JP2019122906A

JP2019122906A - ガス処理装置

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Publication number: JP2019122906A
Application number: JP2018004173A
Authority: JP
Inventors: 英嗣百合園; Hidetsugu Yurizono; 吉田　隆; Takashi Yoshida; 吉田　　隆; 敏彦中村; Toshihiko Nakamura
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP6992527B2

Abstract

【課題】塩素を主成分として含む被処理ガスの処理装置であって、ロードセルによる性能劣化の検知が可能なガス処理装置を提供する。【解決手段】処理室１１は、第１の処理層１１ａと、第２の処理層１１ｂと、第３の処理層１１ｃとを有する。第２の処理層１１ｂは、第１の処理層１１ａよりも排出口１３側に位置している。第３の処理層１１ｃは、第２の処理層１１ｂよりも排出口１３側に位置している。第１の処理層１１ａには、酸化鉄が配されている。第２の処理層１１ｂには、硫黄系還元剤と酸化亜鉛とを含む亜鉛系処理剤が配されている。第３の処理層１１ｃには、ゼオライトが配されている。亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％以上１５質量％未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス処理装置に関する。

ドライエッチングの排気ガス等のガス処理装置の性能劣化の検知方法として、ロードセルを用いた方法が知られている。特許文献１には、ガス処理装置をロードセルの上に配し、ガス処理装置の重量をロードセルを用いて測定することにより、ガス処理装置内に配された反応処理剤及び吸着剤の交換時期の判断をすることが記載されている。ロードセルを用いたガス処理装置の性能劣化の検知方法は、ガス検知器等を必要としない簡便な管理方法であるため、広く用いられている。

特開２００８−６８１７５号公報

しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、被処理ガスの種類、ガス処理装置に含まれる処理剤の種類等によっては、ガス処理装置の性能劣化を確実に検知できない場合があることを見出した。具体的には、本発明者らは、被処理ガスが塩素を主成分として含んでおり、かつ、処理剤として、硫黄系還元剤と酸化亜鉛とを含む亜鉛系処理剤を用いた場合には、ロードセルによるガス処理装置の性能劣化の確実な検知ができない場合があることを見出した。

本発明の主な目的は、塩素を主成分として含む被処理ガスの処理装置であって、ロードセルによる性能劣化の検知が可能なガス処理装置を提供することにある。

本発明に係るガス処理装置は、塩素を主成分として含む被処理ガスを処理するガス処理装置である。

本発明に係るガス処理装置は、容器を備えている。容器は、導入口と、排出口と、処理室とを有する。導入口には、被処理ガスが導入される。排出口からは、処理済みのガスが排出される。処理室は、導入口と排出口とに接続されている。処理室は、第１の処理層と、第２の処理層と、第３の処理層とを有する。第２の処理層は、第１の処理層よりも排出口側に位置している。第３の処理層は、第２の処理層よりも排出口側に位置している。第１の処理層には、酸化鉄が配されている。第２の処理層には、硫黄系還元剤と酸化亜鉛とを含む亜鉛系処理剤が配されている。第３の処理層には、ゼオライトが配されている。亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％以上１５質量％未満である。

本発明によれば、塩素を主成分として含む被処理ガスの処理装置であって、ロードセルによる性能劣化の検知が可能なガス処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガス処理装置の模式的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

図１は、本発明の一実施形態に係るガス処理装置１の模式的断面図である。ガス処理装置１は、濃度を低減しようとする不所望な成分（例えば、有害物質）を含むガス（以下、「被処理ガス」とする。）を処理する装置である。詳細には、ガス処理装置１は、被処理ガスに含まれる、塩素等の不所望な成分の濃度を低減する装置である。具体的には、本実施形態に係るガス処理装置１は、例えば、ドライエッチングの際に生じる排気ガスに含まれる有害物質の濃度を低減させる装置であってもよい。なお、ドライエッチングの際に生じる排気ガスは、塩素の他に、例えば、塩化水素、三塩化ホウ素、塩化チタン、四塩化ケイ素等の塩素化合物や、四フッ化ケイ素、フッ化水素等のフッ素化合物、臭素、臭化水素、臭化ケイ素等の臭素化合物等を含んでいることがある。本実施形態では、被処理ガスが塩素を主成分として含み、三塩化ホウ素及び塩化水素をさらに含む例について説明する。

