JP2004043885A - Fluorine gas-generating apparatus - Google Patents

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    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluorine gas-generating apparatus which is operated with a high degree of safety and reliability even for a long time of operation. <P>SOLUTION: The fluorine gas-generating apparatus 30 has an electrolytic cell 32 which generates a byproduct gas mainly containing a hydrogen gas in a section of a second gas phase in a cathode side, along with generating a product gas mainly containing a fluorine gas in a section of a first gas phase in an anode side. In order to measure pressures in the sections of the first and the second gas phases, a first and a second pressure gauges 46 and 48 are arranged. In order to extract the product gas and the byproduct gas, a first and a second pipes 52 and 72 are arranged. In the first and the second pipes 52 and 72, a first and a second flow control valves are arranged. Degrees of openings of the first and the second flow control valve are adjusted on the basis of measured results in the first and the second pressure gauges 46 and 48, so as to keep pressures in sections of the first and the second gas phases to the first and the second set values which are substantially equal. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フッ素ガス生成装置に関し、特に半導体処理システムのガス供給系に配設されるフッ素ガス生成装置に関する。なお、ここで、半導体処理とは、半導体ウエハやLCD基板等の被処理基板上に半導体層、絶縁層、導電層等を所定のパターンで形成することにより、該被処理基板上に半導体デバイスや、半導体デバイスに接続される配線、電極等を含む構造物を製造するために実施される種々の処理を意味する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、被処理基板、例えば半導体ウエハやLCD基板に、成膜、エッチング、拡散等の各種の半導体処理が施される。このような処理を行う半導体処理システムでは、例えば、シリコン膜やシリコン酸化膜をエッチングする場合や、処理室内をクリーニングする場合等、種々の用途の処理ガスとしてフッ素系のガスが利用される。新規なエッチングガス及びクリーニングガスとして、フッ素ガスが注目されているが、安全性及び信頼性の面で問題が完全に解消されていないため、半導体デバイスの製造の現場でフッ素を生成することは一般的に行われていない。
【0003】
一方、ガス製造工場においてフッ素ガスを生成する装置として、電解槽を使用した装置が知られている。例えば、特表平第9−505853号公報には、このタイプのフッ素ガス生成装置が開示される。この公報に開示の装置では、上方から溶融塩中に延びる仕切り板により、電解槽内が中央の陽極室と周囲の陰極室とに仕切られる。陽極室内には異なる高さで終端する一対のプローブが配設される。一対のプローブは、陽極及び陰極間に供給する電流のオン/オフを制御するための液面計として機能する。即ち、この装置は、溶融塩の液面を検出することにより、フッ素ガスの発生を制御している。
【0004】
図3は別の従来のフッ素ガス生成装置を示す概略図である。この装置は、電解槽からのフッ素ガスの供給を制御するための改良された機構を有する。この装置の場合、電解槽112の陽極114側で発生したフッ素ガスが配管120を通して連続的に中間のキャパシタ116に供給され、ここに一時的に溜められる。キャパシタ116がある一定の圧力に達した時、コンプレッサ118とキャパシタ116との間に配設された開閉バルブ122が一時的に開放され、ある一定量のフッ素ガスがコンプレッサ118に吸引される。バルブ122の操作は何回も繰り返され、二次バッファタンク124の圧力が所定の値まで昇圧される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等の研究によれば、図3図示のフッ素ガス生成装置の場合、運転時間が長くなると、後述するように、安全性及び信頼性の面でいくつかの問題点が発生することが見出されている。このような問題が解消されないと、自動化された生産システム、例えば、半導体デバイスの製造システムにフッ素ガス生成装置を組込んで使用することは実際上困難となる。
【0006】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、長時間の運転においても高い安全性及び信頼性で作動することが可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。特に、本発明は、オンサイトで且つオンデマンドでフッ素ガスを生成する装置を提供することを目的とする。ここで、オンサイトとは、フッ素ガス生成装置が、所定の主処理装置、例えば、半導体処理システムの主処理装置と組合わされることを意味する。また、オンデマンドとは、主処理装置側からの要求に応じたタイミングで且つ必要とされる成分調整を伴ってガスが供給可能となることを意味する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の視点は、フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第1気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第2気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記溶融塩中に原料となるフッ化水素を供給する原料配管と、
前記第1気相部分から前記プロダクトガスを導出する第1配管と、
前記第2気相部分から前記副生ガスを導出する第2配管と、
前記第1気相部分の圧力を連続的に測定する第1圧力計と、
前記第2気相部分の圧力を連続的に測定する第2圧力計と、
前記第1配管に配設された第1流量制御弁と、
前記第2配管に配設された第2流量制御弁と、
前記第1気相部分の圧力が第1設定値に維持されるように、前記第1圧力計の測定結果に基づいて第1流量制御弁の開度を調整する第1制御部材と、
前記第2気相部分の圧力が前記第1設定値と実質的に等しい第2設定値に維持されるように、前記第2圧力計の測定結果に基づいて第2流量制御弁の開度を調整する第2制御部材と、
を具備することを特徴とする。
【0008】
本発明の第2の視点は、第1の視点の装置において、前記第1及び第2設定値は760〜820Torrであることを特徴とする。
【0009】
本発明の第3の視点は、第1または第2の視点の装置において、前記第1流量制御弁よりも下流で前記第1配管に配設され、前記第1配管を吸引する第1吸引手段を更に具備することを特徴とする。
【0010】
本発明の第4の視点は、第3の視点の装置において、前記第2配管は、前記第2流量制御弁よりも下流で、前記第2配管を吸引する第2吸引手段に接続されるように配設されることを特徴とする。
【0011】
本発明の第5の視点は、第1乃至第4の視点のいずれかの装置において、
前記原料配管に配設された切替え弁と、
前記電解槽の前記陽極側の電極と前記陰極側の電極との間に供給した電流を積算する電流積算計と、
前記電流積算計による測定結果に基づいて、前記溶融塩中への前記フッ化水素の補給を制御するように、前記切替え弁を開閉する制御部材と、
を更に具備することを特徴とする。
【0012】
本発明の第6の視点は、第5の視点の装置において、前記原料配管を通して供給される前記フッ化水素はガスであることを特徴とする。
【0013】
本発明の第7の視点は、第6の視点の装置において、前記原料配管は、前記電解槽の前記陰極側で、前記溶融塩中に前記フッ化水素ガスを供給するように配設されることと、前記切替え弁よりも下流で前記原料配管に窒素ガスを供給する配管が接続され、前記フッ化水素ガスは前記窒素ガスに添加された状態で前記溶融塩中に供給されることとを特徴とする。
【0014】
本発明の第8の視点は、フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第1気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第2気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記溶融塩中に原料となるフッ化水素を供給する原料配管と、
前記第1気相部分から前記プロダクトガスを導出する第1配管と、
前記第2気相部分から前記副生ガスを導出する第2配管と、
前記原料配管に配設された切替え弁と、
前記電解槽の前記陽極側の電極と前記陰極側の電極との間に供給した電流を積算する電流積算計と、
前記電流積算計による測定結果に基づいて、前記溶融塩中への前記フッ化水素の補給を制御するように、前記切替え弁を開閉する制御部材と、
を具備することを特徴とする。
【0015】
本発明の第9の視点は、第8の視点の装置において、前記原料配管を通して供給される前記フッ化水素はガスであることを特徴とする。
【0016】
本発明の第10の視点は、第9の視点の装置において、前記原料配管は、前記電解槽の前記陰極側で、前記溶融塩中に前記フッ化水素ガスを供給するように配設されることと、前記切替え弁よりも下流で前記原料配管に窒素ガスを供給する配管が接続され、前記フッ化水素ガスは前記窒素ガスに添加された状態で前記溶融塩中に供給されることとを特徴とする。
【0017】
更に、本発明の実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、本発明の開発の過程において、図3を参照して述べたような従来のフッ素ガス生成装置における安全性及び信頼性の面の問題について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。
【0019】
図3図示の装置の場合、キャパシタ116の圧力の上限でバルブ122を開放し、圧力の下限でバルブ122を閉鎖するという操作を行う。このため、フッ素ガスの配管120中に大きな圧力変動が生じ、これによりミスト状の溶融塩が配管120の入口に蓄積し、配管120を閉塞させる原因となる。また、バルブ122は頻繁に開閉を繰り返すため、固化した溶融塩のパーティクルによる機械的作用とフッ素ガスによる化学的作用とにより、バルブ122のシートが損傷しやすい。
【0020】
更に、陰極側から発生した水素ガスは排気系の配管121を通過し、通常規制値以下に希釈されて系外に排出される。このとき、設置環境によっては排出系の圧力が変化することが予想される。例えば排気系の吸引能力が高いと陰極側の圧力が自然に陰圧になり、陰極側の溶融塩レベルがそれに伴い上昇する。この場合、液面が大きく変動し、水素ガスの配管121側に溶融塩が引きずり込まれ、配管121を閉塞させる原因となる。
【0021】
配管120、121内で溶融塩が固化した場合、装置を停止してメンテナンス操作を行う必要があり、これはこの装置が関連するシステム全体のダウンタイムとなる。それ以上に問題となるのは、フッ素ガスの配管120及び水素ガスの配管121のいずれが閉塞しても、電解槽112内の圧力バランスが崩れることである。電解槽112内の圧力バランスが大きく崩れると、電解層112内でフッ素ガスと水素ガスとが混触し、爆発を起こす危険性がある。
【0022】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【0023】
