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WO2023084595A1 - ガス処理炉及びこれを用いた排ガス処理装置 - Google Patents

ガス処理炉及びこれを用いた排ガス処理装置 Download PDF

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WO2023084595A1
WO2023084595A1 PCT/JP2021/041172 JP2021041172W WO2023084595A1 WO 2023084595 A1 WO2023084595 A1 WO 2023084595A1 JP 2021041172 W JP2021041172 W JP 2021041172W WO 2023084595 A1 WO2023084595 A1 WO 2023084595A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
furnace
exhaust gas
furnace body
gas processing
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/041172
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
啓志 今村
Original Assignee
カンケンテクノ株式会社
北京康肯▲環▼保▲設▼▲備▼有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by カンケンテクノ株式会社, 北京康肯▲環▼保▲設▼▲備▼有限公司 filed Critical カンケンテクノ株式会社
Priority to PCT/JP2021/041172 priority Critical patent/WO2023084595A1/ja
Priority to TW111133190A priority patent/TWI850754B/zh
Publication of WO2023084595A1 publication Critical patent/WO2023084595A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/54—Nitrogen compounds
    • B01D53/56—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/68—Halogens or halogen compounds
    • B01D53/70—Organic halogen compounds

Definitions

  • the present invention relates to a gas treatment furnace suitable for abatement treatment of semiconductor manufacturing exhaust gas containing persistent PFCs (perfluoro compounds), N 2 O, etc., and an exhaust gas treatment apparatus using the same.
  • fluorine compound gases are used as cleaning gases, etching gases, and the like in the manufacturing processes of semiconductor devices and liquid crystal displays.
  • fluorine compounds are called "PFCs " , and typical ones are perfluorocarbons such as CF4 , C2F6 , C3F8 , C4F8 , C5F8 , CHF3 and inorganic fluorine-containing compounds such as SF6 and NF3 .
  • N 2 O (nitrous oxide) or the like is used as a material gas when manufacturing a nitride film.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-188810 discloses a harmful exhaust gas with an inlet scrubber. After removing the dust contained in the exhaust gas, the exhaust gas is thermally decomposed in a gas processing furnace equipped with an electric heater, and the decomposed gas is detoxified by gas-liquid contact with a wet outlet scrubber. .
  • the above prior art has the following problems. That is, if the PFCs in the exhaust gas are mainly composed of persistent CF 4 , the electric heater must be used at a very high temperature of 1500 ° C or higher. The physical properties of the heating element material are also close to the limit, and there is a problem that continuous operation over a long period of time is difficult. In addition, when the substance to be removed in the exhaust gas is N 2 O, there is also a problem that a large amount of NOx is by-produced after thermal decomposition. In addition, the “2030 Agenda for Sustainable Development” was adopted at the United Nations Summit in September 2015, and since then various discussions and studies have been conducted regarding the efficient use of energy in the future. Under these circumstances, there is an increasing need for higher efficiency and energy saving associated with the exhaust gas treatment apparatus equipped with the above-mentioned conventional electric heater, which consumes a relatively large amount of electric power for heating. It can easily be expected to come.
  • the main object of the present invention is to maintain the advantages of a conventional gas treatment furnace employing an electric heater and to achieve more efficient use of electric energy.
  • a gas treatment furnace capable of remarkably improving the removal efficiency of semiconductor manufacturing exhaust gas containing various kinds of substances to be removed such as N 2 O and an exhaust gas treatment apparatus using the same. .
  • the present invention has a gas processing furnace configured as follows for thermally decomposing exhaust gas E discharged from a semiconductor manufacturing process. That is, a closed cylindrical furnace body 12 in which a gas processing space 12a is formed and a gas inlet 12b is provided at the bottom, and an electric heater 14 for heating the gas processing space 12a inside the furnace body 12.
  • the furnace main body 12 has a reducing gas source supply means 16 for supplying at least one of ammonia water and urea water as a reducing gas source S toward the vicinity of the gas inlet 12b in the gas processing space 12a. be provided.
  • the present invention has, for example, the following effects.
  • at least one of ammonia water and urea water is supplied as the reducing gas source S toward the vicinity of the gas introduction port 12b in the gas processing space 12a.
  • the surrounding area is filled with reducing gas derived from ammonia water or urea water, that is, ammonia (NH 3 ). Therefore, the exhaust gas E introduced into the gas processing space 12a in the furnace body 12 from the gas inlet 12b is mixed with the reducing gas, and heated in such a state, resulting in the action of the radicalized reducing gas.
  • PFCs and N 2 O in the exhaust gas E are thermally decomposed very efficiently.
  • the reducing gas mixed during thermal decomposition of the exhaust gas E is in the form of an aqueous solution called a reducing gas source S consisting of ammonia water and/or urea water.
  • one end is attached to the inner bottom surface of the furnace body 12 so as to surround the periphery of the gas inlet 12b, and the other end is attached to the ceiling surface of the furnace body 12.
  • the exhaust gas E introduced into the furnace main body 12 that is, the gas processing space 12a
  • the gas inlet 12b flows through the furnace main body 12, so that the exhaust gas E does not stay in the gas processing space 12a. A long time can be taken, and the heat generated by the electric heater 14 can be sufficiently received.
