JP5457193B2 - ガス流を処理する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流を処理する方法及び装置に関する。

化学気相成長（ＣＶＤ）法は、蒸着チャンバ内に配置された基板又はウェーハの表面に薄膜又は層を被着又は蒸着させるために用いられる。この方法は、多くの場合、キャリヤガスを用いて、１種類又は２種類以上の反応性ガスをチャンバに供給し、そして基板表面に、この基板表面のところで化学反応が生じるようにする条件下で供給することによって行われる。例えば、ＴＥＯＳ並びに酸素及びオゾンのうちの一方を、基板上への酸化珪素層の形成のために蒸着チャンバに供給してもよく、シラン及びアンモニアを窒化珪素層の形成のために供給してもよい。多結晶シリコン又はポリシリコンを熱によるシラン又はクロロシランの分解によって基板上に被着させる。

例えば半導体デバイスの電極並びにソース及びドレイン領域の形成中、蒸着された層の領域の選択的エッチングを行うために、ガスはエッチングチャンバにも供給される。エッチングガスとしては、ペルフッ化（ＰＦＣ）ガス、例えばＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈及びＣ₄Ｆ₈が挙げられる。ただし、他の適当なエッチング剤としては、フッ素、ＮＦ₃、ＳＦ₆及びヒドロフルオロカーボンガス、例えばＣＨＦ₃、Ｃ₂ＨＦ₅及びＣＨ₂Ｆ₂が挙げられる。かかるガスは一般に、ポリシリコン層上に形成された窒化物又は酸化物層の領域に開口部を形成するために用いられ、この開口部は、フォトレジスト層によって露出される。一般に、アルゴンも又、エッチングガスと共にチャンバに運ばれてプロセスがエッチングチャンバ内で実施されるのを促進するガスを生じさせる。

かかるエッチングプロセス中、典型的には、真空ポンプによりエッチングチャンバから引き出された排ガス中には、エッチングプロセスからの副生成物、例えばＳｉＦ₄及びＣＯＦ₂並びに不活性ガス、例えばＡｒと共に、エッチングチャンバに供給されたガスの残留量が含まれる。追加の窒素が真空ポンプのためのパージガスとして排ガスに追加される場合が多い。上述のペルフッ化ガスは、地球温暖化ガスであり、したがって、排ガスを大気中に逃がす前に、ＰＦＣガスを水溶性フッ化水素に変換すると共にＳｉＦ₄をＳｉＯ₂に変換するために除害装置、例えば熱処理ユニット（ＴＰＵ）又はプラズマ除害装置が提供される。次に、ガス流をスクラビングユニットに運び、ここで、ＨＦは、スクラビングユニットの供給された水に溶かされる。

本出願人の同時係属中の米国特許出願公開第２００６／０１０１９９５（Ａ１）号明細書は、スクラビングユニット内で生じた酸性ＨＦ溶液をその後に処理する装置を記載している。なお、この特許文献を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。ＨＦ溶液を好ましくは電気化学セルの形態をした酸除去ユニットに送ってＨＦを酸性溶液から除去する。酸除去ユニットは、水をスクラビングユニットに戻し、ＨＦを濃厚ＨＦ溶液の状態で排出する。次に、カルシウム塩を用いてこの溶液を処理してＣａＦ₂を沈澱させるのが良く、このＣａＦ₂を次に使用するために押し固めて乾燥させるのが良い。

スクラビングユニットに流入するガス流中に同伴された固体粒子、例えばＳｉＯ₂粒子をスクラビングユニット中を通る水に移送する。ＳｉＯ₂粒子のうちの何割か、例えば、約３０〜６０ｐｐｍが、スクラビングユニットを通過している水の中に溶け、残部は、水中に固体粒子として残る。これら粒子が電気化学セル及び（又は）スクラビングユニット内に蓄積するのを阻止するため、これら粒子をスクラビングユニットから排出されたＨＦ溶液から除去するために１つ又は２つ以上のフィルタカートリッジ又はこれに類似した装置がセルから見て上流側に設けられる。

米国特許出願公開第２００６／０１０１９９５（Ａ１）号明細書

プロセスチャンバ内で行われるプロセスに応じて、ガス流中に同伴される固体粒子の量は、様々な場合があり、典型的には、７０〜２００ｐｐｍである。本発明者は、固体粒子の量が比較的高い場合、フィルタカートリッジは、短時間で充填状態になる場合のあることを発見した。例えば、各々が約４〜５ｋｇの容量を備えた４つのフィルタカートリッジは、ガス流が２００ｐｐｍのＳｉＯ₂粒子を含んでいる場合、１週間以内に充填状態になる場合がある。各カートリッジを交換する費用は、現在約２００米国ドルなので、これは、処理装置の所有費を著しく増大させる場合がある。

