JP2010207771A - 排ガス処理装置および排ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置や工程を簡略化する。
【解決手段】排ガス処理装置１０は、複数の半導体製造装置２０から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置１０であって、複数の半導体製造装置２０から排出されるそれぞれの排ガスを集めて混合し収容するガス収容部４０と、ガス収容部４０で混合された混合ガスを希釈ガスで希釈する希釈部５０と、混合ガスを除害する除害部５２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置および方法に関する。

従来、エチレン製造の際に副生ガスとして発生する水素ガスは、各種産業の製造工場において原料等として使用されている。そこで、複数のガス供給源からガス流路を介して複数のガス消費地にガスを安定供給する方法が知られている（特許文献１）。その際、ガスの需給バランスによる圧力変動が小さくなるように制御変数が動的圧力変動解析により決定され、この制御変数を用いてガス圧力調整弁やガス流量調整弁の開度が制御される。

特開２００４−２２０２３７号公報

ところで、半導体製造装置では様々な原料ガス、雰囲気ガスが用いられており、各装置から排出された排ガスは、その排ガスの種類や成分に応じた適切な処理、例えば、除害や希釈が必要となる。しかしながら、排ガスの種類や成分が同じであってもガス濃度が異なる場合には、同じ条件の処理が行えない場合もある。そのため、同種の半導体製造装置から排出された排ガスであっても、装置毎に設けられた処理装置で処理する必要があり、システム全体が大規模になる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置や工程を簡略化する技術の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の排ガス処理装置は、複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置であって、複数の半導体製造装置から排出されるそれぞれの排ガスを集めて混合し収容するガス収容部と、ガス収容部で混合された混合ガスを希釈ガスで希釈する希釈部と、混合ガスを除害する除害部と、を備える。

この態様によると、複数の半導体製造装置から排出されるそれぞれの排ガスの希釈や除害を半導体製造装置毎に行わずに一括した処理が可能となり、排ガス処理装置全体を小型化、簡略化できる。なお、半導体製造装置とは、半導体そのものを製造する装置だけでなく、半導体や太陽電池、またその関連部品の製造に際し必要な処理を行う装置も含まれる。

ガス収容部で混合された混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガスの濃度を算出する濃度算出部を更に備えてもよい。希釈部は、算出された除害ガスの濃度に応じて、導入される希釈ガスの量を制御してもよい。これにより、除害ガスの濃度に応じた適切な希釈が行われるとともに、除害部での適切な除害処理が安定して行われる。

なお、除害ガスとは、例えば、そのガスの性質上何らかの処理、例えば、分解処理や合成処理による無害化を施さなければそのまま外部へ排出できないものをいう。具体的にはシランやＰＦＣが例示される。より具体的には、除害ガスは、モノシランであってもよい。

ガス収容部から除害部までの経路におけるガスの圧力を検出する圧力検出部を更に備えてもよい。除害部は、複数の除害装置を有するとともに、検出したガスの圧力に応じた数の除害装置に混合ガスを分配してもよい。これにより、検出したガスの圧力に応じた数の除害装置に混合ガスが分配されるため、一台の大型の除害装置を常に用いる場合と比較して、除害部での効率的な装置の稼働が可能となる。

ガス収容部に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なバッファーを更に備えてもよい。これにより、ガス収容部でのガス混合処理または除害部での除害処理が十分に行えないような状況であっても、半導体製造装置の稼働を止めずに排ガス処理を継続することができる。ここで、非常時とは、通常想定しているプロセス条件や排ガスの処理量を逸脱する事態が生じる場合が考えられる。例えば、除害装置の発熱や、希釈ガスの漏洩、排ガスの圧力の高圧化等が挙げられる。

排ガスまたは混合ガスの圧力を検出する圧力検出部と、ガス収容部に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なバッファーと、圧力検出部で検出したガスの圧力が所定値よりも大きい場合に、ガス収容部に向かって流れる排ガスの少なくとも一部がバッファーに貯留されるように流路を切り替える流路切替部と、を更に備えてもよい。これにより、排ガスや混合ガスの圧力が高まり、除害装置でも許容処理量を超えるような状態が推測される場合には、一時的にバッファーに排ガスを収容させることで、半導体製造装置の稼働を止めずに排ガス処理を継続することができる。

