JP2006194544A - 有害ガスの浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃料を燃焼して得られる燃焼排ガスまたは火炎により熱分解して浄化する浄化装置において、大型あるいは複雑な構成を用いることなく、処理対象有害ガスの分解率の低下、及び分解室壁面における粉化物の堆積を抑制することができ、長時間にわたり安全で安定して浄化できる浄化装置を提供する。
【解決手段】 熱分解室の側面を通気性及び断熱性を有する壁とし、側面壁の外周に酸素含有ガス流路を設けるとともに、該流路に酸素含有ガスを旋回可能な方向に導入できる構成を備えた浄化装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程から排出される有害成分を含む有害ガスを除去するための浄化装置に関する。さらに詳細には、半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃料を燃焼して得られる燃焼排ガスまたは火炎と、酸素の存在下、高温で接触させ、熱分解することにより無害な物質、あるいは容易に無害化できる物質に変えるための浄化装置に関するものである。

近年の半導体工業の発展とともに、半導体製造工程においては非常に多種のガスが使用されるようになってきている。しかし、これらのガスは人体及び環境にとって有害な物質が多く、工場外へ排出するに先立って浄化することが必須のこととなっている。これらのガスを燃焼させることにより分解処理する燃焼式浄化方法は、排ガスの組成や物性によらず適用することができる便利な方法であり、特に高濃度、大流量の場合は乾式浄化方法や湿式浄化方法と比較して効率的である。

燃焼式浄化方法により処理される有害ガスは、プロパン、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の燃料ガス、空気または酸素、必要に応じ不活性ガスと燃焼室において混合、燃焼し、無害な酸化物あるいは容易に無害化できる物質となり処理される。従来から使用されている一般的な燃焼式浄化装置は、有害ガスを燃焼するための燃焼室、処理対象の有害ガス成分を含む有害ガス、燃料ガス、空気等の酸素含有ガスを燃焼室へ導入するための各配管、燃焼後のガスを燃焼室から排出するための排出口から構成されている。また、さらにこれらの他に火炎を安定した状態に維持するための円錐状またはそれに類似する形状の保炎器が設置されている装置がある。

このような構成の燃焼式浄化装置で、有害ガスは燃焼処理されガスの排出口より排気されて大気に放出されるかあるいは次の処理装置へ送られる。しかし、処理対象ガスが、例えばシラン、ホスフィン、アルシン、ジボランのようなガスである場合は、燃焼により各々ケイ素、リン、ヒ素、ホウ素の固体粒子状酸化物が生成し、大部分は燃焼室内を通過し後工程で処理されるが、一部は燃焼室内に粉化物として堆積し以下のような不具合を発生させるので問題となっている。

すなわち、上記のような粉化物は、有害ガスの燃焼開始とともに発生し燃焼室内の内壁に堆積し、燃焼時間の経過とともにその付着面積、厚みが増加する。その結果、有害ガスと燃料ガス、空気、酸素等との均一な混合が妨げられて完全燃焼が阻害され、燃焼温度の低下、処理対象の有害ガスの分解率の低下を生じるだけでなく、粉化物の堆積量が多大な場合は失火する恐れがある。

そのため、燃焼室内に、回転するとともに上下方向に往復運動するスクレーパー及び固定突起を設けて、堆積する粉化物を掻き取り除去できる装置（特開平１１−１９３９１６号公報）、あるいは、燃料を理論空気量に近い混合組成下で燃焼させ、燃焼によって得られた熱エネルギー保有ガス中に半導体製造排ガスを導入して熱分解し、次いで別のセクションにて過剰空気を供給して酸化反応を完結させる浄化方法及び浄化装置（特開平１１−２１１０３６号公報）等が提案されている。
特開平１１−１９３９１６号公報 特開平１１−２１１０３６号公報