本発明は、酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する方法であって、水性スクラビング液（リカー）を、この液体の酸性度を減少させる酸除去ユニットを有する本質的に閉じられたループ中に循環させるステップと、循環中の液体の少なくとも一部分をガススクラビングユニットに供給するステップと、ガス流をスクラビングユニットに供給するステップと、スクラビングユニットに供給されるべき液体の酸性度をモニタするステップと、モニタした酸性度に応じて液体の酸性度の減少度を制御して循環中の液体の少なくとも一部分中のガス流の固体成分の溶解度を制御するステップとを有することを特徴とする方法を提供する。

本発明は又、酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する方法であって、水性スクラビング液を、この液体の酸性度を減少させる酸除去ユニットを有する本質的に閉じられたループ中に循環させるステップと、循環中の液体の一部を閉ループからガススクラビングユニットにそらすステップと、ガス流をそらされた液体中に溶かすためにスクラビングユニットに供給するステップと、そらされた液体を閉ループに戻すステップと、閉ループ内の所与の場所における循環中の液体の酸性度をモニタするステップと、モニタした酸性度に応じて液体の酸性度の減少度を制御してそらされた液体中のガス流の固体成分の溶解度を制御するステップとを有することを特徴とする方法を提供する。

スクラビングユニットに流入するスクラビング液の酸性度及び特にガス流中に含まれている酸の結果として生じる酸性度を制御することにより、スクラビング液中の固体粒子の溶解度を著しく増大させることができる。酸性度が高ければ高いほど、粒子がスクラビング液中で溶解可能な度合いがそれだけ一層高くなる。例えば、ＨＦを含むガス流中の珪化物粒子、例えばＳｉＯ₂粒子は、フッ化水素酸溶液中で溶解してフルオロ珪酸塩が生じる場合がある。次に、このフルオロ珪酸塩を酸のうちの何割かと一緒に、電気化学セルによってスクラビング液から除去するのが良い。その結果、固体粒子をスクラビング液から除去するために閉ループ中に設けられたフィルタカートリッジ又は他の装置の寿命を著しく延ばすことができる。本発明の利点は、任意の酸について実現できるが、ＨＦは、珪酸よりもむしろフルオロ珪酸塩の生成によりＳｉＯ₂の溶解度に最も大きな影響を及ぼす。

そらされた液体の酸性度は、好ましくは、所定値以上に維持される。一例を挙げると、ガス流中の酸がＨＦである場合、そらされた液体中のＨＦの濃度は、４００ｐｐｍ以上に維持されるのが良く、その結果、約２００ｐｐｍのＳｉＯ₂の濃度を液体中に実質的に完全に溶解させることができる。

循環中の液体の酸性度を任意の都合の良い場所でモニタすることができる。例えば、酸性度を循環中の液体の一部がスクラビングユニットにそらされる場所から見てすぐ上流側又はすぐ下流側でモニタすることができる。そらされた液体は、閉ループ内に配置された貯蔵容器に戻され、そらされた液体は、貯蔵容器内で、電気化学ユニットから排出された液体と混ざり合う。この場合、貯蔵容器内に蓄えられている液体の酸性度をモニタすることができる。貯蔵容器は、水が閉ループに流入するようにする流体入口ポートを備えるのが良い。

液体の導電率を測定することにより液体の酸性度をモニタすることができる。ガス流の組成についての知識によって、液体の導電率への酸性ガスの寄与の度合いを推定することができ、したがって液体の導電率は、液体の酸性度の指標を提供することができる。変形例として、オンライン型酸性度分析器を用いて溶液の酸性度のより正確な測定値を得ることができ、このオンライン型酸性度分析器は、ガス流中に含まれる酸がＨＦ又はＨＣＬの場合、好ましくはハロゲン化物分析器である。

好ましい実施形態では、電気化学ユニットは、電気化学的再生型イオン交換ユニットから成る。電気化学ユニットは、液体からの選択されたイオンを吸収するイオン交換物質を有し、電界をイオン交換物質にかけて吸収されたイオンがイオン交換物質を通って別の溶液中に移動するようにし、磁界の強度は、モニタされた濃度に応じて調節される。濃厚溶液を電気化学ユニット中に循環させるのが良い。定期的に、濃厚溶液の一部を反応ユニットに送り、この反応ユニット内において、溶液中のイオン種、例えば酸及びフルオロ珪酸塩を不溶性にする。