本発明の別の態様は、排ガス処理方法である。この方法は、複数の半導体製造装置から排出される排ガスを集めて混合する混合工程と、混合された混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガスの濃度に応じて希釈ガスで希釈する希釈工程と、希釈された混合ガスを除害する除害工程と、を備える。

この態様によると、複数の半導体製造装置から排出されるそれぞれの排ガスの希釈や除害の条件を半導体製造装置毎に設定する必要がなく、同じ条件で一括した処理が可能となり、排ガス処理方法の工程を簡略化できる。

本発明によれば、複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置や工程を簡略化することができる。

本実施の形態に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 モノシランの発熱およびシリカの粉体の発生の観点から得られた、モノシラン濃度に対して好ましい窒素希釈倍率を示した図である。 各実施例に係る混合ガスのモノシラン濃度と窒素希釈倍率を表としてまとめた図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。以下では、除害の必要なガスとしてモノシラン、除害の必要のないガスとして水素を含む排ガスに適した排ガス処理装置について説明するが、混合ガスの種類はこれに限られるものではない。例えば、除害の必要なガスとしてＰＦＣ（perfluorocarbon），ＣＨＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３などを含む排ガスや、除害の必要のないガスとして窒素を含む排ガスに対しても本願の排ガス処理装置を適用できることはいうまでもない。なお、ＰＦＣとして代表的なものとしてはＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_８が挙げられる。

図１は、本実施の形態に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。

複数の半導体製造装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・２０ｎ（以下、適宜「半導体製造装置２０」という）は、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置である。半導体製造装置２０によって製造される太陽電池は、より具体的には、少なくともアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）と微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）などの珪素を含む化合物の組合せで構成される。なお、複数の半導体製造装置２０は、それぞれが必ずしも同じ装置である必要はなく、同種の処理を行う装置や同種のガスを用いる装置が適宜組み合わされたものであってもよい。

半導体製造装置２０から排出される排ガスは、除害が必要なモノシラン、除害が不要な水素および微量不純物を含む。微量不純物として、ジシラン、トリシランなどのＳｉを複数含む高次シラン、ＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６（それぞれ０．０１〜１％）、窒素（５％以下）が挙げられる。本実施の形態では、水素とモノシランの比（水素／モノシラン）は、２〜１００である。

排ガス処理装置１０は、複数の半導体製造装置２０から排出された排ガスを処理する。排ガス処理装置１０は、複数のポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，・・・１２ｎ（以下、適宜「ポンプ１２」という）、フィルタ部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，・・・３０ｎ（以下、適宜「フィルタ部３０」という）、ガス収容部４０、バッファー４２、圧力検出部４４、フーリエ変換型赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）４６、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４８、希釈部５０、および除害部５２を備える。

ポンプ１２は、半導体製造装置２０から排出された混合ガスを吸引し、窒素とともにフィルタ部３０に送出する。ポンプ１２にて添加される窒素は５％以下である。

フィルタ部３０は、高次シランを選択的に除去する微粒子捕捉フィルタである。半導体製造装置２０から排出された排ガスはフィルタ部３０を通過する。これにより、排ガスから高次シランが除去される。

ガス収容部４０は、複数の半導体製造装置２０から排出されるそれぞれの排ガスを集めて混合し収容する。また、バッファー４２は、ガス収容部４０に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なように、ガス収容部４０と並列に設けられている。半導体製造装置２０から排出された排ガスは、その全部または一部が三方弁３８の開閉によりガス収容部４０またはバッファー４２へ送出される。

ガス収容部４０やバッファー４２で混合された排ガスは、混合ガスとして希釈部５０に向けて送出される。ガス収容部４０と希釈部５０との間の経路には、混合ガスの圧力を検出する圧力検出部４４と、混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガス、本実施の形態ではモノシランガス、の濃度を算出する濃度算出部としてのＦＴ−ＩＲ４６と、ガス収容部４０から希釈部５０へ向かう混合ガスの流量を制御するＭＦＣ４８と、が設けられている。

希釈部５０は、後述する除害部５２で除害装置が安定にまた効率的に稼働するように外部から窒素が導入され、混合ガスを希釈する。本実施の形態に係る除害部５２は、燃焼により、混合ガスの除害化処理を行うものであり、燃焼に伴う分解炉の温度上昇やシリカの粉体の発生を考慮しつつ効率的な除害化処理が必要である。

