JP5824062B2 - 窒素添加レス・オゾン発生ユニット - Google Patents

Description

この発明は、窒素添加量が数千ｐｐｍ未満の高純度酸素ガスを原料ガスとした窒素添加レス・オゾン発生器を搭載した窒素添加レス・オゾン発生ユニットに関する。

従来技術においては、次のように各種技術が展開されている。酸素ガスに数千ｐｐｍ以上の窒素ガスを添加した原料ガスをオゾン発生器に供給し、高濃度オゾンガスを生成し、この高濃度オゾンガスを用いて、半導体製造分野で、オゾン酸化絶縁膜形成やオゾン洗浄等のオゾン処理工程に多く用いられている。この半導体製造分野等においては、複数のオゾン処理装置より構成される多オゾン処理装置に対してオゾンガスを供給する場合、複数のオゾン処理装置に対応して、各々がオゾン発生器、オゾン電源、流量コントローラ（ＭＦＣ）等を含む複数のオゾン発生機構（手段）を設け、各オゾン発生機構が独立して対応するオゾン処理装置に対してオゾンガス供給するオゾンガス供給システム（ユニット）を構築することが一般的に考えられる。

図９に示すように、従来、オゾン電源７２から電源供給を受け、電極７１ａ，７１ｂ、誘電体７１ｃ等により構成されるオゾン発生器７１によるオゾンガスの生成効率をアップさせるために、一般の酸素ガスにおいては、約５０〜数千ｐｐｍの窒素ガスが含まれており、また、窒素含有率が少ない（５０ｐｐｍ未満）の高純度酸素ガスでは、オゾン発生器中に高純度酸素ガスと共に微量（５００ｐｐｍ以上）のＮ₂ガスを添加している。

そのため、原料酸素ガスに５００ｐｐｍ以上のＮ₂ガスが含まれると、図１０に示す放電反応によって生成される微量のＮＯ₂の触媒反応で、高濃度のオゾンが生成されていた。特に、窒素ガスを５００〜２００００ｐｐｍ添加すれば、放電によって生成される微量の二酸化窒素量の触媒反応で効率良くオゾンが生成される。結果として最も高濃度のオゾンが生成され、窒素添加量５００〜２００００ｐｐｍ範囲の原料ガスがオゾン発生性能において最適条件であることが実験で検証されている。

以下、図１０で示す放電反応は以下の(1)〜(3)に示すように、原料酸素Ｏ₂に、光電気放電光と微量のＮＯ₂の触媒ガスを利用して、高濃度オゾン発生を実現している。

(1) 放電による微量のＮＯ₂ガス生成反応
・窒素分子のイオン化反応
Ｎ₂＋ｅ⇒２Ｎ⁺
・ＮＯ₂の生成反応
２Ｎ⁺＋Ｏ₂＋Ｍ⇒ＮＯ₂
（数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍのＮＯ₂ガス生成）
(2) ＮＯ₂の放電光による触媒効果での酸素原子Ｏの生成
・ＮＯ₂の光解離反応
ＮＯ₂＋ｈν⇒ＮＯ＋Ｏ
・ＮＯの酸化反応
ＮＯ＋Ｏ₂（原料酸素）⇒ＮＯ₂＋Ｏ
＊上記２つの反応でＮＯ₂が触媒になって酸素原子が生成
(2)の反応で生成した多量の酸素原子Ｏと酸素ガス分子Ｏ₂との反応でオゾンＯ₃が生成される。

(3) オゾンＯ₃の生成（三体衝突）
Ｒ２；Ｏ＋Ｏ₂＋Ｍ→Ｏ₃＋Ｍ
上記(1)〜(3)によって、高濃度なオゾンを発生させている。

しかし、原料の酸素ガスにＮ₂ガスが多く含むことにより、オゾン発生器内で無声放電によってオゾンガス以外にＮ₂Ｏ₅，Ｎ₂Ｏ等のＮＯ_X副生ガスや硝酸も生成される。具体的なＮＯ_X副生ガスや硝酸も生成の化学式は以下の通りである。

Ｎ₂＋ｅ⇒Ｎ₂*＋ｅ⇒Ｎ₂＋ｈν（310,316,337,358ｎｍ）
Ｎ₂*；窒素の励起
窒素ガスによる紫外光
Ｈ₂Ｏ＋ｅ⇒Ｈ＋ＯＨ＋ｅ （水蒸気の電離）
Ｎ₂＋ｅ⇒２Ｎ^-＋ｅ （窒素分子の電離）
ＮＯ₂＋ｈν（２９５〜４００ｎｍ）⇒ＮＯ＋Ｏ（³Ｐ）
Ｈ＋Ｏ₂＋Ｍ⇒ＨＯ₂＋Ｍ
ＨＯ₂＋ＮＯ⇒ＯＨ＋ＮＯ₂
Ｎ₂Ｏ₅＋Ｈ₂Ｏ⇒２ＨＮＯ₃
ＯＨ＋ＮＯ₂＋Ｍ⇒ＨＮＯ₃＋Ｍ
このように、オゾンガス以外にＮＯ_X副生ガスや硝酸も生成される。

また、多量のＮＯ_X副生物が生成されると、ＮＯ_Xガス成分と原料ガス中に含まれる水分との反応により硝酸（ＨＮＯ₃）クラスタ（蒸気）が生成され、酸素、オゾンガスとともに微量のＮＯ_Xガス，硝酸クラスタが混合した状態でオゾン化ガスが取り出される。この微量の硝酸クラスタ量が数百ｐｐｍ以上含まれると、オゾンガス出口配管であるステンレス配管の内面に硝酸によって酸化クロム等の錆が析出され、クリーンオゾンガスに金属不純物が混入し、半導体製造装置用反応ガスとして金属不純物が半導体の製造に悪影響を及ぼすとともに、生成した微量の硝酸クラスタが半導体製造装置の「オゾンによるシリコン酸化膜のエッチング処理」や「ウェハ等のオゾン水洗浄」に反応毒として悪影響をもたらす間題点があった。

