JP2017001024A - 水素含有排ガスの処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素含有排ガスの処理装置を提供する。【解決手段】本発明による水素含有排ガスの処理装置２００は、半導体の表面改質工程で発生する水素含有排ガスＨＧが流入される水素含有排ガス流入管１１０、及び酸素を含む空気Ａが流入される酸素を含む空気流入管２３１が少なくとも一側に連結され、水素含有排ガスＨＧと触媒反応を起こす触媒を含む複数個の触媒担体部２１６、２５６を含む処理部２１０、２５０を含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、水素含有排ガスの処理装置に係り、より詳細には、半導体の表面改質工程で発生する水素含有排ガスを触媒反応を通じて処理することができる水素含有排ガスの処理装置に関する。

半導体の製造工程で拡散酸化工程のような表面改質工程では、必要な薄膜を形成するために、水素、窒素、アンモニアなどを使う。そのうち、水素ガスは、約４％〜７５％で発火するので、大気中に直ちに排出する場合に、爆発の原因にもなりうる。したがって、排ガスで水素の濃度を低めることが必須である。

従来の水素含有排ガスを処理する方法としては、熱を用いた燃焼法、水を用いた湿式法などがある。燃焼法は、水素を１０００℃以上の超高温で燃焼させることによって、水素を処理する方法であり、湿式法は、多量の水を噴霧して水素を一部溶解させて水素を処理する方法であり、湿式法よりは、燃焼法の方が処理効率において優れるので、主に使われる。

図１は、従来の燃焼法を用いた水素含有排ガスの処理装置２０を示す側面図である。

図１を参照すれば、半導体処理装置１０のガス排出部１１が水素含有排ガスの処理装置２０まで連結されて、水素含有排ガスＨＧがチャンバ内部に流入されうる。チャンバ内部には、燃焼のために瞬間的に高温の熱を発生させる発火部２１がガス排出部１１と隣接して形成されている。そして、水素含有排ガスＨＧの燃焼に必要な、酸素などの工程ガスＯＧが、外部の工程ガス供給装置から工程ガス供給管２５を通じて供給されうる。水素処理工程を終えた後に、水蒸気などを含む排出ガスは、排出部２６を通じて外部に排出されうる。

前記のような、従来の水素含有排ガスの処理装置２０は、高効率で水素を処理することができる長所はあるが、水素含有排ガスＨＧの濃度が高濃度から低濃度に変わる場合には、燃焼が起こらないか、不安定になって、水素含有排ガスＨＧの水素が処理されず、そのまま外部に放出されるという問題点があった。そして、燃焼を用いるために、装置内部での爆発の危険が常存し、常にチャンバ内部を高温に保持する必要があるために、工程コストが増え、ヒーターの保持、管理が容易ではないという問題点があった。

本発明は、前記のような従来技術の諸問題点を解決するために案出されたものであって、水素含有排ガスの濃度とは関係なく、水素処理工程が行われる水素含有排ガスの処理装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、水素含有排ガスの水素処理の効率を最大化した水素含有排ガスの処理装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、装置の耐久性を向上させて、工程コストを減少させ、水素処理工程で危険の発生要素を減らすことができる水素含有排ガスの処理装置を提供することを目的とする。

前記の目的を果たすために、本発明の一実施形態による水素含有排ガスの処理装置は、半導体の表面改質工程で発生する水素含有排ガスが流入される水素含有排ガス流入管、及び酸素を含む空気が流入される酸素を含む空気流入管が少なくとも一側に連結され、前記水素含有排ガスと触媒反応を起こす触媒を含む複数個の触媒担体部を含む処理部を含むことを特徴とする。

前記のように構成された本発明によれば、水素含有排ガスの濃度とは関係なく、水素処理工程が行われる。

また、本発明は、水素含有排ガスの水素処理の効率を最大化することができる。

また、本発明は、装置の耐久性を向上させて、工程コストを減少させ、水素処理工程で危険の発生要素を減らすことができる。

従来の燃焼法を用いた水素含有排ガスの処理装置を示す側面図である。 本発明の一実施形態による水素含有排ガスの処理装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態による第１処理部を示す側面図である。 本発明の一実施形態による混合板を示す平面図である。 本発明の一実施形態による反応部を示す平面図である。

