JP6162793B2 - 二重同軸処理モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体産業等で発生する準安定化合物の処理に使用される処理モジュールに関する。

半導体装置の生産等の製造工程において、生命や健康に危険を及ぼす様々なガスや蒸気の使用が必要とされる。性質上可燃性または自燃性の場合も多い。高濃度なこれらのガスが様々な処理装置の排気流に含まれ、周囲に放出される前に排気流から除去しなければならない。

一般的には、プロセスガス用の除害装置として知られる機器が使用され、これらの排ガスをさらに処理し、安全に放出できるようにする。多くの場合、焼却、固体化学反応、水吸収、触媒酸化や他の単位工程を利用して実施される。多くの除害装置が世界中の様々な製造業者から入手可能であって、これらの多くは「目的型」であり特定のガスのみを軽減するが、他にも目的を変更する必要が生じた場合に簡単に組み立てられるモジュールを基礎とする使用点（ｐｏｉｎｔ−ｏｆ−ｕｓｅ）型除害装置もある。

本発明はそのような除害装置に使用される処理モジュールである。本処理モジュールは、プロセス排ガスを炎壁酸化モジュール内で酸化するように構成される。炎壁酸化モジュール内において、プロセス排ガスは管状ガスの内側を進み、多種のプロセスガスの酸化によって生成される固体反応生成物が排気管の内壁に堆積されることを防ぎ、多くの既存の装置では必要となる定期的な保守の必要を最小限とする。このような種類の炎壁酸化モジュールは、同出願人によって申請中の米国特許出願第１３／２４６，２２２号明細書内に詳細に記載されている。

更に、本発明の処理モジュールは、発生した酸化生成物を水噴霧器の２つの同軸シリンダ内に通すことによって、酸化生成物の水処理を実行する。まず酸化生成物は、第１水噴霧器シリンダを下方へ通過する。この第１水噴霧器シリンダは、酸化生成物の流れを同軸に囲み、流れの方向が同じである。次にガス状酸化生成物は１８０度向きを変え、第１水噴霧器シリンダを同軸に囲む第２水噴霧器シリンダ内を外へ向け上方に進む。

２つの水噴霧器シリンダの水噴霧器は、酸化生成物の固体状、液体状および水可溶性の成分を処理モジュールの底部にある水貯蔵部へ下方に流し出す。水貯蔵部に入ったこれらの酸化生成物は、処理モジュールから定期的に流し出すことができる。

残りの水不溶性ガス状酸化生成物は、両方の水噴霧器シリンダを通り処理モジュールから出て、工程と発生した酸化生成物によって、さらに処理されるか排出される。

本発明は、プロセス排ガス用の除害装置に使用される処理モジュールに関する。本処理モジュールは、排出管から出たプロセス排ガスを管状ガスの内側を進ませるように構成された炎壁酸化モジュールを含む。これによって、排ガスが排出管から十分に離れ、排出管の内壁に固体生成物を堆積することがなくなるまで、排ガスが空気に触れて酸化され固体生成物を形成することを防ぐ。

排ガスが排出管を出て、周囲を囲む管状ガスの内側を短距離移動した後、空気は管状ガスを貫通し、排ガスに届いて酸化する。

酸化処理に続き、本処理モジュールは、２つの水噴霧器同軸シリンダを備え、発生した酸化生成物の流れから固体酸化生成物を除去する。まず酸化生成物の流れは、酸化生成物の流れを同軸に囲み、流れの方向が同じである第１水噴霧器シリンダ内を下方へ通過する。その後、ガス状酸化生成物は１８０度向きを変え、第１水噴霧器シリンダを同軸に囲む第２水噴霧器シリンダ内を外へ向け上方に進む。

２つの水噴霧器シリンダの水噴霧器は、酸化生成物の固体状、液体状および水可溶性の成分を処理モジュールの底部にある水貯蔵部へ下方に流し出す。水貯蔵部に入ったこれらの酸化生成物は、処理モジュールから定期的に流し出すことができ、残りの水不溶性ガス状酸化生成物は処理モジュールの上部から排出される。

図９の二重同軸処理モジュールに備えられる炎壁酸化モジュールの側面図である。 図１の線２−２に沿った、プロセスガス管を囲む燃料リングの第１実施形態例の正面図である。 プロセスガス管を囲む燃料リングの第２実施形態例の正面図である。 プロセスガス管を囲む燃料リングの第３実施形態例の正面図である。 図３に示す燃料リングの第２例の正面図である。 プロセスガス管を囲む燃料リングから放射される筒状炎を示す炎壁酸化モジュールの側面図である。 プロセスガス管を囲む筒状炎を示す炎壁酸化モジュールの正面図である。 図６に示す炎壁酸化モジュールの側面図であって、本モジュールによって酸化されたプロセス排ガスを示し、プロセスガス管の出口端付近における酸化が少ないか皆無である領域を示す図である。 本発明の好適な実施形態に基づき構成された二重同軸処理モジュールを示す図である。