そこで、本実施の形態のように排ガスにモノシランと水素が含まれている場合には、希釈部５０における窒素による希釈倍率は、以下の観点から決定するとよい。

水素とモノシランの燃焼熱はそれぞれ、
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２＝Ｈ_２Ｏ＋２８５ｋＪ／ｍｏｌ
ＳｉＨ_４＋２Ｏ_２＝ＳｉＯ_２＋１５０５ｋＪ／ｍｏｌ
となり、特にモノシランの燃焼熱が高い。そのため、モノシランの濃度が高い場合は、窒素による希釈倍率を高めることで除害部５２における分解炉やその他の部品に燃焼熱が与える影響を軽減することができる。

また、除害部５２におけるモノシランの燃焼により生成する酸化ケイ素（シリカ）は粉体として除害部５２の各部に付着することがある。そこで、このようなシリカの発生を抑制するために、窒素による希釈後の混合ガスのモノシランの濃度が概ね２％以下となるように希釈部５０に導入される窒素の量を制御する。

このように、除害部５２を安定に運転するためには、水素・モノシランの割合で窒素希釈倍率を定めたり、窒素希釈後のモノシラン濃度に上限を定めるとよい。これにより、分解炉の温度上昇を防ぎ、粉体の発生を抑制することができる。

図２は、モノシランの発熱およびシリカの粉体の発生の観点から得られた、モノシラン濃度に対して好ましい窒素希釈倍率を示した図である。希釈部５０は、図２に示す各基準線の上方であって、各基準線になるべく近い希釈倍率となるように導入する窒素の量を制御する。

以下では、モノシランと水素とを含む混合ガス中のモノシラン濃度と窒素希釈倍率を異ならせた混合ガスについて、粉体発生の有無と分解炉の温度上昇の有無とを確認した。図３は、各実施例に係る混合ガスのモノシラン濃度と窒素希釈倍率を表としてまとめた図である。

例えば、実施例１に示す混合ガスは、モノシラン濃度が１００ｍｏｌ％、水素濃度は０ｍｏｌ％であり、窒素により２０倍に希釈された後に除害部５２にて除害される。実施例１に係る混合ガスでは、図３に示すように、粉体の発生および分解炉の温度が上昇しており、希釈部５０における窒素での希釈が不十分であったことを示している。同様に、実施例３，４，６，７，９に係る混合ガスは、図３に示す窒素希釈倍率では十分な除害が行われていないことが示唆される。

一方、実施例２に示す混合ガスは、モノシラン濃度が１００ｍｏｌ％、水素濃度は０ｍｏｌ％である点は実施例１と同様であるが、窒素により６０倍に希釈された後に除害部５２にて除害されている点が異なる。そのため、実施例２に係る混合ガスでは、図３に示すように、粉体の発生がなく分解炉の異常な温度上昇も生じておらず、希釈部５０における窒素での希釈が十分であったことを示している。同様に実施例５，８，１０に係る混合ガスにおいても、図３に示すように、粉体の発生がなく分解炉の異常な温度上昇も生じておらず、希釈部５０における窒素での希釈が十分であったことを示している。

このように、図２に示す粉体発生基準線や異常発熱基準線以上の倍率で窒素希釈することで安定に除害することができる。

上述のように、本実施の形態に係る排ガス処理装置１０は、複数の半導体製造装置２０から排出されるそれぞれの排ガスを一度ガス収容部４０で混合するため、希釈部５０や除害部５２を半導体製造装置毎に設ける必要がなく、排ガス処理装置全体を小型化、簡略化できる。

また、ガス収容部４０で混合された混合ガスに含まれる除害の必要なモノシランガスの濃度を算出するＦＴ−ＩＲ４６を備えており、希釈部５０は、算出されたモノシランガスの濃度に応じて、導入される希釈ガスの量を制御する。そのため、本実施の形態に係る排ガス処理装置１０においては、混合ガスに含まれるモノシランガスの濃度に応じた適切な希釈が行われるとともに、除害部５２での適切な除害処理が安定して行われる。ここで、除害ガスの濃度算出部としては、ＦＴ−ＩＲ以外にも質量分析（Mass Spectrometry）や吸光分析によって濃度を算出する装置であってもよい。また、濃度算出部は、各半導体製造装置２０に原料やプロセスガスとして供給される各種ガスの既知の濃度から、混合ガスに含まれるモノシランや水素の濃度を算出する演算装置であってもよい。