後述する本発明についての詳細な説明は、本発明が実施される特定の実施形態を例示として図示する添付図面を参照する。これら実施形態は、当業者が本発明を十分に実施可能なように詳しく説明される。本発明の多様な実施形態は、互いに異なるが、相互排他的である必要はないということを理解しなければならない。例えば、これに記載されている特定の形状、構造、及び特性は、一実施形態に関連して、本発明の精神及び範囲を外れず、他の実施形態として具現可能である。また、それぞれの開示された実施形態内の個別構成要素の位置または配置は、本発明の精神及び範囲を外れず、変更されうるということを理解しなければならない。したがって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として取ろうとするものではなく、本発明の範囲は、適切に説明されるならば、その請求項が主張するものと均等なあらゆる範囲と共に、添付の請求項によってのみ限定される。図面で類似した参照符号は、多様な側面にわたって同一または類似した機能を指称し、長さ及び面積、厚さなどとその形態は、便宜のために誇張されて表現されることもある。

また、本明細書において、水素処理工程とは、水素含有排ガス内に含まれた水素ガスを水蒸気などの他の物質に変換して、水素ガスの濃度を減らす一連の工程をいずれも含むものと理解されうる。

また、本明細書において、水素含有排ガスの処理装置は、半導体処理装置だけではなく、原子力発電の冷却炉から生成される水素処理、自動車マフラーの排ガス処理などの分野にも使えるということを明らかにする。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による水素含有排ガスの処理装置を詳しく説明する。

図２は、本発明の一実施形態による水素含有排ガスの処理装置２００の全体構成を示す側面図であり、図３は、本発明の一実施形態による第１処理部２１０を示す側面図である。

図２及び図３を参照すれば、本実施形態による水素含有排ガスの処理装置２００は、処理部２１０、２５０を含みうる。

処理部２１０、２５０は、水素含有排ガスＨＧと触媒反応を起こす触媒を含む複数個の触媒担体部２１６、２５６を含みうる。処理部は、下部に位置する第１処理部２１０と上部に位置する第２処理部２５０とを含みうる。

第１処理部２１０は、高濃度水素を含む水素含有排ガスＨＧが効率的に水素処理される空間を提供し、第２処理部２５０は、第１処理部２１０で相当部分水素処理された低濃度水素を含む水素含有排ガスＨＧ１が効率的に水素処理される空間を提供することができる。

水素含有排ガスＨＧは、半導体処理装置１００内で半導体の表面改質工程などで発生し、半導体処理装置１００のガス排出部（図面符号図示せず）を通じて排出されうる。そして、水素含有排ガスＨＧは、ガス排出部と一端が連結され、第１処理部２１０の一側に他端が連結された水素含有排ガス流入管１１０を通じて第１処理部２１０の内部に流入されうる。

また、第１処理部２１０の内部で水素含有排ガスＨＧとの反応性、水素濃度制御などのために、他の工程ガスをさらに流入させうるが、本発明では、酸素を含む空気Ａ［以下、酸素を含む空気Ａ］を流入させうる。酸素を含む空気Ａは、外部の酸素を含む空気供給部２３０から第１処理部２１０の一側に連結された酸素を含む空気流入管２３１を通じて第１処理部２１０の内部に供給されうる。

第１処理部２１０は、下部に位置し、水素含有排ガスＨＧと酸素を含む空気Ａとが流入され、混合されるガス流入部２１１及び上部に位置し、複数個の触媒担体部２１６が配される反応部２１５に区画されうる。水素含有排ガス流入管１１０と酸素を含む空気流入管２３１が、ガス流入口２１１の一側に連結されなければならないということはいうまでもない。

図４は、本発明の一実施形態による混合板２１３を示す平面図である。

図２ないし図４を参照すれば、ガス流入部２１１は、導入部２１２と複数個の混合板（２１３：２１３ａ、２１３ｂ）とを含みうる。

導入部２１２は、水素含有排ガス流入管１１０と酸素を含む空気流入管２３１とから流入された水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａが流入されて、空間を提供することができる。導入部２１２で、１次的に水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａが混合されうる。

複数個の混合板（２１３：２１３、２１３ｂ）は、導入部２１２上で垂直方向に互いに間隔をおいて水平方向に配置される。混合板２１３には、横及び縦方向に沿って複数個の混合口２１４ａ、２１４ｂが形成されうる。混合板２１３は、２つ（２１３ａ、２１３ｂ）であると示されているが、それ以上でも良く、混合口２１４ａ、４１ｂの個数も適切に調節される。

導入部２１２で、１次的に混合された水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａは、混合板２１３の混合口２１４ａ、２１４ｂを通過しながら上昇移動する過程で、２次的にさらに混合がよく起こりうる。これにより、均一に混合されたガスが、反応部２１５に移動することができる。

