JP2006150260A - 半導体製造ラインにおける排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 除塵装置のフィルターを装置に取り付けたまま逆洗操作に依存することなく有効にクリーニング処理できて高除塵効率の長寿命維持を図らせる。
【解決手段】 原料ガスとしてシランガス等が、クリーニングガス等としてＰＦＣガスがそれぞれ使用される半導体製造ラインにおける排ガス抽出路１中に、希釈された未反応のシランガス等およびPFCガスを分解処理するための排ガス分解装置２を設け、その後段にフィルターを内蔵する除塵装置３を設けてなり、除塵装置３は、装置本体が気密構造に形成され、該装置本体の内壁材及び前記フィルターがフッ化化合物に対し高耐性を有する材料により形成される。また、排ガス抽出路１における前記除塵装置３の後段に、除塵装置３を経た前記分解生成ガスを無害化処理する除害装置４が付設される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製膜工程等の半導体製造ラインにおいて使用される原料ガス中の未反応ガスとクリーニングガスとを含む排ガスを無害化処理すると共にその際発生する微細粉塵を高効率下で集塵して排出するための排ガス処理装置に関する。

半導体製造工程ではエッチングガスとして、或いはクリーニングガスとしてＰＦＣ（Perfluorocompounds）ガスが使用されている。このＰＦＣガスは、ＣＦ₄ ，Ｃ₂Ｆ₆ ，Ｃ₃Ｆ₈ ，ＮＦ₃ ，ＳＦ₆ 等のフッ素含有ガスの総称であって、何れも安定なガスであり、ＮＦ₃ 以外は無害なガスであるが、使用後のＰＦＣガスは、有害成分を除去すると共に、ＰＦＣガス自体も分解処理して大気中に放出させていた。

半導体製膜工程における、例えばプラズマＣＶＤ装置（図示せず）のクリーニングにＰＦＣガスを使用した場合のガス処理工程の態様の一例について、従来のガス処理工程の工程図を概略示する図３に基づいて説明すると、製膜工程では、前記ＣＶＤ装置にシランガス（ＳｉＨ₄ ）等の原料ガスを配管により供給して、該ＣＶＤ装置内で分解させて半導体基材の表面にシリコン皮膜を形成させるが、その際、未反応であったシランガスは真空ポンプ（図示せず）で吸引されると共に該真空ポンプ内で窒素送給ラインから送給される窒素ガスによって希釈された後、燃焼式除害装置１２に供給される。ここでは、前記未反応シランガスは別途配管から供給される燃料ガスと共に燃焼されて固体のシリコン酸化物となり（ＳｉＨ₄ ＋２Ｏ₂ →ＳｉＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ）、無害化されて配管を経て湿式の除害装置（例えば湿式スクラバー）１５に供給され、微細粉塵である前記シリコン酸化物が水洗除去されて配管から無害ガスとして大気中に放出される。

一方、上記製膜工程で副生成するアモルファスシリコン等の反応性のシリコン化合物やその他の副反応生成物が、前記ＣＶＤ装置内や前記真空ポンプに至る配管内の表面に付着堆積し、この堆積物が基板の製膜面に付着すると製品の品質低下を招くおそれがあるので、定期的に該ＣＶＤ装置内にＰＦＣガスを供給してクリーニングを行う。このクリーニング工程では、クリーニングガスとしてのＰＦＣガスを配管により前記ＣＶＤ装置内に供給し、該ＣＶＤ
装置内に堆積した前記反応性シリコン化合物を分解し、未反応のＰＦＣガスと共に窒素送給ラインから送給される窒素ガスで希釈されて前記真空ポンプを経て前記燃焼式除害装置１２に送給される。ここで、ＰＦＣガスは配管から供給される燃料ガスとの燃焼によりフッ化水素（ＨＦ）を主成分とするフッ化化合物を生成する（例えばＣＦ₄ の場合にはＣＦ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ→４ＨＦ＋ＣＯ₂ ）。このフッ化水素（ＨＦ）を含む分解生成ガスは、配管を通って前記湿式スクラバー１５に送給される。このフッ化水素（ＨＦ）は腐食性が強く極めて有害なガスであるが、水に可溶であるので、該湿式スクラバー１５内で水に吸収され、酸性廃液となって系外に排出される。この酸性廃液は、適宜アルカリ処理されて排水されることになるが、前記湿式スクラバー１５にアルカリ水を供給して、フッ化水素（ＨＦ）の吸収と中和反応を同時に進行させる方法も採用されることがある。このフッ化水素（ＨＦ）が吸収除去されたガスは、無害化ガスとして下流側の乾式の除塵装置１３に送られる。

