JP2004327893A

JP2004327893A - 半導体製造装置用りんトラップ装置

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Publication number: JP2004327893A
Application number: JP2003123369A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Yamabayashi; 稔治山林; Hisamitsu Abe; 寿充安部
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】半導体製造装置からの排ガス中に含まれるりん等を経済的に吸着、除去できるりんトラップ装置を提供すること。
【解決手段】反応炉１０１からの排ガスを吸着室７に通すことにより排ガス中のりん等を吸着、除去するようにしたりんトラップ装置１において、吸着室７が、第１筒状部材４の内側に第１筒状部材４の内側の壁面４１Ａと間隔をあけるようにして第２筒状部材５を設けてなる幅寸法Ｄが５ｍｍ以上の排ガス通過用の環状通路６を有しており、第１筒状部材４と第２筒状部材５とが冷却用装置３によって５℃〜−２０℃の範囲内に保持されており、これにより排ガスが環状通路６を通過する際に環状通路６を容易に閉塞させることなくりん等が吸着、除去される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【特許文献１】
特開平７−１２４４３８号公報
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体を製造する際に生じる排ガス中に含まれるりん等を除去するための半導体製造装置用りんトラップ装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
各種の化合物半導体の製造のために、従来から、５族原料にアルシン（ＡｓＨ_３）やホスフィン（ＰＨ_３）のような水素化物を用いてエピタキシャル結晶層を成長させるハイドライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）法、あるいは有機金属を熱分解させることによりエピタキシャル結晶層を成長させる有機金属熱分解（ＭＯＣＶＤ）法等を用いて、基板上に所要の単結晶層を連続的に積層することができるようにした各種の化合物半導体製造装置が使用されている。
【０００４】
製造される化合物半導体がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれであっても、ＭＯＣＶＤ法の場合の如く５族原料を過剰に供給する結晶成長条件であると、プロセスガスの排気系には、原料ガスを反応炉まで供給するためのキャリアガスである水素及び結晶成長には消費されなかった未反応のアルシンおよびまたはホスフィンなどが含まれることになる。
【０００５】
さらに、排気系統は、ホスフィンが分解してできるりん及びりん化合物（本明細書中では、りん等と表示することがある）を含む。反応炉内で析出したりん等は蒸気圧が高いので蒸発し、反応炉内よりも低温である排気管の内壁に付着して排気管の閉塞を引き起こすという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するため、特許文献１には、排ガスをバルブで隔てられた吸着室に導き、ここで排ガス中の廃棄物を一時吸着させ、次いでバルブを開いて吸着室において吸着された吸着物質を加熱解離させ、加熱解離した吸着物質を取出室側で再度吸着させた後バルブを閉じ、取出室内の吸着物質である廃棄物を回収することにより、排ガス中から廃棄物を除去するようにした廃棄物処理装置が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に開示されている装置は、吸着室内に邪魔板を設けて吸着効率を向上させると共に、吸着室又は邪魔板を冷却する等してより一層の吸着効率の改善を狙った構成である。ここでは、邪魔板を設けて排ガスの吸着効率を増加させてはいるものの、邪魔板を水冷にした場合には廃棄物の吸着が邪魔板の両面で均一に進行してくるため、排ガス流路は廃棄物で閉塞し易いという問題点を有している。このため、この装置では、清掃等のメンテナンスの周期が短くならざるを得ず、半導体装置の稼動効率を低下させるほか、清掃をこまめに行うことによりランニングコストを上昇させるという不具合が生じる。この不具合に対処しようとすれば、装置を大型化して排ガス流路を大きくすることになるが、装置の大型化は冷媒装置の大型等を伴うため経済性を損なうという別の問題を生じることになる。