複数の半導体製造装置が接続されている排ガス処理装置１０では、ガス収容部４０に集められる排ガスの量は、半導体製造装置の稼働台数や稼働状況において変動する。つまり、ガス収容部４０から送出される混合ガスの圧力も変動する。そこで、圧力検出部４４で混合ガスの圧力を検出することで、後段の除害部５２で必要な処理能力が推測できる。本実施の形態に係る除害部５２は、複数の除害装置５２ａを有しているとともに、検出したガスの圧力に応じた数の除害装置５２ａに混合ガスを分配できるように構成されている。これにより、検出したガスの圧力に応じた数の除害装置５２ａに混合ガスが分配されるため、一台の大型の除害装置を常に用いる場合と比較して、除害部５２での効率的な装置の稼働が可能となる。

また、排ガス処理装置１０は、ガス収容部４０に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なバッファー４２を備えている。そのため、ガス収容部４０でのガス混合処理または除害部５２での除害処理が十分に行えないような状況であっても、半導体製造装置２０から排出された排ガスをバッファー４２に貯留することで、半導体製造装置２０の稼働を止めずに排ガス処理を継続することができる。

具体的には、排ガス処理装置１０は、圧力検出部４４で検出したガスの圧力が所定値よりも大きい場合に、ガス収容部４０に向かって流れる排ガスの少なくとも一部がバッファー４２に貯留されるように三方弁３８を切り替える。これにより、排ガスや混合ガスの圧力が高まり、除害部５２でも許容処理量を超えるような状態が推測される場合には、一時的にバッファーに排ガスを収容させることで、半導体製造装置の稼働を止めずに排ガス処理を継続することができる。

上述の排ガス処理装置を処理方法という観点から述べると、本実施の形態に係る排ガス処理方法は、複数の半導体製造装置２０から排出される排ガスを集めて混合する混合工程と、混合された混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガスの濃度に応じて希釈ガスで希釈する希釈工程と、希釈された混合ガスを除害する除害工程と、を含む。

この排ガス処理方法によれば、複数の半導体製造装置２０から排出されるそれぞれの排ガスの希釈や除害の条件を半導体製造装置毎に設定する必要がない。すなわち、希釈部５０による一括した希釈や除害部５２による一括した除害処理が可能となり、排ガス処理方法の工程を簡略化できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 排ガス処理装置、 １２ ポンプ、 ２０ 半導体製造装置、 ３０ フィルタ部、 ３８ 三方弁、 ４０ ガス収容部、 ４２ バッファー、 ４４ 圧力検出部、 ４６ ＦＴ−ＩＲ、 ４８ ＭＦＣ、 ５０ 希釈部、 ５２ 除害部、 ５２ａ 除害装置。

Claims (7)

1. 複数の半導体製造装置から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置であって、
   前記複数の半導体製造装置から排出されるそれぞれの排ガスを集めて混合し収容するガス収容部と、
   前記ガス収容部で混合された混合ガスを希釈ガスで希釈する希釈部と、
   前記混合ガスを除害する除害部と、
   を備えることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記ガス収容部で混合された混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガスの濃度を算出する濃度算出部を更に備え、
   前記希釈部は、算出された除害ガスの濃度に応じて、導入される希釈ガスの量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記除害ガスは、モノシランであることを特徴とする請求項２に記載の排ガス処理装置。
4. 前記ガス収容部から前記除害部までの経路におけるガスの圧力を検出する圧力検出部を更に備え、
   前記除害部は、複数の除害装置を有するとともに、検出したガスの圧力に応じた数の除害装置に混合ガスを分配することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス処理装置。
5. 前記ガス収容部に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なバッファーを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス処理装置。
6. 前記排ガスまたは前記混合ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
   前記ガス収容部に向かう排ガスの少なくとも一部を非常時に収容可能なバッファーと、
   前記圧力検出部で検出したガスの圧力が所定値よりも大きい場合に、前記ガス収容部に向かって流れる排ガスの少なくとも一部が前記バッファーに貯留されるように流路を切り替える流路切替部と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス処理装置。
7. 複数の半導体製造装置から排出される排ガスを集めて混合する混合工程と、
   混合された混合ガスに含まれる除害の必要な除害ガスの濃度に応じて希釈ガスで希釈する希釈工程と、
   希釈された前記混合ガスを除害する除害工程と、
   を備えることを特徴とする排ガス処理方法。

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