CN112839730A - 废气的等离子体除害方法及废气的等离子体除害装置 - Google Patents

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Abstract

提供被投入到热分解塔的废气的全量必定通过由等离子体射流形成的高温区域并被可靠地分解的等离子体除害方法。在使多个等离子体射流(P)朝向点(Q)集中的方法中，从朝向废气(H)的反应空间(D)设置的多个等离子体射流炬(2a、2b、(2c))朝向上述反应空间(D)内的某个点(Q)产生各自的等离子体射流(P)，从上述多个等离子体射流炬(2a、2b、(2c))之间向上述点(Q)供给废气(H)。

Description

废气的等离子体除害方法及废气的等离子体除害装置
技术领域
本发明涉及从半导体制造工艺排出的废气的热分解工序中的等离子体除害方法及等离子体除害装置的改良。
背景技术
在半导体、液晶等电子器件的制造工艺中使用各种化合物的气体，例如，如CF4和C2F6那样的全氟化碳、NF3那样的不含碳的氟化合物等全氟化合物(以下，称为“PFC”)被用作CVD腔室的清洁气体。需要说明的是，在本说明书中，将含有全氟化合物的废气称为全氟化合物废气或PFC废气。
其中，以CF4或C2F6为代表的全氟化碳为不燃性，且化合物本身稳定，因此在排放到大气中的情况下，长期无变化地滞留。对于大气中的消耗为止的寿命，在CF4的情况下为50000年，在C2F6的情况下为10000年，另外，对于全球变暖潜能值(以CO2为1的比较值)，CF4为4400、C2F6为6200(经过20年的时间点)，存在无法在地球环境上放置的所谓温室效应问题，期望确立对包含以CF4、C2F6为代表的全氟化碳的PFC进行除害的方法。
但是，由于PFC中特别是全氟化碳的C-F键稳定(键合能高达130kcal/mol)，因此不容易分解，通过燃烧式等一般的加热分解对PFC完全除害是非常难的。例如，在单纯的加热分解中，在C2F6的情况下，通过C-C键合支链的切断进行分解，因此如果在处理温度1000℃时将处理风量限制为250升/分钟以下，则能够进行除害，但CF4必须切断键合能最大的C-F，在上述风量下也需要1400～1500℃左右的高温。
作为对这样包含难以分解的PFC的半导体废气进行分解处理的技术，提出了能够利用简单的结构以较少的能量消耗量可靠地对包含CF4的PFC废气进行热分解的废气处理系统(专利文献1)。
在该废气处理系统中，在热分解塔的顶棚部朝下垂直地配置等离子体射流炬，在非转移型电极间施加放电电压而产生电弧，并且向电弧输送工作气体，使从阳极侧垂直地延伸的约10000℃的高温的等离子体射流与热分解塔的中心轴一致而喷出等离子体射流。然后，朝向所生成的等离子体射流的阳极侧的上游部附近，通过水洗去除水溶性成分和粉尘，且从外侧供给附加了水分的PFC废气。所供给的PFC废气一边在高温的等离子体射流的周围进行螺旋旋转一边朝向出口，在此期间在约10000℃的高温的等离子体射流的周围的高温气氛中被热分解，并向出口洗涤器排出。由此，在以往的电热加热器中无法分解的CF4等也能够迅速且不可逆地分解。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-205330号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在上述那样的废气处理系统中的作为等离子体除害装置的热分解塔中，存在以下那样的问题点。