  • a second aspect of the present invention is an exhaust gas treatment apparatus using the above gas treatment furnace, and any of the above gas treatment furnaces and an exhaust gas E to be treated to be introduced into the gas treatment furnace is previously washed with liquid. and at least one of an outlet scrubber 22 for cooling and washing the exhaust gas E thermally decomposed in the gas treatment furnace.
  • the present invention it is possible to have the advantages of a gas treatment furnace employing a conventional electric heater as it is, and to use electric energy more efficiently, for example, CF 4 and N 2 O It is possible to provide a gas treatment furnace and an exhaust gas treatment apparatus using the same that can remarkably improve the efficiency of abatement of semiconductor manufacturing exhaust gas, which consists of various kinds of substances to be abated.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an exhaust gas treatment apparatus X using a gas treatment furnace 10 of one embodiment of the present invention.
  • This exhaust gas treatment apparatus X is an apparatus for thermally decomposing and detoxifying an exhaust gas E containing PFCs, N 2 O, and the like discharged from an emission source (semiconductor manufacturing process) (not shown). , an inlet scrubber 20 and an outlet scrubber 22 .
  • the gas treatment furnace 10 is a device for thermally decomposing PFCs, N 2 O, etc. in the exhaust gas E using an electric heater 14, and generally includes a furnace body 12, an electric heater 14, a reducing gas source supply means 16, and an inner cylinder. 18.
  • the furnace body 12 is a closed cylindrical (closed cylindrical in the illustrated embodiment) container whose inner surface is at least made of a refractory material such as castable and in which a gas processing space 12a is formed.
  • the furnace main body 12 is erected so that the plane portion (of the furnace main body 12) faces the top and bottom when in use, and a gas inlet 12b is drilled in the center of the bottom surface.
  • the inner cylinder 18 is attached so as to surround the gas inlet 12b, and the gas processing space 12a inside the furnace body 12 is provided at a position spaced apart from the gas inlet 12b on the bottom surface of the furnace body 12.
  • a gas discharge port 12c is provided for discharging the exhaust gas E thermally decomposed in .
  • the ceiling of the furnace body 12 is provided with a plurality of heater insertion openings 12d for inserting the electric heaters 14, and a nozzle insertion opening 12e into which the supply nozzle 16b of the reducing gas source supply means 16 is inserted. be done.
  • the furnace body 12 is formed in a sealed cylindrical shape, but the shape of the furnace body 12 may be any shape as long as it is a cylindrical shape with both ends sealed. It may be in the shape of a square tube or the like.
  • the electric heater 14 serves as a heat source for heating the gas processing space 12a in the furnace body 12, and has a long rod-shaped heating element 14a.
  • the heating element 14a has corrosion resistance to HF (hydrogen fluoride) produced by thermal decomposition of PFCs in the exhaust gas E to be treated, and is capable of generating heat at a high temperature.
  • Ceramics such as silicon carbide (SiC), molybdenum disilicide (MoSi 2 ) and lanthanum chromite (LaCrO 3 ), ceramics such as alumina, or metals such as Hastelloy (registered trademark of Haynes)
  • a metal wire such as a Nichrome wire or a Kanthal (registered trademark of Sandvik AB) wire, which serves as a heating resistor, is spirally wound inside the protective tube.
  • the electric heater 14 is detachably attached by inserting the heating element 14 a into the inner space of the furnace body 12 through a heater insertion port 12 d provided at a predetermined position on the ceiling of the furnace body 12 . Therefore, the electric heater 14 is vertically installed from the ceiling of the furnace body 12 . In the illustrated embodiment, two electric heaters 14 are installed vertically, but the number of electric heaters 14 installed in the furnace body 12 is not limited to this. It may be three or more.
  • the reducing gas source supply means 16 is a device that supplies at least one of ammonia water and urea water as the reducing gas source S toward the vicinity of the gas inlet 12b in the gas processing space 12a.
  • the reducing gas source S supplied by the reducing gas source supply means 16 it is preferable to use general-purpose ammonia water (ammonium hydroxide) and/or urea water with a concentration of 10 to 35%, for example.
  • the supply flow rate of the reducing gas source S supplied into the gas processing space 12a via the flow control device 16d depends on the type and ratio of the components to be removed in the exhaust gas E, the flow rate of the exhaust gas E, the reducing property It is appropriately determined according to the amount of reducing gas (specifically, ammonia) in the gas source S and the like.
  • the inner cylinder 18 is a cylindrical member that is made of a refractory material such as castable, or a metal material such as Hastelloy (registered trademark of Haynes) or stainless steel, and that is open at both ends in the longitudinal direction.
  • One longitudinal end of the inner cylinder 18 is attached to the inner bottom surface of the furnace body 12 so as to surround the gas introduction port 12b.
  • the inner cylinder 18 extends across the gas processing space 12 a of the furnace body 12 , and the other end in the longitudinal direction is arranged at a position close to the ceiling surface of the furnace body 12 .
  • this inner cylinder 18 is installed as needed.
  • the case where the inner cylinder 18 is formed in a cylindrical shape is shown, but the shape of the inner cylinder 18 may be any shape as long as it is a cylinder with both ends opened, for example, a rectangular shape. There may be. Further, in this embodiment, the case where the electric heater 14 is vertically installed from the ceiling of the furnace body 12 is shown. may be embedded.
  • the gas processing furnace 10 configured as described above is equipped with temperature measuring means such as a thermocouple for detecting the temperature of the gas processing space 12a. temperature signal) is supplied to control means comprising a CPU [Central Processing Unit], a memory, an input device, a display device, etc., via a signal line.