しかしながら、特開平１１−１９３９１６号公報に記載の浄化装置は、スクレーパーを回転させるとともに回転軸方向に往復運動させるための駆動部が必要であり、装置が複雑になり高価なものになるという不都合があった。また、スクレーパー及び固定突起を用いた場合の固体付着物の堆積状況は、これらを用いない場合よりはきわめて良好であるが、定期的な分解掃除は避けることができず、装置が複雑な構成なのでメンテナンスに多くの手間がかかるという不都合があった。

特開平１１−２１１０３６号公報に記載の浄化装置は、半導体製造工程からの有害ガスを熱分解する際に火炎を用いないので失火する恐れがなく、またその際に酸素量をコントロールして固体粒子状酸化物の生成を抑制するので、分解室内の壁面に堆積する粉化物を少なくすることができるが、次の工程で酸化炉が必要であり装置が大型で複雑な構成になる不都合があった。

従って、本発明が解決しようとする課題は、これらの従来技術の欠点を解決し、大型あるいは複雑な構成を用いることなく、処理対象有害ガスの分解率の低下、及び分解室壁面における粉化物の堆積を抑制することができ、長時間にわたり安全で安定した浄化ができるような有害ガスの浄化装置を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃焼排ガスまたは火炎により熱分解（または燃焼）して浄化する浄化装置において、熱分解室の側面を通気性及び断熱性を有する側面壁とするとともに、側面壁の外周を酸素含有ガスが旋回できる構成とし、側面壁を介して酸素含有ガスを均一な流量及び温度で熱分解室へ導入できるようにすることにより、大型あるいは複雑な構成を用いることなく、処理対象有害ガスを効率よく容易に分解することができるとともに、分解室壁面における粉化物の堆積を抑制することができ、しかも長時間にわたり安全で安定した浄化が可能なことを見出し本発明の有害ガスの浄化装置に到達した。

すなわち本発明は、半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃料を燃焼して得られる燃焼排ガスまたは火炎により熱分解して浄化する浄化装置であって、少なくとも、有害ガスの熱分解室、燃焼排ガスまたは火炎を該熱分解室へ導入するノズル、有害ガスを該熱分解室へ導入するノズル、通気性及び断熱性を有する側面壁、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路、該流路に酸素含有ガスを旋回可能な方向に導入する酸素含有ガス導入口、及び熱分解後のガスを外部へ排出する排出口を備えてなることを特徴とする有害ガスの浄化装置である。

本発明の有害ガスの浄化装置は、熱分解室の側面を通気性及び断熱性を有する側面壁とするとともに、側面壁の外周に酸素含有ガス流路を設け、この流路に酸素含有ガスを旋回可能な方向に導入できるように酸素含有ガス導入口を設けた構成を有するものである。本発明はこのような構成であるので、熱分解室からの熱拡散を防止することが可能であり、酸素含有ガスが均一な流量及び温度で側面壁から熱分解室へ導入されるので、処理対象有害ガスを効率よく容易に分解することができるとともに、側面壁からの酸素含有ガスの流れにより、熱分解室壁面に粉化物が堆積しにくくなる。従って、本発明の有害ガスの浄化装置は、小型で簡単な構成の装置とすることができ、長時間にわたり安全で安定した浄化が可能である。また、メンテナンスの手間を大幅に軽減することができる。

本発明は、半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃料を燃焼して得られる燃焼排ガスまたは火炎により熱分解して浄化する浄化装置に適用されるが、特に酸素と反応して粉化物を生成する有害成分を含むガスを処理する場合に、分解室壁面における粉化物の堆積を抑制することができる点で効果を発揮する。

本発明の浄化装置で処理できる有害ガス成分としては、アルシン、ホスフィン、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、ジボラン、セレン化水素、ゲルマン等の水素化物ガス、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、四塩化チタン、塩化アルミニウム、四フッ化ゲルマニウム、六フッ化タングステン等の酸性ガス、アンモニア、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ヒドラジン等の塩基性ガス、パーフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン等のハロゲン化炭素を例示することができる。
また、燃料ガスとしては、プロパンガス、天然ガス等を使用することができる。これらのガスは、必要に応じ窒素等の不活性ガスと共に用いられる。

