JP2016526648A

JP2016526648A - プロセスガス除害装置および除害方法

Info

Publication number: JP2016526648A
Application number: JP2016518580A
Authority: JP
Inventors: アンドリュージェームスシーリー
Original assignee: Edwards Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: TW201509509A; GB2515017B; TWI633926B; EP3008385B1; CN105556211A; KR102315105B1; KR20160019428A; EP3008385A1; CN105556211B; GB2515017A; JP6422953B2; GB201310252D0; WO2014199123A1; US20160230989A1

Abstract

【課題】排ガス流を処理する改善された技術を提供することにある。【解決手段】本発明のプロセスガス除害装置はバーナを有し、該バーナが燃焼チャンバを備え、該燃焼チャンバは、製造プロセスツールからの排ガス流を受入れて燃焼チャンバ内で準大気圧で処理すべく作動でき、燃焼チャンバは更に、燃料、酸化剤および希釈剤を受入れるべく作動でき、燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流を生成し、希釈剤は処理された排出流中で凝縮できる。不活性で凝縮可能な形態の希釈剤を供給することにより、燃焼チャンバ内の体積ゲインが低減され、このため排出流の体積が縮小されかつ第２ポンプに作用する体積負荷が軽減される。したがって、第２ポンプにより大気圧まで上昇させる必要がある燃焼チャンバからのガスの体積が低減されるため、かなりの動力を低減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、プロセスガス除害装置および除害方法に関する。

例えば、半導体またはフラットパネルディスプレイ製造工業で使用される準大気圧で作動する製造プロセスツールから排ガス流を処理する装置は知られている。このような製造中にプロセスツールからポンピングされる排ガス流中には残留過フッ化化合物（perfluorinated compounds：ＰＦＣ）が存在する。ＰＦＣは排ガスから除害または除去することが困難であり、環境中に放出されると比較的高い温室効果活性を有することが知られているため好ましくない。

排ガス除害を行う１つの方法は、プロセスツールからの排ガスを、放射バーナに供給する前に、より高い準大気圧にポンピングすることである。放射バーナは、燃焼を用いてＰＦＣおよび他の化合物をプロセスガス流から除去する。一般に、排ガス流(effluent gas flow)は、ＰＦＣおよび他の化合物を含有する窒素流である。燃料ガスは排ガス流と混合され、このガス流混合物は、多孔ガスバーナの出口面により側面が包囲された燃焼チャンバ内に搬送される。燃料ガスおよび空気は多孔バーナに同時に供給されて、その出口面で無炎燃焼を行う。多孔バーナを通る空気の量は、バーナに供給される燃料ガスだけでなく、燃焼チャンバ内に噴射されるガス流混合物中の全ての可燃物をも燃焼させるのに充分な量である。この結果として処理されたガス流は放射バーナから排出される。その後、処理されたガス流は、通気される前に、大気圧までポンピングされる。

排ガス流を処理する技術は存在するが、各技術はそれぞれの欠点を有している。したがって、排ガス流を処理する改善された技術を提供することが望まれている。

第１態様によれば、バーナを有し、該バーナが燃焼チャンバを備え、該燃焼チャンバは、製造プロセスツールからの排ガス流を受入れて燃焼チャンバ内で、準大気圧で処理すべく作動でき、燃焼チャンバは更に、燃料、酸化剤および希釈剤を受入れるべく作動でき、燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流（exhaust stream）を生成し、希釈剤は処理された排出流中で凝縮できるプロセスガス除害装置が提供される。

第１態様は、前述のように、既存のアプローチではバーナがプロセスツールの圧力と大気圧以下の圧力との間で作動することを認識したものである。例えばバーナは一般に約２００ミリバールで作動され、プロセスガスは多段ドライポンピング機構によりこの圧力まで上昇され、燃焼副生物は、例えば液体リングポンプのような第２ポンプにより第２圧力（例えば大気圧）まで上昇される。

一般に、ハイドロカーボン燃料は、燃焼チャンバ内の燃焼除害を行うエネルギ源となり、この燃料はしばしばメタンである。この燃料はプロセスガス「Ｐ」を燃焼し、下記反応式（１）にしたがって、処理されたプロセスガスＰ´を生成する。
１０Ｐ＋ＣＨ₄＋２Ｏ₂＝ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋１０Ｐ´ （１）

