活性粒子発生装置
【課題】オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を提供する。
【解決手段】接地電極１と、空隙を介して接地電極１と対向し、空隙側の表面が誘電体４で覆われた高圧電極２との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、空隙に原料ガス８を供給して、誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、活性粒子の寿命を、原料ガス８が空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、接地電極１および高圧電極２の単位面積に供給される放電電力が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されるものである。
【解決手段】接地電極１と、空隙を介して接地電極１と対向し、空隙側の表面が誘電体４で覆われた高圧電極２との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、空隙に原料ガス８を供給して、誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、活性粒子の寿命を、原料ガス８が空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、接地電極１および高圧電極２の単位面積に供給される放電電力が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘電体バリア放電を用いて活性粒子を発生させる活性粒子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放電で発生した活性粒子を輸送し、放電場の外で対象に接触させることにより、成膜、表面洗浄、表面改質、殺菌等を行うリモートプラズマ処理が用いられている。その中でも、真空気密容器を必要としない大気圧近傍でのリモートプラズマ処理が注目されている。大気圧近傍でのリモートプラズマ処理は、処理対象の形状制限を緩和するとともに、インラインプロセスへ容易に適応することができるといった優れた特徴を有する。
【０００３】
大気圧近傍で活性粒子を発生させるために、様々な形態の放電が用いられている。特に、誘電体バリア放電は、大面積で均一に、かつ安定した非平衡プラズマを発生することができるので、オゾン発生装置等に広く用いられている。
【０００４】
また、近年では、誘電体バリア放電により、オゾン以外にも様々な活性粒子を発生させ、発生した活性粒子を各種プロセスに応用する検討が進められている。放電によって発生する活性粒子種としては、オゾン、酸素原子、窒素原子、水素原子を始め多種存在するが、中でも酸素原子、窒素原子、水素原子等の原子状ラジカルは、活性が高く、大気圧近傍において他の活性粒子よりも比較的寿命が長いことから、リモートプラズマ処理に有効である。また、希ガスの準安定準位も、同様の理由からリモートプラズマ処理に有効である。
【０００５】
なお、リモートプラズマ処理では、プロセスの高速化および高効率化を図るために、処理対象に供給する活性粒子のフラックスを高めることが重要である。そのため、活性粒子発生装置において、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させる必要がある。
【０００６】
ここで、一般的な誘電体バリア放電型の活性粒子発生装置について説明する。
一般的な活性粒子発生装置では、一対の電極の少なくとも一方をガラスやセラミック等の誘電体で覆い、電極間に交流の高電圧やパルス状の高電圧を印加することにより、放電を生じさせる。このとき、放電空隙長や誘電体の厚さは一定の値に設定され、単位電極面積に供給される放電電力（以下、「放電電力密度」と称する）は、電極面内でほぼ均一に設定されている。
【０００７】
この活性粒子発生装置でオゾンを発生させる場合、酸素を含む原料ガスを放電空間（電極間）に供給することでオゾンが発生するが、放電に伴って電極や原料ガスの温度が上昇する。オゾンは、熱分解性を有しているので、放電空間の上流側で発生したオゾンが放電空間の下流側で熱分解され、オゾンの発生効率が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１に記載された活性粒子発生装置では、電極に設けられた誘電体の誘電率をガス流方向に（放電空間（原料ガス流）の上流側から下流側に向けて）減少させる、誘電体の厚さをガス流方向に増加させる、または放電空隙長をガス流方向に増加させることで、放電電力密度をガス流方向に減少させている。
これにより、オゾンの熱分解を抑制し、オゾンの発生効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−８１２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された活性粒子発生装置では、オゾンのように寿命が長く、かつ熱分解性を有する活性粒子種を発生させる場合には、放電電力密度を放電空間の上流側から下流側に向けて減少させることにより、その発生効率を向上させることができる。
【００１１】
一方、この活性粒子発生装置で上述した原子状ラジカルを発生させる場合、原子状ラジカルは、オゾンと比較して寿命が短く、かつ温度上昇に伴う損失が少ないので、放電電力密度をガス流方向に減少させると、オゾンを発生させる場合とは逆に、発生密度および発生効率が低下するという問題がある。これは、放電空間において原子状ラジカルの生成速度と消滅速度とが短時間で平衡状態となり、かつ活性粒子の飽和密度が放電電力密度に依存して変化するためである。
【００１２】
また、上述した一般的な活性粒子発生装置で原子状ラジカルを発生させる場合、放電電力密度（単位電極面積当たりの放電電力）が電極面内でほぼ均一に設定されているので、原子状ラジカルの密度が放電空間の上流側から下流側に向けて飽和する傾向を示す。そのため、電極の出口付近で原子状ラジカルの密度が飽和し、原子状ラジカルの発生密度および発生効率が低下するという問題がある。
【００１３】
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、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る活性粒子発生装置は、第１電極と、空隙を介して第１電極と対向し、空隙側の表面が誘電体で覆われた第２電極との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、空隙に原料ガスを供給して、誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、活性粒子の寿命を、原料ガスが空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る活性粒子発生装置によれば、発生する活性粒子の寿命を、原料ガスが空隙に滞在する平均時間で除した値を０．１以上１０以下とし、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させる。
これにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができる。
そのため、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図２】誘電体バリア放電で発生するＮ原子の密度と放電電力との関係を、実測結果および解析結果について示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る数値解析に採用した、放電電力条件を示す説明図である。
【図４】図３に示した各放電電力密度におけるＮ原子密度の時間変化を示す説明図である。
【図５】図３の条件２に示した放電電力密度を形成するための静電容量を示す説明図である。
【図６】活性粒子の寿命と平均ガス滞在時間との関係から、この発明の実施の形態１が適用可能となる条件を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図１１】誘電体バリア放電の空隙長を変化させた場合における放電電力と印加電圧との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の活性粒子発生装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。なお、図１において、原料ガス８は、図の左側から供給されるとする。
図１において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００１９】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ個別の容量性負荷６ａ〜６ｅの一端が接続され、容量性負荷６ａ〜６ｅの他端は、それぞれ交流電源７に並列に接続されている。ここで、容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量は、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に増加されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００２０】
次に、図１を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
まず、誘電体バリア放電における放電電力Ｐは、一般に次式（１）で表される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
式（１）において、ｆは電源周波数、Ｃｄは誘電体の静電容量、Ｃｇは空隙の静電容量、Ｖ０ｐは印加電圧波高値、Ｖ＊は放電維持電圧を示している。ここで、放電維持電圧Ｖ＊は、空隙を満たすガス組成、空隙長、圧力、温度等によって決まる値であり、空隙の静電容量Ｃｇは、空隙長および電極面積によって決まる値である。したがって、電源周波数ｆおよび印加電圧波高値Ｖ０ｐを一定とし、電極構造、供給ガス種および放電条件を同一とした場合、誘電体バリア放電の放電電力Ｐは、誘電体の静電容量Ｃｄに依存する。
【００２３】
通常の誘電体バリア放電において、誘電体の静電容量Ｃｄは、一対の導電体電極の間に設けられた誘電体の厚さ、比誘電率および面積によって決まるが、実施の形態１に係る活性粒子発生装置では、局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ容量性負荷６ａ〜６ｅが直列接続されている。そのため、実際の静電容量は、誘電体自身の静電容量と外部容量性負荷の静電容量との合成容量Ｃｄ'となり、合成容量Ｃｄ'は、次式（２）で表される。
【００２４】
【数２】
【００２５】
