JP2010142749A

JP2010142749A - ガス処理装置

Info

Publication number: JP2010142749A
Application number: JP2008323914A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kato; 利明加藤; Keiji Imamura; 啓志今村
Original assignee: Kanken Techno Co Ltd
Current assignee: Kanken Techno Co Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】フッ素化合物の熱分解時における反応器の内部の減肉を極小化して長期間連続して使用することのできるガス処理装置を提供する。
【解決手段】フッ素化合物を含んだ処理対象ガスＦを囲繞し、その内部における高温の熱分解領域Ｒにて処理対象ガスＦの熱分解を行う反応器２４を備えるガス処理装置１０において、熱分解領域Ｒに面する反応器２４の内面に、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムから選択された１種類以上の物質からなる耐火材を用いることにより、上記課題を解決することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、地球温暖化やオゾン層破壊の原因となるフッ素化合物を含む処理対象ガスを熱分解するガス処理装置に関する。

半導体や液晶等の製造プロセスでは、クリーニングガスやエッチングガス等として様々な種類のフッ素化合物を含むガスが使用されており、代表的なものとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₅Ｆ₈等のパーフルオロカーボン（フッ化炭素）、ＣＨＦ₃等のハイドロフルオロカーボンおよびＳＦ₆（六フッ化硫黄）やＮＦ₃等の無機フッ素化合物等が挙げられる。

そして、上記製造プロセスで使用された様々な種類のフッ素化合物を含むガスは、キャリアガスやパージガス等として使用されたＮ₂やＡｒあるいは添加ガスとして使用されたＯ₂、Ｈ₂やＮＨ₃、ＣＨ₄等と共に処理対象ガスとして排出される。

上記処理対象ガスにおけるフッ素化合物の占める割合は、Ｎ₂やＡｒ等の他のガスに比べてわずかではあるが、フッ素化合物は地球温暖化係数（ＧＷＰ）がＣＯ₂に比べて数千〜数万倍と非常に大きく、大気寿命もＣＯ₂に比べて数千〜数万年と長いことから、大気中へ少量排出した場合であっても、その影響は甚大なものとなる。このため、使用済みとなったフッ素化合物を処理対象ガス中から除害する様々な技術が開発されている。

フッ素化合物を処理対象ガス中から除害する技術のひとつとして、フッ素化合物をプラズマジェットやガスバーナによる高温で熱分解する熱分解ユニットを有するガス処理装置が開発されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の熱分解ユニット１は、図３に示すように、プラズマジェットトーチ２と、電源ユニット３と、作動ガス送給ユニット４と、反応器５とで構成されている。このうち、反応器５は、そのコスト面に鑑みて酸化アルミニウム（シリカを混合したものもある）で構成されたキャスタブル耐火材からなる両端が開口した直管型のもので、その上端が処理対象ガス供給器６を介してプラズマジェットトーチ２のプラズマジェット噴出孔２ａ側の端部に接続されている。

高温のプラズマジェットＰがプラズマジェットトーチ２から反応器５の内部に導入されることによって反応器５の内部に高温（反応器５の内面近傍温度は約１０００℃であり、中心部はより高温となっている。）領域（＝熱分解領域Ｒ）が形成され、当該熱分解領域Ｒにフッ素化合物を含む処理対象ガスＦが供給されることによってフッ素化合物が熱分解により除害される。
国際公開第２００８／０６８９１７号（図３）