ところで、湿式スクラバー１５を通り抜けたガスには、水洗除去されずに水分を多く含んだ傾向にある微細粉塵の前記シリコン酸化物が可なりの量で残存していて、このため従来は除塵装置１３を長期間使用していると、パルス振動を加えるなどの逆洗操作を行っていても捕集した微細粉塵が徐々にフィルター内部に貯留して、その結果フィルターの目詰まりを惹き起こして図４に示されるようにフィルターでの圧損が上限設定値例えば１．０kPaに達した状態のままになる。

このように目詰まりが進行すると、処理風量の低下に繋がり最終的にはフィルターの交換を余儀なくされて処理能力の低下、ランニングコストの上昇を招く問題があった。除塵装置にとってフィルターの目詰まりは不可避な現象であるが、これを回避する手立ては現状では特に見当たらないためにフィルターへの負荷を減らし、例えば処理風量や処理粉体量を少なくするなどの目詰まり周期を少しでも引き伸ばすことを開発の方向性としていたが、これでは生産性を低下させるような消極的な方策であって、生産現場では決して好まれないものである。

上述する湿式スクラバーによるシリコン酸化物（ＳｉＯ₂ ）等の微細粉塵の除去手段に替えて、燃焼式除害装置の後段に除塵装置を設け、さらにその後段に乾式除害装置を設けたものも提案されている。この場合、湿式の形態に対して水分の影響がなく、逆洗操作による目詰まり防止をある程度図ることができるがそれでも十分でない。

そこで観点を変えて微細粉塵の完全除去を従来の物理的手段によらないで化学的にかつ確実・容易に行えないかを検討してみた。かかる形態の手段を採る先行技術としてクリーニングガスをトラップ装置に供給して堆積した固体生成物を除去する排ガス処理手段が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載のものは、ガス処理部と該処理部からの反応生成物を含む排ガスを排気する真空ポンプとの間の排気配管にトラップ装置を配置して排ガス中の反応生成物を堆積物としてトラップし、ガス処理部の非処理時に、該固体生成物に排気配管を通してＣｌＦ_３を供給して化学反応により堆積物をクリーニングするようにしたものである。この先行技術は、特別な構造のトラップ装置が必要であることや、別途ＣｌＦ_３送給ラインを設けなければないことで汎用性が低く、このトラップ装置をクリーニングする場合にはガス処理部が非処理時である時にＣｌＦ₃を送給するといった制御を行う必要があることが問題である。
特開２００１−１８９２７７号公報（第３頁、［０００７］〜［００１２］）

本発明は、上記した問題点に鑑み、従来における湿式スクラバーとの併用に係る除塵装置の場合の除塵効率の低下や、また、化学的な粉塵除去処理上での汎用化が阻まれる非経済性の諸問題を一挙に解決する新たな排ガス処理装置の提供を主たる目的とするものである。さらに又、本発明は、除塵装置内にフィルターを取り付けたままで逆洗操作を主体としないでフィルターの再生（機能回復）を図ることにより、フィルターの高除塵効率と長寿命維持を図ることを目的とするものである。

しかして本発明は上記課題を解決するべく、請求項１に記載の発明は、原料ガスとしてシランガスが、クリーニングガス等としてＰＦＣガスがそれぞれ使用される半導体製造ラインにおける排ガス抽出路１中に、希釈された未反応のシランガスを無害化処理するための排ガス分解装置２を設け、その後段にフィルターを内蔵する除塵装置３を設けてなり、前記除塵装置３は、装置本体が気密構造に形成され、該装置本体の内壁材及び前記フィルターがフッ化化合物に対し高耐性を有する材料により形成されることを特徴とする半導体製造ラインにおける排ガス処理装置である。

また、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に係る半導体製造ラインにおける排ガス処理装置において、前記半導体製造ラインが、プラズマＣＶＤ装置５と、そのプラズマＣＶＤ装置５に併設された複数のチャンバー６a〜６dとを備え、プラズマＣＶＤ装置５及び各チャンバー６a〜６dでの処理工程に付随して、除塵装置３では、フィルターによる除塵と前記排ガス分解装置２から生成する分解生成ガス（ＨＦ）を暴露させてフィルターの機能を回復させる除塵クリーニングとを、前後して、あるいは同時並行的に行わせるように構成したことを特徴とする。

