００…オゾン

Claims

耐熱ガラスまたはセラミックスにより形成された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成され、交流高電圧が印加される電極と、
前記電極を被覆する絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁基板の前記電極と対向する表面側の放電開始電圧が、前記絶縁膜の前記電極と対向する表面側の放電開始電圧よりも低くなるように、前記絶縁基板および前記絶縁膜が形成されていることを特徴とする、放電素子。
前記絶縁基板は、前記電極と対向する表面が鏡面加工された、請求項１に記載の放電素子。
前記絶縁膜は、前記電極の前記交流高電圧を印加する部分に開口部を備えた、請求項１または２に記載の放電素子。
前記絶縁膜は、前記絶縁基板に貼り付けられたフィルムである、請求項１乃至３のいずれかに記載の放電素子。
交流高電圧が印加される電極を絶縁基板に形成する電極形成工程と、
フィルム状の絶縁膜を前記絶縁基板に貼り付けて、前記電極を前記絶縁膜により被覆するフィルム貼り付け工程と、
前記絶縁基板の表面を薄肉化する絶縁基板薄肉化工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成して、前記電極の前記交流高電圧が印加される部分を露出させる開口部形成工程と、
を備えた、放電素子の製造方法。