式（２）において、Ｃ０は外部容量性負荷の静電容量を示している。式（２）より、外部容量性負荷の静電容量Ｃ０の増加に伴って合成容量Ｃｄ'が増加し、Ｃｄ'＝Ｃｄに漸近する。また、式（１）より、誘電体の静電容量Ｃｄが大きいほど放電電力Ｐが増加する。したがって、放電電力Ｐは、外部に接続する容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量の増加に伴って増大し、外部容量性負荷を接続しない場合の放電電力に漸近する。
【００２６】
電極入口から供給される原料ガス８は、まず、放電空間５ａに誘起される誘電体バリア放電によって、その一部が活性粒子となる。放電空間５ａを通過した原料ガス８は、続いて放電空間５ｂに誘起される誘電体バリア放電に接する。ここで、容量性負荷６ｂの静電容量は、容量性負荷６ａの静電容量よりも大きいので、放電空間５ｂにおける放電電力密度は、放電空間５ａにおける放電電力密度よりも大きくなる。
【００２７】
以下、同様に放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
この結果、電極面内の全領域を均一の放電電力密度で放電させる場合と比較して、供給する合計電力が同一であっても、活性粒子の発生密度を向上させることができる。
【００２８】
以下、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて増加させることによって、活性粒子の発生密度が向上する理由について説明する。ここでは、純窒素を原料ガス８として、誘電体バリア放電により窒素原子（Ｎ原子）を発生させる場合を例に挙げて説明する。
【００２９】
大気圧近傍で放電空間５ａ〜５ｅに供給された窒素分子は、主に高エネルギー電子との衝突によって解離し、Ｎ原子を発生する。一方、発生したＮ原子は、第３体（主に窒素分子）を介したＮ原子同士の空間再結合や、電極表面への拡散に伴う表面損失によって消滅する。したがって、放電空間５ａ〜５ｅにおける実際のＮ原子の発生速度は、Ｎ原子の生成速度と消滅速度とのバランスによって決まり、次式（３）で表される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
式（３）において、［Ｎ］（ｃｍ−３）はＮ原子密度、Ｇ（ｃｍ−３ｓ−１）はＮ原子の生成レート、Ｌ（ｃｍ−３ｓ−１）はＮ原子の消滅レートを示している。式（３）におけるＮ原子の生成レートＧは、窒素分子の解離反応レートとして、次式（４）で表される。
【００３２】
【数４】
【００３３】
式（４）において、ｋｄ（ｃｍ３ｓ−１）は窒素分子の解離速度係数、［Ｎｅ］（ｃｍ−３）は電子密度、［Ｎ２］（ｃｍ−３）は窒素分子密度を示している。また、係数２は、一回の反応で２個のＮ原子が発生すること示している。ここで、窒素分子の解離速度係数ｋｄは、電極構造、ガス組成、圧力および温度を一定とすると、一定の値となる。また、電子密度［Ｎｅ］は、放電電力密度とほぼ線形の関係にある。
【００３４】
大気圧近傍の放電では、窒素分子の解離度は、一般に１０−５〜１０−４程度なので、窒素分子密度［Ｎ２］は、圧力および温度のみで決まる値とみなすことができる。したがって、電極構造およびガス組成を一定として、放電電力密度のみを変化させた場合、式（４）における電子密度［Ｎｅ］のみが変化する。すなわち、Ｎ原子の生成レートＧは、放電電力密度に依存して一意に決まる値である。
【００３５】
また、式（３）におけるＮ原子の消滅レートＬは、主に上述した空間再結合と表面損失とに依存する。まず、空間再結合による損失レートＬｖ（ｃｍ−３ｓ−１）は、次式（５）で表される。
【００３６】
【数５】
【００３７】
式（５）において、ｋｒ（ｃｍ６ｓ−１）は空間再結合の速度係数を示している。なお、空間再結合の速度係数ｋｒは、例えば「Ｓ．Ｆ．Ａｄａｍｓ他著，「Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ａ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｒｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ」，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．９，２０００，ｐ．２４８−２５５」に示されている。また、式（５）より、Ｎ原子の空間再結合による損失レートＬｖは、Ｎ原子自身の密度［Ｎ］の二乗に比例する。
【００３８】
また、表面損失過程は、Ｎ原子が粒子拡散によって管壁（電極）に到達することによって発生する。したがって、表面損失による損失レートＬｓ（ｃｍ−３ｓ−１）は、Ｎ原子の粒子拡散に比例し、次式（６）で表される。
【００３９】
【数６】
【００４０】
式（６）において、Ｄ（ｃｍ２ｓ−１）は窒素分子中のＮ原子の拡散係数、△はラプラシアンを示している。拡散係数Ｄは、拡散種と雰囲気ガス種とに依存し、その値は、例えば「日本機械学会編，「伝熱工学資料」，改定第４版，日本機械学会，１９８６年，ｐ．３５６」に示されている。管壁に到達したＮ原子の多くは、放電空間５ａ〜５ｅに反射されるが、一部は管壁を介したＮ原子同士の再結合や、管壁への吸着によって消滅する。式（６）より、Ｎ原子密度［Ｎ］が高いほど、管壁に到達するＮ原子数が増加し、結果的に表面損失による損失レートＬｓが増大する。
【００４１】
以上のことから、放電電力密度を一定とした場合、全放電空間にわたってＮ原子の生成レートＧは一定となるが、Ｎ原子の消滅レートＬは、空間再結合による損失レートＬｖと表面損失による損失レートＬｓとを足し合わせた値となり、Ｎ原子密度［Ｎ］の増加に伴って増大することが分かる。そのため、Ｎ原子密度［Ｎ］は、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に（入口側から出口側に）向かって飽和する傾向を示すことになる。一方、Ｎ原子の飽和密度は、Ｎ原子の生成レートＧとＮ原子の消滅レートＬとが等しくなる条件で決まる値である。したがって、放電電力密度を高めてＮ原子の生成レートＧを増大させることにより、Ｎ原子の飽和密度を増加させることができる。
【００４２】
また、全放電空間にわたって放電電力密度を一定とした場合、一度飽和密度に至ると、その後電極に供給される電力は、無効消費される。一方、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて段階的に増加させた場合、飽和密度が上流側から下流側に向けて段階的に増加することになる。これにより、放電電力密度を一定とした場合と比較して、上流側でのＮ原子の生成速度は遅くなるものの、下流側での生成速度が早くなるので、Ｎ原子密度の飽和を抑制することができる。したがって、下流側での供給電力が無効消費されることがなく、Ｎ原子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
【００４３】
ここで、本願発明者は、誘電体バリア放電型の活性粒子発生装置を製作し、Ｎ原子密度を測定することにより、Ｎ原子の発生特性を評価する実験を行った。さらに、放電体系、放電条件、および各パラメータを詳細に検討し、数値解析によりこの発明の実施の形態１の効果を検証した。
【００４４】
Ｎ原子密度の実測では、電極間に周波数１０ｋＨｚの交流高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、大気圧において毎分１０リットルの窒素ガスを原料ガスとして放電空間に供給した。また、高圧電極をセラミックで被覆し、空隙長は１．０ｍｍ、電極長は１２０ｍｍとした。このとき、放電電力密度は、電極面の全領域にわたって均一に設定した。
【００４５】
この実験条件において、例えば「Ｇ．Ｏｉｎｕｍａ他著，「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｏｓｔ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆｌｏｗｓ」，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１，１５５２０４，２００８」に示されたＮＯ混合による間接測定法を用いてＮ原子密度を測定し、供給電力（放電電力）とＮ原子の飽和密度との関係を調べた。
【００４６】
一方、数値解析では、上記の実験条件と同様の条件で計算を行い、実測結果と一致するか否かを確認した。実測により求めたＮ原子密度および数値解析により求めたＮ原子密度と放電電力との関係を図２に例示する。
図２において、発生するＮ原子の密度は、１０１４（ｃｍ−３）のオーダーであり、放電電力の増加とともにＮ原子の飽和密度が増加した。また、実測結果（図中の黒丸）と解析結果（図中の曲線）とは互いによく一致しており、解析モデルの妥当性が示された。
【００４７】
次に、Ｎ原子密度の時間変化に対する解析結果を示す。解析条件は、放電電力を８Ｗ、放電面積を１０ｃｍ２、窒素ガス流量を毎分１０リットル、空隙長を１．０ｍｍとした。なお、この解析条件において、原料ガスが放電空間（空隙）に滞在する平均時間（以下、「平均ガス滞在時間」と称する）は、１６ミリ秒程度となる。ここでは、この発明の実施の形態１の効果を検証するために、図３に示す２通りの放電電力条件でＮ原子の発生特性を比較した。
【００４８】
まず、条件１では、全放電空間にわたって均一の放電電力密度０．８Ｗ／ｃｍ２で放電させた。また、条件２では、放電空間をガス流方向に５等分し、放電電力密度を０．４Ｗ／ｃｍ２から１．２Ｗ／ｃｍ２まで、０．２Ｗ／ｃｍ２刻みで段階的に増加させて放電させた。また、全供給電力は、何れの条件も同一で８Ｗとした。
【００４９】
上記条件１および条件２について、解析から得られたＮ原子密度の時間変化を図４に示す。図４において、条件１では、１０ミリ秒程度でＮ原子密度が飽和し、その後はＮ原子密度がほとんど変化しない。このときの電極出口付近におけるＮ原子密度は、４．７×１０１４ｃｍ−３程度となる。一方、条件２では、全放電空間（電極面の全領域）にわたってＮ原子密度が飽和することなく、密度が一様に増加する。このときの電極出口付近におけるＮ原子密度は、５．９×１０１４ｃｍ−３程度となる。このように、ガス流方向に放電電力密度を増加させることにより、全供給電力が同一の場合であっても、条件２の方が条件１よりも、電極出口付近のＮ原子密度を向上させることができる。
【００５０】
次に、図１に示した活性粒子発生装置において、図３の条件２に記載された放電電力密度の分布を実現するための静電容量の条件について説明する。上述したように、誘電体バリア放電における放電電力Ｐは、式（１）で表され、放電電力Ｐを電極面積で除した値が放電電力密度となる。ここでは、式（１）において、放電維持電圧Ｖ＊を３５００Ｖ、印加電圧波高値Ｖ０ｐを５０００Ｖ、誘電体の比誘電率を６．９、誘電体厚さを１．０ｍｍ、誘電体の静電容量Ｃｄを１．２２×１０−１１Ｆとした場合について考える。
【００５１】
このとき、各局所電極２ａ〜２ｅに対して、それぞれ１．２６×１０−１２Ｆ、１．９２×１０−１２Ｆ、２．８１×１０−１２Ｆ、３．７２×１０−１２Ｆ、４．７７×１０−１２Ｆの容量性負荷６ａ〜６ｅを直列接続することにより、条件２に記載された放電電力密度の分布を実現することができる。この場合の外部容量性負荷の静電容量Ｃ０、誘電体の静電容量Ｃｄ、合成容量Ｃｄ'、および放電電力密度の関係を図５に示す。外部に接続される容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量は、概ね数ｐＦ程度なので、既製のコンデンサを用いることができる。さらに、コンデンサの静電容量、印加電圧、電源周波数を調節することで、発生させる活性粒子に適した所望の放電電力密度の分布を実現することができる。
