JP3777124B2 - 排ガスの処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体除害剤を用いた排ガスの処理方法及び処理装置に関し、詳しくは、有害成分として、シラン、アルシン、ホスフィン、ジボラン等の水素化物系ガスを含む排ガスを無害化するための排ガスの処理方法、及び排ガスの処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程の各製造装置では、原料ガスとしてシラン、アルシン、ホスフィン、ジボラン等の有害な水素化物系ガスを使用しているため、各製造装置からの排ガスを除害処理を行ってから排出するようにしている。また、除害処理される排ガスには、前工程で生成した水素ガス成分が、比較的多量（未反応水素化物系ガスの数十倍程度）に含まれているのが一般的である。
【０００３】
このような水素化物系ガスの除害処理方法としては、酸化銅等の金属酸化物等を反応主成分とした固体除害剤を除害筒内に充填し、ここに前記排ガスを流通させて固体除害剤と水素化物系ガスとを接触させて除害する乾式除害法が知られている。そして、近年、除害処理に使用する固体除害剤の処理能力（活性）は徐々に高くなる傾向にあり、従来より高活性の固体除害剤が幾つか実用化されている。
【０００４】
一方、除害処理における反応は発熱反応であり、処理される水素化物系ガスの濃度が高いほど、固体除害剤の昇温が大きくなり、また、固体除害剤が高活性であるほど、当該昇温が大きくなることが知られている。そして、排ガスには水素ガスが多く含まれるため、昇温により固体除害剤の温度が１００〜１３０℃を超えると、固体除害剤と水素ガスとの反応（酸化反応）が開始し、反応が暴走することが知られている。
【０００５】
このため、上記のような高活性の固体除害剤を使用する場合、排ガス中の水素化物系ガスの濃度を、希釈用の窒素ガスなどにより低下させて、固体除害剤の昇温による水素ガスの暴走反応を防止する必要があった。なお、当該希釈によって単位時間あたりの処理量を高めるメリットは少なくなるが、固体除害剤の単位重量あたりの処理量は、高活性の固体除害剤により大幅に増加させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、希釈用の窒素ガスを使用する場合、供給量が多量になるため、ランニングコストが大きくなるという問題がある。また、仮に、除害処理後の処理ガスを希釈用に用いようとしても、除害処理等によって生じる水分が当該処理ガスに含まれ、それが固体除害剤に悪影響を与えるため、そのまま使用できないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、被処理ガスに水素ガスが含まれる場合であっても、除害処理後の処理ガスを循環しながら、固体除害剤の昇温による暴走を防止して、安全かつ高い処理能力で除害処理することができる排ガスの処理方法、及び排ガスの処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の排ガスの処理方法は、水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスを固体除害剤により除害処理する排ガスの処理方法において、除害処理後に冷却及び水分除去を行った処理ガスを、前記除害処理する前の被処理ガスに混合して循環させながら、前記除害処理を行うとともに、前記水分除去を行うにあたり、水分と水素ガスを選択的に分離する分離膜を用い、昇圧によって透過側との差圧を生じせしめて水分除去と同時に水素除去を行うことを特徴とする。
【０００９】
上記において、前記処理ガスを混合する上流側に、前記被処理ガスに対して稀釈用ガスを供給することが好ましい。
【００１０】
