JP3457948B2 - ガスから金属カルボニル及び水分を除去するための方法及び装置 - Google Patents

ガスから金属カルボニル及び水分を除去するための方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の分野 本発明は、ガスから金属カルボニル化合物及び水分を除
去するための方法及び装置に関する。より詳細に言え
ば、本発明は、ガスから被処理ガス中に存在する金属カ
ルボニル化合物及び水分を除去すると同時に、該ガスか
らの金属カルボニル化合物の除去の間に形成される水分
も除去するための方法及び装置に関するものである。
【0002】従来技術の説明 現在、多くの産業は、それらのプロセスにおいて精製ガ
スを使用することを必要としている。数ppm又はpp
bレベルの汚染物でさえも、ある種の製品の外観又は性
能に有害な影響を及ぼす場合がある。半導体加工処理に
対する1994年の半導体工業協会(SIA)の推薦に
よって、バルク及び特殊ガスにおいてそれぞれ0.1〜
1.0及び1〜100ppbの0.25μm加工処理の
基本不純物レベル規格が確立された。同じ装置の形状寸
法に対する珪素ウェファー規格での個々の金属は、2.
5×1010原子/cm2 に定められた。これらの要件、
及び未精製ガスを使用する場合に観察された他の悪影響
の故に、ミクロ電子工学産業におけるプロセス及びパー
ジガスの精製は、広く行きわたって受け入れられそして
使用されている。理想的な精製材料は、ガスを汚染する
揮発性の副生物を発生させずに望まれない不純物を除去
するものである。また、精製材料は、真空又は加圧プロ
セス流れ条件下に揮発性であるべきでない。加えて、精
製材料は、任意の毒性不純物を毒性の低い不揮発性の副
生物に化学的に変換することが望ましい。理想的には、
精製材料は室温で作用し、従って、操作のための電力を
必要としないものである。
【0003】Solid State Technol.199 ,40(8),93 にお
いて、リンドレイ氏他は、エッチング化学においてCO
を採用したときの電気エッチングの向上した選択性につ
いて記載している。この選択性は、形状寸法が≦0.3
5μmの半導体装置の製造で要求される。不幸にして、
COとある種の金属、例えば、鉄やニッケルとの反応
は、ウェファーに付着する可能性のある揮発性金属カル
ボニルを形成する方向に熱力学的に促進され、かくして
望まれない金属汚染をもたらす。このことは、Semicond
uctor Intl.1997,20(8),301 において、ジー・クーパー
氏によって観察されている。これは、アルミニウムガス
シリンダーと比較してスチールガスシリンダーにCOを
充填したときに珪素ウェファーへの金属、例えば、鉄、
クロム及びニッケルの汚染レベルが増大することを示す
実験結果を記載している。しかしながら、未エッチング
対照珪素ウェファーと比較してアルミニウムシリンダー
を使用するとニッケル汚染の増大がなお観察されたが、
これは、研究において使用されたハステロイ管及びニッ
ケルガスケット中のニッケルとCOとの反応によるもの
と考えられた。J.Mol.Catal.1993,83,391において、ズ
ー氏他は、COとFTIRセルのステンレススチール表
面との反応から鉄ペンタカルボニルFe(CO)5 が即
座に形成されることを記載している。加えて、Fe(C
O)5及びニッケルテトラカルボニル(Ni(CO)4
は両方とも極めて毒性が強く、それぞれ100及び50
ppbの限界値(TLV)を有している。
【0004】Ind.Eng.Chem.Res.1991,30(3),502 におい
て、ゴードン氏他は、5種の市販吸着剤、即ち、活性
炭、シリカゲル、活性アルミナ、メタノール触媒及びH
Yゼオライトを使用した微量レベルのFe(CO)5
びNi(CO)4の吸着について記載している。活性炭
及びゼオライトは、カルボニルに対する最大吸着能を示
したが、更に、高められた温度においてカルボニル脱着
について研究された。Fe(CO)5 の脱着は、ゼオラ
イトからは観察されたが、活性炭からはごく僅かな量