以下、本発明の排ガスの浄化装置を、図１〜図３に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
図１は、本発明の有害ガスの浄化装置の例を示す縦断面図である。図２は、図１におけるａ−ａ’断面図である。図３は、本発明の浄化装置における側面壁の部分拡大平断面図である。

本発明の有害ガスの浄化装置は、図１、図２に示すように、少なくとも、有害ガスの熱分解室１、燃焼排ガスまたは火炎を熱分解室１へ導入するノズル２、有害ガスを熱分解室１へ導入するノズル３、通気性及び断熱性を有する側面壁４、側面壁４の外周に設けられた酸素含有ガス流路５、流路５に酸素含有ガスを旋回可能な方向に導入する酸素含有ガス導入口６、及び熱分解後のガスを外部へ排出する排出口１７を備え、導入口６から装置内に供給された酸素含有ガスが、側面壁４を介して側面から熱分解室１へ導入されるように構成された浄化装置である。

本発明の有害ガスの浄化装置において、有害ガスの熱分解室１の側面には、円筒、角筒、多角筒、またはこれらに類似する筒状の形状からなる通気性及び断熱性を有する側面壁４が設けられる。本発明においては、熱分解室で有害ガスが高温度の燃焼排ガスまたは火炎に接触するとともに、側面壁４から供給される空気等の酸素含有ガスと接触して、有害ガスに含まれる有害成分が熱分解される。その際、有害成分の種類によっては粉化物が生成するが、図１において矢印で示すような酸素含有ガスの流れにより、粉化物の熱分解室壁面への堆積を抑制することができる。

側面壁４の構成材料としては、有害成分に対する耐腐食性、熱分解温度に耐えられる耐熱性、及び断熱性があれば特に限定されることはないが、好ましい構成材料としては、セラミックを挙げることができる。セラミックの中では、アルミナ、シリカ、チタニア等が、耐腐食性、耐熱性、及び断熱性の点で好ましい。また、側面壁４の形態としては、有害成分の熱分解に必要な流量の酸素含有ガスを、実質的に粉化物が飛来する壁面全体から熱分解室１に長時間安定して供給することができる構成を有する必要がある。

側面壁４の表面の形態としては、例えば図３に示すような構成を挙げることができる。図３（ａ）（ｂ）は針孔を有するセラミックの壁の部分拡大平断面図であり、その孔径（直径）は、通常は０．０１〜３．０ｍｍ、好ましくは０．０２〜１．０ｍｍである。尚、孔１８は円形に限られず、そのような場合の孔の大きさは、前記の孔径に相当する大きさである。孔の配列も縦横に規則的に配置したり、ランダムに配置したものを用いることができる。図３（ｃ）は線状の間隙１９を有する壁の部分拡大平断面図であり、その間隙は、通常は０．００５〜２．０ｍｍ、好ましくは０．０１〜１．０ｍｍである。図３（ｄ）は格子窓状の間隙２０を有する壁の部分拡大平断面図であり、その間隙は正方形に換算した場合の一辺の長さとして、通常は０．０１〜３．０ｍｍ、好ましくは０．０２〜１．０ｍｍである。また、側面壁４の表面の形態は、これらに限られるものではなく、例えばこれらのほかに、細孔を有する多孔質セラミック、多数の繊維状セラミックが積層された積層体、多数の粒子状セラミックが積層された積層体等の形態を挙げることができる。

