JP6821281B2 - 活性ガス生成装置 - Google Patents

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Description

この発明は、2つの電極を平行に設置して、両電極間に高電圧を印加し、放電を発生させたエネルギーで活性ガスを得る活性ガス生成装置に関する。
2つの電極を平行に設置して、両電極間に高電圧を印加し、両電極間の放電空間に放電現象を発生させたエネルギーで活性ガスを得る活性ガス生成装置は、一方の電極に交流の高電圧が印加され、他方の電極は接地レベル等の基準電圧に設定されるのが一般的である。
このような活性ガス生成装置は、高電圧の給電部となる一方の電極には数kVrms(Root Mean Square)の高電圧を印加している。また、一対の電極間に形成される放電空間以外の空間においては、そこに存在するガスが絶縁破壊しないよう給電部/接地部(他方の電極及びそれに電気的に接続される部品箇所)との距離は十分離している。しかしながら、ミクロ的な視点において給電部の金属部品の形状や表面状態によって周辺ガス層の絶縁破壊を引き起こすに足る電界強度の集中はどうしても避けられない。
そして、放電空間以外で絶縁破壊が発生した場合、近傍部品の構成元素の蒸発を招く現象が生じ、近傍部品が金属製の場合、上記現象が半導体成膜工程においてはメタルコンタミネーションの要因となってしまう。
このようなメタルコンタミネーションを考慮した活性ガス生成装置として例えば特許文献1で開示されたプラズマ発生装置や特許文献2で開示されたプラズマ処理装置がある。
特許文献1で開示されたプラズマ発生装置は、対向した高圧側電極構成部/接地側電極構成部間に設けた放電部で誘電体バリア放電を行い、そこに原料ガスを通すことで活性ガスを生成する装置である。この装置は、放電部と交流電圧印加部とが分離されておらず、同一空間に存在しており、原料ガスは交流電圧印加部を通過した後に放電空間へと供給され、最終的には処理チャンバーへと供給される。
特許文献2で開示されたプラズマ処理装置は、対向する電極構成部の外縁部に絶縁体を挿入・密閉する構造が用いられている。このような構造にすることにより、放電部から電極構成部が設置されている筐体(接地極を含む)への異常放電を抑制することを意図している。
特許第5694543号公報 特許第5328685号公報(図10)
しかしながら、特許文献1で開示されたプラズマ発生装置では、原料ガスの絶縁破壊による放電は必ずしも放電部でのみ発生する訳では無い。巨視的観点からは、絶縁距離を十分取ることで放電部以外での不要な放電を抑制するよう設計している。不要な放電として、例えば、交流電圧を印加している高圧側電極構成部の金属電極と電極構成部を収納している金属筐体間での異常放電が考えられる。
しかしながら、微視的観点にたつと交流電圧を印加する電流導入端子やそれに接続される金属部品等の表面には必ず凹凸が形成されており、その凸部周辺では場所によっては強電界領域が形成され、その結果ガスの絶縁破壊、すなわち異常放電が発生するという可能性を“0”をすることは非常に困難である。
したがって、特許文献1で開示されたプラズマ発生装置は、上述した絶縁破壊によって近傍に設置されている部品構成元素の蒸発を誘発し、それが原料ガスに混入して放電部・処理チャンバーへと供給されることで半導体のメタルコンタミネーションとなってしまう問題点があった。
また、特許文献2で開示されたプラズマ処理装置においても、異常放電が発生してしまった際のメタルコンタミネーション混入防止処置としては不十分である。なぜなら、放電部と交流電圧印加部は依然として同一空間内に存在しており、交流電圧印加部を経由した原料ガスが放電部へと進むことで活性ガスを生成する構造には変わりはないからである。すなわち、特許文献2で開示されたプラズマ処理装置は、特許文献1で開示されたプラズマ発生装置と同様にメタルコンタミネーションの発生が回避できないため、その分、生成する活性ガスの品質を劣化してしまう問題点があった。
本発明では、上記のような問題点を解決し、良質な活性ガスを生成することができる活性ガス生成装置を提供することを目的とする。
この発明に係る活性ガス生成装置は、第1の電極構成部と前記第1の電極構成部の下方に設けられる第2の電極構成部とを有する活性ガス生成用電極群と、前記第1及び第2の電極構成部に前記第1の電極構成部が高電圧となるように交流電圧を印加する交流電源部とを有する活性ガス生成装置であって、前記第1の電極構成部は、第1の誘電体電極と前記第1の誘電体電極の上面上に形成される第1の金属電極とを有し、前記第2の電極構成部は、第2の誘電体電極と前記第2の誘電体電極の下面上に形成される第2の金属電極とを有し、前記交流電圧の印加により前記第1及び第2の誘電体電極が対向する誘電体空間内において、前記第1及び第2の金属電極が平面視重複する領域である放電空間形成領域を放電空間として含み、前記交流電源部による前記交流電圧の印加により、前記放電空間に放電現象を発生させ、前記放電空間に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが前記第2の電極構成部に設けられたガス噴出口から噴出され、前記活性ガス生成装置は、前記活性ガス生成用電極群の側面及び上面を取り囲むように設けられる第1の補助部材と、上部の主要面上に前記活性ガス生成用電極群及び前記第1の補助部材を配置する第2の補助部材とを備え、前記第1及び第2の補助部材によって、前記活性ガス生成用電極群との間に前記放電空間と分離して交流電圧印加空間が形成され、前記第2の補助部材は、前記ガス噴出口から噴出される活性ガスを通過させる補助部材用ガス排出口を有し、前記第1及び第2の補助部材は一体的に連結され、前記活性ガス生成装置は、前記活性ガス生成用電極群及び前記第2の補助部材の全てと、前記第1の補助部材の少なくとも一部とを収容する空洞部を有する金属製の筐体をさらに備え、前記筐体は前記補助部材用ガス排出口を通過する活性ガスを外部に排出する筐体用ガス排出口を有し、前記筐体と前記第1及び第2の補助部材との間に筐体接触空間が設けられ、前記第1及び第2の補助部材は、前記交流電圧印加空間と独立して、外部から供給される原料ガスを前記放電空間に導く、原料ガス供給経路用の原料ガス流路を有することにより、前記放電空間と前記交流電圧印加空間とのガスの流れを分離し、前記活性ガス生成装置は、さらに、以下の特徴(1)〜(5)を有する、(1) 前記第2の電極構成部が前記第1の電極構成部を支持する態様で前記活性ガス生成用電極群が構成される、(2) 前記第1の誘電体電極は、前記放電空間形成領域以外の放電空間外領域において下方に突出する段差部を有し、前記段差部の形成高さによって前記放電空間のギャップ長が規定される、(3) 前記第1及び第2の誘電体電極はそれぞれ前記放電空間形成領域の厚みを、前記放電空間外領域より薄く形成する、(4) 前記筐体は空洞部外の上面のみにおいて、前記第1の補助部材と締結することにより、前記第1の補助部材の側面及び前記第2の補助部材の底面に接触することなく、空洞部内に前記筐体接触空間を形成する、(5) 前記第1及び第2の補助部材は全て金属材料で構成される。
請求項1記載の本願発明である活性ガス生成装置において、交流電圧印加空間は放電空間から分離して設けられており、第1及び第2の補助部材は、交流電圧印加空間と独立して、外部から供給される原料ガスを放電空間に導く、原料ガス供給経路用の原料ガス流路を有することにより、放電空間と交流電圧印加空間とのガスの流れを分離している。
このため、交流電圧印加空間で異常放電が発生した場合に生成される、第1の電極構成部の構成材料等の蒸発物質が、直接あるいは原料ガス供給経路を経由して放電空間に混入される混入現象を確実に回避することができる。
その結果、請求項1記載の本願発明である活性ガス生成装置は、上述した混入現象を確実に回避して、良質な活性ガスを外部に排出することができる効果を奏する。
請求項1記載の本願発明は、上記特徴(1)を有することにより第1及び第2の電極構成部間に位置ズレが生じにくい構造となるため、位置ズレに起因した隙間に異常放電が生じる可能性の低減化を図ることができる。
請求項1記載の本願発明は、上記特徴(2)を有することにより、ギャップ長を精度良く設定することができ、さらに、ギャップ長形成用のスペーサ等の他の部品を不要として製品コストの低減化を図ることができる。
請求項1記載の本願発明は、上記特徴(3)を有することにより、放電空間に放電現象を発生されるための印加電圧の増大を避け、異常放電が生じる可能性の低減化を図ることができる。さらに、第1及び第2の誘電体電極それぞれにおいて放電空間外領域の厚みを厚くすることにより、第1及び第2の電極構成部の強度向上を図ることができる。
請求項1記載の本願発明は、上記特徴(4)を有することにより、筐体と第1の補助部材とのシールは筐体の上面1箇所で済ますことができるため、その分、設計形状に余裕を持たせることができる。