大気圧燃焼特性が準大気圧燃焼についても生じると考えるならば、１分間当たりの１標準リットル（standard litre per minute：ＳＬＭ）のメタンは、約１０ＳＬＭのプロセスガス排出物を除害できることになる。同様にＣＨ₄および純粋酸素についても、燃焼チャンバに入力されるガスの体積と燃焼チャンバにより出力されるガスの体積との間の体積ゲインは１０％に過ぎない（すなわち、１０ＳＬＭのプロセス排出物が燃焼チャンバ内に入力されかつ１１ＳＬＭが燃焼チャンバから出力される）。

しかしながら、通常、空気中には２０．９体積％のＯ₂が存在し、したがって大部分の体積はＮ₂で占められている。空気を使用すれば、Ｏ₂の便利な供給源となるだけでなく、Ｎ₂が燃焼チャンバ内の炎速度および温度の緩和を補助するため燃焼チャンバ内でも有効である。

空気を用いた燃焼は下記反応式（２）で表わされる。
１０Ｐ＋ＣＨ₄＋２Ｏ₂＋８Ｎ₂＝ＣＯ₂＋８Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋１０Ｐ´ （２）

しかしながら、第1態様は、燃焼チャンバに入力されるガスの体積と燃焼チャンバにより出力されるガスの体積との間の体積ゲインはほぼ2倍である（すなわち、１０ＳＬＭのプロセスガスが燃焼チャンバ内に入力されかつ１９ＳＬＭが燃焼チャンバから出力される）。

したがって、プロセスガス除害装置が提供され、この除害装置はバーナを有している。バーナは燃焼チャンバを備え、該燃焼チャンバは、プロセスガスすなわち製造プロセスツールからの排ガス流を受入れる。排ガス流は、燃焼チャンバ内で、準大気圧で処理される。燃焼チャンバは、燃料、酸化剤および希釈剤を受入れる。燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流を生成する。希釈剤は処理された排出流中で凝縮可能である。

第１態様は、既存のアプローチでのＮ₂の目的が燃焼チャンバ内の炎速度および温度を緩和することにあるので、空気中に普通に存在するＮ₂を使用するのは便宜上の理由に過ぎない。このＮを例えば不活性凝縮物の形態をなす希釈剤と置換するならば、燃焼チャンバ内の体積ゲインが低下し、このため排出流の体積が縮小しかつ第２ポンプに作用する体積負荷が低下する。排出流中で希釈剤が相変化するので、体制ゲインが低下し、このため排出流の体積に対する希釈剤の寄与を有効に除去する。これによりかなりの動力が節約される。なぜならば、第２ポンプにより第２圧力（例えば大気圧）まで上昇させる必要がある、より小さい体積のガスが燃焼チャンバから出力されるからである。

一実施形態では、希釈剤は、燃焼チャンバ内に導入されると蒸気になる。したがって、蒸気の形態の希釈剤は燃料および酸化剤と混合されて、排ガス流の処理に必要な特性を有する燃焼が行われる。例えば、凝縮可能な不活性蒸気から排出流中の液体への遷移は、燃焼特性に寄与すると同時に体積ゲインの低減にも寄与する。希釈剤は排出流中で相変化し、このため、排出流の体積への希釈剤の寄与を有効に除去する。

一実施形態では、希釈剤は、気化される前は、燃焼チャンバに導入される液体からなる。これにより、希釈剤の貯蔵を大幅に簡単化できることは理解されよう。

一実施形態では、希釈剤は、処理された排出流中で液体に凝縮する。蒸気から液体への相変化により、体積が大幅に縮小することは理解されよう。

一実施形態では、希釈剤は、第１体積流量で燃焼チャンバ内に導入されて、処理された排出流が第２体積流量を占めるようにし、第２体積流量は第１体積流量より小さい。

一実施形態では、希釈剤は、燃焼チャンバ内の燃焼条件を制御して排ガス流を処理すべく特定体積比に調整される。

一実施形態では、希釈剤は、燃焼チャンバ内に導入される前に、燃料および酸化剤の少なくとも一方と組合わされる。希釈剤および／または燃料および酸化剤の貯蔵を大幅に簡単化できることは理解されよう。