尚、側面壁４の孔、間隙が前記の範囲より大きい場合は、熱分解室への酸素含有ガスの流れが偏り、ガスの流量が多い部分と少ない部分が生じる虞があり、ガスの流量が少ない部分では粉化物が堆積する虞がある。また、前記の範囲より小さい場合は、短時間で孔、間隙が粉化物等により閉塞する虞がある。さらに、側面壁４の通気性部分は、いずれの形態においても、好ましくは空隙率あるいは気孔率が５０〜９０％程度となるようにされる。空隙率あるいは気孔率が５０％未満の場合は、粉化物が壁面に堆積する虞があり、空隙率あるいは気孔率が９０％を越える場合は、側面壁の強度が低下する虞がある。
また、側面壁４の厚さは、熱分解室の大きさ、有害ガスの分解条件、側面壁の構成材料等により一概に特定することはできないが、セラミックを用いた場合、通常は２〜５０ｍｍ、好ましくは５〜３０ｍｍである。

本発明の有害ガスの浄化装置においては、通常は前記のような側面壁４の外周全体にわたり、酸素含有ガス流路５が設けられる。酸素含有ガス流路５の幅は、通常は５〜２００ｍｍ、好ましくは１０〜１００ｍｍである。有害ガスを処理する際には熱分解室の温度は５００〜１２００℃の高温になり、このような構成とすることにより、熱分解室の熱が外部に拡散することを防止できる。尚、酸素含有ガス流路の外壁は、側面壁４の形状と合ったものであり、通常は円筒、角筒、多角筒、またはこれらに類似する筒状の形状である。

また、本発明において、酸素含有ガスを流路５に導入するための酸素含有ガス導入口６は、導入口６から導入された酸素含有ガスが、流路５を旋回するような方向に設定される。流路５が環状の場合、通常は環の接線方向に対して±３０度の角度の範囲内、好ましくは実質的に環の接線方向に酸素含有ガスが導入できるように設定される。流路５が角筒、多角筒の場合は、流路５が環状の場合に準じて設定される。このような構成とすることにより、流路５内のいずれの個所においても、酸素含有ガスが滞留、偏流することを防止でき、酸素含有ガスを均一な流量及び温度で熱分解室へ導入することが可能となる。

また、酸素含有ガス流路５は、有害ガスの導入方向（図１においては上下方向）に、複数個に区切り、各々の流路に導入する酸素含有ガスの流量等をコントロールすることも可能である。このような場合、酸素含有ガスの旋回方向は、互いに同じ方向となるように設定しても、互いに反対方向となるように設定してもよい。しかし、側面壁が酸素含有ガスを流路内の旋回方向を維持して熱分解室へ導入できるような構成の場合は、隣接する流路内の酸素含有ガスの旋回方向を互いに反対方向となるように設定して、熱分解室内におけるガスの混合を容易にすることが好ましい。

本発明の有害ガスの浄化装置においては、熱分解室の直前で燃料と酸素含有ガスが混合され、燃焼するように設定される。燃料の燃焼の際には、火炎７の先端が熱分解室に入ってもよいし入らなくてもよい。また、図１に示すように、有害ガスを熱分解室へ導入するノズル３は、通常は、燃焼排ガスまたは火炎７を熱分解室へ導入するノズル２の外周側に設置される。このような構成とすることにより、燃焼排ガスにより有害ガスを熱分解する場合に、燃焼排ガスを高温度に維持しながら熱分解室へ供給することができる。尚、熱分解室へ導入される際の燃焼排ガスの温度は、通常は６００〜１５００℃程度である。また、熱分解室のガス圧力についても特に制限されることはなく、通常は常圧であるが、１０ＫＰａ（絶対圧力）のような減圧あるいは０．５ＭＰａ（絶対圧力）のような加圧下で処理することも可能である。

熱分解処理された後のガスは、大気に放出されるか、あるいは次の処理工程に送られるが、次の処理工程に送られるような場合、本発明の有害ガスの浄化装置においては、このような処理工程を実施するための設備を併せて装備することも可能である。
図１の水槽１２及びスクラバーの設備は、本発明の有害ガスの浄化装置により処理した有害ガスについて、処理後のガスに含まれる粉化物の除去、及び新たに生成した有害成分（容易に無害化できる成分）の除去を行なうためのものであり、本発明においては必須の設備ではないが、これらの設備を備えることが好ましい。すなわち、熱分解室の排出側に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた有害ガスの浄化装置が好ましい。