請求項1記載の本願発明は、上記特徴(5)を有することにより、筐体と第1及び第2の補助部材との間に設けられた筐体接触空間に存在するガスによる絶縁破壊を効果的に防止することができる。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
この発明の実施の形態である活性ガス生成装置の断面構造を模式的に示す説明図である。 図1で示した活性ガス生成用電極群の断面構成を示す説明図である。 実施の形態の活性ガス生成装置の主要構成部を分解した状態で示す説明図である。 前提技術の活性ガス生成装置の断面構造を模式的に示す説明図である。 前提技術の活性ガス生成装置の主要構成部を分解した状態で示す説明図である。
<活性ガス生成装置の概略>
以下での述べる実施の形態で共通する活性ガス生成装置の特徴箇所について説明する。高圧側電極構成部及び接地側電極構成部を対向的に一対配置することにより、誘電体バリア放電の活性ガス生成用電極群としている。活性ガス生成用電極群において、高圧側電極構成部及び接地側電極構成部間に放電空間が形成される。
この活性ガス生成用電極群は金属製の筐体内に収納されており、活性ガス生成用電極群及び筐体を含む活性ガス生成装置はシリコンウェハーを成膜処理する処理チャンバーの直上に設置されている。高圧側電極構成部及び接地側電極構成部はそれぞれ誘電体電極表面の一部には金属電極がメタライズ処理されており、それによって誘電体電極と金属電極は一体形成されている。メタライズ処理は印刷焼成方法やスパッタリング処理、蒸着処理等を用いて形成されている。
金属電極には高周波電源が接続されている。接地側電極構成部は筐体と共に接地されており、基準電位に固定されている。高周波電源から活性ガス生成用電極群に10kHz〜100kHz、2〜10kVの交流電圧V0p(0ピーク値)を印加することにより、活性ガス生成用電極群の放電空間において誘電体バリア放電を発生させている。
活性ガス生成装置には外部からガス供給口(原料ガス流路)を経由して窒素や酸素、希ガス類や水素、弗素類の原料ガスを供給している。これら原料ガスが活性ガス生成用電極群の外周部に設けられた原料ガス供給経路を経由して内部の放電空間へと進み、放電空間にて活性化され、この活性ガスを含んだガスは接地側電極構成部に設けられたガス噴出口から筐体外部の処理チャンバーへと噴出され、成膜処理を行うものである。
<前提技術>
図4はこの発明の前提技術である活性ガス生成装置の断面構造を模式的に示す説明図である。図5は前提技術の活性ガス生成装置の主要構成部を分解した状態で示す説明図である。なお、図4及び図5それぞれにXYZ直交座標系を示している。
図5(b)及び図5(c)に示すように、活性ガス生成用電極群301は、高圧側電極構成部1A(第1の電極構成部)と高圧側電極構成部1Aの下方に設けられる接地側電極構成部2A(第2の電極構成部)とを有している。
接地側電極構成部2Aは誘電体電極211と金属電極201H及び201Lとを有しており、誘電体電極211はX方向を長手方向、Y方向を短手方向とした長方形状の平板構造を呈している。
誘電体電極211に関し、中央においてX方向に沿って、複数のガス噴出口55が設けられる。複数のガス噴出口55はそれぞれ誘電体電極211の上面から下面に貫通して設けられる。
さらに、クサビ形段差形状部51は、平面視して複数のガス噴出口55に重複することなく、平面視して複数のガス噴出口55それぞれに近づくに従いY方向の形成幅が短くなるように形成される。具体的には、5つのガス噴出口55間に平面視菱形状に形成され、互いに離散した4つの菱形単体部51sと、5つのガス噴出口55のうち両端のガス噴出口55の外側に設けられた平面視略二等辺三角形状の2つの三角単体部51tとの集合体によりクサビ形段差形状部51が形成される。
加えて、誘電体電極211はX方向の両端側に上方に突出して形成される直線形段差形状部52A及び52Bをさらに有している。直線形段差形状部52A及び52Bは平面視して、誘電体電極211の短手方向の全長に亘ってY方向に延びて形成され、クサビ形段差形状部51の形成高さと共に直線形段差形状部52A及び52Bの形成高さにより、放電空間66におけるギャップ長を規定している。
図5(b)に示すように、金属電極201H及び201Lは誘電体電極211の下面上に形成され、平面視して誘電体電極211の中央領域を挟んで互いに対向して配置される。金属電極201H及び201Lは平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、X方向に直角に交差するY方向を互いに対向する方向としている。
なお、金属電極201H及び201Lは誘電体電極211の下面にてメタライズ処理されることにより形成され、その結果、誘電体電極211と金属電極201H及び201Lとは一体形成されて接地側電極構成部2Aを構成する。メタライズ処理として印刷焼成方法やスパッタリング処理、蒸着処理等を用いた処理が考えられる。
一方、高圧側電極構成部1Aの誘電体電極111は誘電体電極211と同様、X方向を長手方向、Y方向を短手方向とした長方形状の平板構造を呈している。なお、誘電体電極111及び誘電体電極211は例えばセラミックを構成材料としている。
また、金属電極101H及び101Lは誘電体電極111の上面上に形成され、平面視して誘電体電極211の中央領域に対応する同形状の中央領域を挟んで互いに対向して配置される。この際、金属電極101H及び101Lは、金属電極201H及び201Lと同様、平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、X方向に直角に交差するY方向を互いに対向する方向としている。金属電極101H及び101Lも、金属電極201H及び201Lと同様にメタライズ処理により誘電体電極111の上面上に形成することができる。
そして、図5(c)に示すように、接地側電極構成部2A上に高圧側電極構成部1Aを配置することにより活性ガス生成用電極群301を組み立てることができる。この際、高圧側電極構成部1Aにおける誘電体電極111の中央領域と、接地側電極構成部2Aにおける誘電体電極211の中央領域とが平面視重複するように位置決めしつつ、高圧側電極構成部1Aを接地側電極構成部2A上に積み上げて組み合わせることにより、最終的に活性ガス生成用電極群301を完成することができる。
なお、活性ガス生成用電極群301のX方向に延びる両側面の直線形段差形状部52A及び52B間において一対のスペーサ37が設けられる。一対のスペーサ37は高圧側電極構成部1A,接地側電極構成部2A間に設けられ、上述したクサビ形段差形状部51、直線形段差形状部52A及び52Bと共に、その形成高さにより、放電空間66におけるギャップ長を規定している。スペーサ37は非金属材料で構成されており、誘電体電極111及び211と同じ材質で形成することが望ましい。
さらに、一対のスペーサ37にはY方向に延びる複数の貫通口37hが設けられ、活性ガス生成用電極群301の外部から、複数の貫通口37hを介して高圧側電極構成部1A及び接地側電極構成部2A間の放電空間66内に原料ガスを供給することができる。
活性ガス生成用電極群301を構成する誘電体電極111と誘電体電極211とが対向する誘電体空間内において、金属電極101H及び101Lと金属電極201H及び201Lとが平面視重複する領域が放電空間として規定される。
金属電極101H及び101L並びに金属電極201H及び201Lには、(高圧)高周波電源5(交流電源部)に接続されている。具体的には、接地側電極構成部2Aの金属電極201H及び201Lは、金属筐体34及び電極構成部設置台33の内部に選択的に設けられたけられた金属部品(図示せず)を介して接地されており、本実施の形態では、高周波電源5より0ピーク値を2〜10kVで固定して、周波数を10kHz〜100kHzで設定した交流電圧を金属電極101H及び101L,金属電極201H及び201L間に印加している。なお、電極構成部設置台33は上記金属部品を除き絶縁性を有する構成材料で形成されており、例えばセラミックを構成材料としている。また、上記金属部品の設置態様としては、後述する活性ガス排出口33kのように電極構成部設置台33を上下に貫通するくり抜き穴を複数個設け、複数のくり抜き穴内それぞれに接地側電極構成部2Aの金属電極201H及び201Lと金属筐体34とを電気的に接続するように、上記金属部品を設ける等の態様が考えられる。
そして、前提技術の活性ガス生成装置は、図4に示すように、上述した構成の活性ガス生成用電極群301(高圧側電極構成部1A,接地側電極構成部2Aを含む)が金属筐体34内にカバー31、カバー32及び電極構成部設置台33を用いて収容されている。
