JP2598432B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は排ガスを放電プラズマにより無害化処理する
装置に関する。更に詳しくは、真空を利用した薄膜形成
技術、例えば各種の化学的気相成長法、すなわち減圧CV
D法（Chemical Vapor Deposition）、プラズマCVD法、
光CVD法や、プラズマエッチング法等において排出され
る反応性ガスを真空減圧下において、少量から半導体製
造の工業的規模での多量に至るまで、プラズマ処理する
ことにより無害化する排ガスの放電処理装置に関する。

［従来技術］ 真空を利用した薄膜形成のために各種CVD法やプラズ
マエッチングに於いて使用される反応性ガスは、CVDチ
ャンバーやエッチングチャンバーにおいて必ずしも該薄
膜形成時に全量消費されず、未反応ガスの残留や副生ガ
スの発生を生じる場合があった。また、薄膜形成の工程
上、CVDやエッチングを経ることなく原料ガスがそのま
まポンプから排出される場合もある。これらの反応性ガ
スの多くは、未処理のまま大気中に放出されると燃焼や
爆発を生じたり、毒性を有するものもあり、災害や公害
の原因となるため大気中の許容濃度が定められている。

従来、これらの反応性ガスを無害化処理する方法とし
て、大過剰の不活性ガスによる希釈、触媒反応におる化
学的処理、湿式の吸収及び吸着除去、乾式吸着除去等が
用いられている。これらの方法は、いずれも真空ポンプ
排出後の常圧下に於いてなされるものであり、装置コス
トや運転コストが高い欠点を有するのみならず、メンテ
ナンスへの留意に欠けると安全性を確保できないことが
いくつかの事故例として報告されている。

一方、これとは他の系統に属する技術として、放電を
利用した排ガス処理方法（放電処理法）が提案されてい
る。これらは、上記した方法に対し被処理ガスをポンプ
から系外に排出する前に真空減圧下で処理するという特
徴を有している。

例えば、特開昭第51-129868号には有毒物質を含有する
廃ガスと酸化剤をプラズマが発生している空間で相互に
接触せしめることにより前記有毒物質を安定な化合物に
変え、廃ガスから除去する処理方法が開示されている。
又、特開昭第58-6231号には反応性の廃ガスを排出する
反応槽と排出装置との間に配置され、廃ガスを放電によ
り分解して排出する廃ガス処理装置が開示されている。
しかしながら、これらの放電処理法では、廃ガスを所定
濃度まで無害化処理するに必要なプラズマを維持しうる
負荷範囲が自ずと限定され、大きな負荷変動、とりわけ
圧力変動に対して安定なプラズマ状態を維持することは
困難であり、排ガス処理装置としては、その適用範囲が
制限されざるを得ないという問題点があった。

さらに、最近、放電処理法において、負荷変動追従を
可能とするために磁界を重畳したプラズマを利用する方
法（磁界重畳法）が提案されている（応用物理学会 プ
ラズマエレクトロニクス研究会、1986年１月）。該磁界
重畳法においては、電極が形成する電界の向きと約45°
乃至約135°の角度で直流または交流磁界を印加するこ
とにより、プラズマ中での電子の旋回半径が小さくな
り、電子が電極間を旋回できるため、0.01mTorr〜数十T
orrの広範な負荷条件下で安定な放電を維持し得るとい
う特徴を有している。

［発明が解決しようとする問題点］ 放電処理法では、前記したように、被処理ガスをポン
プにより系外に排出する前段の真空減圧下で処理し得る
ことが特徴であり、従って、必然的に放電処理装置は各
種CVD装置やエッチング装置と真空排気ポンプとの間に
配置されることになるため、これが現実に実用に供し得
るためには、かかる装置の間に容易に組み込まれうるよ
うに可及的に小型で且つ省エネルギー的なものであるこ
とが要請される。これを実現するには、単に磁界を重畳
印加して負荷変動に追従させるという基本概念の提出の
みならず、実際の装置としてプラズマを発生せしめる電
極の至適な構成及び寸法の設定が必要とされるが、前記
の従来技術では、単に基本的な概念が提出されたに止ま
り、具体的にはこれらに関する知見は何ら与えられてお
らず、従って実用に供し得る排ガス処理装置は得られて
いないのが実状である。