如上所述，从外侧向细长地垂直延伸的等离子体射流的上游部附近供给PFC废气，一边使PFC废气在等离子体射流的周围螺旋旋转一边在该过程中使PFC废气热分解，但由于达到约10000℃的等离子体射流为细长的形状，因此在其周围形成的1400～1500℃左右的高温区域也必然会变细。特别是，在热分解塔的内表面附近，有时也会产生与等离子体射流分离且未达到上述高温区域的温度的空间。因此，废气未必全部通过形成在等离子体射流的周围的高温区域而被热分解，有可能一部分在低温区域内滑动，以未分解的状态被排放。
本发明是鉴于这样的问题点而完成的，其解决课题在于提供一种被投入到作为等离子体除害装置的热分解塔的废气的全量必定通过由等离子体射流形成的高温区域且被可靠地分解的等离子体除害方法及等离子体除害装置。
用于解决课题的技术方案
技术方案1所述的发明(等离子体除害方法)是使多个等离子体射流P朝向点Q集中的方法，其特征在于，
从朝向废气H的反应空间D设置的多个等离子喷嘴2a、2b、(2c)朝向所述反应空间D内的某个点Q产生各自的等离子体射流P，
从所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)之间朝向所述点Q供给废气H。
技术方案2所述的发明(等离子体除害方法)是使多个等离子体射流P分散于点Q的周围的多个点Q1、Q2、(Q3)的方法，其特征在于，
以从朝向废气H的反应空间D设置的多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)朝向所述反应空间D内的某个点Q的周围的多个点Q1、Q2、(Q3)相互保持扭转的位置关系的方式产生各自的等离子体射流P，
从所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)之间朝向形成在所述多个点Q1、Q2、(Q3)之间的高温区域T供给废气H。
技术方案3所述的发明是实现技术方案1的方法的装置(等离子体除害用的热分解塔1)，其特征在于，
所述等离子体除害用的热分解塔1由在内部具有废气H的反应空间D的塔本体1a、设置在所述塔本体1a的顶棚部3的多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)、和在所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)之间设置在所述塔本体1a的顶棚部3的废气供给部29构成，
所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)分别被配置成，从所述等离子体射流炬2a、2b、(2c)分别产生的等离子体射流P朝向所述反应空间D内的点Q，
所述废气供给部29的喷出口29a被配置成，朝向所述点Q供给废气H。
技术方案4所述的发明是实现技术方案2的方法的装置(等离子体除害用的热分解塔1)，其特征在于，
所述等离子体除害用的热分解塔1由在内部具有废气H的反应空间D的塔本体1a、设置在所述塔本体1a的顶棚部3的多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)、和在所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)之间设置在所述塔本体1a的顶棚部3的废气供给部29构成，
所述多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)分别被配置成，从所述等离子体射流炬2a、2b、(2c)分别产生的等离子体射流P朝向设置在所述反应空间D内的某个点Q的周围的多个点Q1、Q2、(Q3)相互保持扭转的位置关系，
所述废气供给部29的喷出口29a被配置成，朝向形成于所述多个点Q1、Q2、(Q3)之间的高温区域T供给废气H。
