JP3993686B2

JP3993686B2 - 排ガス除害装置

Info

Publication number: JP3993686B2
Application number: JP09262998A
Authority: JP
Inventors: 信昭渡辺; 寿雄松本; 敏彦若林; 和信渋谷
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: JPH11270831A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程等において排出される可燃性ガスや有毒性ガス、或いは環境保護の観点から大気中に排出する際に除去したり濃度を低減させる必要のあるガス成分等（以下、被除去成分と呼ぶ。）が含まれる排ガスから被除去成分を燃焼分解し、排ガスの除害を行うために用いられる排ガス除害装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば、半導体を製造する際の各種工程で排出される排ガス中には、半導体材料であるＳｉＨ₄等の有害成分が含まれており、このような成分を含む排ガスはそのままでは大気中に排出することができない。そこで従来は、被除去成分を含む排ガスを大気中に排出するにあたって、例えば特開昭６３−２７９０１４号公報等に記載されているような、排ガス流路を中心として同心円状に燃料ガス流路、助燃ガス流路を環状に配してなるノズルを有する除害装置によって排ガスを燃焼させて被除去成分を除害する方法が提案されている。
【０００３】
半導体製造装置であるＣＶＤからの排ガス中の被除去成分のうち、ＳｉＨ₄は燃焼分解によってＳｉＯ₂を生成する。排ガス中のＳｉＨ₄の割合が少ない場合には、ＳｉＯ₂の生成はそれほど大きな問題とはならないが、近年、液晶パネルの基板の大型化が進み、液晶パネル製造時におけるＳｉＨ₄使用量は、これまでの２〜３倍に増加している。一方、排ガス除害装置は燃焼効率を向上化し、除害装置設置スペース縮小を目的として小型化されているため、ＳｉＨ₄使用量の増加と相俟って、除害装置内におけるＳｉＯ₂の粉末濃度は著しく増加することとなり、除害装置の燃焼筒内におけるＳｉＯ₂粉末の堆積量が増加し、燃焼ノズルの排ガス流路や燃料ガス供給口（火炎の火口）が塞がれてしまう等の虞があった。
【０００４】
ＣＶＤ製造装置は、半導体の成膜プロセスと、装置のクリーニングプロセスとを繰り返し行っており、装置のクリーニングには一般に、ＮＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆等の比較的難燃性のガスが用いられているため、これまでは成膜プロセスにおいて排出されるＳｉＨ₄等を含む排ガスと、クリーニングプロセスにおける排ガスとを、それぞれ別の除害装置に導入して除害処理していた。しかしながら、上記したように近年の除害装置の小型化、除害装置の設置スペースの縮小化等の要求度は高く、成膜プロセスにおける排ガスとクリーニングプロセスにおける排ガスを、同一の除害装置によって処理する必要性が高くなっている。このため排ガス除害装置は、成膜プロセスにおいて排出される排ガス中のＳｉＨ₄の燃焼分解によるＳｉＯ₂粉末の堆積を防止するとともに、クリーニングプロセスにおいて排出される排ガス中の難燃性ガスを効率良く処理することができる性能が要求されるようになっている。
【０００５】
このような点に鑑み、本発明者等は排ガス除害装置の燃焼ノズルの排ガス流路開口端部内側に固定案内羽根を設けて排ガスを効果的に燃焼処理できるようにし、また排ガス流路開口端部に排ガス流によって回転する自由回転羽根を設け、該自由回転羽根の回転によって燃焼ノズル付近に付着したＳｉＯ₂粉末を掻き取るようにするとともに、燃焼ノズルａを図１に示すように複数の空気取り入れ孔ｂを有する内筒ｃ内に位置せしめ、内筒ｃの外側を外筒ｄで覆った２重構造とすることにより、装置を小型化した場合でも排ガス中の被除去成分の燃焼効率が高められるとともに、ＳｉＯ₂粉末の燃焼ノズル付近への付着を防止できることを見出し、先に提案した（特開平９−２６９１１４号）。
【０００６】
上記した特開平９−２６９１１４号の除害装置を用いた場合、燃焼ノズルａ付近へのＳｉＯ₂粉末の付着は効果的に防止でき、燃焼ノズルａの排ガス流路や燃料ガス供給口が塞がれてしまう等の問題は解消できるが、特に近年のＳｉＨ₄量の多い排ガスを処理した場合、内筒ｃの内壁面へ多量のＳｉＯ₂粉末が付着し易いという問題があり、更に改良が望まれていた。