また、オゾン発生器、オゾン電源等を搭載したオゾンガス供給システムは、オゾン発生器、オゾン電源、オゾンガスもしくは原料ガス流量をコントロールするＭＦＣ等の流量調整手段を介してオゾン発生器に供給する原料ガス配管系統、オゾン発生器内のガス雰囲気圧力をコントロールするＡＰＣ等の圧力調整する手段を有して、オゾン発生器から出力されるオゾンガスに対し濃度を検知するオゾン濃度検知器、オゾン流量計を有した出力ガス配管系統等を、多オゾン処理装置の系統数分、設けることが一般的に考えられる。

しかしながら、多量のＮＯ_X副生物が非常に少ない高濃度のオゾン化酸素を供給できなく、その上、このような多オゾン処理装置に対応するオゾン発生システムを構築するのに非常に大きなスペースを要し、さらに、多オゾン処理装置に対し統合的な制御を行って、オゾンガスを供給するシステムを構築する場合、さらに大きなシステム構成となり、コスト面や配置スペース等の問題点があり実用上不利な点が多々あった。

そこで、従来のオゾン発生器中に窒素ガスを含めないで、高純度酸素ガスのみでオゾン発生を試みたが、発生したオゾンは極わずかしか得られなかった。これは次のように考えられる。原料ガスである酸素分子は、紫外光２４５ｎｍ以下の波長で連続スペクトルの光吸収スペクトル（紫外線波長１３０〜２００ｎｍ）をもっており、酸素分子が紫外光２４５ｎｍ以下のエキシマ光を吸収することで酸素原子に解離し、この解離した酸素原子と酸素分子と第三物質との三体衝突でオゾンが生成されることは、紫外線を出すエキシマランプ等で知られている。しかし、オゾン発生器のような、酸素ガスを主体にした１気圧以上の高気圧中の無声放電では紫外光２４５ｎｍ以下のエキシマ光の発光は全くない。そのため、無声放電光による酸素原子の解離およびオゾン生成の反応過程の反応定数は非常に小さく、数％以上の高濃度オゾンガス生成できる反応とは考えられない。

そのため、従来は、多オゾン処理装置へのオゾン供給方式としては、例えば、特許文献１に開示されているように、原料酸素ガスに数千ｐｐｍ以上の窒素ガスを含んだ原料ガスもしくは、原料酸素ガスに強制的に窒素ガスを数千ｐｐｍ以上添加した原料ガスをオゾン発生器に供給し、高濃度オゾンを発生させ、しかも、複数のオゾン処理装置にオゾンガスを供給するために、１式のオゾン発生器の容量を大きくして、オゾンガスを出力する配管系統を複数配管に分離させ、多オゾン処理装置へそれぞれへの所定流量、濃度のオゾンガスをステップ的に出力させる方式のオゾンガス供給システムが採用されて来ていた。

特表２００９−５００８５５号公報（図２，図３，図５）

特許文献１に開示された従来の多オゾン処理装置へのオゾン供給するオゾンガス供給システムは以上のように構成されており、窒素や水分を含んだ原料酸素ガスを供給し、１つのオゾン発生器７１からオゾンガスを出力し、出力する配管系統を分配配管させる構成にしている。このため、出力するオゾンガスには、窒素酸化副生物質や硝酸クラスタやＯＨラジカル物質が含まれた活性ガスを供給されることになり、出力配管材質と窒素酸化副生物質や硝酸クラスタやＯＨラジカル物質との化学分解や酸化反応で、異常加熱や腐食に伴う金属コンタミネーションが多く含まれるオゾンガスを供給することになるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、原料ガスに窒素ガスを添加させない高純度酸素ガスのみで、高純度で、かつ高濃度のオゾンガスを生成できる窒素添加レス・オゾン発生器を搭載し、上記オゾン発生器自身を低温に冷やし、オゾン発生器自身を断熱材で覆ってオゾン発生器の放電部分を効率良く冷やせるよう構成にすることにより、該窒素添加レス・オゾン発生器から出力されるオゾンガスをより多く出力することが可能な窒素添加レス・オゾン発生ユニットを得ることを目的とする。

この発明に係る窒素添加レス・オゾン発生ユニットは、放電面にオゾンを生成するための光触媒物質を有し、オゾンガスを発生する窒素添加レス・オゾン発生器と、前記窒素添加レス・オゾン発生器に高電圧を供給するオゾン電源と、前記オゾン発生器に関連した制御手段とを備え、前記制御手段は、前記窒素添加レス・オゾン発生器に供給される原料ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を含む流量検出・流量調整手段と、前記窒素添加レス・オゾン発生器内の圧力である内部圧力を自動制御するオートプレッシャコントローラ（ＡＰＣ）を含む圧力検出・圧力調整手段とを有し、前記窒素添加レス・オゾン発生ユニットは、前記窒素添加レス・オゾン発生器、前記オゾン電源、及び前記制御手段を集約して一体化構造で形成され、窒素添加レス・オゾン発生器は、前記オゾン電源からの前記高電圧を受ける高電圧用端子と、外部から得られる冷却媒体を供給及び排出するための冷却媒体入出口と、前記高電圧用端子を介して前記高電圧が付与される高圧電極とを含み、前記高圧電極の少なくとも一つの主面が前記放電面として規定され、前記高圧電極の前記放電面側に設けられた前記光触媒物質からなる光触媒層と、前記高圧電極の近傍に設けられ、前記冷却媒体入出口を介して供給される前記冷却媒体が内部を流通可能な冷却経路部と、前記高圧電極、前記光触媒層及び前記冷却経路を内部に収納する収納部とを含み、前記収納部の外周部の一部を構成する所定の構成面に前記冷却媒体入出口が形成され、前記収納部の前記外周部を貫通して前記高電圧用端子が設けられ、前記収納部における前記所定の構成面を少なくとも覆って形成される、水分を通さず金属に比べ熱伝導率が小さい断熱材からなる断熱層をさらに含み、前記冷却媒体は前記窒素添加レス・オゾン発生器の前記収納部内への供給時の温度を５℃以下に設定可能な低温冷却媒体を含み、前記窒素添加レス・オゾン発生器自身を低温にして構成する。