イオン交換物質は、関心のあるイオンを捕捉するのに役立ち、このイオン交換物質は、好ましくは、粒子又はビーズの形態をしたイオン交換樹脂又は透水性媒体、イオン吸着媒体及びイオン伝導媒体を提供することができる他の物質であり、それにより濃厚溶液中にかけられた磁界によってイオンを移動させることができる。樹脂の粒子又はビーズは、イオンを含む溶液に対して透過性であるようばらばらであると共に２つのメンブレンと入口及び出口シンタ（sinter）との間を定位置に保持されるのが良い。変形例として、粒子又はビーズは、結合剤で互いに結合された凝集形態であっても良い。例えばイオン交換物質の厚さを横切って印加される電位は、イオン交換物質を通って捕捉状態のイオンを電位が印加された一対の電極のうちの一方又は他方に向かって駆動するのに役立つ。電極相互間の電位の大きさ又は電流の大きさを調節することにより、捕捉状態のイオンがイオン交換物質を通って濃厚溶液中に移動する量を調節することができ、それにより、スクラビング液からのイオンの吸着量及びかくして電気化学ユニットから閉ループ中に排出される溶液の酸性度が制御される。

本発明の方法は、多種多様な酸、例えばＨＦ、ＨＣＬ、ＨＮＯ₃、Ｈ₂ＳＯ₄、Ｈ₃ＢＯ₃及びＨ₃ＰＯ₄のうちの少なくとも１つを含むガス流の処理に利用可能である。

本発明は又、酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する装置であって、ガススクラビングユニットと、本質的に閉じられたループの循環システムとを有し、閉ループ循環システムは、水性スクラビング液を閉ループ周りに循環させるポンプ、循環中の液体の酸性度を減少させる電気化学ユニット、及び循環中の液体の一部を閉ループからガススクラビングユニットにそらす出口ポートを有し、ガススクラビングユニットは、そらされた液体を受け入れる第１の入口、そらされた液体中に溶かすようガス流を受け取る第２の入口、及びそらされた液体をスクラビングユニットから排出させる出口を有し、閉ループは、スクラビングユニットから排出された液体を受け入れる入口ポートを有し、ガス流処理装置は、閉ループ内の所与の場所における液体の酸性度をモニタする装置と、モニタした濃度に応じて液体の酸性度の減少度を制御してそらされた液体中のガス流の固体成分の溶解度を制御するコントローラとを更に有することを特徴とする装置を提供する。

本発明の方法の観点に関連して上述した特徴は、装置の観点に同様に利用でき、又その逆の関係が成り立つ。

次に、添付の図面を参照して本発明の好ましい特徴について説明する。

ガス流を処理する装置を概略的に示す図である。 図１の装置に用いられるのに適した酸除去ユニットを概略的に示す図である。

図１は、半導体製造設備のプロセスチャンバから排出されたガス流を処理する装置を示している。この装置は、導管１４からガス流を受け入れるガス入口ポート１２を備えた少なくとも１つのスクラビングユニット１０を有している。実際には、この装置は、好ましくは、ガス流を受け入れるために並列に配置された１つ又は５つ以上のスクラビングユニット１０を有し、したがって、１つのスクラビングユニット１０が何らかの理由でオフライン状態にあるときでも、ガス流は引き続き他のスクラビングユニット１０によって受け入れられる。しかしながら、分かりやすくする目的でのみ、図１は、２つのスクラビングユニット１０を示している。

この例では、ガス流は、プラズマエッチング反応器のプロセスチャンバから排出され、このプロセスチャンバには、エッチング剤（エッチング液）及び酸素を含むプロセスガスがプロセスチャンバ内で行われているプロセスのための反応体として供給される。適当なエッチング剤の例としては、一般式がＣ_xＦ_yＨ_zのペルフッ化化合物が挙げられ、この場合、ｘ≧１、ｙ≧１及びｚ≧０であり、かかる化合物は、例えば、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃、Ｃ₂ＨＦ₅及びＣＨ₂Ｆ₂である。他の適当なエッチング剤としては、ＮＦ₃及びＳＦ₆が挙げられる。アルゴンも又、プロセスチャンバ内で行われているプロセスのための促進ガスとして供給される場合がある。

エッチングプロセス中、反応体のほんの一部分が消費され、その結果、プロセスチャンバから排出されるガス流は、反応体、チャンバに供給された非反応性貴ガス及びエッチングプロセスからの副生成物の混合物を含むようになる。例えば、ガス流は、Ｃ_xＦ_yＨ_z、Ｏ₂、Ａｒ、ＳｉＦ₄及びＣＯＦ₂の混合物を含む場合がある。上述のペルフッ化ガスは、水不溶性であり、したがって、ガス流をスクラビングユニット１０まで運ぶ前に、このペルフッ化ガスを除去装置（図示せず）、例えば熱処理ユニット（ＴＰＵ）又はプラズマ除去装置に通してペルフッ化ガスを水溶性酸ＨＦに変換する。ガス流中のＳｉＦ₄は、ＳｉＯ₂に変換され、このＳｉＯ₂は、固体粒子の形態でガス流中に同伴されるようになる。変形例として、スクラビングユニット１０をＴＰＵと湿式スクラバの組み合わせによって提供しても良く、したがって、別個の除去装置を不要にすることができる。