【０００７】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、燃焼筒の内筒ｃの内壁面にＳｉＯ₂粉末が付着する大きな原因は、内筒ｃ内の燃焼排ガスの流れが内筒ｃの内壁面付近で減少することと、内筒ｃの内壁付近における燃焼排ガス温度が、形態不安定なＳｉＯ₂結晶が生成し易い温度であるためではないかと考えられた。本発明者等は、このような知見に基いて上記した排ガス除害装置の内筒ｃの内壁にＳｉＯ₂粉末が付着するのを防止するため、更に鋭意研究した結果、内筒ｃに設けた空気取り入れ孔ｂから単に内筒ｃ内に空気を導入する代わりに、空気を内筒ｃの内壁に沿った長手方向に導入するようにすることにより、上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明の排ガス除害装置は、燃料ガスの燃焼によって排ガスを燃焼させるための燃焼ノズルと、外筒と内筒とからなる燃焼筒とを有し、前記燃焼ノズルを燃焼筒の内筒内に設けてなる排ガス除害装置において、２以上の筒状部材を、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒を形成し、且つ上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を、内筒の内壁に沿った長手方向に、空気を内筒内に導入するための空気導入手段として有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の排ガス除害装置は、上下の筒状部材の重ね合わせ部における隙間の内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁と、燃焼筒の排気部開口面積：Ａ_２との間に、Ａ₁／Ａ_２＝１．５〜０．５なる関係を有するように構成することが好ましい。
【００１０】
また本発明の排ガス除害装置は、燃料ガスの燃焼によって排ガスを燃焼させるための燃焼ノズルと、外筒と内筒とからなる燃焼筒とを有し、前記燃焼ノズルを燃焼筒の内筒内に設けてなる排ガス除害装置において、２以上の筒状部材を、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒を形成し、上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を、上側の筒状部材の下端部において封止するとともに、上側の筒状部材の重ね合わせ部の下端部付近に空気導入穴を設け、該空気導入穴から導入した空気を上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を経て、内筒の内壁に沿った長手方向に導入するように構成することができる。この場合、上下の筒状部材の重ね合わせ部における上側の筒状部材の下端部付近に設けた空気導入穴の総面積：Ａ₃ と、上側筒状部材内面側と下側筒状部材外面側との間の重ね合わせ部に形成される隙間の、内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁との間に、Ａ₁／Ａ₃＝０．８〜２なる関係を有するように構成することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２、図３は本発明の排ガス除害装置の一例を示し、図中１は燃焼筒で、該燃焼筒１は、内筒２と該内筒２を覆う外筒３の２重構造に構成されている。内筒２内には燃焼ノズル４が設けられ、内筒２の下端部には燃焼ノズル４に二次燃焼用空気を供給するための空気供給口５が設けられている。
【００１２】
本発明の排ガス除害装置は、内筒２に沿った長手方向に、空気を内筒２内に導入するための空気導入手段を有することが特徴であり、空気を内筒２の内壁に沿って導入するために、図２、図３に示す排ガス除害装置では、内筒２を複数の筒状部材２ａによって構成し、各筒状部材２ａを、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒２を構成してある。上下の筒状部材２ａを重ね合わせるに際し、上側の筒状部材２ａが下側の筒状部材２ａを覆うように重ね合わせて内筒２を構成することにより、上下の筒状部材２ａの重ね合わせ部において、上側の筒状部材２ａの内面側と下側の筒状部材２ａの外面側との間に隙間６が形成され、この隙間６から内筒２の内壁面に沿った長手方向に空気を導入することができる。
【００１３】