【００５２】
以上の検討は、Ｎ原子を発生させる場合について行ったものであるが、Ｎ原子以外であっても、活性粒子の寿命と平均ガス滞在時間との関係が、ある条件を満足するときには、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を適用し、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
以下、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置が適用可能となる条件について説明する。
【００５３】
この発明の実施の形態１の効果は、放電空間において活性粒子の発生密度が飽和に至るまでの時間（飽和時間）と、平均ガス滞在時間との関係によって決まる。活性粒子種の飽和時間が平均ガス滞在時間と比較して十分長い場合、全放電空間にわたって活性粒子の生成レートが消滅レートよりも十分に大きくなる。したがって、活性粒子密度は、供給電力に比例して増加し、放電電力密度分布には依存しない。
【００５４】
一方、活性粒子の飽和時間が平均ガス滞在時間と比較して十分短い場合、活性粒子密度は、放電空間のごく上流で飽和に至る。したがって、単に電極面積を小さくすることによって、活性粒子の発生密度を向上させることができる。
このことから、この発明の実施の形態１が効果を発揮するのは、この中間領域、すなわち活性粒子の飽和時間が平均ガス滞在時間と同程度の場合である。
【００５５】
活性粒子の飽和時間は、活性粒子の寿命に依存し、短寿命の活性粒子は、放電空間において短時間で飽和密度に至り、例えばオゾン等の長寿命の活性粒子は、放電空間に長時間滞在しなければ、飽和密度に到達しない。そこで、活性粒子の寿命をパラメータとして、図３に示された条件１および条件２における活性粒子の発生密度を、数値解析により比較した。この数値解析によって得られた結果を図６に示す。
【００５６】
図６において、横軸は、活性粒子の寿命を平均ガス滞在時間で除した値であり、縦軸は、条件２において発生する活性粒子の発生密度を、条件１において発生する活性粒子の発生密度で除した値（活性粒子の相対発生密度）である。図６より、横軸の値が１０を超える場合、両者に差異はほとんど生じない。これは、活性粒子の発生密度が供給電力に比例しており、放電電力密度の分布に依存しないためである。横軸の値が１０以下の場合に、この発明の実施の形態１の効果が現れ始め、横軸の値が減少するにつれて、その効果は増加する。
【００５７】
一方、横軸の値が０．１以下の場合、縦軸の値が一定値に収束し、この発明の実施の形態１の効果が飽和する。このように、活性粒子の寿命が平均ガス滞在時間と比較して十分短い場合、活性粒子密度は、放電空間のごく一部で飽和に至る。したがって、放電電力密度の分布とは無関係に、放電電力密度の最大値によって活性粒子の発生密度が決まる。この場合、単純に放電空間の容積を狭める（電極面積を小さくする）だけで活性粒子の発生効率が向上するので、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を適用する意義はない。以上の結果から、活性粒子の寿命を平均ガス滞在時間で除した値が、０．１〜１０の場合に、この発明の実施の形態１は有効である。
【００５８】
なお、活性粒子の寿命とは、活性粒子密度が、１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）に減少するまでに要する時間を指している。活性粒子の消滅過程には、輻射脱励起、クエンチング反応、空間再結合反応、電極表面損失等があり、その消滅速度は、活性粒子種、ガス温度、ガス組成、圧力、電極材料、電極形状、電極温度、空隙長等様々な条件に依存する。一方、平均ガス滞在時間は、放電空間のガス流方向長さをガス流速で除した値であり、原料ガス流量、放電空間容積、ガス温度、圧力に依存する。
【００５９】
したがって、この発明の実施の形態１の適用可否は、発生対象とする活性粒子種およびその発生条件、また電極構造によって決まる。この発明の実施の形態１が適用される代表例として、上述した大気圧近傍でのＮ原子があるが、それ以外にも、水素原子や酸素原子等の原子状活性粒子（原子状ラジカル）が挙げられる。さらに、大気圧近傍においても比較的長寿命である希ガスの準安定励起種、窒素分子の準安定励起種等が挙げられるが、上述した条件を満たすものであれば、これらに限定されるものではない。
【００６０】
以上のように、実施の形態１によれば、発生する活性粒子の寿命を、平均ガス滞在時間で除した値を０．１以上１０以下としている。また、第２電極は、原料ガス流方向に電気的に分割されて複数の局所電極を形成し、複数の局所電極には、それぞれ一端が局所電極に直列接続され、他端が同一の電源に並列接続された複数の容量性負荷が接続されている。また、複数の容量性負荷の静電容量は、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されて、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させるようになっている。
これにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができる。そのため、電極面内の全領域を均一の放電電力密度で放電させる場合と比較して、供給する合計電力が同一であっても、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
したがって、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることができる。
また、外部に接続する容量性負荷の静電容量を調節することで、所望の放電電力密度の分布を形成することができ、発生対象とする活性粒子種に適した放電条件を実現することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１では、局所電極２ａ〜２ｅの全てに容量性負荷６ａ〜６ｅを接続しているが、原料ガス流の最下流に位置する容量性負荷６ｅは、必ずしも必要ではない。容量性負荷を直列に接続した場合、容量性負荷を接続しない場合と比較して、必ず放電電力が小さくなる。したがって、最下流に位置する局所電極２ｅには、容量性負荷を接続しなくても、放電電力密度を最も高くすることができる。
【００６２】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図７において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００６３】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａと局所電極２ｂとは、容量性負荷１０ａを介して互いに接続されている。同様に、局所電極２ｂと局所電極２ｃと、局所電極２ｃと局所電極２ｄと、および局所電極２ｄと局所電極２ｅとは、それぞれ容量性負荷１０ｂ〜１０ｄを介して互いに接続されている。また、原料ガス流の最下流に位置する局所電極２ｅには、交流電源７が接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００６４】
原料ガス流の最下流に位置する放電空間５ｅにおける静電容量Ｃｄは、誘電体３と誘電体４との合成容量である。また、放電空間５ｄにおける静電容量は、誘電体３および誘電体４に加えて、容量性負荷１０ｄを含めた合成容量となり、放電空間５ｅと比較して静電容量は減少する。また、放電空間５ｄにおける静電容量は、誘電体３および誘電体４に加えて、容量性負荷１０ｄおよび容量性負荷１０ｃを含めた合成容量となり、放電空間５ｅと比較して静電容量はさらに減少する。以下、同様に、原料ガス流の上流側ほど静電容量Ｃｄが小さく、下流側に進むに従って大きくなる。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
【００６５】
以上のように、実施の形態２によれば、複数の局所電極のうち、隣り合う局所電極同士を互いに接続する複数の容量性負荷を備え、原料ガス流の最下流に位置する局所電極を電源に接続することにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に接続する容量性負荷の静電容量を選択することで、所望の放電電力密度の分布を形成することができ、発生対象とする活性粒子種に適した放電条件を実現することができる。
さらに、原料ガス流の最下流に位置する局所電極のみを電源に接続することにより、構造を簡素化することができる。
【００６６】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図８において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００６７】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ個別の交流電源７ａ〜７ｅが接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００６８】
ここで、交流電源７ａ〜７ｅの印加電圧は、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に高くなるように設定されている。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。なお、放電電力密度を増加させる方法として、交流電源７ａ〜７ｅの印加電圧をガス流方向に順に高くなるように設定する他に、交流電源７ａ〜７ｅの電源周波数をガス流方向に順に高くなるように設定するものある。
【００６９】
以上のように、実施の形態３によれば、複数の局所電極の各々に電源を接続し、電源の印加電圧または電源周波数を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて高くなるように設定することにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態３は、実施の形態１または２と比較して電源が複数必要になるという欠点があるが、外部に容量性負荷を接続する必要がなくなり、かつ電源の出力を調節することのみで、所望の放電電力密度の分布を形成することができる。
さらに、図８に示した活性粒子発生装置を複数個積層したり、複数の活性粒子発生装置を同時に稼働させたりする場合には、同一箇所に位置する局所電極を、共通の電源で動作させることができる。そのため、装置毎に独立の電源を使用する構成と比較して、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