図1は本発明の実施の形態に係る、フッ素ガス生成装置を組込んだ半導体処理システムを示す概略図である。この半導体処理システムは、半導体ウエハやLCD基板等の被処理基板に、成膜、エッチング、或いは拡散等の処理を施す半導体処理装置10を有する。
【0024】
半導体処理装置10は、被処理基板を収納すると共に半導体処理を施すための処理室12を具備する。処理室12内には、被処理基板を載置するための下部電極兼載置台(支持部材)14が配設される。処理室12内にはまた、載置台14に対向して上部電極16が配設される。両電極14、16間にRF(高周波)電源15からRFパワーが印加されることにより、処理ガスをプラズマに転化するためのRF電界が処理室12内に形成される。処理室12の下部には、内部を排気すると共に真空に設定するための排気系18が接続される。また、処理室12の上部には、処理ガスを供給するためのガス供給系20が接続される。
【0025】
図2は図1図示のガス供給系20と組み合わせて使用される半導体処理装置の変更例10xを示す概略図である。半導体処理装置10xは、被処理基板を収納すると共に半導体処理を施すための処理室12を具備する。処理室12内には、被処理基板を載置するための載置台(支持部材)14が配設される。処理室12の下部には、内部を排気すると共に真空に設定するための排気系18が接続される。処理室12の上部には、プラズマを生成するためのリモートプラズマ室13が接続される。リモートプラズマ室13の周囲には、コイルアンテナ17が巻回される。コイルアンテナ17にRF(高周波)電源15からRFパワーが印加されることにより、処理ガスをプラズマに転化するための誘導電界がリモートプラズマ室13内に形成される。また、リモートプラズマ室13の上部には、処理ガスを供給するためのガス供給系20が接続される。
【0026】
なお、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置は、プラズマを利用しない半導体処理装置、例えば熱CVD装置に対してクリーニングガス等を供給する場合にも適用することができる。
【0027】
図1に戻り、ガス供給系20には、処理室12内に任意のガス、例えば半導体処理を行うための処理ガスや処理室12内をクリーニングするための処理ガスを、選択的に切替え且つ所定の流量で供給するための流れ管理部22が配設される。流れ管理部22には、種々な活性ガスや不活性ガスを貯蔵する複数のガス源を有するガス貯蔵部24が接続される。流れ管理部22にはまた、フッ素ガス系の処理ガスを反応処理により生成するガス生成部26が接続される。
【0028】
流れ管理部22及びガス生成部26には、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置30が着脱可能に接続される。即ち、生成装置30は、流れ管理部22にフッ素ガスを直接供給するか、或いはガス生成部26にフッ素ガス原料を供給するために使用される(切替え用のバルブは図示せず)。ガス生成部26では、例えば、フッ素ガス原料と、Cl等の他のハロゲンガスとを反応させることにより、ハロゲン間フッ素化合物ガスが生成される。
【0029】
生成装置30は、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴を収納する気密な電解槽32を有する。溶融塩は、フッ化カリウム(KF)とフッ化水素(HF)との混合物(KF/2HF)或いはフレミー塩(Fremy’s salt)とフッ化水素との混合物からなる。電解槽32は上方から溶融塩中に延びる仕切り板35により、陽極室34及び陰極室36に分割される。陽極室34及び陰極室36内で、溶融塩中にはカーボン電極(陽極)42及びニッケル電極(陰極)44が夫々浸漬される。電解槽32には、陽極42及び陰極44間に電流を供給するための電流源38と、供給電流を積算する電流積算計40とが付設される。
【0030】
電解処理中、電解槽32は付随するヒータ33により80〜90℃に加熱保温される。電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極室34の気相部分にフッ素ガス(F2 )を主成分とするプロダクトガスが発生され、陰極室36の気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスが発生される。プロダクトガス及び副生ガスの夫々には、原料の溶融塩中のフッ化水素ガスの蒸気圧分だけ、フッ化水素ガスが混入する(例えば5%)。陽極室34及び陰極室36には、夫々の気相部分の圧力を連続的に測定するため、第1及び第2圧力計46、48が配設される。
【0031】
陽極室34には、プロダクトガスを導出し、ガス供給系20の流れ管理部22及びガス生成部26に送るための第1配管52が接続される。第1配管52には、上流側から順に、第1流量制御弁54、吸着カートリッジ56、ミニバッファタンク58、コンプレッサ(吸引手段)62、主バッファタンク64等が配設される。陽極室34で発生されたプロダクトガスは、コンプレッサ62により第1配管52が吸引されることにより、陽極室34から強制的に引出され、主バッファタンク64に貯留される。なお、図1において符号66はラインフィルタを示す。
【0032】
上述のように、プロダクトガス中には、数パーセント(例えば5%)のフッ化水素が混入する。このフッ化水素は、プロダクトガスが吸着カートリッジ56を通過する際に除去される。このため、カートリッジ56内には、フッ化水素を吸着により捕捉する吸着剤が内蔵される。吸着剤は、取扱いや圧力損失を考慮し、カートリッジ56内に充填された多数のペレットからなる。吸着剤は、例えば、フッ化ナトリウム(NaF)のような、その吸着能力が温度により変化する吸着剤からなる。カートリッジ56の周囲には、カートリッジ56の温度を調節するための温度調節ジャケット(ヒータ)57が配設される。
【0033】
主バッファタンク64には圧力計65が配設され、タンク64内の圧力が連続的に測定される。この測定結果は、電流源38に付随する制御部材39に伝達される。制御部材39は、伝達された測定結果に基づいて電流源38をオン/オフし、電解槽32への電流の供給を制御する。即ち、タンク64内の圧力が、ある圧力まで減少すると電流源38がオンされてフッ素ガスの生成が開始され、また、ある圧力まで増加すると電流源38がオフされてフッ素ガスの生成が停止される。これにより、電解槽32内の陽極室34及び陰極室36間で溶融塩の液面レベルに差をつけずに電解を止めることができる。なお、タンク64内の圧力は、例えば大気圧〜大気圧+0.18Mpaに設定される。
【0034】
一方、陰極室36には、副生ガスを導出するための第2配管72が接続される。第2配管72は、例えば半導体製造工場の排気系(吸引手段)78の配管に着脱可能に接続される。第2配管72には第2流量制御弁74、除害部76等が配設される。陰極室36で発生された副生ガスは、排気系78により第2配管72が吸引されることにより、陰極室36から強制的に引出され、除害部76を通過した後、排気系78に送られる。
【0035】
上述のように、電解処理中、種々の要因で、陽極室34及び陰極室36間の圧力バランスが崩れ、電解漕32内で液面変動が起こりやすい。また、電解処理中以外でも、例えば、窒素ガスによる電解漕32内のパージ、原料フッ化水素ガスの供給時終了後の窒素パージ工程等、主にガス切り替え工程の直後に、電解漕32内で液面変動が起こりやすい。これ等は、フッ素ガス生成装置の安全性及び信頼性を損なう原因となる。
【0036】
これに対して、図1図示のフッ素ガス生成装置においては、陽極室34及び陰極室36の夫々の気相部分の圧力が第1及び第2圧力計46、48により連続的に測定される。これ等の測定結果は、第1及び第2流量制御弁54、74の夫々に付随する第1及び第2制御部材55、75に伝達される。第1及び第2制御部材55、75は、伝達された測定結果に基づいて、陽極室34及び陰極室36の夫々の気相部分の圧力が互いに実質的に等しい第1及び第2設定値に維持されるように、第1及び第2流量制御弁54、74の開度を調整する。即ち、第1及び第2流量制御弁54、74は、夫々に付随する第1及び第2制御部材55、75の制御下で連続的に開度が調整される。
【0037】
このように、陽極室34及び陰極室36の圧力が、夫々独立して常時測定され且つ制御されるため、陽極室34及び陰極室36における溶融塩の液面の状態が均一に維持される。換言すれば、この構成により、電解槽32は、フッ素の発生状態、第1及び第2配管52、72内の状態、コンプレッサ62や半導体製造工場の排気系78の動作状態、その他の環境等の変動による悪影響から保護される。このため、高価な電極等に与える損害、例えば陽極効果を未然に回避することができ、安全にしかも突然の電解停止をすることなく処理を進行させることができる。また、第1及び第2配管52、72の入口で溶融塩が固化してこれ等を閉塞させることがないため、頻繁にメンテナンスをする必要がなくなる。
【0038】
なお、上述の陽極室34及び陰極室36の夫々の気相部分の第1及び第2設定値は、望ましくは大気圧〜820Torr、より望ましくは大気圧〜770Torrに設定される。また、陽極室34及び陰極室36の圧力を安定させるため、第1及び第2流量制御弁54、74は応答性よく開度が連続的に調整可能であることが必要である。かかる観点から、第1及び第2流量制御弁54、74としてピエゾバルブが望ましくは使用される。
【0039】
再び図1に戻り、電解槽32の陰極室36には、溶融塩中に消費原料であるフッ化水素ガスを供給するため、原料配管82が溶融塩中に浸漬された状態で配設される。原料配管82には、配管83、93を介して、フッ化水素源84と窒素源94とが着脱可能に接続される。
【0040】
窒素源94側の配管93には、配管93の閉鎖状態と開放状態とを切替えるための切替え弁96が配設される。フッ素ガス生成装置30の運転時には、切替え弁96は常時開放状態とされ、電解槽32の溶融塩中へ窒素ガスが常時供給される。この窒素ガスの流量は、フッ化水素ガスの流量1〜50L/minに対して、0.2〜50L/min、望ましくは2〜10L/minとなるように設定される。窒素ガスは溶融塩にほとんど溶けないため、陰極側に溶融塩を通過して排出される。
【0041】
一方、フッ化水素源84側の配管83には、配管83の閉鎖状態と開放状態とを切替えるための切替え弁86が配設される。切替え弁86は、これに付随する制御部材87の制御下で開閉される。電解処理中、陽極42及び陰極44間への供給電流が電流積算計40により積算され、制御部材87に伝達される。制御部材87は、伝達された測定結果に基づいて、溶融塩中へのフッ化水素ガスの補給(窒素ガス中にフッ化水素ガスを混合させる)を制御するように、切替え弁86を開閉する。ここで、制御部材87の設定値は、例えば、溶融塩中のフッ化水素の濃度が41〜39%の範囲に維持されるように設定される。
【0042】
電解槽32へのフッ化水素(HF)ガスの補給は、以下のような理論に基づいて供給電流の積算により制御される。即ち、電気分解におけるフッ素(F2 )発生量は、ファラデーの法則に従って電気量に比例する。この法則は温度、濃度、電極の種類等の電解条件に無関係に成立する。本実施の形態に係る電解槽32においては、電流効率の関係から、下記の式(1)に従っておよそのフッ素ガス発生量が決定される。
【0043】
Z=6.8X …(1)
式(1)において、Zはフッ素発生流量(cc/min)、Xは電気量(ここでは電解電流値(A))を夫々示す。
【0044】
例えば、初期状態において、溶融塩中のフッ化水素濃度は41%に設定される。原料のフッ化水素ガスの供給タイミングは、溶融塩中のフッ化水素濃度が初期濃度41%から低下して濃度下限値、例えば39%に至る前に行う。フッ化水素濃度が濃度下限値を下回ると溶融塩の融点が上昇するため、最悪の場合、溶融塩が固化して電解を行うことができなくなる可能性がある。一方、フッ化水素濃度が初期濃度を上回ると、溶融塩中のフッ化水素の蒸気圧が高くなり、フッ素中に混合するフッ化水素濃度も高くなる。この場合、吸着カートリッジ56においてフッ化水素を吸着により捕捉する吸着剤(例えば、フッ化ナトリウム(NaF))に対する負担が大きくなるという問題が生じる。従って、フッ化水素濃度を上記範囲、例えば41〜39%の範囲内に保持することが必要となる。下記の式(2)は消費されるフッ化水素ガス量とフッ素ガス発生量との関係を示す。ここで、フッ素を1モル発生させるのにフッ化水素が2モル必要となる。
【0045】
(2Z+0.05Z+0.05Z)t/1000=T …(2)
式(2)において、2Zはフッ素を1モル発生するために必要なフッ化水素流量(cc/min)、第1の0.05Zは1モルのフッ素中に同伴するフッ化水素流量(cc/min)、第2の0.05Zは1モルの水素中に同伴するフッ化水素流量(cc/min)、tは発生時間(min)、Tは消費されるフッ化水素量(L)を夫々示す。
【0046】
式(1)に基づいて、式(2)のZに6.8Xを代入すると、下記の式(3)が得られる。
【0047】
0.01428X×t=T …(3)
式(3)において、Xは電気量(A)、tは発生時間(min)、Tは消費されるフッ化水素量(L)を夫々示す。
【0048】
