JP2022045188A - ガス回収装置、半導体製造システムおよびガス回収方法 - Google Patents

ガス回収装置、半導体製造システムおよびガス回収方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2022045188000001
【課題】総流量が多いガスから回収対象ガスを効率的に回収することができるガス回収装置、半導体製造システムおよびガス回収方法を提供する。
【解決手段】一の実施形態によれば、ガス回収装置は、筐体と、チューブとを備える。筐体は、ガスが流入する流入口と、ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、ガスのうち第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられている。筐体は、第1排出口を介して内部が排気される。チューブは、筐体の内部において流入口から第2排出口まで設けられ、第1ガスの透過性が高く、第2ガスの透過性が低い。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、ガス回収装置、半導体製造システムおよびガス回収方法に関する。
半導体プロセスで生じた排気ガスは希少なヘリウムガスを含むが、防爆のための希釈ガスおよび無害化のための燃焼ガスが加わることで総流量が増加した排気ガスからヘリウムを回収することは困難である。
特開2019-118860号公報
総流量が多いガスから回収対象ガスを効率的に回収することができるガス回収装置、半導体製造システムおよびガス回収方法を提供する。
一の実施形態によれば、ガス回収装置は、筐体と、チューブとを備える。筐体は、ガスが流入する流入口と、ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、ガスのうち第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられている。筐体は、第1排出口を介して内部が排気される。チューブは、筐体の内部において流入口から第2排出口まで設けられ、第1ガスの透過性が高く、第2ガスの透過性が低い。
第1の実施形態による半導体製造システムを示す図である。 第2の実施形態による半導体製造システムにおいて、ガス回収装置を示す図である。 第3の実施形態による半導体製造システムにおいて、ガス回収装置を示す図である。 第4の実施形態による半導体製造システムにおいて、ポンプを示す図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1から図4において、同一または類似する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1実施形態による半導体製造システム1を示す図である。図1に示すように、第1実施形態による半導体製造システム1は、プロセス装置2と、第1ポンプ3と、希釈ガス供給装置4と、除害装置5と、ガス回収ユニット6と、第2ポンプ7とを備える。
プロセス装置2は、回収対象ガスを含むプロセスガスを用いて半導体装置を製造し、半導体装置の製造によって生じた排気ガスを排出する。排気ガスは、プロセスガスのうち反応に用いられなかったガスや、プロセスガスの反応の結果生じた副生成ガスを含む。回収対象ガスは、例えば、希ガスである。希ガスは、ヘリウムガスであってもよい。排気ガスは、回収対象ガス以外にも、例えば、シランガス、アンモニアガス、アルゴンガス等を含む。
第1ポンプ3は、ガスの下流側において配管8を介してプロセス装置2に接続されている。第1ポンプ3は、プロセス装置2の内部を排気することでプロセス装置2から排気ガスを吸引し、吸引された排気ガスを下流側に排出する。
希釈ガス供給装置4は、ガスの下流側において配管8を介して第1ポンプ3に接続されている。希釈ガス供給装置4は、第1ポンプ3の下流の配管8上に設けられたバルブ41と、バルブ41に接続されたガス源42とを有する。可燃ガスを含む排気ガスの防爆を確保するため、希釈ガス供給装置4は、バルブ41を開いた状態でガス源42から第1ポンプ3の下流の配管8に希釈ガスを供給することで、第1ポンプ3の下流の排気ガスを希釈する。希釈ガスは、例えば窒素ガスである。希釈ガス供給装置4から供給される希釈ガスの流量は、プロセス装置2から排出される排気ガスの流量よりも多くてもよい。
除害装置5は、ガスの下流側において配管8を介して希釈ガス供給装置4に接続されている。除害装置5は、希釈された排気ガスに対してガス源51から酸素ガスを添加し、酸素ガスを用いて排気ガスを燃焼させる。排気ガスが燃焼することで、排気ガスから有害ガスが除去されて、排気ガスが無害化される。例えば、除害装置5は、排気ガスからシランガスおよびアンモニアガスを除去することで排気ガスを無害化する。除害装置5において排気ガスに添加される酸素ガスの流量は、プロセス装置2から排出される排気ガスの流量よりも多くてもよい。