請求項１及び請求項２に記載の発明（以下「本発明」という）によれば、主としてＳｉＯ_２を含み、一部量としてＷＯ_３等が含まれる微細粉塵を吸着した除塵装置３のフィルターに対して前段の排ガス分解装置２を経たフッ化水素（ＨＦ）を含む分解生成ガスを暴露させることにより、ＳｉＯ_２＋４ＨＦ→ＳｉＦ_４＋２Ｈ_２Ｏの化学変化に基づいてＳｉＯ_２は無害ガス化するので微細粉塵の除去が確実に行える。この場合、ガス条件によって除塵効果の度合いは異なるが、数分〜数十分間の暴露によってフィルター内部に入り込んだ粉塵まで根こそぎ取除くことが可能である。つまり、フィルターの再生（機能回復）を図ることができる。

また、本発明に係る粉塵クリーニングは、除塵装置３内部全体に分解生成ガスを暴露する方式であるため、装置内壁に付着した余分な粉体も同時に取り去ることができる。一方、フッ化水素（ＨＦ）ガスは腐食性が極めて高いガスであるため、除塵装置３の内壁体及びフィルターをフッ化水素に耐性を有する材料により形成してなることにより、排ガス分解装置２で発生するフッ化水素（ＨＦ）を直接用いてフィルターの再生（機能回復）を図ることが可能になり、しかも一連の排ガス処理ラインで副生成されるフッ化水素（ＨＦ）を粉塵クリーニング用のガスとして利用しているので、そのための別途の設備を要しない利点がある。

実施形態のように、除塵装置３の後段に例えば乾式になる除害装置４を設けた場合には、一連の排ガス無害化処理を簡易な構造の乾式システムで形成できて装置コスト、運転経済性の両面に優れる。

以上詳述した如く、請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、除塵装置のフィルター性能の長延命化が可能となってフィルター交換頻度の低減が図れる。また、一連の排ガス無害化処理ラインで分解生成されるフッ化化合物を粉塵クリーニング用のガスとして利用する方式であり、除塵装置３での除塵と粉塵クリーニングとが製膜工程とクリーニング工程の運転に付随して格別の運転制御を要することなく、前後して、あるいは同時並行的に行われるので、そのための別途の設備を要しない利点とフィルターサイズの最適化を果たし得る処理能力の安定維持の実現とが相俟って装置コスト並びにランニングコストの低減が図れる。

以下に、本発明について図面を用いて説明する。図１は、半導体製造ラインにおける本発明の実施の形態に係るガス処理工程の概略示工程図であり、従来の半導体製膜工程におけるガス処理工程と同じく、例えばプラズマＣＶＤ装置のクリーニングにＰＦＣガスを使用した場合のガス処理工程に係る排ガス処理装置の態様がブロック図で示される。

１基のプラズマＣＶＤ装置５に隣接して複数基の例えば４基のチャンバー６a〜６dが設けられ、各チャンバー６a〜６dの内部空間を真空ポンプ７a〜７dがそれぞれ介されてなる配管により排ガス処理装置における排ガス抽出路１の導入端部に並列に連通させて半導体製膜ラインが形成される。各チャンバー６a〜６dでは、スタンバイ→デポ→クリーニング→スタンバイという一連の工程が同時並行的に異なるサイクルで行われることから、それら工程の切替えに応じて、各配管から排出される未反応のシランガス及びＰＦＣガスは、排ガス抽出路１で単独あるいは混合された状態で送り込ませるようになっている。

この排ガス処理装置は、例えば燃焼式除害装置で実現される排ガス分解装置２と除塵装置３と除害装置４とを排ガス抽出路１中に上流側から順に配設して構成される。排ガス分解装置２としては従来の各種除害装置が適用可能であるが、燃焼式除害装置２の場合は、窒素等で希釈された未反応のシランガスとＰＦＣガスに燃料ガスを単独あるいは混じて燃焼させる燃焼装置であり、除塵装置３は、前段の燃焼式除害装置２での燃焼処理により生じ排出されるシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）の微細粉塵とフッ化水素（ＨＦ）を主成分とする分解生成ガスとをフィルターに通して濾過させる所謂乾式集塵装置である。また、除害装置４は、除塵装置３を経た前記分解生成ガスを無害化処理する装置であり、周知の構造の湿式、乾式何れもの除害装置が適用可能であるが装置コスト面を考慮して乾式のものが好ましい。