ところが、反応器５で熱分解されるフッ素化合物は、処理対象ガスＦ中の（あるいは処理対象ガスに添加された）水蒸気や酸素と反応してフッ素、フッ化水素、二酸化炭素等に変換される。これらフッ素およびフッ化水素は、非常に反応性が高いことから、その一部が反応器５を形成するキャスタブル耐火材の酸化アルミニウムやシリカ（＝二酸化ケイ素）と反応してフッ化アルミニウムや四フッ化ケイ素となる。すると、フッ化アルミニウムは昇華点が約１０００℃と低いことから、プラズマジェットＰによる高温で昇華してしまい（特に、六フッ化硫黄や四フッ化炭素の分解には、１０００℃以上の高温を要するため、どのように緻密な酸化アルミニウムを用いたとしてもこれを避けることができない。）、さらに、四フッ化ケイ素も常温で気体であることから昇華してしまう。この結果、フッ素化合物の熱分解処理を続けていくと、熱分解領域Ｒに面する反応器５の内面が減肉してしまい、反応器５の内面の定期的な補修が必要となる。つまり、熱分解ユニット１を備えるガス処理装置を長期間連続して使用することができないという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、フッ素化合物の熱分解時における反応器の内部の減肉を極小化して長期間連続して使用することのできるガス処理装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、
フッ素化合物を含んだ処理対象ガスＦを囲繞し、その内部における高温の熱分解領域Ｒにて前記処理対象ガスＦの熱分解を行う反応器２４を備えるガス処理装置１０において、
前記熱分解領域Ｒに面する前記反応器２４の内面には、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムから選択された１種類以上の物質からなる耐火材が用いられていることを特徴とするガス処理装置１０である。

本発明に係る反応器２４の内面には、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムから選択した１種類以上の物質からなる耐火材が用いられており（実施例に示すように、反応器２４の内面に保護セラミック２４ｂを設けてもよいし、酸化マグネシウム等を内面に溶射してもよいし、反応器２４全体を酸化マグネシウム等で形成してもよい）、この反応器２４を用いてフッ素化合物を熱分解したとき、酸化マグネシウム、酸化バリウムあるいは酸化セリウムは、フッ素やフッ化水素と反応して、それぞれフッ化マグネシウム、フッ化バリウムあるいはフッ化セリウムになるが、これらの融点は、上述のフッ化アルミニウムに比べて十分に高い（フッ化マグネシウムの融点は１２６０℃、フッ化バリウムの融点は１２８０℃、フッ化セリウムの融点は１３２０℃である。）ことから、六フッ化硫黄や四フッ化炭素を分解するため、熱分解領域Ｒに面する反応器２４の内面温度が１０００℃以上になったとしても、反応器２４の内面が減肉するおそれを極小化することができる。

さらに、発明者が数々の実験により様々なセラミックについて評価したところ、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムは、安価で、毒性がなく、かつ、反応器２４内で長期間使用しても上述のように減肉がほとんどないことに加えて、脆くなって崩れたり、多孔質化したりせず、フッ素化合物の熱分解を行う反応器２４に最適な材質であることがわかった。したがって、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムから選択された１種類以上の物質からなる保護セラミック２４ｂを用いることにより、安価で毒性がなく、反応器２４内で長期間使用しても減肉がほとんどないことに加え、脆くなって崩れたり、多孔質化したりしないという上記効果を享受することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス処理装置１０に関し、
前記反応器２４に熱分解用の熱源としてのプラズマジェットＰを供給するプラズマジェットトーチ１８を備えていることを特徴とする。

プラズマジェットＰを熱分解用の熱源として用いる場合、熱を集中させて反応器２４に供給することができるので、他の熱源（バーナや電気ヒータ等）を用いる場合に比べて反応器２４の内部の容積を小さくすることができるが、その分、反応器２４の内面における減肉の度合いも大きかった。しかし、本発明によれば、上述のように、熱分解領域Ｒに面する反応器２４の内面温度が１０００℃以上になったとしても、反応器２４の内面が減肉するおそれを極小化することができるので、プラズマジェットトーチ１８を備えたガス処理装置１０に本発明を適用することで、反応器２４の内部の容積を小さくして装置全体をコンパクトにしつつ、反応器２４の内部の減肉を極小化して長期間連続使用することのできるガス処理装置１０とすることができる。

本発明によれば、酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化セリウムを用いて、フッ素化合物の熱分解時におけるフッ素あるいはフッ化水素が存在する高温（特に、六フッ化硫黄、四フッ化炭素を分解する場合は１０００℃以上）雰囲気の下でも反応器の内部の減肉を極小化して長期間連続して使用することのできるガス処理装置を提供することができる。