水性スクラビング液（リカー）（以下、単に「液体」という場合がある）が、供給導管１８によって各スクラビングユニット１０の流体入口ポート１６に供給される。図１に示されているように、装置は、スクラビング液がポンプ２２によって連続的に循環する本質的に閉じられたループ２０を有する。閉ループ２０は、循環中の液体の一部を供給導管１８中にそらすことができるようにする出口ポート２４及びそらされた水性スクラビング液を次に、各スクラビングユニット１０の流体出口ポート３０に連結された戻し導管２８によって閉ループに戻すようにする入口ポート２６を有している。この例では、循環中のスクラビング液は、供給導管１８と対応の流体入口ポート１６との間に設けられた供給弁３２の作動によって供給導管１８中にそらされる。

閉ループ２０は、３つの流体入口ポートを備えた流体貯蔵容器又はタンク３４を有している。第１の流体入口ポート３６は、当初、閉ループ２０中を循環するスクラビング液を構成するために水供給導管３７から水を受け入れる。第２の流体入口ポート３８は、閉ループ２０から循環中の液体を受け入れる。閉ループ２０の入口ポート２６は、第３の流体入口ポートとなる。タンク３４は、流体出口ポート４０を更に有し、液体は、この流体出口ポートを通って閉ループ２０に戻される。

タンク３４から閉ループに流入した液体は、液体を閉ループ２０内で循環させるポンプ２２、粒子を液体から除去する１つ又は２つ以上のフィルタユニット４２、熱交換器４４、流体分析器４６及び液体の酸性度を減少させる酸除去ユニット４８を通って流れ、その後タンク３４に戻される。

流体分析器４６は、出口ポート２４を通って供給導管１８にそらされた循環中の液体の酸性度をモニタする。この例では、流体分析器４６は、出口ポート２４から見てすぐ下流側に配置され、その結果、流体分析器４６を通過する液体の酸性度は、出口ポート２４を通ってそらされる液体の酸性度と同一であるようになっている。変形例として、流体分析器４６は、出口ポート２４から見てすぐ上流側に配置されても良く、その結果、この場合も又、流体分析器４６を通過した液体の酸性度は、出口ポート２４を通ってそらされた液体の酸性度と同一であるようになっている。この例では、オンライン型ハロゲン化物分析器が、流体分析器４６となっている。流体分析器４６は、これを通った液体の酸性度を表す信号５０を出力し、この信号５０は、コントローラ５２によって受け取られる。

流体分析器４６を用いて循環中の液体の酸性度をモニタする手段の代替手段として、タンク３４内に貯蔵されている液体の導電率及びかくしてポンプ２２によりタンクの流体出口４０から送り出された液体の導電率をモニタするための導電率センサ５４をタンク３４内に設けても良い。センサ５４は、タンク３４内の液体の導電率を表す信号５６をコントローラ５６に出力することができる。液体の導電率は、スクラビングユニット１０に流入したガス流の組成及びかくして循環中の液体の組成が分かっている場合、液体の酸性度の指標を提供することができる。コントローラ５２は、信号５０又は５６に含まれている情報を用いて制御信号５８を出力し、この制御信号は、酸除去ユニット４８に送られて循環中の液体の酸性度の減少度を制御する。

作用を説明すると、水供給導管３７に設けられている弁６０を先ず最初に開いて所与の量、例えば１６０リットルの水をタンク３４内に供給する。当初、供給弁３２は、閉じられている。タンク３４に所要量の水をいったん供給すると、弁６０は、閉じられ、ポンプ２２は、水を閉ループ２０内で循環させるよう作動される。それ故、当初閉ループ２０中を循環しているスクラビング液は、水である。

次に、供給弁３２を開いて循環中のスクラビング液の一部、例えば約１０リットル分が出口ポート２４を通って供給導管１８内にそらされ、そして各スクラビングユニット１０内に送り込まれるようにする。各供給弁３２は、所要量のスクラビング液がその対応のスクラビングユニット１０に流入すると、閉じられる。例えば、第１のレベルスイッチ（図示せず）をスクラビングユニット１０内に設けるのが良く、この第１のレベルスイッチは、スクラビングユニット１０内のスクラビング液のレベル（液位）がこのスイッチに達すると、作動信号を供給弁３２に出力するようになっており、これに応答して、供給弁３２が閉じる。

除去装置（図示せず）から排出されたガス流は、ガス導管１４を通って運ばれ、ガス入口ポート１２を通ってスクラビングユニット１０に入る。ガスは、スクラビングユニット１０内のスクラビング液に接触し、酸性ＨＦは、スクラビング液中に溶ける。当初、スクラビング液の酸性度が比較的低いので、ガス流中のＳｉＯ₂粒子は、スクラビング液に移される。非溶解状態のガスは、ガス出口ポート６２を通ってスクラビングユニット１０から大気中に放出される。