特に、水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａがさらに混合がよく起こるように、流路を長く形成する必要がある。このために、それぞれの混合板２１３ａ、２１３ｂに横及び縦方向に沿って形成された複数個の混合口２１４ａ、２１４ｂは、交差するように形成されることが望ましい。図４の（ａ）と図４の（ｂ）には、下部に位置した混合板２１３ａの混合口２１４ａは、上部に位置した混合板２１３ｂの混合口２１４ｂと交差しないように形成された構成が示されている。すなわち、同じ垂直軸上の空間を占有しないように混合口２１４ａ、２１４ｂが形成されることによって、流路を長く形成することができるという利点がある。

反応部２１５は、ガス流入部２１１［または、混合板２１３］の上部に位置し、複数個の触媒担体部２１６を含みうる。触媒担体部２１６は、水素含有排ガスＨＧに含まれた水素ガスと触媒反応を起こしうる触媒を含む。水素含有排ガスＨＧ内の水素と酸素を含む空気Ａ内の酸素は、触媒担体部２１６の触媒と接触して、ラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）化され、該ラジカル化された水素と酸素とが反応して、水蒸気［または、水］が生成される触媒反応を起こしうる。これにより、水素が処理（除去）される。

触媒反応は、約５００℃で行われ、触媒反応過程中に生成された水蒸気の一部は凝縮されうる。凝縮された水蒸気ｗ［または、水ｗ］は、第１処理部２１０の一側に連結された第１ウォータードレインポート２４０を通じて外部に排出されうる。

触媒担体部２１６は、それ自体で触媒金属でも、一部に触媒金属をコーティングしたものでもあり得る。一方、触媒として使われる物質のほとんどが高価であるという点を勘案すれば、触媒担体部２１６は、低価の金属またはセラミックの表面に触媒金属をコーティングしたことが望ましい。触媒担体部２１６の少なくとも一部にコーティングされる触媒金属として、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などの白金系金属と、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）などを使うことができる。

本発明は、第１処理部２１０［または、反応部２１５］で触媒担体部２１６が水平方向に沿って配されることを特徴とする。

第１処理部２１０は、後述する第２処理部２５０よりも水平面積を大きく設計することが望ましい。第１処理部２１０が、第２処理部２５０よりも水平面積を広く有させ、第１処理部２１０［または、反応部２１５］内に触媒担体部２１６を水平方向に沿って配置することによって、ガス流入部２１１から上昇移動した水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａが広くかつ均一に分散された状態で複数の触媒担体部２１６と接触して、水素処理が行われる。これにより、第１処理部２１０で高濃度水素を含む水素含有排ガスＨＧが効率的に水素処理される。第１処理部２１０内で水素含有排ガスＨＧ内の水素の約９５％が処理されうる。

図５は、本発明の一実施形態による反応部２１５を示す平面図である。

図３及び図５を参照すれば、触媒担体部２１６は、反応部２１５内のほとんどの空間を占有して配置される。それぞれの触媒担体部２１６は、触媒フィルター部２１７と触媒反応部２１８とを含みうる。

触媒フィルター部２１７は、触媒反応部２１８の支持体の役割を果たすと共に、触媒担体部２１６と当接する水素含有排ガスＨＧが触媒反応を起こしうる広い表面積を提供することができる。広い表面積を提供するために、触媒フィルター部２１７は、多孔質金属またはセラミックに触媒金属がコーティングされた形態であり得る。触媒フィルター部２１７の厚さは、触媒反応部２１８よりも薄く形成されることが望ましい。

触媒反応部２１８は、触媒フィルター部２１７上に配されて、より円滑に触媒反応を起こしうる空間を提供することができる。触媒反応部２１８は、垂直方向に中空が形成されたハニカム（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）［または、正六角柱］構造を有する金属またはセラミックに触媒金属がコーティングされた形態であり得る。触媒フィルター部２１７を通過した水素含有排ガスＨＧ及び酸素を含む空気Ａは、ハニカム構造の垂直方向に形成された中空を通過し、上昇移動する過程で内側壁にコーティングされた触媒金属と接しながら、触媒反応を起こしうる。そして、触媒反応部２１８は、最も広い表面積を提供するハニカム構造を有するので、触媒反応の効率が極大化されるという利点がある。

より触媒反応を円滑に起こすように、ハニカム構造の直径は、４ｍｍを超過しないことが望ましい。但し、直径が、必ずしもこれに限定されず、処理しなければならない水素含有排ガスＨＧの量、濃度、目標処理濃度などを考慮して適切に調節することができる。また、ハニカム構造だけではなく、接触面積を増やす目的の範囲内では、他の構造も採用可能である。

