JP2006320820A

JP2006320820A - プラズマ式ガス除害装置

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Publication number: JP2006320820A
Application number: JP2005145325A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Suzuki; 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】ＰＦＣガス等を分解する能力が高い除害装置を提供すること。
【解決手段】プラズマ式ガス除害装置１０は、プラズマ処理装置２０と、プラズマ処理装置２０に反応ガスを導入するガス導入口１１と、反応ガスをプラズマ処理して生成した除害ガスをプラズマ処理装置２０からスクラバ４０へ排出するガス排出口１３とを備える。プラズマ処理装置２０では、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに表面波励起プラズマを生成させ、常圧下でプラズマ除害処理を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面波励起プラズマを利用して被処理ガスをプラズマ処理するプラズマ式ガス除害装置に関する。

半導体生産ラインでは、ＣＶＤ装置、エッチング装置などが使用され、ＰＦＣ（パーフルオロカーボン）、６フッ化硫黄、３フッ化窒素などの有害ガスが排出されるので、これらのガスを無害化する必要がある。無害化手段としては、減圧下で２枚の平行平板電極間に高周波電圧を印加し、容量結合プラズマによりＰＦＣガスを分解する方法が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２８２４６５号公報（第３頁、図１，２）

特許文献１の容量結合プラズマを用いた除害装置は、ＰＦＣガス等を分解する能力の点で改善の余地がある。

（１）本発明の請求項１によるプラズマ式ガス除害装置は、除害プロセス空間領域に表面波励起プラズマを形成するプラズマ発生装置と、除害プロセス空間領域に被処理ガスを導入するガス導入部と、被処理ガスが表面波励起プラズマにより処理されて生成する除害ガスを外部へ排出するガス排出部とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のプラズマ式ガス除害装置において、プラズマ発生装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入して管内を伝搬させる、スロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、筒状を呈し、その筒の外側面が前記環状マイクロ波導波管の底板に接して配設され、管内を伝搬するマイクロ波をスロットアンテナを通して導入し、その筒の内周面に表面波を形成する筒状誘電体部材とを備え、除害プロセス空間領域である筒状誘電体部材の内部空間を常圧雰囲気として表面波による表面波励起プラズマを生成することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載のプラズマ式ガス除害装置において、表面波励起プラズマの放電開始時に筒状誘電体部材の内部空間を減圧するための排気装置をさらに備えることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項２に記載のプラズマ式ガス除害装置において、表面波励起プラズマの放電開始を補助するための放電補助部材を筒状誘電体部材の内部空間に挿脱する機構をさらに備えることを特徴とする。
（５）請求項５による発明は、請求項４に記載のプラズマ式ガス除害装置において、筒状誘電体部材の内部空間から放電補助部材が退避したときにその退避開口を覆う蓋部材が配設されることを特徴とする。
（６）請求項６による発明は、請求項３〜５のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、筒状誘電体部材の内部空間の両端部に筒状シールド部材が突設されることを特徴とする。
（７）請求項７による発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、筒状誘電体部材の内部空間に、被処理ガスが筒状誘電体部材の内周面近傍を流れるように制御するガス流制御部材が配設されることを特徴とする。
（８）請求項８による発明は、請求項２〜７のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、筒状誘電体部材の内部空間がその軸方向に延在する複数の室から構成されていることを特徴とする。
（９）請求項９による発明は、請求項２〜８のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、環状マイクロ波導波管に、管内を冷却するための冷却ガスを導入する導入口が設けられることを特徴とする。

本発明の除害装置によれば、高密度プラズマの表面波励起プラズマを用いるので、ＰＦＣガス等を分解する除害能力を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態によるプラズマ式ガス除害装置について、図１〜８を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマ式ガス除害装置とこれに接続される周辺装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、第１の実施の形態によるプラズマ式ガス除害装置を模式的に示す構成図である。