スクラビングユニット１０内のスクラビング液は、定期的に閉ループ２０に送り戻され、閉ループ２０からの新鮮なスクラビング液で置き換えられる。図１に示されているように、戻し弁６４が、各スクラビングユニット１０からのスクラビング液の排出を制御するために設けられている。各戻し弁６４の開放は、タイマ（図示せず）を用いて制御でき、その結果、各戻し弁６４は、定期的に、例えば１００〜７００秒の頻度で開かれるようになっている。戻し弁６４が開かれると、スクラビング液（今や比較的酸性のスクラビング液）は、戻し導管２８に入り、入口ポート２６を通ってタンク３４に戻される。戻し弁６４は、所要量の、例えば約１０リットルのスクラビング液がスクラビングユニット１０から排出されると、閉じられる。例えば、第２のレベルスイッチ（図示せず）を第１のレベルスイッチの下でスクラビングユニット１０内に配置するのが良く、この第２のレベルスイッチは、スクラビングユニット１０内の液体のレベルがこの第２のレベルスイッチまで下がると、作動信号を戻し弁６４に出力するようになっており、この作動信号に応答して、戻し弁６４が閉じる。戻し弁６４が閉じると、そのスクラビングユニット３２と関連した供給弁３２が開かれ、その結果、新鮮なスクラビング液が閉ループ２０からスクラビングユニット１０内にそらされ、ついには、スクラビングユニット１０内の液体のレベルがこの第１のレベルスイッチに達し、次に、供給弁３２が閉じる。

スクラビングユニット１０の供給弁３２の動作と戻し弁６４の動作を同期させて、任意所与の時点で、１つのスクラビングユニット１０の供給弁３２が開き、別のスクラビングユニット１０の戻し弁６４が開くようにするのが良い。このように弁３２，６４が作動された状態で、スクラビング液は出口ポート２４を通って連続的にそらされると共にスクラビング液は、入口ポート２６を通って連続的に戻されるようになる。変形例として、スクラビング液がスクラビングユニット１０にそらされていない又はこのスクラビングユニットから戻されていない期間が生じる場合がある。

スクラビングユニット１０から排出された比較的酸性のスクラビング液は、タンク３４の入口ポート２６を通って閉ループ２０に流入し、この中で、このスクラビング液は、第２の流体入口ポート３８を通ってタンク３４に流入した循環中の液体と混ざり合う。その結果、タンク３４の流体出口ポート４０を通って閉ループに流入した液体の酸性度は、液体がスクラビングユニット１０から排出されるにつれて次第に増大する。

循環中の液体の酸性度は、流体分析器４６によってモニタされ、この流体分析器は、閉ループ２０の出口ポート２４のところの液体の酸性度を表す信号５０をコントローラ５２に送る。受け取った信号に応答して、コントローラ５２は、適当な制御信号５８を酸除去ユニット４８に出すことにより、酸除去ユニット４８による循環中の液体の酸性度の減少度を制御する。酸除去ユニット４８のこの制御の目的は、スクラビングユニット１０内に入っている液体中の固体ＳｉＯ₂粒子、即ち、スクラビングユニット１０に流入するガス流中に同伴されている固体ＳｉＯ₂粒子の溶解度を制御することにある。

上述したように、スクラビングユニット１０内のスクラビング液の酸性度は、当初、比較的低く、したがって、液体中におけるＳｉＯ₂粒子の溶解度も又、比較的低いであろう。その結果、スクラビングユニット１０から排出されるスクラビング液の固体含有率は、当初、比較的高いであろう。これら固体は、閉ループ２０に入り、フィルタユニット４２によって捕捉されるようになる。この段階では、酸除去ユニット４８による循環中の液体の酸性度の減少率は、比較的低いであろう。

循環中の液体の酸性度が、スクラビングユニットから排出された比較的酸性のスクラビング液の閉ループ２０内への流入に起因して増大するので、スクラビングユニット１０にそらされる液体中のＳｉＯ₂粒子の溶解度も又、増大するであろう。その結果、スクラビングユニット１０から次に排出されるスクラビング液は、次第に増加する量の溶解状態のフルオロ珪酸塩を含むと共に次第に減少する量のＳｉＯ₂粒子を含むであろう。これにより、フィルタユニット４２の寿命を著しく延ばすことができる。

循環中の液体の酸性度が増大し続けると、酸除去ユニット４８による循環中の液体の酸性度の減少率は、流体分析器を通過した液体の酸性度が比較的安定したレベルで選択された酸性度に又はこれを超えて維持される定常状態に達するまで調節される。この酸性度は、スクラビングユニット１０内における液体中のＳｉＯ₂粒子の溶解度が比較的高くなると共に酸性度が装置の有効寿命を著しく減少させるほど高すぎないように選択される。例えば、ガス流中のＳｉＯ₂の濃度が約２００ｐｐｍである場合、そらされた液体中のＨＦの濃度は、好ましくは、４００ｐｐｍ以上に維持される。