(<0.1%)であった。しかしながら、Ni(CO)
4 は、高められた温度において活性炭から完全に脱着さ
れた。加えて、ガス中における他の不純物例えば二酸化
炭素(CO2 )の存在は、金属カルボニルに対する吸着
剤の吸着能を低下させることが示された。物理的収着法
によるこれらの金属カルボニルの除去に付随する精製器
でのこれらの毒性不純物の集中化は、精製器を取り換え
る時期になると安全及び健康上の危険をもたらす。
【0005】米国特許4608239には、水酸化アル
カリ金属を高沸点ヒドロキシル性溶剤と組み合わせてな
るスカベンジャーを使用してCO含有ガスからFe(C
O)5 を除去するための方法が記載されている。溶剤の
使用は望ましくない。何故ならば、これらの溶剤からの
蒸気は、下流側の生成物を真空又は加圧流れ条件下に炭
素及び酸素不純物で汚染するからである。
【0006】国際特許出願公開WO94/25142に
は、ガスから金属カルボニルを除去するためのスカベン
ジャーであって、酸化鉛PbOを担体に分散させたもの
が記載されている。この特許では、カルボニルが化学的
手段によって除去されるのか又は物理的手段によって除
去されるかについてはいくらか不確定である。しかしな
がら、そのデータからは、それは単なる物理的収着によ
るようである。というのは、温度が>100℃であった
ときに黒色の付着物、即ち、カルボニルの分解が観察さ
れただけであるからである。安全性の面から、化学的収
着による毒性カルボニルの不可逆的徐子が望まれる。P
bOは鉄及びニッケルカルボニルをそれらの各々の塩に
酸化させるのに十分な還元電位を有するが、PbOは付
随的に鉛金属に還元され、そしてFe(CO)5の場合
には以下に示されるように水不純物が発生する。 Fe(CO)5+2PbO+2H+=FeO+2Pb+H2O+5CO 水素イオンは、通常、担体物質及びガス中に汚染物質と
して存在する。水分不純物が精製ガス流れ中に放出され
るのは望ましくない。というのは、水分は、ある種の製
造プロセスにおいて例えば半導体の製造プロセスに対し
て有害な影響を及ぼす可能性があるからである。
【0007】チェコスロバギア特許CS187947B
には、ガス混合物からFe(CO)5 及び硫黄化合物を
除去するためのスカベンジャーであって、その主成分と
してCu及び/CuO及びZnOを有する触媒よりなる
ものが記載されている。これらのスカベンジャーは、国
際特許出願WO94/25142に記載されるスカベン
ジャーと同じ望ましくない特性、即ち、水分不純物を放
出する特性を有する。
【0008】米国特許4853148には、1つの実例
では、担体に式 MXy[ここで、Mは、リチウム
(I)、ベリリウム(II)、マグネシウム(II)、カル
シウム(II)、ストロンチウム(II)、バリウム(I
I)、カドミウム(II)、ニッケル(I)、鉄(II)、
鉄(III)、亜鉛(II)及びアルミニウム(III)よりな
る群から選択されるy−原子価金属であり、そしてyは
1〜3の整数である]を有するハロゲン化金属化合物を
分散させてなる水不純物除去用スカベンジャーが記載さ
れている。このスカベンジャーは、水分の吸着に対して
精製しようとするガス又は他のガス不純物例えばCO2
との競争が全くないという点で、他の吸着剤例えばゼオ
ライト及びアルミナに勝る利点を有している。この特許
にによって開示されるスカベンジャーは、水分を除去す
ることができるのみであって、他の不純物例えば金属カ
ルボニル及び硫黄化合物を除去することができない。
【0009】ガスから揮発性金属カルボニルを単独で又
は硫黄化合物のような他の不純物と一緒に、該ガスへの
水分の放出を回避しながら除去するのに好適な組成物を
提供することが望ましいであろう。加えて、ガスの水分
濃度を減少させることが望ましいであろう。また、かか
る除去は、収着された化合物の可逆離脱を防止するため
に物理的収着ではなく化学的収着によって達成されるこ
とが望ましいであろう。更に、通常の操作圧及び室温で
使用するのに効果的なかかる組成物を提供することが望
ましいであろう。
【0010】発明の概要 本発明は、供給ガスから金属カルボニルを、該ガスへの