一実施形態では、燃料および酸化剤の少なくとも一方が、燃焼チャンバ内に導入される前に希釈剤により溶解される。

一実施形態では、燃料および酸化剤の両方が、燃焼チャンバ内に導入される前に希釈剤により溶解される。

一実施形態では、希釈剤により溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方が、燃焼チャンバ内に導入される前に気化される。

一実施形態では、希釈剤により溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方および希釈剤が、燃焼チャンバ内に導入される前に共気化（co-vaporised）される。

一実施形態では、希釈剤は、水、ぺルフルオロカーボンおよびハイドロカーボンの少なくとも１つからなる。

一実施形態では、バーナは放射バーナからなり、燃焼チャンバは多孔スリーブを有し、燃料、酸化剤および希釈剤が多孔スリーブを通り、該多孔スリーブの燃焼面に近接して燃焼する。

一実施形態では、処理された排出流は、液体リングポンプに供給されて大気圧に圧縮される。

一実施形態では、希釈剤は液体リングポンプ内で凝縮する。したがって、液体リングポンプは、効率的な凝縮器としても作用する。

一実施形態では、液体リングポンプは、処理された排出流をスクラビングすべく作動できる。

第２態様によれば、製造プロセスツールからの処理すべき排ガス流を燃焼チャンバ内に準大気圧で受入れる段階と、燃料、酸化剤および希釈剤を燃焼チャンバ内に受入れる段階とを有し、燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流を生成し、処理された排出流中で希釈剤を凝縮させる段階を更に有するプロセスガス除害方法が提供される。

一実施形態では、受入れる段階は、希釈剤を蒸気として燃焼チャンバに導入することからなる。

一実施形態では、希釈剤は、燃焼チャンバに導入するための、気化される前の液体からなる。

一実施形態では、凝縮させる段階は、処理された排出流中で希釈剤を液体に凝縮させることからなる。

一実施形態では、受入れる段階は希釈剤を第１体積流量で燃焼チャンバ内に導入することからなり、凝縮させる段階は処理された排出流を第２体積流量で占拠させることからなり、第２体積流量は第１体積流量より小さい。

一実施形態では、受入れる段階は、燃焼チャンバ内の燃焼条件を制御して排ガス流を処理すべく、特定体積流量で希釈剤を供給することからなる。

一実施形態では、本発明の方法は、燃焼チャンバ内に導入する前に、希釈剤を、燃料および酸化剤の少なくとも一方と組み合わせる段階を有している。

一実施形態では、本発明の方法は、燃焼チャンバ内に導入する前に、燃料および酸化剤の少なくとも一方を希釈剤で溶解する段階を有している。

一実施形態では、本発明の方法は、燃焼チャンバ内に導入する前に、燃料および酸化剤の両方を希釈剤で溶解する段階を有している。

一実施形態では、受入れる段階は、燃焼チャンバ内に導入する前に、希釈剤で溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方を気化させる段階を有している。

一実施形態では、受入れる段階は、希釈剤で溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方と、燃焼チャンバ内に導入する前の希釈剤とを共気化させる段階を有している。

一実施形態では、バーナは放射バーナからなり、燃焼チャンバは多孔スリーブを有し、該多孔スリーブを燃料、酸化剤および希釈剤が通って、多孔スリーブの燃焼面に近接して燃焼する。

一実施形態では、本発明の方法は、処理された排出流を液体リングポンプに供給して大気圧に圧縮する段階を有している。

一実施形態では、凝縮段階は、液体リングポンプ内で希釈剤を凝縮することからなる。

一実施形態では、本発明の方法は、処理された排出流を液体リングポンプを用いてスクラビングする段階を有している。

本発明の他の特別な態様および好ましい態様は、特許請求の範囲の独立項および従属項に記載されている。従属項に記載の特徴は独立項に記載の特徴と適宜組合わされて、特許請求の範囲に明記されたもの以外の組合せとすることができる。

装置の特徴は機能を発揮すべく作動するものとして説明されているが、この説明は、前記機能を呈する装置の特徴または該機能を呈するべく構成された装置の特徴を含むものであると理解すべきである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の一実施形態によるプロセスガス除害装置を示す図面である。

概要
実施形態についてより詳細に説明する前に、最初に概要を説明する。実施形態では、放出される排出ガスの体積を縮小させるため、準大気圧燃焼システムは、排出ガス流中に凝縮している希釈剤と一緒に作動される。これにより、大気に通気する前に大気圧に圧縮する必要がある排出ガスの体積が縮小される。