この発明に係る窒素添加レス・オゾン発生ユニットにおける窒素添加レス・オゾン発生器は、１５℃以下の低温冷却媒体の供給及び排出口である冷却媒体入出口が形成されており結露発生が懸念される所定の構成面を覆って断熱材からなる断熱層を形成しているため、断熱層によって大気温度の影響を受けることなくオゾン発生器自身を低温に冷却することにより、所定の構成面における結露発生を確実に防止することができる。その結果、窒素添加レス・オゾン発生器の収納部の外部に存在するオゾン電源、制御手段に結露した水分が浸入することによる不具合を確実に回避することができオゾン発生器、オゾン電源、制御手段を一体構成にできる。

加えて、上述した断熱層によって大気温度の影響を低減化して収納部内の温度を比較的低温に保つことにより、光触媒層による光触媒効果を向上させ、その結果、オゾン発生効率及びオゾン分解効果を高め、品質の高いオゾンをより多く発生させることができる効果を奏する。

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。

本発明の実施の形態で用いる窒素添加レス・オゾン発生器の構成を示すブロック図である。 図１で示した窒素添加レス・オゾン発生器による出力オゾン濃度特性を示すグラフである。 オゾン発生時における酸素分子と光触媒とによる酸素分子の酸素原子への解離メカニズムを示す模式図である。 酸素原子と酸素分子との三体衝突によるオゾンの生成メカニズムを示す模式図である。 この発明の実施の形態である窒素添加レス・オゾン発生ユニット７及びその周辺の構成を示す説明図である。 原料ガス流量Ｑに対するオゾンガス濃度のオゾン濃度特性を示すグラフである。 図５で示した高電圧供給部の詳細を示す説明図である。 窒素添加レス・オゾン発生器の構成の詳細を示す説明図である。 従来のオゾン発生器の構成図である。 窒素を添加した原料酸素ガスと従来のオゾン発生器との組合せで、オゾン発生内容を模式的に示す説明図である。

＜窒素添加レス・オゾン発生器＞
この発明の実施の形態で述べるオゾンガス供給システムで用いる窒素添加レス・オゾン発生器を図１ないし図４について説明する。図１は窒素添加レス・オゾン発生器を中心としたガス系統の構成を示すブロック図である。

なお、狭義では窒素添加量が１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の高純度酸素原料ガスを用いたオゾン発生器を「窒素添加抑制・オゾン発生器」と呼び、窒素添加量が１０ｐｐｍ未満の高純度酸素原料ガスを用いたオゾン発生器を「窒素添加レス・オゾン発生器」と呼ぶ。本明細書では広義の意味として、上述した「窒素添加抑制・オゾン発生器」を含めて、１０００ｐｐｍ以下の高純度酸素原料ガスを用いたオゾン発生器を総称して「窒素添加レス・オゾン発生器」と呼ぶ。

図２は図１で示した窒素添加レス・オゾン発生器１によるオゾン濃度特性を示す特性図である。図３は酸素分子と光触媒とによる酸素分子の酸素原子への解離メカニズムを説明する模式図である。

図４は窒素添加レス・オゾン発生器１によって生じる酸素原子と酸素分子との三体衝突によるオゾンの生成メカニズムを説明する模式図である。なお、明細書中で各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

この発明での窒素添加レス・オゾン発生器は、２００ｇ／ｍ³以上の高濃度オゾンガス、半導体製造装置や洗浄装置等のクリーンなオゾンガス、ＮＯ_XやＯＨラジカル物質等の副生物を無くした高品質の窒素レスオゾンガス，又はオゾン生成効率のよい装置を必要とするところに有効である。

図１において、純度９９．９９％以上の酸素（原料ガス）を供給する原料供給系９９は、高純度酸素ボンベ９９１，減圧弁９９２，及び開閉弁９９３で構成され、酸素ガス９９４を外部に供給する。そして、酸素ガス９９４がＭＦＣ３を介して原料ガス９９５として窒素添加レス・オゾン発生器１に供給される。窒素添加レス・オゾン発生器１は内部に電極１ａ，１ｂ、誘電体１ｃ及び光触媒（層）１ｄを有している。２枚の電極１ａ、１ｂは互いに対向し、電極１ａの電極１ｂとの対向面（放電面）上に誘電体１ｃが設けられる。そして、誘電体１ｃ及び電極１ｂ間の対向面にそれぞれ光触媒１ｄを塗布した構成になっている。

図１では、付記されていないが、ボンベから供給される高純度酸素に含まれる水分量を０．１ｐｐｍ以下まで下げる水分除去ガスフィルターを設け、窒素、水分量を極力抑えた窒素、水分レス原料ガスのガス量を調整する流量調整器（ＭＦＣ）３を介して、酸素ガス９９４が原料ガス９９５として窒素添加レス・オゾン発生器１に供給される。