次に、装置に用いられる適当な酸除去ユニット４８の一例の構造及び作用について図２を参照して説明する。適当な酸除去ユニットの他の例は、本出願人の同時係属中の米国特許出願公開第２００６／０１０１９９５（Ａ１）号明細書に記載されており、この特許文献を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。

酸除去ユニット４８は、電気化学ユニットの形態をしており、この例では、電気化学的再生型イオン交換ユニットである。ユニット４８は、ユニット４８の互いに反対側に設けられたアノード８０とカソード８２を有している。これら電極８０，８２は、ユニット４８の２つの反対側の電極チャネル８４内に送り込まれる電解液中に浸されている。図１を参照すると、電解液は、電解液閉ループ８６から電極チャネル８４内に送り込まれ、この電解液閉ループは、電解液貯蔵タンク８８及び電解液を電解液閉ループ８６中を連続的に循環させる電解液ポンプ９０を有している。電解液は、カソード８２の腐食を阻止するために０．２５％リン酸を含む水溶液から成るのが良い。

ユニット８４は、電極チャネル８４相互間に、イオン除去チャネル９２と濃縮物チャネル９４を交互に配置して形成されたアレイを有している。イオン除去チャネル９２は、スクラビング液を閉ループ２０から受け取ったりスクラビング液を、酸性度を減少させた状態で閉ループ２０に戻したりするよう内部がマニホルドになっている。イオン除去チャネル９２の各々は、イオン交換物質９６を有し、かかるイオン交換物質は、イオン交換樹脂ビーズの密な混合物から成るのが良い。この例では、イオン交換樹脂のビーズは、イオン除去チャネル９２を通過したスクラビング液中に含まれている選択された陰イオンを引き付ける陰イオン交換部位を有し、これら陰イオンは、この例では、フッ化物イオン及びフルオロ珪酸イオンを含む。しかしながら、陰イオンビーズと陽イオンビーズの混合物を設けても良い。

イオン除去物質９６がカソード８２の最も近くに位置していることを除き、イオン交換物質９６は、一方の側が陰イオン透過性メンブレン９８によって画定され、他方の側が陽イオン透過性メンブレン１００によって画定されている。これらメンブレン９８，１００は、比較的薄く、選択されたイオンが１つのイオン交換部位から別のイオン交換部位に移動することによりメンブレンを通過することができるが、水及び他の非イオン性分子がメンブレンを通過するのを阻止するように動作する。カソード８２の最も近くに位置するイオン除去物質９６は、一方の側が陰イオン透過性メンブレン９８により画定されると共に他方の側が双極透過性メンブレン１０１によって画定されている。

濃縮物チャネル９４は、同様に、内部がマニホルドになっており、これら濃縮物チャネルは、濃縮物閉ループ１０２から水性濃厚溶液を受け取り、この濃縮物閉ループは、濃縮物貯蔵容器１０４及び濃厚溶液を濃縮物閉ループ１０２内で連続的に循環させる濃縮物ポンプ１０６を有している。イオン除去チャネル９２を通過したスクラビング液の圧力は、濃縮物チャネル９４を通過した濃厚溶液の圧力よりも高く、その結果、濃縮物チャネル９４中への、更に電解液チャネル８４中へのスクラビング液の比較的僅かな漏れが生じる場合がある。これは、濃厚溶液及び電解液がメンブレン９８，１００を通過してスクラビング液中に入るのを阻止するのに役立つ。浸透現象も又、幾分かの水がスクラビング液から濃厚溶液中に移るようにする傾向がある。

使用にあたり、イオン交換チャネル９２内のイオン交換物質９６は、ユニット４８に流入したスクラビング液中に含まれているフッ化物イオン及びフルオロ珪酸イオンを吸収する。コントローラ５８は、電極８０，８２相互間に電位差を加えて各イオン除去チャネル９２内のイオン交換物質９６の厚さを横切って電界を発生させる。電界の影響下で、水は、解離されて水素イオン及び水酸化物イオンを生じ、かかる水素イオンは、加えられた電界によってチャネルのアレイを通ってカソード８２に向かって駆動され、かかる水酸化物イオンは、加えた電界によりチャネルのアレイを通ってカソード８０に向かって駆動される。

これら生じたイオンは、抵抗の最も低い経路に沿ってイオン交換物質を通って移動し、生じたイオンは、スクラビング液から吸収されたイオンを押し退け又は移動する。換言すると、生じた水酸化物イオンは、各イオン除去チャネル９２内において、吸収されたフッ化物イオン及びフルオロ珪酸イオンを押し退けてイオン交換物質を再生させる。押し退けられた陰イオンは、イオン交換物質９６の厚さを通って移動し、陽イオン透過性メンブレン９８を通って濃縮物チャネル９４中に入る。これら陰イオンは、濃縮物チャネル９４を画定している陽イオン透過性メンブレン１００によりアレイを通ってそれ以上移動するのが阻止され、したがって、濃縮物チャネル９４を通過している濃厚溶液に含まれる状態でユニット４８から運び出される。