水分の放出を回避しながら除去する方法及び装置を提供
するものである。加えて、本発明は、初期の供給ガス中
に存在する水分も除去するかかる方法及び装置を提供す
るものである。本発明の装置は、ガスから金属カルボニ
ル及び水分を除去するための活性スカベンジャーである
粒状組成物を収容するハウジングを含む。このハウジン
グは、供給ガスの入口及び処理済みガスの出口を含む。
粒状組成物は、金属カルボニルスカベンジャーで被覆さ
れた担体から形成された粒子及び/又は金属カルボニル
スカベンジャーの粒子、並びに水分スカベンジャーで被
覆された担体から形成された粒子及び/又は水分スベン
ジャーの粒子を含む粒子の混合物より形成される。
【0011】ガスからの金属カルボニル除去は、金属カ
ルボニルの酸化及び金属カルボニルから誘導される一酸
化炭素の放出を生じさせる条件下にガスを粒子の床に通
すことによって行なわれる。水素イオンがガス中に又は
ガス処理装置中に存在するときに酸化の間に形成される
すべての水分が水分スカベンジャーによって保持され
る。
【0012】たいていのガス中には水素イオンが通常存
在するので、それは、酸化反応間に生成される酸素原子
と低濃度においてさえも容易に反応して水分を形成す
る。かくして、水分スカベンジャーは、酸化反応間に形
成される水分を除去するために金属カルボニル用のスカ
ベンジャ−よりも下流側に配置されるか又は金属カルボ
ニル用のスカベンジャーと混合状態で配置される。
【0013】特定の具体例の説明 本発明の方法に従えば、金属カルボニルを含有するガス
は、金属カルボニル用のスカベンジャー及び水分用のス
カベンジャーを含む粒子の混合物と接触され、又は金属
カルボニル用のスカベンジャーと次いで水分用のスカベ
ンジャーと逐次的に接触される。
【0014】本発明に従った金属カルボニル用のスカベ
ンジャーは、 (a)金属酸化物、有機金属酸化物又はそれらの混合物
を含む約0.175ボルト以上の還元電位を有する活性
スカベンジャー、 (b)本発明の装置を通るガスから水分を除去するため
の活性スカベンジャー、及び (c)(a)及び/又は(b)のどちらかよりなること
ができる高表面積担体物質、 よりなる。
【0015】酸化剤は、還元電位が金属カルボニル化合
物の酸化を生じさせるのに十分になるように選択され
る。好適である代表的な金属酸化物としては、マンガ
ン、クロム、銅、銀、鉄、バナジウム、チタン、アンチ
モン、ビスマス及び鉛の酸化物、並びにそれらの混合物
が挙げられる。代表的な有機金属酸化物としては、ピリ
ジニウムクロロクロメート(PCC)、ピリジニウムジ
クロメート、酸化クロム(VI)−3,5−ジメトキシ
ピラゾール錯体などのような種が挙げられる。また、こ
れらのスカベンジャーは、H2S、SO2 及びCH3SH
を含めた硫黄含有種を除去するのにも有用である。金属
カルボニル用の好ましいスカベンジャーは、CuO、F
23、MnO2又はC56ClCrNO3(PCC)で
ある。
【0016】水分除去用の活性スカベンジャーの水分除
去能又は効率は、担体に結合するために水分と差別的に
競争するような他の不純物の存在によって影響を受けな
い。供給ガス中に存在するか、又は金属酸化物若しくは
有機金属酸化物種と金属カルボニル不純物との反応から
副生物として発生されるいずれかの水分不純物の除去の
ための活性スカベンジャーとしては、担体に担持された
無水ハロゲン化マグネシウム種のような種が挙げられ
る。
【0017】活性水分吸収剤は、 (i)担体に分散された式 MXyのハロゲン化金属化合
物、 (ii)担体に共有結合された式−MXy-1 のハロゲン化
金属ペンダント官能基 [ここで、Mは、リチウム(I)、ベリリウム( II)、
マグネシウム(II)、カルシウム(II)、ストロンチウ
ム(II)、バリウム(II)、カドミウム(II)、ニッケ
ル(I)、鉄(II)、鉄(III)、亜鉛(II)、アルミ
ニウム(III)及びそれらの混合物よりなる群から選択
されるy−原子価金属であり、そしてyは1〜3の整数
である]であってよく、そして活性化用兼スカベンジャ