消費可能なフッ化水素量は電解槽32中に投入する溶融塩量に依存する。電解を始める前の溶融塩中のフッ化水素濃度は41%であるから、溶融塩量をCとすると、電解槽32中のフッ化水素量は0.41Cとなる。電解槽32をフッ化水素濃度41〜39%の範囲で使用すると、溶融塩中のフッ化水素濃度と消費されるフッ化水素量との関係は、下記の式(4)で表される。従って、消費消費可能なフッ化水素最大量は、下記の式(5)で表される。
【0049】
(0.41C−HFc)/(C−HFc)=0.39 …(4)
HFc=0.033C …(5)
式(4)、(5)において、Cは溶融塩の重量、HFcは消費されるフッ化水素量を夫々示す。
【0050】
よって、式(5)のHFcに式(3)のTを代入すると、下記の式(6)を経て、下記の式(7)が得られる。
【0051】
0.01428X×t=0.033C …(6)
X×t=2.3C …(7)
式(6)、(7)において、Xは電気量(A)、tは発生時間(min)、Cは溶融塩の重量を夫々示す。
【0052】
即ち、予め電解槽32に投入する溶融塩(KF/2HF)の重量Cが決まれば、フッ化水素濃度41〜39%の使用範囲に対応する電気量Xとフッ素発生時間tとの関係を決めることができる。なお、ここで、フッ化水素ガスの補給のタイミング(使用範囲の下限)は、電気量を時間軸に沿って積算した値で特定できるため、電気量Xは必ずしも固定する必要はない。
【0053】
次に、本発明の上記実施の形態の利点について説明する。
【0054】
特表平第9−505853号公報(以下、‘853号公報という)は、電解槽内の電解質のレベルを検出する制御センサ手段と、制御センサ手段からの信号に応じて電流の供給を開始、または停止するために該信号に応じる電流供給手段とを含むフッ素セルを開示する。即ち、フッ素発生は、液面レベルの低下が信号を発生するように予め設定された位置に達するまで継続される。この信号に応じて電解を制御する装置がセルヘの電流供給を停止するので、電解が停止され電解質の液面レベルの低下もまた停止される。
【0055】
つまり、この公報に開示の技術では、液面変動をわざと利用して電流のオン/オフ制御を行っており、変動を抑制しようという考えはない。しかしながら、電解では定常状態を保ちつつ、フッ素ガスを継続的に発生させるためには、液面変動は最小限にする必要がある。
【0056】
また、‘853号公報は電解槽内の陽極室がフッ素貯蔵所となる点を明記する。しかし、実際の半導体処理用のフッ素発生装置では、フッ素発生量を需要と一致させるのが困難であるため、ある程度の大きさをもったキャパシタとコンプレッサが必要となる。この公報に開示の技術ではこのような外部環境の変化には対応できない。
【0057】
そこで、この公報に対応する市販のフッ素発生システムには数リットル容量を持ったキャパシタとべローズ式コンプレッサとが具備される。このシステムは、オン/オフ開閉バルブにより、断続的にバッファタンクにフッ素を蓄える。このような方式を用いることにより、フッ素の発生を止めることなく継続的に発生することが可能となる。この場合、ガスは定常的に発生させることはできるが、長期発生により以下のような問題が生じることを実際に経験している。
【0058】
フッ素に同伴した細かい溶融塩ミストが、配管或いは電解槽とコンプレッサとの間に存在するキャパシタに侵入する。ミストは融点が80℃付近であるため、配管内では固体として存在する。このミスト量が多くなるに従って(1)配管閉塞、或いは(2)オン/オフバルブ内のバルブシートを損傷する等の問題が発生する。
【0059】
前者の場合には、即電解中止となり、配管内に詰まった塩を取り除く作業が必要となる。反応性ガスのフッ素も管内に存在するため、取り外し作業は最新の注意と危険を伴う。後者の場合には、バルブに漏れが起こるため、やはり電解中止となる。またオン/オフが頻繁にその動作を繰り返すためバルブ寿命が直ぐに来ることとなる。
【0060】
更に、このような制御方法では陽極内の液面変動がある程度は避けられず、電極表面と液との接触面積も常に変動する。このため、電解時の電流効率の変化により、安定したフッ索発生量の確保が困難になる。また、陽極効果による(3)電極(陽極電極には通常炭素が使用される)の交換が必要となる等の問題も発生する。
【0061】
フッ素発生量の制御を‘853号公報のように制御センサによる電源のオン/オフに頼っていると、周りの環境変化(この場合にはコンプレッサとの連結)に対処できない。つまり、半導体処理用の電解槽にはコンプレッサの使用が必要である。一方、フッ素の発生は電解槽後の下流側からの影響を受けないことが必要不可欠となる。かかる観点から、‘853号公報の制御方式は半導体処理用には向かず、実用的ではない。
【0062】
本発明の上記実施の形態において重要な点は、電解槽後の環境の変化に影響を受けずに、常に安定にフッ索を発生できるという点である。このフッ素供給装置は半導体処理用を意識してデザインされる。つまり、基本的にはコンプレッサなどの吸引装置が使用されることが前提となる。
【0063】
コンプレッサ後段のバッファタンクに接続した圧力計と電流源はリンクされており、ある圧力まで減少すると電源がオンとなりフッ素が発生する。またあるところまで圧力が増加すると、電源がオフとなる。このような方法を採用すると‘853号公報のように液面レベル差をつけずに電解を止めることが可能となる。
【0064】
‘853号公報は、安全性を考慮して、陰極側出口の圧力が常に大気圧(またはわずかに大気圧を超える圧力)で稼動することを好ましいとしている。しかし、実際の半導体工場では、陰極側の配管内の圧力変化が大きいため、これを維持することは殆ど不可能に近い。また、この公報は陽極室の圧力変化のみに焦点を当てているが、これは陰極室の圧力は常に大気圧であるという前提に基づいている。
【0065】
本発明の上記実施の形態においては、独立した流量制御による圧力の保持で、電解槽内の両極室の圧力は常に一定に保たれている。しかし、実際の液面レベルは圧力からではわからない。よって、安全性を高める目的から、陽極側または陰極側、好ましくは陰極側に一本の液面センサが挿入されることが、望ましい態様となる。
【0066】
原料である無水フツ化水素(AHF)は通常ガスで、電解槽溶融塩中(好ましくは陰極側)にバブリングにより供給される。AHFは溶融塩に吸収される速度が非常に早いため、流速を遅くして供給すると瞬時に陰極室が陰圧となる。この場合、溶融塩がAHFフィード管内部に上昇し、最悪の場合には固化してしまい供給不可能となる。従って、AHFの供給流速は早いほうが好ましい。しかしながら実際に流すことのできるAHFの流速には限界がある。
【0067】
そこで、本発明の上記実施の形態においては、AHF時の総流速を増やす目的から、AHF供給時にAHFを窒素ガスに混合して流す。窒素ガスは溶融塩にほとんど溶けないため、陰極側に溶融塩を通過して排出される。窒素ガスは電解の有無に係わらず常に陰極室に流れる。このため、電解時には陰極側から発生する水素を希釈することになり、仮に予期せぬ突然の液面変動によりフッ素ガスが陰極側に混入しても、爆発限界外に状態を保つことが可能となる。なお、窒素の流量は電解槽の大きさによって最適に調整される。
【0068】
なお、上記実施の形態において、フッ素ガス生成装置30は、半導体処理システムに着脱可能に組込まれているが、同システム内に固定的に据え付けられるものであってもよい。また、フッ素ガス生成装置30内の幾つかの部材、例えば、コンプレッサ62、主バッファタンク64、除害部76等は、半導体製造工場側に設置されたものを使用することもできる。また、フッ素ガスは、流れ管理部22或いはガス生成部26に択一的に供給されるが、このガスは、他の処理ガスとは別に直接処理室12に供給するようにしてもよい。また、ガス生成部26は、ハロゲン間フッ素化合物ガスではなく、他のフッ素系の処理ガスを生成するように構成することもできる。
【0069】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長時間の運転においても高い安全性及び信頼性で作動することが可能なフッ素ガス生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施の形態に係る、フッ素ガス生成装置を組込んだ半導体処理システムを示す概略図。
【図2】図1図示のガス供給系と組み合わせて使用される半導体処理装置の変更例を示す概略図。
【図3】従来のフッ素ガス生成装置を示す概略図。
【符号の説明】
10、10x…半導体処理装置
12…処理室
18…排気系
20…ガス供給系
22…流れ管理部
24…ガス貯蔵部
26…ガス生成部
30…ガス生成装置
32…電解槽
34…陽極室
36…陰極室
38…電流源
40…電流積算計
42…陽極
44…陰極
46、48…圧力計
52、72…配管
54、74…流量制御弁
55、75…制御部材
56…吸着カートリッジ
58…キャパシタ
64…バッファタンク
62…コンプレッサ
76…除害部
78…排気系
82…原料配管
84…フッ化水素源
86…切替え弁
87…制御部材
94…窒素源
96…切替え弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluorine gas generator, and more particularly to a fluorine gas generator provided in a gas supply system of a semiconductor processing system. Here, the semiconductor processing means that a semiconductor layer, an insulating layer, a conductive layer, and the like are formed in a predetermined pattern on a substrate to be processed such as a semiconductor wafer or an LCD substrate, so that a semiconductor device or the like is formed on the substrate to be processed. Means various processes performed for manufacturing a structure including wirings, electrodes, and the like connected to a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of semiconductor devices, various semiconductor processes such as film formation, etching, and diffusion are performed on a substrate to be processed, for example, a semiconductor wafer or an LCD substrate. In a semiconductor processing system that performs such processing, a fluorine-based gas is used as a processing gas for various uses, for example, when etching a silicon film or a silicon oxide film, or when cleaning a processing chamber. Fluorine gas is attracting attention as a new etching gas and cleaning gas.However, since problems in terms of safety and reliability have not been completely solved, it is common to produce fluorine in the field of semiconductor device manufacturing. Has not been done.
[0003]