前述したように、活性ガス生成用電極群301に対し高圧側電極構成部1Aが高電圧となるように交流電圧を印加する高周波電源5(交流電源部)が設けられる。高周波電源5による交流電圧の印加により、高圧側電極構成部1A及び接地側電極構成部2A間に放電空間66が形成され、この放電空間66に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが接地側電極構成部2Aに設けられた複数のガス噴出口55から下方に向けて噴出される。
カバー31及び32の組み合わせ構造で構成される第1の補助部材は、高圧側電極構成部1Aとにより、放電空間66と分離した交流電圧印加空間R31を形成するように、高圧側電極構成部1Aの上方に設けられる。
一方、第2の補助部材である電極構成部設置台33は、その主要面33b(図5(d)参照)上に接地側電極構成部2Aの下面全面を配置し、活性ガス生成用電極群301を接地側電極構成部2A側から支持している。また、電極構成部設置台33の外周部は主要面33bより上方(+Z方向)に突出している外周突出部33xを有しており、外周突出部33xにより活性ガス生成用電極群301全体を囲んでおり、外周突出部33xとスペーサ37との間が側面空間R33(図4,図5(c)参照)となる。
また、図4及び図5(d)に示すように、電極構成部設置台33は複数のガス噴出口55から噴出される活性ガスを通過させ、下方に導く複数の活性ガス通過口33i及び複数の活性ガス排出口33kを有している。複数の活性ガス通過口33iは複数のガス噴出口55と平面視一致するように配置され、複数の活性ガス通過口33iの下方に複数の活性ガス排出口33kがそれぞれ設けられる。活性ガス通過口33i及び活性ガス排出口33kの組み合わせにより、対応するガス噴出口55から噴出される活性ガスを通過させる補助部材用ガス排出口が構成される。
第1の補助部材の一部を構成するカバー32は、図5(a)に示すように、平面視して矩形環状に形成され、高圧側電極構成部1Aの端部及び電極構成部設置台33の外周突出部33x上に配置される。カバー32の内周領域である中空領域32cは平面視して高圧側電極構成部1Aの形状より小さく、高圧側電極構成部1A内に収まるように高圧側電極構成部1A上に配置される。一方、電極構成部設置台33の外周領域は、平面視して高圧側電極構成部1Aより大きく、高圧側電極構成部1A全体を含むように配置される。
さらに、カバー32は、図4及び図5(a)に示すように、カバー32を垂直方向(Z方向)に貫通する原料ガス流路32hを有している。原料ガス流路32hはカバー32のX方向に延びる長辺領域において、中央部にX方向に延びて直線状に形成される。そして、原料ガス流路32hの下方に側面空間R33が位置する。
さらに、カバー32上にカバー31が配置される。カバー31は下部が平面視して、カバー32と同一の矩形環状に形成され、上部が平面視して矩形状に形成され、上部の端部が金属筐体34の上面上に配置される。カバー31の内周領域である中空領域31cは平面視してカバー32の中空領域32cと同一形状を呈している。そして、カバー31の上部の端部がボルト等の固定手段を用いて、金属筐体34の上面に固定される。
図4に示すように、カバー31は垂直方向に貫通する原料ガス流路31hを有しており、原料ガス流路31hは円柱状に形成されており、原料ガス流路31hの下方に原料ガス流路32hの一部が位置する。なお、原料ガス流路31hを原料ガス流路32hと同様に、カバー31のX方向に延びる長辺領域において、中央部にX方向に延びて直線状に形成し、原料ガス流路31hの下方に原料ガス流路32hの全体が位置するようにしても良い。
さらに、カバー31は上部において、垂直方向に貫通する,原料ガス以外の第2ガスであるパージガス用の第2ガス供給口であるパージガス供給口31pと第2ガス排出口であるパージガス排出口31eとを有している。パージガス供給口31p及びパージガス排出口31eはそれぞれ円柱状に設けられる。パージガス供給口31p及びパージガス排出口31eは共に下方が中空領域31cに達するように設けられる。また、パージガス供給口31p及びパージガス排出口31eは原料ガス流路31hとは独立して設けられており、パージガスと原料ガスとが混在することがないようにしている。なお、パージガス供給口31pから供給するパージガスとして、窒素あるいは不活性ガスが用いられる。また、パージガス供給口31p及びパージガス排出口31eは放電空間66及び後述する筐体接触空間R34とも独立して形成されている。
カバー31及び32の組み合わせ構造により構成される第1の補助部材によって、高圧側電極構成部1Aの上方に、カバー31の中空領域31cとカバー32の中空領域32cとからなる交流電圧印加空間R31が設けられる。
前述したように、カバー31及び32は共に平面視して矩形環状に形成されているため、交流電圧印加空間R31は高圧側電極構成部1A、カバー31及び32により、他の空間とは完全に分離された独立した空間となる。側面空間R33もカバー32の底面と電極構成部設置台33の主要面33bの端部領域と外周突出部33xとにより、放電空間66及び原料ガス流路31h及び32hを除く他の空間から完全に分離されている。
加えて、原料ガス流路31h、原料ガス流路32h、側面空間R33及びスペーサ37に設けられる複数の貫通口37hによって、原料ガス流路31hの上方である外部から放電空間66に繋がる原料ガス供給経路を形成している。この際、原料ガス流路31h及び32hは中空領域31c及び32cと独立して設けられる。
したがって、原料ガス流路31h及び32h、側面空間R33並びにスペーサ37の複数の貫通口37hによって、原料ガス流路31hの上方から放電空間66に導く原料ガス供給経路は、交流電圧印加空間R31から独立して形成される。
その結果、原料ガス供給経路を介して交流電圧印加空間R31と放電空間66とが空間的に繋がることはいため、交流電圧印加空間R31は放電空間66とのガスの流れを完全に分離することができる。
なお、カバー32は非金属材料を構成材料としている。カバー32は、原料ガス流路32h内で異常放電が発生しても対応可能なように、誘電体電極111及び211の構成材料と同一材料を構成材料とすることが望ましい。また、カバー31は金属材料を構成材料とした金属製である。カバー31を電界強度が低い領域に設置すべく、カバー32の形成高さは、高電圧印加領域である金属電極101H及び101Lから十分な距離を確保するよう設定される。
また、活性ガスによって生成される生成デバイスによっては混入しても問題の無い絶縁物質、例えば石英や窒化シリコン等をカバー32の構成材料としても良い。この場合、仮に原料ガス供給経路(例えばカバー32やスペーサ37)で異常放電が発生してその構成元素が蒸発し、原料ガス中に混入しても成膜処理上は全く問題が無い。
このように、強電界領域である高圧側電極構成部1Aに比較的近い位置に設けられる原料ガス供給経路から金属材料を完全に排除することにより、金属部品由来のメタルコンタミネーションを防止することが可能となる。
金属製の筐体である金属筐体34は、活性ガス生成用電極群301(高圧側電極構成部1A,接地側電極構成部2A)、カバー32及び電極構成部設置台33の全てと、カバー31の下部を内部の空洞部内に収容する。
金属筐体34の空洞部の底面34b上に電極構成部設置台33が配置され、この際、活性ガス排出口33kの下方に活性ガス排出口34k(筐体用ガス排出口)が位置する。したがって、ガス噴出口55から噴出される活性ガスは、ガスの流れ8に沿って、活性ガス通過口33i、活性ガス排出口33k及び活性ガス排出口34kを介して、下方に設けられる外部の処理チャンバー等に噴出される。
また、金属筐体34の空洞部の側面34dと電極構成部設置台33、カバー32、及びカバー31の下部の側面領域、並びにカバー31の上部の底面領域の一部との間に筐体接触空間R34が設けられる。このように、カバー31及び32並びに電極構成部設置台33の外部において金属筐体34との間に筐体接触空間R34が設けられる。筐体接触空間R34は主として活性ガス生成用電極群301の金属電極101H及び101Lとの絶縁距離を確保するため設けられる。
前述したように、交流電圧印加空間R31は高圧側電極構成部1A、カバー31及び32により、他の空間から完全に独立した内部空間となるように構成されており、放電空間66も原料ガス供給経路以外を除き他の空間から独立した内部空間となるように構成されている。したがって、筐体接触空間R34は交流電圧印加空間R31及び放電空間66それぞれと分離して設けられる。
さらに、原料ガス供給経路用の原料ガス流路31h,32hを筐体接触空間R34と独立して設けることにより、放電空間66に至る上述した原料ガス供給経路も他の空間から独立した内部空間となるように構成されているため、放電空間66と筐体接触空間R34とのガスの流れを完全に分離している。
このように、交流電圧印加空間R31、放電空間66、並びに原料ガス流路31h及び32hを含む原料ガス供給経路はそれぞれ、筐体接触空間R34との間にガスの流れが分離されるように、筐体接触空間R34から独立して設けられる。
