JP2018069112A - 排ガスの減圧除害方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率に優れた排ガスの除害方法とその装置とを提供する。【解決手段】真空ポンプを介して発生源より供給される排ガスを、減圧状態を保ちプラズマで分解処理することを特徴とする排ガスの減圧除害方法及びその装置であり、上記の減圧状態は、１Ｔｏｒｒ以上で且つ７００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、主として電子産業の製造プロセスより排出される可燃性ガス、有毒ガス、温室効果ガスなどの有害ガスの処理に好適な排ガスの除害方法とその装置とに関する。

半導体や液晶などの電子産業で使われるシリコン系薄膜の形成には、爆発性や毒性を有するシラン系ガスを用いたＣＶＤ法が多く使われている。このＣＶＤ法で使用された上記シラン系ガスを含むプロセスガスは、ＣＶＤプロセスで使用された後、排ガスとして下記の特許文献１に記載のような除害装置で無害化されるが、従来より、かかる除害装置の手前で、排ガス中のシラン系ガスを爆発限界以下まで希釈するために大量の希釈用窒素ガスが投入されていた。
例えば、典型的なシリコン窒化膜ＣＶＤでは、ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍ(ｓｌｍ；standard liter per minute，１ａｔｍ、０℃における１分間辺りの流量をリットルで表示した単位)が使われるが、ＳｉＨ₄の爆発範囲が１．３％〜１００％であるため、ＣＶＤプロセスから排出されたこのようなガスは、直ちに希釈用窒素ガスで約７６倍程度希釈をする必要がある。かかる希釈を行えば、従来の燃焼方式や大気圧プラズマ方式の熱分解装置で安全且つ確実に除害処理をすることができる。

特開平１１−３３３２４７号公報

しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、上述のように窒素ガスで希釈されたシラン系ガスを含む排ガス全体を分解温度まで加熱するのに必要なエネルギーは、希釈前のシラン系ガスを含む排ガスのみを加熱する場合の約７６倍のエネルギーが必要となる。つまり、従来の窒素ガスでの希釈が必要な除害プロセスでは、多量な窒素ガスの使用に伴うコストアップのみならず、排ガスの除害に直接関係が無い窒素ガスも加熱しなければならないため、エネルギー効率が低く、電力或いは燃料などのコストアップも招いていた。

それゆえに、本発明の主たる目的は、希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率に優れた排ガスの除害方法とその装置とを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、排ガスの除害を減圧下で行なう事により対処している。
すなわち、本発明における第１の発明は、真空ポンプを介して排ガス発生源より供給される排ガスを、減圧状態に保ちプラズマで分解処理する、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法である。

この第１の発明は、例えば、次の作用を奏する。
真空ポンプを介して排ガス発生源より供給される排ガスを、減圧状態に保ちプラズマにて分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、プラズマとして供給されるエネルギーのほぼ全てを直接的に排ガスの分解に使用することができる。加えて、排ガスの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガス中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても、プラズマで分解処理される前に当該排ガスが系外へ漏れ出す心配はない。

ここで、前記第１の発明においては、前記の減圧状態が、１Ｔｏｒｒ以上で且つ７００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、１５Ｔｏｒｒ以上で且つ６８５Ｔｏｒｒ以下の範囲内であり、さらに好ましいのは１００±５０Ｔｏｒｒの範囲内である。
減圧状態が１Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が７００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスを多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。

本発明における第２の発明は、上記の排ガスの減圧除害方法を実施するための装置であって、例えば図１及び図２で示すように、排ガスの減圧除害装置１０を次のように構成した。
排ガスの減圧除害装置１０は、真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥをプラズマで分解処理する反応筒１６を有する。その反応筒１６の排ガス出口側には、上記真空ポンプ１４のデリベリから上記反応筒１６の内部に亘って減圧する後段真空ポンプ１８が接続される。

この第２の発明においては、前記反応筒１６の内部に分解助剤として水分，空気，Ｏ₂，Ｈ₂又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも１種を供給する分解助剤供給手段２０を設けることが好ましい。
この場合、排ガスＥ中にＳｉＨ₄やＮＦ₃などと言った可燃性の物質や有害な物質が主体で且つ多量に含まれる場合であっても、上記の分解助剤を加えることにより、これらの物質を無害化したりで安定な状態にまで容易に分解することができる。