ガス回収ユニット6は、ガスの下流側において配管8を介して除害装置5に接続されている。プロセス装置2から排出された排気ガスは、除害装置5から排出されるまでの間に他のガスが添加されることで総流量が増加されている。ガス回収ユニット6は、このような総流量が多い排気ガスから回収対象ガスを効率的に回収するために設けられている。
ガス回収ユニット6は、中空の筐体61と、中空のガス分離チューブ62とを備える。筐体61には、流入口611と、第1排出口612と、第2排出口613とが設けられている。流入口611には、除害装置5から排出された排気ガスが流入する。第1排出口612は、流入口611に流入した排気ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する。第2排出口613は、流入口611に流入した排気ガスのうち第1ガス以外の第2ガスを排出する。第1ガスは、例えば、回収対象ガスとしてのヘリウムガスと、水蒸気と、酸素ガスとの混合ガスである。第2ガスは、例えば、窒素ガスと、二酸化炭素ガスと、アルゴンガスとの混合ガスである。筐体61は、第1排出口612を介して内部が排気される。
ガス分離チューブ62は、筐体61の内部において流入口611から第2排出口613まで設けられている。すなわち、ガス分離チューブ62は、ガスの上流側の一端が流入口611に接続され、ガスの下流側の一端が第2排出口613に接続されている。ガス分離チューブ62(より具体的にはガス分離チューブ62の側壁)は、第1ガスの透過性が高く、第2ガスの透過性が低い。第1ガスに対して高い透過性を有するとともに第2ガスに対して低い透過性を有することで、ガス分離チューブ62は、第1ガスと第2ガスとを分離する。第1ガスは、第2ガスよりも分子サイズが小さいためにガス分離チューブ62の透過性が高くてもよい。または、第1ガスは、第2ガスよりもガス分離チューブ62との相互作用が弱いためにガス分離チューブ62の透過性が高くてもよい。あるいは、第1ガスは、第2ガスよりも分子サイズが小さく、かつ、第2ガスよりもガス分離チューブ62との相互作用が弱いためにガス分離チューブ62の透過性が高くてもよい。
第1ガスを効率的に透過させるため、ガス分離チューブ62は、多孔質材料で形成されている。多孔質材料は、有機材料であってもよい。有機材料は、フッ素樹脂であってもよい。例えば、ガス分離チューブ62は、フッ素樹脂の一例であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で安価に形成されていてもよい。PTFEで形成されたガス分離チューブ62は、分子量が小さく拡散係数が高い、またはチューブ材への溶解度が高いガスを選択的に透過させやすい。
具体的には、PTFEで形成されたガス分離チューブ62は、複数のガスの混合ガスのうち、分子量が小さく拡散係数が大きいガス、または溶解度が高いガスを透過させやすい。例えば、PTFEのヘリウムガスの透過係数(単位:cm3*cm*cm-2*s-1*cmHg-1)は、1.9×10-9である。PTFEの酸素ガスの透過係数は、4.2×10-10である。PTFEの水蒸気の透過係数は、3.6×10-8である。PTFEの二酸化炭素ガスの透過係数は、1.2×10-9である。一方、PTFEで形成されたガス分離チューブ62は、混合ガスのうち、分子量が大きく拡散係数が小さいガス、または溶解度が低いガスは透過させづらい。具体的には、PTFEの窒素ガスの透過係数は、1.4×10-10である。
第2ポンプ7は、ガスの下流側において配管8を介してガス回収ユニット6に接続されている。第2ポンプ7は、第1排出口612を介して筐体61の内部を排気することで、筐体61の内部においてガス分離チューブ62の外部がガス分離チューブ62の内部よりも低圧になるようにガス分離チューブ62の内部と外部との間に圧力差を生じさせる。回収対象ガスを効率よく回収する観点から、第2ポンプ7は、筐体61の内部を真空状態になるように排気することが望ましい。ガス分離チューブ62の内部と外部との間の圧力差によって、ガス分離チューブ62内の排気ガスのうちガス分離チューブ62の透過性が高い第1ガスは、ガス分離チューブ62の内部から外部に透過して第1排出口612から排出される。一方、ガス分離チューブ62の透過性が低い第2ガスは、ガス分離チューブ62内に留まって第2排出口613側への進行を継続する。
第1ガスに含まれる回収対象ガスは、次式にしたがってガス分離チューブ62の内部から外部に透過してもよい。
V=(A×ΔP×L×S)/d (1)
但し、式(1)において、Vは、ガス分離チューブ62に対する回収対象ガスの透過量(sccm)である。Aは、ガス分離チューブ62に対する回収対象ガスの透過係数である。ΔPは、ガス分離チューブ62の内部と外部との間の圧力差である。Lは、ガス分離チューブ62の長さである。Sは、ガス分離チューブ62内のガス流路の断面積である。dは、ガス分離チューブ62の内半径と外半径との差、すなわち、ガス分離チューブ62の側壁の径方向の厚みである。
式(1)にしたがって、所望量Vの回収対象ガスを回収するためのガス分離チューブ62の寸法L、S、dを設計することができる。