  • control means comprising a CPU [Central Processing Unit], a memory, an input device, a display device, etc., via a signal line.
  • the control means is also connected to the flow control device 16d of the reducing gas source supply means 16 and a power supply unit (not shown), and these various devices are controlled by the control means.
  • the surface of the gas processing furnace 10 is covered with a jacket made of a heat insulating material, a refractory material, or the like, if necessary.
  • the gas processing furnace 10 of this embodiment configured as described above is erected on a storage tank 32 to be described later via the communication pipe 24 .
  • the inlet scrubber 20 is a wet scrubber that removes dust and water-soluble components contained in the exhaust gas E introduced into the gas treatment furnace 10, and has a straight pipe scrubber body 20a and a scrubber body 20a near the top inside the scrubber body 20a. It is composed of a spray nozzle 20b that is installed and sprays a chemical solution such as water in the form of a spray, and a filler 20c that promotes gas-liquid contact between the chemical solution sprayed from the spray nozzle 20b and the exhaust gas E.
  • the inlet scrubber 20 is provided in the middle of the inflow piping system 26 and is erected on a storage tank 32 that stores chemical liquid such as water (see FIG. 1) or (not shown) separately from the storage tank 32 . , and both are connected by a pipe so that the waste liquid is sent to the storage tank 32 .
  • a circulation pump 34 is installed between the spray nozzle 20b and the storage tank 32 to lift the liquid chemical W stored in the storage tank 32 to the spray nozzle 20b.
  • reference numeral 32a in FIG. 1 denotes a “partition wall” that prevents the exhaust gas E that has been liquid-washed in the inlet scrubber 20 from flowing into the outlet scrubber 22 without passing through the gas treatment furnace 10 .
  • the outlet scrubber 22 is a wet scrubber that cools the exhaust gas E that has passed through the gas treatment furnace 10 and is thermally decomposed, and finally removes dust, water-soluble components, and the like generated by the thermal decomposition from the exhaust gas E.
  • a straight pipe type scrubber body 22a communicating with a gas discharge port 12c provided on the bottom surface of the furnace body 12 of the gas treatment furnace 10 via a discharge pipe 28, and a A downward spray nozzle 22b for spraying a chemical solution such as water from above so as to face the flow direction of the exhaust gas E, and a spray nozzle 22b for promoting gas-liquid contact between the chemical solution sprayed from the spray nozzle 22b and the exhaust gas E. It is composed of a filler 22c.
  • the outlet scrubber 22 is provided at the upstream end of the atmospheric release piping system 30 and is erected on a storage tank 32 that stores chemical liquid such as water so that waste water is sent to the storage tank 32 .
  • a circulation pump 34 is installed between the spray nozzle 22b and the storage tank 32, similarly to the inlet scrubber 20 described above, and the liquid chemical stored in the storage tank 32 is lifted to the spray nozzle 22b.
  • the spray nozzle 22b may be supplied not with the chemical liquid stored in the storage tank 32 but with a new chemical liquid such as fresh water.
  • An exhaust fan 36 for releasing the treated exhaust gas E into the atmosphere is connected to the air release piping system 30 near the top outlet of the outlet scrubber 22 .
  • the operation switch (not shown) of the exhaust gas treatment apparatus X is turned on to turn on the gas.
  • the electric heater 14 of the processing furnace 10 is operated to start heating the inside of the gas processing furnace 10 .
  • the exhaust fan 36 is activated to start introducing the exhaust gas E into the exhaust gas processing apparatus X.
  • the flow control device 16d of the reducing gas source supply means 16 operates to supply a predetermined amount of the reducing gas source S into the gas processing space 12a.
  • the exhaust gas E passes through the inlet scrubber 20, the gas treatment furnace 10, and the outlet scrubber 22 in this order, and the components to be removed (that is, PFCs, N 2 O, etc.) in the exhaust gas E are removed. Further, the amount of electric power supplied to the electric heater 14 of the gas processing furnace 10 is controlled by control means (not shown) so that the temperature in the gas processing space 12a is maintained at a predetermined temperature.
  • the exhaust gas treatment apparatus X of the present embodiment in the furnace main body 12, at least one of ammonia water and urea water is supplied as the reducing gas source S toward the vicinity of the gas introduction port 12b in the gas treatment space 12a. Therefore, around the gas inlet 12b of the gas processing space 12a, the water content of the reducing gas source S evaporates (separates), and the reducing gas derived from ammonia water or urea water, that is, ammonia (NH 3 ) is filled. Become. Therefore, the exhaust gas E introduced into the gas processing space 12a in the furnace body 12 through the gas inlet 12b is mixed with the reducing gas, and further heated in such a state to produce radicalized reducing gas.
  • the exhaust gas E containing N 2 O Due to the action, PFCs, N 2 O, etc. in the exhaust gas E are thermally decomposed very efficiently.
  • the exhaust gas E and the reducing gas NH 3 are mixed around the gas inlet 12b, which is a relatively low-temperature region.
  • the reducing gas mixed during thermal decomposition of the exhaust gas E is in the form of an aqueous solution called a reducing gas source S made of ammonia water and/or urea water.