（ガス処理装置１の構成）
ガス処理装置１は、容器１０を備えている。容器１０は、処理室１１と、導入口１２と、排出口１３とを有する。導入口１２及び排出口１３は、それぞれ、処理室１１に接続されている。被処理ガスは、導入口１２から処理室１１に導入される。処理室１１において処理された処理済みのガスは、排出口１３から排出される。本実施形態では、導入口１２は、容器１０の下部に設けられている。排出口１３は、容器１０の上部に設けられている。もっとも、本発明は、この構成に限定されない。例えば、容器の上部に導入口が設けられており、下部に排出口が設けられていてもよい。

処理室１１は、第１の処理層１１ａと、第２の処理層１１ｂと、第３の処理層１１ｃとを有する。第１〜第３の処理層１１ａ〜１１ｃのうち、第１の処理層１１ａが最も導入口１２側に位置している。第２の処理層１１ｂは、第１の処理層１１ａよりも排出口１３側に位置している。第３の処理層１１ｃは、第２の処理層１１ｂよりも排出口１３側に位置している。このため、導入口１２から導入された被処理ガスは、第１の処理層１１ａ、第２の処理層１１ｂ及び第３の処理層１１ｃをこの順番で通過して排出口１３から排出される。

（第１の処理層１１ａ）
第１の処理層１１ａには、被処理ガスの処理剤として、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）が配されている。このため、下記式の通り、第１の処理層１１ａでは、被処理ガスに含まれる三塩化ホウ素及び塩化水素の処理が行われる。

２ＢＣｌ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３＝２ＦｅＣｌ_３＋Ｂ_２Ｏ_３
６ＨＣｌ＋Ｆｅ_２Ｏ_３＝２ＦｅＣｌ_３＋３Ｈ_２Ｏ

第１の処理層１１ａは、水分を含んでいることが好ましい。第１の処理層１１ａが水分を含んでいる場合は、下記式の通り、三塩化ホウ素の処理が促進される。なお、水分は、例えば、酸化鉄等の水和物として含まれていてもよいし、例えば、蒸気や液状の水として含まれていてもよい。

２ＢＣｌ_３＋６Ｈ_２Ｏ＝６ＨＣｌ＋２Ｈ_３ＢＯ_３
６ＨＣｌ＋Ｆｅ_２Ｏ_３＝２ＦｅＣｌ_３＋３Ｈ_２Ｏ

上述の通り、第１の処理層１１ａでは、三塩化ホウ素及び塩化水素の処理が行われるが、第１の処理層１１ａにおいて被処理ガスに含まれる三塩化ホウ素及び塩化水素の全てが処理される必要は必ずしもない。被処理ガスに含まれる三塩化ホウ素及び塩化水素の全部が第１の処理層１１ａで処理されてもよい。被処理ガスに含まれる三塩化ホウ素及び塩化水素の一部が第１の処理層１１ａで処理され、三塩化ホウ素や塩化水素が含まれる被処理ガスが第２の処理層１１ｂに流入してもよい。

（第２の処理層１１ｂ）
第２の処理層１１ｂは、第１の処理層１１ａよりも排出口１３側に設けられている。このため、第１の処理層１１ａにより処理された被処理ガスが第２の処理層１１ｂに流入する。

第２の処理層１１ｂには、亜鉛系処理剤が配されている。亜鉛系処理剤は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、硫黄系還元剤とを含む。亜鉛系処理剤は、酸化亜鉛を主成分として含んでいることが好ましい。

第２の処理層１１ｂに配された亜鉛系処理剤は、酸化亜鉛を含むため、下記式の通り、第２の処理層１１ｂでは、被処理ガスに含まれている塩化水素の処理が行われる。

２ＨＣｌ＋ＺｎＯ＝ＺｎＣｌ_２＋Ｈ_２Ｏ

亜鉛系処理剤中の酸化亜鉛の含有率は、好ましくは５質量％〜２５質量％であり、より好ましくは、１０質量％〜２０質量％である。亜鉛系処理剤中の酸化亜鉛の含有率をこの範囲とすることで、塩化水素の分解を十分に行うことができる。

また、亜鉛系処理剤は、例えば、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ等の硫黄系還元剤を含むため、下記式の通り、第２の処理層１１ｂでは、被処理ガスに含まれている塩素の処理が行われる。

４Ｃｌ_２＋Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ＝２ＮａＣｌ＋Ｈ_２ＳＯ_４＋６ＨＣｌ
６ＨＣｌ＋３ＺｎＯ＝３ＺｎＣｌ_２＋３Ｈ_２Ｏ
Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｚ_２Ｏ＝ＺｎＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ

好ましく用いられる硫黄系還元剤の他の具体例としては、例えば、亜硫酸塩、亜二チオン酸塩、四チオン酸塩、チオ硫酸塩等が挙げられる。好ましく用いられる亜硫酸塩の具体例としては、例えば、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カリウム、亜硫酸アンモニウム等が挙げられる。好ましく用いられる亜二チオン酸塩の具体例としては、亜二チオン酸ナトリウム、亜二チオン酸カリウム等が挙げられる。好ましく用いられる四チオン酸塩の具体例としては、四チオン酸ナトリウム、四チオン酸カリウム等が挙げられる。好ましく用いられるチオ硫酸塩の具体例としては、チオ硫酸ナトリウム、チオ硫酸カリウム、チオ硫酸アンモニウム等が挙げられる。これらの還元剤の一種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。

亜鉛系処理剤中の硫黄系還元剤の含有率は、好ましくは１０質量％〜３０質量％であり、より好ましくは、１５質量％〜２５質量％である。亜鉛系処理剤中の硫黄系還元剤の含有率をこの範囲とすることで、塩素の分解を十分に行うことができる。

（第３の処理層１１ｃ）
第３の処理層１１ｃは、第２の処理層１１ｂよりも排出口１３側に設けられている。このため、第１及び第２の処理層１１ａ、１１ｂにより処理されたガスが第３の処理層１１ｃに流入する。

第３の処理層１１ｃには、ゼオライトが配されている。このため、第３の処理層１１ｃでは、ガスに含まれている水分がゼオライトに吸着する。また、第１及び第２の処理層１１ｂ、１１ｃにおいて処理されずガス中に残存していた塩素、三塩化ホウ素、塩化水素等もゼオライトに吸着する。

亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は、好ましくは１／２以下、１／２０以上である。亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比が高すぎるとガス処理装置１の処理能力が低くなりすぎる場合がある。亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比が低すぎるとロードセルによるガス処理装置の性能劣化の検出を好適に行うことができる。

（ガス処理装置１の性能劣化の検知）
本実施形態では、ガス処理装置１の性能劣化の検知は、ロードセル２０を用いて行う。具体的には、ガス処理装置１は、ロードセル２０の上に配置されており、ロードセル２０により、ガス処理装置１の重量を測定することができる。

ガス処理装置１により排気ガスの処理が進行すると、例えば、塩化鉄や塩化亜鉛、硫酸亜鉛等が発生することにより、被処理ガスの処理が進行すると共にガス処理装置１の重量が増加する。ガス処理装置１の重量が予め定められた重量にまで増加したときに、ガス処理装置１の性能が劣化したとみなし、ガス処理装置１内の第１〜第３の処理層１１ａ〜１１ｃを交換する。

ところで、被処理ガスが塩素を主成分として含んでおり、かつ、亜鉛系処理剤を処理剤として用いた場合は、水が発生する。

このため、第３の処理層１１ｃに流入する水分量が多くなる。よって、第３の処理層１１ｃに配されたゼオライトが水により破過し、処理室１１内で発生した水分が排出口１３から排出される虞がある。処理室１１において発生した水分が排出口１３から排出されると、排出された水分量だけガス処理装置１の重量増加が少なくなる。よって、ロードセル２０によるガス処理装置１の性能劣化の検出が困難となる。

本発明者らは鋭意研究の結果、亜鉛系処理剤の初期の水分含有量を所定の範囲内にすることにより、処理中の水分含有量に関わらず、排出口１３から水分が排出されることなく、従って、ロードセル２０によるガス処理装置１の性能劣化の検出が可能となることを見出した。具体的には、本発明者らが鋭意研究した結果、亜鉛系処理剤の初期の水分含有量を５質量％以上１５質量％未満とすることにより、処理中の水分含有量に関わらず、排出口１３から水分が排出されることなく、従って、ロードセル２０によるガス処理装置１の性能劣化の検出が可能となることを見出し本発明を成すに至った。

本実施形態のガス処理装置１では、亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％以上１５質量％未満とされている。このため、排出口１３から水分が排出されることなく、ロードセル２０によるガス処理装置１の性能劣化の検出が可能である。亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が１５質量％以上である場合は、水分の発生量が多くなり、排出口１３から水分が抜けてしまうため、ロードセル２０によるガス処理装置１の性能劣化の検出が困難となる。一方、亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％未満である場合は、水分の発生は抑制できるものの、ガス処理装置１の塩素に対する処理能力が低くなる。以上の観点から、亜鉛系処理剤の初期の水分含有量は、５質量％〜１３質量％であることがより好ましく、５質量％〜１１質量％であることがさらに好ましい。

