CN103316561B

CN103316561B - 气体处理装置

Info

Publication number: CN103316561B
Application number: CN201310009031.9A
Authority: CN
Inventors: 加藤利明
Original assignee: Koken Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Koken Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: JP2013193069A; CN103316561A; JP5540035B2; TWI581827B; TW201338828A

Abstract

本发明提供一种气体处理装置，即使氢气等可燃气体以高浓度流入，也能够安全且可靠地一并对包含其在内的各种处理对象气体进行除害处理。气体处理装置（10）从处于竖立设置在水槽（18）上的筒状的反应器（12）的上部的入口端口（28）供给处理对象气体（F），在所述反应器（12）的内部进行所述处理对象气体（F）的热分解之后，从设置在所述反应器（12）的下部的排出口（12a）排出热分解处理后的排出气体（G）。所述反应器（12）的下端面开口，并且在所述水槽（18）内的水（W）中经过而输送来的氧化性气体（A）通过该下端开口（12b）被导入所述反应器（12）。

Description

气体处理装置

技术领域

本发明涉及对包含对人体有害的气体、温室气体、臭氧层破坏气体等在内的气体、尤其是从半导体或液晶等的制造过程中排出的气体进行分解处理的装置。

背景技术

当前，开发并实施了多种多样的制造或处理产品的工业生产过程，从这样的多种多样的工业生产过程中排出的气体（以下称为“处理对象气体”）的种类也非常多。因此，需要根据从工业生产过程中排出的处理对象气体的种类，适当使用各种气体处理方法及气体处理装置。

例如，以半导体制造过程之一为例，甲硅烷（SiH₄）、氯气、PFC（全氟化合物）等各种气体被使用，在处理对象气体包含甲硅烷的情况下，采用热分解式、燃烧式、吸附式或化学反应式等处理装置，在处理对象气体包含氯气的情况下，采用使用了药液的湿式或吸附式等处理装置。另外，在处理对象气体包含PFC的情况下，采用催化剂式、热反应式、热分解式、燃烧式、等离子体式气体处理装置。

如上所述根据从工业生产过程中排出的各种处理对象气体逐一准备气体处理装置时，对于使用者来说，装置的管理变得复杂，并且维护所需的时间和成本增大。上述情况最终反映到产品的成本上，导致产品的成本竞争力降低。

因此，由于从工业生产过程中排出的处理对象气体大多能够在高温下热分解，因而如果使用专利文献1所示的热分解式气体处理装置、即使大气压等离子体向反应器内喷出并朝向该大气压等离子体供给处理对象气体以进行分解处理的装置，则至少在高温下能够热分解的处理对象气体无论其种类都能够用一个装置进行分解处理。此外，在本说明书中，“大气压等离子体”是指在大气压条件下生成的等离子体，是包含热等离子体、微波等离子体及火焰在内的广义的等离子体。

专利文献1：日本特开2000-334294号公报

如上所述，使用了大气压等离子体的热分解式气体处理装置的通用性非常高，但例如从外延或扩散、LPCVD（减压CVD）、太阳能电池的等离子体CVD这样的各生产过程中排出的处理对象气体那样，对于氢气等可燃性气体（相对于氮气的流量从几%至几倍）以非常高的浓度存在的情况，适用方面还存在课题。

即，由于像这样混合了高浓度的氢气等可燃性气体的处理对象气体通过稍微混入氧气等助燃性气体来准备燃烧或爆炸的环境，所以非常危险。在上述以往的使用了大气压等离子体的热分解式气体处理装置中，成为处理对象气体和氧气等助燃性气体在反应器内的较近位置被混合的构造，因此燃烧空间存在产生如下不良情况的危险性：自反应器内朝向供给处理对象气体的配管的上游返回的所谓“逆火”。

发明内容

因此，本发明的主要课题在于提供一种气体处理装置，即使氢气等可燃气体以高浓度流入，也能够安全且可靠地一并对包含其在内的各种处理对象气体进行除害处理。

本发明第一方案的气体处理装置10，从处于竖立设置在水槽18上的筒状的反应器12的上部的入口端口28供给处理对象气体F，在所述反应器12的内部进行所述处理对象气体F的热分解之后，从设置在所述反应器12的下部的排出口12a排出热分解处理后的排出气体G，所述气体处理装置10的特征在于，所述反应器的下端面开口，并且在所述水槽18内的水W中经过而输送来的氧化性气体A通过该下端开口12b被导入所述反应器。