例えば、本発明の有害ガスの浄化装置により、アルシン、ホスフィン、シラン、ジボラン等の水素化物を処理した場合は、燃焼により各々ヒ素、リン、ケイ素、ホウ素等の固体粒子状酸化物が生成する。また、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、Ｃ_２Ｆ_６等のハロゲン化物を処理した場合は、新たに塩化水素、フッ化水素等の酸性ガス（容易に無害化できる成分）が生成する。図１の浄化装置においては、粉化物は主にスプレーノズル９からの散水、及び多孔板１４における捕捉により除去することが可能である。また、本発明の有害ガスの浄化装置とスクラバー設備間の配管は、粉化物が容易に水槽１２へ洗い流されるようにスクラバー設備側に傾斜させることが好ましい。

本発明の有害ガスの浄化装置に、水槽１２及びスクラバーの設備を結合した図１に示すような浄化装置を用いた場合、塩化水素、フッ化水素等の酸性ガスは、主に充填材１５により除去することが可能である。また、デミスター１６により水分も併せて除去することができる。尚、図１において、８は冷却配管、１０はフローメーター、１１はポンプ、１３は排水管、１７は熱分解後のガスを外部へ排出する排出口を表わす。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

（浄化装置の製作）
図１に示すような外壁がステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製の高さ１０００ｍｍの浄化装置を製作した。熱分解室の側面壁としては、図３（ｂ）に示すような微多孔を有するアルミナ製の円筒を用いた。この側面壁は、直径２００ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚さ２５ｍｍであり、直径１０〜１００μｍに相当する微多孔を有するものであった。さらにその外側の外壁は、内径３００ｍｍ、厚さ３ｍｍのステンレス鋼製の円筒を用いた。

酸素含有ガス流路は、側面壁と外壁により形成された環状の流路であり、これを上下方向に２個に区切った。酸素含有ガス導入口は、図２に示すように環状の流路の接線方向から導入されるように、各２個ずつ合計４個設定した。また、燃焼排ガスを熱分解室へ導入するノズルの内径は３２ｍｍ、長さは２００ｍｍであった。有害ガスを熱分解室へ導入するノズルは、燃焼排ガスを熱分解室へ導入するノズルを中心とする円周上に等間隔となるように４個設けた。これらはいずれも内径は４４ｍｍ、長さは２００ｍｍであった。

浄化装置の右下部には、縦４００ｍｍ、横４００ｍｍ、高さ５００ｍｍの水槽を設置し、水槽の上部には、多孔板、ポリプロピレン樹脂を主材とする充填材、及びデミスターを有するスクラバーを設置した。また、浄化装置と水槽を、傾斜した配管で接続し、スプレーノズル、フローメーター、ポンプ等を接続して装置を完成した。

（浄化装置の評価）
水槽に深さが３５０ｍｍになるまで水を注入した後、ポンプ等を稼動してスプレーノズルから水を噴出させた。また、プロパン（流量１５Ｌ／ｍｉｎ）と空気（流量４４０Ｌ／ｍｉｎ）を混合し燃焼させて得られた燃焼排ガスを、ノズルから熱分解室に導入するとともに、空気を４個の酸素含有ガス導入口から３７．５Ｌ／ｍｉｎずつ、合計１５０Ｌ／ｍｉｎの流量で側面壁を介して熱分解室に導入した。次に、有害ガスとしてのシラン（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を含む窒素ガス（流量４９０Ｌ／ｍｉｎ）を、４個の各ノズルから１２５Ｌ／ｍｉｎ、合計５００Ｌ／ｍｉｎで熱分解室に導入して熱分解処理を行なった。