プロセスガス除害
図１は、一実施形態によるプロセスガス除害装置の全体を参照番号１００で示すものである。第１ポンプ段は、半導体のプロセスチャンバのようなプロセスチャンバを真空引きして、プロセスガス流すなわち排ガス流Ｐが１ミリバール程度の第１圧力で供給されるようにし、かつ排ガス流Ｐを１００〜２００ミリバール程度の中間圧力に圧縮する。第１ポンプ段１０は、一般にドライポンプからなる。

放射バーナ２０または他の燃焼装置が、排ガス流Ｐを中間圧力で受入れる。また、放射バーナ２０は、希釈剤Ｄに加えて燃料／酸化剤混合物を受入れる。排ガス流Ｐは、多孔ガスバーナの出口面により側面が包囲された燃焼チャンバ内に供給される。希釈剤Ｄと同時に、燃料／酸化剤混合物が多孔バーナに供給され、出口面で無炎燃焼を行う。多孔バーナを通る酸化剤の量は、バーナに供給される燃料だけでなく、燃焼チャンバ内に噴射される排ガス流中の全ての可燃物をも燃焼するのに充分な量である。希釈剤Ｄは、多孔バーナの出口面の炎速度を制御しかつ燃焼チャンバ内の温度および他の燃焼特性を制御するのに充分な量が供給される。処理された排ガス流Ｐ´は、燃焼チャンバ内の燃焼の他の副生物と一緒に放射バーナから排出される。希釈剤Ｄは、処理された排ガス流中で凝縮する。

処理された排ガス流Ｐ´は、液体リングポンプのような第２ポンプ段３０供給され、第２ポンプ段３０は、処理された排ガス流Ｐ´を、大気に通気する前に、燃焼チャンバ内の燃焼の他の副生物と一緒に大気圧のような第２圧力に圧縮する。

作動例
この例では、排ガス流Ｐは、１０ＳＬＭ（１分間当たりの標準リットル：standard litres per minute）の流量で、第１ポンプ段１０から放射バーナ２０に供給される。排ガス流Ｐを処理するため、燃料／酸化剤混合物が、８ＳＬＭの流量の希釈剤Ｄと一緒に３ＳＬＭの流量で供給され、下記反応（３）にしたがって燃焼チャンバ内の炎速度、温度および他の燃焼特性を充分に制御して、排ガス流Ｐを正確に処理する。
１０Ｐ＋ＣＨ₄＋２Ｏ₂＋８Ｄ（ｇ）＝ＣＯ₂＋８Ｄ（ｌ）＋２Ｈ₂Ｏ＋１０Ｐ´ （３）

例えば、約２００ミリバールで作動するこのような放射バーナ２０の燃料は、例えばメタンのようなハイドロカーボンおよび酸素である。この燃料は、希釈剤Ｄで適当な濃度に希釈される。

希釈剤Ｄは排ガス流Ｐ´中で凝縮するので、大気中の条件下では一般に液体であり、したがって燃焼チャンバに供給される前に気化させるべく加熱する。したがって、液体希釈剤Ｄは燃料および／または酸化剤と混合して、これらが燃焼チャンバ内に導入される前に便利な方法で貯蔵できる。

希釈剤
一例では、希釈剤Ｄは水が便利である。燃焼チャンバ内の炎温度で多量の水蒸気が得られることの他の長所は、これにより、下記式（４）にしたがって排ガス流Ｐ中のＦ₂除害のための付加反応力（additional reagent）が得られることにある。
Ｆ₂＋Ｈ₂Ｏ＝２ＨＦ＋１／２Ｏ₂ （４）

発生した過剰Ｏ₂も、例えばＳｉＨ₄のような沈着ガスと反応するので有効である。
燃料は、水中に溶解すると貯蔵に便利である。例えば、アルコールは水中に溶解して水溶液となり、次に、この水溶液は燃焼チャンバ内に導入される前に気化される。同様に、酸化剤も水中に溶解できれば貯蔵に便利である。例えば、過酸化水素は水中に溶解されて水溶液を形成し、該水溶液は次に、燃焼チャンバ内に導入される前に気化される。同様に、燃料および酸化剤の両方が水中に溶解できれば、貯蔵に便利である。これが７０℃／３００ミリバールの源から得られるならば、作るのに約２６００Ｊ／ｇが必要となる。これを行う動力は、
（８／２２．４）×１８×２６００／６０＝約２８０ワット
となる。