  • an inner cylinder 18 is provided in the furnace body 12 of the gas treatment furnace 10, and a gas discharge port 12c is drilled at a position spaced apart from the gas introduction port 12b on the bottom surface of the furnace body 12. Therefore, the exhaust gas E introduced into the gas processing space 12a of the furnace main body 12 from the gas inlet 12b flows through the furnace main body 12, and the heat generated by the electric heater 14 is sufficiently absorbed. be able to receive. In other words, it is possible to maximize the utilization efficiency of the heat generated by the electric heater 14 .
  • the exhaust gas treatment apparatus X of the present embodiment includes the inlet scrubber 20 and the outlet scrubber 22, the exhaust gas E to be introduced into the gas treatment furnace 10 is preliminarily washed with liquid to prevent clogging of the inflow piping system 26.
  • the gas treatment furnace 10 can be operated continuously in a more stable manner, and the cleanliness of the treated exhaust gas E after thermal decomposition can be improved.
  • the exhaust gas treatment device X includes both the inlet scrubber 20 and the outlet scrubber 22.
  • the inlet scrubber 20 and the outlet scrubber 22 are provided as necessary, Only one of them may be provided.
  • the exhaust gas E flowing through the inflow piping system 26 is supplied into the gas treatment furnace 10 without any treatment through the communication piping 24 connected to its downstream end.
  • a heat exchanger (not shown) is provided between the communication pipe 24 and the discharge pipe 28. You may make it preheat by giving to the waste gas E which flows. In this case, more efficient use of energy can be achieved.
  • various modifications can be made within the scope that a person skilled in the art can imagine.
  • 10 gas processing furnace
  • 12 furnace body
  • 12a gas processing space
  • 12b gas inlet
  • 12c gas outlet
  • 14 electric heater
  • 16 reducing gas source supply means
  • 18 inner cylinder
  • 20 Inlet scrubber
  • 22 outlet scrubber
  • E exhaust gas
  • S reducing gas source.

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Abstract

本発明は、半導体製造工程より排出される排ガス(Ｅ)を加熱分解するガス処理炉であって、内部にガス処理空間(１２ａ)が形成され、底面にガス導入口(１２ｂ)が穿設された密閉筒状の炉本体(１２)と，その炉本体(１２)内部の上記ガス処理空間(１２ａ)を加熱する電熱ヒーター(１４)とを備える。上記の炉本体(１２)には、アンモニア水又は尿素水の少なくとも一方を還元性ガス源(Ｓ)として上記のガス処理空間(１２ａ)内の上記ガス導入口(１２ｂ)周辺に向けて供給する還元性ガス源供給手段(１６)が設けられることを特徴とする。

Description