なお、酸素ガスとして、純度９９．９９％以上の酸素を用いても、具体的には、９９．９９５％高純度酸素を用いても、Ｎ₂が１５１×１０²ｐｐｂ（即ち１５ｐｐｍ）含まれるように、避けられないＮ₂が混入するが、高純度のオゾンガスを得るためには、Ｎ₂の混入がより少ない原料酸素ガスを使用することが望まれる。

図３は、無声放電中での光触媒の固体電子論（バンドギャップ理論）の固体中の電子配位構造と酸素分子の解離メカニズムを模式的に示したものである。光触媒物質と放電光による光触媒反応機能の動作と作用について説明する。無声放電空間中の電極等の壁面に光触媒を塗布すると、光触媒のバンドギャップの電子配位構造は図３に示すように、バンドギャップ以上のエネルギーを有する無声放電光を光吸収する。そうすると、光触媒は価電子帯から電子が飛び出し伝導帯へ移動（ポンピング）する。

電子が移動した価電子帯では正孔（ホール）が形成される。伝導帯に移動した電子は周囲に移動するか、放電領域に電子放出をするかで寿命が終る。つまり、伝導帯に移動した電子は非常に寿命が短く数十ｐｓｅｃである。価電子帯の正孔は伝導帯に移動した電子が再結合で戻ってこない限り、存在し続けるため、正孔の寿命は２００〜３００ｎｓｅｃと長い。この正孔が存在する励起状態の光触媒と酸素分子が量子的に接触すると、酸素分子の共有電子を奪いとり、酸素分子を物理的に解離する（光触媒による酸素の吸着解離現象[酸化反応]）。

一方、バンドギャップ２．０ｅＶ〜２．９ｅＶの光触媒では光吸収波長は４２８ｎｍ〜６２０ｎｍの可視光であり、窒素を含まない酸素の場合でも又は酸素とアルゴンガスの場合でも、無声放電はこの可視光領域の光波長を発光する能力（放電）を有している。そのため、オゾン発生器の電極面（壁面）にバンドギャップ２．０ｅＶ〜２．９ｅＶの光触媒を塗布すると、窒素を含まない酸素の場合でも又は酸素とアルゴンガスでも、その無声放電で発光した放電光を、前記光触媒が吸収して、光触媒が励起され、励起された光触媒と酸素ガスの吸着解離作用で酸素が解離できることが判明した。さらに、図４の模式図で示したように、解離した酸素原子と供給される酸素分子（原料酸素ガス）と第三物質との三体衝突で結合作用が、光触媒１ｄ（壁Ｍ）上で促進される働きでオゾンが生成できる。

他方、オゾン発生器中の窒素ガスによる無声放電では、紫外領域（４１３ｎｍ〜３４４ｎｍの紫外光）の光波長を発光（放電）する能力を有する。

そのため、本願の光触媒物質を放電面に塗布した窒素添加レス・オゾン発生器１では、窒素を含んだ無声放電において、バンドギャップ３．０ｅＶ〜３．６ｅＶの光触媒は、光励起でき、励起したこの光触媒は、酸素分子を解離する能力によって高品質なオゾンガスが生成でできる。

さらに、窒素を含んだ無声放電においては、バンドギャップ３．０ｅＶ〜３．６ｅＶの光触媒は、光励起でき、酸素による無声放電においては、バンドギャップ２．０ｅＶ〜２．９ｅＶの光触媒は、光励起でき、結果として、酸素に微量の窒素（抑制した窒素量）を添加することで、放電領域の誘電体又は電極に設けられた光触媒の許容バンドギャップ範囲は、２．０ｅＶ〜３．６ｅＶまで可能になり、酸素のみならず窒素の放電光（紫外光）を利用してオゾン生成反応を促進させることができる。つまり、Ｎ₂ガスが含まれると、本願の発明効果によるオゾン発生機能が高められる。

オゾン発生器の放電面に塗布する光触媒物質は、半導体の一種に位置付けられ、半導体特有のバンドギャップを有した物質であり、通常の半導体物質のバンドギャップよりも大きい値を示している。また、光触媒物質は、通常金属と酸素原子が結合した酸化金属物質であって、その酸化金属物質の結晶において金属原子と酸素原子との完全結合ではなく、酸素欠損を有した結晶構造を有する酸化金属物質が半導体効果や光触媒効果を有する物質と言われている。

例えば、光触媒物質である酸化鉄（Ｆe₂Ｏ₃）や酸化タングステン（ＷＯ₃）に関し、正確には、光触媒物質である酸化鉄や酸化タングステンはＦe₂Ｏ_X 、ＷＯ_Xであり、酸素の結合数Ｘの値が３未満（Ｘ＜３）の酸化鉄が光触媒物質となる結晶構造である。つまり２個の鉄原子と酸素原子との結合では、３個の酸素原子までは、結合できるが、光触媒物質であるためには、酸素結合において酸素欠損した部分を残した結晶構造になっている。

窒素添加レス・オゾン発生ユニットで用いる窒素添加レス・オゾン発生器では、放電面に光触媒物質を塗布し、光触媒効果を能力アップして高濃度オゾンを生成させるため、放電している酸素ガスの通過する放電面に、塗布した光触媒物質の表面積を大幅に増やす工夫がされている。

＜実施の形態＞
図５はこの発明の実施の形態である窒素添加レス・オゾン発生ユニット及びその周辺の構成を示す説明図である。なお、同図において、図１で示した構成と同様な構成は同一符号を付して説明を適宜省略し特徴部分を中心に説明する。