図１は本実施例の処理対象ガスのガス処理装置１０の概要を示した構成図である。この図が示すように、本実施例のガス処理装置１０は、大略、熱分解ユニット１２と、出口スクラバ１４とで構成されている。

熱分解ユニット１２は、半導体製造装置等の処理対象ガス排出源１６ａ、１６ｂから排出されるフッ素化合物を含む処理対象ガスＦを熱分解することによって除害する装置であり、図２に示すように、大略、プラズマジェットトーチ１８、電源ユニット２０、作動ガス送給ユニット２２および反応器２４で構成されたプラズマ除害機である。

プラズマジェットトーチ１８は、高温のプラズマジェットＰを生成するものであり、黄銅などの金属材料からなり上下両面が開口した短筒状のトーチボディ１８ａを備えている。このトーチボディ１８ａの図中下方にはアノード１８ｂが連設されており、また、トーチボディ１８ａの中央部には棒状のカソード１８ｃが挿通されている。

アノード１８ｂは、銅またはタングステンなどの高い導電性を有する高融点金属で形成され、内部にプラズマ発生室１８ｄが凹設された円筒状のノズルである。このアノード１８ｂの下面中心部にはプラズマ発生室１８ｄ内で生成したプラズマジェットＰを噴出させるプラズマジェット噴出孔１８ｅが貫設されており、アノード１８ｂ側面の上部には作動ガス送給口１８ｆが設けられている。

カソード１８ｃは、銅などの高い導電性を有する高融点金属からなる本体部と、トリウム或いはランタンを混入させたタングステンからなり、先端に向けてその外径が紡錘状に縮径した先端部とで構成された棒状の部材である。このカソード１８ｃの先端部分は、アノード１８ｂ内に凹設されたプラズマ発生室１８ｄに配設されている。

なお、アノード１８ｂとカソード１８ｃとの間には、トーチボディ１８ａを介してこれらの間で通電（短絡）しないように、四フッ化エチレン樹脂やセラミックなどの絶縁材料(図示せず)が介装されている。また、アノード１８ｂおよびカソード１８ｃの内部には、冷却水通流路(図示せず)が設けられており、これらの部材を冷却するようにしている。

そして、以上のように構成されたアノード１８ｂおよびカソード１８ｃには、所定の放電電圧を印加してアノード１８ｂとカソード１８ｃとの間にアークを生起する電源ユニット２０が接続されている。

電源ユニット２０は、上述したアノード１８ｂおよびカソード１８ｃに所定の放電電圧を印加してプラズマアークを生起させるものであり、電源ユニット２０には、いわゆるスイッチング方式の直流電源装置を用いることが好適である。また、電源ユニット２０はスイッチ２６（図１）を介して熱分解ユニット１２に接続されている。したがって、このスイッチ２６を操作することにより、熱分解ユニット１２への電力供給をオン・オフすることができるようになっている。

作動ガス送給ユニット２２は、図２に示すように、アノード１８ｂのプラズマ発生室１８ｄ内に窒素や水素或いはアルゴンなどの作動ガスＧを送給するものであり、ボンベ等(図示せず)に貯蔵された高圧の作動ガスＧを減圧するレギュレータ２２ａと、このレギュレータ２２ａとアノード１８ｂに設けられた作動ガス送給口１８ｆとを連通する作動ガス送給配管２２ｂとを有する。また、作動ガス送給配管２２ｂには、プラズマ発生室１８ｄ内に送給する作動ガスＧの量を制御する流量制御手段２８が取付けられている。

反応器２４は、酸化アルミニウムとシリカとが混合されたキャスタブル耐火材からなる両端が開口した直管型の反応器本体２４ａと、後述する熱分解領域に面する反応器２４の内面を覆うように設けられた酸化マグネシウム製の保護セラミック２４ｂとで構成されている。