ガス処理炉及びこれを用いた排ガス処理装置
　本発明は、難分解性のＰＦＣｓ(パーフルオロコンパウンド)やＮ２Ｏなどを含む半導体製造排ガスの除害処理に好適なガス処理炉とこれを用いた排ガス処理装置とに関する。
　半導体デバイスや液晶ディスプレイの製造プロセスでは、クリーニングガスやエッチングガスなどとして様々な種類のフッ素化合物のガスが使用されている。このようなフッ素化合物は「ＰＦＣs」と称されており、代表的なものとして、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８などのパーフルオロカーボン、ＣＨＦ３などのハイドロフルオロカーボン及びＳＦ６やＮＦ３などの無機含フッ素化合物等が挙げられる。また、半導体デバイス等の製造プロセスでは、窒化膜製造の際の材料ガスとしてＮ２Ｏ（亜酸化窒素）などが使用される。そして、半導体デバイスや液晶ディスプレイの製造プロセスで使用された様々な種類のＰＦＣｓやＮ２Ｏなどは、キャリアガスやパージガス等として使用されたＮ２やＡｒなどと共に排ガスとして排出される。なお、本明細書では、全体を通してこの排ガスを「半導体製造排ガス」又は単に「排ガス」と称する。また、半導体デバイスや液晶ディスプレイの製造プロセスをまとめて「半導体製造工程」と称する。
　ここで、この排ガス全体におけるＰＦＣsやＮ２Ｏなどの占める割合は、Ｎ2やＡｒなどの他のガスに比べてわずかではあるが、このＰＦＣｓやＮ２Ｏなどは地球温暖化係数(ＧＷＰ)がＣＯ２に比べて数百～数万倍と非常に大きく、大気寿命もＣＯ２に比べて非常に長いことから、大気中へ少量排出した場合であっても、その影響は甚大なものとなる。さらに、ＣＦ４やＣ２Ｆ６を代表とするパーフルオロカーボンはＣ－Ｆ結合が安定であるため(結合エネルギーが１３０ｋｃａｌ／ｍｏｌと大きい）、分解が容易でないことが知られている。このため、使用済みとなったＰＦＣｓやＮ２Ｏなどを排ガス中から除害する様々な技術の開発が行われている。
　このような難分解性のＰＦＣｓやＮ２Ｏなどを含む排ガスを除害する技術として、例えば、下記の特許文献１(日本国・特開２００２－１８８８１０号公報)には、入口スクラバーで有害排ガスに含まれる粉塵などを除去した後、電熱ヒーターを備えたガス処理炉で当該排ガスを加熱分解し、分解したガスを湿式の出口スクラバーで気液接触によって除害する排ガス処理装置が開示されている。
特開２００２－１８８８１０号公報
　しかしながら、上記の従来技術には次のような課題があった。すなわち、排ガス中のＰＦＣｓが難分解性のＣＦ４を主体としている場合、電熱ヒーターを１５００℃以上と言った非常に高い温度で使用しなければならないが、係る温度域での使用は電熱ヒーターの発熱体材料の物理的性質からも限界に近く、長期間に亘る連続稼働が難しいと言う問題があった。加えて、排ガス中の除害対象物がＮ２Ｏの場合には、加熱分解後に多量のＮＯｘが副生するようになると言う問題もあった。
　また、２０１５年９月の国連サミットで「持続可能な開発のための２０３０アジェンダ」が採択され、それ以降、今後のエネルギーの効率的な利用等に関して様々な議論や検討が行われている。このような状況の下、加熱の際のエネルギーとして比較的多くの電力を消費する上記従来の電熱ヒーターを備えた排ガス処理装置においても、高効率化及びこれに伴う省エネ化のニーズが益々高まってくることが容易に予想される。
　それゆえに、本発明の主たる課題は、従来の電熱ヒーターを採用したガス処理炉の利点をそのままの形で有すると共に、電力エネルギーの更なる効率的な利用を図ることが可能であり、例えばＣＦ４やＮ２Ｏと言った様々な種類の除害対象物からなる半導体製造排ガスの除害効率を著しく向上させることが可能なガス処理炉とこれを用いた排ガス処理装置とを提供することである。
　上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１に示すように、半導体製造工程より排出される排ガスＥを加熱分解するガス処理炉を次のように構成した。
　すなわち、内部にガス処理空間１２ａが形成され、底面にガス導入口１２ｂが穿設された密閉筒状の炉本体１２と，その炉本体１２内部の上記ガス処理空間１２ａを加熱する電熱ヒーター１４とを備える。上記の炉本体１２には、アンモニア水又は尿素水の少なくとも一方を還元性ガス源Ｓとして上記のガス処理空間１２ａ内の上記ガス導入口１２ｂ周辺に向けて供給する還元性ガス源供給手段１６が設けられる。
　本発明は、例えば、次の作用を奏する。
　炉本体１２内では、還元性ガス源Ｓとしてアンモニア水又は尿素水の少なくとも一方をガス処理空間１２ａ内のガス導入口１２ｂ周辺に向けて供給しているので、ガス処理空間１２ａのガス導入口１２ｂ周辺にはアンモニア水や尿素水由来の還元性ガスすなわちアンモニア(ＮＨ３)が充満するようになる。このため、ガス導入口１２ｂより炉本体１２内のガス処理空間１２ａに導入された排ガスＥはその還元性ガスと混ざり合い、係る状態で加熱されることで、ラジカル化された還元性ガスの作用により排ガスＥ中のＰＦＣｓやＮ２Ｏなどが非常に効率よく加熱分解される。また、Ｎ２Ｏを含有する排ガスＥにおいては、比較的低温の領域であるガス導入口１２ｂ周辺で排ガスＥと還元性ガスであるＮＨ３とが混ざり合うため、その後のＮ２Ｏの加熱分解の際に生じるＮＯｘを脱硝することが出来るようになる。また、ここで特筆すべきは、排ガスＥの加熱分解の際に混合する還元性ガスを、アンモニア水及び／又は尿素水からなる還元性ガス源Ｓと言った水溶液の形としている点である。こうすることにより、還元性ガスを気体で取り扱う場合に比べて、貯蔵や取り扱いを容易にすることが出来る。