また、カバー31とカバー32との接触面において原料ガス流路31h及び32hを取り囲むようにOリング70が設けられる。同様にして、カバー32と電極構成部設置台33との接触面においての原料ガス流路32h及び側面空間R33を取り囲むようにOリング70が設けられる。これらのOリング70によって原料ガス供給経路の他の空間との間の密封度合を高めている。
また、接地側電極構成部2Aと電極構成部設置台33との接触面において活性ガス通過口33iを取り囲むようにOリング70が設けられ、電極構成部設置台33と金属筐体34との接触面において活性ガス排出口33k及び34kを取り囲むようにOリング70が設けられる。これらのOリング70によって活性ガス通過口33i、活性ガス排出口33k及び活性ガス排出口34kの他の空間との間の密封度合を高めている。また、図4において、小さい丸印はいずれもOリング70を示している。
以下、前提技術の活性ガス生成装置の効果について説明する。
前提技術の活性ガス生成装置において、交流電圧印加空間R31は放電空間66から分離して設けられており、カバー31及び32より構成される第1の補助部材は、交流電圧印加空間R31と独立して、外部から供給される原料ガスを放電空間66に導く、原料ガス供給経路用の原料ガス流路31h及び32hを有することにより、放電空間66と交流電圧印加空間R31とのガスの流れを完全分離している。
このため、交流電圧印加空間R31で異常放電D2が発生した場合に生成される、高圧側電極構成部1A(特に金属電極101H及び101L)の構成材料等の蒸発物質が、直接あるいは原料ガス供給経路を経由して放電空間66に混入される第1の混入現象を確実に回避することができる。
加えて、前提技術の活性ガス生成装置において、筐体接触空間R34は放電空間66から分離して設けられており、カバー31及び32より構成される第1の補助部材は、筐体接触空間R34と独立して、原料ガス供給経路用の原料ガス流路31h及び32hを有することにより、放電空間66と筐体接触空間R34とのガスの流れを完全分離している。
このため、筐体接触空間R34における異常放電D3等により生成された蒸発物質が放電空間66に混入する第2の混入現象も確実に回避することができる。
その結果、前提技術の活性ガス生成装置は、上述した第1及び第2の混入現象を確実に回避することができるため、良質な活性ガスを外部に排出することができる効果を奏する。
さらに、前提技術の活性ガス生成装置は、原料ガス以外の第2のガスとしてパージガスをパージガス供給口31pから交流電圧印加空間R31内に供給することができる。このため、交流電圧印加空間R31内に異常放電が発生した場合に生成される蒸発物質をパージガス排出口31eから外部に除去することができる。
なお、上記した原料ガス供給経路は交流電圧印加空間R31と独立して設けられているため、パージガスの供給によって原料ガスが影響を受けることはない。
<前提技術の課題>
(第1の課題)
カバー31、カバー32及び電極構成部設置台33(以下、「カバー31等」と略記する場合あり)と金属筐体34との間において垂直方向に各2か所にてシールを実施している。
具体的には、金属筐体34の上面においてカバー31との間に設けられるOリング70と、金属筐体34の空洞部の底面34bにおいて電極構成部設置台33との間に設けられるOリング70とによって、カバー31等と金属筐体34との間におけるシールが実施される。
カバー31等の垂直方向の位置決めは、Oリング70による2つのシール箇所のうち、どちらか一方のシール箇所で実施しなくてはならず、その場合、もう一方のシール箇所は、Oリング70の潰し代以下の寸法公差を設ける必要があるため、幾何公差や寸法公差等、非常に厳しい設計形状となる。その結果、2つのシール箇所において共にシールが確実に実施できなくなったり、加工費の増大が発生したりする恐れがあった。
(第2の課題)
図4で図示しているOリング70の全ての締め付けを、カバー−31と金属筐体34との間におけるボルト等の締付機構76による締め付けのみで行っている。この場合、トータルとしての締付機構76へのボルト軸力を相当大きなものとする必要が生じ、それによる非金属部品である電極構成部設置台33やカバー32への破損リスクが増大してしまい、同時に各Oリング70が確実にシールされない可能性が発生する。
(第3の課題)
接地側電極構成部2Aと電極構成部設置台33との間に設けている中央部近辺のOリング70を直上から押し付ける機構が無い。前提技術の場合、接地側電極構成部2Aに加えた締付力は接地側電極構成部2A自体を経由して、下方のOリング70を押さえる形態となるため、過度の曲げ強度が接地側電極構成部2Aに発生して破損リスクが高まり、かつ、下方のOリング70のシールを確実に実施することができない可能性がある。
(第4の課題)
活性ガス生成用電極群301を接地側電極構成部2A側から支持する電極構成部設置台33を活性ガス生成用電極群301の別部品として設けているため、接地側電極構成部2Aと電極構成部設置台33との間にわずかな隙間が生じた場合でも、その隙間において異常放電が発生する可能性があった。
異常放電の発生を抑制するためには寸法公差・幾何公差を相当厳しくして、接地側電極構成部2Aと電極構成部設置台33との寸法精度を高める必要がある。しかしながら、接地側電極構成部2Aを構成する誘電体電極211は、望まれる公差レベルでの加工が難しい場合や加工費用が増大するというもリスクがあった。
(第5の課題)
前提技術は、全体的にOリング70の数が多過ぎる。Oリング70の個数の増大は締付力の増大を招くだけでは無く、リークリスクを高めることとなる問題点があった。
(第6の課題)
前提技術は、放電空間66や金属筐体34の空洞部の底面34bの近傍等、高温になる箇所にOリング70を設けている。Oリング70は一般的に、その耐熱上限温度以下であってもその温度に近い領域では構成物質の蒸発が生じかつ微小リークが発生することが知られている。
(第7の課題)
筐体接触空間R34が周囲をOリング70にてシールされた閉空間となっている。組立時には既に閉空間となっているため筐体接触空間R34は大気圧であり、運転開始によって金属筐体34の温度が上昇した場合、その熱伝導によって筐体接触空間R34内のガスの温度が上昇する。しかし、筐体接触空間R34は閉空間であるためガスの逃げ場が存在せず圧力の上昇を招き、結果的に金属筐体34やカバー32等に対する過大な荷重源となってしまう懸念がある。
(第8の課題)
図5に示すように、高圧側電極構成部1Aと接地側電極構成部2A間の放電空間66のギャップ長を規定するための部位としてクサビ形段差形状部51、直線形段差形状部52A及び52B、スペーサ37が設けられている。
クサビ形段差形状部51、直線形段差形状部52A及び52Bは接地側電極構成部2A上にあって同一部品であるため、高さを揃え易い。一方、スペーサ37はそれらとは別部品であり、お互いの高さを合わせるためには接地側電極構成部2A、スペーサ37共に寸法公差・幾何公差を厳しくする必要がある。しかしながら、寸法公差・幾何公差を厳しくしても、クサビ形段差形状部51、直線形段差形状部52A及び52Bとスペーサ37との間で形成高さが完全に一致することはなく、両者の誤差によって生じた隙間から本来望んでいないガスの漏洩が生じることとなる。
またスペーサ37については複数の貫通口37hが設けられているが、微細穴であるがために加工工数の増大や穴寸法公差のバラツキによるガス流量の偏り、穴表面を滑らかにできないためにパーティクルの発塵源となる可能性など多種多様なリスクを考えられる。
また、スペーサ37はカバー32と高圧側電極構成部1AとをシールするOリング70に対する荷重を受けるために設けられているため、省略することは困難であった。
このように、図4及び図5による前提技術は、上述した効果を奏する反面、上述した第1〜第8の課題を残しており改善の余地がある。そこで、前提技術の課題の解決を図ったのが以下で述べる実施の形態である。
<実施の形態>
図1はこの発明の実施の形態である活性ガス生成装置の断面構造を模式的に示す説明図である。図2は活性ガス生成用電極群300の断面構成を示す説明図である。図3は実施の形態の活性ガス生成装置の主要構成部を分解した状態で示す説明図である。なお、図1〜図3それぞれにXYZ直交座標系を示している。
図2,図3(b)及び図3(c)に示すように、活性ガス生成用電極群300は、高圧側電極構成部1X(第1の電極構成部)と高圧側電極構成部1Xの下方に設けられる接地側電極構成部2X(第2の電極構成部)とを有している。
高圧側電極構成部1Xの誘電体電極110(第1の誘電体電極)及び接地側電極構成部2Xの誘電体電極210(第2の誘電体電極)は、X方向を長手方向、Y方向を短手方向とした長方形状の平板構造を呈している。なお、誘電体電極110及び誘電体電極210は例えばセラミックを構成材料としている。