また、第２の発明において、上記反応筒１６内に、円柱状の第１電極２２と、その第１電極２２と同軸にて配置されると共に所定の間隔を置いて上記第１電極２２を囲繞する筒状の第２電極２４とからなり、両電極２２，２４間に交流又は直流電圧を印加することによって両電極２２，２４に挟まれた円筒状の排ガス処理空間２６にプラズマを発生させるプラズマ発生装置２８を設けるのが好ましい。
この場合、準真空とも言うべき減圧環境下にある反応筒１６の内部において、排ガスＥが長い時間滞留でき、プラズマのエネルギーを十分に受けることが可能な排ガス処理空間２６を確保することができる。

また、この発明において、前記第１電極２２又は第２電極２４のうち、カソードとなる方の電極表面に、両電極２２，２４間で発生し、プラズマの生成に寄与しなかった電磁波が滞留する周方向溝３０を、軸方向に１又は複数列堀設することが好ましい。
この場合、従来であればプラズマの放電に寄与できずに捨てられていた電磁波が、周方向溝３０で滞留することによってホロカソード放電し、プラズマの生成に寄与することができるようになる。

さらに、上記の発明において、前記第１電極２２又は前記第２電極２４の少なくとも一方を、その中心軸周りに回動又は回転駆動するよう設けると共に、上記第１電極２２又は第２電極２４の少なくとも一方に、前記排ガス処理空間２６に堆積する粉塵などの堆積物を除去する堆積物除去手段３２を取り付けるのが好ましい。
排ガスＥを除害する際に反応生成物としてＳｉＯ₂などからなる粉塵が発生し、これが各電極２２及び２４の表面を厚く覆うと、電極近傍での電界強度が下がりガスを絶縁破壊できなくなると共に、排ガス処理空間２６を閉塞させてしまうと言った弊害が生じる。そこで、上述のように、第１電極２２又は第２電極２４の少なくとも一方をその中心軸周りに回動又は回転駆動させると共に、上記の堆積物除去手段３２を取り付けることで、そのような弊害を防ぐことができる。

また、前記第２の発明においては、前記プラズマを点火するためのプラズマジェットを発生させるプラズマジェット発生装置６０を取り付けるのが好ましい。
一般的に、本発明における減圧状態では、ガスの圧力が高くなると最初にプラズマを生成させるいわゆる点火が困難になる場合があり、特にＰＦＣ（パーフルオロカーボン）、ＮＦ₃、ＳＦ₆のような分子中にフッ素を含む電気的な負性ガスや水分を含んでいるガスの場合にはより点火が困難になる場合がある。
ここで、高い電界によりガスを絶縁破壊するには、電極電圧を高くするか、または電極間距離を小さくする必要がある。例えば電極間電圧が１ｋＶでは、電極間距離は０．５ｍｍ以下でないと点火不良が生じる場合が多いが、このように電極間距離が狭いとプラズマの生成領域が狭くなってしまう。逆に、プラズマ生成領域を大きくしようとすると、電極間電圧を３０ｋＶ以上にするのが望ましく、パルス電源を使用したとしても高価になり実用が難しい。
そこで、この発明では、外部から電子を供給しプラズマ生成できるプラズマジェットを使用する。これにより、減圧環境下においてもより一層安定してプラズマを点火させることができるようになる。
なお、プラズマジェットを発生させるプラズマジェット発生装置６０には、様々な方式のものがあるが、本発明ではその方式は特に限定されるものではなく、例えばＩＣＰ（誘導結合プラズマ）やＤＣプラズマなどの何れも採用することができる。

さらに、前記第２の発明においては、前記後段真空ポンプ１８が水封ポンプであることが好ましい。
後段真空ポンプ１８は、真空ポンプ１４のデリベリから上記反応筒１６の内部に亘って減圧するのに加え、反応筒１６内で除害処理された排ガスを吸い込み、吐出するためのものでもある。ここで、水封ポンプ(＝水封式真空ポンプ)とは、ケーシング内に適当量の封水を入れて羽根車を回転させる構造のポンプで、遠心力でケーシング内壁に押しつけられた封水液と羽根車で囲まれた空間の変化を利用し、吸込み・吐出作用を行う真空ポンプである。それゆえ、反応筒１６内で除害処理された排ガスＥは、水封ポンプの内部を通過する際に封水と接触するようになる。そうすると、除害処理によって副成された排ガスＥ中の水溶性成分は封水に溶解して排ガスＥ中から除去されるようになる。このため、湿式スクラバー等の排ガス水洗装置を省略することができる。