　本発明においては、前記の炉本体１２内には、一端が前記ガス導入口１２ｂの周辺を囲繞するように当該炉本体１２の内部底面に取り付けられ、他端が当該炉本体１２の天井面に近接する位置で開口する内筒１８を設けると共に、上記の炉本体１２底面における上記ガス導入口１２ｂから離間した位置にガス排出口１２ｃを穿設するのが好ましい。
　この場合、ガス導入口１２ｂより炉本体１２内(すなわちガス処理空間１２ａ)に導入された排ガスＥは、炉本体１２内を隈なく通流することになるので、ガス処理空間１２ａ内での滞留時間を長く取ることが出来、電熱ヒーター１４が発する熱を十分に受けることが出来る。
　本発明における第２の発明は、上記のガス処理炉を使用した排ガス処理装置であって、上記の何れかのガス処理炉と、上記ガス処理炉へ導入する処理対象の排ガスＥを予め液洗する入口スクラバー２０、または、上記ガス処理炉で加熱分解させた排ガスＥを冷却および液洗する出口スクラバー２２の少なくとも一方とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、従来の電熱ヒーターを採用したガス処理炉の利点をそのままの形で有すると共に、電力エネルギーの更なる効率的な利用を図ることが可能であり、例えばＣＦ４やＮ２Ｏと言った様々な種類の除害対象物からなる半導体製造排ガスの除害効率を著しく向上させることが可能なガス処理炉とこれを用いた排ガス処理装置とを提供することができる。
本発明の一実施形態のガス処理炉を用いた排ガス処理装置の一例を示す説明図である。
　以下、半導体製造排ガスの除害に好適な本発明のガス処理炉及びこれを用いた排ガス処理装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本発明の一実施形態のガス処理炉１０を用いた排ガス処理装置Ｘ一例を示す説明図である。この排ガス処理装置Ｘは、図示しない排出源(半導体製造工程)より排出されるＰＦＣｓやＮ２Ｏなどを含有する排ガスＥを加熱分解して除害処理する装置であり、大略、ガス処理炉１０，入口スクラバー２０及び出口スクラバー２２で構成される。
　ガス処理炉１０は、排ガスＥ中のＰＦＣｓやＮ２Ｏなどを電熱ヒーター１４を用いて加熱分解する装置であり、大略、炉本体１２，電熱ヒーター１４，還元性ガス源供給手段１６及び内筒１８で構成される。
　炉本体１２は、少なくともその内面がキャスタブルなどの耐火性材料で構成され、内部にガス処理空間１２ａが形成された密閉筒状(図示実施形態では密閉円筒状)の容器体である。この炉本体１２は、図１に示すように、使用に際して(炉本体１２の)平面部分が天地を向くように立設されると共に、底面の中央部にガス導入口１２ｂが穿設される。また、本実施形態では、そのガス導入口１２ｂを囲繞するように内筒１８が取り付けられると共に、炉本体１２の底面におけるガス導入口１２ｂから離間した位置に、炉本体１２内部のガス処理空間１２ａで加熱分解された排ガスＥを排出するためのガス排出口１２ｃが穿設されている。さらに、炉本体１２の天井部には、電熱ヒーター１４を挿入するための複数のヒーター挿入口１２ｄと、還元性ガス源供給手段１６の供給ノズル１６ｂが挿入されるノズル挿入口１２ｅとが穿設される。
　なお、本実施形態では、炉本体１２を密閉円筒状に形成する場合を示しているが、この炉本体１２の形状は両端が密閉した筒状であれば如何なるものであってもよく、例えば密閉角筒状等であってもよい。
　電熱ヒーター１４は、炉本体１２内のガス処理空間１２ａを加熱する熱源となるものであり、長尺棒状の発熱体１４ａを有する。その発熱体１４ａは、処理対象である排ガスＥ中のＰＦＣｓの加熱分解によって副生されるＨＦ(フッ化水素)に対して耐食性を有し、且つ高温での発熱が可能なものが用いられ、具体的には、炭化ケイ素(ＳｉＣ)，二珪化モリブデン(ＭｏＳｉ２)及びランタンクロマイト(ＬａＣｒＯ３)などのセラミックス製のものや、アルミナなどのセラミック製或いはハステロイ(ヘインズ社登録商標)などの金属製の保護管の内部にニクロム線やカンタル(サンドビックＡＢ社登録商標)線などの発熱抵抗体となる金属線を螺旋状に巻回したものなどが挙げられる。
　この電熱ヒーター１４は、発熱体１４ａを炉本体１２の天井部の所定位置に設けられたヒーター挿入口１２ｄから炉本体１２の内部空間に挿入して着脱可能にて取り付けられる。このため、この電熱ヒーター１４は、炉本体１２の天井部から垂設されるようになる。なお、図示実施形態では２本の電熱ヒーター１４が垂設される場合を示しているが、炉本体１２内に設置する電熱ヒーター１４の数はこれに限定されるものではなく、例えば１本でもよいし、３本以上であってもよい。
　還元性ガス源供給手段１６は、ガス処理空間１２ａ内のガス導入口１２ｂ近傍に向けて還元性ガス源Ｓとしてアンモニア水又は尿素水の少なくとも一方を供給する装置であり、還元性ガス源Ｓを貯蔵する貯蔵タンク１６ａ，炉本体１２のノズル挿入口１２ｅに装着されてガス処理空間１２ａ内に還元性ガス源Ｓを供給(滴下)する供給ノズル１６ｂ，その供給ノズル１６ｂと上記の貯蔵タンク１６ａとを接続する配管系１６ｃ，及びその配管系１６ｃ上に取り付けられ、供給ノズル１６ｂからガス処理空間１２ａ内に供給する還元性ガス源Ｓの流量を制御する流量制御装置１６ｄで大略構成される。
　ここで、この還元性ガス源供給手段１６で供給される還元性ガス源Ｓとしては、例えば濃度１０～３５％の汎用アンモニア水(水酸化アンモニウム)及び／又は尿素水を用いるのが好ましい。また、流量制御装置１６ｄを介してガス処理空間１２ａ内へと供給される還元性ガス源Ｓの供給流量は、排ガスＥ中の除害対象成分の種類やその割合、排ガスＥの流量，還元性ガス源Ｓ中の還元性ガス(具体的にはアンモニア)量などに応じて適宜決定される。