ー用部分ハロゲン化金属化合物及び/又はハロゲン化金
属ペンダント官能基は、対応する部分又は完全アルキル
化化合物及び/又はペンダント官能基をガス状ハロゲン
化水素と反応させて活性スカベンジャー部分ハロゲン化
金属化合物及び/又はハロゲン化金属ペンダント官能基
を形成することによって形成され、そして担体の蒸気圧
は1ppm以下である。
【0018】Mは、米国特許4853148に開示され
る開示されるように、その水和ハロゲン化物Mxy
(H2O)n (ここで、nは、ハロゲン化金属水和物中
のハロゲン化金属に結合した水分子の数である)の生成
熱が各水和水分子に対してかかる水和ハロゲン化物化合
物1モル当たり10.1キロカロリー以上になるように
選択される。本発明で使用することができる別の代表的
な水分スカベンジャーとしては、BaO、MgSO4
CaCl2、CaSO4 等のようなスカベンジャーが挙
げられる。
【0019】金属カルボニルスカベンジャー又は水分ス
カベンジャーよりなる粒子を使用しないときには、金属
カルボニルスカベンジャー又は水分スカベンジャー用の
担体を使用して粒子を形成することができる。
【0020】本発明に従った好適な担体材料としては、
精製しようとする流体及び精製反応間に生成される副生
物と相容性の任意の材料が挙げられる。これらは、典型
的には、 (a)高い表面積、典型的には、50m2/g以上のも
の、 (b)高い多孔度、及び (c)良好な熱安定性、 の特性を有する。
【0021】典型的な担体材料としては、アルミナ、シ
リカ、炭素、チタニア、マグネシア、ゼオライト、及び
高度に架橋した重合体が挙げられる。好ましい担体材料
はアルミナである。
【0022】本発明のスカベンジャー中に使用される活
性化学物質は、同じ又は異なる高表面積担体材料に付着
されることができる。担体材料それ自体は、活性化学物
質のうちの1つとして機能することができる。活性化学
物質に対して異なる担体材料を使用する場合には、別個
の物質が精製容器内に均質混合物又は層状床として存在
することができる。
【0023】金属カルボニル及び水分不純物を除去する
ことによって精製される代表的なガスとしては、一酸化
炭素、並びにアルゴン、ヘリウム、窒素などのような不
活性ガスが挙げられる。任意の他のガスを処理すること
ができるが、但し、それらは記載されたスカベンジャー
と相容性であるものとする。
【0024】図1は、本発明の用途を例示する。図1を
説明すると、本発明の装置10は、入口12、出口14
及びハウジング16を含む。粒子18は、金属カルボニ
ルスカベンジャー粒子と水分スカベンジャー粒子との混
合物を含むことができる。別法として、金属カルボニル
スカベンジャー粒子は入口12に隣接して配置されるこ
とができ、これに対して水分スカベンジャー粒子は別個
に出口14に隣接して配置される。第三の別法として、
金属カルボニルスカベンジャー粒子は上流側の位置にお
いて別個のハウジングに配置されることができ、これに
対して水分スカベンジャー粒子は金属カルボニルスカベ
ンジャー粒子用のハウジングよりも下流側で別個のハウ
ジングに配置されることができる。
【0025】次の実施例は本発明を例示するものである
が、いかなる点においても本発明を限定するものではな
い。
【0026】例1 次の手順に従ってアルミナ担体に担持された酸化クロム
(VI)を調製する。酸化アルミニウム(50.0g)を
脱イオン水(50ml)中に入れたスラリーに、上方に
配置した撹拌機で機械的に撹拌しなが、酸化クロム(V
I)(12.0g)を脱オン水(25ml)中に溶解さ
せた溶液を添加する。得られた混合物を1時間撹拌し、
丸底フラスコに移し、そして回転蒸発器において濃縮す
る。追加的な撹拌を真空下に120℃で4時間行なう。
【0027】例2 次の手順に従ってゼオライト担体に担持されたピリジニ
ウムクロロクロメートを調製する。2N−HCl溶液
(66ml)に、室温で酸化クロム(VI)(12.0
g)を磁気撹拌下に添加する。ピリジン(9.2g)を
撹拌下に10分にわたって滴下する。得られた溶液を1
5分間撹拌する。この溶液にNaYゼオライト(50.