技术方案5根据技术方案4，其特征在于，从多个等离子体射流炬2a、2b、(2c)生成的等离子体射流P的高温区域T共有所述多个点Q1、Q2、(Q3)内的所述点Q。
发明效果
本发明根据废气H相对于多个等离子体射流P的供给关系，废气H的全量通过由多个等离子体射流P形成的高温区域T，因此废气H的除害效率飞跃性地提高。而且，多个等离子体射流P的位置关系与集中于点Q的情况相比，分散于其周围的多个点Q1、Q2、(Q3)的方式能够使废气H的反应空间D中的高温区域T更大。另外，在该情况下，由多个等离子体射流P形成的高温区域T包含点Q在内在其一部分重合是重要的。
附图说明
图1是本发明装置的整体流程图。
图2是本发明的多个等离子体射流为2个的情况下的包含点Q的横截面的俯视图。
图3是图2的其他例子的包含点Q的横截面的俯视图。
图4是本发明的多个等离子体射流为3个的情况下的包含点Q的横截面的俯视图。
图5是图4的其他例子的包含点Q的横截面的俯视图。
具体实施方式
以下，根据图示实施例对本发明进行说明。图1是本发明的废气处理装置X。它们是在半导体制造工艺中使用的装置，例如是利用真空泵V抽吸从CVD成膜装置S排出的废气H并向废气处理装置X输送、进行热分解而无害化、向大气排放的设备。
另外，在背景技术的说明中，以PFC废气的除害为代表例进行了说明，但由于难分解性的废气不限于PFC废气，因此，本发明的处理对象气体简称为废气H。
图1的废气处理装置X在其一例中由独立的水处理装置A和设置有出口洗涤器60的热分解装置B构成。虽未图示，但水处理装置A也能够一体地设置于热分解装置B的水槽40。
图1的废气处理装置X的流程的概略如下所述。利用真空泵V抽吸来自CVD成膜装置S的废气H，利用连接该真空泵V与水处理装置A的废气导入配管18将废气H送入水处理装置A。在水处理装置A中，将废气H中含有的水解性的成分气体水解而作为固体的水解生成物，与供给的水等(水解用的喷雾水、加热水蒸气)M一起去除。同时，伴随着废气H送入的粉尘也同样地进行水洗去除。另外，在含有氯等水溶性气体的情况下，也同时用水等M将其去除。
去除了水解性的成分气体、粉尘等的废气H被排气管26送入热分解塔1，在此被热分解后，被送至相邻的出口侧的洗涤器60，在对热分解后的热分解废气H进行清洗后，作为无害的大气排放废气H而向大气排放。
废气处理装置X的水处理装置A大致由废气导入喷嘴19、内部设置有入口侧的填充物层25的水处理箱20、水分供给部30、蒸气配管21以及排气管26构成。
水处理箱20是中空容器，在顶部的废气导入部22设置有废气导入喷嘴19，在底部存储有循环用的水M。
在废气导入喷嘴19的下方设置有与工厂的蒸气供给配管(未图示)连接的蒸气配管21。在蒸气配管21上，以隔着废气导入喷嘴19的方式在其两侧配置有向上的喷嘴口21a，在废气导入喷嘴19的两侧从喷嘴口21a向上喷出加热水蒸气。
在蒸气配管21的下方或横向排列地设置有入口侧的喷雾配管23。在入口侧的喷雾配管23设置有向下的喷嘴口23b。该向下的喷嘴口23b配置在废气导入喷嘴19的正下方，微细的喷雾水滴M从该向下的喷嘴口23b呈放射状向下方落下。
在入口侧的喷雾配管23的下方设置有填充有塑料或陶瓷或者玻璃制的填充物(例如，TELLERETTE(注册商标)、拉西环)的填充物层25。
在填充物层25的下方的空间设置有从该空间引出并到达后述的热分解塔50的废气供给部29的排气管26。
在入口侧的喷雾配管23上连接有从水处理箱20的底部立起并构成水分供给部30的入口侧的抽水配管31。在该入口侧的抽水配管31设置有入口侧的抽水泵34，将积存在水处理箱20的底部的循环用的水M向入口侧的喷雾配管23供给。而且，在水处理箱20的底部设置有用于维持循环水用的M的水位的溢流配管37，从外部供给溢出量的水。