　内筒１８は、キャスタブルなどの耐火性材料、或いはハステロイ(ヘインズ社登録商標)やステンレスなどの金属材料等で構成され、長手方向両端面が開口した(開放された)円筒状の部材である。この内筒１８の長手方向の一端は、上記のガス導入口１２ｂを囲繞するように炉本体１２の内部底面に取り付けられる。そして、この内筒１８は、炉本体１２のガス処理空間１２ａを横切るように延設されると共に、その長手方向の他端が炉本体１２の天井面に近接する位置に配置される。
　なお、この内筒１８は必要に応じて設置されるものである。本実施形態では内筒１８を円筒状に形成する場合を示しているが、この内筒１８の形状は両端が開口した筒状であれば如何なるものであってもよく、例えば角筒状等であってもよい。また、本実施形態では、電熱ヒーター１４を炉本体１２の天井部から垂設する場合を示しているが、炉本体１２に内筒１８を設置する場合において、この内筒１８内に電熱ヒーター１４を埋設するようにしてもよい。
　以上のように構成されたガス処理炉１０には、図示しないが、例えばガス処理空間１２ａの温度を検出する熱電対などの温度計測手段が取り付けられると共に、この温度計測手段で検出した温度データ(温度信号)が、信号線を介して、ＣＰＵ[Central Processing Unit；中央処理装置]，メモリ，入力装置及び表示装置などからなる制御手段へと与えられるようになっている。なお、この制御手段には、還元性ガス源供給手段１６の流量制御装置１６ｄや図示しない電源ユニットなども接続されており、これら各種の装置がこの制御手段によって制御されるようになっている。
　また、このガス処理炉１０の表面は、必要に応じて、断熱材や耐火材などで構成されたジャケットで被覆される。
　そして、以上のように構成された本実施形態のガス処理炉１０は、連通配管２４を介して後述する貯留タンク３２上に立設される。
　入口スクラバー２０は、ガス処理炉１０に導入する排ガスＥに含まれる粉塵や水溶性成分などを除去する湿式のスクラバーであり、直管型のスクラバー本体２０ａと、このスクラバー本体２０ａ内部の頂部近傍に設置され、水などの薬液を噴霧状にして撒布するスプレーノズル２０ｂと、スプレーノズル２０ｂから撒布された薬液と排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材２０ｃとで構成される。
　この入口スクラバー２０は、流入配管系２６の途中に設けられると共に、水などの薬液を貯留する貯留タンク３２上に立設されており（図１参照）或いは（図示しないが）貯留タンク３２と別個に配設されると共に両者が配管で接続されて、排液が貯留タンク３２に送り込まれるようになっている。
　そして、スプレーノズル２０ｂと貯留タンク３２との間には循環ポンプ３４が設置されており、貯留タンク３２内の貯留薬液Ｗをスプレーノズル２０ｂに揚上するようになっている。
　なお、図１に示す本実施形態では、入口スクラバー２０の排液のみならず、液洗後の排ガスＥも貯留タンク３２へと送り込まれるようになっており、この貯留タンク３２の液面と天井面との間の空間(上部空間)が排ガス通流路(流入配管系２６の下流端側)として利用されている。ここで、図１における符合３２ａは、入口スクラバー２０で液洗した排ガスＥがガス処理炉１０を経ずに出口スクラバー２２へと流入しないように区画する「隔壁」である。
　出口スクラバー２２は、ガス処理炉１０を通過した加熱分解後の排ガスＥを冷却すると共に、加熱分解によって副生した粉塵や水溶性成分等を最終的に排ガスＥ中から除去する湿式のスクラバーであり、本実施形態では、排出配管２８を介してガス処理炉１０の炉本体１２底面に設けられたガス排出口１２ｃに連通する直管型のスクラバー本体２２ａと、このスクラバー本体２２ａ内部の頂部近傍に設置され、排ガスＥ通流方向に対向するように上方から水などの薬液を噴霧する下向きのスプレーノズル２２ｂと、スプレーノズル２２ｂから撒布された薬液と排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材２２ｃとで構成される。
　この出口スクラバー２２は、大気放出配管系３０の上流端部に設けられると共に、水などの薬液を貯留する貯留タンク３２上に立設され、排水が貯留タンク３２に送り込まれるようになっている。
　また、上述した入口スクラバー２０と同様に、図示実施形態では、スプレーノズル２２ｂと貯留タンク３２との間には循環ポンプ３４が設置されており、貯留タンク３２内の貯留薬液をスプレーノズル２２ｂに揚上するようになっているが、このスプレーノズル２２ｂには、貯留タンク３２内の貯留薬液ではなく、新水などの新しい薬液を供給するようにしてもよい。
　そして、出口スクラバー２２の頂部出口近傍の大気放出配管系３０上には、処理済みの排ガスＥを大気中へと放出する排気ファン３６が接続される。
　なお、本実施形態の排ガス処理装置Ｘにおけるガス処理炉１０を除く他の部分には、排ガスＥに含まれる、或いは、当該排ガスＥの分解によって生じるフッ酸などの腐食性成分による腐食から各部を守るため、塩化ビニル，ポリエチレン，不飽和ポリエステル樹脂およびフッ素樹脂などによる耐食性のライニングやコーティングが施されている。
　次に、以上のように構成された排ガス処理装置Ｘを用いて排ガスＥの除害処理を行う際には、まず始めに、排ガス処理装置Ｘの運転スイッチ(図示せず)をオンにしてガス処理炉１０の電熱ヒーター１４を作動させ、ガス処理炉１０内の加熱を開始する。