上記の排ガス無害化処理装置において、本発明の構成を特徴付ける構成要素である除塵装置３は、後述するようにフィルターを備える本体内に有害で高温度・高濃度のフッ化水素（ＨＦ）が流動することに鑑みて、高温度・高濃度フッ化水素（ＨＦ）の存在下で十分に耐え得る必要性から耐熱性（例えば２６０℃）及び耐酸性が大である材質、例えばＰＴＦＥ樹脂からなるフィルターを使用し、また、装置本体特に内壁体には高温度・高濃度フッ化水素（ＨＦ）に耐え得る材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３１６）鋼板を使用する。さらに、装置構造はフッ化水素（ＨＦ）が外部に漏洩することがないように気密性の高いものとしている。

上記除塵装置３は、フィルターにて微細粉塵を連続して捕集する除塵と、フィルターに前記分解生成ガス（ＨＦ）を暴露してフィルターの再生（機能回復）を図る粉塵クリーニングとが、前記プラズマＣＶＤ装置５及び各チャンバー６a〜６dでの処理に付随して格別の運転制御を要することなく行われる。この運転の態様については後述する。

一方、除害装置４については、乾式の形態を採用した場合、アルカリ土類金属の炭酸塩又は水酸化物若しくはこれらの混合物から適宜形状に成形されたフッ素吸収剤が充填されてなる乾式フッ素回収反応装置が好ましいものである。

以上述べた構成を備える排ガス処理装置での無害化処理運転の概要を説明する。
例えば製膜工程において、前記プラズマＣＶＤ装置５の各チャンバー６a〜６dにシランガス（ＳｉＨ₄ ）等の原料ガスを供給して、該ＣＶＤ装置５内で分解させて半導体基材の表面にシリコン皮膜を形成させるが、その際未反応であったシランガスは窒素ガスによって希釈された後、排ガス分解装置２に供給される。ここでは、前記未反応シランガスは別途供給される燃料ガスと共に燃焼されて固体のシリコン酸化物（ＳｉＯ₂）となることで無害化されて後段の除塵装置３に供給され、ここで微細粉塵である前記シリコン酸化物はフィルターにより捕集され、その余のガスは後段の除害装置４に送られる。

一方、上記製膜工程で副生成するアモルファスシリコン等の反応性のシリコン化合物やその他の副反応生成物が、前記ＣＶＤ装置５内や経路の配管内の表面に付着堆積するので、定期的に該ＣＶＤ装置５内にＰＦＣガスを供給してクリーニングを行う。このクリーニング工程では、クリーニングガスとしてのＰＦＣガスを前記ＣＶＤ装置５内に供給し、該ＣＶＤ装置５内に堆積した反応性シリコン化合物を分解し、未反応のＰＦＣガスと共に図示しない窒素送給ラインから送給される窒素ガスで希釈されて排ガス分解装置２に送給される。ここで、ＰＦＣガスは別途供給される燃料ガスとの燃焼に伴い生じる水との反応によりフッ化水素（ＨＦ）を生成する。このフッ化水素（ＨＦ）を含む分解生成ガスは、後段の除塵装置３に送給される。

ここで、プラズマＣＶＤ装置５でのシリコン皮膜形成工程やプラズマＣＶＤ装置５及び各チャンバー６a〜６dのＰＦＣガスによるクリーニング工程は、適宜行われるものであるから、除塵装置３では、プラズマＣＶＤ装置５及び各チャンバー６a〜６dでの処理に付随して格別の運転制御を要することなく、フィルターによる除塵と前記分解生成ガス（ＨＦ）の暴露によるフィルターの再生（機能回復）を図る粉塵クリーニングとが、前後して、あるいは同時並行的に行われる。なお、単一のプラズマＣＶＤ装置５と単一のチャンバー６aとを一連に設けた場合には、フィルターによる除塵と粉塵クリーニングとが交互に行われる。即ち、除塵装置３におけるフィルターの圧損変化経時線図が示される図２をして説明すると、前述のようにシリコン酸化物（ＳｉＯ₂）と分解生成ガス（ＨＦ）は排ガス分解装置２において単独或いは混合した状態で分解生成される為、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）のみが送給されている状態では「無白領域」のように時間経過に従い圧損Ｐが上昇するが、フッ化水素（ＨＦ）が単独或いはシリコン酸化物（ＳｉＯ₂）と混合された状態で送給されている状態では「ぼかし領域」で示すように粉塵クリーニングが行われる為に圧損Ｐが時間経過に従い低下する。