本発明者らは、実用に供するに充分な小型且つ省エネ
ルギーの放電処理装置を具現化することを目的とし、上
記問題点の解決に取組み鋭意検討した結果、陰極と陰
極、陽極と陽極を対向せしめて陰極対および陽極対から
なる空間を形成し、該空間を形成する陽極間距離を陰極
間距離の特定倍以上となるように配置し、且つ陰極は陽
極より特定倍以上の投影面積を有するようにし、陰極対
向方向に磁界を印加することにより、処理装置単位容積
当りの被処理ガスの処理速度を極めて高められることを
見出し本発明を完成するに至った。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、本発明によれば、ガス導入口とガス導出口
を具備する管状容器内に陰極と陽極からなる少なくとも
一対の電極を設けて構成した放電管と、該電極と接続さ
れる直流または交流電源と、および該放電管内に形成さ
れたガス流路とを含む排ガス放電処理装置において、該
ガス流路とほぼ平行に少なくとも一対の陰極を対向させ
て陰極対とし、該陰極対により形成される空間の一端は
該ガス導入口と、且つ他端は該ガス導出口と連結させら
れ、該空間内に該陰極とほぼ直角方向に少なくとも一対
の陽極を該陰極と接触することなく且つ一対の陽極間距
離が該一対の陰極間距離の２倍以上となるように対向さ
せて設けると共に、該陰極の対向方向に直流または交流
磁界を形成する磁界印加装置を該放電管に設けたことを
特徴とする排ガス放電処理装置、が提供される。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で対象とする被処理ガスは、CVD法もしくはプ
ラズマエッチング法に於いて使用され、未処理のまま大
気中に放出されれば何らかの災害や公害を引き起こす可
能性を有する気体もしくは蒸気であり、とりわけ、従来
の触媒反応や吸収・吸着等の化学的処理法で実施が容易
でないガスである。例えば、モノシラン、ジシラン、ト
リシラン等のシラン系ガス（これらは、本発明による放
電処理により、シリコンもしくは水素系アモルファスシ
リコンと水素に分離処理される）；モノメチルシラン、
ジメチルシラン等のアルキルシラン系ガス（同じく、水
素化アモルファスシリコンカーバイドと水素に分解処
理）；ゲルマン系ガス（同じく、水素化アモルファスゲ
ルマンと水素に分解処理）；クロルシラン系ガス；フル
オロシラン系ガス等が挙げられる。なお、さらにジボラ
ン等のボラン系ガス；トリメチルボロン等のアルキルボ
ラン系ガス；ホスフィン系ガスに対しても適用できる
が、これらの場合には、酸素等を添加することにより、
より有効な処理が可能である。もちろん、適用対象とな
り得るガスは蒸気のガスに限定されるものではなく、ま
たこれらの混合物や水素、窒素及び不活性ガスで希釈さ
れたものであっても差し支えない。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の態
様を説明する。

本発明で開示する排ガス処理装置の電極構成の一例を第
１図に示す。

一般に放電装置では陰極と陽極が対向した構造を成す
ものが多いが、このような陰陽対向構造ではプラズマ陽
光柱内に電子密度の分布が生じ、小型で均一且つ強度の
強いプラズマを形成することは容易でない。これに対
し、本発明においては、少なくとも一対の陰極を対向さ
せて陰極対とするものであるが、このように陰極を対向
させると、特に磁界が重畳された場合には電子旋回半径
が小さくなることも作用して、極めて強度が強く、陰極
間に閉じ込められたプラズマを形成することができるの
である。

すなわち、本発明は、かかる発想に基づくもので、ガ
ス導入口とガス導出口を具備する管状容器内に陰極と陽
極からなる少なくとも一対の電極を設けて構成した放電
管と、該電極と接続される直流または交流電源と、およ
び該放電管内に形成されたガス流路とを含む排ガス放電
処理装置において、該ガス流路とほぼ平行に少なくとも
一対の陰極を対向させて陰極対１とし、該陰極対により
形成される空間の一端は該ガス導入口５と、且つ他端は
該ガス導出口６と連結させられるようにし、該空間内に
該陰極とほぼ直角方向に少なくとも一対の陽極２を該陰
極と触することなく対向させて設けると共に、陰極の対
向方向に直流または交流磁界を形成する磁界印加装置３
を放電管8に設けるものである。