　そして、ガス処理空間１２ａ内の温度が、処理対象の排ガスＥの種類に応じた所定の温度に達すると、排気ファン３６が作動し、排ガス処理装置Ｘへの排ガスＥの導入が開始されると共に、還元性ガス源供給手段１６の流量制御装置１６ｄが作動してガス処理空間１２ａ内に所定量の還元性ガス源Ｓが供給される。すると、排ガスＥは、入口スクラバー２０、ガス処理炉１０及び出口スクラバー２２をこの順に通過して排ガスＥ中の除害対象成分(すなわちＰＦＣｓやＮ２Ｏなど)が除害される。また、図示しない制御手段によって、ガス処理空間１２ａ内の温度が所定の温度を保持するようにガス処理炉１０の電熱ヒーター１４に供給する電力量が制御される。
　本実施形態の排ガス処理装置Ｘによれば、炉本体１２内では、還元性ガス源Ｓとしてアンモニア水又は尿素水の少なくとも一方をガス処理空間１２ａ内のガス導入口１２ｂ周辺に向けて供給しているので、ガス処理空間１２ａのガス導入口１２ｂ周辺では、還元性ガス源Ｓの水分が蒸発(分離)してアンモニア水や尿素水由来の還元性ガスすなわちアンモニア(ＮＨ３)が充満するようになる。このため、ガス導入口１２ｂより炉本体１２内のガス処理空間１２ａに導入された排ガスＥはその還元性ガスと混ざり合い、係る状態で更に加熱されることで、ラジカル化された還元性ガスの作用により排ガスＥ中のＰＦＣｓやＮ２Ｏなどが非常に効率よく加熱分解される。
　また、Ｎ２Ｏを含有する排ガスＥにおいては、比較的低温の領域であるガス導入口１２ｂ周辺で排ガスＥと還元性ガスであるＮＨ３とが混ざり合うため、これらが所定の化学量論比率となるように還元性ガス源Ｓを供給することで、その後のＮ２Ｏの加熱分解の際に生じるＮＯｘを概ね９５％程度削減（脱硝）することが出来る。
　なお、ここで特筆すべきは、排ガスＥの加熱分解の際に混合する還元性ガスを、アンモニア水及び／又は尿素水からなる還元性ガス源Ｓと言った水溶液の形としている点である。こうすることにより、還元性ガスを気体で取り扱う場合に比べて、貯蔵や取り扱いを容易にすることが出来る。
　また、本実施形態の排ガス処理装置Ｘでは、ガス処理炉１０の炉本体１２内に内筒１８を設けると共に、炉本体１２底面における上記ガス導入口１２ｂから離間した位置にガス排出口１２ｃを穿設しているので、ガス導入口１２ｂより炉本体１２のガス処理空間１２ａに導入された排ガスＥは、炉本体１２内を隈なく通流することになり、電熱ヒーター１４が発する熱を十分に受けることが出来るようになる。つまり、電熱ヒーター１４が発する熱の利用効率を極大化させることが出来る。
　さらに、本実施形態の排ガス処理装置Ｘでは、入口スクラバー２０及び出口スクラバー２２を備えているので、ガス処理炉１０に導入する排ガスＥを予め液洗して流入配管系２６の目詰まり等を防止し、より安定してガス処理炉１０を連続運転できると共に、加熱分解後の処理済の排ガスＥの清浄度を向上させることができる。
　なお、上述の実施形態では、排ガス処理装置Ｘが入口スクラバー２０及び出口スクラバー２２の両方を備える場合を示したが、この入口スクラバー２０及び出口スクラバー２２は必要に応じて設けられるものであるため、何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
　また、上述の実施形態では、流入配管系２６を通流して来た排ガスＥは、その下流端に連結された連通配管２４で何ら処理をされることなくガス処理炉１０内へと供給される場合を示しているが、この連通配管２４と排出配管２８との間に熱交換器(図示せず)を設ける、つまり、排出配管２８を通流する排ガスＥの排熱を、連通配管２４を通流する排ガスＥに与えて予熱するようにしてもよい。この場合、より一層、エネルギーの効率的な利用を図ることができるようになる。
　その他、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。
　１０：ガス処理炉，１２：炉本体，１２ａ：ガス処理空間，１２ｂ：ガス導入口，１２ｃ：ガス排出口，１４：電熱ヒーター，１６：還元性ガス源供給手段，１８：内筒，２０：入口スクラバー，２２：出口スクラバー，Ｅ：排ガス，Ｓ：還元性ガス源．

Claims (3)

  1. 　半導体製造工程より排出される排ガス(Ｅ)を加熱分解するガス処理炉であって、
    　内部にガス処理空間(１２ａ)が形成され、底面にガス導入口(１２ｂ)が穿設された密閉筒状の炉本体(１２)と，その炉本体(１２)内部の上記ガス処理空間(１２ａ)を加熱する電熱ヒーター(１４)とを備えると共に、
    　上記の炉本体(１２)には、アンモニア水又は尿素水の少なくとも一方を還元性ガス源(Ｓ)として上記のガス処理空間(１２ａ)内の上記ガス導入口(１２ｂ)周辺に向けて供給する還元性ガス源供給手段(１６)が設けられる、ことを特徴とするガス処理炉。
  2. 　請求項１のガス処理炉において、
    　前記の炉本体(１２)内には、一端が前記ガス導入口(１２ｂ)の周辺を囲繞するように当該炉本体(１２)の内部底面に取り付けられ、他端が当該炉本体(１２)の天井面に近接する位置で開口する内筒(１８)が設けられると共に、上記の炉本体(１２)底面における上記ガス導入口(１２ｂ)から離間した位置にガス排出口(１２ｃ)が穿設される、ことを特徴とするガス処理炉。
  3. 　請求項１又は２のガス処理炉と、
    　そのガス処理炉へ導入する処理対象の排ガス(Ｅ)を予め液洗する入口スクラバー(２０)、または、上記ガス処理炉で加熱分解させた排ガス(Ｅ)を冷却および液洗する出口スクラバー(２２)の少なくとも一方とを備える、ことを特徴とする排ガス処理装置。
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