フィルターによる除塵に続いて、シリコン皮膜形成工程からＰＦＣガスによるクリーニング工程に切換るのに付随して除塵装置３では粉塵クリーニングが行われる。この場合の粉塵クリーニングは、前記除塵が前記適当時間の経過時点から運転開始してフィルターの圧損が前記初期下限設定値近くに推移するまでの適宜時間（図２のぼかし領域）を通じて行われる。その結果、フィルターにおいては、上限設定値（例えば、約１．０ｋＰa）から集塵不能の警告値（例えば、約１．５ｋＰa，図３参照のこと）への経時的差圧上昇が抑制される。

このように製膜工程とクリーニング工程の運転に付随して除塵装置３での除塵と粉塵クリーニングとが格別の運転制御を要することなく、前後して、あるいは同時並行的に行われる。その結果、前記分解生成ガス（ＨＦ）の暴露によるフィルターの再生（機能回復）を図り、粉塵の目詰まりによるフィルター性能の早期低下を防いで交換周期の延長が可能となるのである。なお、製膜工程の所要時間が長くなるような場合は、図２において鋸歯状線図として示される如く、周知の逆洗操作も行わせることでフィルターの目詰まりをより一層防ぐことが可能であって、このように前記粉塵クリーニングと逆洗操作とを組み合わせることは好ましい手段である。

ところで、除塵装置３において微細粉塵と反応しなかった未反応のフッ化水素（ＨＦ）は後段の除害装置４に送られて、ここで無害化処理される。例えば炭酸カルシウムのフッ素吸収剤を用いた場合の除害装置で説明すると、フッ化水素（ＨＦ）が接触することで、ＣａＣＯ₃ ＋２ＨＦ→ＣａＦ₂ ＋Ｈ₂Ｏ＋ ＣＯ₂ の反応によって、フッ素は安定して無害なＣａＦ2 （フッ化カルシウム） となる。そして該乾式フッ素回収反応装置からなる除害装置４から排出されるガスは、前段から希釈ガスとして導入された窒素ガスと、上記反応により生じた水蒸気と炭酸ガスであるので、無害ガスとして大気中に放出されることになる。

このようにして除塵装置３での除塵と粉塵クリーニングとが製膜工程とクリーニング工程の運転に付随して格別の運転制御を要することなく、前後して、あるいは同時並行的に行われることにより、粉体の目詰まりによるフィルター性能の早期低下を防ぐことができ、フィルターサイズを最適化したコンパクトな構造としながらも除塵処理能力の長期安定維持を果たすことが可能となった。

半導体製造ラインにおける本発明の実施の形態に係るガス処理工程の概略示工程図である。 図１図示の除塵装置３におけるフィルターの圧損変化経時線図である。 従来のガス処理工程の概略示工程図である。 従来の除塵装置におけるフィルターの圧損変化経時線図である。

符号の説明

１…排ガス抽出路 ２…排ガス分解装置 ３…除塵装置 ４…除害装置

Claims (2)

1. 原料ガスとしてシランガス等が、クリーニングガス等としてＰＦＣ（Perfluorocompounds）ガスがそれぞれ使用される半導体製造ラインにおける排ガス抽出路（１）中に、希釈された未反応のシランガスを無害化処理するための排ガス分解装置（２）を設け、その後段にフィルターを内蔵する除塵装置（３）を設けてなり、前記除塵装置（３）は、装置本体が気密構造に形成され、該装置本体の内壁材及び前記フィルターがフッ化化合物に対し高耐性を有する材料により形成されることを特徴とする半導体製造ラインにおける排ガス処理装置。
2. 前記半導体製造ラインが、プラズマＣＶＤ装置（５）と、そのプラズマＣＶＤ装置（５）に併設された複数のチャンバー（６a〜６d）とを備え、プラズマＣＶＤ装置（５）及び各チャンバー（６a〜６d）での処理工程に付随して、除塵装置（３）では、フィルターによる除塵と前記排ガス分解装置（２）から生成する分解生成ガス（ＨＦ）を暴露させてフィルターの機能を回復させる除塵クリーニングとを、前後して、あるいは同時並行的に行わせるように構成したことを特徴とする請求項１記載の半導体製造ラインにおける排ガス処理装置。

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