在本发明中，在反应器12内的向排出口12a方向最远离热分解空间且最接近排出口12a和水槽18的水W的位置B，热分解处理后的排出气体G和（作为助燃性气体的）氧化性气体A接触，因此，能够安全地燃烧而不会使处理对象气体F中的氢气等可燃性气体产生逆火，例如在可燃性气体为氢气的情况下将它们转换成水（水蒸气）那样的无害的不燃性气体的同时，能够使可燃性气体的浓度成为爆炸极限浓度以下。

另外，氧化性气体A在水槽18内的水W中经过之后被导入反应器12，也就是说，采用供给氧化性气体A的配管的前端配置在水槽18内的水W中的构造，因此即使在例如在反应器12内处理对象气体F中的甲硅烷、TEOS、WF6等氧化而生成固体物的情况下，也不用担心该固体物堵塞氧化性气体A的供给路径。

此外，在本发明的气体处理装置10中，优选在所述反应器12中设置有用于通过水W覆盖该反应器12的内表面的水供给构件16。通过设置这样的水供给构件16，在反应器12的大致整个内表面形成所谓的“湿壁”。由此，在固体成分伴随处理对象气体F进入反应器12内的情况下或在反应器12内热分解处理对象气体F时固体成分为副产物的情况下，这些固体成分附着在反应器12的内表面之前与覆盖反应器12的内表面的水W接触并溶解于该水W中，或者与该水W一起冲洗反应器12外。由此，能够防止进入到了反应器12内或在反应器12内成为副产物的固体成分与反应器12的内表面而附着并堆积。另外，通过形成这样的“湿壁”，能够防止反应器12的内表面直接暴露于高温，能够延迟该内表面的劣化。

另外，在本发明中，优选设置有对从所述反应器12排出的热分解处理后的排出气体G进行水洗的后段湿式洗涤器22。本发明的气体处理装置10在反应器12的排出口12a附近位置B进行可燃性气体和氧化性气体A的燃烧，因此刚刚排出反应器12之后的排出气体温度上升。由此，通过在反应器12的后段设置后段湿式洗涤器22，能够将成为高温且从反应器12排出的热分解处理后的排出气体G立即降温到常温左右，除此以外，能够从排出气体G中水洗除去热分解处理对象气体F时产生的水溶性成分和固体成分，从而能够以更清洁的状态将热分解后的排出气体G排放到大气中。

而且，在本发明的气体处理装置10中，优选为，能够根据所述排出气体G的流量改变所述排出口12a的口径，并且供给所述氧化性气体A的氧化性气体供给配管36的前端被配置在所述水槽18内的水W中且安装有起泡器44，能够根据所述氧化性气体A的流量来上下改变所述起泡器44在水W中的配设位置。由此，能够进一步提高反应器12内的除害效率。

根据本发明，能够提供一种气体处理装置，即使氢气等可燃气体以高浓度流入，也能够安全且可靠地一并对包含其在内的各种处理对象气体进行除害处理。

附图说明

图1是表示本发明一实施例的气体处理装置的概要的结构图。

图2是表示配置在水槽内的反应器的内筒下部周边的构造的说明图。

附图标记说明

10气体处理装置

12反应器

12a排出口

12b下端开口

14等离子体发生装置

16水供给构件

18水槽

20氧化性气体供给构件

22后段湿式洗涤器

28入口端口

30入口管

46排气扇

50旁通管

52通气阀

54大气导入配管

32水供给配管

54排气扇

56旁通阀

P大气压等离子体

F处理对象气体

G排出气体

A氧化性气体

具体实施方式

以下，根据图示实施例说明本发明。图1是表示本实施例的气体处理装置10的概要的结构图。如该图所示，本实施例的气体处理装置10大致由反应器12、等离子体发生装置14、水供给构件16、水槽18、氧化性气体供给构件20及后段湿式洗涤器22等构成。此外，本实施例示出了作为热源使用等离子体发生装置14的情况，但气体处理装置10所使用的热源不限于该装置，虽然未图示，但也可以采用火焰燃烧器或电热器等。

反应器12是用于包围由等离子体发生装置14生成的大气压等离子体P和处理对象气体F并在其内部对处理对象气体F进行热分解的装置，具体来说，是由以下部件构成的双层管：圆筒状的外筒12x，其两端面被封闭，并被竖立设置在水槽18上；圆筒状的内筒12y，其被收纳在外筒12x的内侧，具有比外筒12x小的直径且两端面敞开，并且上端部以与外筒12x的上端面之间形成间隙的方式配置，下端部贯穿外筒12x的下端面并延伸到水槽18内。