On the other hand, as a device for generating fluorine gas in a gas manufacturing plant, a device using an electrolytic cell is known. For example, Japanese Patent Publication No. 9-505853 discloses a fluorine gas generator of this type. In the apparatus disclosed in this publication, the inside of the electrolytic cell is partitioned into a central anode chamber and a surrounding cathode chamber by a partition plate extending into the molten salt from above. A pair of probes terminating at different heights are disposed in the anode chamber. The pair of probes function as a liquid level gauge for controlling on / off of a current supplied between the anode and the cathode. That is, this apparatus controls the generation of fluorine gas by detecting the liquid level of the molten salt.
[0004]
FIG. 3 is a schematic view showing another conventional fluorine gas generator. This device has an improved mechanism for controlling the supply of fluorine gas from the electrolytic cell. In the case of this apparatus, fluorine gas generated on the anode 114 side of the electrolytic cell 112 is continuously supplied to an intermediate capacitor 116 through a pipe 120 and temporarily stored therein. When the capacitor 116 reaches a certain pressure, the on-off valve 122 disposed between the compressor 118 and the capacitor 116 is temporarily opened, and a certain amount of fluorine gas is sucked into the compressor 118. The operation of the valve 122 is repeated many times, and the pressure in the secondary buffer tank 124 is increased to a predetermined value.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the study of the present inventors, in the case of the fluorine gas generator shown in FIG. 3, if the operation time is long, as described later, some problems may occur in terms of safety and reliability. Have been found. Unless such a problem is solved, it is practically difficult to incorporate and use a fluorine gas generator in an automated production system, for example, a semiconductor device manufacturing system.
[0006]
The present invention has been made in view of the problems of the related art, and has as its object to provide a fluorine gas generation device that can operate with high safety and reliability even during long-time operation. . In particular, an object of the present invention is to provide an apparatus that generates fluorine gas on-site and on demand. Here, "on-site" means that the fluorine gas generation device is combined with a predetermined main processing device, for example, a main processing device of a semiconductor processing system. On-demand means that gas can be supplied at a timing according to a request from the main processing unit and with necessary component adjustment.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is an apparatus for generating a fluorine gas,
By electrolyzing hydrogen fluoride in an electrolytic bath made of a molten salt containing hydrogen fluoride, a product gas containing fluorine gas as a main component is generated in a first gas phase portion on the anode side, and a second gas on the cathode side is generated. An electrolytic cell that generates a by-product gas containing hydrogen gas as a main component in a gas phase portion,
A raw material pipe for supplying hydrogen fluoride as a raw material into the molten salt,
A first pipe for leading the product gas from the first gas phase portion;
A second pipe for leading the by-product gas from the second gas phase portion;
A first pressure gauge for continuously measuring the pressure of the first gas phase portion;
A second pressure gauge for continuously measuring the pressure of the second gas phase portion;
A first flow control valve disposed in the first pipe;
A second flow control valve disposed in the second pipe;
A first control member that adjusts an opening degree of a first flow control valve based on a measurement result of the first pressure gauge so that a pressure of the first gas phase portion is maintained at a first set value;
The opening of the second flow control valve is adjusted based on the measurement result of the second pressure gauge so that the pressure of the second gas phase portion is maintained at a second set value substantially equal to the first set value. A second control member to adjust;
It is characterized by having.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the apparatus according to the first aspect, the first and second set values are 760 to 820 Torr.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the apparatus according to the first or second aspect, the first suction means is provided in the first pipe downstream of the first flow control valve, and sucks the first pipe. Is further provided.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the device according to the third aspect, the second pipe is connected to a second suction unit that suctions the second pipe downstream of the second flow control valve. It is characterized by being arranged in.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects,
A switching valve disposed on the raw material pipe,
A current integrator for integrating the current supplied between the anode-side electrode and the cathode-side electrode of the electrolytic cell,
A control member that opens and closes the switching valve so as to control replenishment of the hydrogen fluoride into the molten salt based on a measurement result obtained by the current integrator,
Is further provided.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the apparatus according to the fifth aspect, the hydrogen fluoride supplied through the raw material pipe is a gas.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, in the apparatus according to the sixth aspect, the raw material pipe is disposed on the cathode side of the electrolytic cell so as to supply the hydrogen fluoride gas into the molten salt. And that a pipe for supplying nitrogen gas to the raw material pipe downstream of the switching valve is connected, and the hydrogen fluoride gas is supplied to the molten salt in a state where the gas is added to the nitrogen gas. Features.