一方、本発明の排ガスの処理装置は、水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスを被処理ガスとして供給する供給経路と、その供給経路から供給された被処理ガスを固体除害剤により除害処理する除害処理手段と、その除害処理手段から排出された処理ガスを系外に排出する排出経路とを備える排ガスの処理装置において、前記排出経路から分岐して処理ガスの一部を前記供給経路に戻す循環経路、及び昇圧手段を備え、除害処理後の処理ガスを冷却及び水分除去してから前記循環経路を経て前記被処理ガスに混合するための冷却手段及び水分除去手段を備えるとともに、該水分除去手段が水分及び水素ガスを選択的に分離する分離膜を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記において、前記循環経路からの導入部より上流側に導入される稀釈用ガスの供給経路を備えることを特徴とするが好ましい。
【００１２】
［作用効果］
本発明の排ガスの処理方法によると、除害処理後の処理ガスを除害処理する前の被処理ガスに混合して循環させるため、処理ガスが昇温を防止するための希釈用ガスとなるので、窒素ガス等の希釈用ガスが原則として不要となる。また、処理ガスを混合する前に冷却及び水分除去を行うため、水分が固体除害剤に悪影響を与えにくくなる。その結果、被処理ガスに水素ガスが含まれる場合であっても、除害処理後の処理ガスを循環しながら、固体除害剤の昇温による暴走を防止して、安全かつ高い処理能力で除害処理することができるようになる。
【００１３】
また、前記水分除去を行うにあたり、水分及び水素ガスを選択的に分離する分離膜を用いて、水分除去と水素除去を行う場合、水分のみでなく水素ガスも選択的に分離除去されるため、水素ガスを希釈する効果も生じるので、固体除害剤の昇温による暴走をより確実に防止して、より安全に除害処理することができる。さらに、処理ガスを混合する上流側に、前記被処理ガスに対して稀釈用ガスを供給する場合には、処理開始時や異常時において使用されることによって、より安全に除害処理することができる。
【００１４】
一方、本発明の排ガスの処理装置によると、排出経路から分岐して処理ガスの一部を供給経路に戻す循環経路を備えるため、処理ガスが昇温を防止するための希釈用ガスとなるので、窒素ガス等の希釈用ガスが原則として不要となる。また、除害処理後の処理ガスを冷却及び水分除去してから前記循環経路を経て前記被処理ガスに混合するための冷却手段及び水分除去手段を備えるため、水分が固体除害剤に悪影響を与えにくくなる。
【００１５】
また、水分除去手段が、水分及び水素ガスを選択的に分離する分離膜を備える場合、水分のみでなく水素ガスも選択的に分離除去されるため、水素ガスを希釈する効果も生じるので、固体除害剤の昇温による暴走をより確実に防止して、より安全に除害処理することができる。さらに、循環経路からの導入部より上流側に導入される稀釈用ガスの供給経路を備える場合には、処理開始時や異常時において使用されることによって、より安全に除害処理することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の排ガスの処理装置の一例を示す概略構成図である。この装置は、本発明の排ガスの処理装置を、その基本となる部分で構成した例である。
【００１７】
まず、本発明の排ガスの処理装置について説明する。本発明の排ガスの処理装置は、図１に示すように、被処理ガスを供給する供給経路Ｌ１と、その供給経路Ｌ１から供給された被処理ガスを固体除害剤１ａにより除害処理する除害処理手段１と、その除害処理手段１から排出された処理ガスを系外に排出する排出経路Ｌ２とを備える。また、排出経路Ｌ２から分岐して、処理ガスの一部を供給経路Ｌ１に戻す循環経路Ｌ３を備えている。
【００１８】
供給経路Ｌ１には、循環経路Ｌ３からの導入部と、その導入部より上流側に導入される希釈用ガスの供給経路Ｌ５を備える。この希釈用ガスは、処理開始時や異常時に使用され、弁１０によって供給が制御される。
【００１９】
除害処理手段１は、除害筒などと称され、被処理ガスを除害処理するための固体除害剤１ａが内部に充填されている。固体除害剤１ａとしては、酸化銅等の金属酸化物を反応主成分とする固体除害剤、その他の金属酸化物を反応主成分とした固体除害剤などが挙げられる。これらの詳細は、特開平６ー３１９９４５号公報参照、特公平４−１９８８６号公報、特公平４−５７３６８号公報などに記載されている。