第2ポンプ7に対してガスの下流側には、図示しない回収対象ガスの精製ラインが接続されている。第2ポンプ7は、回収対象ガスの精製ラインに向けて第1ガスを排出する。例えば、第1ガスが回収対象ガスとしてのヘリウムガスと、水蒸気と、酸素ガスとの混合ガスである場合、精製ラインでは、水蒸気および酸素ガスをヘリウムガスから分離することでヘリウムガスを回収することができる。
以上の構成を有する半導体製造システム1において、第1ポンプ3による吸引力によってプロセス装置2から排出された排気ガスは、第1ポンプ3の下流側の流路において希釈ガス供給装置4から供給された希釈ガスによって希釈されて防爆が確保される。希釈ガスによって希釈されることで、排気ガスの総流量は増加する。
次いで、希釈された排気ガスは、除害装置5内に流入し、除害装置5内において、酸素ガスを用いて燃焼されることで無害化される。酸素ガスが添加されることで、排気ガスの総流量は更に増加する。
次いで、無害化された排気ガスは、流入口611を通ってガス回収ユニット6のガス分離チューブ62内に流入する。第2ポンプ7による筐体61内の排気によって、ガス分離チューブ62の内部と外部との間には、ガス分離チューブ62の外部が内部よりも低圧になるように圧力差が生じている。ガス分離チューブ62内に流入した排気ガスは、第2排出口613に向かってガス分離チューブ62内を進行する。
ガス分離チューブ62内を進行する過程で、ガス分離チューブ62内の排気ガスのうちガス分離チューブ62の透過性が高い第1ガスは、ガス分離チューブ62の内部と外部との圧力差によってガス分離チューブ62の内部から外部に透過する。ガス分離チューブ62を透過した第1ガスは、第2ポンプ7に吸引されて第1排出口612からガス回収ユニット6の外部に排出される。
一方、ガス分離チューブ62内の排気ガスのうちガス分離チューブ62の透過性が低い第2ガスは、ガス分離チューブ62の内部と外部との圧力差によってもガス分離チューブ62を透過しない。ガス分離チューブ62を透過しない第2ガスは、第2排出口613からガス回収ユニット6の外部に排出される。
第1排出口612から排出された第1ガスは、第2ポンプ7によって回収対象ガスの精製ラインに向けて排出され、精製ラインにおいて回収対象ガスが分離されて回収される。
第1の実施形態によれば、筐体61内の排気によって生じるガス分離チューブ62の内部と外部との圧力差を駆動力として、ガス分離チューブ62内の排気ガスのうちガス分離チューブ62に対する透過性が高い第1ガスを選択的にガス分離チューブ62から外部に透過させて第1排出口612から排出させることができる。これにより、総流量が多い排気ガスから第1ガスに含まれた回収対象ガスを効率的に回収することができる。
(第2の実施形態)
次に、ガス分離チューブ62を螺旋状に設ける第2の実施形態について説明する。図2は、第2の実施形態による半導体製造システム1において、ガス回収ユニット6を示す図である。
図2に示すように、第2の実施形態のガス回収ユニット6においては、ガス分離チューブ62が流入口611から第2排出口613まで螺旋状に設けられている。
ガス分離チューブ62が螺旋状に設けられていることで、筐体61内の制約されたスペースにおいて、無理のない構成でガス分離チューブ62の表面積を大きくすることができる。ガス分離チューブ62の表面積を大きくすることで、ガス分離チューブ62内における排気ガスの滞在期間を長くすることができる。ガス分離チューブ62内における排気ガスの滞在期間を長くすることで、ガス分離チューブ62を透過せずに第2排出口613から排出されてしまう第1ガスの量を抑えることができる。これにより、総流量が多い排気ガスから回収対象ガスを更に効率的に回収することができる。
(第3の実施形態)
次に、ガス分離チューブ62を折り返し部を有するように設ける第3の実施形態について説明する。図3は、第3の実施形態による半導体製造システム1において、ガス回収ユニット6を示す図である。
図3に示すように、第3の実施形態のガス回収ユニット6においては、ガス分離チューブ62が流入口611から第2排出口613まで折り返し部を有するように設けられている。
ガス分離チューブ62が折り返し部を有するように設けられていることで、第2の実施形態と同様に、筐体61内の制約されたスペースにおいて無理のない構成でガス分離チューブ62の表面積を大きくすることができる。これにより、総流量が多い排気ガスから回収対象ガスを更に効率的に回収することができる。
(第4の実施形態)
次に、第2ポンプ7のシールガスとして回収対象ガスと同種のガスを用いる第4の実施形態について説明する。図4は、第4の実施形態による半導体製造システム1において、第2ポンプ7を示す図である。