第１図においては、ガス導入口５とガス導出口６を結
ぶガス流路とほぼ平行に長方形の陰極を対向させて陰極
対１とし、該陰極の両背面に磁界印加装置例えば永久磁
石３をN/S対向する如く放電管8に設置して陰極対向方向
に直流磁界を印加するようになっている。なお、９はヨ
ークである。

しかして、磁界の強さは距離の平方に逆比例するため、
該陰極対１の対向距離は小さいことが好ましく、また、
容積当りの電力密度を増大させるために該距離は小さい
ことが望まれる。陰極対の対向距離の至適値は負荷圧力
および被処理ガス組成により異なうるが、好ましくは5m
m乃至80mm、より好ましくは10mm乃至40mm程度である。

なお、陰極対１とほぼ直角方向に、好ましくは、ガス
流路とほぼ平行に、陰極１と接触することなしに陽極を
一対対向させ陽極対２とする。そして、陰極及び陽極と
電源とを接続し、該電極間に電界を形成せしめると、陰
極対と陽極対とで囲まれた空間にプラズマが発生するの
である。

本発明において、該陽極対間の距離は、該プラズマ空
間での電子密度を高めて被処理ガスの分解速度則ち単位
容積・単位時間当りの処理量を高めるために、陰極対間
の距離に対し２倍以上の長さを有することが好ましく、
より好ましくは２乃至40倍である。なお、陰極と陽極の
最短部ではアーク放電等の異常放電やプラズマの偏りが
発生しやすいため、ポリテトラフルオロエチレンのごと
き絶縁物４で遮蔽もしくは充填するか、または平均自由
行程よりも短い距離を維持することが好ましい。

陰極対及び陽極対のガス流路方向の長さは、それぞれ
10cm〜80cm程度が好ましく、15cm〜40cm程度がより好ま
しい。短すぎるとプラズマ処理容積が小さく処理効率が
低く、また長すぎると電極長さ方向でのプラズマ均一性
を保持することが難しいのみならず、下流位置では処理
効率が著しく低下してしまう。

陰極の大きさは被処理ガスの流通する空間内において
可能な限り大きいことが、ガスを効果的に分解処理する
ため好ましい。すなわち、陰極の投影面積は陽極の投影
面積の少なくとも２倍以上であることが好ましく、より
好ましくは５乃至100倍である。本発明において電極の
投影面積とは、電極上の電位が同一である点すべてで囲
まれる面積と定義される。

また、陰極に空隙部を有すこと、例えばメッシュ状、
多孔板状あるいはスリット板状とすることが、かかる投
影面積を維持しつつ実質的に陰極面積を小さくして陰極
電流密度を高め、高いガス処理速度を少ない供給電力で
実現することができるため有効な手段である。一方、陽
極は電子の捕集の役割を果たせればよく、平板のみなら
ず、メッシュ状、多孔板状あるいはスリット板状の如き
空隙を有する形状、あるいは棒状や針状であってもなん
ら差し支えない。

本発明において陰極対１及び陽極対２の数は、上記し
た至適な陰極間距離が確保されている限り特に制限は無
く、例えば、第２図（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）に
示すが如き態様が取られ得るのである。

また被処理ガスが流れるガス流路は、当然のことなが
ら、プラズマ空間を通過することのなく排出されるガス
流れを存在させないことが処理を効果的に行うために重
要であり、陰極対から構成される空間の一端を処理装置
のガス導入口５と、且つ他端をガス導出口６と連結させ
ることが必要である。また、ガス流路中のガス流通方向
は鉛直線に対し平行方向もしくは鉛直方向を含む任意の
角度を採用できるが、処理によって固体が発生するよう
な場合には、該生成した固体を電極面から自由落下させ
て除くことを勘案し、鉛直方向に設定されることが望ま
しい。

さらに、かくの如き寸法および構成の少なくとも一対
の陰極を対向させてなる陰極対と、同じく少なくとも一
対の陽極を対向させてなる陽極付とから電極組を構成
し、該電極組をガス流通方向に複数組直列に配置して電
極組列とし、このような電極組列の一端をガス導入口と
且つ他端はガス導出口と連結させることが、ガスの処理
率の向上に極めて有効であり、処理ガス量が多量なる場
合に特に効果的である。第３図及び第４図はかかる電極
組を二組直列に結合した例を示すもので、前者はその縦
断面図、後者はそのＡ−Ａ′矢視横断面図である。電極
組列の数は、処理量、圧力、供給電力により任意に設定
すればよい。各電極組により形成（郭定）される空間内
を、第３図に示したように、被処理ガスが下降流、上昇
流と順次流通する構成は、本発明の最も好ましい実施形
態の一つである。なお、このとき、直列に配置された電
極組と電極組の間に、各々のプラズマの独立性を確保
し、一つのプラズマが他方に回り込むことのないよう
に、放電を遮断する隔離壁７を存在せしめることが、放
電間の相互作用を回避する上で有効な手段である。隔離
壁はポリテトラフルオロエチレンのごとき絶縁物を使用
することが好ましいが、電極組の構成によっては必ずし
もこの限りではない。