同図に示すように、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７は、オゾンガスを発生する手段を有した窒素添加レス・オゾン発生器１、オゾンガスに所定の電力を供給する手段を有したオゾン電源２、窒素添加レス・オゾン発生器１内に供給する原料ガス流量Ｑを一定値に制御する手段を有するＭＦＣ３、及び窒素添加レス・オゾン発生器１内の圧力値を一定値に制御する手段を有するＡＰＣ４を有している。

そして、窒素添加レス・オゾン発生器１は、オゾン電源２からの高電圧ＨＶを、オゾン発生器外枠１ｘ内に導く高電圧用端子収納部２０がオゾン発生器外枠１ｘの外部に有している。窒素添加レス・オゾン発生器外枠１xは窒素添加レス・オゾン発生器１の収納部となる筐体であり、高圧電極１ａ、接地電極１ｂ、誘電体１ｃ及び光触媒１ｄ、連結ブロック４９８（図５では図示せず）、高圧冷却板４５（図５では図示せず）を内部に収納している。

さらに、オゾン発生器外枠１ｘ内への低温の冷却水３３（冷却媒体）の供給・排出を行う断熱冷却水配管３１（断熱冷却水入力用配管３１Ｉ，断熱冷却水出力用配管３１Ｏ）をオゾン発生器外枠１ｘの外部に設けている。そして、高電圧用端子収納部２０内の高電圧用端子ＰＨと接地用端子ＰＬとがオゾン発生器外枠１ｘを貫通して設けられる。

さらに、窒素添加レス・オゾン発生器１は、ＭＦＣ３を介して得られる原料ガス９９５を内部に供給するための原料入口３８、生成したオゾンガス９９６を外部のＡＰＣ４に出力するオゾンガス出口３９をオゾン発生器外枠１ｘに設けている。窒素添加レス・オゾン発生器１は、さらに、断熱冷却水入力用配管３１Ｉからの低温冷却水３３（冷却媒体）の入力用及び断熱冷却水出力用配管３１Ｏへの低温冷却水３３の出力用の冷却水出入口３４をオゾン発生器外枠１ｘに設けている。

窒素添加レス・オゾン発生ユニット７は、図５に示すように、上述した窒素添加レス・オゾン発生器１（高電圧用端子収納部２０を含む）、オゾン電源２、ＭＦＣ３、ＡＰＣ４、及び断熱冷却水配管３１（３１Ｉ＋３１Ｏ）等の複数個の機能手段を集約し１単位のパッケージユニットとして構成している。

断熱層８は絶縁物等の断熱材で構成され、オゾン発生器外枠１ｘの略全面を覆って形成されている。すなわち、冷却水出入口３４、原料入口３８、及びオゾンガス出口３９への流通経路を確保しつつ、オゾン発生器外枠１ｘの外周を覆って形成される。ただし、高電圧用端子収納部２０の外周には断熱層８は形成されない。なお、断熱冷却水入力用配管３１Ｉ及断熱冷却水出力用配管３１Ｏの外周も断熱層で覆う方が、低温冷却水３３に対してより断熱効果を高めるため望ましい。

また、オゾン電源２より高電圧ＨＶが高電圧用端子収納部２０内の高電圧用端子ＰＨを介して高圧電極１ａに付与され、接地電圧ＬＶが接地用端子ＰＬを介して接地電極１ｂに付与される。

高電圧用端子収納部２０は高電圧用端子ＰＨを空気絶縁可能な所定の空間内に配置した状態で収納し、後述するパージガス入力管を介してパージガス系２１よりパージガス２３を供給可能に構成されている。

断熱冷却水入力用配管３１Ｉは冷却水系３０より得られる低温冷却水３３を窒素添加レス・オゾン発生器１内に入力するために設けられ、断熱冷却水出力用配管３１Ｏは窒素添加レス・オゾン発生器１から排出される低温冷却水３３を冷却水系３０に戻すために設けられる。なお、冷却水系３０は低温の冷却水３３の温度を１５℃以下に設定する。

（効果）
図５に示すように、窒素添加レス・オゾン発生ユニット７として、窒素添加レス・オゾン発生器１（高電圧用端子収納部２０を含む）、オゾン電源２及び制御機器（ＭＦＣ３、ＡＰＣ４等）とが集約してユニット化されている。このような窒素添加レス・オゾン発生ユニット７に対し、低温冷却水３３によって窒素添加レス・オゾン発生器１を低温に冷やすと、窒素添加レス・オゾン発生器１のオゾン発生器外枠１ｘの表面が大気との温度差で結露して、結露した水滴が、オゾン電源２やＭＦＣ３，ＡＰＣ４等の制御機器に付着することにより、電気絶縁性が悪くなり、オゾン電源２及び上記制御機器の故障原因になる。

しかし、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７は、窒素添加レス・オゾン発生器１の外周の略全面を覆って、水分を通さずかつ熱伝導率の低い断熱材からなる断熱層８を形成しているため、窒素添加レス・オゾン発生器１のオゾン発生器外枠１ｘの表面が大気と直接接触することはなく、オゾン発生器外枠１ｘの表面への結露発生を確実に回避することができる。