【００２０】
排出経路Ｌ２には、上流側より、昇圧手段２、冷却手段３、気液分離器４、膜乾燥器５、弁６を備える。本実施形態では、主に気液分離器４と膜乾燥器５によって、処理ガスを水分除去してから循環経路Ｌ３を経て被処理ガスに混合するための水分除去手段を構成すると共に、この水分除去手段が、水分及び水素ガスを選択的に分離する分離膜５ａを膜乾燥器５に備える例を示す。
【００２１】
昇圧手段２には、圧縮機やブロワなどが使用でき、処理ガスを循環経路Ｌ３により循環させるための差圧や、膜乾燥器５での膜分離のための差圧を生じさせるために使用される。膜乾燥器５を使用する場合、透過側との差圧を大きくするのが好ましいため、圧縮機が好適に使用できる。
【００２２】
冷却手段３としては、水冷式や風冷式の冷却器を使用することができ、水冷式の場合、冷媒として水道水などが使用できる。冷却手段３による冷却によって、処理ガス中に含まれる水分が一部凝縮するため、冷却手段３が水分の凝縮・分離機能を有して（冷却凝縮器）いてもよい。
【００２３】
気液分離器４では、液化した水分等を分離してトラップ（ドレントラップ）する。トラップした水分は、ドレンとして系外に適宜排出される。気液分離器４は、除滴板などを備えるデミスタなどが使用できる。
【００２４】
膜乾燥器５は、水分除去も可能な水素分離膜（分離膜５ａ）の利用が好ましい。このような水素及び水分除去用の膜乾燥器５又は分離膜５ａとしては、例えば米国ＭＥＤＡＬ社製の水素分離膜などが使用できる。膜モジュールの形式、有効膜面積などは処理量に応じて適宜決定すればよい。
【００２５】
膜乾燥器５の透過側（低圧側）には、弁７を有する含水排ガス経路Ｌ４が接続されている。また、膜乾燥器５の高圧側の出口には、排出経路Ｌ２が連続し、圧力調節のための弁６の上流側にて循環経路Ｌ３が分岐する。この循環経路Ｌ３には、圧力調節（流量調節）のための弁８と、逆流防止のための逆止弁９とを備える。
【００２６】
本発明では、上記のように、除害処理後の処理ガスを冷却及び水分除去してから循環経路Ｌ３を経て被処理ガスに混合するための冷却手段３、及び気液分離器４と膜乾燥器５からなる水素及び水分除去手段を備えるが、これらの配置順序や配置経路は、図１に示す装置に限定されるものではない。
【００２７】
次に、本発明の排ガスの処理方法について説明する。本発明の排ガスの処理方法は、以上のような装置を用いて好適に実施することができ、水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスを固体除害剤により除害処理するものである。その際、例えば図１に示す装置を用いて、除害処理後に冷却及び水分除去を行った処理ガスを、除害処理する前の被処理ガスに混合して循環させながら、除害処理を行うことを特徴とする。
【００２８】
系外から供給される被処理ガスは、水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスであり、半導体製造工程の各製造装置からの排ガスが例示される。水素化物系ガスとしては、シラン、ジシラン、アルシン、ホスフィン、ジボラン、ゲルマン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）等が挙げられる。また、水素ガスとしては、例えばＣＶＤの際に生成したものなどが含まれる。また、その他の成分としては、窒素ガス、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが主に含まれる。
【００２９】
排ガス中の水素化物系ガスの濃度は、一般に０．１〜４体積％であり、水素ガス濃度は、一般に０〜５０体積％である。本発明では、特に水素化物系ガスの濃度が１〜４体積％であり、水素ガス濃度が１０〜５０体積％である場合に有効である。
【００３０】
排ガスは、供給経路Ｌ１を経て除害処理手段１に供給され、固体除害剤１ａにより除害処理される。除害処理は、固体除害剤１ａとの接触による水素化物系ガスの酸化反応や中和反応等により行われる。