第2ポンプ7は、ガス流路のシールに油や液体ではなくガスを使用するドライポンプである。具体的には、図4に示すように、第2ポンプ7は、筐体71と、筐体71の内部に配置されたポンプ本体72と、ガスの上流側および下流側においてポンプ本体72に接続された配管73とを有する。ポンプ本体72は、例えば、ケーシングと、ケーシング内に収容され、回転動作によって第1ガスを吸排するロータと、ロータを回転する動力を発生させるモータとを有する。モータによる振動によって配管73とポンプ本体72との連結部が緩んで配管73から第1ガスが漏れることを抑制するため、筐体71内には、ガス源74からシールガスが供給される。シールガスは、配管73とポンプ本体72との連結部に供給されることで連結部から外部に第1ガスが漏れることを抑制する。
シールガスとしては、窒素ガスを用いることが多い。これに対して、本実施形態では、シールガスとして、回収対象ガスと同種のガス、例えばヘリウムガスを用いる。シールガスとして回収対象ガスと同種のガスを用いることで、回収対象ガスに不純物が混入することを防止することができる。これにより、純度が高い回収対象ガスを回収することができる。
上述した第2~第4の実施形態は、これらを適宜組み合わせてもよい。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
(付記)
(1)ガスが流入する流入口と、前記ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられ、前記第1排出口を介して内部が排気される筐体と、前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、を備えるガス回収装置。
(2)前記チューブは、前記流入口から前記第2排出口まで螺旋状に設けられている、(1)のガス回収装置。
(3)前記チューブは、前記流入口から前記第2排出口まで折り返し部を有するように設けられている、(1)または(2)のガス回収装置。
(4)前記第1排出口に接続されたポンプを更に備える、(1)~(3)のいずれかのガス回収装置。
(5)前記ポンプは、前記第1排出口を介して前記筐体の内部を排気することで、前記筐体の内部において前記チューブの外部が前記チューブの内部よりも低圧になるように前記チューブの内部と外部との間に圧力差を生じさせ、前記第1ガスは、前記圧力差によって前記チューブの内部から外部に透過して前記第1排出口から排出される、(4)のガス回収装置。
(6)前記ポンプは、前記筐体の内部を真空状態になるように排気する、(5)のガス回収装置。
(7)前記回収対象ガスは、次式にしたがって前記チューブの内部から外部に透過する、(5)または(6)のガス回収装置。
V=(A×ΔP×L×S)/d
但し、V:チューブに対する回収対象ガスの透過量、A:チューブに対する回収対象ガスの透過係数、ΔP:チューブの内部と外部との間の圧力差、L:チューブの長さ、S:チューブ内のガス流路の断面積、d:チューブの内半径と外半径との差
(8)前記ポンプは、シールガスとして前記回収対象ガスと同種のガスを用いる、(1)~(7)のいずれかのガス回収装置。
(9)前記ポンプは、前記回収対象ガスの精製ラインに向けて前記第1ガスを排出する、(1)~(8)のいずれかのガス回収装置。
(10)前記チューブは、多孔質材料を含有する、(1)~(9)のいずれかのガス回収装置。
(11)前記チューブは、有機材料を含有する、(10)に記載のガス回収装置。
(12)前記チューブは、フッ素樹脂を含有する、(11)に記載のガス回収装置。
(13)前記第1ガスは、前記ガスのうち分子量が小さく拡散係数が高い、または前記チューブ材への溶解度が高いガスを含む、(12)に記載のガス回収装置。
(14)前記回収対象ガスは、希ガスである、(1)~(13)のいずれかに記載のガス回収装置。
(15)前記流入口に流入するガスは、半導体製造装置から排出された排気ガスである、(1)~(14)のいずれかのガス回収装置。
(16)回収対象ガスを含むプロセスガスを用いて半導体装置を製造し、前記半導体装置の製造によって生じた排気ガスを排出する半導体製造装置と、前記排気ガスを希釈ガスで希釈する希釈装置と、前記希釈された排気ガスを酸素ガスを用いて燃焼させることで前記排気ガスを無害化する除害装置と、前記無害化された排気ガスから前記回収対象ガスを回収するガス回収装置と、を備え、前記ガス回収装置は、前記無害化された排気ガスが流入する流入口と、前記無害化された排気ガスのうち前記回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記無害化された排気ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられ、前記第1排出口を介して内部が排気される筐体と、前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、を備える、半導体製造システム。
(17)前記第1ガスは、前記回収対象ガスであるヘリウムガスと、水素ガスと、水蒸気と、酸素ガスとを含み、前記第2ガスは、前記希釈ガスである窒素ガスと、二酸化炭素ガスと、アルゴンガスとを含む、(16)の半導体製造システム。