シランの熱分解処理は１２０時間行ない、この間シランの燃焼状態の変化を確認するために、分解室内に設置した温度センサーにより分解室内部の温度を測定するとともに、排出口から排出するガスの一部をサンプリングし、シランの濃度を測定した。尚、シランの濃度の測定には、光明理化学工業(株)社製シラン用ガス検知管２４０Ｓ（検出下限０、５ｐｐｍ）を用いた。結果を表１に示す。（表１中のＮ．Ｄ．は検出できなかったことを示すものである。）また、実験終了後、燃焼室の壁面に堆積している固体付着物の重量を測定した。結果を表２に示す。

［比較例１］
実施例１の浄化装置の製作において、４個の酸素含有ガス導入口の向きを熱分解室の中心の方向に変えたほかは、実施例１と同様にして浄化装置を製作した。
この浄化装置を用いて、実施例１と同様にしてシランを熱分解し評価した結果を表１及び表２に示す。

［比較例２］
実施例１の浄化装置の製作において、熱分解室の側面壁として非通気性のアルミナ製の円筒を用い、４個の酸素含有ガス導入口を分解室の上部面の外周部に等間隔となるように設けたほかは、実施例１と同様にして浄化装置を製作した。
この浄化装置を用いて、実施例１と同様にしてシランを熱分解し評価した結果を表１及び表２に示す。

以上の結果から、本発明の有害ガスの浄化装置は、シランを長時間にわたり安定して高い分解率で分解することができるとともに、分解室壁面における粉化物の堆積を抑制できることが確認された。

本発明の有害ガスの浄化装置の例を示す縦断面図 図１におけるａ−ａ’断面図 本発明の浄化装置における通気性の側面壁の部分拡大平断面図

符号の説明

１ 有害ガスの熱分解室
２ 燃焼排ガスまたは火炎を熱分解室へ導入するノズル
３ 有害ガスを熱分解室へ導入するノズル
４ 側面壁
５ 酸素含有ガス流路
６ 酸素含有ガスの導入口
７ 火炎
８ 冷却配管
９ スプレーノズル
１０ フローメーター
１１ ポンプ
１２ 水槽
１３ 排水管
１４ 多孔板
１５ 充填材
１６ デミスター
１７ 熱分解後のガスを外部へ排出する排出口
１８ 孔
１９ 線状の間隙
２０ 格子窓状の間隙

Claims (11)

1. 半導体製造工程から排出される有害ガスを、燃料を燃焼して得られる燃焼排ガスまたは火炎により熱分解して浄化する浄化装置であって、少なくとも、有害ガスの熱分解室、燃焼排ガスまたは火炎を該熱分解室へ導入するノズル、有害ガスを該熱分解室へ導入するノズル、通気性及び断熱性を有する側面壁、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路、該流路に酸素含有ガスを旋回可能な方向に導入する酸素含有ガス導入口、及び熱分解後のガスを外部へ排出する排出口を備えてなることを特徴とする有害ガスの浄化装置。
2. 側面壁が、円筒、角筒、多角筒、またはこれらに類似する筒状の形状である請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
3. 酸素含有ガス流路が環状である請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
4. 酸素含有ガス導入口が、酸素含有ガスを実質的に酸素含有ガス流路の接線方向から導入するように設定された請求項３に記載の有害ガスの浄化装置。
5. 酸素含有ガス流路が、有害ガスの導入方向に、複数個に区切られた請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
6. 側面壁がセラミックで構成された請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
7. 側面壁が、針孔を有するセラミック、線状の間隙を有するセラミック、格子窓状の間隙を有するセラミック、多孔質セラミック、多数の繊維状セラミックの積層体、または多数の粒子状セラミックの積層体で構成された請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
8. 有害ガスを熱分解室へ導入するノズルが、燃焼排ガスまたは火炎を熱分解室へ導入するノズルの外周側に設置された請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
9. 半導体製造工程から排出される有害ガスが、酸素と反応することにより粉化物を生成する有害成分を含むガスである請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
10. 半導体製造工程から排出される有害ガスが、酸性ガスを生成する有害成分を含むガスである請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
11. 熱分解室の排出側に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた請求項１に記載の有害ガスの浄化装置。
    

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