【０００８】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる半導体製造装置用りんトラップ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の目的は、また、半導体製造装置からの排ガス中に含まれるりん等を経済的に吸着、除去できる半導体製造装置用りんトラップ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、半導体製造装置からの排ガスを吸着室に通すことにより前記排ガス中に含まれているりん及びりん化合物を吸着、除去するようにした半導体製造装置用りんトラップ装置において、前記吸着室が、幅５ｍｍ以上の排ガス通過用の環状通路を具えていることを特徴とする半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記環状通路が、第１の筒状体の内側に該第１の筒状体の内壁面と間隔をあけるようにして第２の筒状体を設けることにより形成されている半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１２】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記環状通路を通過した前記排ガスが前記第２の筒状体の内側を通って排出されるようになっている半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１３】
請求項４の発明によれば、請求項１、２又は３の発明において、前記環状通路内に排ガス流路調整用のフローガイドが設けられている半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１４】
請求項５の発明によれば、請求項２、３又は４の発明において、前記環状通路を形成する前記第１の筒状体及び前記第２の筒状体の各壁面を冷却するための冷却装置をさらに備えている半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１５】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明において、前記壁面の温度を５℃〜−２０℃の範囲内に保持するようにした半導体製造装置用りんトラップ装置が提案される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明によるりんトラップ装置の実施の形態の一例を説明するための、化合物半導体製造システムのシステム構成図である。図１において、１００は化合物半導体製造装置で、反応炉１０１を具えている。反応炉１０１はＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル基板を作製するための公知の構成の装置であり、図示しない原料ガス供給源から、エピタキシャル基板の作製に必要な原料ガスが供給されている。反応炉１０１には５族原料を過剰に供給することの結果として、反応炉１０１からの排ガス中には、結晶成長のために消費されなかった未反応のアルシン及び又はホスフィン等やホスフィンが分解してできるりん等が含まれている。このような未反応ガスを含む排ガスは、排気パイプ１０２に送られる。
【００１８】
排気パイプ１０２の途中には、フィルタ１０３、排気系真空ポンプ１０４及びバルブ１０５が設けられており、バルブ１０５を開いて排気系真空ポンプ１０４を作動させることにより、反応炉１０１からの排ガスを排気パイプ１０２を介して本発明によるりんトラップ装置１に送ることができる構成となっている。
【００１９】
フィルタ１０３は、平均孔径が３０μｍ以下のフィルタであり、このフィルタ１０３の一部と、反応炉１０１からりんトラップ装置１までの排気パイプ１０２とを適宜の加熱手段によって４０℃以上に保つことにより、排気パイプ１０２内でりん等が析出するのを防止している。そして、メンテナンス等でりんトラップ装置１を取り外したときに黄りんの自然発火が生じるのを防止するため、りんトラップ装置１と排気パイプ１０２との間の接続には２重式のバルブ１０５が用いられている。