図１は、半導体生産ラインの一部を示し、エッチング装置３０と、エッチング装置３０から排出される有害なガス（以下、反応ガスと称する）を導入してプラズマ処理するプラズマ式ガス除害装置１０（以下、除害装置１０と略称する）と、除害装置１０で除害処理されて生成した除害ガスを水などで固定処理するスクラバ４０とが直列に接続されている。エッチング装置３０やＣＶＤ装置では、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＳｉＨ_４、ＮＦ_３などの反応ガスを反応室３１に導入してエッチングや成膜を行い、未消費の反応ガスは主真空弁３２、調圧弁３３を介して真空ポンプ３４で排気される。真空ポンプ３４の出口側には、反応ガスを希釈するための例えば窒素ガスを導入する導入管３５が配管接続されている。

図２を参照すると、除害装置１０は、マイクロ波発生装置２１と、表面波励起プラズマが形成され、そのプラズマにより反応ガスの除害処理を行うプラズマ処理装置２０と、プラズマ処理装置２０に反応ガスを導入するガス導入口１１と、ガス導入口１１に接続されたバルブ１２と、プラズマ処理装置２０から除害ガスをスクラバ４０へ排出するガス排出口１３と、ガス排出口１３に接続されたバルブ１４とを備える。また、除害装置１０は、ガス導入口１１に接続されたバルブ１５および小型真空ポンプ１６と、プラズマ処理装置２０内に、反応ガスの除害に用いられるプロセスガスを導入するプロセスガス添加部１７とを備える。プロセスガス添加部１７には、プロセスガスの流量を調節するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１７ａが配設されている。なお、マスフローコントローラ１７ａに代えてフローメータ（ＦＭ）を用いることもできる。

図３は、プラズマ処理装置２０の構造を詳細に示す縦断面図であり、プラズマ処理装置２０とスクラバ４０の間に介在するバルブ１４は省略して示している。プラズマ処理装置２０は、マイクロ波発生装置２１（図２参照）に接続された環状導波管２２と、環状導波管２２の内側に配置された誘電体チューブ２３と、環状導波管２２の両端面に配置された冷却ジャケット２４とを有する。ガス導入口１１は、冷却ジャケット２４に固設されており、ガス排出口１３は、バルブ１４が省略されているため、直接にスクラバ４０に接続されている。

環状導波管２２は、例えばアルミニウム合金、銅あるいは銅合金で作製され、管の断面が中空の矩形状で、底板２２ａを内周側とする環状を呈している。底板２２ａには、１つ又は複数のスロットアンテナ２２ｂが所定間隔で形成されている。スロットアンテナ２２ｂは、底板２２ａを貫通して形成される例えば長矩形状の開口である。また、環状導波管２２には、その管内に冷却用ガス（空気、窒素など）を流す冷却ガス循環装置２７が接続されている。

誘電体チューブ２３は、石英やアルミナなどで作製され、その外側面が環状導波管２２の底板２２ａに接し、その両端面がＯリング２４ａを介して冷却ジャケット２４に密着して配設されている。これにより、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓは気密空間として形成される。冷却ジャケット２４には、冷媒用通路２５が形成されており、この通路に例えば冷却水を流すことにより環状導波管２２を冷却する。また、上下の冷却ジャケット２４の内周面には、円筒状のシールド部材２６が外側に向かって突設されている。シールド部材２６は、耐熱性と耐食性に富む材料、例えばセラミックス、チタンで作製される。なお、冷却ジャケット２４をアルミニウムで作製し、アルマイト処理を施すことにより、反応ガスに対する耐食性が向上する。

図２、図３を参照して、除害装置１０の作用を説明する。先ず、プラズマ処理装置２０の上流側（エッチング装置３０側）のバルブ１２と下流側（スクラバ４０側）のバルブ１４を閉じ、小型真空ポンプ１６を起動してバルブ１５を開き、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを１００Ｐａ程度の減圧雰囲気とする。減圧雰囲気とするのは、表面波励起プラズマの放電を起し易くするためである。