在形成在该反应器12的外筒12x内周面和内筒12y外周面之间的空间中，形成有临时存储沿着反应器12（更具体来说是内筒12y）的内表面流动的水W的水存储部24。

另外，在外筒12x的上端面的中心设置有等离子体喷射孔26，并且在该等离子体喷射孔26的周边设置有一个或多个（图1所示的实施例中是两个）入口端口28，在该入口端口28上连结有将从各种工业生产过程中排出的处理对象气体F导入反应器12内的入口管30。

此外，也可以在该入口管30上设置朝向处理对象气体F喷射水雾的前段湿式洗涤器（未图示）。这是因为，通过设置这样的洗涤器，在处理对象气体F自身含有大量固体成分或水溶性成分的情况下，能够在将处理对象气体F供给到反应器12之前从该处理对象气体F中通过水洗除去固体成分或水溶性成分，从而能够减少反应器12中要处理的固体成分或水溶性成分的量。

而且，在延伸到水槽18内的内筒12y的下部、即反应器12的下部，（本实施例的情况下是在其侧面）设置有从内筒12b的内侧向外侧排出热分解处理后的处理对象气体F（即排出气体G）的排出口12a。另外，如上所述，内筒12y的下端面敞开并设置有下端开口12b，水槽18的水W经由该下端开口12b装满到排出口12a附近。

在此，如图2所示，上述排出口12a下侧的一部分更优选设置在与水W接触的位置。由此，能够使排出气体G和后述的氧化性气体A在水面附近更安全地进行反应。

另外，虽然未图示，但上述排出口12a优选能够通过例如风门机构等使该排出口12a的口径根据排出气体G的流量而改变。由此，即使在排出气体G的流量少的情况下，也能够使该排出气体G和后述的氧化性气体A有效率地接触并反应。

等离子体发生装置14用于生成高温的大气压等离子体P，该等离子体发生装置14由以下部件构成：内部具有电极的等离子体焰炬14a；向等离子体焰炬14a的电极施加电位的直流电源（未图示）；向等离子体焰炬14a供给工作气体的工作气体供给装置（未图示）等。其中，等离子体焰炬14a以能够从等离子体喷射孔26朝向反应器12的内筒12y的内部喷射大气压等离子体P的方式安装在外筒12x的上端外表面中央部。

水供给构件16是用于使水W沿着内筒12y的内表面流动的构件，在本实施例中，由上述水存储部24、连通水槽18和水存储部24的水供给配管32及将存储在水槽18中的水W向水存储部24供给的泵34构成。也就是说，将水槽18的水W向水存储部24供给，使水W从内筒12y的上端溢出，由此，上述部件作为使水W沿着内筒12y的内表面流动的水供给构件16起作用。

另外，在水供给配管32上，泵34排出侧的部分分支地形成有支管32a，经由该支管32a向设置在水槽18的内部空间壁面上的喷嘴32b供给水W，以便朝向该水槽18的内部空间或内壁面喷射喷淋水。

水槽18存储通过上述水供给构件16循环的水W和后述的后段湿式洗涤器22使用过的新水NW，并且其内部空间由供反应器12中热分解处理之后的排出气体G流通的密闭容器体构成，其内表面由耐热及耐腐蚀性的材料构成。在该水槽18中设置有内部供冷却水C循环以便将水槽18内的水W保持在规定温度（本实施例的情况是30℃）的冷却器18a。另外，水槽18内的水位被控制成不比基准水面位置高。

氧化性气体供给构件20用于向反应器12的内部供给辅助氢气等可燃性气体的燃烧（也就是说，成为助燃性气体）的氧化性气体A，大致由以下部件构成：氧化性气体供给配管36；朝向该氧化性气体供给配管36的前端输送氧化性气体A的鼓风机38；测量在氧化性气体供给配管36内流通的氧化性气体A的流量的流量计40；基于流量计40的测量值调整在氧化性气体供给配管36内流通的氧化性气体A的流量的阀42。在此，本发明中的“氧化性气体A”是指使其他物质点火或辅助燃烧的气体，不仅是氧气单体，只要是包含氧气的气体即可，其氧气浓度没有特别限定，还包括通常的大气。

另外，上述氧化性气体供给配管36的前端配置在水槽18内的水W中的反应器12的下端开口12b正下方的位置，在其前端安装有起泡器44。由此，从氧化性气体供给配管36输送来的氧化性气体A通过安装在该配管36前端的起泡器44形成细小的气泡之后，从下端开口12b被供给到反应器12的下部。像这样通过起泡器44使氧化性气体A成为细小的气泡并向反应器12内供给，因此能够使该氧化性气体A和热分解处理后的排出气体G有效率地接触。