【００２０】
りんトラップ装置１は、化合物半導体製造装置１００から送られてきた排ガスを吸着室に通すことにより、排ガスに含まれているりん等を吸着・除去するように構成された装置である。
【００２１】
図２には、りんトラップ装置１の断面図が示されている。りんトラップ装置１においては、化合物半導体製造装置１００の反応炉１０１からの排ガス中に含まれている黄燐等の固形化危険性のあるりん等を安全に除去するため、排ガス中のりん等が排ガス系内で固化付着することがないよう、上述の如く、反応炉１０１からの排ガスはりん等の析出温度以上となるように温度管理された状態でトラップ装置１に送り込まれている。
【００２２】
りんトラップ装置１は、送り込まれた排ガスを急冷し、これにより析出したりん等の固形物を吸着・除去するための吸着室を具えている装置本体２と、装置本体２に冷却液を循環させるための冷却用装置３とを備えて成っている。
【００２３】
装置本体２は、ケーシングを兼ねている第１筒状部材４と、第１筒状部材４内にその主要部分が収容されるようにして第１筒状部材４と同軸になるよう配設された第２筒状部材５とを具備している。本実施の形態では第１筒状部材４は円筒状の壁体部４１の両端に蓋体４２、４３を設けたもので、壁体部４１は、内部に冷却液を循環させるための空間４Ａが形成されたシェル構造となっている。
【００２４】
第２筒状部材５は、第１筒状部材４よりも小径の円筒状の筒体であり、その両端は開放されていて、開口５１、５２が形成されている。そして、第２筒状部材５は、開口５１と蓋体４２との間は析出したりん等を溜めるためと排ガスの流路を確保するために、間隔Ｇをあけるようにして蓋体４３に適宜の手段で固定されている。間隔Ｇの長さは、例えば、第２筒状部材５の直径以上で第１筒状部材４の内径未満であるのが好ましい。第２筒状部材５の直径未満ではりん等の析出物により閉塞が発生し易く、第１筒状部材４の内径以上では装置が大掛かりになり冷却効率が低下し、経済性が損なわれる傾向にあるからである。第２筒状部材５もまた、内部に冷却液を循環させるための空間５Ａが形成されたシェル構造となっている。りんトラップ装置１は構造用鉄鋼材料やアルミニウム合金を用いて作ることができ、その中でも耐蝕性の面からステンレス鋼が好ましく、特に、溶接個所の耐腐蝕性を向上させるためにＳＵＳ３１６Ｌが好適といえる。
【００２５】
第２筒状部材５が第１筒状部材４内に上述のようにして配置される結果、第１筒状部材４の壁体部４１の内側の壁面４１Ａと第２筒状部材５の外側の壁面５Ｂとの間には幅寸法がＤの環状の空間が形成されている。この環状の空間は、排ガスに含まれるりん等を吸着、除去するために排ガスを通過させるための環状通路６となっている。
【００２６】
第１筒状部材４と第２筒状部材５とによって形成される環状通路６内には、壁体部４１に形成されている入口ポート１１から排ガスが導入され、排ガスはそこに含まれているりん等の吸着・除去のために、環状通路６内でその軸方向に沿って降下するように流れ、これにより蓋体４２の近くにまで達した排ガスは、開口５１から第２筒状部材５の内部空間５Ｃ内に導びかれ、開口５２に形成されている出口ポート１２から送り出されるようになっている。
【００２７】
本実施の形態では、上述したように、第１筒状部材４と第２筒状部材５とにより形成される環状通路６を含んで吸着室７が構成されている。
【００２８】
吸着室７におけるりん等の吸着・除去を効率よく行うことができるようにするため、環状通路６内には適宜の数のフローガイド７１が設けられており、これにより入口ポート１１から吸着室７内に導入された排ガスの流路が固定され、吸着室７内を排ガスがジグザグにまんべんなく流れ、これによりりん等が吸着室７の内周面、すなわち第２筒状部材５の内側の壁面４１Ａ及び第２筒状部材５の外側の壁面５Ｂにおいて効率よく吸着される構成となっている。
【００２９】
図３は、第２筒状部材５の側面の外観図、図４は図３のＸ−Ｘ線断面図である。図３及び図４を参照すると、各フローガイド７１は半円形の板状部材として作られており、第２筒状部材５の外側面にその軸方向に間隔をあけ且つその向きが交互に反対となるようにして設けられている。
【００３０】
