JP2005536336A - 廃棄ガス流の利用 - Google Patents

Abstract

半導体処理ステップからのアンモニア含有廃棄ガス流の利用のための方法及び装置において、廃棄ガス流に含有されたアンモニアを、例えば、反応器（３）内で、水素と窒素に分解し、そうして得られたガス流を、そのガス流から水素ガスを分離するために、水素分離装置（５）の中に通し、分離した水素ガスを、精製装置（８）内で精製し、精製した水素ガスを、半導体処理用に再利用する。その方法及び装置は、半導体処理の廃棄ガスの成分の再利用を可能にすることによって、廃棄ガスの効率的な利用を可能にする。

Description

この発明は、廃棄ガス流を処理する新しい方法に関し、特に、かかる廃棄ガス流に含まれる水素を再利用のために精製する方法に関する。

水素ガスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造を含むシリコン半導体素子及び化合物半導体素子の処理にますます使用されている。水素ガスは、水素ガスから不純物を分離するパラジウムディフューザー本体に水素ガスを通すことによって、使用直前に、処理現場で精製される傾向がある。しかしながら、極めて引火性が高いため、水素ガスを屋根の上の高さで放出するかわりに、水素ガスを処理する要求が高まっている。

アンモニアも、多くの半導体処理の主要な成分であり、しばしば、水素と同時に、或いは連続して使用される。例えば、アンモニアは、種々の半導体部品、特にＬＥＤの生産において、基板上に窒化物膜を形成するのに特に使用される。青色ＬＥＤは、表示画面、特にＴＶ画面又はコンピュータディスプレイ画面に、照明装置及びその他の装置に特に有用であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む青色発光半導体素子の製造が広まってきている。窒化ガリウム膜は、一般に、例えば、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、又はその他の化学蒸着法を使用して、エピタキシャル成長によって形成される。ＭＯＣＶＤ処理には、例えば、トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムのような有機金属ガリウム化合物とアンモニアとが反応して窒化ガリウムを生成する反応が含まれる。このため、ＧａＮエピタキシャル成長ステップからの廃棄ガスは、高い割合でアンモニアが含まれる。また、水素ガスを、例えば、キャリアガスとして、エピタキシャル成長ステップで、又はＧａＮのエピタキシャル成長ステップの前後の他のステップで使用することも一般的である。

アンモニアは、２５ｐｐｍのＴＬＶを有する刺激性ガスである。しかしながら、燃焼には、ＮＯｘを生成しないように十分な注意が必要であり、一方、ウエットスクラビング処理は、おそらくアンモニアを最終的に脱気し、且つ／又は、高濃度の硝酸塩を地下水中に排出することになる。

適当な触媒を含有するパックされた高温ベッドが、アンモニアをその組成ガス、即ち、窒素及び水素に分解して、一量部（体積）の窒素と三量部の水素を生成する。これは吸熱反応であり、ガス及び触媒を、例えば、本出願人の英国特許出願第２３５３０３４Ａ号に従って、加熱することが必要である。反応器から共に排出される他のガス又は蒸気を除去するために、他の成分を高温ベッドに加えることができる。

水素を単に燃焼させることが、高い地点からの大気への放出の一般的な代替案として知られている。しかしながら、特に、通常の燃焼では、完全燃焼のために、常時十分な空気を加えることが必要であり、加えて、大量の熱量が発生するプラントの大がかりな追加工事、及び、高い費用によって管理を必要とする、という問題が発生する。その上、水素及び酸素の混合気の「フラッシュバック」の懸念によっても管理が必要になる。

半導体処理の排出ガスを管理するより有効且つ／又は効率よい方法を提供することが必要とされている。

本発明によれば、半導体処理ステップからのアンモニア含有廃棄ガス流の利用プロセスが提供され、その処理は、廃棄ガス流に含有されるアンモニアを水素と窒素に分解し、そうして得られた廃棄ガス流を、水素ガスを分離するために、水素分離装置に通し、分離した水素ガスを精製装置で精製し、精製した水素ガスを半導体処理で使用する。