陰イオンがイオン除去チャネル９２から濃縮物チャネル９４中に移動する速度及びしたがってスクラビング液の酸性度がユニット４８によって減少する程度は、とりわけ、陰イオンがイオン交換物質９６を通って移動するようにする電気化学的駆動力で決まる。それ故、コントローラ５８は、ユニット４８を通過する溶液の酸性度の減少度を制御するために、電極８０，８２相互間で生じる電界の大きさを調節することができる。

酸除去ユニット４８が循環中のスクラビング液から酸を除去するよう動作するので、濃縮物タンク１０４内に入っている濃厚溶液の酸性度は、次第に増大するであろう。濃厚溶液の酸性度を制御するため、所与の量の濃厚溶液が、定期的に閉ループ１０２から排出される。図１を参照すると、スクラビング液が循環する閉ループ２０は、分析器４６と酸除去ユニット４８との間に配置された第２の出口ポート１１０を有している。溶液供給導管１１２が、第２の出口ポート１１０と濃縮物タンク１０４の入口ポート１１４との間に延びている。濃縮物閉ループ１０２は、濃縮物タンク１０４と濃縮物ポンプ１０６との間に設けられた出口ポート１１６を有している。濃縮物排出導管１１８が、出口ポート１１６から延びており、この導管は、排出弁１２０及び排出ポンプ１２２を有している。排出弁１２０の作動は、濃縮物タンク１０４に設けられた高レベルスイッチ及び低レベルスイッチによって制御され、濃縮物タンク１０４中の濃厚溶液のレベルは、通常、高レベルスイッチと低レベルスイッチとの間に維持される。

スクラビングユニット１０から排出されたスクラビング液の全量が或る特定の値、例えば１００リットルに達すると、溶液供給導管１１２内に設けられている弁１２４は開かれ、その結果、スクラビング液は、閉ループ２０から濃縮物タンク１０４中にそらされるようになる。濃縮物タンク１０４中の濃厚領域のレベルがタンク１０４内の高レベルスイッチに達すると、弁１２４が閉じられ、排出弁１２０が開かれて濃厚溶液が濃縮物閉ループ１０４から排出導管１２０を通って送り出されるようになる。濃縮物タンク１０４内の濃厚溶液のレベルが低レベルスイッチまで下がると、例えば、約１０リットルの濃厚溶液が排出導管１１８を通って排出された後、弁１２０が閉じられる。排出された濃厚溶液を次の処理のために装置から除去するのが良い。

濃厚溶液をこのように定期的に排出することにより、閉ループ２０中を循環するスクラビング液の量が次第に減少することになる。これを考慮して、タンク３４も又、高レベルスイッチ及び低レベルスイッチを備えている。タンク３４内のスクラビング液のレベルが低レベルスイッチまで低下すると、弁６０は、第１の流体入口ポート３６を通って水をタンク内に供給することができるよう開かれる。弁６０は、タンク３４内のスクラビング液のレベルが高レベルスイッチに達すると、閉じられる。

Claims (24)