図2及び図3(b)に示すように、平面視して誘電体電極110の中央領域を挟んで互いに対向してX方向に沿って、誘電体電極110の上面から下方(−Z方向)に凹んだ一対の放電用窪み116が設けられる。そして、一対の放電用窪み116の窪み面に金属電極100H及び100L(第1の金属電極)が設けられる。
このように、第1の金属電極である金属電極100H及び100Lは、第1の誘電体電極である誘電体電極110の上面(放電用窪み116の窪み面)に形成され、平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、X方向に直角に交差するY方向を互いに対向する方向としている。
金属電極100H及び100Lは誘電体電極110の上面にてメタライズ処理されることにより形成することができる。
図2及び図3(c)に示すように、誘電体電極210の中央領域においてX方向に沿って、複数のガス噴出孔25が設けられる。複数のガス噴出孔25はそれぞれ誘電体電極210の上面から下面に貫通して設けられ、複数のガス噴出孔25の下方に複数のガス通過口25iがそれぞれ設けられる。ガス噴出孔25及びガス通過口25iは円柱状に形成され、ガス通過口25iはガス噴出孔25より広い底面を有している。なお、図3(c)ではガス通過口25iの図示を省略し、ガス噴出孔25のみを代表して示している。
図2及び図3(c)に示すように、平面視して誘電体電極210の中央領域を挟んで互いに対向しX方向に沿って、誘電体電極210の下面から上方(+Z方向)に凹んだ一対の放電用窪み126が設けられる。そして、一対の放電用窪み126の窪み面に金属電極200H及び200L(第2の金属電極)が設けられる。なお、平面視して金属電極200H及び200Lを囲むように、リング71形成用のOリング溝82が誘電体電極210の上面内に設けられる。
このように、第2の金属電極である金属電極200H及び200Lは第2の誘電体電極である誘電体電極210の下面(放電用窪み126の窪み面)に形成され、平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、X方向に直角に交差するY方向を互いに対向する方向としている。
なお、金属電極200H及び200Lは誘電体電極210の下面にてメタライズ処理されることにより形成される。
活性ガス生成用電極群300は、接地側電極構成部2Xが高圧側電極構成部1Xを支持する態様で設けられる。
なお、活性ガス生成用電極群300を組み立てる際、高圧側電極構成部1Xにおける誘電体電極110の中央領域と、接地側電極構成部2Xにおける誘電体電極210の中央領域とが平面視重複するように位置決めしつつ、高圧側電極構成部1Xを接地側電極構成部2X上に積み上げて、最終的に活性ガス生成用電極群300を完成することができる。その後、高圧側電極構成部1Xの誘電体電極110と接地側電極構成部2Xの誘電体電極210とをボルト等の締付機構(図示せず)で締め付け一体化する。
活性ガス生成用電極群300を構成する誘電体電極110と誘電体電極210とが対向する誘電体空間内において、金属電極100H及び100Lと金属電極200H及び200Lとが平面視重複する放電空間形成領域R68内に存在する空間が放電空間68がとして規定される。したがって、誘電体電極110の放電空間形成領域R68に放電用窪み116が設けられ、誘電体電極210の放電空間形成領域R68に放電用窪み126が設けられる。
図2に示すように、誘電体電極110は、放電空間形成領域R68以外の領域である放電空間外領域に、放電空間形成領域R68に比べ下面が下方(−Z方向)に形成深さS15分、突出する段差部115H、115M及び115Lを有しており、これら段差部115H、115M及び115Lの形成深さS15によって放電空間68のギャップ長を規定している。
さらに、高圧側電極構成部1Xの誘電体電極110は放電空間形成領域R68の厚みを比較的薄くし、かつ、上記放電空間外領域を比較的厚くして強度を保っている。
すなわち、図2に示すように、放電用窪み116の下方への窪み深さをS16とすると、誘電体電極110において、放電空間形成領域R68は上記放電空間外領域と比較して、「S16+S15」程度薄く形成することができる。
接地側電極構成部2Xの誘電体電極210は放電空間形成領域R68の厚みを比較的薄くし、かつ、上記放電空間外領域を比較的厚くして強度を保っている。
すなわち、図2に示すように、放電用窪み126の上方への窪み深さをS26とすると、誘電体電極120において、放電空間形成領域R68は上記放電空間外領域と比較して、「S26」程度薄く形成することができる。なお、誘電体電極210の上面は放電空間形成領域R68及び上記放電空間外領域間に段差を生じさせることなく平らな面となっている。
このように、接地側電極構成部2Xの誘電体電極210は比較的高い強度を有しているため、接地側電極構成部2Xによって高圧側電極構成部1Xを安定性良く支持することができる。
金属電極100H及び100L並びに金属電極200H及び200Lには、(高圧)高周波電源5(交流電源部)に接続されている。具体的には、接地側電極構成部2Xの金属電極200H及び200Lは、冷却台13と金属部品(図示せず)を介して接地されており、本実施の形態では、高周波電源5より0ピーク値を2〜10kVで固定して、周波数を10kHz〜100kHzで設定した交流電圧を金属電極100H及び100L,金属電極200H及び200L間に印加している。
そして、本実施の形態の活性ガス生成装置は、図1に示すように、上述した構成の活性ガス生成用電極群300が金属筐体14内にカバー11、カバー12及び冷却台13を用いて収容されている。
前述したように、活性ガス生成用電極群300に対し高圧側電極構成部1Xが高電圧となるように交流電圧を印加する高周波電源5が設けられる。高周波電源5による交流電圧の印加により、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2X間の放電空間68に放電現象(誘電体バリア放電)が発生し、この放電空間68に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが接地側電極構成部2Xに設けられた複数のガス噴出孔25から下方に向けて噴出される。
第1の補助部材であるカバー11及び12の組み合わせ構造と第2の補助部材である冷却台13とは、高圧側電極構成部1Xの上方を主要領域として、活性ガス生成用電極群300との間に交流電圧印加空間R11を形成するように設けられる。
すなわち、図1及び図3(a)に示すように、カバー12を活性ガス生成用電極群300の周辺を囲むように設け、カバー12上に配置されるカバー11が高圧側電極構成部1Xの上方に位置するように設けることにより、カバー11及びカバー12によって、活性ガス生成用電極群300の側面及び上面を取り囲む。一方、冷却台13は、主要面13b(図3(d)参照)上に活性ガス生成用電極群300の接地側電極構成部2Xを配置する。その結果、カバー11、カバー12及び冷却台13によって、交流電圧印加空間R11を形成することができる。
なお、接地側電極構成部2Xにおける誘電体電極210は上記放電空間外領域が放電空間形成領域R68より厚く形成されているため、冷却台13は、金属電極200H及び200Lは主要面13bに接触することなく、誘電体電極210のみが主要面13bに接触する態様で、接地側電極構成部2X側から活性ガス生成用電極群300を載置することができる。
また、図1及び図3(d)に示すように、冷却台13は複数のガス噴出孔25及び複数のガス通過口25iから噴出される活性ガスを通過させ、下方に導く複数の活性ガス排出口13kを有している。複数の活性ガス排出口13kは複数のガス通過口25iと平面視一致するように配置され、活性ガス排出口13kは、対応するガス噴出孔25及びガス通過口25iから噴出される活性ガスを通過させる補助部材用ガス排出口として機能する。
なお、冷却台13の主要面13b内において、平面視して複数の活性ガス排出口13kを囲むように、リング71形成用のOリング溝83が設けられ、原料ガス流路13hの周辺にOリング72形成用のOリング溝86が設けられ、冷却水経路13wの周辺にOリング72形成用のOリング溝87が設けられる。
第1の補助部材の一部を構成するカバー12は、図3(a)に示すように、平面視して矩形環状に形成され、活性ガス生成用電極群300全体を囲むようにして冷却台13上に配置される。
したがって、カバー12の内周領域である中空領域12cは内部に活性ガス生成用電極群300を収容すべく、平面視して活性ガス生成用電極群300より少し大きく設けられる。
一方、冷却台13の主要面13bの形成面積は、平面視して活性ガス生成用電極群300より大きくカバー12の外周面積と同程度に設定されており、活性ガス生成用電極群300及びカバー12を主要面13b上に配置可能にしている。
さらに、カバー12は、図1及び図3(a)に示すように、カバー12を垂直方向(Z方向)に貫通する円柱状の原料ガス流路12hを有している。そして、原料ガス流路12hの下方に冷却台13の原料ガス流路13hが位置する。
