JP2732277B2 - 水素化物ガスの精製方法 - Google Patents

水素化物ガスの精製方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水素化物ガスの精製方法に関し、さらに詳細
にはジボランを除く水素化物ガス中に不純物として含有
される酸素を極低濃度まで除去しうる水素化物ガスの精
製方法に関する。
アルシン、ホスフィン、セレン化水素およびシランな
どの水素化物ガスはガリウム−砒素(GaAs)などの化合
物半導体などを製造するための原料およびイオン注入用
ガスなどとして重要なものであり、その使用量が年々増
加しつつあると同時に半導体の高度集積化に伴い、不純
物の含有量の極めて低いものが要求されている。
〔従来の技術〕
半導体製造時に使用される水素化物ガスは一般的には
純水素化物ガスの他、水素ガスまたは不活性ガスで稀釈
された形態で市販されている。
これらの水素化物ガス中には不純物として酸素および
水分などが含有されており、このうち水分は合成ゼオラ
イトなどの脱湿剤により除去することが可能である。
市販の精製水素化物ガス中の酸素含有量は通常は10pp
m以下であるが、最近のボンベ入りの水素化物ガスなど
では、その酸素含有量は0.1〜0.5ppmと比較的低いもの
も市販されている。
水素化物ガス中に含有される酸素を効率よく除去する
方法についての公知技術は殆ど見当たらないが、アルシ
ンに対して吸着能を有する物質として活性炭、合成ゼオ
ライトにアルシンを接触させて酸素を1ppm以下まで除去
するアルシンの精製方法が提案されている(特開昭62−
78116号公報)。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、酸素含有量が1ppmを切る程度では最近
の半導体製造プロセスにおける要求に充分に対応するこ
とはできず、さらに、0.1ppm以下とすることが強く望ま
れている。
また、これらのガスはボンベの接続時や配管の切替時
など半導体製造装置への供給過程において空気など不純
物の混入による汚染もあるため、装置の直前で不純物を
最終的に除去することが望ましい。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、水素化物ガス中に含有される酸素を極
低濃度まで効率よく除去するべく鋭意研究を重ねた結
果、水素化物ガスをニッケルのほう素化物と接触させる
ことにより、酸素濃度を0.1ppm以下、さらには0.01ppm
以下まで除去しうることを見い出し、本発明を完成し
た。すなわち本発明は、ジボランを除く粗水素化物ガス
をニッケルのほう素化物と接触させて、該粗水素化物ガ
ス中に含有される酸素を除去することを特徴とするジボ
ランを除く水素化物ガスの精製方法である。
本発明はジボランを除く水素化物ガス単独、水素(水
素ガスベース)および窒素、アルゴンなどの不活性ガス
(不活性ガスベース)で希釈されたジボランを除く水素
化物ガス(以下総称して粗水素化物ガスと記す)中に含
有される酸素の除去に適用される。
ここでジボランを除く水素化物ガスとはアルシン、ホ
スフィン、セレン化水素およびシランなどであり、主に
半導体製造プロセスなどで使用される水素化物ガス(以
下総称して水素化物ガスと記す)である。
本発明においてニッケルのほう素化物とはNi2Bなどと
して一般的に知られているほう素化ニッケルおよびニッ
ケルにほう素がその他の種々な形態で結合したものであ
る。
ニッケルのほう素化物を得るには種々な方法がある
が、これらのうちでも簡便な方法として例えばニッケル
にジボランを接触させることによっても容易にほう素化
物を得ることができる。この場合のニッケルとしては金
属ニッケルまたはニッケルの酸化物など還元され易いニ
ッケル化合物を主成分とするものであればよい。また、
ニッケル以外の金属成分として銅、クロム、鉄、コバル