半導体デバイスの性能及び／又は寿命に悪影響を及ぼす半導体デバイスの汚染を避けるために、半導体処理産業での使用に必要とされるガスには、非常に高い純度レベルが要求される。本発明者は、驚くべきことに、アンモニアを含有する廃棄ガスを処理して、アンモニア中の水素成分の少なくともかなりの割合を回収し、半導体処理に要求される純度レベルを満たしながら、その水素を半導体処理に使用するために再利用することができることを発見した。

アンモニア含有廃棄ガス流は、窒化ガリウムエピタキシャル成長からの廃棄ガスであることが有利である。次いで、水素は、その窒化ガリウム用に、又は、窒化ガリウム成長ステップの上流又は下流の半導体処理ステップ用に再利用される。好ましくは、半導体処理ステップは、窒化ガリウムエピタキシーであり、精製した水素ガスは、窒化ガリウムエピタキシー用に再利用される。

水素分離装置は、圧力変動吸着装置であるのが有利であるのが有利である。圧力変動吸着装置には、あらゆる適当な吸着材料（吸着剤）を使用することができる。

アンモニア分解ステップは、アンモニアを高温の触媒と接触させることを含むのが有利である。水素分離装置から流れ出た水素ガスは、少なくとも９９％の純度を有するのが有利である。例えば、既知の吸着剤を使用して、本発明の処理及び装置において水素分離装置としての圧力変動吸着装置を使用して製造された水素は、純度９９％を超え、しばしば、純度９９．９％を超える。圧力変動吸着装置内の圧力変動吸着剤は、一般的に、特に、窒素から水素を分離するのに有効であろう。したがって、それらは、水素ガス自体を混合ガスから分離するのに、或いは、アンモニアの構成成分の水素ガス（存在する全ての水素ガス自体を含む）を混合ガスから分離するのに有効である。

精製装置から流れ出た精製した水素は、少なくとも９９．９％の純度を有する。一例として、少なくとも９９％、特に、９９．９％を超えるの純度の水素をパラジウム精製装置に通して、９９．９９９％以上の純度の水素ガスを精製することができる。

水素分離装置から流れ出た水素ガスは、それが精製装置で精製される前に、新しい水素と混合されるのが有利である。同様に、精製装置から流れ出た精製したガスは、更に水素ガスと混合され、混合した水素ガス流は、半導体処理に利用されるのが有利である。更なる水素による精製した流出の補充は、水素の瞬間的な需要が精製した流出水素の平均量より多い半導体処理ステップ中に特に有用である。

本発明はまた、半導体処理装置と、水素の回収用の廃棄ガス回収ループと、を有する半導体部品の製造装置を提供し、廃棄ガス回収ループは、廃棄ガスを半導体処理装置から回収するためのアンモニアクラッキング装置であって、その中でアンモニアを分解して、窒素及び水素を含有するクラッキング装置流出物を生成するアンモニアクラッキング装置と、アンモニアクラッキング装置流出物から水素を分離するための水素分離装置と、分離した水素を精製する精製機と、精製機からの精製した水素を半導体処理装置に再利用するためのリサイクルラインと、を有する。半導体処理装置は、窒化ガリウムエピタキシーチャンバであるのが有利である。好ましくは、水素分離装置は、圧力変動吸着装置である。水素精製機は、パラジウム精製機であるのが好ましい。

製造装置は、毎分５乃至８０リットルの廃棄ガス流を扱うことができるように構成されているのが有利である。水素分離装置の容量は、アンモニアクラッキング装置の容量を超えることが必要なことが認識されるであろう。水素分離装置の容量は、毎分５乃至３６０リットルであるのが有利である。水素精製装置の容量は、毎分５乃至２２０リトルであるのが有利である。