図1及び図3(d)に示すように、原料ガス流路13hは、カバー12の表面から垂直方向(−Z方向)に延びた後、中途で屈曲して水平方向(+Y方向)に延びて形成されている。さらに、原料ガス流路13hに繋がる原料ガス流路13mが原料ガス流路13hの端部から垂直方向(+Z方向)に沿って主要面13bまで延びて形成される。
図1に示すように、原料ガス流路13mの上方に接地側電極構成部2Xの誘電体電極210に設けられる原料ガス流路2mが位置する。そして、図2に示すように、原料ガス流路2mは放電空間68に繋がるように誘電体電極210内に設けられる。
カバー12は、図1及び図3(a)に示すように、カバー12を垂直方向(Z方向)に貫通する円柱状の冷却水経路12wをさらに有している。そして、冷却水経路12wの下方に冷却台13の冷却水経路13wが位置する。
また、図3(a)に示すように、カバー12の上面内において、中空領域12cの外周に沿った領域にOリング71形成用のOリング溝81が設けられ、原料ガス流路12hの周辺にOリング72形成用のOリング溝84が設けられ、冷却水経路12wの周辺にOリング72形成用のOリング溝85が設けられる。
図1及び図3(d)に示すように、冷却水経路13wは冷却台13の表面から垂直方向(−Z方向)に延び、中途で屈曲して水平方向に延びる。水平方向に延びて形成される冷却水経路13wは図1では一部しか示されていないが、実際には冷却台13の全体に亘って、外部との間で冷却水が循環可能に設けられる。
さらに、カバー12上にカバー11が配置される。カバー11は下部が平面視して、カバー12と同一の矩形環状に形成され、上部が平面視して矩形状に形成され、上部の端部が金属筐体14の上面上に配置される。そして、カバー11の内周領域とカバー12の内周領域(中空領域12c)とによって、活性ガス生成用電極群300の上面及び側面を囲む交流電圧印加空間R11が形成される。
このように、カバー11、カバー12及び冷却台13によって活性ガス生成用電極群300を完全に囲むことにより、主として高圧側電極構成部1Xの上方に閉空間となる交流電圧印加空間R11を形成している。
なお、カバー11,カバー12間、カバー12,冷却台13間は図示しないボルト等の締付機構を用いて固定され、カバー11、カバー12及び冷却台13は一体的に連結される。
そして、一体構造のカバー11、カバー12及び冷却台13に関し、金属筐体14の上面のみにおいて、締付機構76によってカバー11の上部と金属筐体14とが締結されている。
図1に示すように、カバー11は垂直方向に貫通する原料ガス流路11hを有しており、原料ガス流路11hは円柱状に形成されており、原料ガス流路11hの下方に原料ガス流路12hの一部が位置する。
加えて、図1に示すように、カバー11は垂直方向に貫通する冷却水経路11wを有しており、冷却水経路11wは円柱状に形成されており、冷却水経路11wの下方に冷却水経路12wが位置する。
さらに、カバー11は上部において、垂直方向に貫通する,原料ガス以外の第2ガスであるパージガス用の第2ガス供給口であるパージガス供給口11pと第2ガス排出口であるパージガス排出口11eとを有している。パージガス供給口11p及びパージガス排出口11eはそれぞれ円柱状に設けられる。パージガス供給口11p及びパージガス排出口11eは共に下方が交流電圧印加空間R11に達するように設けられる。また、パージガス供給口11p及びパージガス排出口11eは原料ガス流路11h及び冷却水経路11wとは独立して設けられており、パージガスと原料ガスや冷却水とが混在することがないようにしている。なお、パージガス供給口11pから供給するパージガスとして、窒素あるいは不活性ガスが用いられる。また、パージガス供給口11p及びパージガス排出口11eは放電空間68及び筐体接触空間R14とも独立して形成されている。
前述したように、カバー11の下部及びカバー12の全体は共に平面視して矩形環状に形成されており、カバー12の中空領域12c内に活性ガス生成用電極群300が位置するように冷却台13上に活性ガス生成用電極群300が載置されているため、交流電圧印加空間R11はカバー11、カバー12及び冷却台13内に形成される閉空間となり、他の空間とは完全に分離された独立した空間となる。
加えて、原料ガス流路11h、原料ガス流路12h、原料ガス流路13h、原料ガス流路13m、及び原料ガス流路2mを介することにより、原料ガス流路11hの上方である外部から放電空間68に繋がる原料ガス供給経路を形成している。この際、原料ガス流路11h,12h,13h,13m及び2mは交流電圧印加空間R11と独立して設けられる。
したがって、原料ガス流路11h〜13h、13m及び2mを介することによって、原料ガス流路11hの上方から放電空間68に導く原料ガス供給経路は、交流電圧印加空間R11から独立して形成される。
その結果、原料ガス供給経路を介して交流電圧印加空間R11と放電空間68とが空間的に繋がることはないため、交流電圧印加空間R11は放電空間68と完全分離形成されており、交流電圧印加空間R11は放電空間68とのガスの流れを完全に分離することができる。
加えて、冷却水経路11w、冷却水経路12w、及び冷却水経路13wを介することにより、カバー11の上方である外部から冷却台13を冷却するための冷却水流通経路を形成している。この際、冷却水経路11w,12w及び13wは交流電圧印加空間R11及び放電空間68と独立して設けられる。
したがって、冷却水経路11w〜13wからなり、冷却水経路11wの上方から冷却台13の内部との間に設けられる冷却水流通経路によって、交流電圧印加空間R11や放電空間68に悪影響を与えることはない。
なお、カバー11、カバー12及び冷却台13は全て金属材料を構成材料としている。
金属製の筐体である金属筐体14は、活性ガス生成用電極群300(高圧側電極構成部1X,接地側電極構成部2X)、カバー12及び冷却台13の全てと、カバー11の下部を内部の空洞部内に収容する。
金属筐体14の上面のみにおいて、締付機構76によってカバー11の上部と金属筐体とが締結されている。このため、カバー11の下部、カバー12及び冷却台13の側面と金属筐体14の側面14dとの接触、及び冷却台13の底面と金属筐体14の底面14bとの接触を生じさせることなく、金属筐体14の空洞部内に筐体接触空間R14を形成することができる。
すなわち、金属筐体14の空洞部の側面14dと冷却台13、カバー12及びカバー11の下部との間に設けられる側面空間と、金属筐体14の空洞部の底面14bと冷却台1との間に設けられる底面空間とを合わせた空間が筐体接触空間R14となる。
このように、カバー11、カバー12及び冷却台13の外部において金属筐体14との間に筐体接触空間R14が設けられる。筐体接触空間R14は主としてカバー11、カバー12及び冷却台13と金属筐体14とを断熱するため設けられる。
さらに、金属筐体14の空洞部の底面14bの上方に筐体接触空間R14を隔てて冷却台13が位置し、活性ガス排出口13kの下方に筐体接触空間R14を介して活性ガス排出口14k(筐体用ガス排出口)が位置する。
したがって、ガス噴出孔25から噴出される活性ガスは、垂直方向(−Z方向)に向かうガスの流れに沿って、ガス通過口25i、活性ガス排出口13k、筐体接触空間R14及び活性ガス排出口14kを介して、下方に設けられる外部の処理チャンバー等に噴出される。
前述したように、交流電圧印加空間R11は、一体化されたカバー11、カバー12及び冷却台13により、他の空間から完全に独立した内部空間となるように構成されている。したがって、筐体接触空間R14は交流電圧印加空間R11と分離して設けられる。
さらに、原料ガス供給経路用の原料ガス流路11h,12h等を筐体接触空間R14と独立して設けることにより、放電空間68に至る上述した原料ガス供給経路と、筐体接触空間R14とのガスの流れを完全に分離している。
このように、交流電圧印加空間R11、並びに原料ガス流路11h及び12hを含む原料ガス供給経路はそれぞれ、筐体接触空間R14との間にガスの流れが分離されるように、筐体接触空間R14から独立して設けられる。さらに、冷却水経路11w及び12wを含む冷却水流通経路も原料ガス供給経路と同様に筐体接触空間R14から独立して設けられる。
また、カバー11とカバー12との接触面において、原料ガス流路11h及び12hの周辺にOリング72が設けられ、冷却水経路11w及び12wの周辺にOリング72が設けられ、活性ガス生成用電極群300を取り囲むようにOリング71が設けられる。
同様にして、カバー12と冷却台13との接触面において、原料ガス流路12h及び13hの周辺にOリング72が設けられ、冷却水経路12w及び13wの周辺にOリング72が設けられ、活性ガス生成用電極群300を取り囲むようにOリング71が設けられる。