上記図２、図３に示す排ガス除害装置において、各筒状部材２ａの重ね合わせ部に形成される隙間６から、内筒２の内壁面の長手方向に沿って内筒２内に導入される空気は、内筒２内壁にＳｉＯ₂粉末が付着するのを防止するとともに、排ガス中の被除去成分の燃焼分解を促進する。本発明において、内筒２の内壁に沿った長手方向に空気を導入することができれば、隙間６の大きさ、隙間６の数（即ち、内筒２を幾つの筒状部材２ａで構成するか）等に特に制約はないが、ＳｉＯ₂粉末の付着を確実に防止するとともに、排ガス中に難燃性の被除去成分が含まれている場合に、難燃性の被除去成分の分解率をより高めるために、隙間６の内筒内面側における開口部６ａの総面積：Ａ₁と、燃焼筒１の排気部１ａの開口面積：Ａ₂との間に、Ａ₁／Ａ₂＝１．５〜０．５なる関係が成り立つように隙間６を構成することが好ましい。特に、Ａ₁／Ａ₂が略１となるようにすることが好ましい。
【００１４】
燃焼ノズル４には図示しない燃料ガス供給路と排ガス供給路とが設けられ、燃料ガス供給路から供給される燃料ガスをノズル先端付近において燃焼させることにより、排ガス供給路から供給される排ガス中の被除去成分が燃焼分解される。燃料ガス中には予め空気が混合されているが、排ガス中の被除去成分を効率良く燃焼させるには、更に火炎の外側から空気を供給する必要がある。このような空気は内筒２の下端部に設けられた二次燃焼用空気供給口５から供給され、該空気供給口５の孔径を調整して空気供給量を最適な燃焼が行えるように調整する。
【００１５】
図４は、本発明の排ガス除害装置の更に他の実施例を示す。図４に示す排ガス除害装置は、複数の筒状部材２ａを重ね合わせて内筒２を構成した点においては、前記図２、図３に示した排ガス除害装置と同様であるが、上下の筒状部材２ａの重ね合わせ部に形成される隙間６を、上側の筒状部材２ａの下端部７において封止するとともに、重ね合わせ部において上側の筒状部材２ａの下端部７付近に空気導入穴８が複数設けてある。この排ガス除害装置では、空気導入穴８から隙間６内に導入された空気が、内筒２の内壁面の長手方向に沿って内筒２内に導入されるように構成されている。
【００１６】
上記図４に示す構造の排ガス除害装置は、前記図２、図３に示す排ガス除害装置に比べ、内筒２の内壁面の長手方向に沿って内筒２内に導入する空気量の調節が比較的容易である利点がある。この除害装置の場合、空気導入穴８の開口位置が、隙間６の内筒内面側における開口部よりも下方側であれば良いが、空気導入穴８より導入をより均一な流速で内筒２内に供給するため、内筒２内面側における開口部と、空気導入穴８の開口位置との長さが、隙間６の幅の３〜６倍付近となるようにすることが好ましい。また、内筒２の内壁面へのＳｉＯ₂粉末の付着を確実に防止する上で、空気導入穴８の総面積：Ａ₃と、隙間６の内筒内面側における開口部６ａの総面積：Ａ₁との間に、Ａ₁／Ａ₃＝０．８〜２なる関係が成り立つように、隙間６と空気導入穴８とを設けることが好ましい。上記、Ａ₁／Ａ₃の値が０．８未満の場合には導入空気の流れの抵抗が大きくなることにより、また、Ａ₁／Ａ₃の値が２を超える場合には、内筒２の内壁の長手方向に沿った空気の流れ速度が低下することにより、内壁面にＳｉＯ₂粉末が付着し易くなる。上記空気導入穴８は、円形に限らず、楕円形、三角形、四角形等任意の形状に形成することができる。
【００１７】
尚、上記したように複数の筒状部材２ａを重ね合わせて内筒２を構成する場合、各筒状部材２ａの内壁が、内筒２内における排ガス等の気体の流れ方向と平行になるように構成することが、内筒２内の気体の流れに対する内筒２の内壁面の抵抗が少ないため好ましい。しかしながら、このような構成とするには、上方に位置する筒状部材２ａほど大径のものを用いる必要があり、その結果、燃焼筒１の排気部１ａの開口面積：Ａ₂が大きくなる。このため、図２、図３に示すような排ガス除害装置では、前記したＡ₁／Ａ₂の値が１．５〜０．５となるようにするためには、隙間６の内筒内面側における開口部６ａの総面積：Ａ₁を大きくしなければならず、装置全体の大きさが大きくなるという問題がある。
【００１８】
このような問題を解決するには、図２、図３に示したように筒状部材２ａの一部又は全部を、上端部側の径が下端部側の径より小さくなるようにし、内筒２内の気体の流れ方向に対して筒状部材２ａの内壁を傾斜させるように構成することが好ましい。
【００１９】