【００３１】
被処理ガス及び処理ガスの流動は、除害処理手段１の下流側に設けた昇圧手段２の吸引による差圧によって行われるが、昇圧手段２を設ける位置などはこれに限定されるものではない。昇圧後の圧力は、膜乾燥器５の使用にもよるが、０．５〜０．８ＭＰａが好ましい。
【００３２】
除害処理後に昇圧されたた処理ガスは、冷却手段３で冷却され、一部凝縮した水分が気液分離器４で分離される。その後、膜乾燥器５の分離膜５ａで水分除去と同時に水素分離がなされ、含水排ガス経路Ｌ４と排出経路Ｌ２から系外に排出される。水素ガスは、分離膜５ａによって、略８０体積％以上を透過側に分離することができる。
【００３３】
一方、処理ガスの一部は循環経路Ｌ３を経て、適当な圧力や流量で供給経路Ｌ１に戻して循環される。その際、供給経路Ｌ１に戻される処理ガスの流量は、混合後の被処理ガスにおける水素化物系ガスの濃度が１体積％以下になるように設定するのが好ましい。この濃度が高くなり過ぎると、固体除害剤の昇温による暴走を防止して、安全かつ高い処理能力で除害処理することが困難になる傾向がある。そして、排ガス中の水素化物系ガスの濃度の上限は既知である場合が多いので、上限値の場合でも被処理ガスが上記濃度範囲になるように、供給経路Ｌ１に戻される処理ガスの流量を制御するのが好ましい。なお、処理開始時や異常時において、希釈用ガスの供給経路Ｌ５に設けた弁１０によって希釈ガスを供給する場合も、上記の濃度が目安となる。
【００３４】
また、供給経路Ｌ１に戻される処理ガスの水分濃度は、露点が−４０℃以下が好ましい。この水分濃度が高すぎると、固体除害剤１ａに悪影響（触媒毒的な作用）を及ぼす傾向がある。
【００３５】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、本発明の排ガスの処理装置の基本的な構成の例を示したが、この実施形態では、図２に示すように、更に各種制御を追加するなどして実用性を高めた例を示す。この実施形態については、主に前述の実施形態と異なる点について説明する。
【００３６】
まず、除害処理手段１が２基（除害処理手段１Ａ，１Ｂ）で切り換えられるように構成されており、切り換えのための弁１１Ａ，１１Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを設けている。各々の除害処理手段１Ａ，１Ｂの入口と出口には、除害筒を脱着容易にするためのフレキシブル継手１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂを備える（図３の４１，４２，２ａ，２ｂも同様）。また、希釈用ガスの供給経路Ｌ５には、レギュレータ２２、流量計２３、逆止弁２４、及び切り換えのための弁１０Ａ，１０Ｂを備える。
【００３７】
一方、供給経路Ｌ１には、ＰＩＣ（圧力指示調節計）の圧力検出部を設けてあり、供給経路Ｌ１の圧力が略一定になるように、弁８の開度を調節できるようにしている。なお、弁３３は前記ＰＩＣの異常昇圧時に全開となる。
【００３８】
また、昇圧手段２には、圧力調整のためのバイパス経路が設けられており、ＰＩＣ３１と弁３０によって圧力調整が行われる。更に、排出経路Ｌ２にも、ＰＩＣ３２と弁６ａが設けられ、これらによって排ガスの圧力調整が行われる。
【００３９】
（２）前述の実施形態では、主に気液分離器と膜乾燥器によって処理ガスを水分除去する例を示したが、図３に示すように、吸着式又は吸収式の乾燥器４６によって水分除去を行ってもよい。この場合、膜乾燥器ほど圧力を高める必要がないため、昇圧手段２としてはブロワが使用できる。乾燥器４６に使用される吸着剤としては、シリカゲル、活性アルミナ、合成ゼオライトなどが使用できる。
【００４０】
この例では乾燥器４６を１基のみ設けたが、２基設けて一方で吸着等を行いながら他方で脱着・再生を行うようにし、両者を切り換え可能に構成してもよい。また、循環経路Ｌ３には、バイパス用の弁４３や、圧力調節等のための弁４５，４４を設けてもよい。なお、冷却手段３としては、ファン３ｂによりフィン付きチューブ３ａを冷却する風冷式のものが使用されている。