【００７０】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図９において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００７１】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。ここで、局所電極２ａ〜２ｅから誘電体４の空隙側表面までの距離が、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に短縮されている。また、局所電極２ａ〜２ｅは、交流電源７に並列に接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００７２】
次に、図９を参照しながら、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
まず、平板誘電体の静電容量は、一般に誘電体の厚さｄ、面積Ｓ、真空の誘電率ε０、比誘電率εｒから、次式（７）で表される。
【００７３】
【数７】
【００７４】
式（７）より、誘電体が薄いほど、静電容量は大きくなる。また、式（１）より、誘電体の静電容量が大きいほど、放電電力密度は増加する。そのため、誘電体が薄い部分では、放電電力密度が相対的に大きく、誘電体が厚い部分では、放電電力密度が相対的に小さくなる。この発明の実施の形態４では、高圧電極２から誘電体４の空隙側表面までの距離が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮されているので、実効的な誘電体の厚さが、ガス流方向に段階的に減少することになる。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
【００７５】
以上のように、実施の形態４によれば、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮させることにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に容量性負荷を接続することなく、かつ単一の電源によって放電電力密度を原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができるので、構造を簡素化することができる。
【００７６】
なお、上記実施の形態４では、高圧電極２をガス流方向に分割して５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成しているが、必ずしも高圧電極２を分割する必要はなく、各局所電極２ａ〜２ｅは、電気的に接続されていてもよい。
また、上記実施の形態４では、高圧電極２を階段状にすることで、実効的な誘電体の厚さを、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて段階的に変化させているが、高圧電極２を１枚の板とし、誘電体４に対して傾斜をつけて配置した場合であっても、上記実施の形態４と同様の効果を得ることができる。この場合には、実効的な誘電体の厚さが、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて連続的に変化することとなる。
【００７７】
また、上記実施の形態１〜４では、高圧電極２をガス流方向に５個に分割し、複数の容量性負荷または複数の電源を用いたり、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を変化させたりすることによって、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて増加させている。しかしながら、これに限定されず、局所電極の数は、２個以上の任意の数を適宜選択すればよい。また、各局所電極の面積は、必ずしも同一である必要はなく、ガス流方向に増減させる等、発生対象とする活性粒子種や発生条件に合わせて決定することができる。
【００７８】
また、上記実施の形態１〜４では、高圧電極２をガス流方向に５個に分割し、複数の容量性負荷または複数の電源を用いたり、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を変化させたりすることによって、放電電力密度の分布を形成している。しかしながら、これに限定されず、接地電極１をガス流方向に分割し、分割された接地電極の各々とグランドとの間に容量性負荷を接続すること等によっても、上記実施の形態１と同様に、放電電力密度の分布を形成することができる。
【００７９】
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図１０において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００８０】
また、高圧電極２は、交流電源７に並列に接続されている。ここで、誘電体３と誘電体４とによって形成される放電空間５の空隙長が、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）連続的に短縮されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００８１】
次に、図１０を参照しながら、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
放電空間５の空隙長を変化させると、式（１）の放電維持電圧Ｖ＊および空隙の静電容量Ｃｇが変化する。一般に空隙長を大きくすると、放電維持電圧Ｖ＊は大きくなり、空隙の静電容量Ｃｇは小さくなる。放電電力と印加電圧との関係を、空隙長の大小について比較したものを図１１に示す。
【００８２】
図１１において、空隙長が大きい場合、放電開始に必要な電圧が大きいので、低い印加電圧での放電電力は小さくなるが、印加電圧の増加に伴う放電電力の増加は大きくなる。一方、空隙長が小さい場合、放電開始に必要な電圧は小さくてもよいので、低い印加電圧での放電電力は大きくなるが、印加電圧の増加に伴う放電電力の増加は小さくなる。
【００８３】
したがって、印加電圧が図１１のＶａ以下である場合には、空隙長が小さい方が放電電力は高くなり、印加電圧がＶａ以上である場合には、空隙長が大きい方が放電電力は高くなる。図１１のＶａ以下の印加電圧で活性粒子発生装置を動作させる場合には、空隙長をガス流方向に減少させ、Ｖａ以上の印加電圧で活性粒子発生装置を動作させる場合には、空隙長をガス流方向に増加させることにより、放電空間５の上流側から下流側に向けて、放電電力密度を増加させることができる。
【００８４】
以上のように、実施の形態５によれば、電極間に形成される空隙の空隙長を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮させることにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に容量性負荷を接続することなく、かつ一対の放電電極と単一の電源とによって放電電力密度を原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができるので、構造を簡素化することができる。
【００８５】
なお、上記実施の形態１〜５では、高圧電極２は誘電体４の内部に埋設されているが、高圧電極２を誘電体４の空隙と反対側の表面に設けてもよい。この場合には、誘電体４の表面で沿面放電が生じないように、局所電極間の距離を、上記実施の形態１〜５と比較して長く取る必要があるものの、高圧側電極の製作を容易にすることができる。
【００８６】
また、上記実施の形態１〜５では、接地電極１の空隙側表面が誘電体３で覆われているが、誘電体バリア放電を発生させるためには、接地電極１および高圧電極２の少なくとも一方の電極が誘電体で覆われていればよい。したがって、誘電体３は、必ずしも必要ではない。しかしながら、導電体を放電空間に露出させた場合には、金属原子や金属酸化膜成分がイオンによりスパッタリングされ、活性粒子含有ガス９中にコンタミネーションとして混入する可能性がある。
【００８７】
また、上記実施の形態１〜５では、接地電極１と高圧電極２との間に交流電圧を印加しているが、これに限定されず、誘電体バリア放電を生じさせることのできる印加電圧形態であれば、交流に限定されるものではない。
また、上記実施の形態１〜５では、電極構造を平行平板型としているが、これに限定されず、同軸円筒型の電極構造であっても、この発明の実施の形態１〜５を適用することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１ 接地電極、２ 高圧電極、２ａ〜２ｅ 局所電極、３ 誘電体、４ 誘電体、５、５ａ〜５ｅ 放電空間、６ａ〜６ｅ 容量性負荷、７、７ａ〜７ｅ 交流電源、８ 原料ガス、９ 活性粒子含有ガス、１０ａ〜１０ｄ 容量性負荷。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘電体バリア放電を用いて活性粒子を発生させる活性粒子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放電で発生した活性粒子を輸送し、放電場の外で対象に接触させることにより、成膜、表面洗浄、表面改質、殺菌等を行うリモートプラズマ処理が用いられている。その中でも、真空気密容器を必要としない大気圧近傍でのリモートプラズマ処理が注目されている。大気圧近傍でのリモートプラズマ処理は、処理対象の形状制限を緩和するとともに、インラインプロセスへ容易に適応することができるといった優れた特徴を有する。
【０００３】
大気圧近傍で活性粒子を発生させるために、様々な形態の放電が用いられている。特に、誘電体バリア放電は、大面積で均一に、かつ安定した非平衡プラズマを発生することができるので、オゾン発生装置等に広く用いられている。
【０００４】
また、近年では、誘電体バリア放電により、オゾン以外にも様々な活性粒子を発生させ、発生した活性粒子を各種プロセスに応用する検討が進められている。放電によって発生する活性粒子種としては、オゾン、酸素原子、窒素原子、水素原子を始め多種存在するが、中でも酸素原子、窒素原子、水素原子等の原子状ラジカルは、活性が高く、大気圧近傍において他の活性粒子よりも比較的寿命が長いことから、リモートプラズマ処理に有効である。また、希ガスの準安定準位も、同様の理由からリモートプラズマ処理に有効である。
【０００５】
なお、リモートプラズマ処理では、プロセスの高速化および高効率化を図るために、処理対象に供給する活性粒子のフラックスを高めることが重要である。そのため、活性粒子発生装置において、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させる必要がある。
【０００６】
ここで、一般的な誘電体バリア放電型の活性粒子発生装置について説明する。
一般的な活性粒子発生装置では、一対の電極の少なくとも一方をガラスやセラミック等の誘電体で覆い、電極間に交流の高電圧やパルス状の高電圧を印加することにより、放電を生じさせる。このとき、放電空隙長や誘電体の厚さは一定の値に設定され、単位電極面積に供給される放電電力（以下、「放電電力密度」と称する）は、電極面内でほぼ均一に設定されている。