在此，如图2所示，上述起泡器44优选配置在反应器12的内筒12y内。由此，能够将通过起泡器44被供给的氧化性气体A没有泄露地用于与排出气体G的反应。

另外，该起泡器44优选能够根据氧化性气体A的流量来上下改变该起泡器44在水W中的配设位置。由此，例如，在如下情况下：氧化性气体A的供给量多，通过起泡器44产生大量的泡，因该泡在内筒12y内产生水沫而对大气压等离子体P带来影响这种情况下，降低起泡器44的配设位置使其从远离水面，由此能够解决上述问题（水沫对大气压等离子体P的影响）。其结果是，能够有效率地进行处理对象气体的除害处理。

后段湿式洗涤器22是从排出气体G中水洗除去对处理对象气体F进行热分解时产生的水溶性成分和固体成分的装置，其具有：直管形的洗涤器主体22a；配置在洗涤器主体22a内的两个喷嘴22b、22c；由丝网等形成的捕雾器22d。

该后段湿式洗涤器22与反应器12同样地竖立设置在水槽18的上表面，从两个喷嘴22b、22c以雾状被喷出的新水NW返回水槽18。

而且，后段湿式洗涤器22的顶部出口连接到将已处理的排出气体G向大气中排放的排气扇46的吸气侧，在该排气扇46的排出侧连接有排气管48。

此外，在本实施例的气体处理装置10中，与反应器12的入口端口28连接的入口管30和排气扇46的吸气侧通过常闭的旁通管50被连接，而且，在排气扇46的吸气侧，经由通气阀52连接有将大气导入从反应器12排出的热分解处理后的排出气体G的流路中的大气导入配管54。

由此，在反应器12内产生某些故障的情况下，使旁通管50常闭的旁通阀56成为全开，以使处理对象气体F向旁通管50流通，并且，使通气阀52成为全开，以便将大量的大气导入排出气体G的流路，由此，能够将处理对象气体F稀释到安全的浓度并能够紧急疏散地排出。

以下，在使用图1所示的气体处理装置10分解处理对象气体F时，首先，虽然未图示，但使工作气体供给装置工作，通过质量流量控制构件控制流量的同时将工作气体向等离子体焰炬14a输送。

接着，使泵34工作，将存储在水槽18中的水W向反应器12的水存储部24及设置在水槽18的内部空间中的喷嘴32b供给。由此，充满水存储部24的水W从内筒12y的上端向内筒12y的内表面溢流，该溢流的水W沿着内筒12y的内表面向图中下方流动并在内筒12y的大致整个内表面形成所谓的“湿壁”。形成了“湿壁”的水W中的除通过大气压等离子体P的热量被气化的部分之外，返回水槽18，再通过泵34被供给到反应器12等。另外，还开始向后部湿式洗涤器22的喷嘴22b、22c的供给新水NW。

在内筒12y的内表面形成“湿壁”之后，通过使未图示的直流电源工作，在等离子体焰炬14a的电极间施加电压，使大气压等离子体P从等离子体喷射孔26喷出。

而且，在反应器12内的温度达到能够热分解处理对象气体F的规定的设定温度时，使排气扇46工作。于是，气体处理装置10的整个内部成为负压，从处理对象气体F的产生源经由排气管（未图示）被供给的处理对象气体F依次经由入口管30及入口端口28被导入反应器12的内部之后，朝向大气压等离子体P被供给，并通过该大气压等离子体P的热量被热分解。

在此，在处理对象气体F的种类包括例如甲硅烷等硅化物的情况下，热分解处理对象气体F时，生成二氧化硅（SiO₂）等固体成分。该固体成分具有附着并堆积在反应器中的内筒表面的性质，但在本实施例的气体处理装置10中，通过使水W沿着内筒12y的内表面流动，在内筒12y的大致整个内表面形成“湿壁”，因此该固体成分在附着在内筒12y的内表面之前与沿着内筒12y的内表面流动的水W接触并溶解于该水W中，或者与该水W一起从下端开口12b向反应器12外流动。

接着，通过大气压等离子体P的热量被热分解处理后的排出气体G在最接近反应器12下部的排出口12a及水槽18的水W的位置B，与在水槽18的水W中经过而被供给到反应器12内的氧化性气体A在高温状态下接触。由此，氢气等可燃性气体燃烧，并被转换成水（水蒸气）等无害的不燃性气体。