また、反応器２４の一端(図２における上端)は、処理対象ガスＦをスパイラル状に吹き込んでプラズマジェットＰの噴出側上流部近傍に供給する排ガス供給器３０を介してプラズマジェットトーチ１８のプラズマジェット噴出孔１８ｅ側の端部に接続されており、高温のプラズマジェットＰと処理対象ガスＦとを囲繞し、その内部空間にて処理対象ガスＦの熱分解を行なうものである（この熱分解が行われる高温領域を「熱分解領域Ｒ」という。）。

この反応器２４の他端は、反応器２４内で分解処理した処理対象ガスＦの排出端となっており、図１に示すように、管体の内壁面に薬液や水を旋回させながら流下させ、処理対象ガスＦ中の粉塵が該管体に付着しないよう洗い流す旋回シャワー３２を介して薬液や水を貯留する水槽３４の天面に接続されている。

プラズマジェットＰ並びに処理対象ガスＦを囲繞するこの反応器２４には、上述のように、その内部空間に高温のプラズマジェットＰによって高温にされた熱分解領域が形成される。このため、反応器２４を流下する処理対象ガスＦのうちプラズマジェットＰに直接接触しなかった未分解の処理対象ガスＦもこの高温領域を通過する際に熱分解されることになる。

また、図示しないが、反応器２４には、反応器２４内の温度、圧力又はプラズマジェットＰ点火状態の少なくとも１つをセンシングするセンサが取り付けられており、このセンサでセンシングした情報を用いて、後述する入口バルブ４０の開閉を自動制御するようにしている。

また、主配管３６には常閉弁４２ａを介してバイパス配管４２の一端が接続されており、このバイパス配管４２の他端は後述する出口スクラバ１４の入口側に接続されている。

そして、反応器２４の外周は、ロックウールや珪酸カルシウムなどの材料で構成された保温材Ｈで囲繞されている。

なお、本実施例では、図１に示すように、２台の処理対象ガス排出源１６ａ、１６ｂがそれぞれバルブ４４を介して主配管３６に接続されているが、ガス処理装置１０に接続する処理対象ガス排出源１６の数はこれに限定されるものではない。

また、複数台の熱分解ユニット１２を水槽３４の上部に並列に配設し、処理対象ガスＦの流量に応じて稼働させる熱分解ユニット１２の台数を調整してもよい。

出口スクラバ１４は、熱分解ユニット１２にて熱分解した処理対象ガスＦを水洗し、粉塵や水溶性成分を除去して清浄化すると共に、熱分解により高温となった処理対象ガスＦを冷却するためのものであり、下端部に排ガス導入口４６が設けられた直管型のスクラバ本体４８と、処理対象ガスＦ通流方向に対向するように上方から薬液や水を噴射する下向きのスプレーノズル５０とで構成されている。

この出口スクラバ１４も、熱分解ユニット１２と同様に水槽３４の天面に立設されており、スプレーノズル５０から噴射された薬液や水が水槽３４に送り込まれる。そして、出口スクラバ１４の頂部出口には、処理済みの処理対象ガスＦを大気中へ放出する排気ファン５４が接続されており、出口スクラバ１４と排気ファン５４との間には、大気を処理対象ガスＦに導入するためのブリーザー５２が介装されている。

以上のように構成された本実施例のガス処理装置１０を用いて処理対象ガスＦを除害する際の手順を具体的に説明する。なお、以下に記載した処理ガス量等の具体的数値は、あくまで一例であり、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。

まず、図示しないガス処理装置１０の電源をオンにして、熱分解ユニット１２の作動ガス送給ユニット２２および流量制御手段２８を作動させてプラズマ発生室１８ｄ内に作動ガスＧ（Ｎ₂：３０Ｌ／ｍｉｎ）を送給する。

続いて、スイッチ２６をオンにして熱分解ユニット１２と電源ユニット２０とを接続し、電源ユニット２０を作動させると共に、熱分解ユニット１２のプラズマジェット点火スイッチ(図示せず)をオンにしてプラズマジェットトーチ１８の電極１８ｂ、１８ｃ間に電圧を印加し、プラズマジェット噴出孔１８ｅからプラズマジェットＰを噴出させる（直流アーク放電：７０Ａ、１００Ｖ）。