1g)を添加すると、混合物の温度が上昇する。得られ
た混合物を1.5時間放置し、次いでその混合物をろ過
すると、オレンジ色のゼオライトが得られる。PCC/
NaY混合物の乾燥を真空下に130℃で4時間行な
う。
【0028】例3 次の手順に従って、市販の酸化銅担持アルミナスカベン
ジャーを乾燥させる。圧縮取付部品に挿入された金属フ
リットを使用して50ccステンレス鋼試料シリンダー
内に収容されたエンゲルハード・コーポレーションから
のCU−0226 S(50cc)の試料を精製窒素の
3slpm 流れ中において100℃で16時間乾燥さ
せる。
【0029】例4 次の手順に従って、酸化銅担持アルミナと無水ハロゲン
化マグネシウム担持アルミナとの混合物を調製する。窒
素充填グローブボックス内で、例3で調製したCU−0
226 Sの試料(約4cc )を使用して小型試料容器
を部分的に満たす。この試料容器は、スカベンジャー及
び弁を収容するために1/2インチODステンレス鋼チ
ューブの2.5インチ部分、圧縮取付部品、及び取付部
品中の金属フリットから作られたものである。このスカ
ベンジャーに、無水塩化マグネシウム担持アルミナスカ
ベンジャー(約0.5cc;塩化物及び酸化物ガス用の
Millipore Waferpure の商品名“ Reactive Micro Matr
ix”)を加える。
【0030】例5 この例は、酸化クロム(VI)担持アルミナスカベンジャ
ーを使用して不活性ガス流れから硫化水素( H2S)を
除去することを例示する。4.5cc試料管に例1で調
製したCrO3 /アルミナスカベンジャーを充填する。
950ppmのH2Sをヘリウム中に含めた試験ガス混
合物を試料管に初期には375 sccmの流量で通
し、後にこれを750sccmに増加する。残留ガス分
析器(RGA)を使用して下流側のH2S 濃度を測定す
る。146.25リットルの対象ガスを消費した後、H
2S漏出をRGAによって検出して31リットルH2S/
1リットル床の無機スカベンジャーについてH2S容量
を提供する。
【0031】例6 この例は、ピリジニウムクロロクロメート(PCC)担
持Naゼオライトスベンジャーを使用して一酸化炭素か
らNi(CO)4を除去することを例示する。
【0032】50cc試料シリンダーに、例2で調製し
たPCC/NaYゼオライト試料を充填する。この試料
シリンダーをガスマニホルドに設置し、そして試料の周
囲に随意のバイパスループを設ける。ニッケルフィルタ
ーを一酸化炭素中で130℃に加熱して対象ガス混合物
を提供することによって未知濃度のNi(CO)4 を発
生させる。この試験ガス混合物を48sccmの流量で
試料シリンダーに通すか、又は随意に迂回させるかのど
ちらかにする(バックグラウンドを提供するために)。
FTIR及びRGAを使用して、下流側の迂回及び精製
COガスを測定する。
【0033】表1は、観察された結果をアンペア単位の
値で示す。NDは、何も検出されなかったことを示す。
【0034】
【表1】
【0035】精製COガスに対して迂回COガスのFT
IRスペクトルを重ねたものを図2に示す。図2に示さ
れるように、精製COは、点線で示されるようにNi
(CO)4を含まない。
【0036】例7 この例は、酸化銅担持アルミナスカベンジャーを単独で
使用した場合と比較して、Fe(CO)5 の除去におい
て無水ハロゲン化マグネシウム担持スカベンジャーと酸
化銅担持アルミナスカベンジャーとを併用した場合の下
流側での水分不純物レベルの差異を例示するものであ
る。4.5cc試料管に、例3で調製した酸化銅担持ア
ルミナスカベンジャーを充填する。スカベンジャー試料
よりも上流側でマニホルドのT継手に連結される弁を備
えた小さな管部分にFe(CO)5の試料を収容する。
このスカベンジャー試料管をマニホルドに設置し、そし
て試料の周囲に随意のバイパスループを設ける。弁をF
e(CO)5 収容拡散管に開放して対象ガス混合物を提
供することによって、ヘリウム中でppmレベル濃度の
Fe(CO)5を発生させる。この試験ガス混合物を1
00sccmの流量で試料シリンダーに通すか、又は随