从排出口12a被排出到水槽18内部的排出气体G通过在水槽18的上表面和水面之间形成的空间，被导入竖立设置在水槽18上表面的后段湿式洗涤器22。在该后段湿式洗涤器22中，能够使通过可燃性气体和氧化性气体A的燃烧成为更高温的热分解处理后的排出气体G立即降温到常温左右，除此以外，能够从排出气体G中水洗除去热分解处理对象气体F时产生的水溶性成分和固体成分，从而能够以更清洁的状态将热分解后的排出气体G排放到大气中。

而且，通过了后段湿式洗涤器22的排出气体G（根据不同情况）在排气扇46的跟前，被混入从大气导入配管54经由通气阀52被导入的空气之后，经由排气扇46被输送到排气管48而被排出到系统外。

在此，使用本实施例的气体处理装置10实际进行处理对象气体F的除害处理的结果如下所述。即，等离子体的直流电压为100V左右，以60A的直流电流始终放电。此时，作为工作气体的氮气的流量为25L（升）/min左右。

在这样的条件下，将向氮气100L/min混合2L/min的SiH₄及100L/min的H₂而成的处理对象气体F分别导入两个入口端口28，并且经由氧化性气体供给构件20，将作为氧化性气体A的空气以500L/min的流量供给到反应器12内，进行了热分解处理。其结果是，在排气扇46的出口测定的SiH₄浓度小于检测极限的1ppm，H₂浓度也小于检测极限的100ppm。另外，也没有引起逆火等异常燃烧，能够安全地进行处理对象气体F的除害处理。

根据本实施例的气体处理装置10，在反应器12内的向排出口12a方向最远离热分解空间且最接近排出口12a和水槽18的水W的位置B，热分解处理后的排出气体G和（作为助燃性气体的）氧化性气体A接触，因此，能够安全地燃烧而不会使处理对象气体F中的氢气等可燃性气体产生逆火，将它们转换成无害的不燃性气体的同时，能够使可燃性气体的浓度成为爆炸极限浓度以下。

另外，由于氧化性气体A在水槽18内的水W中经过之后被导入反应器12，也就是说，采用了供给氧化性气体A的配管的前端被配置在水槽18内的水W中的构造，所以即使在例如在反应器12内处理对象气体F中的甲硅烷、TEOS、WF6等氧化而生成固体物的情况下，也不用担心该固体物堵塞氧化性气体A的供给路径。由此，能够减轻维护的负担，并能够进行气体处理装置10的长时间连续运转。

此外，在上述实施例中，作为大气压等离子体P示出了使用热等离子体的情况，但作为该大气压等离子体P也可以使用微波等离子体或火焰。

另外，在上述实施例中，示出了使反应器12的下端部没入水槽18的水W中并且与下端开口12b不同而在反应器12的下部侧面设置排出口12a的情况，但也可以将反应器12的下端部配置在水面上，并将下端开口12b作为排出口12a。但是，在构成上述结构的情况下，虽然能够简化反应器12的构造，但可燃性气体和氧化性气体A的接触概率有可能稍微降低。

而且，本发明的气体处理装置不限于来自半导体生产过程中的处理对象气体F，也能够用于来自LCD生产过程、MEMS制造过程中的处理对象气体F及制冷剂用氟利昂的分解处理等。

Claims

1.一种气体处理装置，从处于竖立设置在水槽上的筒状的反应器的上部的入口端口供给处理对象气体，在所述反应器的内部进行所述处理对象气体的热分解之后，从设置在所述反应器的下部的排出口排出热分解处理后的排出气体，所述气体处理装置的特征在于，

所述反应器的下端面开口，并且在所述水槽内的水中经过而输送来的氧化性气体通过该下端开口被导入所述反应器。

2.如权利要求1所述的气体处理装置，其特征在于，在所述反应器中设置有用于通过水覆盖该反应器的内表面的水供给构件。

3.如权利要求1或2所述的气体处理装置，其特征在于，设置有对从所述反应器排出的热分解处理后的排出气体进行水洗的后段湿式洗涤器。

4.如权利要求1或2所述的气体处理装置，其特征在于，

能够根据所述排出气体的流量改变所述排出口的口径，并且，供给所述氧化性气体的氧化性气体供给配管的前端被配置在所述水槽内的水中且安装有起泡器，能够根据所述氧化性气体的流量来上下改变所述起泡器在水中的配设位置。