そして、反応器２４内における熱分解領域Ｒの温度が処理対象ガスＦを除害可能な（つまり、フッ素化合物を熱分解できる）所定の温度に達すると、主配管３８の入口バルブ４０を開けて、反応器２４内に処理対象ガスＦ（窒素：５０Ｌ／ｍｉｎ＋ＣＦ₄：０．５Ｌ／ｍｉｎ＋Ｈ₂Ｏ：１Ｌ／ｍｉｎ）を供給する。すると、排ガス供給器３０を介して反応器２４内に供給された処理対象ガスＦは、プラズマジェットＰを囲繞するようスパイラル状に流下し、処理対象ガスＦ中のフッ素化合物は、反応器２４内で熱分解される（ＣＦ₄の分解率は９８％）。

そして、熱分解ユニット１２で熱分解された処理対象ガスＦは、反応器２４の下部に設けられた旋回シャワーを通って水槽３４内に入り、水槽３４内側上部（つまり、水槽３４の天面と水面との間の空間）を経由して出口スクラバ１４の排ガス導入口４６に導かれ、該出口スクラバ１４にて水洗および冷却された後、排気ファン５４を介して大気中へと排出される。

フッ素化合物は、処理対象ガスＦ中の（あるいは処理対象ガスＦに添加された）水蒸気や酸素と反応して非常に反応性が高いフッ素、フッ化水素等に変換され、熱分解領域Ｒに面する保護セラミック２４ｂを構成する酸化マグネシウムと反応してフッ化マグネシウムになる。しかし、フッ化マグネシウムの融点（＝１２６０℃）は、反応器本体２４ａを構成する酸化アルミニウムのフッ化物であるフッ化アルミニウムに比べて十分に高いことから、熱分解に必要な温度が高いフッ素化合物（六フッ化硫黄や四フッ化炭素）を分解するために熱分解領域Ｒに面する反応器２４の内面温度が１０００℃以上になったとしても、保護セラミック２４ｂ（＝反応器２４の内面）が減肉するおそれを極小化することができる（通常の運転温度（約１０００℃）よりも高い１２００℃（反応器２４の内面近傍温度）で加速試験（５時間稼働）を行った結果、反応器２４の内面の減肉量は、反応器２４の内面が酸化アルミニウムである場合には約２０ｍｍであったところ、酸化マグネシウム、酸化バリウムあるいは酸化セリウムの場合、減肉は見られなかった。これにより、通常の運転温度下において反応器２４の内面に酸化マグネシウムを用いた場合の耐久性は、大幅に向上すると考えられる。）。

さらに、酸化マグネシウムは、安価で、毒性がないとともに、反応器２４内で長期間使用しても上述のように減肉がほとんどないだけでなく、脆くなって崩れたり、多孔質化したりせず、フッ素化合物の熱分解を行う反応器２４に最適な材質であることがわかった。したがって、酸化マグネシウムを用いた保護セラミック２４ｂを用いることにより、安価で毒性がなく、反応器２４内で長期間使用しても減肉がほとんどないだけでなく、脆くなって崩れたり、多孔質化したりしないという効果を享受することができる。

なお、保護セラミック２４ｂの材質は、酸化マグネシウムに限られず、酸化バリウムあるいは酸化セリウムのいずれかを用いることができるし、また、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムから選択した２種類以上の物質を用いて保護セラミック２４ｂを形成してもよい。