次に、マイクロ波発生装置２１で発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を環状導波管２２へ導入し、管内を伝搬するマイクロ波をスロットアンテナ２２ｂを通して誘電体チューブ２３へ放射させ、誘電体チューブ２３の内周面に表面波を形成させる。この表面波のエネルギーにより誘電体チューブ２３の内部空間Ｓで放電を開始させ、表面波励起プラズマを生成させる。内部空間Ｓは、表面波励起プラズマを形成させる空間領域であり、表面波励起プラズマにより除害処理を行うプロセス空間領域でもある。表面波励起プラズマは、高密度プラズマという特徴を有する。表面波励起プラズマが生成した後にバルブ１５を閉じ小型真空ポンプ１６を停止する。

バルブ１２と１４を開いてエッチング装置３０から誘電体チューブ２３の内部空間Ｓへ反応ガスおよび希釈用窒素ガスを導入し、常圧（大気圧）雰囲気とする。表面波励起プラズマは、減圧下で開始した放電が常圧に変化させても持続する。反応ガスの種類に応じて酸素ガスや水蒸気などのプロセスガスをプロセスガス添加部１７により誘電体チューブ２３の内部空間Ｓへ添加する。酸素ガスを添加すると、酸素ガスが表面波励起プラズマにより活性化されて酸素ラジカルが生成し、水蒸気を添加すると、水蒸気が表面波励起プラズマにより活性化されてヒドロキシラジカルが生成する。

例えば、反応ガスＣＦ_４を窒素ガスで希釈して誘電体チューブ２３の内部空間Ｓへ導入するとともに酸素ガスを添加すると、酸素ラジカルの作用によりＣＦ_４が二酸化炭素とフッ素ガスに分解される。二酸化炭素、フッ素ガスおよび希釈用の窒素ガスをスクラバ４０に導入し、二酸化炭素と窒素ガスは強制排気管４４を通して外部に排気し、フッ素ガスは、水に溶解してフッ酸水とした後にフッ化カルシウムとして固定処理する。このプロセスにより、図１に示されるように、ＣＦ_４の濃度は、配管中のＡ地点では８８〜９９％、Ｂ地点では数％、Ｃ地点ではほぼ０％と減少していき、除害装置１０による除害処理が完了する。但し、Ｂ地点では希釈用窒素ガスの添加によりＣＦ_４の濃度が減少するだけで、絶対量は変わっていない。

上述したように、第１の実施の形態の除害装置１０によれば、次の作用効果を奏する。
（１）高密度プラズマである表面波励起プラズマを用いて反応ガスの除外処理を行うことにより、反応ガスの濃度をほぼ０％に効率良く低減し、除害化することができる。
（２）放電開始時に誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを減圧雰囲気とするので、放電を容易に起こすことができる。
（３）表面波励起プラズマが生成した段階で常圧雰囲気に変えても放電が持続可能であり、常圧での除害処理が可能となる。したがって、除害装置１０を真空ポンプ３４とエッチング装置３０との間に配置する必要がなく、除害プロセスにより分解されたガスの逆流、拡散によるエッチング装置３０内部の影響を心配する必要がない。また、除外装置とスクラバを一体型で構成することができる。
（４）誘電体チューブ２３の両端面にシールド部材２６を設けたことにより、冷却ジャケット２４の内周面やＯリング２４ａをプラズマの熱や反応ガスによる腐食から保護することができる。

図４は、第１の実施の形態の除害装置１０の変形例を模式的に示す構成図である。除害装置１０Ａは、プラズマ処理装置２０専用の小型真空ポンプ１６を省略し、エッチング装置３０の真空ポンプ３４を併用して誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを排気する。すなわち、バルブ１２と１４を閉じ、バルブ１７と１８を開いて誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを減圧雰囲気とする。所定の減圧雰囲気とした後にバルブ１７と１８を閉じ、バルブ１２と１４を開き、除害装置１０と同じ排気経路で除害処理を行う。小型真空ポンプ１６を省略したため、装置コストが低減する。

〈第２の実施の形態〉
図５は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ式ガス除害装置の構造を示す縦断面図である。第２の実施の形態の除害装置５０では、第１の実施の形態の除害装置１０の小型真空ポンプ１６が省略され、その代わりにフランジ部６１を通して誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに炭素棒７０を挿脱するための移動機構６３が設けられている。炭素棒７０は、マイクロ波を良く吸収するので、放電開始を補助するための放電補助部材として用いられる。つまり、第１の実施の形態の除害装置１０では、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを減圧雰囲気として表面波励起プラズマの放電を開始するのに対し、第２の実施の形態の除害装置５０では、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに炭素棒７０を挿入することによって常圧で放電を開始する。第２の実施の形態の除害装置５０でも、プラズマ処理装置２０の基本構成は第１の実施の形態の除害装置１０と同じであるので、相違する点を説明する。