意に迂回させるかのどちらかにする(バックグラウンド
を提供するために)。FTIRを使用して、下流側の迂
回及び精製COガスを測定する。この試験後に、例4で
調製した酸化銅担持アルミナと無水塩化マグネシウム担
持アルミナとの混合物を収容する4.5cc試料管をマ
ニホルドにおいて同様の態様で試験する。FTIRスペ
ルトルの差異を図3に示す。図3に示されるように、酸
化銅担持アルミナのみを含有するスカベンジャーのスペ
クトル(上方のスペクトル)は、水分の存在に相当する
多くの吸収帯を示す。しかしながら、酸化銅及び活性水
分スカベンジャー(ハロゲン化マグネシウム)を収容す
る混成精製器スペクトルでは、水分レベルは、この計測
器の検出限界に近い。この結果は、物理的吸収乾燥剤と
比較して水分との反応時に水和物を形成する活性水分ス
カベンジャーを使用する場合の向上された性能を実証す
るものである。 [図面の簡単な説明]
【図1】本発明の装置の概略図である。
【図2】ニッケルカルボニルを含有するCOガス、及び
本発明に従って生成されたニッケルカルボニル不含精製
COガスの吸収スペルトルを示す。
【図3】従来技術と比較して本発明に従って鉄カルボニ
ル及び水分を除去するために処理されたCOガスの吸収
スペクトルの差異を示す。
【符号の説明】
10 本発明の装置 12 入口 14 出口 16 ハウジング 18 スカベンジャー粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−144125(JP,A) 特開 昭63−256120(JP,A) 特開 昭62−277122(JP,A) 特開 平8−281063(JP,A) 米国特許3624165(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 53/26 - 53/28 B01D 53/34 - 53/85 B01J 20/00 - 20/34

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスから金属カルボニル化合物及び水分
    を除去し、同時に該ガスから該金属カルボニル化合物を
    除去する間に形成される副生物である水分も除去するの
    に好適な粒状組成物において、(a)金属酸化物、有機金属酸化物及びそれらの混合物
    よりなる群から選択される約0.175ボルト以上の還
    元電位を有する第一化合物より形成された表面を含む第
    一粒子と、(b)該ガスから水分を除去することができ
    る第二化合物であって、式MX y (式中、Xはハロゲン
    であり、Mはy−原子価の金属であり、そしてyは1〜
    3の整数である)のハロゲン化金属(該ハロゲン化金属
    は、アルキル化された該y−原子価金属又はハロゲン化
    水素と反応性のペンダント官能基を有する該y−原子価
    金属の化合物から形成され、該金属の水和ハロゲン化金
    属(MX y ,(H 2 O) n )の生成熱が各水和水分子に対
    して水和ハロゲン化物1モル当たり10.1キロカロリ
    ー以上であり、nは水和ハロゲン化金属に結合される水
    分子の数である)からなる第二化合物より形成された表
    面を有する 第二粒子とを含む粒状混合物、を含むことか
    らなる粒状組成物。
  2. 【請求項2】 第一化合物が金属酸化物である請求項1
    記載の組成物。
  3. 【請求項3】 金属酸化物がCuOである請求項2記載
    の組成物。
  4. 【請求項4】 第一化合物が有機金属酸化物である請求
    項1記載の組成物。
  5. 【請求項5】 Mが、リチウム、ベリリウム、マグネシ
    ウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、カドミ
    ウム、鉄、亜鉛、アルミニウム及びそれらの混合物より
    なる群から選択される請求項1記載の組成物。
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