フローガイド７１をこのように設けることにより、第１筒状部材４と第２筒状部材５との間の断面積は約１／２に分割される。フローガイド７１の取り付け間隔、及び第１筒状部材４と第２筒状部材５との間隔は、例えば、排ガスの通過断面積が排気配管１０２の断面積の０．５倍以上から２倍未満になるようにその間隔を調整するのが好ましい。それ以外の場合には、りんトラップ装置１内でのガスの流通による差圧が発生し易くなり、りん等の析出が不均一になる傾向となる。
【００３１】
さらに、吸着室７内に導入された排ガスを急冷させるため、空間４Ａ及び空間５Ａ内には、冷却用装置３から冷却液が送り込まれており、冷却液は空間４Ａ内及び空間５Ａ内を循環して第１筒状部材４の壁面４１Ａ及び第２筒状部材５の壁面５Ｂの表面温度を５℃〜−２０℃の範囲内に保つように構成されている。ここでは、冷却用装置３の供給ポート３１から冷却液が供給配管３３を介して空間４Ａ及び空間５Ａの各下部に送り出され、空間４Ａ及び空間５Ａの上部から冷却液を戻し配管３４を介して冷却装置３の戻しポート３２に戻すようになっている。
【００３２】
このようにして、第１筒状部材４の壁面４１Ａと第２筒状部材５の壁面５Ｂとの冷却を行うと、極めて効率よくりん等の吸着・除去を行うことができる。冷却液としては、水、エチレングリコール、フロンガス等を用いることができる。壁面の温度は、好ましくは２℃から−１０℃、さらに好ましくは０℃から−５℃である。壁面の温度が５℃より大きい場合は、りん等の析出が不充分で、排ガス中のりん等の蒸気を壁面で完全に吸着させることができなくなる。また、−２０℃より低い場合は冷媒の温度管理に大掛かりな装置が必要になり経済性を損う。第１筒状部材４と第２筒状部材５の各側壁温度は蒸気温度範囲内で同等であるか、または、第２筒状部材５の外側の壁面５Ｂのほうが第１筒状部材４の内側の壁面４１Ａに比べ低く保持されている。フローガイド７１により排気ガスはジグザグに降下し、第２筒状部材５の開口部５１に辿りつくことになるが、第１筒状部材４の壁面４１Ａ付近にはガスの溜まりが発生し易く、りん等の析出は第２筒状部材５の壁面５Ｂ側の方で多く発生する傾向にある。そのため、りん等の捕集を効率的に行うためには、壁面５Ｂの方の温度を低くすることが好ましい。
【００３３】
りんトラップ装置１においては、第１筒状部材４と第２筒状部材５との間に形成されている環状通路６内で排ガスを冷却し、蒸気圧の高いりん等を、主に第２筒状部材５の内側の壁面５Ｂから順次、析出させることにより排ガス流路である環状通路６が急激に閉塞しない構造をとっている。第１筒状部材４と第２筒状部材５との距離、すなわち環状通路６の幅寸法Ｄは、５ｍｍ以上に設定されている。その理由は、種々実験を行って検討した結果、幅寸法Ｄが５ｍｍ未満ではりん等の析出により排ガス流路が閉塞し易く、りん等の析出による環状通路６の閉塞が急速に生じない構成とすためには幅寸法Ｄの値が少なくとも５ｍｍ必要であるとの結論を得たからである。幅寸法Ｄの上限は規定していない。その理由は、幅寸法Ｄが大きくなる分、排ガスの冷却効率は低下することになるが、装置の長さ（各筒状部材の軸方向に沿う長さ）を増して冷却効率を補うことができるためである。したがって、第１筒状部材４と第２筒状部材５との間の幅寸法Ｄ以外で装置内部の寸法について限定されるものではない。
【００３４】
以上のようにして排ガス中のりん等が吸着、除去された排ガスは、開口５２から別の排気パイプ１０６に送り込まれる。
【００３５】
図１に戻ると、排気パイプ１０６は、りんトラップ装置１からのりん等が除去された排ガスをガス除害装置１０７へ送るためのものであり、排気パイプ１０６には２重式のバルブ１０８とフィルタ１０９とが設けられている。フィルタ１０９は平均孔径が３０μｍ以下のもので、これによりりんトラップ装置１内に析出した粒子が後段の装置に流れ込むのを防止する構成となっている。
【００３６】
りんトラップ装置１は以上のように構成されているので、排ガスは吸着室７内においてりん等の析出のための適切な温度にまで冷却され、冷却された排ガスが、フローガイド７１の働きによって環状通路６内に固定された流路に沿って流れる間に析出されたりん等が第１筒状部材４の壁面４１Ａ及び第２筒状部材５の壁面５Ｂに吸着され、除去される。そして、環状通路６の幅Ｄの値は５ｍｍ以上に設定されているので、析出されたりん等によって環状通路６が容易に閉塞されることはなく、長期間に亘ってりん等の吸着・除去を行うことができる。この結果、メンテナンスの間隔は長くて済み、半導体製造装置の稼動効率を改善することができ、メンテナンスコストの低減を図ることができる。
【００３７】