図５（ａ）は、炭素棒７０を誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに挿入した状態、図５（ｂ）は、炭素棒７０を内部空間Ｓから退避させた状態を示している。炭素棒７０の一方の端部（図中、右端）には平板７１が、他方の端部には絶縁部材７２が設けられ、絶縁部材７２には棒材７３が固設されている。炭素棒７０、絶縁部材７２および棒材７３の外形寸法は同じに作製されている。移動機構６３は、棒材７３を把持してＸ方向に往復移動することにより誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに炭素棒７０を挿脱できるように構成されている。また、炭素棒７０の長手方向に沿ってスリット状の開口７０ａが穿設されている。放電補助部材の材質としては、炭素の他に炭化珪素を用いることもできる。

冷却ジャケット２４に固設されているフランジ部６１には、Ｏリング６１ａ，６１ｂが設けられている。図５（ａ）に示されるように、炭素棒７０が内部空間Ｓに配置された状態では、棒材７３の外周がＯリング６１ａに密着しているので、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓの気密が保たれる。図５（ｂ）に示されるように、炭素棒７０が内部空間Ｓから−Ｘ方向に退避した状態では、炭素棒７０の外周がＯリング６１ａに密着しているので、誘電体チューブ２３の内部空間Ｓの気密が保たれる。このときは、炭素棒７０の先端の平板７１がＯリング６１ｂに密着して蓋の役割をするので、内部空間Ｓの気密の保持が一層良好となる。このように気密が保持されるので、反応ガスが外部に漏洩する危険がなくなる。

誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを常圧雰囲気とし、炭素棒７０を内部空間Ｓに配置することにより、常圧下でも放電を開始させることができる。放電を開始させると、炭素棒７０のスリット状の開口７０ａの周囲を回る電流が流れる。この周回電流が流れることにより常圧下での放電開始がより一層容易になる。一旦、表面波励起プラズマが形成されたときは、移動機構６３により炭素棒７０を−Ｘ方向に退避させても放電は維持される。炭素棒７０の先端の平板７１をＯリング６１ｂに密着させて誘電体チューブ２３の内部空間Ｓを閉鎖する。この状態で、図中、フランジ部６１の下側のガス導入口１１から反応ガスおよび希釈用窒素ガスを内部空間Ｓに導入するとともに、酸素ガスや水蒸気などのプロセスガスを不図示のプロセスガス添加部により内部空間Ｓへ添加する。表面波励起プラズマにより除害処理されて生成した除害ガスは、内部空間Ｓの右端のガス排出口１３から排気する。

本実施の形態の除害装置５０も第１の実施の形態の除害装置１０と同じ作用効果を奏する。但し、放電開始のプロセスと放電開始に要する構成部品は異なる。

次に、第１および第２の実施の形態の変形例について説明する。
図７は、第１および第２の実施の形態の除害装置１０，５０の第１の変形例を示す縦断面図である。第１の変形例は、表面波励起プラズマが形成されている誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに反応ガスの流れを制御するためのセラミックス製のガス流制御部材８０を配置する。ガス流制御部材８０には２枚の平板８１が設けられており、反応ガスが誘電体チューブ２３の内周面の近くを流れるように制御する。これは、誘電体チューブ２３の内周面の近傍が最もプラズマ密度が大きく、電子温度も高いので、反応ガスの分解が促進されるからである。なお、ガス流制御部材８０を使用しない場合は、ガス流制御部材８０を内部空間Ｓから除去した後に気密を保つために蓋部材６２により閉鎖する。また、ガス流制御部材８０の平板８１は１枚以上であればよい。