[0014]
An eighth aspect of the present invention is an apparatus for generating fluorine gas,
By electrolyzing hydrogen fluoride in an electrolytic bath made of a molten salt containing hydrogen fluoride, a product gas containing fluorine gas as a main component is generated in a first gas phase portion on the anode side, and a second gas on the cathode side is generated. An electrolytic cell that generates a by-product gas containing hydrogen gas as a main component in a gas phase portion,
A raw material pipe for supplying hydrogen fluoride as a raw material into the molten salt,
A first pipe for leading the product gas from the first gas phase portion;
A second pipe for leading the by-product gas from the second gas phase portion;
A switching valve disposed on the raw material pipe,
A current integrator for integrating the current supplied between the anode-side electrode and the cathode-side electrode of the electrolytic cell,
A control member that opens and closes the switching valve so as to control replenishment of the hydrogen fluoride into the molten salt based on a measurement result obtained by the current integrator,
It is characterized by having.
[0015]
According to a ninth aspect of the present invention, in the apparatus according to the eighth aspect, the hydrogen fluoride supplied through the raw material pipe is a gas.
[0016]
A tenth aspect of the present invention is the device according to the ninth aspect, wherein the raw material pipe is disposed on the cathode side of the electrolytic cell so as to supply the hydrogen fluoride gas into the molten salt. And that a pipe for supplying nitrogen gas to the raw material pipe downstream of the switching valve is connected, and the hydrogen fluoride gas is supplied to the molten salt in a state where the gas is added to the nitrogen gas. Features.
[0017]
Furthermore, the embodiments of the present invention include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, when an invention is extracted by omitting some constituent elements from all the constituent elements described in the embodiment, when implementing the extracted invention, the omitted part is appropriately supplemented by well-known conventional techniques. It is something to be done.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the course of the development of the present invention, the present inventors have studied the safety and reliability issues of the conventional fluorine gas generator as described with reference to FIG. As a result, the present inventors have obtained the following knowledge.
[0019]
In the case of the apparatus shown in FIG. 3, an operation is performed in which the valve 122 is opened at the upper limit of the pressure of the capacitor 116 and the valve 122 is closed at the lower limit of the pressure. For this reason, large pressure fluctuations occur in the fluorine gas pipe 120, whereby mist-like molten salt accumulates at the inlet of the pipe 120, causing the pipe 120 to be blocked. Further, since the valve 122 is repeatedly opened and closed frequently, the sheet of the valve 122 is easily damaged by the mechanical action of the solidified molten salt particles and the chemical action of the fluorine gas.
[0020]
Further, the hydrogen gas generated from the cathode side passes through the piping 121 of the exhaust system, is usually diluted to a regulated value or less, and is discharged out of the system. At this time, it is expected that the pressure of the discharge system changes depending on the installation environment. For example, when the suction capacity of the exhaust system is high, the pressure on the cathode side naturally becomes a negative pressure, and the molten salt level on the cathode side increases accordingly. In this case, the liquid level greatly fluctuates, and the molten salt is drawn into the pipe 121 side of the hydrogen gas, which causes the pipe 121 to be blocked.
[0021]
When the molten salt solidifies in the pipes 120 and 121, it is necessary to stop the apparatus and perform a maintenance operation, which results in downtime of the entire system to which the apparatus is related. What is more problematic is that the pressure balance in the electrolytic cell 112 is lost even if either the fluorine gas pipe 120 or the hydrogen gas pipe 121 is closed. If the pressure balance in the electrolytic cell 112 is largely disturbed, the fluorine gas and the hydrogen gas may come into contact in the electrolytic layer 112 and cause an explosion.
[0022]
Hereinafter, an embodiment of the present invention configured based on such knowledge will be described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and repeated description will be made only when necessary.
[0023]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a semiconductor processing system incorporating a fluorine gas generator according to an embodiment of the present invention. This semiconductor processing system includes a semiconductor processing apparatus 10 that performs processing such as film formation, etching, or diffusion on a substrate to be processed such as a semiconductor wafer or an LCD substrate.
[0024]
The semiconductor processing apparatus 10 includes a processing chamber 12 for storing a substrate to be processed and performing semiconductor processing. In the processing chamber 12, a lower electrode and mounting table (supporting member) 14 for mounting a substrate to be processed is provided. An upper electrode 16 is provided in the processing chamber 12 so as to face the mounting table 14. By applying an RF power from an RF (high frequency) power supply 15 between the electrodes 14 and 16, an RF electric field for converting the processing gas into plasma is formed in the processing chamber 12. An exhaust system 18 for exhausting the inside and setting a vacuum is connected to a lower portion of the processing chamber 12. Further, a gas supply system 20 for supplying a processing gas is connected to an upper portion of the processing chamber 12.
[0025]
FIG. 2 is a schematic view showing a modified example 10x of the semiconductor processing apparatus used in combination with the gas supply system 20 shown in FIG. The semiconductor processing apparatus 10x includes a processing chamber 12 for storing a substrate to be processed and performing semiconductor processing. A mounting table (supporting member) 14 for mounting a substrate to be processed is disposed in the processing chamber 12. An exhaust system 18 for exhausting the inside and setting a vacuum is connected to a lower portion of the processing chamber 12. A remote plasma chamber 13 for generating plasma is connected to an upper portion of the processing chamber 12. A coil antenna 17 is wound around the remote plasma chamber 13. By applying RF power from the RF (high frequency) power supply 15 to the coil antenna 17, an induced electric field for converting the processing gas into plasma is formed in the remote plasma chamber 13. Further, a gas supply system 20 for supplying a processing gas is connected to an upper portion of the remote plasma chamber 13.
[0026]
The fluorine gas generator according to the embodiment of the present invention can be applied to a case where a cleaning gas or the like is supplied to a semiconductor processing apparatus that does not use plasma, for example, a thermal CVD apparatus.
[0027]
Returning to FIG. 1, the gas supply system 20 selectively switches an arbitrary gas into the processing chamber 12, for example, a processing gas for performing semiconductor processing or a processing gas for cleaning the inside of the processing chamber 12. A flow management unit 22 for supplying at a flow rate is provided. A gas storage unit 24 having a plurality of gas sources for storing various active gases and inert gases is connected to the flow management unit 22. The flow management unit 22 is also connected to a gas generation unit 26 that generates a fluorine gas-based processing gas by a reaction process.
[0028]
The fluorine management unit 30 according to the embodiment of the present invention is detachably connected to the flow management unit 22 and the gas generation unit 26. That is, the generating device 30 is used to directly supply the fluorine gas to the flow management unit 22 or to supply the fluorine gas raw material to the gas generating unit 26 (a switching valve is not shown). In the gas generation unit 26, for example, an interhalogen fluorine compound gas is generated by reacting a fluorine gas raw material with another halogen gas such as Cl.
[0029]
The generator 30 has an airtight electrolytic tank 32 that houses an electrolytic bath made of a molten salt containing hydrogen fluoride. The molten salt is composed of a mixture of potassium fluoride (KF) and hydrogen fluoride (HF) (KF / 2HF) or a mixture of Fremy's salt and hydrogen fluoride. The electrolytic cell 32 is divided into an anode chamber 34 and a cathode chamber 36 by a partition plate 35 extending into the molten salt from above. In the anode chamber 34 and the cathode chamber 36, a carbon electrode (anode) 42 and a nickel electrode (cathode) 44 are immersed in the molten salt, respectively. The electrolytic cell 32 is provided with a current source 38 for supplying a current between the anode 42 and the cathode 44 and a current integrator 40 for integrating the supplied current.