热分解装置B由水槽40、作为等离子体除害装置的热分解塔1和出口侧的洗涤器60构成。热分解塔1和出口侧的洗涤器60并排立设在水槽40上。
热分解塔1由塔本体1a、多个非转移型的等离子体射流炬2构成。等离子体射流炬使用多台，在作为上位概念使用的情况下以附图标记2表示，在单独表示的情况下将字母作为细分编号。
塔本体1a是圆筒状的构件，其上端被形成为向上圆锥形的顶棚部3封闭，在其中央顶部连接有与排气管26相连的废气供给部29。塔本体1a的下端向水槽40开口。设置于顶棚部3的等离子体射流炬2在2台的情况下，对称地配置在废气供给部29的两侧，在3台或其以上的情况下，以等角度设置在以废气供给部29为中心的圆上。在3台的情况下为120°间隔。
由于塔本体1a的顶棚部3形成为向上圆锥形，因此从各等离子体射流炬2生成的等离子体射流P相对于塔本体1a的中心轴L倾斜。因此，塔本体1a的主体部1b需要使其内表面远离等离子体射流P的末端不受到热影响的距离，主体部1b形成得较粗。而且，主体部1b的下端被缩小为漏斗状，与立设于水槽40的顶棚部41的脚部1c连通而一体化。
主体部1b的外表面被绝热材料(未图示)覆盖。在塔本体1a的上端外周部分设置有储水部4，水从塔本体1a的上端溢出，在塔本体1a的整个内周面形成有水壁5。从外部向储水部4供给溢出量的水。
等离子体射流炬2被使用多台，在单独表示的情况下，如2a、2b、2c那样，以字母为细分编号进行附加。等离子体射流炬2在内部具有等离子体产生室(未图示)，在等离子体射流炬2的下表面中心部设置有使在等离子体产生室内生成的等离子体射流P喷出的等离子体射流喷出孔(未图示)。在等离子体射流炬2的侧面上部根据需要设置有氮气那样的工作气体输送配管(未图示)。
热分解塔1和出口侧的洗涤器60的底部向水槽40开口，热分解塔1的底部和出口侧的洗涤器60的底部由水槽40的顶棚部41与循环用的水M之间的空间连通。
等离子体射流炬2的设置数量最小为2台，在图4及图5中为3台。当然，也可以设置3台以上。首先，对设为2台的情况进行说明(图2和图3)。
在等离子体射流炬2a、2b为2台的情况下，如上所述，以废气供给部29为中心左右对称地设置。
来自左右的等离子体射流炬2a、2b的等离子体射流P的喷出角度在图2的情况下被设置成，相对于通过设置在塔本体1a的顶部的废气供给部29的塔本体1a的中心轴L倾斜，且在中心轴L上朝向废气供给部29的正下方的某个点Q。而且，来自左右的等离子体射流炬2a、2b的两等离子体射流P在点Q处交叉。两等离子体射流P的末端被设定为不影响塔本体1a的主体部1b的内表面。
等离子体射流P的中心部分约10000℃，随着远离中心部分而温度降低。将包含上述中心部分且在等离子体射流P的整个周围形成的对象废气H的可分解温度区域(1400℃以上的区域)设为高温区域T，用虚线和局部阴影表示。高温区域T比等离子体射流P的可见范围大。这一点在后述的情况下也相同。
在图3的情况下，两等离子体射流P被设定为在上述点Q处不交叉，朝向以点Q为中心且包含点Q的水平面上的圆E上的2点Q1、Q2。在该情况下，如果2点Q1、Q2过于分离，则作为中心点的点Q的温度有时没有达到热分解温度，因此为了避免该情况，使分别通过点Q1、Q2或者朝向它们生成的两等离子体射流P的高温区域T成为能够包含点Q的范围。换言之，两等离子体射流P的高温区域T共有点Q。这一点在后述的图5中也同样。
由此，两等离子体射流P的高温区域T以点Q为中心在其周围扩展为比图2的情况大的面状。
