JP2837201B2 - 酸性ガスの精製方法 - Google Patents

酸性ガスの精製方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸性ガスの精製方法に関し、さらに詳細には
酸性ガス中に不純物として含有される酸素を極低濃度ま
で除去しうる酸素ガスの精製方法に関する。
半導体製造プロセスにおけるイオン注入やエッチング
工程などでは酸性ガスあるいは加水分解などにより腐食
性の強い酸性ガスを発生するガスなど種々のガスが使用
され、その使用量が年々増加しつつある。
〔従来の技術〕 これらの酸性ガスは酸性ガスそのもののみの他、水素
または不活性ガスなどで希釈された状態で市販されてい
る。
酸性ガスには不純物として通常は酸素などが含有され
ており、市販のボンベ入りなどの酸性ガス中の酸素の含
有量は通常は10ppm以下とされているが、ガスの種類な
どによっては0.1〜0.5ppmと比較的低いものもある。
ガス中の酸素を除去する方法として不活性ガスなどの
場合にはニッケルや銅糸の触媒などが使用されている
が、これらの触媒を酸性ガス中の酸素除去に使用した場
合には短時間で脱酸素の能力が消失するので不適当であ
る。
この他には、酸性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技術文献はほとんど見当たらな
い。
〔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を切る程度の市販ガ
スをそのまま用いるだけ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ない。
また、これらのガスに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汚染もある
ため、不純物は装置の直前で最終的に除去することが好
ましく、そのためには除去装置もコンパクトなものが望
ましい。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、酸性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、酸
性ガスを銅の砒素化物、りん化物、珪素化物、セレン化
物または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、粗酸性ガスを銅の砒素化物、りん
化物、珪素化物、セレン化物またはほう素化物の一種ま
たは二種以上、と接触させて、該粗酸性ガス中に含有さ
れる酸素を除去することを特徴とする酸性ガスの精製方
法である。
本発明は酸性ガス単独、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)で稀釈された酸性ガス(以下総称して粗酸性ガスと
記す)中に含有される酸素の除去に適用される。
本発明に適用される酸性ガスは主に半導体製造プロセ
スなどに使用される酸性ガスがあって、例えばBF3、BCl
3、BBr3、SiF4、SiCl4、SiH2Cl2、TiCl4、PF3、PCl3
よびWF6などIII、IV、V、VI族の弗化物、塩化物および
臭化物ガス、POCl3などオキシ塩化物およびHF、HCl、HB
rなどそれ自体腐食性の強い酸性ガスなどである。
本発明において、銅の砒素化物、りん化物、珪素化
物、セレン化物およびほう素化物(以下総称してCuA化
物と記す)とは、例えばCu3As、Cu5As2、Cu3P、Cu3P2
Cu4Si、Cu5Si、Cu3Si、Cu2Se、CuSe、およびCu3B2など
として一般的に知られている銅化合物および銅に砒素、
りん、珪素、セレンまたはほう素(以下A元素と記す)
がその他の種々な形態で結合したものである。
CuA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、例えば銅にアルシン、ホスフ
ィンなどの水素化物ガスの一種または二種以上を接触さ
せることによっても容易にCuA化物を得ることができ
る。
この場合の銅としては、金属銅または銅の酸化物など
還元され易い銅化合物を主成分とするものであればよ
い。また、銅以外の金属成分としてクロム、鉄、コバル
トなどが少量含有されていていもよい。
これらの銅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、銅の表面とガスと
の触媒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。
また、銅の酸化物を得るには種々な方法があるが、例
えば銅の硝酸塩、硫酸塩、塩化物、有機酸塩などに苛性
ソーダ、苛性カリ、炭酸ナトリウム、アンモニアなどの
アルカリを加えて酸化物の中間体を沈殿させ、得られた
沈殿物を焼成するなどの方法がある。
これらは、通常、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。
さらに、市販の酸化銅触媒など種々のものがあるので
それらから選択したものを使用してもよい。
要は還元銅、酸化銅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、銅の含有量は金属銅換算で通常は、5〜95wt
%、好ましくは20〜95wt%である。
銅の含有量が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。
銅のA元素化は通常は、銅、酸化銅などに水素化物ガ
スを接触させることによっておこなうことができるが、
酸化銅などの場合には、あらかじめ水素還元によって銅
としてもよい。
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
急上昇しないように注意が必要である。また、還元を水
素ベースの水素化物ガスでおこなうことにより、A元素
化も同時におこなうことができるので好都合である。
銅のA元素化は通常は、銅または酸化銅を精製筒など
の筒に充填し、これに水素化物ガスまたは水素化物ガス
含有ガスを通すことによっておこなわれる。
A元素化に用いる水素化物ガスの濃度は、通常は0.1
%以上、好ましくは1%以上のものが用いられる。水素
化物ガス濃度が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。
A元素化は常温でおこなうことができるが、発熱反応
であり、水素化物ガス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。
A元素化の終了は発熱量の減少および筒の出口からの
水素化物ガス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、銅のA元素化によって得られたCuA
化物をあらためて別の精製筒に充填し、これに粗酸性ガ
スを通して酸素の除去精製をおこなってもよいが、A元