（実施例）
図２に示した構成のりんトラップ装置１として、第１筒状部材４を長さ約１１００ｍｍで１５０Ａと１２５Ａのステンレス鋼管（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて作製し、第２筒状部材５を同材質、同等長さで８０Ａと５０Ａの管を用いて作製した。そして、第１筒状部材４の蓋体４２から１２８ｍｍはなれた位置に第２筒状部材５の開口５２が位置するように第１筒状部材４と第２筒状部材５との接続を行った。第１筒状部材４と第２筒状部材５との間隔Ｄは２２ｍｍである。フローガイド７１は、外径６３．５ｍｍ、内径４４．６ｍｍ、厚さ３ｍｍで、９７ｍｍ間隔で８枚を図３に示される様にして交互に第２筒状部材に取り付けた。また、冷却液は水（５０ｖｏｌ％）、エチレングリコール（５０ｖｏｌ％）の混合液を０℃にして循環させる構成とした。
【００３８】
以上のように構成されたりんトラップ装置１を使用し、化合物半導体製造装置１００からりんトラップ装置１までの配管を７０℃に加熱した後、次の成長を行った。
【００３９】
圧力１０ｋＰａ、温度７００℃に設定した反応炉１０１内で５００ｎｍの厚さのインジュウムリン（ＩｎＰ）の成長を行うため、キャリアガスとして水素を用い、０．２５ｇ／Ｌのトリメチルインジュウム（ＴＭＩ）６ＳＬＭとホスフィン（ＰＨ_３）１ＳＬＭを原料として供給した。同等成長を１０バッチ連続して行ったが、りんトラップ装置１の差圧上昇や後段のフィルタ１０９にりん等の付着は見られず、りんトラップ装置１は良好に稼動した。
【００４０】
（比較例）
りんトラップ装置１を市販のプレート型熱交換器（アルファラバル（株）製、型式Ｍ６−ＭＦＧ、プレート間隔は３ｍｍ）に変更して、上記実施例と同じ成長を行ったところ、成長開始から３時間でりんトラップ部の差圧が０から３．５ｋＰａに急上昇した。
【００４１】
このように、本発明によるりんトラップ装置は、従来の装置に比べて、りんの捕集性能が格段に改善されていることが確認できた。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、吸着・除去したりん等の析出物による吸着室の閉塞が生じにくく、メンテナンスの間隔を長くでき、半導体製造装置の稼動効率の改善に役立つと共に、メンテナンスコストの低減化にも役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】りんトラップ装置の実施の形態の一例を説明するための化合物半導体製造システムのシステム構成図。
【図２】図１に示したりんトラップ装置の断面図。
【図３】図２に示した第２筒状部材の側面の外観図。
【図４】図３のＸ−Ｘ線断面図。
【符号の説明】
１りんトラップ装置
２装置本体
３冷却用装置
４第１筒状部材
５第２筒状部材
６環状通路
７吸着室
１１入口ポート
１２出口ポート
３１供給ポート
３２戻しポート
４１壁体部
４２、４３蓋体
５１、５２開口
１００化合物半導体製造装置
１０１反応炉

Claims

半導体製造装置からの排ガスを吸着室に通すことにより前記排ガス中に含まれているりん及びりん化合物を吸着、除去するようにした半導体製造装置用りんトラップ装置において、前記吸着室が、幅５ｍｍ以上の排ガス通過用の環状通路を具えていることを特徴とする半導体製造装置用りんトラップ装置。
前記環状通路が、第１の筒状体の内側に該第１の筒状体の内壁面と間隔をあけるようにして第２の筒状体を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置用りんトラップ装置。
前記環状通路を通過した前記排ガスが前記第２の筒状体の内側を通って排出されるようになっていることを特徴とする請求項２記載の半導体製造装置用りんトラップ装置。
前記環状通路内に排ガス流路調整用のフローガイドが設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体製造装置用りんトラップ装置。
前記環状通路を形成する前記第１の筒状体及び前記第２の筒状体の各壁面を冷却するための冷却装置をさらに備えていることを特徴とする請求項２、３又は４記載の半導体製造装置用りんトラップ装置。
前記壁面の温度を５℃〜−２０℃の範囲内に保持するようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体製造装置用りんトラップ装置。