在图4的情况下，在等离子体射流P为3个的情况下，在等离子体射流炬2a、2b、2c以废气供给部29为中心被设置为120°的等间隔的情况下，等离子体射流P被设定为朝向点Q喷出。3个等离子体射流P在点Q处从3个方向交叉，在等离子体射流P的整个周围形成高温区域T。在该情况下，该高温区域T的上表面朝向点Q呈漏斗状凹陷，呈现将后述的废气H包入的状态。
在图5的情况下，3个等离子体射流P被设定为在上述点Q处不交叉，朝向以点Q为中心的水平面上的圆E上的3点Q1、Q2、Q3。在该情况下，与图3同样，若与上述同样3点Q1、Q2、Q3过于分离，则有时作为中心点的点Q的温度没有达到热分解温度，因此为了避免该情况，使分别通过点Q1、Q2、Q3或者朝向它们生成的两等离子体射流P的高温区域T成为能够包含点Q的范围。
由此，等离子体射流P的高温区域T以点Q为中心在其周围扩展为比图4的情况大的面状。在该情况下，高温区域T的上表面也朝向点Q呈漏斗状凹陷。
另外，点Q距废气供给部29的分离位置在等离子体射流P或形成于其周围的高温区域T到达的范围内，选择等离子体射流P不对塔本体1a造成损伤的范围。
废气供给部29如上述那样设置于塔本体1a的顶棚部3的顶部，到任一等离子体射流炬2为止的距离相等。而且，废气供给部29的喷出口29a被配置成，朝向上述点Q或上述多个点Q1、Q2、(Q3)之间的高温区域T供给废气H。
水槽40是中空长方体那样的构件，在其顶棚部41并排立设有上述热分解塔1和后述的出口洗涤器60。水槽40在底部装满循环用的水M，该水M与顶棚部41之间成为热分解废气H的流通路。而且，将内部的水位保持为恒定的溢流配管42和将与溢流水M等量的水向水槽40供给的供水管45设置于水槽40。
出口侧的洗涤器60是所谓的湿式的洗涤器，若对其概略构造进行说明，则由立设于水槽40的顶棚部41的直管型的洗涤器本体60a、出口侧的抽水配管61、设置于抽水配管61的中途的出口侧的抽水泵64、与所述抽水配管61连接并设置于洗涤器本体60a的内部的顶部附近的出口侧的喷雾配管63、设置于该喷雾配管63且将碱性液、酸性液等药液、或者水蒸气、水M向下喷洒的出口侧的喷嘴口63a、设置于出口侧的喷嘴口63a的下方的用于气液接触的出口侧的填充物层65、设置于洗涤器本体60a的顶部的排气鼓风机67、以及设置于该排气鼓风机67的大气排放用排气管68构成。喷洒的上述药液或水M被收纳在水槽40中。
接着，对图1的废气处理装置X的作用进行说明。从废气处理装置X的水处理装置A到出口洗涤器60的废气H的流通路通过使排气鼓风机67工作而保持为负压。然后，如上述那样，利用真空泵V抽吸来自半导体制造装置S的废气H，经由废气导入喷嘴19送入内部保持为负压的水处理装置A。
在水处理装置A中，在废气导入喷嘴19的两侧从蒸气配管21的向上的喷嘴口21a向上喷出加热水蒸气M的同时，使入口侧的抽水配管31的抽水泵34工作，将循环用的水M抽出而供给到入口侧的喷雾配管23，也从向下的喷嘴口23b将水作为细小的水滴M而朝向下方以伞状的方式喷洒。
被送入水处理装置A内的废气H通过上述加热水蒸气M和细小的水滴M将其中的水解性成分气体和粉尘去除，作为水洗废气H被送到热分解塔1。
在上述水洗废气H的供给之前，若使等离子体射流炬2的控制部(未图示)的电源接通，则在大气压下生成超高温(约10000℃左右)的气流即非转移型的等离子体射流P，各等离子体射流P从多个等离子体射流炬2的等离子体射流喷出孔向塔本体1a内以上述那样的位置关系喷出。
由于朝向作为高温区域T的该等离子体射流P的交叉部分(图2、图4)、即被点Q或等离子体射流P(即，点Q1、点Q2、(点Q3))包围的部分或者夹着的部分(图3、图5)吹入废气H，所以被吹入的废气H的全量不泄漏地通过由等离子体射流P形成的高温区域T，从而全量被分解。