また、本発明の技術的範囲に属するバリエーションと
して、例えば第５図に示すように、陰極対１のみを使用
し、放電管8の内壁の一部もしくは全部をこれに対する
陽極（もしくは陽極対）として陰極対に対向せしめるこ
とも可能である。もちろん、更なるバリエーションとし
てこれに準じて、陰極と陽極を入れ換えたような構成と
することも出来る。

本発明において使用する電源は、直流、交流、高周波
のいずれでもよいが、位相整合の不要な直流及び交流が
好ましく、アーク放電の持続防止のため交流電源がより
好ましい。もっとも、負荷範囲によっては必ずしもこの
限りではない。さらに、本発明におけるプラズマは、概
して定電圧と見なせる電流〜電圧特性を呈するが故に、
被処理ガスの連続的且つ安定的な処理を実施するには、
定出力電源もしくは定電流電源を採用することが便利で
ある。

本発明においては、陰極対向方向に磁界を形成するた
めの磁界印加装置を放電管に設ける。ここで陰極対向方
向に磁界を形成するとは、陰極面に垂直に磁力線が交わ
る場合を基本とし、この、±45°程度の範囲で交わる場
合をも包含するものとする。磁界は直流、交流磁界のい
ずれでもよいが、プラズマ反応を連続的に実施する見地
及び廉価かつ簡便であることから、該磁界印加装置とし
ては、永久磁石を用いた直流磁界が好ましい。永久磁石
としては、焼結型磁石や樹脂中に混合成形されたプラス
チック磁石でよく、磁束密度を高めるためには、ネオジ
ウム−鉄−ほう素等の希土類磁石の使用が効果的であ
る。印加する表面磁束密度は数ガウス以上好ましくは10
0〜10,000ガウス程度である。実際の排ガス処理におい
ては、上記したごとき構成を有する本発明の排ガス放電
処理装置に於いて、ガス導入口５から被処理ガスを陰極
対１、陽極対２及び磁界印加装置から成る磁界を重畳さ
れたプラズマ空間に導入する。導入された排ガスは所定
の滞留時間の間プラズマ反応により無害化処理された後
に、ガス導出口６から排出され、真空排気ポンプを経て
大気中に放出される。無論、真空ポンプ排出後に化学的
処理等の従来処理技術と組合せて、更に処理を徹底化さ
せることに何ら支障は無い。なお、本発明において採用
される負荷条件は、約0.1mTorr〜10Torr程度である。

［実施例］ 以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明す
る。

実施例１ 第１図に示した構成の装置を使用した。ガス導入口５
及びガス導出口６用の２インチのフランジを具備した内
容積2lのステンレス製真空容器８内に、幅20cm長さ30cm
厚み2mmのステンレス板一対を2cmの間隔で対向させて陰
極対１とし、該陰極対で形成される空間内に、陰極と直
角方向に、絶縁物としてポリテトラフルオロエチレン
（商標名テフロン）４を介して陰極と接触することなし
に、幅1.5cm長さ30cm厚み2mmのステンレス板を対向させ
て陽極対２とした。陰極の両背面にテフロン４を介して
表面磁束密度を500ガウスのフェライト磁石３を対向さ
せ、ヨーク９により陰極対向方向に直流磁界を形成させ
た。陰極対と陽極対とを定電流直流電源に接続し、ガス
導入口５より100％のモンシランガス50sccmを導入して
プラズマを発生させ、ガス導出口６よりメカニカルブー
スターポンプによって真空排気を行った。陰極の投影面
積は陽極のそれの13.3倍であった。陽極の枚数を変化さ
せることにより、ガス流通空間の断面積を一定に維持し
つつ、陽極間距離を陰極間距離に対して、１倍、２相、
５倍、10倍に変化させ、一定の電力を陰極に供給して、
ガス導出口における残留モノシランガス濃度を四重極質
量分析装置により測定した。