【０００７】
この活性粒子発生装置でオゾンを発生させる場合、酸素を含む原料ガスを放電空間（電極間）に供給することでオゾンが発生するが、放電に伴って電極や原料ガスの温度が上昇する。オゾンは、熱分解性を有しているので、放電空間の上流側で発生したオゾンが放電空間の下流側で熱分解され、オゾンの発生効率が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１に記載された活性粒子発生装置では、電極に設けられた誘電体の誘電率をガス流方向に（放電空間（原料ガス流）の上流側から下流側に向けて）減少させる、誘電体の厚さをガス流方向に増加させる、または放電空隙長をガス流方向に増加させることで、放電電力密度をガス流方向に減少させている。
これにより、オゾンの熱分解を抑制し、オゾンの発生効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−８１２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された活性粒子発生装置では、オゾンのように寿命が長く、かつ熱分解性を有する活性粒子種を発生させる場合には、放電電力密度を放電空間の上流側から下流側に向けて減少させることにより、その発生効率を向上させることができる。
【００１１】
一方、この活性粒子発生装置で上述した原子状ラジカルを発生させる場合、原子状ラジカルは、オゾンと比較して寿命が短く、かつ温度上昇に伴う損失が少ないので、放電電力密度をガス流方向に減少させると、オゾンを発生させる場合とは逆に、発生密度および発生効率が低下するという問題がある。これは、放電空間において原子状ラジカルの生成速度と消滅速度とが短時間で平衡状態となり、かつ活性粒子の飽和密度が放電電力密度に依存して変化するためである。
【００１２】
また、上述した一般的な活性粒子発生装置で原子状ラジカルを発生させる場合、放電電力密度（単位電極面積当たりの放電電力）が電極面内でほぼ均一に設定されているので、原子状ラジカルの密度が放電空間の上流側から下流側に向けて飽和する傾向を示す。そのため、電極の出口付近で原子状ラジカルの密度が飽和し、原子状ラジカルの発生密度および発生効率が低下するという問題がある。
【００１３】
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、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る活性粒子発生装置は、第１電極と、空隙を介して第１電極と対向し、空隙側の表面が誘電体で覆われた第２電極との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、空隙に原料ガスを供給して、誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、活性粒子の寿命を、原料ガスが空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る活性粒子発生装置によれば、発生する活性粒子の寿命を、原料ガスが空隙に滞在する平均時間で除した値を０．１以上１０以下とし、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させる。
これにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができる。
そのため、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図２】誘電体バリア放電で発生するＮ原子の密度と放電電力との関係を、実測結果および解析結果について示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る数値解析に採用した、放電電力条件を示す説明図である。
【図４】図３に示した各放電電力密度におけるＮ原子密度の時間変化を示す説明図である。
【図５】図３の条件２に示した放電電力密度を形成するための静電容量を示す説明図である。
【図６】活性粒子の寿命と平均ガス滞在時間との関係から、この発明の実施の形態１が適用可能となる条件を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。
【図１１】誘電体バリア放電の空隙長を変化させた場合における放電電力と印加電圧との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の活性粒子発生装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を示す構成図である。なお、図１において、原料ガス８は、図の左側から供給されるとする。
図１において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００１９】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ個別の容量性負荷６ａ〜６ｅの一端が接続され、容量性負荷６ａ〜６ｅの他端は、それぞれ交流電源７に並列に接続されている。ここで、容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量は、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に増加されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００２０】
次に、図１を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
まず、誘電体バリア放電における放電電力Ｐは、一般に次式（１）で表される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
式（１）において、ｆは電源周波数、Ｃｄは誘電体の静電容量、Ｃｇは空隙の静電容量、Ｖ０ｐは印加電圧波高値、Ｖ＊は放電維持電圧を示している。ここで、放電維持電圧Ｖ＊は、空隙を満たすガス組成、空隙長、圧力、温度等によって決まる値であり、空隙の静電容量Ｃｇは、空隙長および電極面積によって決まる値である。したがって、電源周波数ｆおよび印加電圧波高値Ｖ０ｐを一定とし、電極構造、供給ガス種および放電条件を同一とした場合、誘電体バリア放電の放電電力Ｐは、誘電体の静電容量Ｃｄに依存する。
【００２３】
通常の誘電体バリア放電において、誘電体の静電容量Ｃｄは、一対の導電体電極の間に設けられた誘電体の厚さ、比誘電率および面積によって決まるが、実施の形態１に係る活性粒子発生装置では、局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ容量性負荷６ａ〜６ｅが直列接続されている。そのため、実際の静電容量は、誘電体自身の静電容量と外部容量性負荷の静電容量との合成容量Ｃｄ'となり、合成容量Ｃｄ'は、次式（２）で表される。
【００２４】
【数２】
【００２５】
式（２）において、Ｃ０は外部容量性負荷の静電容量を示している。式（２）より、外部容量性負荷の静電容量Ｃ０の増加に伴って合成容量Ｃｄ'が増加し、Ｃｄ'＝Ｃｄに漸近する。また、式（１）より、誘電体の静電容量Ｃｄが大きいほど放電電力Ｐが増加する。したがって、放電電力Ｐは、外部に接続する容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量の増加に伴って増大し、外部容量性負荷を接続しない場合の放電電力に漸近する。
【００２６】
電極入口から供給される原料ガス８は、まず、放電空間５ａに誘起される誘電体バリア放電によって、その一部が活性粒子となる。放電空間５ａを通過した原料ガス８は、続いて放電空間５ｂに誘起される誘電体バリア放電に接する。ここで、容量性負荷６ｂの静電容量は、容量性負荷６ａの静電容量よりも大きいので、放電空間５ｂにおける放電電力密度は、放電空間５ａにおける放電電力密度よりも大きくなる。
【００２７】
以下、同様に放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
この結果、電極面内の全領域を均一の放電電力密度で放電させる場合と比較して、供給する合計電力が同一であっても、活性粒子の発生密度を向上させることができる。
【００２８】
以下、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて増加させることによって、活性粒子の発生密度が向上する理由について説明する。ここでは、純窒素を原料ガス８として、誘電体バリア放電により窒素原子（Ｎ原子）を発生させる場合を例に挙げて説明する。
【００２９】
大気圧近傍で放電空間５ａ〜５ｅに供給された窒素分子は、主に高エネルギー電子との衝突によって解離し、Ｎ原子を発生する。一方、発生したＮ原子は、第３体（主に窒素分子）を介したＮ原子同士の空間再結合や、電極表面への拡散に伴う表面損失によって消滅する。したがって、放電空間５ａ〜５ｅにおける実際のＮ原子の発生速度は、Ｎ原子の生成速度と消滅速度とのバランスによって決まり、次式（３）で表される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
式（３）において、［Ｎ］（ｃｍ−３）はＮ原子密度、Ｇ（ｃｍ−３ｓ−１）はＮ原子の生成レート、Ｌ（ｃｍ−３ｓ−１）はＮ原子の消滅レートを示している。式（３）におけるＮ原子の生成レートＧは、窒素分子の解離反応レートとして、次式（４）で表される。
【００３２】
【数４】
【００３３】
式（４）において、ｋｄ（ｃｍ３ｓ−１）は窒素分子の解離速度係数、［Ｎｅ］（ｃｍ−３）は電子密度、［Ｎ２］（ｃｍ−３）は窒素分子密度を示している。また、係数２は、一回の反応で２個のＮ原子が発生すること示している。ここで、窒素分子の解離速度係数ｋｄは、電極構造、ガス組成、圧力および温度を一定とすると、一定の値となる。また、電子密度［Ｎｅ］は、放電電力密度とほぼ線形の関係にある。
【００３４】
大気圧近傍の放電では、窒素分子の解離度は、一般に１０−５〜１０−４程度なので、窒素分子密度［Ｎ２］は、圧力および温度のみで決まる値とみなすことができる。したがって、電極構造およびガス組成を一定として、放電電力密度のみを変化させた場合、式（４）における電子密度［Ｎｅ］のみが変化する。すなわち、Ｎ原子の生成レートＧは、放電電力密度に依存して一意に決まる値である。
【００３５】
また、式（３）におけるＮ原子の消滅レートＬは、主に上述した空間再結合と表面損失とに依存する。まず、空間再結合による損失レートＬｖ（ｃｍ−３ｓ−１）は、次式（５）で表される。
【００３６】
【数５】
【００３７】