本発明によれば、希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率に優れた排ガスの除害方法とその装置とを提供することができる。

本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置の概要を示す図である。 図２Ａは、本発明における排ガスの減圧除害装置の反応筒の一例を示す正面視部分断面図であり、図２Ｂは、図２ＡにおけるＡ−Ａ線切断端面図である。

以下、本発明の一実施形態を図１及び図２によって説明する。
図１は、本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置１０の概要を示す図である。この図が示すように、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０は、ＣＶＤ装置などの排出源１２より真空ポンプ１４を介して供給される排ガスＥを除害するための装置であり、反応筒１６と後段真空ポンプ１８とを有する。
ここで、図１の実施形態では、排ガスの発生源１２としてシリコン窒化膜ＣＶＤ装置の例を示している。典型的なシリコン窒化膜ＣＶＤ装置ではプロセスガスとしてＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍが、又、クリーニングガスとしてＮＦ₃／Ａｒ＝１５ｓｌｍ／１０ｓｌｍがそれぞれ使用されており、またクリーニング反応の生成物としてＳｉＦ_４が約１０ｓｌｍほど排出されるとみられる。使用済みとなったこれらのガスが排ガスＥとして真空ポンプ１４を介して減圧除害装置１０へと供給される。なお、シリコン窒化膜ＣＶＤのような半導体デバイスの製造プロセスでは、真空ポンプ１４として主にドライポンプが使用される。したがって、この真空ポンプ１４に供給されているＮ₂(窒素ガス)は、当該ポンプ１４の軸シールのために供給されるパージＮ₂である。

反応筒１６は、ハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料で形成され、その軸が上下方向を向くように立設された略円筒状のチャンバー３４を有する(図２参照)。このチャンバー３４の側周壁上端部には、配管３６を介して真空ポンプ１４のデリベリ(吐出口）に連通する排ガス入口３８が設けられる。一方、当該チャンバー３４の下部は、その内部容積が水平方向に拡大されると共に、拡大された部分の側壁に、後段真空ポンプ１８のサクション(吸込口)に直結する排ガス出口４０が設けられる。
また、チャンバー３４の排ガス入口３８の近傍には、分解助剤供給手段２０より供給される水分などの分解助剤を必要に応じてチャンバー３４内に導入するためのノズル４２が取り付けられている(図２参照)。
さらに、チャンバー３４の下部にも、ＫＯＨ(水酸化カリウム)水溶液やＮａＯＨ(水酸化ナトリウム)水溶液などのアルカリ性水溶液をチャンバー３４内に供給するためのノズル４４が取着されており、このノズル４４の位置から排ガス出口４０までが下り勾配となるようにチャンバー３４内部の底面が形成されている。
そして、チャンバー３４の天面中央部にはシャフト挿通孔４６が穿設されると共に、このチャンバー３４の内部にプラズマ発生装置２８が設けられる。

プラズマ発生装置２８は、チャンバー３４内でプラズマを発生させて排ガスＥを分解処理するためのものであり、高耐熱性のステンレス、タングステンまたはハステロイ(登録商標)などの導電性を有する高耐熱性金属で形成された円柱状の第１電極２２と、同じく高耐熱性金属で形成され、第１電極２２と同軸にて配置されると共に所定の間隔を置いて上記第１電極２２を囲繞する筒状の第２電極２４とを有する。

第１電極２２は、本実施形態においてはアノードとして働く電極である。この第１電極２２にはシャフト４８が同軸にて連結される。このシャフト４８は、シャフト挿通孔４６に挿通され、その上部がチャンバー３４の外に配置される。
シャフト４６のチャンバー３４外に配置された部分には、シャフト挿通孔４６を塞ぐ位置に、水冷シールなどのシール部材５０が取り付けられる。又、シャフト４６の上端部には、例えばシャフトに連結した第１電極２２を２００°で反転往復回動するように駆動させるモーター５２が接続される。

第２電極２４は、本実施形態においてはカソードとして働く電極である。この第２電極２４の背面にはアルミナ溶射膜５４が成膜されると共に、セラミックブランケット５６を介してチャンバー３４の内周壁面に固定される。
また、この第２電極２４の表面(内表面)には、電磁波が滞留するよう垂直断面形状が略コ字状に形成された周方向溝３０が上下方向に１又は複数列堀設されている。