窒素添加レス・オゾン発生器１は、低温に冷やすほど、オゾン発生効率が上昇することや、発生したオゾンを分解させる効果が少なくなり、取り出すオゾン量を増す効果がある。このため、窒素添加レス・オゾン発生器１自身を低温に冷やす手段（低温冷却水系３０及び断熱冷却水配管３１等）を有している。しかし、窒素添加レス・オゾン発生器１を冷却する温度と大気温度の差が大きく、大気温度の方が高い場合、窒素添加レス・オゾン発生器１を冷やしても、低温冷媒（冷却水３３）で冷やしている冷熱が大気側へ奪われ、窒素添加レス・オゾン発生器１の高圧電極１ａ及び接地電極１ｂより構成される放電電極セル自身を十分に冷却できなくなる。その結果、オゾン発生効率を低下させ、オゾン性能低下を招く。

しかし、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７は、窒素添加レス・オゾン発生器１の外周の略全面を覆って、熱伝導率の低い断熱材からなる断熱層８を形成しているため、窒素添加レス・オゾン発生器１内の冷熱が大気側へ奪われる現象を確実に防止することができる。

その結果、大気温度のよって窒素添加レス・オゾン発生器１の冷却効果を妨げることがなくなるため、窒素添加レス・オゾン発生器１（オゾン発生器外枠１ｘ）内を十分に冷却することにより、オゾン発生効率を十分高くすることができる効果を奏する。

さらに、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７において、断熱層８は収納部であるオゾン発生器外枠１ｘの外周部の略全面を覆って形成されるため、窒素添加レス・オゾン発生器１の外部に存在するオゾン電源２、制御手段（ＭＦＣ３，ＡＰＣ４）に結露した水分が浸入することによる不具合を確実に回避することができる。

（冷却媒体について）
本実施の形態では、低温の冷却媒体として冷却水３３を用いたが、冷却水３３に代えて以下の冷却媒体を用いても良い。例えば、冷媒温度−２０℃〜６５℃のエチレングリコール水溶液（PRTR）や冷媒温度−４０℃〜６０℃のハイドロフルオロポリエーテル（HFPE）等が考えられる。

（冷却水３３の温度について）
本実施の形態では冷却水３３の窒素添加レス・オゾン発生器１への供給時の温度を５℃以下に設定した。この理由について説明する。従来は、水温２０℃の水を窒素添加レス・オゾン発生器１内に流して冷却してオゾンを発生させるのが一般的であった。

しかしながら、大気温度とほぼ同じ温度である２０℃の水を用いて窒素添加レス・オゾン発生器１内を冷却して、放電セルを放電させオゾンを発生させた場合、窒素添加レス・オゾン発生器１の下流での冷却水の温度は、３０℃程度まで上昇し、平均ガス温度は３５℃（ΔTav=５deg）になる。そして、誘電体バリア放電の微小放電空間の瞬時な微小放電ガス温度も、平均ガス温度に対し数℃のガス温度上昇があり、３７℃（ΔTd=２deg）程度になってしまうと推測される。

一方、低温冷却水３３の供給時の水温を５℃にして窒素添加レス・オゾン発生器１内を冷却してオゾンを発生させると、窒素添加レス・オゾン発生器１の下流での低温冷却水３３の温度は、１５℃程度までしか温度上昇せず、平均ガス温度は２０℃（ΔTav =5deg）となり、誘電体バリア放電の微小放電空間の瞬時な微小放電ガス温度は、２２℃ (ΔTd=2℃)にまで低下させることができる。

したがって、冷媒温度である低温冷却水３３の設定温度を５℃以下にすることにより、従来の放電投入電力時に比べた場合、誘電体バリア放電の微小放電空間の瞬時な微小放電ガス温度を３７℃から２２℃以下に低下させることができる。

その結果、誘電体バリア放電の微小放電空間の瞬時な微小放電ガス温度の低減に比例して、誘電体バリア放電の維持電圧Ｖ＊（火花電圧）が高くなるため、放電空間の電界Ｅが高くなり、誘電体バリア放電の発する放電光の波長の短い光の強度が大幅に高くなる。

放電光の波長の短い光の強度が高まると、電極１ａ，１ｂ面に塗布した光触媒（物質）１ｄの光触媒効果が大幅に増し、酸素ガスを酸素原子に解離する能力がより促進され、解離した酸素原子と酸素分子との三体衝突で、必然的に生成されるオゾン濃度を高めることができる。また、オゾン生成を高める効果とともに、平均ガス温度が低いと若干ではあるが、ガス温度によるオゾン分解量も少なくなり、出力できるオゾン濃度も高められる効果がある。

したがって、種々の構成のオゾン発生器の中でも特に窒素添加レス・オゾン発生器１に対して、５℃以下の低温冷却水３３で冷却することによる効果が顕著になると考えられる。

図６は原料ガス９９５の流量である原料ガス流量Ｑに対するオゾンガス濃度のオゾン濃度特性を示すグラフである。

同図において、オゾン濃度特性ＬＡは冷却水３３の設定温度が２０℃で、かつ断熱層８も設けない従来構成の場合、オゾン濃度特性ＬＢは冷却水３３の設定温度が２０℃であるが図５で示すように断熱層８を設けた場合、オゾン濃度特性ＬＣは冷却水３３の設定温度が５℃で、かつ断熱層８を設けた場合におけるオゾン濃度特性をそれぞれ示している。

同図に示すように、オゾン濃度特性ＬＡ、オゾン濃度特性ＬＢ及びオゾン濃度特性ＬＣの順でオゾン濃度特性が向上していることがわかる。すなわち、図６から、冷却水３３の温度を５℃以下にすること、断熱層８を設けることは共に、窒素添加レス・オゾン発生器１により発生するオゾンに関するオゾン濃度特性を向上させる効果があることがわかる。

このように、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７において、低温冷却媒体となる冷却水３３は窒素添加レス・オゾン発生器１内への供給時の温度を５℃以下に設定しているため、光触媒（層）１ｄにおける光触媒効果をより高めることにより、生成されるオゾン濃度のさらなる向上を図ることができる効果を奏する。