素系の化合物は一般に毒性が強く、取扱に細心の配慮を
要することなどから、A元素化は最初から酸性ガスの精
製筒でおこない、反応の終了後、引き続いて粗酸性ガス
を供給して酸素除去精製をおこなうことが好ましい。
酸性ガスの精製は、通常は、CuA化物が充填された精
製筒に粗酸性ガスを流すことによっておこなわれ、粗酸
性ガスがCuA化物と接触することによって粗酸性ガス中
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酸性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CuA化物の充填長は、実用上通常
は、50〜1500mmである。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。
精製時の粗酸性ガスの空筒線速度(LV)は供給される
粗酸性ガスの種類、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/sec以
下、好ましくは30cm/sec以下である。
酸性ガスとCuA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℃以下程度でよいが、ガス
の種類などによっては酸素と同時に水分の多いものもあ
り、このようなガスは高温で流すと脱酸素剤の劣化が早
くなる虞があるため、一般的には0〜100℃程度の範囲
でおこなうことが好ましく、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。
〔発明の効果〕
本発明によって、従来除去が困難であった粗酸性ガス
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酸性ガスを得ることが
可能となった。
〔実施例〕
実施例1〜40 市販の酸化銅触媒(日産ガードラー(株)製,G108)
を用いた。このものは担体としてSiO2を使用し、Cuとし
て30wt%であり、直径5mm、高さ4.5mmの成型体である。
この酸化銅触媒を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。
(CuA化物) この精製筒に銅のA元素化用の水素化物系ガスとして
アルシン、ホスフィンおよびシランの場合には10vol
%、セレン化水素およびジボランの場合には3vol%の水
素化物ガスを含有する水素を510cc/min(LV=3cm/sec)
で流して銅のA元素化をおこなった。このときの室温は
25℃であったが、A元素化による発熱で筒の出口のガス
の温度は水素化物ガスの種類によって、35〜85℃に上昇
した。その後出口ガスの温度は徐々に低下し、3〜8時
間後には室温に戻り、A元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酸性ガスの精製
に備えた。同様にして5種類のCuA化物について8本づ
つ、計40本の精製筒を準備した。
(各酸性ガスの精製) 引き続いて、これらの精製筒のそれぞれに粗酸性ガス
として酸性を含有する窒素ベースで濃度が10%のBF3、S
iF4、SiCl4、SIH2Cl2、PF3、HClおよび濃度が約100%の
BF3、HClを室温20℃でそれぞれ1700cc/min(LV=10cm/s
ec)で流して黄燐発光式酸素分析計(測定下限濃度0.01
ppm)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。
また、ガスを流し始めてから100分後においても出口
ガスの酸素濃度はいずれも0.01ppm以下であった。それ
ぞれの結果を第1表(1)、(2)および(3)に示
す。
比較例1 市販のニッケル触媒(日揮(株)製、N−111)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に(充填密度0.1g/ml)に
充填した。これに水素を常圧で温度150℃、流量595cc/m
in(LV=3.6cm/sec)で流して3時間還元処理をおこな
った後、常温に冷却した。
この精製筒に不純物として0.05ppmの酸素を含有する
窒素ベースで濃度が10vol%のHClを1700cc/min(LV=10
cm/sec)で流したところ、精製筒の外壁温度は徐々に上
昇し、室温(20℃)との差は最高19℃となった。
また、出口ガス中の酸素濃度を測定したところ、0.05
ppm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41〜55 (酸化銅触媒の調製) 硫酸銅20wt%水溶液に炭酸ソーダの20wt%水溶液をpH
9〜10になるまで加え、塩基性炭酸銅の結晶を析出させ
た。この結晶を繰返し濾過、洗浄し、空気気流中130℃
で乾燥させた後、300℃で焼成して酸化銅を生成させ
た。
この酸化銅にアルミナゾル(触媒化成工業(株)製Ca
taloid−AS−2)を混合し、ニーダーで混練した。続い
て空気中130℃で乾燥させ、さらに、350℃で焼成し、焼
成物を破砕して顆粒状とした。このものを打錠成型にて
6mmφ×4mmHの円筒状のペレットに成型した。これを破
砕して振いにかけ、12〜24meshのものを集めた。
(CuA化物) このものを実施例1で使用したと同じ精製筒に85ml
(136g、充填密度1.6g/ml)充填し、これに銅のA元素
化用の水素化物系ガスとしてアルシン、ホフィンおよび
シランの場合には10vol%の水素化物ガスを含有する窒
素を3時間、セレン化水素およびシボランの場合には3v
ol%の水素化物ガスを含有する窒素を8時間、それぞれ
510cc/min(LV=3cm/sec)で流して銅のA元素化をおこ
ない、5種類のCuA化物について3本づつ、計15本の精
製筒を準備した。
(酸性ガスの精製) 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SiF4、BF3、BCl3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2表に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 53/14 B01J 20/02 C01B 19/04 C01B 25/08 C01B 33/06 C01B 35/04 A23L 3/3436

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粗酸性ガスを、銅の砒素化物、りん化物、
    珪素化物、セレン化物またはほう素化物の一種または二
    種以上、と接触させて、該酸性ガス中に含有される酸素
    を除去することを特徴とする酸性ガスの精製方法。
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