式（５）において、ｋｒ（ｃｍ６ｓ−１）は空間再結合の速度係数を示している。なお、空間再結合の速度係数ｋｒは、例えば「Ｓ．Ｆ．Ａｄａｍｓ他著，「Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ａ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｒｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ」，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．９，２０００，ｐ．２４８−２５５」に示されている。また、式（５）より、Ｎ原子の空間再結合による損失レートＬｖは、Ｎ原子自身の密度［Ｎ］の二乗に比例する。
【００３８】
また、表面損失過程は、Ｎ原子が粒子拡散によって管壁（電極）に到達することによって発生する。したがって、表面損失による損失レートＬｓ（ｃｍ−３ｓ−１）は、Ｎ原子の粒子拡散に比例し、次式（６）で表される。
【００３９】
【数６】
【００４０】
式（６）において、Ｄ（ｃｍ２ｓ−１）は窒素分子中のＮ原子の拡散係数、△はラプラシアンを示している。拡散係数Ｄは、拡散種と雰囲気ガス種とに依存し、その値は、例えば「日本機械学会編，「伝熱工学資料」，改定第４版，日本機械学会，１９８６年，ｐ．３５６」に示されている。管壁に到達したＮ原子の多くは、放電空間５ａ〜５ｅに反射されるが、一部は管壁を介したＮ原子同士の再結合や、管壁への吸着によって消滅する。式（６）より、Ｎ原子密度［Ｎ］が高いほど、管壁に到達するＮ原子数が増加し、結果的に表面損失による損失レートＬｓが増大する。
【００４１】
以上のことから、放電電力密度を一定とした場合、全放電空間にわたってＮ原子の生成レートＧは一定となるが、Ｎ原子の消滅レートＬは、空間再結合による損失レートＬｖと表面損失による損失レートＬｓとを足し合わせた値となり、Ｎ原子密度［Ｎ］の増加に伴って増大することが分かる。そのため、Ｎ原子密度［Ｎ］は、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に（入口側から出口側に）向かって飽和する傾向を示すことになる。一方、Ｎ原子の飽和密度は、Ｎ原子の生成レートＧとＮ原子の消滅レートＬとが等しくなる条件で決まる値である。したがって、放電電力密度を高めてＮ原子の生成レートＧを増大させることにより、Ｎ原子の飽和密度を増加させることができる。
【００４２】
また、全放電空間にわたって放電電力密度を一定とした場合、一度飽和密度に至ると、その後電極に供給される電力は、無効消費される。一方、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて段階的に増加させた場合、飽和密度が上流側から下流側に向けて段階的に増加することになる。これにより、放電電力密度を一定とした場合と比較して、上流側でのＮ原子の生成速度は遅くなるものの、下流側での生成速度が早くなるので、Ｎ原子密度の飽和を抑制することができる。したがって、下流側での供給電力が無効消費されることがなく、Ｎ原子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
【００４３】
ここで、本願発明者は、誘電体バリア放電型の活性粒子発生装置を製作し、Ｎ原子密度を測定することにより、Ｎ原子の発生特性を評価する実験を行った。さらに、放電体系、放電条件、および各パラメータを詳細に検討し、数値解析によりこの発明の実施の形態１の効果を検証した。
【００４４】
Ｎ原子密度の実測では、電極間に周波数１０ｋＨｚの交流高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、大気圧において毎分１０リットルの窒素ガスを原料ガスとして放電空間に供給した。また、高圧電極をセラミックで被覆し、空隙長は１．０ｍｍ、電極長は１２０ｍｍとした。このとき、放電電力密度は、電極面の全領域にわたって均一に設定した。
【００４５】
この実験条件において、例えば「Ｇ．Ｏｉｎｕｍａ他著，「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｏｓｔ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆｌｏｗｓ」，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１，１５５２０４，２００８」に示されたＮＯ混合による間接測定法を用いてＮ原子密度を測定し、供給電力（放電電力）とＮ原子の飽和密度との関係を調べた。
【００４６】
一方、数値解析では、上記の実験条件と同様の条件で計算を行い、実測結果と一致するか否かを確認した。実測により求めたＮ原子密度および数値解析により求めたＮ原子密度と放電電力との関係を図２に例示する。
図２において、発生するＮ原子の密度は、１０１４（ｃｍ−３）のオーダーであり、放電電力の増加とともにＮ原子の飽和密度が増加した。また、実測結果（図中の黒丸）と解析結果（図中の曲線）とは互いによく一致しており、解析モデルの妥当性が示された。
【００４７】
次に、Ｎ原子密度の時間変化に対する解析結果を示す。解析条件は、放電電力を８Ｗ、放電面積を１０ｃｍ２、窒素ガス流量を毎分１０リットル、空隙長を１．０ｍｍとした。なお、この解析条件において、原料ガスが放電空間（空隙）に滞在する平均時間（以下、「平均ガス滞在時間」と称する）は、１６ミリ秒程度となる。ここでは、この発明の実施の形態１の効果を検証するために、図３に示す２通りの放電電力条件でＮ原子の発生特性を比較した。
【００４８】
まず、条件１では、全放電空間にわたって均一の放電電力密度０．８Ｗ／ｃｍ２で放電させた。また、条件２では、放電空間をガス流方向に５等分し、放電電力密度を０．４Ｗ／ｃｍ２から１．２Ｗ／ｃｍ２まで、０．２Ｗ／ｃｍ２刻みで段階的に増加させて放電させた。また、全供給電力は、何れの条件も同一で８Ｗとした。
【００４９】
上記条件１および条件２について、解析から得られたＮ原子密度の時間変化を図４に示す。図４において、条件１では、１０ミリ秒程度でＮ原子密度が飽和し、その後はＮ原子密度がほとんど変化しない。このときの電極出口付近におけるＮ原子密度は、４．７×１０１４ｃｍ−３程度となる。一方、条件２では、全放電空間（電極面の全領域）にわたってＮ原子密度が飽和することなく、密度が一様に増加する。このときの電極出口付近におけるＮ原子密度は、５．９×１０１４ｃｍ−３程度となる。このように、ガス流方向に放電電力密度を増加させることにより、全供給電力が同一の場合であっても、条件２の方が条件１よりも、電極出口付近のＮ原子密度を向上させることができる。
【００５０】
次に、図１に示した活性粒子発生装置において、図３の条件２に記載された放電電力密度の分布を実現するための静電容量の条件について説明する。上述したように、誘電体バリア放電における放電電力Ｐは、式（１）で表され、放電電力Ｐを電極面積で除した値が放電電力密度となる。ここでは、式（１）において、放電維持電圧Ｖ＊を３５００Ｖ、印加電圧波高値Ｖ０ｐを５０００Ｖ、誘電体の比誘電率を６．９、誘電体厚さを１．０ｍｍ、誘電体の静電容量Ｃｄを１．２２×１０−１１Ｆとした場合について考える。
【００５１】
このとき、各局所電極２ａ〜２ｅに対して、それぞれ１．２６×１０−１２Ｆ、１．９２×１０−１２Ｆ、２．８１×１０−１２Ｆ、３．７２×１０−１２Ｆ、４．７７×１０−１２Ｆの容量性負荷６ａ〜６ｅを直列接続することにより、条件２に記載された放電電力密度の分布を実現することができる。この場合の外部容量性負荷の静電容量Ｃ０、誘電体の静電容量Ｃｄ、合成容量Ｃｄ'、および放電電力密度の関係を図５に示す。外部に接続される容量性負荷６ａ〜６ｅの静電容量は、概ね数ｐＦ程度なので、既製のコンデンサを用いることができる。さらに、コンデンサの静電容量、印加電圧、電源周波数を調節することで、発生させる活性粒子に適した所望の放電電力密度の分布を実現することができる。
【００５２】
以上の検討は、Ｎ原子を発生させる場合について行ったものであるが、Ｎ原子以外であっても、活性粒子の寿命と平均ガス滞在時間との関係が、ある条件を満足するときには、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を適用し、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
以下、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置が適用可能となる条件について説明する。
【００５３】
この発明の実施の形態１の効果は、放電空間において活性粒子の発生密度が飽和に至るまでの時間（飽和時間）と、平均ガス滞在時間との関係によって決まる。活性粒子種の飽和時間が平均ガス滞在時間と比較して十分長い場合、全放電空間にわたって活性粒子の生成レートが消滅レートよりも十分に大きくなる。したがって、活性粒子密度は、供給電力に比例して増加し、放電電力密度分布には依存しない。
【００５４】
一方、活性粒子の飽和時間が平均ガス滞在時間と比較して十分短い場合、活性粒子密度は、放電空間のごく上流で飽和に至る。したがって、単に電極面積を小さくすることによって、活性粒子の発生密度を向上させることができる。
このことから、この発明の実施の形態１が効果を発揮するのは、この中間領域、すなわち活性粒子の飽和時間が平均ガス滞在時間と同程度の場合である。
【００５５】
活性粒子の飽和時間は、活性粒子の寿命に依存し、短寿命の活性粒子は、放電空間において短時間で飽和密度に至り、例えばオゾン等の長寿命の活性粒子は、放電空間に長時間滞在しなければ、飽和密度に到達しない。そこで、活性粒子の寿命をパラメータとして、図３に示された条件１および条件２における活性粒子の発生密度を、数値解析により比較した。この数値解析によって得られた結果を図６に示す。
【００５６】
図６において、横軸は、活性粒子の寿命を平均ガス滞在時間で除した値であり、縦軸は、条件２において発生する活性粒子の発生密度を、条件１において発生する活性粒子の発生密度で除した値（活性粒子の相対発生密度）である。図６より、横軸の値が１０を超える場合、両者に差異はほとんど生じない。これは、活性粒子の発生密度が供給電力に比例しており、放電電力密度の分布に依存しないためである。横軸の値が１０以下の場合に、この発明の実施の形態１の効果が現れ始め、横軸の値が減少するにつれて、その効果は増加する。
【００５７】
一方、横軸の値が０．１以下の場合、縦軸の値が一定値に収束し、この発明の実施の形態１の効果が飽和する。このように、活性粒子の寿命が平均ガス滞在時間と比較して十分短い場合、活性粒子密度は、放電空間のごく一部で飽和に至る。したがって、放電電力密度の分布とは無関係に、放電電力密度の最大値によって活性粒子の発生密度が決まる。この場合、単純に放電空間の容積を狭める（電極面積を小さくする）だけで活性粒子の発生効率が向上するので、この発明の実施の形態１に係る活性粒子発生装置を適用する意義はない。以上の結果から、活性粒子の寿命を平均ガス滞在時間で除した値が、０．１〜１０の場合に、この発明の実施の形態１は有効である。
【００５８】
なお、活性粒子の寿命とは、活性粒子密度が、１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）に減少するまでに要する時間を指している。活性粒子の消滅過程には、輻射脱励起、クエンチング反応、空間再結合反応、電極表面損失等があり、その消滅速度は、活性粒子種、ガス温度、ガス組成、圧力、電極材料、電極形状、電極温度、空隙長等様々な条件に依存する。一方、平均ガス滞在時間は、放電空間のガス流方向長さをガス流速で除した値であり、原料ガス流量、放電空間容積、ガス温度、圧力に依存する。