（断熱層８に用いる断熱材）
断熱層８に用いる断熱材としては、水や湿気を通さず、金属に比べ、熱伝導が非常に小さいものが有効である。例えば、耐熱性無機繊維である炭素繊維やセラミック繊維やテフロン（登録商標）繊維等がある。断熱材がボード状に整形された硬質ウレタン等を素材にした断熱ボードを断熱層８として用いても良い。

（高電圧用端子収納部２０による効果）
図７は高電圧用端子収納部２０の詳細を示す説明図である。同図に示すように、高電圧用端子収納部２０内に設けられる高電圧用端子ＰＨは、高電圧碍子２４、電極棒２５、ナット２６（２６ａ，２６ｂ）から構成される。

絶縁材よりなる高電圧碍子２４はオゾン発生器外枠１ｘを貫通して窒素添加レス・オゾン発生器１内から高電圧用端子収納部２０の筐体２２内にかけて設けられる。すなわち、窒素添加レス・オゾン発生器１の内外を分離するオゾン発生器外枠１ｘを貫通して高電圧用端子ＰＨを構成する高電圧碍子２４が形成される。

そして、高電圧用端子ＰＨを構成する高電圧碍子２４内の電極棒２５、電線２７ａ，２７ｂを介して放電電極セルの高圧電極１ａに高電圧ＨＶを印加している。高電圧碍子２４が大気に触れ、かつ、窒素添加レス・オゾン発生器１を大気温度以下の温度に冷却すると、高電圧碍子２４も低温になることから、高電圧碍子２４の表面が結露して、高電圧碍子２４の絶縁性が悪化することが懸念される。

しかし、本実施の形態では、高電圧用端子収納部２０内に高電圧用端子ＰＨの高電圧碍子２４を配置し、パージガス入力管２８からパージガス系２１より生成されるパージガス２３（窒素、不活性ガス等の乾燥したガス、すなわち、露点が低いガス）を供給可能に構成しているため、パージガス２３によって、高電圧碍子２４の表面が低温により結露することを確実に防止することができる。その結果、本実施の形態において、オゾン発生器を低温にすることで、窒素添加レス・オゾン発生器１内の高電圧碍子２４が低温になっても、高電圧碍子２４の面が結露することはなく、高電圧碍子２４は良好な絶縁性を保持することができる効果を奏する。

本実施の形態では、乾燥したガスであるパージガス２３を筐体２２内の所定の空間に常時供給することにより、高電圧碍子２４の周りにパージガス２３が存在するようにして、高電圧碍子２４の表面における結露を防止している。この方法以外にも、パージガス２３を常時供給することなくパージガス２３等の乾燥ガスを高電圧碍子２４の周りに封じ切ることや、間欠的に供給することにより、高電圧碍子２４の表面における結露を防ぐことも可能である。

このように、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生ユニット７では、パージガス入力管２８からパージガス系２１からのパージガス２３が筐体２２内の所定の空間に供給可能な高電圧用端子収納部２０を有することにより、露点が比較的低い結露防止用のパージガス２３を高電圧碍子２４の周りに存在させることができる。このため、高電圧用端子ＰＨによる高電圧ＨＶの付与能力を劣化させることなく、高電圧碍子２４の表面における結露発生を確実に回避することができる。

（他の態様）
図８は窒素添加レス・オゾン発生器１の構成の詳細を示す説明図である。同図に示すように、２つの高圧電極１ａが一つの接地電極１ｂを共有する態様で、一対の高圧電極１ａ、接地電極１ｂよりなる電極セルが複数個積層して形成される。

複数の高圧電極１ａそれぞれにおいて、その両面に誘電体１ｃが形成され、両面に形成された２つの誘電体１ｃのうち接地電極１ｂ側の誘電体１ｃの表面（放電面）に光触媒（層）１ｄが塗布され、接地電極１ｂと反対側の誘電体１ｃの表面に冷却経路部となる高圧冷却板４５が設けられる。なお、オゾン発生器外枠１ｘ、高圧冷却板４５及び後述する連結ブロック４９は金属材料で構成されている。

各接地電極１ｂは両面に光触媒（層）１ｄが塗布されており、高圧電極１ａの誘電体１ｃ上に塗布された光触媒１ｄと、接地電極１ｂの光触媒１ｄとの間の空間が放電空間４６となる。したがって、ＭＦＣ３からオゾン発生器外枠１ｘに設けられた原料入口３８を介して供給される原料ガス９９５を用いて、この放電空間４６における上述した光触媒１ｄによる光触媒効果によってオゾンガス９９６が発生する。

複数の高圧冷却板４５及び接地電極１ｂにおいて、互いに隣接する高圧冷却板４５，接地電極１ｂ間は連結ブロック４９を介在させることによって接合されている。連結ブロック４９は高圧冷却板４５及び接地電極１ｂそれぞれの端部領域を連結するように設けられる。

これら連結ブロック４９、高圧冷却板４５及び接地電極１ｂにはそれぞれ内部に低温冷却水３３が内部を流通可能な冷却水流路が設けられているため、窒素添加レス・オゾン発生器１の外部から得られる低温冷却水３３を、オゾン発生器外枠１ｘに設けられた冷却水出入口３４（冷却媒体入出口）を介して、冷却経路部を構成する連結ブロック４９及び高圧冷却板４５並びに接地電極１ｂの冷却水流路内に流通させることができる。その結果、高圧冷却板４５近傍に存在する高圧電極１ａと接地電極１ｂ自体とをそれぞれ効果的に冷却することができる。