[0030]
During the electrolytic treatment, the electrolytic bath 32 is heated and kept at 80 to 90 ° C. by the accompanying heater 33. By electrolyzing hydrogen fluoride in the electrolytic bath, a fluorine gas (F 2 ) Is generated, and a by-product gas mainly containing hydrogen gas is generated in the gas phase of the cathode chamber 36. Hydrogen fluoride gas is mixed into each of the product gas and the by-product gas by the vapor pressure of hydrogen fluoride gas in the molten salt of the raw material (for example, 5%). First and second pressure gauges 46 and 48 are disposed in the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 in order to continuously measure the pressure of each gas phase.
[0031]
A first pipe 52 for extracting the product gas and sending it to the flow management unit 22 and the gas generation unit 26 of the gas supply system 20 is connected to the anode chamber 34. A first flow control valve 54, an adsorption cartridge 56, a mini-buffer tank 58, a compressor (suction means) 62, a main buffer tank 64, and the like are arranged in the first pipe 52 in this order from the upstream side. The product gas generated in the anode chamber 34 is forcibly extracted from the anode chamber 34 by the suction of the first pipe 52 by the compressor 62 and stored in the main buffer tank 64. In FIG. 1, reference numeral 66 denotes a line filter.
[0032]
As described above, several percent (for example, 5%) of hydrogen fluoride is mixed in the product gas. The hydrogen fluoride is removed when the product gas passes through the adsorption cartridge 56. Therefore, an adsorbent that captures hydrogen fluoride by adsorption is built in the cartridge 56. The adsorbent is composed of a large number of pellets filled in the cartridge 56 in consideration of handling and pressure loss. The adsorbent comprises, for example, an adsorbent whose adsorption capacity changes with temperature, such as sodium fluoride (NaF). Around the cartridge 56, a temperature adjusting jacket (heater) 57 for adjusting the temperature of the cartridge 56 is provided.
[0033]
A pressure gauge 65 is provided in the main buffer tank 64, and the pressure in the tank 64 is continuously measured. This measurement result is transmitted to a control member 39 associated with the current source 38. The control member 39 turns on / off the current source 38 based on the transmitted measurement result, and controls the supply of the current to the electrolytic cell 32. That is, when the pressure in the tank 64 decreases to a certain pressure, the current source 38 is turned on to start generation of fluorine gas, and when the pressure in the tank 64 increases to a certain pressure, the current source 38 is turned off and generation of fluorine gas is stopped. You. Thus, electrolysis can be stopped without making a difference in the liquid level of the molten salt between the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 in the electrolytic cell 32. The pressure in the tank 64 is set, for example, from atmospheric pressure to atmospheric pressure + 0.18 Mpa.
[0034]
On the other hand, a second pipe 72 for extracting the by-product gas is connected to the cathode chamber 36. The second pipe 72 is detachably connected to, for example, a pipe of an exhaust system (suction unit) 78 of a semiconductor manufacturing factory. The second pipe 72 is provided with a second flow control valve 74, an abatement part 76, and the like. The by-product gas generated in the cathode chamber 36 is forcibly extracted from the cathode chamber 36 by being sucked into the second pipe 72 by the exhaust system 78, passes through the abatement unit 76, and then passes to the exhaust system 78. Sent.
[0035]
As described above, during the electrolytic treatment, the pressure balance between the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 is lost due to various factors, and the liquid level fluctuates easily in the electrolytic tank 32. In addition, even during the electrolysis process, for example, immediately after the gas switching step, such as a purge in the electrolysis tank 32 by nitrogen gas, a nitrogen purge step after the end of supply of the raw material hydrogen fluoride gas, or the like, Fluid level fluctuation is likely to occur. These cause the safety and reliability of the fluorine gas generator to be impaired.
[0036]
On the other hand, in the fluorine gas generator shown in FIG. 1, the pressures of the gas phase portions of the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 are continuously measured by the first and second pressure gauges 46 and 48. These measurement results are transmitted to first and second control members 55 and 75 associated with the first and second flow control valves 54 and 74, respectively. The first and second control members 55 and 75, based on the transmitted measurement result, set the first and second set values where the pressures of the respective gas phase portions of the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 are substantially equal to each other. The opening degree of the first and second flow control valves 54 and 74 is adjusted so as to be maintained. That is, the opening of the first and second flow control valves 54 and 74 is continuously adjusted under the control of the first and second control members 55 and 75 respectively attached thereto.
[0037]
As described above, since the pressures in the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 are independently and constantly measured and controlled independently, the state of the liquid level of the molten salt in the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 is maintained uniformly. In other words, according to this configuration, the electrolytic cell 32 causes the state of generation of fluorine, the state in the first and second pipes 52 and 72, the operation state of the compressor 62 and the exhaust system 78 of the semiconductor manufacturing plant, and other environments. Protected from the adverse effects of fluctuations. For this reason, damage to expensive electrodes and the like, for example, the anodic effect can be avoided beforehand, and the process can proceed safely and without sudden stopping of electrolysis. Further, since the molten salt does not solidify at the inlets of the first and second pipes 52 and 72 to block them, there is no need for frequent maintenance.
[0038]
The first and second set values of the gas phase portions of the anode chamber 34 and the cathode chamber 36 are desirably set at atmospheric pressure to 820 Torr, more desirably, atmospheric pressure to 770 Torr. In addition, in order to stabilize the pressure in the anode chamber 34 and the cathode chamber 36, the first and second flow control valves 54 and 74 need to be able to continuously adjust their opening with good responsiveness. From such a viewpoint, a piezo valve is desirably used as the first and second flow control valves 54 and 74.
[0039]
Returning to FIG. 1 again, the raw material pipe 82 is disposed in the cathode chamber 36 of the electrolytic cell 32 in a state where the raw material pipe 82 is immersed in the molten salt in order to supply hydrogen fluoride gas, which is a raw material to be consumed, into the molten salt. . A hydrogen fluoride source 84 and a nitrogen source 94 are detachably connected to the raw material pipe 82 via pipes 83 and 93.
[0040]
A switching valve 96 for switching the pipe 93 between a closed state and an open state is provided in the pipe 93 on the nitrogen source 94 side. During the operation of the fluorine gas generator 30, the switching valve 96 is always open, and nitrogen gas is constantly supplied into the molten salt in the electrolytic cell 32. The flow rate of the nitrogen gas is set to be 0.2 to 50 L / min, preferably 2 to 10 L / min with respect to the flow rate of the hydrogen fluoride gas being 1 to 50 L / min. Since the nitrogen gas hardly dissolves in the molten salt, the nitrogen gas is discharged through the molten salt to the cathode side.
[0041]
On the other hand, a switching valve 86 for switching the pipe 83 between a closed state and an open state is provided in the pipe 83 on the hydrogen fluoride source 84 side. The switching valve 86 is opened and closed under the control of a control member 87 associated therewith. During the electrolysis, the current supplied between the anode 42 and the cathode 44 is integrated by the current integrator 40 and transmitted to the control member 87. The control member 87 opens and closes the switching valve 86 so as to control replenishment of the hydrogen fluoride gas into the molten salt (mixing of the hydrogen fluoride gas into the nitrogen gas) based on the transmitted measurement result. . Here, the set value of the control member 87 is set so that, for example, the concentration of hydrogen fluoride in the molten salt is maintained in a range of 41 to 39%.
[0042]
Replenishment of the hydrogen fluoride (HF) gas to the electrolytic cell 32 is controlled by integrating the supply current based on the following theory. That is, fluorine (F 2 ) The amount of generation is proportional to the amount of electricity according to Faraday's law. This rule is satisfied irrespective of the electrolysis conditions such as temperature, concentration, and type of electrode. In the electrolytic cell 32 according to the present embodiment, the approximate amount of fluorine gas generated is determined according to the following equation (1) from the relationship of current efficiency.
[0043]
Z = 6.8X (1)
In the formula (1), Z indicates a fluorine generation flow rate (cc / min), and X indicates an electric quantity (here, an electrolytic current value (A)).
[0044]
For example, in the initial state, the concentration of hydrogen fluoride in the molten salt is set to 41%. The supply timing of the raw material hydrogen fluoride gas is performed before the concentration of hydrogen fluoride in the molten salt decreases from the initial concentration of 41% to reach the lower concentration limit, for example, 39%. If the concentration of hydrogen fluoride is lower than the lower limit of the concentration, the melting point of the molten salt increases, and in the worst case, the molten salt may be solidified and the electrolysis may not be performed. On the other hand, when the hydrogen fluoride concentration exceeds the initial concentration, the vapor pressure of hydrogen fluoride in the molten salt increases, and the concentration of hydrogen fluoride mixed with fluorine also increases. In this case, there is a problem that a load on the adsorbent (for example, sodium fluoride (NaF)) that captures hydrogen fluoride by adsorption in the adsorption cartridge 56 increases. Therefore, it is necessary to keep the hydrogen fluoride concentration in the above range, for example, in the range of 41 to 39%. The following equation (2) shows the relationship between the amount of hydrogen fluoride gas consumed and the amount of generated fluorine gas. Here, two moles of hydrogen fluoride are required to generate one mole of fluorine.