本発明の排ガス除害装置は、上記したように複数の筒状部材２ａを重ね合わせて内筒２を構成し、筒状部材２ａの重ね合わせ部の隙間６から内筒２ａの内壁面の長手方向に沿って空気を内筒２内に導入しながら排ガス中の被除去成分を燃焼ノズル４において燃焼させて除去するものであるが、内筒２の内壁面の長手方向に沿って空気を内筒２内に導入し得る構造であれば、内筒２を複数の筒状部材２ａを重ね合わせて構成しなくとも良い。例えば、内筒２の内壁面の長手方向に開口した空気供給管を内筒２内に設け、この空気供給管から内筒２の内壁面の長手方向に沿って空気を導入しながら排ガス処理を行うようにしても良い。
【００２０】
燃焼ノズル４において燃焼処理された排ガス中の被除去成分を、更に二次燃焼させる等により、更なる除害を行う燃焼分解ゾーンＢにおいては、内筒２の内壁に沿った空気の流れがあまり多くなり過ぎると、燃焼ノズル４において完全に除害され得なかった被除去成分を含む排ガス（燃焼ガス）を冷却し、被除去成分の分解効率が低下する。燃焼分解ゾーンＢにおいて、被除去成分の確実な分解が行えるようにするには、内筒２の内壁に沿って導入される空気量は、排ガスの二次燃焼用として内筒２の底部の空気供給口５より導入される空気量の３〜４０倍量が好ましく、またＳｉＯ₂粉末の堆積防止の面から、空気の流速が燃焼筒１の排気部１ａと同様、隙間６の内筒２内の開口部において、５ｍ／秒以上、特に１０ｍ／秒以上の流速となるようにすることが好ましい。
【００２１】
本発明が対象とする排ガスとは、可燃性成分や有毒成分を含むもの、或いは環境保護の観点から大気中に排出する際に除去したり濃度を低減させる必要のある成分等を含む排ガスであり、例えば半導体を製造する際の各種の工程において排出される、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＧｅＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、ＡｓＨ₃、ＰＨ₃、ＮＦ₃、又はＣ₂Ｆ₆等を含むガスが挙げられる。
【００２２】
また、燃焼ノズル４に供給される燃料ガスとしては、水素、メタン、プロパン、ブタン、エチレン、天然ガス、或いはこれらの混合ガスを主燃料とし、これに必要に応じて空気や酸素富化された空気等を助燃ガスとして混合したものが用いられる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
【００２４】
実施例１、比較例１
実施例１としては図２に示す形状の内筒を有する排ガス除害装置（隙間の内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁＝８０ｃｍ²、燃焼筒の排気部開口面積：Ａ₂＝８０ｃｍ²、Ａ₁／Ａ₂＝１）を、比較例１としては図１に示す形状の内筒を有する排ガス除害装置（空気取り入れ孔ｂの総面積８０ｃｍ²）を用い、燃料ガスとしてプロパンを５リットル／分で燃焼ノズルに供給し、燃料ガスへの予混合空気比０．７、排気風量４．５ｍ³／分として試験用排ガスの燃焼処理を行った。試験用排ガスとしては、ＳｉＨ₄０．５リットル／分、Ｎ₂５０リットル／分で供給して混合したものを用いた。試験用排ガスを上記の条件で燃焼処理している間、内筒内壁温度を種々の位置で測定したところ、実施例１の場合にはいずれの位置でも２００℃以下であったが、比較例１の場合には内筒内壁面の温度が約７００℃にも達する箇所があった。
【００２５】
内筒の内壁へのＳｉＯ₂粉末の堆積量の時間変化を測定した結果を図５に示す。図５において、◎は実施例１の場合を、△は比較例１の場合を示す。
【００２６】
ＳｉＯ₂粉末が堆積し易い変態温度は２００〜８００℃と言われているが、実施例１の結果からも明らかなように、内筒内壁の長手方向に沿って空気を導入する本発明の場合、内壁に沿った空気の流れによってＳｉＯ₂粉末が飛ばされる効果とともに、空気によって内壁面が冷却されることにより内壁面温度がＳｉＯ₂の変態温度以下となることも、ＳｉＯ₂粉末の内筒内壁面への堆積を効果的に防止し得る理由ではないかと考えられる。
【００２７】
実施例２