ガス処理装置１の塩素に対する処理能力を高める観点からは、亜鉛系処理剤を第２の処理層１１ｂに多く含ませることが好ましい。しかしながら、亜鉛系処理剤が多すぎると、水分が多量に発生し、排出口１３から水分が排出されやすくなる。このため、亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は、１／２０以上であることが好ましく、１／１５以上であることが好ましく、１／１０以上であることがより好ましい。但し、亜鉛系処理剤が少なすぎると、ガス処理装置１の塩素に対する処理能力が低くなりすぎる虞がある。従って、亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は、１／２以下であることが好ましい。

以下、本発明について、具体的な実験例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実験例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実験例１）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：１０質量％）３５０ｇ、ゼオライト５０ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／７であった。

次いで、塩素を５０００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、供給開始から３０３分後に破過した。なお、その間、排出口からの水分は検出限界以下であり、ロードセルでの管理が良好であった。

（比較例１）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：３質量％）３５０ｇ、ゼオライト５０ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／７であった。

次いで、塩素を５０００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、排出口からの水分は検出限界以下であったものの、供給開始から僅か１９７分後に破過した。

（比較例２）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：１５質量％）３５０ｇ、ゼオライト５０ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／７であった。

次いで、塩素を５０００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、供給開始から３２０分後に破過したが、その間、排出口からの水分が約２０ｇ留出し、ロードセルでの管理が困難であった。

（実施例２）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：１０質量％）３８１ｇ、ゼオライト１９ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／２０であった。

次いで、塩素を５０００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、供給開始から３０５分後に破過したが、その間、排出口から少量の水の留出が確認された。

（実施例３）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：１０質量％）２００ｇ、ゼオライト２００ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／１であった。

次いで、塩素を５０００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、供給開始から２６６分後に破過した。なお、その間、排出口からの水分は検出限界以下であり、ロードセルでの管理が良好であった。

（実験例４）
ガス導入口、ガス排出口及び露点計、ガス検知器を備えた容量５００ｃｃの容器に、酸化鉄５０ｇ、亜鉛系処理剤（酸化亜鉛１０質量％及びチオ硫酸ナトリウム２０質量％を含有、水分含有率：１０質量％）３５０ｇ、ゼオライト５０ｇを下部から順次層状に充填した。このときの亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比は１／７であった。

次いで、塩素を２５００質量ｐｐｍ、三塩化ホウ素を２５００質量ｐｐｍ含む窒素ガスを流速６Ｌ／ｈで供給した。その結果、供給開始から２０７分後に破過した。なお、その間、排出口からの水分は検出限界以下であり、ロードセルでの管理が良好であった。

以上の結果から、鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％以上１５質量％未満とすることにより、破過までの時間を長くできるとともに、水分の留出を抑制することができ、これによりロードセル管理が良好であった。

また、その傾向は、亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比が１／２０以上１／２以下のときに顕著に見られた。

１：ガス処理装置
１０：容器
１１：処理室
１１ａ：第１の処理層
１１ｂ：第２の処理層
１１ｃ：第３の処理層
１２：導入口
１３：排出口
２０：ロードセル

Claims

塩素を主成分として含む被処理ガスを処理するガス処理装置であって、
被処理ガスが導入される導入口と、処理済みのガスが排出される排出口と、前記導入口と前記排出口とに接続された処理室とを有する容器を備え、
前記処理室は、
第１の処理層と、
前記第１の処理層よりも前記排出口側に位置する第２の処理層と、
前記第２の処理層よりも前記排出口側に位置する第３の処理層と、
を有し、
前記第１の処理層には、酸化鉄が配されており、
前記第２の処理層には、硫黄系還元剤と酸化亜鉛とを含む亜鉛系処理剤が配されており、
前記第３の処理層には、ゼオライトが配されており、
前記亜鉛系処理剤の初期の水分含有量が５質量％以上１５質量％未満である、ガス処理装置。
前記亜鉛系処理剤に対するゼオライトの質量比が１／２０以上１／２以下である、請求項１に記載のガス処理装置。
前記亜鉛系処理剤中の前記酸化亜鉛の含有率が５質量％〜２５質量％である、請求項１又は２に記載のガス処理装置。
前記亜鉛系処理剤中の前記硫黄系還元剤の含有率が１０質量％〜３０質量％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス処理装置。
被処理ガスが三塩化ホウ素及び塩化水素の少なくとも一方を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス処理装置。