上述したOリング72によって原料ガス供給経路あるいは冷却水流通経路と他の空間との間の密封度合を高めている。上述したOリング71によって交流電圧印加空間R11と他の空間との間の密封度合を高めている。
また、接地側電極構成部2Xの誘電体電極210と冷却台13との接触面において活性ガス排出口13kの周辺にOリング72が設けられる。このOリング72によって活性ガス排出口13kとの間の密封度合を高めている。また、図1において、小さい白抜き箇所はいずれもOリング71あるいはOリング72を示している。
(効果等)
本実施の形態の活性ガス生成装置において、交流電圧印加空間R11は放電空間68から分離して設けられており、第1及び第2の補助部材であるカバー11、カバー12及び冷却台13は、交流電圧印加空間R11と独立して、外部から供給される原料ガスを放電空間68に導く、原料ガス供給経路用の原料ガス流路11h、12h、13h、及び13mを有することにより、放電空間68と交流電圧印加空間R11とのガスの流れを分離している。
このため、本実施の形態の活性ガス生成装置は、交流電圧印加空間R11で異常放電が発生した場合に生成される、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2Xの構成材料等の蒸発物質が、直接あるいは原料ガス供給経路を経由して放電空間68に混入される混入現象(前提技術の「第1の混入現象」に相当)を確実に回避することができる。
その結果、本実施の形態の活性ガス生成装置は、上述した混入現象を確実に回避して、良質な活性ガスを外部に排出することができる効果を奏する。
さらに、本実施の形態の活性ガス生成装置は以下の特徴(1)〜(5)を有している。
特徴(1)…接地側電極構成部2Xが高圧側電極構成部1Xを支持する態様で活性ガス生成用電極群300を構成している。
特徴(2)…高圧側電極構成部1Xにおける誘電体電極110の上記放電空間外領域に設けられ、下方に突出する段差部115H,115M,115Lを有し、これら段差部115H,115M,115Lの形成高さS15によって放電空間68のギャップ長を規定している。
特徴(3)…高圧側電極構成部1Xの誘電体電極110及び接地側電極構成部2Xの誘電体電極210は、それぞれ放電空間形成領域R68の厚みを比較的薄く形成し、かつ、上記放電空間外領域の厚みを比較的厚く形成している。
特徴(4)…金属筐体14は上面のみにおいて、カバー11の上部と締結することにより、カバー11、カバー12及び冷却台13の側面及び冷却台13の底面に接触することなく、金属筐体14の空洞部内に筐体接触空間R14を形成している。
特徴(5)…カバー11、カバー12及び冷却台13は全て金属材料で構成される。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上記特徴(1)を有することにより、高圧側電極構成部1Xと接地側電極構成部2Xとの位置合わせは比較的容易であり、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2X間に位置ズレが生じにくい構造となるため、位置ズレに起因した隙間に異常放電が生じる可能性の低減化を図ることができる。
すなわち、接地側電極構成部2Xを高圧側電極構成部1Xの設置台として機能させることにより、冷却台13と活性ガス生成用電極群300との間の厳密な位置合わせは不要となるため、余計な加工精度を必要とせず、活性ガス生成用電極群300の強度の増大も図ることができる。したがって、前提技術の第4の課題を解消することができる。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上記特徴(2)を有することにより、放電空間68のギャップ長を精度良く設定することができ、さらに、ギャップ長形成用のスペーサ等の他の部品を不要として製品コストの低減化を図ることができる。
すなわち、放電空間68のギャップ長を一つの部品である高圧側電極構成部1Xの段差部15H,115M,115Lの形成高さS15のみによって規定している。段差部15H,115M,115Lそれぞれの形成高さを形成高さS15で一致させることは比較的簡単に精度良く行えるため、放電空間68のギャップ長の精度を高めることができる。
また、活性ガス生成用電極群300は冷却台13上に配置できればよく、活性ガス生成用電極群300はカバー12との間で接触関係を有さないため、活性ガス生成用電極群300とカバー12とをシールするためのOリングを設ける必要性をなくすことができる。
さらに、本実施の形態は、前提技術のスペーサ37のような荷重を受けるための部品が不要となるため、前提技術の第8の課題を解消することができる。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上記特徴(3)を有することにより、誘電体電極110及び210それぞれにおいて、放電空間形成領域R68の厚みを十分薄くして、活性ガス生成用電極群300の放電空間68に放電現象を発生させるための印加電圧の増大を避け、異常放電が生じる可能性の低減化を図ることができる。
さらに、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2Xそれぞれにおいて上記放電空間外領域の厚みを十分厚くすることにより、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2Xそれぞれの強度向上を図ることができる。
このように本実施の形態では、高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2Xそれぞれにおいて上記放電空間外領域の厚みを十分厚くして強度を高めることにより、前提技術の第3の課題を解消することができる。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上記特徴(4)を有することにより、金属筐体14と第1の補助部材を構成するカバー11との締結は金属筐体14の上面の1箇所で済ますことができるため、その分、設計形状に余裕を持たせることができる。
したがって、実施の形態の活性ガス生成装置は前提技術の第1の課題を解消することができる。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上記特徴(5)を有することにより、金属筐体14とカバー11、カバー12及び冷却台13との間に設けられた筐体接触空間R14に存在するガスによる絶縁破壊を効果的に防止することができる。
すなわち、交流電圧印加空間R11は、金属製のカバー11、カバー12及び冷却台13によって完全に覆われているため、交流電圧印加空間R11に発生する高電界が外部の筐体接触空間R14に影響を与えるとはない。したがって、筐体接触空間R14で異常放電が発生することない。
また、上述したように、カバー11と金属筐体14とのシールは、金属筐体14の上面一箇所のみとし、冷却台13の底面と金属筐体14のとの間にも筐体接触空間R14が設けられている。
冷却台13の底面下において筐体接触空間R14は、活性ガス排出口14kに繋がっているため、筐体接触空間R14は外部に開放された開空間となっている。したがって、筐体接触空間R14においてガスが昇圧することが無くなるため、前提技術の第7の課題を解消することができる。
前提技術では、筐体接触空間R34にて異常放電する場合を想定して電極構成部設置台33と金属筐体34との間にシールを施す必要があったが、本実施の形態の構造では、活性ガス生成用電極群300は、全て接地された金属部品(カバー11、カバー12及び冷却台13)によって形成される閉空間内に設けられるため、閉空間に存在する交流電圧印加空間R11に異常放電が発生しない構造としている。
また、カバー11,カバー12間、カバー12,冷却台13間、活性ガス生成用電極群300内の高圧側電極構成部1X及び接地側電極構成部2X間それぞれにOリング71が設けられる。
そこで、図1では図示していないが、金属筐体14,カバー11間、カバー11,カバー12間、カバー12,冷却台13間、高圧側電極構成部1X,接地側電極構成部2X間それぞれのOリング71周辺にボルト等の締付機構を用いて確実なシール処理を施し、かつ各締付機構の締付力を必要最小限とすることで不要な曲げ応力等の発生を抑制することが望ましい。そのように構成すると、本実施の形態の活性ガス生成装置は、前提技術の第2の課題の解消を図ることができる。
金属筐体14、カバー11、カバー12及び冷却台13は金属材料で構成されており高圧側電極構成部1Xの誘電体電極110及び接地側電極構成部2Xの誘電体電極210はそれぞれ上記放電空間外領域の膜厚を十分厚くしているため、これらの構成部1X,2Y及び11〜14に対し支障なくボルト等の締付機構を用いることができる。
また、図1〜図3で示した実施の形態と図4及び図5で示した前提技術とを比較すると、実施の形態では、接地側電極構成部2Xが電極構成部設置台33の機能を兼ねるため、前提技術で必要とした、カバー32,高圧側電極構成部1A間のシール用のOリング70及び電極構成部設置台33,接地側電極構成部2A間のシール用のOリング70に相当するOリング71を設ける必要がない。