トなどが少量含有されていていもよい。
これらのニッケルは単独で用いてもよく、また、触媒
単体などに担持させた形で用いてもよいが、ニッケルの
表面とガスとの接触効率を高める目的などから、通常は
触媒担体などに担持させた形態が好ましい。
ニッケルを担体に担持させる方法としては、例えば、
ニッケル塩の水溶液中に珪藻土、アルミナ、シリカアル
ミナ、アルミノシリケートおよびカルシウムシリケート
などの担体粉末を分散させ、さらにアルカリを添加して
担体の粉末上にニッケル成分を沈着させ、次いで濾過
し、必要に応じて水洗して得たケーキを120〜150℃で乾
燥後、300℃以上で焼成し、この焼成物を粉砕する、あ
るいはNiCO3,Ni(OH)2,Ni(NO3)2などの無機塩、NiC
2O4,Ni(CH3COO)2などの有機塩を焼成し、粉砕した後、
これに耐熱性セメントを混合し、焼成するなどが挙げら
れる。
これらは、通常は、押出し成型、打錠成型などで成型
体とされ、そのまま、または、必要に応じて適当な大き
さに破砕して使用される。成型方法としては乾式法ある
いは湿式法を用いることができ、その際、少量の水、滑
材などを使用してもよい。
また、ニッケル系触媒として例えば水蒸気変成触媒、
C11−2−03(NiO−セメント)、C11−2−06(NiO−耐
火物)、C11−2(Ni−カルシウムアルミネート)、C11
−9(Ni−アルミナ);水素化触媒、C46−5(Ni−シ
リカアルミナ)、C46−6(Ni−カルシウムシリカ)、C
46−7(Ni−珪藻土)、C46−8(Ni−シリカ)、C36
(Ni−Co−Cr−アルミナ);ガス化触媒、XC99(Ni
O);水素化変成触媒、C20−7(Ni−Mo−アルミナ)
〔以上、東洋CCI(株)製〕および水素化触媒、N−111
(Ni−珪藻土);ガス化変成触媒、N−174(NiO);ガ
ス化触媒、N−185(NiO)〔以上、日揮(株)製〕など
種々のものが市販されているのでこれらの中からから適
当なものを選択して使用してもよい。
要は還元ニッケル、酸化ニッケルなどが微細に分散さ
れて、その表面積が大きくガスとの接触効率の高い形態
のものであればよい。
触媒の比表面積としては通常は、BET法で10〜300m2/g
の範囲のもの、好ましくは30〜250m2/gの範囲のもので
ある。
また、ニッケルの含有量は金属ニッケル換算で通常
は、5〜95wt%、好ましくは20〜95wt%である。
ニッケルの含有量が5wt%よりも少なくなると脱酸素
能力が低くなり、また、95wt%よりも高くなると水素に
よる還元の際にシンタリングが生じて活性が低下する虞
れがある。
ニッケルのほう素化は通常は、還元ニッケル、酸化ニ
ッケルなどにジボランを接触させることによっておこな
うことができるが、酸化ニッケルなどの場合には、あら
かじめ水素還元によって還元ニッケルとすることが好ま
しい。
水素還元に際しては、例えば350℃以下程度で水素−
窒素の混合ガスを空筒線速度(LV)1cm/sec程度で通す
ことによっておこなえるが、発熱反応であるため温度が
急上昇しないよう注意が必要である。また、還元を水素
ベースのジボランでおこなうことにより、ほう素化も同
時におこなうことができるので好都合である。
ほう素化は通常は、ニッケルまたはこれらを担体に担
持させたものを精製筒などの筒に充填し、これにジボラ
ンまたはジボラン含有ガスを通すことによっておこなわ
れる。
ほう素化に用いるジボランの濃度は、通常は0.1%以
上、好ましくは1%以上のものが用いられる。ジボラン
濃度が0.1%よりも低くなると反応を終了させるまでに
時間を要し不経済である。
ほう素化は常温でおこなうことができるが、発熱反応
であり、ジボラン濃度が高い程温度が上昇し易いため、
通常は250℃以下、好ましくは200℃以下に保たれるよう
ガスの流速を調節しながらおこなうことが好ましい。
ほう素化の終了は発熱量の減少および筒の出口からの
ジボランの流出量の増加などによって知ることができ