[0045]
(2Z + 0.05Z + 0.05Z) t / 1000 = T (2)
In the formula (2), 2Z is a flow rate of hydrogen fluoride (cc / min) necessary to generate 1 mole of fluorine, and the first 0.05Z is a flow rate of hydrogen fluoride (cc / min) entrained in 1 mole of fluorine. min), the second 0.05Z is the hydrogen fluoride flow rate (cc / min) entrained in 1 mole of hydrogen, t is the generation time (min), and T is the amount of hydrogen fluoride consumed (L), respectively. Show.
[0046]
By substituting 6.8X for Z in equation (2) based on equation (1), the following equation (3) is obtained.
[0047]
0.01428X × t = T (3)
In the formula (3), X indicates the amount of electricity (A), t indicates the generation time (min), and T indicates the amount of hydrogen fluoride consumed (L).
[0048]
The amount of hydrogen fluoride that can be consumed depends on the amount of molten salt charged into the electrolytic cell 32. Since the concentration of hydrogen fluoride in the molten salt before starting the electrolysis is 41%, if the amount of the molten salt is C, the amount of hydrogen fluoride in the electrolytic bath 32 is 0.41C. When the electrolytic bath 32 is used in a hydrogen fluoride concentration range of 41 to 39%, the relationship between the hydrogen fluoride concentration in the molten salt and the amount of hydrogen fluoride consumed is expressed by the following equation (4). Therefore, the maximum amount of hydrogen fluoride that can be consumed and consumed is represented by the following equation (5).
[0049]
(0.41C-HFc) / (C-HFc) = 0.39 (4)
HFc = 0.033C (5)
In the formulas (4) and (5), C represents the weight of the molten salt, and HFc represents the amount of hydrogen fluoride consumed.
[0050]
Therefore, when T of equation (3) is substituted for HFc of equation (5), the following equation (7) is obtained through the following equation (6).
[0051]
0.01428X × t = 0.033C (6)
X × t = 2.3C (7)
In the formulas (6) and (7), X represents the quantity of electricity (A), t represents the generation time (min), and C represents the weight of the molten salt.
[0052]
That is, if the weight C of the molten salt (KF / 2HF) to be charged into the electrolytic cell 32 is determined in advance, the relationship between the amount of electricity X corresponding to the usage range of the hydrogen fluoride concentration of 41 to 39% and the fluorine generation time t is determined. be able to. Here, the timing of replenishment of the hydrogen fluoride gas (the lower limit of the range of use) can be specified by a value obtained by integrating the amount of electricity along the time axis, so that the amount of electricity X does not necessarily need to be fixed.
[0053]
Next, advantages of the above embodiment of the present invention will be described.
[0054]
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-505853 (hereinafter referred to as' 853) discloses a control sensor for detecting the level of an electrolyte in an electrolytic cell, and starts supplying a current in response to a signal from the control sensor. Alternatively, a fluorine cell including a current supply unit responsive to the signal to stop the operation is disclosed. That is, the generation of fluorine is continued until a decrease in the liquid level reaches a position set in advance to generate a signal. Since the device controlling the electrolysis in response to this signal stops the current supply to the cell, the electrolysis is stopped and the lowering of the electrolyte level is also stopped.
[0055]
In other words, in the technology disclosed in this publication, the on / off control of the current is performed by intentionally using the liquid level fluctuation, and there is no idea to suppress the fluctuation. However, in order to continuously generate fluorine gas while maintaining a steady state in electrolysis, it is necessary to minimize the liquid level fluctuation.
[0056]
Further, '853 discloses that an anode chamber in an electrolytic cell is a fluorine storage. However, in an actual fluorine generator for semiconductor processing, it is difficult to match the amount of generated fluorine with demand, so that a capacitor and a compressor having a certain size are required. The technology disclosed in this publication cannot cope with such a change in the external environment.
[0057]
Therefore, a commercially available fluorine generation system corresponding to this publication is provided with a capacitor having a capacity of several liters and a bellows compressor. This system stores fluorine intermittently in a buffer tank by an on / off opening / closing valve. By using such a method, it is possible to continuously generate fluorine without stopping the generation. In this case, the gas can be generated constantly, but the following problems are actually caused by long-term generation.
[0058]
Fine molten salt mist entrained by fluorine penetrates the capacitor existing between the pipe or the electrolytic cell and the compressor. Since the mist has a melting point of around 80 ° C., it exists as a solid in the pipe. As the amount of mist increases, problems such as (1) blockage of the pipe or (2) damage to a valve seat in the on / off valve occur.
[0059]
In the former case, the electrolysis is immediately stopped, and it is necessary to remove salt clogged in the piping. The removal operation involves the latest caution and danger because the reactive gas fluorine is also present in the tube. In the latter case, electrolysis is stopped because the valve leaks. In addition, the operation is frequently repeated on / off, so that the valve life comes soon.
[0060]
Further, in such a control method, the liquid level in the anode cannot be avoided to some extent, and the contact area between the electrode surface and the liquid always changes. For this reason, it becomes difficult to secure a stable amount of fuchse generation due to a change in current efficiency during electrolysis. In addition, there arises a problem that the electrode (3) needs to be replaced (usually carbon is used for the anode electrode) due to the anode effect.
[0061]
If the control of the amount of generated fluorine relies on the turning on / off of the power by a control sensor as in the '853 publication, it cannot cope with a change in the surrounding environment (in this case, connection with the compressor). That is, it is necessary to use a compressor for the electrolytic cell for semiconductor processing. On the other hand, it is essential that the generation of fluorine is not affected by the downstream side after the electrolytic cell. From this viewpoint, the control system disclosed in the '853 publication is not suitable for semiconductor processing and is not practical.
[0062]
An important point in the above embodiment of the present invention is that the hook can be constantly generated stably without being affected by a change in the environment after the electrolytic cell. This fluorine supply device is designed for semiconductor processing. That is, it is basically assumed that a suction device such as a compressor is used.
[0063]
The pressure gauge and the current source connected to the buffer tank at the subsequent stage of the compressor are linked, and when the pressure decreases to a certain level, the power is turned on and fluorine is generated. When the pressure increases to a certain point, the power is turned off. By adopting such a method, it is possible to stop electrolysis without making a difference in liquid level as in the '853 publication.
[0064]
'853 discloses that it is preferable that the pressure at the cathode side outlet always operates at atmospheric pressure (or slightly higher than atmospheric pressure) in consideration of safety. However, in an actual semiconductor factory, it is almost impossible to maintain the pressure change in the cathode side pipe because the pressure change is large. Also, this publication focuses only on the pressure change in the anode compartment, but this is based on the assumption that the pressure in the cathode compartment is always atmospheric pressure.
[0065]
In the above embodiment of the present invention, the pressure in the bipolar chamber in the electrolytic cell is always kept constant by maintaining the pressure by independent flow rate control. However, the actual liquid level is not known from the pressure. Therefore, for the purpose of enhancing safety, it is a desirable embodiment to insert one liquid level sensor on the anode side or the cathode side, preferably on the cathode side.
[0066]
Anhydrous hydrogen fluoride (AHF) as a raw material is usually a gas, and is supplied by bubbling into a molten salt in an electrolytic cell (preferably on the cathode side). Since AHF is absorbed at a very high rate by the molten salt, a negative pressure is instantaneously applied to the cathode chamber when the AHF is supplied at a low flow rate. In this case, the molten salt rises inside the AHF feed tube, and in the worst case, solidifies and cannot be supplied. Therefore, it is preferable that the supply flow rate of AHF is high. However, there is a limit to the flow rate of AHF that can actually flow.
[0067]
Therefore, in the above embodiment of the present invention, AHF is mixed with nitrogen gas and supplied at the time of AHF supply in order to increase the total flow rate during AHF. Since the nitrogen gas hardly dissolves in the molten salt, the nitrogen gas is discharged through the molten salt to the cathode side. Nitrogen gas always flows to the cathode compartment regardless of the presence or absence of electrolysis. For this reason, during electrolysis, hydrogen generated from the cathode side is diluted, and even if fluorine gas enters the cathode side due to unexpected sudden liquid level fluctuation, it is possible to keep the state outside the explosion limit. Become. The flow rate of nitrogen is optimally adjusted depending on the size of the electrolytic cell.
[0068]
In the above embodiment, the fluorine gas generation device 30 is detachably incorporated in the semiconductor processing system, but may be fixedly installed in the semiconductor processing system. Some members in the fluorine gas generator 30, for example, the compressor 62, the main buffer tank 64, the abatement part 76, etc., may be those provided on the semiconductor manufacturing factory side. The fluorine gas is alternatively supplied to the flow management unit 22 or the gas generation unit 26, but this gas may be supplied directly to the processing chamber 12 separately from other processing gases. Further, the gas generator 26 may be configured to generate another fluorine-based processing gas instead of the inter-halogen fluorine compound gas.