以上の様に構成された第１電極２２と第２電極２４とは電源５８に接続されており(図１参照)、この電源５８から電極間に電圧を印加することによって、両電極２２，２４で挟まれた円筒状の排ガス処理空間２６にプラズマが発生する。
ここで、電源５８としては、高周波，直流又は交流パルス(パルス電源)，パルスＤＣなどを使用できるが、反応筒１６稼動中はチャンバー３４内が減圧されることや、排ガス処理空間２６を確保するため電極２２，２４間にある程度の距離があること等を考慮すると、パルス電源或いはパルスＤＣを用いるのが好ましい。

なお、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０では、反応筒１６の上部に、電極２２，２４間にプラズマを点火させる際のトリガーとなるプラズマジェットを発生させるＩＣＰ方式のプラズマジェット発生装置６０が取り付けられている。

また、上記第１電極２２には、堆積物除去手段３２として、第２電極２４の表面に向けて径方向に伸ばされた左右一対の羽根板が取り付けられる。なお、この羽根板からなる堆積物除去手段３２の先端には、第２電極２４の周方向溝３０内部に達する突起３２ａが設けられている。
したがって、モーター５２を作動させてシャフト４８を２００°反転回動させると、第１電極２２に取り付けられた堆積物除去手段３２も排ガス処理空間２６内で回動し、周方向溝３０を含む排ガス処理空間２６内に堆積した粉塵や膜などの堆積物が払い落とされることになる。
なお、堆積物除去手段３２は、上述した羽根板に限定されるものではなく、ブラシ状の物や棒状の物等であってもよい。

後段真空ポンプ１８は、真空ポンプ１４のデリベリから反応筒１６の内部に亘って所定の真空度まで減圧すると共に、反応筒１６で除害処理した排ガスＥを吸引して排出するためのポンプである。本実施形態では、この後段真空ポンプ１８として水封ポンプを用いる。このため、後段真空ポンプ１８のデリベリ側には、この後段真空ポンプ１８から混ざった状態で排出される処理済の排ガスＥと封水とを分離させる気液分離コアレッサーなどのようなセパレーター６２が装着されている(図１参照)。

ここで、後段真空ポンプ１８によって作り出される真空ポンプ１４のデリベリから反応筒１６の内部に亘る排ガス通流領域の減圧状態は、１Ｔｏｒｒ以上で且つ７００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、１５Ｔｏｒｒ以上で且つ６８５Ｔｏｒｒ以下の範囲内であり、さらに好ましいのは１００±５０Ｔｏｒｒの範囲内である。減圧状態が１Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が７００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスＥを多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。

なお、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０には、図示しないが、プラズマ発生装置２８や後段真空ポンプ１８などの作動に必要な各種検出機器や制御機器などが備えられていることは言うまでもない。

次に、以上のように構成された排ガスの減圧除害装置１０を用いた排ガスＥの減圧除害方法について説明すると、排ガス発生源１２から排出される排ガスＥは真空ポンプ１４を介して反応筒１６へと送られる。ここで、後段真空ポンプ１８を作動させることにより、排ガスＥは所定の減圧状態に保たれ反応筒１６内の排ガス処理空間２６へと導入され、この排ガス処理空間２６で電極２２，２４間に発生するプラズマによって分解処理される。

本実施形態の排ガスの減圧除害方法によれば、排ガスＥを減圧状態に保ちプラズマにて分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、プラズマとして供給されるエネルギーのほぼ全てを直接的に排ガスＥの分解に使用することができる。したがって、これら２つの作用が相俟って、排ガスＥの除害装置を非常にコンパクトな構成にすることができるようになる。
さらに、排ガスの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガス中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても、プラズマで分解処理される前に当該排ガスが系外へ漏れ出す心配はない。

上記の実施形態は次のように変更可能である。
前記プラズマ発生装置２８の第１電極２２をアノードとし、第２電極２４をカソードとする場合を示したが、第１電極２２をカソードとし、第２電極２４をアノードとするようにしてもよい。この場合、堆積物除去手段３２は第２電極２４側へ取り付けるのが好ましい。
また、第１電極２２を回動駆動させる場合を示したが、この第１電極２２を中心軸周りに回転駆動させるようにしてもよいし、第１電極２２を固定とし、第２電極２４を回動或いは回転駆動させるようにしてもよい。