この動力は、真空ポンプ内で発生された廃熱から得られる。一体システムでは、水（およびポンプ）は電気的に予熱され、温度は気化と発熱とのバランスにより維持される。

約１０ＳＬＭの処理すべきプロセスガスＰが存在する上記例を考察すると、約１ＳＬＭのＣＨ₄および２ＳＬＭのＯ₂が必要である。これを希釈しかつ空気により達成される燃焼特性と同様な燃焼特性を得るには、希釈剤Ｄとして約８ＳＬＭのＨ₂Ｏも必要である。

処理された排ガス流中で水が凝縮されるため、１ＳＬＭのＣＯ₂と一緒に約１０ＳＬＭの処理された排ガス流Ｐ´が得られる。このことは、第２ポンプ段３０には１９ＳＬＭが供給されるのではなく、僅かに約１１ＳＬＭが供給されることを意味し、これにより、圧縮すべき量がかなり減少されかつこれを達成するための動力消費も低減される。

第２ポンプ段３０は液体リングポンプで構成できる。液体リングポンプを用いることは、希釈剤の凝縮を補助できかつ得られるガス流のスクラビングに使用できることから特に有利である。

上記例は希釈剤として水を使用したが、希釈剤として、排ガス流中で凝縮する任意の適当な化合物、例えばぺルフルオロカーボンまたはハイドロカーボンを使用できる。

以上、添付図面を参照して本発明の例示実施形態を詳細に説明したが、本発明は正確な実施形態に限定されるものではないこと、および当業者ならば特許請求の範囲に定められた本発明の範囲およびこれらの均等物から逸脱することなく種々の変更をなし得るものであることは理解されよう。

１０第１ポンプ段
２０放射バーナ
３０第２ポンプ段
１００プロセスガス除害装置
Ｐ排ガス流
Ｐ´ 処理された排ガス流

Claims

バーナを有するプロセスガス除害装置において、
バーナが燃焼チャンバを備え、該燃焼チャンバは、製造プロセスツールからの排ガス流を受入れて燃焼チャンバ内で、準大気圧で処理すべく作動でき、燃焼チャンバは更に、燃料、酸化剤および希釈剤を受入れるべく作動でき、燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流を生成し、希釈剤は処理された排出流中で凝縮できることを特徴とするプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、燃焼チャンバ内に導入されると蒸気になることを特徴とする請求項１記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、気化される前は、燃焼チャンバに導入される液体からなることを特徴とする請求項１または２記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、前記処理された排出流中で液体に凝縮することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、第１体積流量で燃焼チャンバ内に導入されて、前記処理された排出流が第２体積流量を占めるようにし、第２体積流量は第１体積流量より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、燃焼チャンバ内に導入される前に、燃料および酸化剤の少なくとも一方と組合わされることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記燃料および酸化剤の少なくとも一方が、燃焼チャンバ内に導入される前に希釈剤により溶解されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記燃料および酸化剤の両方が、燃焼チャンバ内に導入される前に希釈剤により溶解されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤により溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方が、燃焼チャンバ内に導入される前に気化されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤により溶解された燃料および酸化剤の少なくとも一方および希釈剤が、燃焼チャンバ内に導入される前に共気化されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は、水、ぺルフルオロカーボンおよびハイドロカーボンの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記処理された排出流は、液体リングポンプに供給されて大気圧に圧縮されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載のプロセスガス除害装置。
前記希釈剤は液体リングポンプ内で凝縮することを特徴とする請求項１２記載のプロセスガス除害装置。
前記液体リングポンプは、前記処理された排出流をスクラビングすべく作動できることを特徴とする請求項１２または１３記載のプロセスガス除害装置。
製造プロセスツールからの処理すべき排ガス流を燃焼チャンバ内に準大気圧で受入れる段階と、
燃料、酸化剤および希釈剤を燃焼チャンバ内に受入れる段階とを有し、燃料、酸化剤および希釈剤は燃焼チャンバ内の燃焼を制御して排ガス流を処理し、処理された排出流を生成し、
処理された排出流中で希釈剤を凝縮させる段階を更に有することを特徴とするプロセスガス除害方法。