【００４１】
（３）前述の実施形態では、供給経路に戻される処理ガスの流量を調整して、混合後の被処理ガスにおける水素化物系ガスの濃度を低下させることで、固体除害剤の昇温による暴走を防止して、安全かつ高い処理能力で除害処理する例を示したが、これとは別に、固体除害剤又はそこから排出される処理ガスの温度を検知して、インターロックを行う手段を併用してもよい。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
【００４３】
実施例１
図１に示す処理装置を用いて、モノシラン、水素ガス、及び窒素ガスを含有する排ガス（モノシラン１体積％、水素ガス３０体積％）の除害処理を行った。その際、この排ガスと同量の処理ガスを循環させて予め混合し、被処理ガス中のモノシラン濃度を０．５体積％とした。固体除害剤としては、酸化銅＋酸化マンガン混合物を１２０Ｋｇ使用し、１０００ＮＬ／分の被処理ガスを除害処理した。除害処理後の処理ガスは圧縮機で０．７ＭＰａまで昇圧し、３５℃まで冷却後、気液分離して、膜乾燥器（米国ＭＥＤＡＬ社製，水素分離膜）にて分離を行った。透過側には水分と水素ガスを含む排ガスを２５０ＮＬ／分の流量で分離し、残りの８００ＮＬ／分のうち、５００ＮＬ／分を循環流量（ガスの露点−４０℃）とした。以上の操作で、固体除害剤の温度を測定したところ、７０〜８０℃の間で略一定となった。
【００４４】
比較例１
実施例１において、処理ガスの混合を行わずに、５００ＮＬ／分にて上記排ガスを供給する以外は、全て実施例１と同じ操作で除害処理を行った。その際の固体除害剤（反応層部分）の温度を測定したところ、１００℃以上まで昇温が続いたため、水素ガスの酸化反応による爆発の危険を回避するために、除害処理を途中で中止した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排ガスの処理装置の一例を示す概略構成図
【図２】本発明の排ガスの処理装置の他の例を示す概略構成図
【図３】本発明の排ガスの処理装置の他の例を示す概略構成図
【符号の説明】
１ 除害処理手段
１ａ 固体除害剤
３ 冷却手段
４ 気液分離器（水分除去手段）
５ 膜乾燥器（水分除去手段）
５ａ 分離膜
４６ 乾燥器（水分除去手段）
Ｌ１ 供給経路
Ｌ２ 排出経路
Ｌ３ 循環経路

Claims (4)

1. 水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスを固体除害剤により除害処理する排ガスの処理方法において、除害処理後に冷却及び水分除去を行った処理ガスを、前記除害処理する前の被処理ガスに混合して循環させながら、前記除害処理を行うとともに、前記水分除去を行うにあたり、水分と水素ガスを選択的に分離する分離膜を用い、昇圧によって透過側との差圧を生じせしめて水分除去と同時に水素除去を行うことを特徴とする排ガスの処理方法。
2. 前記処理ガスを混合する上流側に、前記被処理ガスに対して稀釈用ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の排ガスの処理方法。
3. 水素化物系ガス及び水素ガスを含む排ガスを被処理ガスとして供給する供給経路と、その供給経路から供給された被処理ガスを固体除害剤により除害処理する除害処理手段と、その除害処理手段から排出された処理ガスを系外に排出する排出経路とを備える排ガスの処理装置において、
   前記排出経路から分岐して処理ガスの一部を前記供給経路に戻す循環経路、及び昇圧手段を備え、除害処理後の処理ガスを冷却及び水分除去してから前記循環経路を経て前記被処理ガスに混合するための冷却手段及び水分除去手段を備えるとともに、該水分除去手段が水分及び水素ガスを選択的に分離する分離膜を備えることを特徴とする排ガスの処理装置。
4. 前記循環経路からの導入部より上流側に導入される稀釈用ガスの供給経路を備えることを特徴とする請求項３記載の排ガスの処理装置。

Images