図８は、第１および第２の実施の形態の除害装置１０，５０の第２の変形例を示すものであり、誘電体チューブを軸と直角に切断した断面図である。図８（ａ）に示す誘電体チューブ２３Ａは、軸方向に４つの室２３０が形成されるように分割した例であり、図８（ｂ）に示す誘電体チューブ２３Ｂは、軸方向に３つの円柱状の室２３１が形成されるように分割した例である。第１および第２の実施の形態の除害装置１０，５０の誘電体チューブ２３に比べて反応ガスと接触する表面積が広くなるため、反応ガスの除害処理量を増大させることができる。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。上記の実施の形態では、半導体生産ラインのエッチング装置３０から排気される反応ガスの除害処理について説明したが、他の有害ガス、例えば内燃機関から排出される窒素酸化物などの除害装置として利用することもできる。また、家屋の２４時間換気システムに配設することもできる。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ式ガス除害装置とこれに接続される周辺装置を模式的に示す概略構成図である。第１の実施の形態に係るプラズマ式ガス除害装置を模式的に示す構成図である。第１の実施の形態に係るプラズマ式ガス除害装置の構造を模式的に示す縦断面図である。第１の実施の形態の除害装置１０の変形例を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ式ガス除害装置の構造を模式的に示す縦断面図であり、図５（ａ）は、炭素棒７０を誘電体チューブ２３の内部空間Ｓに挿入した状態、図５（ｂ）は、炭素棒７０を内部空間Ｓから退避させた状態を示す。第１および第２の実施の形態の除害装置１０，５０の第１の変形例を示す縦断面図である。第１および第２の実施の形態の除害装置１０，５０の第２の変形例を示し、図７（ａ）は、誘電体チューブ２３Ａの断面図、図７（ｂ）は、誘電体チューブ２３Ｂの断面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，５０：除害装置１１：ガス導入口
１３：ガス排出口１６：小型真空ポンプ
１７：プロセスガス添加部２０：プラズマ処理装置
２１：マイクロ波発生装置２２：環状導波管
２３，２３Ａ，２３Ｂ：誘電体チューブ２４：冷却ジャケット
２６：シールド部材３０：エッチング装置
４０：スクラバ７０：炭素棒
６１：フランジ部６２：蓋部材
６３：移動機構８０：ガス流制御部材

Claims

除害プロセス空間領域に表面波励起プラズマを形成するプラズマ発生装置と、
前記除害プロセス空間領域に被処理ガスを導入するガス導入部と、
前記被処理ガスが前記表面波励起プラズマにより処理されて生成する除害ガスを外部へ排出するガス排出部とを備えることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項１に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記プラズマ発生装置は、
マイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入して管内を伝搬させる、スロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、
筒状を呈し、その筒の外側面が前記環状マイクロ波導波管の底板に接して配設され、前記管内を伝搬するマイクロ波を前記スロットアンテナを通して導入し、その筒の内周面に表面波を形成する筒状誘電体部材とを備え、
前記除害プロセス空間領域である前記筒状誘電体部材の内部空間を常圧雰囲気として前記表面波による表面波励起プラズマを生成することを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項２に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記表面波励起プラズマの放電開始時に前記筒状誘電体部材の内部空間を減圧するための排気装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項２に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記表面波励起プラズマの放電開始を補助するための放電補助部材を前記筒状誘電体部材の内部空間に挿脱する機構をさらに備えることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項４に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記筒状誘電体部材の内部空間から前記放電補助部材が退避したときにその退避開口を覆う蓋部材が前記放電補助部材に配設されることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項３〜５のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記筒状誘電体部材の内部空間の両端部に筒状シールド部材が突設されることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項２〜６のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記筒状誘電体部材の内部空間に、前記被処理ガスが前記筒状誘電体部材の内周面近傍を流れるように制御するガス流制御部材が配設されることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項２〜７のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記筒状誘電体部材の内部空間がその軸方向に延在する複数の室から構成されていることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。
請求項２〜８のいずれか一項に記載のプラズマ式ガス除害装置において、
前記環状マイクロ波導波管に、管内を冷却するための冷却ガスを導入する導入口が設けられることを特徴とするプラズマ式ガス除害装置。