図４に示す形状の内筒を有する排ガス除害装置（上側筒状部材内面側と下側筒状部材外面側との間の重ね合わせ部に形成される隙間の、内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁＝８０ｃｍ²、上側の筒状部材の下端部付近に設けた空気導入穴の総面積：Ａ₃＝８０ｃｍ²、Ａ₁／Ａ₃＝１）を用い、燃料ガスとしてプロパンを５リットル／分で燃焼ノズルに供給し、燃料ガスへの予混合空気比０．７、排気風量４．５ｍ³／分として試験用排ガスの燃焼処理を行った。試験用排ガスとしては、ＳｉＨ₄０．５リットル／分、Ｎ₂５０リットル／分で供給して混合したものを用いた。試験用排ガスを上記の条件で燃焼処理している間、内筒内壁温度を種々の位置で測定したところ、実施例２の場合にはいずれの位置でも２００℃以下であった。内筒の内壁へのＳｉＯ₂粉末の堆積量の時間変化を測定した結果を図５に示す（図５中、○が実施例２の結果を示す。）。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の排ガス除害装置は、２以上の筒状部材を、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒を形成し、上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間から内筒の内壁に沿った長手方向に、空気を内筒内に導入するか、上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を、上側の筒状部材の下端部において封止するとともに、上側の筒状部材の重ね合わせ部の下端部付近に空気導入穴を設け、該空気導入穴から導入した空気を上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を経て、内筒の内壁に沿った長手方向に導入しながら排ガスを処理するように構成したため、難燃成分を含む排ガスも効果的に燃焼処理することができるとともに、多量のＳｉＨ₄を含む排ガスを処理した場合でも、内筒内にＳｉＨ_４の燃焼分解によって生じたＳｉＯ_２粉末が堆積するのを効果的に防止できる。また本発明の排ガス除害装置は、装置を小型化した場合でも、効果的に排ガスの除害を行うことができる等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の排ガス除害装置の一例を示す要部縦断面略図である。
【図２】本発明の排ガス除害装置の一例を示す要部断面略図である。
【図３】本発明の排ガス除害装置の他の例を示す要部断面略図である。
【図４】本発明の排ガス除害装置の更に異なる例を示す要部断面略図である。
【図５】内筒内壁面へのＳｉＯ₂付着量と処理時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃焼筒
２内筒
２ａ筒状部材
３外筒
４燃焼ノズル
６隙間
８空気導入穴

Claims

燃料ガスの燃焼によって排ガスを燃焼させるための燃焼ノズルと、外筒と内筒とからなる燃焼筒とを有し、前記燃焼ノズルを燃焼筒の内筒内に設けてなる排ガス除害装置において、２以上の筒状部材を、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒を形成し、且つ上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を、内筒の内壁に沿った長手方向に、空気を内筒内に導入するための空気導入手段として有することを特徴とする排ガス除害装置。
上下の筒状部材の重ね合わせ部における隙間の内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁と、燃焼筒の排気部開口面積：Ａ_２との間に、Ａ₁／Ａ_２＝１．５〜０．５なる関係を有することを特徴とする請求項１記載の排ガス除害装置。
燃料ガスの燃焼によって排ガスを燃焼させるための燃焼ノズルと、外筒と内筒とからなる燃焼筒とを有し、前記燃焼ノズルを燃焼筒の内筒内に設けてなる排ガス除害装置において、２以上の筒状部材を、重ね合わせ部に隙間が形成されるように上方に順次重ね合わせて内筒を形成し、上下の筒状部材の重ね合わせ部の上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を、上側の筒状部材の下端部において封止するとともに、上側の筒状部材の重ね合わせ部の下端部付近に空気導入穴を設け、該空気導入穴から導入した空気を上側の筒状部材内面側と下側の筒状部材外面側との間に形成される隙間を経て、内筒の内壁に沿った長手方向に導入するようにしたことを特徴とする排ガス除害装置。
上下の筒状部材の重ね合わせ部における上側の筒状部材の下端部付近に設けた空気導入穴の総面積：Ａ_３と、上側筒状部材内面側と下側筒状部材外面側との間の重ね合わせ部に形成される隙間の、内筒内面側における開口部の総面積：Ａ₁との間に、Ａ_１／Ａ_３＝０．８〜２なる関係を有することを特徴とする請求項３記載の排ガス除害装置。