る。
本発明において、ほう素化されたニッケルをあらため
て別の精製筒に充填し、これに粗水素化物ガスを通して
酸素の除去精製をおこなってもよいがほう素化合物は毒
性が強く取扱に細心の配慮を要することなどから、ほう
素化は最初から水素化物ガスの精製筒でおこない、ほう
素化終了後、引き続いて粗水素化物ガスを供給して酸素
除去精製をおこなうことが好ましい。
水素化物ガスの精製は、通常は、ニッケルのほう素化
物が充填された精製筒に粗水素化物ガスを流すことによ
っておこなわれ、粗水素化物ガスがニッケルのほう素化
物と接触することによって粗水素化物ガス中に不純物と
して含有される酸素が除去される。
本発明に適用される粗水素化物ガス中の酸素濃度は通
常は100ppm以下である。酸素濃度がこれよりも高くなる
と発熱量が増加するため条件によっては除熱手段が必要
となる。
精製筒に充填されるニッケルのほう素化物の充填長
は、実用上通常は50〜1500mmとされる。充填長が50mmよ
りも短くなると酸素除去率が低下する虞れがあり、ま
た、1500mmよりも長くなると圧力損失が大きくなり過ぎ
る虞れがある。
精製時の粗水素化物ガスの空筒線速度(LV)は供給さ
れる粗水素化物ガス中の酸素濃度および操作条件などに
よって異なり一概に特定はできないが、通常は100cm/se
c以下、好ましくは30cm/sec以下である。
水素化物ガスとニッケルのほう素化物との接触温度は
精製筒の入口に供給されるガスの温度で、200℃以下程
度、好ましくは0〜100℃であり、通常は常温でよく特
に加熱や冷却は必要としない。
圧力にも特に制限はなく常圧、減圧、加圧のいずれで
も処理が可能であるが、通常は20Kg/cm2abs以下、好ま
しくは0.1〜10Kg/cm2absである。
また、水素化物ガス中に少量の水分が含有されていて
も脱酸素能力には特に悪影響を及ぼすことはなく、さら
に担体などを用いている場合には、その種類によっては
水分も同時に除去される。
本発明においてニッケルのほう素化物による酸素除去
工程に、必要に応じて合成ゼオライトなどの脱湿剤によ
る水分除去工程を適宜組合せることも可能であり、これ
によって水分も完全に除去され、極めて高純度の精製水
素化物ガスを得ることができる。
〔発明の効果〕
本発明によって、従来除去が困難であった粗水素化物
ガス中の酸素を0.1ppm以下、さらには0.01ppm以下のよ
うな極低濃度まで除去することができ、半導体製造工業
などで要望されている超高純度の精製水素化物ガスを得
ることが可能となった。
〔実施例〕
実施例1〜4 (ニッケルの還元処理) 市販のニッケル触媒(日揮(株)製、N−111)を用
いた。このものの組成はNi+NiOの形であり、Niとして4
5〜47wt%、Cr2〜3wt%、Cu2〜3wt%、珪藻土27〜29wt
%および黒鉛4〜5wt%であり、直径5mm、高さ4.5mmの
成型体である。
このニッケル触媒を8〜10meshに破砕したもの85mlを
内径19mm、長さ400mmの石英製の精製筒に充填長300mm
(充填密度1.0g/ml)に充填した。
これに水素を常圧で温度150℃、流量595cc/min(LV=
3.6cm/sec)で3時間還元処理をおこなった後、常温に
冷却した。
(ニッケルのほう素化物) この精製筒に3vol%のジボランを含有する水素を510c
c/min(LV=3cm/sec)で流してニッケルのほう素化をお
こなった。このときの室温は25℃であったが、ほう素化
による発熱で筒の出口のガスの温度は約33℃に上昇し
た。その後出口ガスの温度は徐々に低下し、8時間後に
は室温に戻り、ほう素化処理を終了した。そのままさら
に3時間水素パージをおこない水素化物ガスの精製に備
えた。同様にして計6本の精製筒を準備した。
(各水素化物ガスの精製) 引き続いて、これらの精製筒のそれぞれに酸素を含有
する水素ベースのアルシン、ホスフィン、セレン化水素