【００５９】
したがって、この発明の実施の形態１の適用可否は、発生対象とする活性粒子種およびその発生条件、また電極構造によって決まる。この発明の実施の形態１が適用される代表例として、上述した大気圧近傍でのＮ原子があるが、それ以外にも、水素原子や酸素原子等の原子状活性粒子（原子状ラジカル）が挙げられる。さらに、大気圧近傍においても比較的長寿命である希ガスの準安定励起種、窒素分子の準安定励起種等が挙げられるが、上述した条件を満たすものであれば、これらに限定されるものではない。
【００６０】
以上のように、実施の形態１によれば、発生する活性粒子の寿命を、平均ガス滞在時間で除した値を０．１以上１０以下としている。また、第２電極は、原料ガス流方向に電気的に分割されて複数の局所電極を形成し、複数の局所電極には、それぞれ一端が局所電極に直列接続され、他端が同一の電源に並列接続された複数の容量性負荷が接続されている。また、複数の容量性負荷の静電容量は、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加されて、第１電極および第２電極の単位面積に供給される放電電力を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させるようになっている。
これにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができる。そのため、電極面内の全領域を均一の放電電力密度で放電させる場合と比較して、供給する合計電力が同一であっても、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
したがって、オゾンよりも短い所定の寿命を有する活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる活性粒子発生装置を得ることができる。
また、外部に接続する容量性負荷の静電容量を調節することで、所望の放電電力密度の分布を形成することができ、発生対象とする活性粒子種に適した放電条件を実現することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１では、局所電極２ａ〜２ｅの全てに容量性負荷６ａ〜６ｅを接続しているが、原料ガス流の最下流に位置する容量性負荷６ｅは、必ずしも必要ではない。容量性負荷を直列に接続した場合、容量性負荷を接続しない場合と比較して、必ず放電電力が小さくなる。したがって、最下流に位置する局所電極２ｅには、容量性負荷を接続しなくても、放電電力密度を最も高くすることができる。
【００６２】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図７において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００６３】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａと局所電極２ｂとは、容量性負荷１０ａを介して互いに接続されている。同様に、局所電極２ｂと局所電極２ｃと、局所電極２ｃと局所電極２ｄと、および局所電極２ｄと局所電極２ｅとは、それぞれ容量性負荷１０ｂ〜１０ｄを介して互いに接続されている。また、原料ガス流の最下流に位置する局所電極２ｅには、交流電源７が接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００６４】
原料ガス流の最下流に位置する放電空間５ｅにおける静電容量Ｃｄは、誘電体３と誘電体４との合成容量である。また、放電空間５ｄにおける静電容量は、誘電体３および誘電体４に加えて、容量性負荷１０ｄを含めた合成容量となり、放電空間５ｅと比較して静電容量は減少する。また、放電空間５ｄにおける静電容量は、誘電体３および誘電体４に加えて、容量性負荷１０ｄおよび容量性負荷１０ｃを含めた合成容量となり、放電空間５ｅと比較して静電容量はさらに減少する。以下、同様に、原料ガス流の上流側ほど静電容量Ｃｄが小さく、下流側に進むに従って大きくなる。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
【００６５】
以上のように、実施の形態２によれば、複数の局所電極のうち、隣り合う局所電極同士を互いに接続する複数の容量性負荷を備え、原料ガス流の最下流に位置する局所電極を電源に接続することにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に接続する容量性負荷の静電容量を選択することで、所望の放電電力密度の分布を形成することができ、発生対象とする活性粒子種に適した放電条件を実現することができる。
さらに、原料ガス流の最下流に位置する局所電極のみを電源に接続することにより、構造を簡素化することができる。
【００６６】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図８において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００６７】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。局所電極２ａ〜２ｅには、それぞれ個別の交流電源７ａ〜７ｅが接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００６８】
ここで、交流電源７ａ〜７ｅの印加電圧は、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に高くなるように設定されている。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。なお、放電電力密度を増加させる方法として、交流電源７ａ〜７ｅの印加電圧をガス流方向に順に高くなるように設定する他に、交流電源７ａ〜７ｅの電源周波数をガス流方向に順に高くなるように設定するものある。
【００６９】
以上のように、実施の形態３によれば、複数の局所電極の各々に電源を接続し、電源の印加電圧または電源周波数を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて高くなるように設定することにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態３は、実施の形態１または２と比較して電源が複数必要になるという欠点があるが、外部に容量性負荷を接続する必要がなくなり、かつ電源の出力を調節することのみで、所望の放電電力密度の分布を形成することができる。
さらに、図８に示した活性粒子発生装置を複数個積層したり、複数の活性粒子発生装置を同時に稼働させたりする場合には、同一箇所に位置する局所電極を、共通の電源で動作させることができる。そのため、装置毎に独立の電源を使用する構成と比較して、活性粒子の発生密度および発生効率を向上させることができる。
【００７０】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図９において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００７１】
また、高圧電極２は、電気的に分割されて、ガス流方向に５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成している。また、接地電極１と局所電極２ａ〜２ｅとによって、空隙内に５箇所の放電空間５ａ〜５ｅが形成されている。ここで、局所電極２ａ〜２ｅから誘電体４の空隙側表面までの距離が、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）順に短縮されている。また、局所電極２ａ〜２ｅは、交流電源７に並列に接続されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００７２】
次に、図９を参照しながら、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
まず、平板誘電体の静電容量は、一般に誘電体の厚さｄ、面積Ｓ、真空の誘電率ε０、比誘電率εｒから、次式（７）で表される。
【００７３】
【数７】
【００７４】
式（７）より、誘電体が薄いほど、静電容量は大きくなる。また、式（１）より、誘電体の静電容量が大きいほど、放電電力密度は増加する。そのため、誘電体が薄い部分では、放電電力密度が相対的に大きく、誘電体が厚い部分では、放電電力密度が相対的に小さくなる。この発明の実施の形態４では、高圧電極２から誘電体４の空隙側表面までの距離が、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮されているので、実効的な誘電体の厚さが、ガス流方向に段階的に減少することになる。この結果、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて、段階的に放電電力密度が増加し、放電空間５ｅにおける放電電力密度が最大となる。
【００７５】
以上のように、実施の形態４によれば、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮させることにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に容量性負荷を接続することなく、かつ単一の電源によって放電電力密度を原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができるので、構造を簡素化することができる。
【００７６】
なお、上記実施の形態４では、高圧電極２をガス流方向に分割して５個の局所電極２ａ〜２ｅを形成しているが、必ずしも高圧電極２を分割する必要はなく、各局所電極２ａ〜２ｅは、電気的に接続されていてもよい。
また、上記実施の形態４では、高圧電極２を階段状にすることで、実効的な誘電体の厚さを、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて段階的に変化させているが、高圧電極２を１枚の板とし、誘電体４に対して傾斜をつけて配置した場合であっても、上記実施の形態４と同様の効果を得ることができる。この場合には、実効的な誘電体の厚さが、放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて連続的に変化することとなる。
【００７７】
また、上記実施の形態１〜４では、高圧電極２をガス流方向に５個に分割し、複数の容量性負荷または複数の電源を用いたり、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を変化させたりすることによって、放電電力密度を放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて増加させている。しかしながら、これに限定されず、局所電極の数は、２個以上の任意の数を適宜選択すればよい。また、各局所電極の面積は、必ずしも同一である必要はなく、ガス流方向に増減させる等、発生対象とする活性粒子種や発生条件に合わせて決定することができる。