ここで、本発明の一例の実施形態が、本発明による装置の概略線図である添付の図面を参照して、詳細に説明される。

図面を参照すると、製造装置は、キャリアガス流中の有機ガリウム成分Ｇが送り込まれる反応チャンバ１を有する。有機ガリウム成分を、水素キャリアガスを液体有機ガリウム化合物の容器の中に通して泡立てることによって、水素キャリアガスに導入する。次いで、飛沫同伴した有機ガリウム成分を、反応チャンバに入れる前に、追加の水素、アンモニア及び窒素と混合する。次いで、ガス状混合物を、ＧａＮを蒸着する必要がある加熱したウエハに均一に接触させる。有機ガリウム成分がアンモニアと反応して窒化ガリウムを生成すると共に、窒化ガリウムのエピタキシャル形成がチャンバ１内の基板上で起こる。未反応のアンモニアは、大抵、反応チャンバ１に付属するか、独立の構成要素として存在する真空ポンプ（図示せず）によって、水素及びガス状反応副生成物と一緒に、ライン２を経て除去され、アンモニア分解装置３に送られる。アンモニア分解装置３は、アンモニアを水素及び窒素に分解する触媒作用を行う加熱した触媒を収容する。アンモニア分解装置３から流出したガスは、ライン４及びコンプレッサー１０を経て、水素を窒素及び他のガスから分離する圧力変動吸着装置５へ送られる。コンプレッサー１０は、ほぼ大気圧でガスを取り入れ、そのガスを、大気圧より高い約５〜１０ｐｓｉ（約０．３５〜０．７バール）に圧縮する。変形例として、コンプレッサー１０を省略し、真空ポンプを変更して、ガスの排出時に大気圧より高い約５〜１０ｐｓｉの圧力のガスを発生させてもよい。圧力変動吸着装置５は、適当な吸着剤、例えば、ゼオライト分子ふるい、活性炭、シリカゲル及び活性アルミナの一つ以上を収容する。かかる圧力変動吸着装置は、カナダのクエステイル社（Questair Inc.）より購入でき、一対のＰＳＡベッド又はカラム及び関連した切換えバルブを有し、それらは、一方のベッド又はカラムが使用中に、他方のベッド又はカラムが再生されるように構成されている。ベッド又はカラムの間のサイクル周期は、効率的な分離が、中断することなく、本質的に持続可能であるように選択され、それによって、分離した水素の連続流が得られること可能にする。圧力変動吸着装置５は、適当な圧力サイクル期間を使用して、水素を窒素及び他のガスから分離するのに使用される。水素を窒素から分離するのに圧力変動吸着装置を使用することは、当該技術分野で周知であり、適当な装置及び条件の選択は、当業者にとって決まり切った事項である。更なる洗浄の後、適当ならば、窒素は、外に排出するために、ライン６を経て除去される。分離した水素は、典型的には、９９乃至９９．９％の純度を有し、一般に、残りは、少量の他の汚染物と、主に窒素から成る。或る廃棄ガス流の場合、固体粒子が本来的に存在し、或いは、アンモニア分解装置内で処理中に形成されるかもしれない。かかる場合、粒子を除去するために、フィルタをアンモニア分解装置３の出口又はライン４に組み込むとよい。

分離した水素は、ライン７を経てパラジウム精製装置８へ送られ、そこで、残りの窒素及び他の不純物は、既知の方法で除去される。パラジウム精製装置８における精製に続いて、水素は、一緒にチャンバ１に注入するために、有機ガリウム成分と混合されるべく、ライン９を経て、再利用される。

図示した実施形態では、水素を、チャンバ１で使用するべく再利用するけれども、その代わり、水素を、異なる半導体処理ステップ、例えば、チャンバ１で行われる上流又は下流のステップが行われている異なる反応器又はチャンバに再利用してもよい。