(18)前記除害装置は、前記希釈された排気ガスからシランガスおよびアンモニアガスを除去することで前記希釈された排気ガスを無害化する、(17)の半導体製造システム。
(19)ガスが流入する流入口と、前記ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられた筐体と、前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、を備えるガス回収装置を用いて前記回収対象ガスを回収し、前記回収対象ガスの回収は、前記第1排出口を介して前記筐体の内部を排気することで、前記筐体の内部において前記チューブの内部よりも前記チューブの外部が低圧になるように前記チューブの内部と外部との間に圧力差を生じさせ、前記圧力差によって前記第1ガスを前記チューブの内部から外部に透過させて前記第1排出口から排出させることを含む、ガス回収方法。
(20)前記第1排出口から排出された前記第1ガスから前記回収対象ガスを分離することを更に含む、(19)のガス回収方法。
6:ガス回収ユニット、61:筐体、611:流入口、612:第1排出口、613:第2排出口、62:ガス分離チューブ

Claims (9)

  1. ガスが流入する流入口と、前記ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられ、前記第1排出口を介して内部が排気される筐体と、
    前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、を備えるガス回収装置。
  2. 前記チューブは、前記流入口から前記第2排出口まで螺旋状に設けられている、請求項1に記載のガス回収装置。
  3. 前記チューブは、前記流入口から前記第2排出口まで折り返し部を有するように設けられている、請求項1または2に記載のガス回収装置。
  4. 前記第1排出口に接続されたポンプを更に備える、請求項1~3のいずれか1項に記載のガス回収装置。
  5. 前記ポンプは、前記第1排出口を介して前記筐体の内部を排気することで、前記筐体の内部において前記チューブの外部が前記チューブの内部よりも低圧になるように前記チューブの内部と外部との間に圧力差を生じさせ、
    前記第1ガスは、前記圧力差によって前記チューブの内部から外部に透過して前記第1排出口から排出される、請求項4に記載のガス回収装置。
  6. 前記ポンプは、前記筐体の内部を真空状態になるように排気する、請求項5に記載のガス回収装置。
  7. 前記回収対象ガスは、次式にしたがって前記チューブの内部から外部に透過する、請求項5または6に記載のガス回収装置。
    V=(A×ΔP×L×S)/d
    但し、
    V:チューブに対する回収対象ガスの透過量
    A:チューブに対する回収対象ガスの透過係数
    ΔP:チューブの内部と外部との間の圧力差
    L:チューブの長さ
    S:チューブ内のガス流路の断面積
    d:チューブの内半径と外半径との差
  8. 回収対象ガスを含むプロセスガスを用いて半導体装置を製造し、前記半導体装置の製造によって生じた排気ガスを排出する半導体製造装置と、
    前記排気ガスを希釈ガスで希釈する希釈装置と、
    前記希釈された排気ガスを酸素ガスを用いて燃焼させることで前記排気ガスを無害化する除害装置と、
    前記無害化された排気ガスから前記回収対象ガスを回収するガス回収装置と、を備え、
    前記ガス回収装置は、
    前記無害化された排気ガスが流入する流入口と、前記無害化された排気ガスのうち前記回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記無害化された排気ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられ、前記第1排出口を介して内部が排気される筐体と、
    前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、を備える、半導体製造システム。
  9. ガスが流入する流入口と、前記ガスのうち回収対象ガスを含む第1ガスを排出する第1排出口と、前記ガスのうち前記第1ガス以外の第2ガスを排出する第2排出口とが設けられた筐体と、
    前記筐体の内部において前記流入口から前記第2排出口まで設けられ、前記第1ガスの透過性が高く、前記第2ガスの透過性が低いチューブと、
    を備えるガス回収装置を用いて前記回収対象ガスを回収し、
    前記回収対象ガスの回収は、
    前記第1排出口を介して前記筐体の内部を排気することで、前記筐体の内部において前記チューブの内部よりも前記チューブの外部が低圧になるように前記チューブの内部と外部との間に圧力差を生じさせ、
    前記圧力差によって前記第1ガスを前記チューブの内部から外部に透過させて前記第1排出口から排出させることを含む、ガス回収方法。
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