前記分解助剤供給手段２０より供給される分解助剤として水分を挙げたが、例えば、排ガスＥ中にＮＦ₃のようなＰＦＣｓ(パーフルオロコンパウンド)が多量に含まれ、分解生成物として多量のＨＦが生成されるような場合には、分解助剤としてＫＯＨ水溶液やＮａＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液を添加するのが好ましい。また、酸化処理する場合には、空気、酸素を添加する場合、或いは還元性のＨ_２やＣＨ_４のような炭化水素系ガスを入れる場合もある。

前記後段真空ポンプ１８として水封ポンプを使用する場合を示したが、排ガスＥ除害処理後の分解生成物に水洗の必要がない場合には、この水封ポンプに代えてドライポンプなどを用いるようにしてもよい。

前記真空ポンプ１４と反応筒１６の排ガス入口３８とを配管３６で連結する場合を示したが、この真空ポンプ１４のデリベリと排ガス入口３８とを直結するようにしてもよい。また、反応筒１６の排ガス出口４０と後段真空ポンプ１８のサクションとを直結する場合を示しているが、反応筒１６の排ガス出口４０と後段真空ポンプ１８とを配管を介して接続するようにしてもよい。

１０：排ガスの減圧除害装置，１２：排ガス発生源，１４：真空ポンプ，１６：反応筒，１８：後段真空ポンプ，２０：分解助剤供給，２２：第１電極，２４：第２電極，２６：排ガス処理空間，２８：プラズマ発生装置，３０：周方向溝，３２：堆積物除去手段，６０：プラズマジェット発生装置，Ｅ：排ガス．

Claims (9)

1. 真空ポンプを介して排ガス発生源より供給される排ガスを、減圧状態に保ちプラズマで分解処理する、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法。
2. 請求項１の排ガスの減圧除害方法において、
   前記減圧状態が、１Ｔｏｒｒ以上で且つ７００Ｔｏｒｒ以下の範囲内である、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法。
3. 真空ポンプ(１４)を介して排ガス発生源(１２)より供給される排ガス(Ｅ)をプラズマで分解処理する反応筒(１６)と、
   上記反応筒(１６)の排ガス出口側に接続され、上記真空ポンプ(１４)のデリベリから上記反応筒(１６)の内部に亘って減圧する後段真空ポンプ(１８)とを備える、
   ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
4. 請求項３の排ガスの減圧除害装置において、
   前記反応筒(１６)の内部に分解助剤として水分，空気，Ｏ₂，Ｈ₂又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも１種を供給する分解助剤供給手段(２０)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
5. 請求項３又は４の排ガスの減圧除害装置において、
   前記反応筒(１６)内には、円柱状の第１電極(２２)と、その第１電極(２２)と同軸にて配置されると共に所定の間隔を置いて上記第１電極(２２)を囲繞する筒状の第２電極(２４)とからなり、両電極(２２)(２４)間に交流又は直流電圧を印加することによって両電極(２２)(２４)に挟まれた円筒状の排ガス処理空間(２６)にプラズマを発生させるプラズマ発生装置(２８)が設けられている、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
6. 請求項５の排ガスの減圧除害装置において、
   前記第１電極(２２)又第２電極(２４)のうち、カソードとなる方の電極表面に、両電極(２２)(２４)間で発生し、プラズマの生成に寄与しなかった電磁波を滞留させる周方向溝(３０)が、軸方向に１又は複数列堀設されている、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
7. 請求項５又は６の排ガスの減圧除害装置において、
   前記第１電極(２２)又は前記第２電極(２４)の少なくとも一方は、その中心軸周りに回動又は回転駆動するよう設けられると共に、
   上記第１電極(２２)又は第２電極(２４)の少なくとも一方に、前記排ガス処理空間(２６)に堆積する粉塵などの堆積物を除去する堆積物除去手段(３２)が取り付けられている、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
8. 請求項３乃至７の何れかの排ガスの減圧除害装置において、
   前記プラズマを点火するためのプラズマジェットを発生させるプラズマジェット発生装置(６０)が取り付けられている、ことを特徴とする排ガスの除害装置装置。
9. 請求項３乃至８の何れかの排ガスの減圧除害装置において、
   前記後段真空ポンプ(１８)が水封ポンプである、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。