在此，如图3、图5所示，在等离子体射流P处于扭转的位置关系的情况下，通过等离子体射流P的流动，在等离子体射流P之间或者被包围的范围内，在大气中产生漩涡U，从废气供给部29的喷出口29a吹入反应空间D的废气H被卷入上述漩涡U而朝向作为中心点的点Q。
特别是，在使用3台等离子体射流炬2的情况下，该倾向更强，且高温区域T的上表面呈漏斗状凹陷，因此，废气H没有逃逸场所，显示出比2台的情况更高的分解效率。
并且，在此被热分解了的热分解废气H被输送到出口洗涤器60，被充分地清洗并且被降低至能够向大气排放的温度，被排气鼓风机67向大气排放。
以上，以本发明中最优选的例子为代表例进行了表示，本发明并不限定于这些例示。
附图标记的说明
A：水处理装置、B：热分解装置、D：反应空间、E：圆、H：废气、L：中心轴、M：水等(雾、加热水蒸气、循环用的水)、P：等离子体射流、Q：1点、Q1～Q3：周围的点、S：半导体制造装置(半导体成膜装置)、T：高温区域、U：漩涡、V：真空泵、X：本发明的废气处理装置、
1：热分解塔、1a：塔本体、1b：主体部、1c：腿部、2：等离子体射流炬、3：顶棚部、4：储水部、5：水壁、18：废气导入配管、19：废气导入喷嘴、20：水处理箱、21：蒸气配管、21a：向上的喷嘴口、22：废气导入部、23：入口侧的喷雾配管、23b：向下的喷嘴口、25：入口侧的填充物层、26：排气管、29：废气供给部、29a：喷出口、30：水分供给部、31：入口侧的抽水配管、34：入口侧的抽水泵、37：溢流配管、40：水槽、41：顶棚部、42：溢流配管、45：供水管、60：出口洗涤器、60a：洗涤器本体、61：出口侧的抽水配管、63：出口侧的喷雾配管、63a：喷嘴口、64：出口侧的抽水泵、65：出口侧的填充物层、67：排气鼓风机、68：大气排放用排气管。

Claims (5)

1.一种废气的等离子体除害方法，其特征在于，
从朝向废气的反应空间设置的多个等离子体射流炬朝向所述反应空间内的某个点产生各自的等离子体射流，
从所述多个等离子体射流炬之间朝向所述点供给废气。
2.一种废气的等离子体除害方法，其特征在于，
以从朝向废气的反应空间设置的多个等离子体射流炬朝向所述反应空间内的某个点的周围的多个点相互保持扭转的位置关系的方式产生各自的等离子体射流，
从所述多个等离子体射流炬之间朝向形成在所述多个点之间的高温区域供给废气。
3.一种废气的等离子体除害装置，其特征在于，
所述废气的等离子体除害装置由塔本体、多个等离子体射流炬和废气供给部构成，
所述塔本体在内部具有废气的反应空间；
所述多个等离子体射流炬设置在所述塔本体的顶棚部；
所述废气供给部在所述多个等离子体射流炬之间设置于所述塔本体的顶棚部，
所述多个等离子体射流炬分别被配置成，从所述等离子体射流炬分别产生的等离子体射流朝向所述反应空间内的点，
所述废气供给部的喷出口被配置成，朝向所述点供给废气。
4.一种废气的等离子体除害装置，其特征在于，
所述废气的等离子体除害装置由塔本体、多个等离子体射流炬和废气供给部构成，
所述塔本体在内部具有废气的反应空间；
所述多个等离子体射流炬设置在所述塔本体的顶棚部；
所述废气供给部在所述多个等离子体射流炬之间设置于所述塔本体的顶棚部，
所述多个等离子体射流炬分别被配置成，从所述等离子体射流炬分别产生的等离子体射流朝向设置在所述反应空间内的某个点的周围的多个点相互保持扭转的位置关系，
所述废气供给部的喷出口被配置成，朝向形成于所述多个点之间的高温区域供给废气。
5.根据权利要求4所述的废气的等离子体除害装置，其特征在于，
从多个等离子体射流炬生成的等离子体射流的高温区域共有所述多个点内的所述点。
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