圧力0.3Torr、供給電力150W一定の条件下における各
種陽極間隔での残留モノシランガス濃度は、陰極間距離
に対する陽極間距離として、１倍間隔で、8.1％、２倍
間隔で4.5％、５倍間隔で3.8％、10倍間隔で3.0％であ
った。さらに、圧力0.6Torr、供給電力200Wにおける同
濃度は、１倍間隔で2.3％、２倍間隔で1.1％、５倍間隔
で0.8％、10倍間隔で0.6％であった。

実施例２ 実施例１において、陰極を開口率50％の同寸法のステ
ンレス多孔板にて作製し、その他の条件を同一にして同
様の測定を実施した。圧力0.3Torr、供給電力150Wにお
いて、残留モノシランガス濃度は、陰極間距離に対する
陽極間距隔として５倍間隔の条件で、2.4％であり、圧
力0.6Torr、供給電力200Wにおいては、同濃度は0.6％で
あった。

実施例３ 第３図に示すような装置を使用した。

実施例１において、陽極間隔を陰極間隔の10倍とした電
極組を２組直列に、内容積4lのステンレス製真空容器に
設置し、100％のモノシランガス250sccmをガス導入口５
より供給し、プラズマを発生させた。２組の電極組との
供給電力の和を500Wとし、圧力0.3Torrにて、ガス導出
口６における残留モノシランガス濃度を四重極質量分析
装置により測定した結果、同濃度は、0.74％であった。

［発明の効果］ 本発明によれば、モノシランガス等の半導体排ガスを
放電処理法により無害化処理する際に、小型且つ低消費
電力にて処理が可能な排ガス処理装置が提供される。従
って、この半導体製造の工業的規模に至るまでの有害ガ
スの無害化処理にもたらす貢献は大であり、その産業上
の利用可能性はきわめて大きいといわざるを得ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の排ガス処理装置の構成の一例を示す
縦断面図である。 第２図（イ）〜第２図（ニ）は、本発明における電極の
構成例を示す横断面図である。 第３図〜第４図は本発明における電極組を直列に配置し
て電極組列とする電極の構成例を示すもので、第３図は
縦断面図、第４図はそのＡ−Ａ′矢視の横断面図であ
る。 第５図は本発明における電極の構成例の他の例を示す横
断面図である。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス導入口とガス導出口を具備する管状容
   器内に陰極と陽極からなる少なくとも一対の電極を設け
   て構成した放電管と、該電極と接続される直流または交
   流電源と、および該放電管内に形成されたガス流路とを
   含む排ガス放電処理装置において、該ガス流路とほぼ平
   行に少なくとも一対の陰極を対向させて陰極対とし、該
   陰極対により形成される空間の一端は該ガス導入口と、
   且つ他端は該ガス導出口と連結させられ、該空間内に該
   陰極とほぼ直角方向に少なくとも一対の陽極を該陰極と
   接触することなく且つ一対の陽極間距離が該一対の陰極
   間距離の２倍以上となるように対向させて設けると共
   に、該陰極の対向方向に直流または交流磁界を形成する
   磁界印加装置を該放電管に設けたことを特徴とする排ガ
   ス放電処理装置。
2. 【請求項２】陰極の投影面積が陽極の投影面積の２倍以
   上である特許請求の範囲第１項に記載の処理装置。
3. 【請求項３】陰極と陽極の少なくとも一方が空隙部を有
   している特許請求の範囲第１項もしくは第２項に記載の
   処理装置。
4. 【請求項４】少なくとも一対の陰極を対向させてなる陰
   極対と少なくとも一対の陽極を対向させてなる陽極対と
   から電極組を構成し、該電極組を複数組直列に配置して
   電極組列とし、該電極組列の一端はガス導入口と且つ他
   端はガス導出口と連結させた特許請求の範囲第１項乃至
   第３項の何れかに記載の処理装置。
5. 【請求項５】直列に配置された電極組と電極組との間に
   各々の放電を遮断する隔離壁を設けた特許請求の範囲第
   ４項に記載の処理装置。
6. 【請求項６】陽極対がガス流路にほぼ平行に設けられる
   特許請求の範囲第１項乃至第５項の何れかに記載の処理
   装置。