酸化バリウムおよび酸化セリウムも酸化マグネシウムと同様に、フッ素やフッ化水素と反応して、それぞれフッ化バリウムおよびフッ化セリウムになるが、これらの融点は、上述のフッ化アルミニウムに比べて十分に高い（フッ化バリウムの融点は１２８０℃、フッ化セリウムの融点は１３２０℃である。）ことから、熱分解領域Ｒに面する反応器２４の内面温度が１０００℃以上になったとしても、保護セラミック２４ｂ（＝反応器２４の内面）が減肉するおそれを極小化することができる。また、酸化バリウムあるいは酸化セリウムを用いた保護セラミック２４ｂを用いることにより、安価で毒性がなく、反応器２４内で長期間使用しても減肉がほとんどないだけでなく、脆くなって崩れたり、多孔質化したりしないという効果を享受することができる。

また、酸化マグネシウム、酸化バリウムおよび酸化セリウムを用いて反応器２４全体（＝反応器本体２４ａ＋保護セラミック２４ｂ）を構成してもよいし、保護セラミック２４ｂの下端を反応器２４の下端まで延ばすようにしてもよい。要するに、これら酸化物は、熱分解領域Ｒに面し、フッ素化合物が熱分解されることによって生じたフッ素やフッ化水素と反応する位置にのみ用いればよく、本実施例のように、反応器本体２４ａを従来どおりの安価な酸化アルミニウムの（シリカが混合されていてもよい）キャスタブル耐火材で形成し、必要な位置にのみ保護セラミック２４ｂの板を貼るか、コーティング（溶射などの方法でもよい）するだけでも充分な効果が得られるし、反応器２４のコストを低減させることができる。

また、上述の実施例では、フッ素化合物を熱分解するための熱源としてプラズマジェットトーチ１８を用いる場合について説明したが、フッ素化合物の熱分解可能温度まで反応器２４の内部の熱分解領域Ｒを高温にすることができれば、他の熱源を用いることができる。例えば、ガスバーナ（特にアセチレンバーナ）による火炎を熱分解領域Ｒへ導くことにより、フッ素化合物（ＣＦ₄やＳＦ₆）を熱分解することができる。もちろん、熱源として電気ヒータを用いることもできる。

また、上述の実施例では、ガス処理装置１０に出口スクラバ１４を設ける場合を示したが、例えば、後工程に別途排ガス処理工程が設けられており、ガス処理装置１０がフッ素化合物の分解のみを行えばよい場合には、出口スクラバ１４を省略するようにしてもよい。

そして、必要に応じて、熱分解ユニット１２に導入する前に、処理対象ガスＦを湿式のスクラバ（＝入口スクラバ）で洗浄するようにしてもよい。

本発明にかかる処理対象ガスのガス処理装置の概要を示した構成図である。本発明における熱分解ユニットの概要を示す構成図である。従来技術を示す図である。

符号の説明

１０…ガス処理装置
１２…熱分解ユニット
１４…出口スクラバ
１６…処理対象ガス排出源
１８…プラズマジェットトーチ
１８ａ…トーチボディ
１８ｂ…アノード
１８ｃ…カソード
１８ｄ…プラズマ発生室
１８ｅ…プラズマジェット噴出孔
１８ｆ…作動ガス送給口
２０…電源ユニット
２２…作動ガス送給ユニット
２２ａ…レギュレータ
２２ｂ…作動ガス送給配管
２４…反応器
２４ａ…反応器本体
２４ｂ…保護セラミック
２６…スイッチ
２８…流量制御手段
３０…排ガス供給器
３２…旋回シャワー
３４…水槽
３６…主配管
４０…入口バルブ
４２…バイパス配管
４２ａ…常閉弁
４４…バルブ
４６…排ガス導入口
４８…スクラバ本体
５０…スプレーノズル
５２…ブリーザー
５４…排気ファン

Claims

フッ素化合物を含んだ処理対象ガスを囲繞し、その内部における高温の熱分解領域にて前記処理対象ガスの熱分解を行う反応器を備えるガス処理装置において、
前記熱分解領域に面する前記反応器の内面には、酸化マグネシウム、酸化バリウム、および酸化セリウムから選択された１種類以上の物質からなる耐火材が用いられていることを特徴とするガス処理装置。
前記反応器に熱分解用の熱源としてのプラズマジェットを供給するプラズマジェットトーチを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。