このため、本実施の形態において必要とするOリング71及び72の数を、前提技術において必要とするOリング70の数より減らすことができるため、Oリングに関する部品点数を少なくすることでシール箇所を抑制することができ、前提技術の第5の課題を解消することができる。
さらに、実施の形態の活性ガス生成装置において、第1及び第2の補助部材であるカバー11、カバー12及び冷却台13は、外部から供給される冷却水を冷却台13に導く、冷却水流通経路用の冷却水流路11w,12w,及び13wを有するため、活性ガス生成用電極群300を接地側電極構成部2X側から冷却して熱歪みの影響を最小限に抑制することができる。
このように、実施の形態は、活性ガス生成装置内部に冷却水を通すことで冷却する構造としている。実施の形態の上記構造によってOリング71及び72は耐熱上限温度より著しく低い温度に保つことが可能となり、前提技術の第6の課題を解消することができる。
一方、金属筐体14は100℃以上に加熱する必要があるが、金属筐体14の空洞部内に筐体接触空間R14を設けて、金属筐体14の空洞部内においてカバー11、カバー12及び冷却台13と金属筐体14とが接触しておらず、かつ、筐体接触空間R14は1〜5Torr程度の減圧領域となることから、金属筐体14から活性ガス生成用電極群300への熱伝導を抑制する構造となっている。
さらに、本実施の形態の活性ガス生成装置は、原料ガス以外の第2のガスとしてパージガスをパージガス供給口11pから交流電圧印加空間R11内に供給することができる。このため、交流電圧印加空間R11内に異常放電が発生した場合に生成される蒸発物質をパージガス排出口31eから外部に除去することができる。
なお、上記した原料ガス供給経路及び冷却水流通経路は交流電圧印加空間R11と独立して設けられているため、パージガスの供給によって原料ガス及び冷却水が影響を受けることはない。
<変形例>
本実施の形態の活性ガス生成装置では、放電空間68の圧力は概ね10kPa〜30kPa程度の比較的弱い弱大気圧に設定されている。なお、上記圧力設定における原料ガスとして例えば窒素ガス(100%)が考えられる。
放電空間68では、放電D1を発生させて原料ガスを活性化させる空間であることから、より低い電圧で放電を開始させることが望ましい。放電D1自体は電界強度がある値を超えるとガスが絶縁破壊を起こすことで引き起こされる。
絶縁破壊を引き起こす電界強度は原料ガスの種類と圧力によって決定され、大気圧近傍においては圧力が低い程、絶縁破壊に至る電界強度も低くなる。以上の観点から放電空間68では上述した圧力設定としている。
一方、交流電圧印加空間R11では放電は可能な限り発生させないことが望ましい。予期せぬ放電である異常放電を発生させない最も確実な方法は絶縁距離を十分取ることであるが、活性ガス生成用電極群300の設置スペースの問題からその距離には限りがあるため、変形例では、圧力を上げることで絶縁破壊電界強度をより高くする方法を採用している。ただし、圧力の上限値は構成部品の強度によって概ね決定されるため、交流電圧印加空間R11の圧力は100kPa〜300kPa(絶対圧)程度とすることが望ましい。
実施の形態で示した構造は、放電空間68と交流電圧印加空間R11とはガス層を互いに分離した構造となっている。このため、放電空間68の圧力を、交流電圧印加空間R11の圧力より低く設定することにより、放電空間68における放電D1がより低い印加電圧でも発生するようにし、かつ、交流電圧印加空間R11の圧力を比較的高くすることにより、放電を抑制するという、放電空間68及び交流電圧印加空間R11それぞれに適した圧力設定が可能となる。
このように、実施の形態の変形例は、放電空間68の圧力を比較的低く設定して放電現象がより低い印加電圧でも発生するようにし、かつ、交流電圧印加空間R11の圧力を比較的高く設定して放電現象が発生しないようにすることができる効果を奏する。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1X 高圧側電極構成部
2X 接地側電極構成部
11,12 カバー
13 冷却台
2m,11h,12h,13h,13m 原料ガス流路
11e パージガス排出口
11p パージガス供給口
11w,12w,13w 冷却水経路
300 活性ガス生成用電極群

Claims (4)

  1. 第1の電極構成部(1X)と前記第1の電極構成部の下方に設けられる第2の電極構成部(2X)とを有する活性ガス生成用電極群(300)と、前記第1及び第2の電極構成部に前記第1の電極構成部が高電圧となるように交流電圧を印加する交流電源部(5)とを有する活性ガス生成装置であって、
    前記第1の電極構成部は、第1の誘電体電極(110)と前記第1の誘電体電極の上面上に形成される第1の金属電極(100H,100L)とを有し、前記第2の電極構成部は、第2の誘電体電極(210)と前記第2の誘電体電極の下面上に形成される第2の金属電極(200H,200L)とを有し、前記交流電圧の印加により前記第1及び第2の誘電体電極が対向する誘電体空間内において、前記第1及び第2の金属電極が平面視重複する領域である放電空間形成領域を放電空間として含み、
    前記交流電源部による前記交流電圧の印加により、前記放電空間に放電現象を発生させ、前記放電空間に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが前記第2の電極構成部に設けられたガス噴出口(25)から噴出され、
    前記活性ガス生成装置は、
    前記活性ガス生成用電極群の側面及び上面を取り囲むように設けられる第1の補助部材(11,12)と、
    上部の主要面上に前記活性ガス生成用電極群及び前記第1の補助部材を配置する第2の補助部材(13)とを備え、
    前記第1及び第2の補助部材によって、前記活性ガス生成用電極群との間に前記放電空間と分離して交流電圧印加空間(R11)が形成され、前記第2の補助部材は、前記ガス噴出口から噴出される活性ガスを通過させる補助部材用ガス排出口(13k)を有し、前記第1及び第2の補助部材は一体的に連結され、
    前記活性ガス生成装置は、
    前記活性ガス生成用電極群及び前記第2の補助部材の全てと、前記第1の補助部材の少なくとも一部とを収容する空洞部を有する金属製の筐体(14)をさらに備え、前記筐体は前記補助部材用ガス排出口を通過する活性ガスを外部に排出する筐体用ガス排出口(14k)を有し、前記筐体と前記第1及び第2の補助部材との間に筐体接触空間(R14)が設けられ、
    前記第1及び第2の補助部材は、前記交流電圧印加空間と独立して、外部から供給される原料ガスを前記放電空間に導く、原料ガス供給経路用の原料ガス流路(11h,12h,13h,13m)を有することにより、前記放電空間と前記交流電圧印加空間とのガスの流れを分離し、
    前記活性ガス生成装置は、さらに 以下の特徴(1)〜(5)を有する、
    (1) 前記第2の電極構成部が前記第1の電極構成部を支持する態様で前記活性ガス生成用電極群が構成される、
    (2) 前記第1の誘電体電極は、前記放電空間形成領域以外の放電空間外領域において下方に突出する段差部(115H,115M,115L)を有し、前記段差部の形成高さによって前記放電空間のギャップ長が規定される、
    (3) 前記第1及び第2の誘電体電極はそれぞれ前記放電空間形成領域の厚みを、前記放電空間外領域より薄く形成する、
    (4) 前記筐体は空洞部外の上面のみにおいて、前記第1の補助部材と締結することにより、前記第1の補助部材の側面及び前記第2の補助部材の底面に接触することなく、空洞部内に前記筐体接触空間を形成する、
    (5) 前記第1及び第2の補助部材は全て金属材料で構成される、
    活性ガス生成装置。
  2. 請求項1記載の活性ガス生成装置であって、
    前記第1及び第2の補助部材は、外部から供給される冷却水を前記第2の補助部材に導く、冷却水流通経路用の冷却水経路(11w,12w,13w)を有することを特徴とする、
    活性ガス生成装置。
  3. 請求項1記載の活性ガス生成装置であって、
    前記第1の補助部材は外部から原料ガス以外の第2のガスを前記交流電圧印加空間に供給する第2ガス供給口(11p)をさらに有し、前記第2ガス供給口は前記原料ガス流路と独立して設けられる、
    活性ガス生成装置。
  4. 請求項1から請求項3のうち、いずれか1項に記載の活性ガス生成装置であって、
    前記放電空間の圧力に比べ、前記交流電圧印加空間の圧力を高く設定したことを特徴とする、
    活性ガス生成装置。
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