触媒フィルター部２１７と触媒反応部２１８は、使用限界に到逹すれば、反応部２１５の一部を分解するか、保持／管理のためのメンテナンスドア（図示せず）を通じて容易に取り替えることができる。

本発明は、第１処理部２１０の上部に第２処理部２５０が連通されるように配されることを特徴とする。そして、第２処理部２５０は、垂直方向に配される少なくとも１つの触媒担体部（２５６：２５６ａ、２５６ｂ）を含むことを特徴とする。

図２及び図３を再び参照すれば、第１処理部２１０を通過した水素含有排ガスＨＧは、水素ガスの相当部分が触媒反応で水素処理される。約９５％の水素ガスが水素処理され、残りの約５％の水素ガスを含む水素含有排ガスＨＧ１は、上部に移動し続けて、第２処理部２５０に進入することができる。

第２処理部２５０は、第１処理部２１０よりは低濃度水素ガスを含む水素含有排ガスＨＧ１を処理するので、第１処理部２１０のように、必ずしも広い水平面積を有する必要はない。言い換えれば、高濃度水素ガスを含む水素含有排ガスＨＧを処理する第１処理部２１０は、大量の水素処理のために、複数個の触媒担体部２１６を水平方向に沿って配置しなければならないが、低濃度水素ガスを含む水素含有排ガスＨＧ１を処理する第２処理部２５０は、少量の水素を集中処理して水素処理工程を完了するように、垂直方向に沿って少なくとも１つの触媒担体部（２５６：２５６ａ、２５６ｂ）を配置することができる。図２には、第２処理部２５０に２つの触媒担体部２５６ａ、２５６ｂを配置したものが示されているが、工程環境によって、１つまたは３つ以上でも良い。

第２処理部２５０の触媒担体部２５６も、第１処理部２１０の触媒担体部２１６と同様に、触媒フィルター部（２５７：２５７ａ、２５７ｂ）及び触媒反応部（２５８：２５８ａ、２５８ｂ）を含みうる。触媒フィルター部２５７と触媒反応部２５８との構成及び機能は、第１処理部２１０の触媒フィルター部２１７及び触媒反応部２１８と同一なので、具体的な説明は省略する。

水素含有排ガスＨＧ１は、第２処理部２５０の垂直方向に沿って配された触媒担体部２５６を通過し、上昇移動する過程で触媒金属と接しながら、触媒反応を起こし、第２処理部２５０を抜け出した水素含有排ガスＨＧ２は、燃焼範囲の以下（４％以下）、望ましくは、０．１％以下の水素ガスのみを含みうる。

図２をさらに参照すれば、第２処理部２５０の上部と排出口２６０との間には、パージガス流入管２７０がさらに設けられることもある。パージガス流入管２７０は、外部のパージガス供給部（図示せず）からパージガスＰを供給されて、第２処理部２５０の上部に供給することによって、第２処理部２５０を抜け出した水素含有排ガスＨＧ２をさらに希釈させると共に、排出口２６０への移動力を加えることができる。

第２処理部２５０の上部と排出口２６０との間には、水素含有排ガスＨＧ２を冷却するためのクーリングユニット２８０がさらに設けられることもある。クーリングユニット２８０は、第２処理部２５０の上部と排出口２６０との間の配管を取り囲む冷却管またはコールドトラップ（ｃｏｌｄ ｔｒａｐ）などを制限なしに使うことができる。

水素含有排ガスＨＧ２が排出口２６０の方向に移動しながら、一部の水蒸気が自然的に凝縮されるか、クーリングユニット２８０によって凝縮されうる。凝縮された水蒸気ｗ［または、水ｗ］は、第２処理部２５０の上部と排出口２６０との間に連結された第２ウォータードレインポート２９０を通じて外部に排出されうる。

第２処理部２５０の上部と排出口２６０との間には、空気流入管２７５がさらに設けられることもある。空気流入管２７５は、水素含有排ガスＨＧ２を排出口２６０を通じて外部に排出する前、空気（ｒｏｏｍ ａｉｒ）を流入させることによって、濃度をさらに希釈させた水素含有排ガスＨＧ３を排出口２６０に排出可能にする。

前記のように、本発明は、第１処理部２１０と第２処理部２５０とで連続して水素処理を行うので、水素含有排ガスＨＧの濃度とは関係なく、工程が行われ、触媒反応を用いるために、水素処理工程で危険の発生要素を減らすことができる効果がある。そして、本発明は、水平方向に沿って触媒担体部２１６を配置した第１処理部２１０で多量の水素を処理し、垂直方向に沿って触媒担体部２５６を配置した第２処理部２５０で水素を集中処理するので、水素含有排ガスの水素処理の効率を最大化することができる効果がある。