またはシランを1700cc/min(LV=10cm/sec)で流して黄
燐発光式酸素分析計(測定下限濃度0.01ppm)を用いて
出口ガス中の酸素濃度を測定したところ、酸素は検出さ
れずいずれも0.01ppm以下であった。精製を始めてから1
00分後においても出口ガスの酸素濃度は0.01ppm以下で
あった。それぞれの結果を第1表に示す。
比較例1 活性炭(耶子殻炭)を8〜24meshに破砕したもの48g
を実施例1におけると同じ精製筒に300mm(充填密度0.5
7g/ml)充填し、ヘリウム気流中270〜290℃で4時間加
熱処理した後、室温に冷却した。
この精製筒に実施例1で用いたと同じアルシン10vol
%および不純物として0.17ppmの酸素を含有する水素ベ
ースの粗アルシンを1700cc/min(LV=10cm/sec)で流し
て出口ガス中の酸素濃度を測定したところ0.17ppmであ
りそのまま2時間流し続けたが変化は見られなかった。
実施例5〜6 実施例1で準備した残る2本の精製筒を用いて100%
アルシンまたはホスフィンの精製をおこなった。
この精製筒のそれぞれに不純物として0.05ppmの酸素
を含有する粗アルシンまたはホスフィン(100%)を流
速850cc/min(LV=5cm/sec)で流して出口ガス中の酸素
濃度を測定したところ、いずれも0.01ppm以下であっ
た。この状態で10時間流し続けたが、出口ガス中の酸素
は0.01ppm以下であった。結果を第2表に示す。
実施例7〜10 (ニッケル触媒の調製) 3lの水にAl(NO3)3・9H2O 454gを溶解し、氷浴で5〜1
0℃に冷却した。激しくかき混ぜながら、これにNaOH 20
0gを1の水に溶解して5〜10℃に冷却した溶液を2時
間かけて滴下し、アルミン酸ナトリウムとした。
次に、Ni(NO3)2・6H2O 101gを600mlの水に溶解し、こ
れに45mlの濃硝酸を加えて5〜10℃に冷却したものを、
アルミン酸ナトリウム溶液に激しくかき混ぜながら1時
間かけて加えた。
生じた沈殿を濾過し、得られた沈殿を2lの水中で15分
間かき混ぜて洗う操作を6回繰り返して中性とした。得
られたケーキを細分して空気浴中で105℃で16時間乾燥
してから粉砕し、これをふるい分けて12〜24meshのもの
を集めた。このものは29.5wt%の酸化ニッケル(NiO)
を含有していた。
(ニッケルのほう素化物) このものを実施例1で使用したと同じ精製筒に85ml
(65g、充填密度0.77g/ml)充填し、これに水素を常圧
で温度150℃、流量595cc/min(LV=3.6cm/sec)で3時
間流してニッケルを還元した後、そのままの温度でこれ
に3vol%のジボランを含有する窒素を510cc/min(LV=3
cm/sec)で8時間流してニッケルのほう素化をおこな
い、同様の方法で計4本の精製筒を準備した。
(水素化物ガスの精製) この精製筒のそれぞれに不純物として酸素を含有する
窒素ベースのアルシン、ホスフィン、セレン化水素また
はシランを1700cc/min(LV=10cm/sec)で流して出口ガ
ス中の酸素濃度を測定したところ、0.01ppm以下であっ
た。この状態で100分流し続けたが、出口ガス中の酸素
は常に0.01ppm以下であった。それぞれの結果を第3表
に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 28/00 C01G 28/00 Z

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジボランを除く粗水素化物ガスをニッケル
    のほう素化物と接触させて、該粗水素化物ガス中に含有
    される酸素を除去することを特徴とするジボランを除く
    水素化物ガスの精製方法
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