図８に示すように、本実施の形態の窒素添加レス・オゾン発生器１では、オゾン発生器外枠１ｘの上面部１ｘｕ（所定の構成面）に冷却水出入口３４、原料入口３８、オゾンガス出口３９及び高電圧用端子収納部２０（高電圧用端子ＰＨ）を集約して設けている。

このような構成の場合、図５に示すように、オゾン発生器外枠１ｘの略全面を覆って断熱層８を形成する態様でなく、上面部１ｘｕのみを覆った図８に示す断熱層形成領域４８のみ選択的に断熱層を形成する他の態様を採用しても良い。

このような他の態様でも、低温冷却水系３０より供給される冷却水の出入口となる冷却水出入口３４及びその近傍領域に対して効果的に断熱作用を発揮させてオゾン発生器外枠１ｘ内を低温維持することにより、多くのオゾンを発生させることができる効果を奏する。

加えて、オゾン発生器外枠１ｘの内外における温度差が他の部分より大きく結露が生じやすい冷却水出入口３４、原料入口３８、オゾンガス出口３９及び高電圧用端子収納部２０（高電圧用端子ＰＨ）並びにその近傍領域に対して効果的に断熱作用を発揮させて結露防止を図ることができる。

その結果、本実施の形態の他の態様は、断熱層８形成体積を必要最小限に抑えながら、結露を発生させることなく、多くのオゾンを発生させることができる効果を奏する。

（半導体技術分野への適用）
また、半導体分野では、窒素を含まない酸素とオゾンガスのみの高純度なオゾンガスを用いて、半導体の高品質な酸化膜を形成した絶縁成膜をすることが特に望まれている。そのため、窒素レスとしたオゾン発生装置は必須の条件であって、かつ、オゾン発生器から供給される窒素レスオゾンガスは、より高濃度化されたオゾンガスが求められており、酸化絶縁成膜の成膜速度をより高めることや成膜厚みを増すことで、絶縁性能アップさせることが望まれている。

したがって、本実施の形態（他の態様も含む）による窒素添加レス・オゾン発生ユニット７を半導体製造技術に活用することにより、高品質な酸化絶縁成膜を比較的短時間で形成することができる。

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。

Claims (4)

1. 窒素添加レス・オゾン発生ユニットであって、
   放電面にオゾンを生成するための光触媒物質を有し、オゾンガスを発生する窒素添加レス・オゾン発生器と、
   前記窒素添加レス・オゾン発生器に高電圧を供給するオゾン電源と、
   前記オゾン発生器に関連した制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記窒素添加レス・オゾン発生器に供給される原料ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を含む流量検出・流量調整手段と、
   前記窒素添加レス・オゾン発生器内の圧力である内部圧力を自動制御するオートプレッシャコントローラ（ＡＰＣ）を含む圧力検出・圧力調整手段とを有し、
   前記窒素添加レス・オゾン発生ユニットは、前記窒素添加レス・オゾン発生器、前記オゾン電源、及び前記制御手段を集約して一体化構造で形成され、
   窒素添加レス・オゾン発生器は、
   前記オゾン電源からの前記高電圧を受ける高電圧用端子と、
   外部から得られる冷却媒体を供給及び排出するための冷却媒体入出口と、
   前記高電圧用端子を介して前記高電圧が付与される高圧電極とを含み、前記高圧電極の少なくとも一つの主面が前記放電面として規定され、
   前記高圧電極の前記放電面側に設けられた前記光触媒物質からなる光触媒層と、
   前記高圧電極の近傍に設けられ、前記冷却媒体入出口を介して供給される前記冷却媒体が内部を流通可能な冷却経路部と、
   前記高圧電極、前記光触媒層及び前記冷却経路部を内部に収納する収納部とを含み、前記収納部の外周部の一部を構成する所定の構成面に前記冷却媒体入出口が形成され、前記収納部の前記外周部を貫通して前記高電圧用端子が設けられ、
   前記収納部における前記所定の構成面を少なくとも覆って形成される、水分を通さず金属に比べ熱伝導率が小さい断熱材からなる断熱層をさらに含み、
   前記冷却媒体は前記窒素添加レス・オゾン発生器の前記収納部内への供給時の温度を５℃以下に設定可能な低温冷却媒体を含み、前記窒素添加レス・オゾン発生器自身を低温にして構成する、
   窒素添加レス・オゾン発生ユニット。
2. 請求項１記載の窒素添加レス・オゾン発生ユニットであって、
   前記窒素添加レス・オゾン発生器は、
   外部から原料ガスを前記流量検出・流量調整手段を介して供給するための原料ガス入口部と、
   生成したオゾンガスを前記圧力検出・圧力調整手段を介して外部に出力するためのオゾンガス出口部とをさらに含み、
   前記所定の構成面に前記原料ガス入口部、前記オゾンガス出口部が形成されるとともに、前記高電圧用端子は前記所定の構成面を貫通して形成され、
   前記断熱層は前記所定の構成面のみを選択的に覆って形成される、
   窒素添加レス・オゾン発生ユニット。
3. 請求項１記載の窒素添加レス・オゾン発生ユニットであって、
   前記断熱層は前記収納部の外周部の略全面を覆って形成される、
   窒素添加レス・オゾン発生ユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載の窒素添加レス・オゾン発生ユニットであって、
   前記高電圧用端子の主要部を所定の空間内に配置するように収納する高電圧用端子収納部をさらに備え、
   前記高電圧用端子収納部は、前記所定の空間に露点が比較的低い結露防止用のパージガスを外部から供給可能なパージガス供給口を有する、
   窒素添加レス・オゾン発生ユニット。

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