[0069]
In addition, within the scope of the concept of the present invention, those skilled in the art can come up with various modified examples and modified examples, and it is understood that these modified examples and modified examples also belong to the scope of the present invention. .
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fluorine gas generator capable of operating with high safety and reliability even during long-time operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a semiconductor processing system incorporating a fluorine gas generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a modified example of the semiconductor processing apparatus used in combination with the gas supply system shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic diagram showing a conventional fluorine gas generator.
[Explanation of symbols]
10, 10x ... semiconductor processing device
12 Processing room
18 Exhaust system
20 ... Gas supply system
22 ... Flow management unit
24 ... Gas storage unit
26 ... Gas generator
30 ... Gas generator
32 ... Electrolyzer
34… Anode chamber
36 ... Cathode room
38 Current source
40 ... current integrator
42… Anode
44 ... Cathode
46, 48 ... Pressure gauge
52, 72… Piping
54, 74: Flow control valve
55, 75 ... control members
56 ... Suction cartridge
58 ... Capacitor
64 ... buffer tank
62 ... Compressor
76 ... Elimination unit
78 ... Exhaust system
82 ... Raw material piping
84 ... hydrogen fluoride source
86 ... Switching valve
87 ... Control member
94 ... Nitrogen source
96 ... Switching valve

Claims (10)

フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第1気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第2気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記溶融塩中に原料となるフッ化水素を供給する原料配管と、
前記第1気相部分から前記プロダクトガスを導出する第1配管と、
前記第2気相部分から前記副生ガスを導出する第2配管と、
前記第1気相部分の圧力を連続的に測定する第1圧力計と、
前記第2気相部分の圧力を連続的に測定する第2圧力計と、
前記第1配管に配設された第1流量制御弁と、
前記第2配管に配設された第2流量制御弁と、
前記第1気相部分の圧力が第1設定値に維持されるように、前記第1圧力計の測定結果に基づいて第1流量制御弁の開度を調整する第1制御部材と、
前記第2気相部分の圧力が前記第1設定値と実質的に等しい第2設定値に維持されるように、前記第2圧力計の測定結果に基づいて第2流量制御弁の開度を調整する第2制御部材と、
を具備することを特徴とするフッ素ガス生成装置。
An apparatus for generating fluorine gas,
By electrolyzing hydrogen fluoride in an electrolytic bath made of a molten salt containing hydrogen fluoride, a product gas containing fluorine gas as a main component is generated in a first gas phase portion on the anode side, and a second gas on the cathode side is generated. An electrolytic cell that generates a by-product gas containing hydrogen gas as a main component in a gas phase portion,
A raw material pipe for supplying hydrogen fluoride as a raw material into the molten salt,
A first pipe for leading the product gas from the first gas phase portion;
A second pipe for leading the by-product gas from the second gas phase portion;
A first pressure gauge for continuously measuring the pressure of the first gas phase portion;
A second pressure gauge for continuously measuring the pressure of the second gas phase portion;
A first flow control valve disposed in the first pipe;
A second flow control valve disposed in the second pipe;
A first control member that adjusts an opening degree of a first flow control valve based on a measurement result of the first pressure gauge so that a pressure of the first gas phase portion is maintained at a first set value;
The opening of the second flow control valve is adjusted based on the measurement result of the second pressure gauge so that the pressure of the second gas phase portion is maintained at a second set value substantially equal to the first set value. A second control member to adjust;
A fluorine gas generator, comprising:
前記第1及び第2設定値は760〜820Torrであることを特徴とする請求項1に記載のフッ素ガス生成装置。The fluorine gas generator according to claim 1, wherein the first and second set values are 760 to 820 Torr. 前記第1流量制御弁よりも下流で前記第1配管に配設され、前記第1配管を吸引する第1吸引手段を更に具備することを特徴とする請求項1または2に記載のフッ素ガス生成装置。The fluorine gas generation apparatus according to claim 1, further comprising a first suction unit disposed on the first pipe downstream of the first flow control valve and suctioning the first pipe. apparatus. 前記第2配管は、前記第2流量制御弁よりも下流で、前記第2配管を吸引する第2吸引手段に接続されるように配設されることを特徴とする請求項3に記載のフッ素ガス生成装置。The fluorine according to claim 3, wherein the second pipe is disposed downstream of the second flow control valve so as to be connected to a second suction unit that suctions the second pipe. Gas generator. 前記原料配管に配設された切替え弁と、
前記電解槽の前記陽極側の電極と前記陰極側の電極との間に供給した電流を積算する電流積算計と、
前記電流積算計による測定結果に基づいて、前記溶融塩中への前記フッ化水素の補給を制御するように、前記切替え弁を開閉する制御部材と、
を更に具備することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のフッ素ガス生成装置。
A switching valve disposed on the raw material pipe,
A current integrator for integrating the current supplied between the anode-side electrode and the cathode-side electrode of the electrolytic cell,
A control member that opens and closes the switching valve so as to control replenishment of the hydrogen fluoride into the molten salt based on a measurement result obtained by the current integrator,
The fluorine gas generator according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
前記原料配管を通して供給される前記フッ化水素はガスであることを特徴とする請求項5に記載のフッ素ガス生成装置。The fluorine gas generator according to claim 5, wherein the hydrogen fluoride supplied through the raw material pipe is a gas. 前記原料配管は、前記電解槽の前記陰極側で、前記溶融塩中に前記フッ化水素ガスを供給するように配設されることと、前記切替え弁よりも下流で前記原料配管に窒素ガスを供給する配管が接続され、前記フッ化水素ガスは前記窒素ガスに添加された状態で前記溶融塩中に供給されることとを特徴とする請求項6に記載のフッ素ガス生成装置。The raw material pipe is disposed on the cathode side of the electrolytic cell so as to supply the hydrogen fluoride gas into the molten salt, and a nitrogen gas is supplied to the raw material pipe downstream of the switching valve. The fluorine gas generator according to claim 6, wherein a supply pipe is connected, and the hydrogen fluoride gas is supplied into the molten salt in a state where the hydrogen fluoride gas is added to the nitrogen gas. フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第1気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第2気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記溶融塩中に原料となるフッ化水素を供給する原料配管と、
前記第1気相部分から前記プロダクトガスを導出する第1配管と、
前記第2気相部分から前記副生ガスを導出する第2配管と、
前記原料配管に配設された切替え弁と、
前記電解槽の前記陽極側の電極と前記陰極側の電極との間に供給した電流を積算する電流積算計と、
前記電流積算計による測定結果に基づいて、前記溶融塩中への前記フッ化水素の補給を制御するように、前記切替え弁を開閉する制御部材と、
を具備することを特徴とするフッ素ガス生成装置。
An apparatus for generating fluorine gas,
By electrolyzing hydrogen fluoride in an electrolytic bath made of a molten salt containing hydrogen fluoride, a product gas containing fluorine gas as a main component is generated in a first gas phase portion on the anode side, and a second gas on the cathode side is generated. An electrolytic cell that generates a by-product gas containing hydrogen gas as a main component in a gas phase portion,
A raw material pipe for supplying hydrogen fluoride as a raw material into the molten salt,
A first pipe for leading the product gas from the first gas phase portion;
A second pipe for leading the by-product gas from the second gas phase portion;
A switching valve disposed on the raw material pipe,
A current integrator for integrating the current supplied between the anode-side electrode and the cathode-side electrode of the electrolytic cell,
A control member that opens and closes the switching valve so as to control replenishment of the hydrogen fluoride into the molten salt based on a measurement result obtained by the current integrator,
A fluorine gas generator, comprising:
前記原料配管を通して供給される前記フッ化水素はガスであることを特徴とする請求項8に記載のフッ素ガス生成装置。The fluorine gas generator according to claim 8, wherein the hydrogen fluoride supplied through the raw material pipe is a gas. 前記原料配管は、前記電解槽の前記陰極側で、前記溶融塩中に前記フッ化水素ガスを供給するように配設されることと、前記切替え弁よりも下流で前記原料配管に窒素ガスを供給する配管が接続され、前記フッ化水素ガスは前記窒素ガスに添加された状態で前記溶融塩中に供給されることとを特徴とする請求項9に記載のフッ素ガス生成装置。The raw material pipe is disposed on the cathode side of the electrolytic cell so as to supply the hydrogen fluoride gas into the molten salt, and a nitrogen gas is supplied to the raw material pipe downstream of the switching valve. The fluorine gas generator according to claim 9, wherein a supply pipe is connected, and the hydrogen fluoride gas is supplied into the molten salt in a state where the hydrogen fluoride gas is added to the nitrogen gas.
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