圧力変動吸着装置は、並行に配列された二つの圧力変動吸着ベッド又はカラムを有することが上述されているが、単一のベッドを使用することが原則として可能である。或る環境では、それらは簡単且つ廉価であるが、そのベッドは、処理されている廃棄流の全ての非水素成分に対して十分な、不純物のための容量を有することが好ましい。単一のベッド又はカラムは、水素を再利用するための容量を有さなくなると、収集した不純物を除去するために再生されるが、その処理が、再生中、運転を続けるべきものであるならば、補充の新たな水素を半導体処理に供給するための設備が必要とされる。このように、並列して作動する一対のベッド又はカラムを有する圧力変動吸着装置の使用は、比較的処理時間が長く、中断時間が短い場合に特に好ましい。短い中断時間は、圧力変動吸着装置内の吸着剤を再生する時間がほとんどないことを意味する。多くの場合、処理ステップ間に吸着剤を再生することは実用的ではないであろう。その上、簡単にするため、実施例は、単一のエピタキシーチャンバ１を有するように図示されているが、クラッキング装置３、水素分離装置５及び精製装置８を有するリサイクルラインは、二つ以上のチャンバから廃棄ガスを受け入れてもよいし、且つ／又は、リサイクルした水素を二つ以上のチャンバに供給してもよい。

本発明による装置の概略線図である。

Claims (13)

1. 半導体処理ステップからのアンモニア含有廃棄ガス流の利用方法であって、
   上記廃棄ガス流に含まれるアンモニアを水素と窒素に分解するステップと、
   そのようにして得られたガス流を、そのガス流から水素ガス
   を分離するために、水素分離装置に通すステップと、
   分離した水素ガスを精製装置で精製するステップと、
   精製した水素ガスを半導体処理に使用するステップと、
   を有することを特徴とする廃棄ガス流の利用方法。
2. 上記半導体処理は、窒化ガリウムエピタキシーであり、上記精製した水素ガスは、その半導体処理に使用するためにリサイクルされる請求項１記載の廃棄ガス流の利用方法。
3. 水素分離装置は、圧力変動吸着装置である請求項１又は２記載の廃棄ガス流の利用方法。
4. 精製装置は、パラジウム精製装置である請求項１乃至３の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
5. アンモニア分解ステップは、アンモニアを高温触媒と接触させるステップを有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
6. 上記水素分離装置から流れ出る水素ガスは、少なくとも９９％の純度を有する請求項１乃至５の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
7. 上記精製装置から流れ出る精製した水素は、少なくとも９９．９９％の純度を有する請求項１乃至６の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
8. 上記水素分離装置から流れ出る水素ガスは、上記精製装置で精製される前に、新しい水素と混合される請求項１乃至７の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
9. 上記精製装置から流れ出る精製した水素ガスは、更なる水素と混合され、混合した水素ガス流は、半導体処理に利用される請求項１乃至８の何れか一項に記載の廃棄ガス流の利用方法。
10. 半導体製品の製造装置であって、
    半導体処理装置と、
    水素を回収するための廃棄ガス回収ループと、
    を有し、
    上記廃棄ガス回収ループは、
    上記半導体処理装置からの廃棄ガスを受け入れ、アンモニアを分解し、窒素及び水素を含有するクラッキング装置流出物を形成するアンモニアクラッキング装置と、
    上記アンモニアクラッキング装置流出物から水素を分離するための水素分離装置と、
    分離された水素を精製するための精製装置と、
    上記精製装置からの精製水素を上記半導体処理装置に再利用するためのリサイクルラインと、
    を有することを特徴とする半導体製品の製造装置。
11. 上記半導体処理装置は、窒化ガリウムエピタキシーチャンバである請求項１０記載の半導体製品の製造装置。
12. 上記水素分離装置は、圧力変動吸着装置である請求項１０又は１１記載の半導体製品の製造装置。
13. 上記水素精製装置は、パラジウム精製装置である請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の半導体製品の製造装置。

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