1. 酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する方法であって、
   水性スクラビング液を、該液体の酸性度を減少させる酸除去ユニットを有する本質的に閉じられたループ中に循環させるステップと、
   前記循環中の液体の少なくとも一部分をガススクラビングユニットに供給するステップと、
   前記ガス流を前記スクラビングユニットに供給するステップと、
   前記スクラビングユニットに供給されるべき前記液体の酸性度をモニタするステップと、
   モニタした酸性度に応じて前記液体の酸性度の減少度を制御して、前記循環中の液体の前記少なくとも一部分中の前記ガス流の固体成分の溶解度を制御するステップとを有する、方法。
2. 前記循環中の液体の前記少なくとも一部分は、前記閉ループからそらされ、次に前記閉ループに戻される、請求項１記載の方法。
3. 前記酸除去ユニットは、電気化学ユニットである、請求項１又は２記載の方法。
4. 酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する方法であって、
   水性スクラビング液を、該液体の酸性度を減少させる酸除去ユニットを有する本質的に閉じられたループ中に循環させるステップと、
   前記循環中の液体の一部を前記閉ループからガススクラビングユニットにそらすステップと、
   前記ガス流を前記そらされた液体中に溶かすために前記スクラビングユニットに供給するステップと、
   前記そらされた液体を前記閉ループに戻すステップと、
   前記閉ループ内の所与の場所における前記循環中の液体の酸性度をモニタするステップと、
   モニタした酸性度に応じて前記液体の酸性度の減少度を制御して、前記そらされた液体中の前記ガス流の固体成分の溶解度を制御するステップとを有する、方法。
5. 前記そらされた液体の酸性度は、所定値以上に維持される、請求項４記載の方法。
6. 前記酸は、ＨＦであり、前記そらされた液体中のＨＦの濃度は、４００ｐｐｍ以上に維持される、請求項５記載の方法。
7. 前記液体の酸性度は、前記そらされる場所を通過してから前記酸除去ユニットに到達するまでの間にモニタされる、請求項４〜６のうちいずれか一に記載の方法。
8. 前記そらされた液体は、前記閉ループ内に配置された貯蔵容器に戻され、前記そらされた液体は、前記貯蔵容器内で、前記酸除去ユニットから排出された液体と混ざり合う、請求項４〜７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 前記電気化学ユニットは、電気化学的再生型イオン交換ユニットで構成される、請求項３〜８のうちいずれか一に記載の方法。
10. 前記電気化学ユニットは、前記液体から選択されたイオンを吸収するイオン交換物質を有し、電界を前記イオン交換物質にかけて前記吸収されたイオンが前記イオン交換物質を通って別の溶液中に移動するようにし、前記電界の強度は、前記モニタされた濃度に応じて調節される、請求項３〜９のうちいずれか一に記載の方法。
11. 前記ガス流の前記固体成分は、前記ガス流の珪素含有成分である、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
12. 前記ガス流の前記固体成分は、二酸化珪素である、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 前記液体の酸性度は、前記液体の導電率を測定することによりモニタされる、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
14. 前記酸は、ハロゲン化物を含み、前記液体の酸性度は、オンライン型酸性度分析器を用いてモニタされる、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
15. 前記酸は、ＨＦ、ＨＣＬ、ＨＮＯ₃、Ｈ₂ＳＯ₄、Ｈ₃ＢＯ₃、及びＨ₃ＰＯ₄から成る群から選択された少なくとも１種類の酸を含む、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の方法。
16. 酸及び固体粒子を含有したガス流を処理する装置であって、
    ガススクラビングユニットを有し、
    本質的に閉じられたループの循環システムを有し、前記閉ループ循環システムは、水性スクラビング液を閉ループ周りに循環させるポンプと、前記循環中の液体の酸性度を減少させる電気化学ユニットと、前記循環中の液体の一部を前記閉ループから前記ガススクラビングユニットにそらす出口ポートとを有し、
    前記ガススクラビングユニットは、前記そらされた液体を受け入れる第１の入口と、前記そらされた液体中に溶かすよう前記ガス流を受け取る第２の入口と、前記そらされた液体を前記スクラビングユニットから排出させる出口とを有し、前記閉ループは、前記スクラビングユニットから排出された液体を受け入れる入口ポートを有し、
    前記閉ループ内の所与の場所における前記液体の酸性度をモニタする装置を有し、
    前記モニタした濃度に応じて前記液体の酸性度の減少度を制御して、前記そらされた液体中の前記ガス流の固体成分の溶解度を制御するコントローラを有する、装置。
17. 前記コントローラは、前記そらされた液体の酸性度を所定値以上に維持するよう構成されている、請求項１６記載の装置。
18. 前記コントローラは、前記そらされた液体中のＨＦの濃度を４００ｐｐｍ以上に維持するよう構成されている、請求項１７記載の装置。
19. 前記液体の酸性度をモニタする装置は、前記液体が前記出口ポートでそらされた後、且つ前記液体が前記電気化学ユニットに到達する前に前記液体の酸性度をモニタできる位置で前記閉ループ内に配置されている、請求項１６〜１８のうちいずれか一に記載の装置。
20. 前記入口ポートは、前記閉ループ内に設けられた貯蔵容器内に設けられ、前記スクラビングユニットから排出された前記液体は、前記貯蔵容器内で、前記電気化学ユニットから排出された液体と混ざり合う、請求項１６〜１９のうちいずれか一に記載の装置。
21. 前記装置は、前記液体の導電率を測定するよう構成されている、請求項１６〜２０のうちいずれか一に記載の装置。
22. 前記装置は、オンライン型酸性度分析器である、請求項１６〜２０のうちいずれか一に記載の装置。
23. 前記電気化学ユニットは、電気化学的再生型イオン交換ユニットで構成される、請求項１６〜２２のうちいずれか一に記載の装置。
24. 前記電気化学ユニットは、前記液体から選択されたイオンを吸収するイオン交換物質を有し、電界を前記イオン交換物質にかけて前記吸収されたイオンが前記イオン交換物質を通って別の溶液中に移動するようにし、前記コントローラは、前記モニタされた濃度に応じて前記電界の強度を調節するよう構成されている、請求項１６〜２３のうちいずれか一に記載の装置。

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