そして、本発明は、燃焼なしに触媒反応を通じて水素を処理することができるので、装置の耐久性を向上させ、触媒担体部２１６、２５６のみを取り替えて保持管理が可能なので、全体工程コストを減少させることができる効果がある。

本発明は、前述したように、望ましい実施形態を挙げて図示して説明したが、前記実施形態に限定されず、本発明の精神を外れない範囲内で当業者によって多様な変形と変更とが可能である。そのような変形例及び変更例は、本発明と添付の特許請求の範囲の範囲内に属するものと認めなければならない。

本発明は、水素含有排ガスの処理装置関連の分野に適用可能である。

１０、１００：半導体処理装置
１１０：水素含有排ガス流入管
２０、２００：水素含有排ガスの処理装置
２１０：第１処理部
２１１：ガス流入部
２１２：導入部
２１３：混合板
２１４：混合口
２１５：反応部
２１６、２５６：触媒担体部
２１７、２５７：触媒フィルター部
２１８、２５８：触媒反応部
２３０：ＣＤＡ供給部
２３１：酸素を含む空気流入管
２４０：第１ウォータードレインポート
２５０：第２処理部
２６０：排出口
２７０：パージガス流入管
２８０：クーリングユニット
２９０：第２ウォータードレインポート
Ａ：酸素を含む空気
ＨＧ、ＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３：水素含有排ガス
Ｐ：パージガス
ＲＡ：空気
Ｗ：凝縮された水蒸気、水

Claims (13)

1. 半導体の表面改質工程で発生する水素含有排ガスが流入される水素含有排ガス流入管、及び酸素を含む空気が流入される酸素を含む空気流入管が少なくとも一側に連結され、前記水素含有排ガスと触媒反応を起こす触媒を含む複数個の触媒担体部を含む処理部を含むことを特徴とする水素含有排ガスの処理装置。
2. 前記処理部は、
   水平方向に沿って配される複数個の前記触媒担体部を含む第１処理部と、
   前記第１処理部の上部に前記第１処理部と連通されるように配され、垂直方向に沿って配される少なくとも１つの前記触媒担体部を含む第２処理部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素含有排ガスの処理装置。
3. 前記第１処理部は、上部の反応部と下部のガス流入部とに区画され、
   前記反応部に前記触媒担体部が配され、
   前記ガス流入部の一側に前記水素含有排ガス流入管及び前記酸素を含む空気流入管が連結されることを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。
4. 前記触媒担体部の少なくとも一部に、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）のうち少なくとも何れか１つの触媒金属がコーティングされたことを特徴とする請求項１に記載の水素含有排ガスの処理装置。
5. 前記触媒担体部は、
   多孔質金属またはセラミックに前記触媒金属がコーティングされた触媒フィルター部と、
   前記触媒フィルター部上に配され、垂直方向に中空が形成されたハニカム構造の金属またはセラミックに前記触媒金属がコーティングされた触媒反応部と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の水素含有排ガスの処理装置。
6. 前記ハニカム構造で単一ハニカムの直径は、４ｍｍを超過しないことを特徴とする請求項５に記載の水素含有排ガスの処理装置。
7. 前記ガス流入部は、
   前記水素含有排ガス及び前記酸素を含む空気が流入される導入部と、
   前記導入部上に互いに間隔をおいて水平方向に配された複数個の混合板と、を含み、
   前記混合板は、横及び縦方向に沿って複数個の混合口が形成されたことを特徴とする請求項３に記載の水素含有排ガスの処理装置。
8. 下部に位置した混合板の混合口は、上部に位置した混合板の混合口と交差するように形成されたことを特徴とする請求項７に記載の水素含有排ガスの処理装置。
9. 前記第１処理部の少なくとも一側に、前記第１処理部の内部で凝縮された水蒸気を排出する第１ウォータードレインポートが連結されたことを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。
10. 前記第２処理部の上部と排出口との間に一部の前記水素含有排ガスを冷却するためのクーリングユニットがさらに設けられたことを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。
11. 前記第２処理部の上部と排出口との間にパージガスが供給されるパージガス流入管がさらに設けられたことを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。
12. 前記第２処理部の上部と排出口との間に凝縮された水蒸気を排出する第２ウォータードレインポートが連結されたことを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。
13. 前記第２処理部の上部と排出口との間に空気が供給される空気流入管がさらに設けられたことを特徴とする請求項２に記載の水素含有排ガスの処理装置。