【００７８】
また、上記実施の形態１〜４では、高圧電極２をガス流方向に５個に分割し、複数の容量性負荷または複数の電源を用いたり、第２電極から誘電体の空隙側表面までの距離を変化させたりすることによって、放電電力密度の分布を形成している。しかしながら、これに限定されず、接地電極１をガス流方向に分割し、分割された接地電極の各々とグランドとの間に容量性負荷を接続すること等によっても、上記実施の形態１と同様に、放電電力密度の分布を形成することができる。
【００７９】
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係る活性粒子発生装置を示す図である。
図１０において、導電体からなる接地電極１（第１電極）と高圧電極２（第２電極）とが、空隙を介して互いに対向して配置され、一対の平行平板型の放電電極を形成している。接地電極１の空隙側表面は、誘電体３で覆われ、高圧電極２は、その全体が誘電体４によって被覆されている。
【００８０】
また、高圧電極２は、交流電源７に並列に接続されている。ここで、誘電体３と誘電体４とによって形成される放電空間５の空隙長が、ガス流方向に（放電空間５ａ〜５ｅの上流側から下流側に向けて）連続的に短縮されている。原料ガス８は、放電空間５ａから放電空間５ｅに向けて流れ、発生した活性粒子を含む活性粒子含有ガス９となって電極出口から噴出する。
【００８１】
次に、図１０を参照しながら、この発明の実施の形態４に係る活性粒子発生装置の動作について説明する。
放電空間５の空隙長を変化させると、式（１）の放電維持電圧Ｖ＊および空隙の静電容量Ｃｇが変化する。一般に空隙長を大きくすると、放電維持電圧Ｖ＊は大きくなり、空隙の静電容量Ｃｇは小さくなる。放電電力と印加電圧との関係を、空隙長の大小について比較したものを図１１に示す。
【００８２】
図１１において、空隙長が大きい場合、放電開始に必要な電圧が大きいので、低い印加電圧での放電電力は小さくなるが、印加電圧の増加に伴う放電電力の増加は大きくなる。一方、空隙長が小さい場合、放電開始に必要な電圧は小さくてもよいので、低い印加電圧での放電電力は大きくなるが、印加電圧の増加に伴う放電電力の増加は小さくなる。
【００８３】
したがって、印加電圧が図１１のＶａ以下である場合には、空隙長が小さい方が放電電力は高くなり、印加電圧がＶａ以上である場合には、空隙長が大きい方が放電電力は高くなる。図１１のＶａ以下の印加電圧で活性粒子発生装置を動作させる場合には、空隙長をガス流方向に減少させ、Ｖａ以上の印加電圧で活性粒子発生装置を動作させる場合には、空隙長をガス流方向に増加させることにより、放電空間５の上流側から下流側に向けて、放電電力密度を増加させることができる。
【００８４】
以上のように、実施の形態５によれば、電極間に形成される空隙の空隙長を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮させることにより、誘電体バリア放電によって発生する活性粒子の飽和密度を、原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、外部に容量性負荷を接続することなく、かつ一対の放電電極と単一の電源とによって放電電力密度を原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加させることができるので、構造を簡素化することができる。
【００８５】
なお、上記実施の形態１〜５では、高圧電極２は誘電体４の内部に埋設されているが、高圧電極２を誘電体４の空隙と反対側の表面に設けてもよい。この場合には、誘電体４の表面で沿面放電が生じないように、局所電極間の距離を、上記実施の形態１〜５と比較して長く取る必要があるものの、高圧側電極の製作を容易にすることができる。
【００８６】
また、上記実施の形態１〜５では、接地電極１の空隙側表面が誘電体３で覆われているが、誘電体バリア放電を発生させるためには、接地電極１および高圧電極２の少なくとも一方の電極が誘電体で覆われていればよい。したがって、誘電体３は、必ずしも必要ではない。しかしながら、導電体を放電空間に露出させた場合には、金属原子や金属酸化膜成分がイオンによりスパッタリングされ、活性粒子含有ガス９中にコンタミネーションとして混入する可能性がある。
【００８７】
また、上記実施の形態１〜５では、接地電極１と高圧電極２との間に交流電圧を印加しているが、これに限定されず、誘電体バリア放電を生じさせることのできる印加電圧形態であれば、交流に限定されるものではない。
また、上記実施の形態１〜５では、電極構造を平行平板型としているが、これに限定されず、同軸円筒型の電極構造であっても、この発明の実施の形態１〜５を適用することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１ 接地電極、２ 高圧電極、２ａ〜２ｅ 局所電極、３ 誘電体、４ 誘電体、５、５ａ〜５ｅ 放電空間、６ａ〜６ｅ 容量性負荷、７、７ａ〜７ｅ 交流電源、８ 原料ガス、９ 活性粒子含有ガス、１０ａ〜１０ｄ 容量性負荷。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、空隙を介して前記第１電極と対向し、前記空隙側の表面が誘電体で覆われた第２電極との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、前記空隙に原料ガスを供給して、前記誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、
前記活性粒子の寿命を、前記原料ガスが前記空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、
前記第１電極および前記第２電極の単位面積に供給される放電電力が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする活性粒子発生装置。
【請求項２】
前記第２電極は、前記原料ガス流方向に電気的に分割されて、複数の局所電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【請求項３】
前記複数の局所電極にそれぞれ一端が直列接続され、他端が同一の電源に並列接続された複数の容量性負荷を備え、
前記複数の容量性負荷の静電容量は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項４】
前記複数の局所電極のうち、隣り合う局所電極同士を互いに接続する複数の容量性負荷を備え、
前記原料ガス流の最下流に位置する局所電極を電源に接続する
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項５】
前記複数の局所電極の各々に接続された複数の電源を備え、
前記複数の電源の印加電圧は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項６】
前記複数の局所電極の各々に接続された複数の電源を備え、
前記複数の電源の電源周波数は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項７】
前記第２電極から前記誘電体の前記空隙側表面までの距離が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮される
ことを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【請求項８】
前記空隙の空隙長が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮される
ことを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【請求項１】
第１電極と、空隙を介して前記第１電極と対向し、前記空隙側の表面が誘電体で覆われた第２電極との間に、高電圧を印加して誘電体バリア放電を生じさせるとともに、前記空隙に原料ガスを供給して、前記誘電体バリア放電により活性粒子を発生させる活性粒子発生装置であって、
前記活性粒子の寿命を、前記原料ガスが前記空隙に滞在する平均時間で除した値が０．１以上１０以下であり、
前記第１電極および前記第２電極の単位面積に供給される放電電力が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする活性粒子発生装置。
【請求項２】
前記第２電極は、前記原料ガス流方向に電気的に分割されて、複数の局所電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【請求項３】
前記複数の局所電極にそれぞれ一端が直列接続され、他端が同一の電源に並列接続された複数の容量性負荷を備え、
前記複数の容量性負荷の静電容量は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項４】
前記複数の局所電極のうち、隣り合う局所電極同士を互いに接続する複数の容量性負荷を備え、
前記原料ガス流の最下流に位置する局所電極を電源に接続する
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項５】
前記複数の局所電極の各々に接続された複数の電源を備え、
前記複数の電源の印加電圧は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項６】
前記複数の局所電極の各々に接続された複数の電源を備え、
前記複数の電源の電源周波数は、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて増加される
ことを特徴とする請求項２に記載の活性粒子発生装置。
【請求項７】
前記第２電極から前記誘電体の前記空隙側表面までの距離が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮される
ことを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【請求項８】
前記空隙の空隙長が、前記原料ガス流の上流側から下流側に向けて短縮される
ことを特徴とする請求項１に記載の活性粒子発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２７２３５５（Ｐ２０１０−２７２３５５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２３２５１（Ｐ２００９−１２３２５１）
【出願日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
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