ここで図９を参照すると、プロセス排ガス用の除害装置に使用される処理モジュール１００が示されている。処理モジュール１００は、まず炎壁酸化モジュール１０を備える。炎壁酸化モジュール１０は、プロセス排ガスが排気管１２から出て筒状炎２０の内側を通るように構成される。これによって排ガスが排気管１２から十分に離れ、排気管１２の内壁に固体生成物を堆積することがなくなるまで、排ガスが空気に触れて固体生成物を形成することを防ぐ。炎壁酸化モジュール１０の詳細を次に示す。

排ガスが排気管１２を出て周囲を囲む筒状炎２０の内側を短距離移動した後、空気は筒状炎２０を貫通し、排ガスに届いて酸化する。

酸化に続き、処理モジュール１００は、中央の炎壁酸化モジュール１０を囲む２つの同軸水噴霧器シリンダ１０２，１０４を備える。水噴霧器シリンダ１０２，１０４は、炎壁酸化モジュール１０から出る酸化生成物の流れから固体酸化生成物を除去する。

まず酸化生成物の流れは、酸化生成物の流れを同軸に囲み、流れの方向が同じである第１水噴霧器内側シリンダ１０２内を下方へ通過する。第１水噴霧器内側シリンダからの水は、処理モジュール１００の底部にある水貯蔵部１０６へ重力によって下方に落ちる。

ガス状酸化生成物は、第１水噴霧器内側シリンダ内を下方へ進み、その後１８０度向きを変え、第１水噴霧器内側シリンダ１０２を同軸に囲む第２水噴霧器外側シリンダ１０４内を外へ向け上方に進む。第２水噴霧器外側シリンダ１０４内には多孔板１０８が備えられ、ガス状酸化生成物と水との接触を増加させる。ガス状酸化生成物は、第２水噴霧器外側シリンダ１０４内を水噴霧器からの流れとは逆方向に上方へ進む。水噴霧器は酸化生成物の流れから残りの酸化生成物を除去する。水で洗浄されたガス状酸化生成物は、次に除水器１１０を通過する。除水器１１０は、含まれる水滴をまとめ、ガスから除去する。次に排ガスは、処理モジュール１００の他の部材１０，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０を囲む収容容器１１４に備えられる出口１１２を介して処理モジュール１００から排出される。

２つの水噴霧器シリンダ１０２，１０４からの水噴霧は、酸化生成物の固体状、液体状、および水可溶性ガス状の成分を処理モジュール１００の底部にある水貯蔵部１０６へ下方に流し出す。水貯蔵部１０６に入ったこれらの酸化生成物は、処理モジュール１００から定期的に流し出すことができ、残りの水不溶性ガス状酸化生成物は、処理モジュール１００の上部から排出される。

図９に示すように、処理モジュール１００は、水ポンプ１１５を備える。水ポンプ１１５は、水貯蔵部１０６からの水を再循環して、水噴霧器内側同軸シリンダ１０２内にある水霧化ノズル１１６と水噴霧器外側同軸シリンダ１０４内にある水霧化ノズル１１８とへ水を供給する。

ここで炎壁酸化モジュール１０の詳細について、図１〜８を参照して説明する。なお図１〜８は、炎壁酸化モジュール１０を説明するためのもので、本発明１００の一部ではない格納構造１８と関連付けて示す。

最初に図１を参照すると、炎壁酸化モジュール１０が示されている。モジュール１０は、燃料リング２６で囲まれた出口（末端部）１４を有するプロセス排ガス管１２を備える。燃料リング２６はプロセス排ガスの流れの周囲に筒状保護ガス２０を生成し、プロセス排ガスはプロセス排ガス管１２の端部１４から流れ出る。モジュール１０は、格納構造１８によって覆われるが、格納構造１８については従来技術タイプであるので、詳細は記載しない。燃料リング２６は、図２〜５に示すように様々な構成でよい。各図において燃料リング２６は、プロセス排ガス管１２の出口端１４を囲む。

ここで図６を参照すると、モジュール１０が燃料リング２６から放射される筒状炎２０と共に示されている。図７は、筒状炎２０の中空内部２８を示し、ここにプロセス排ガス管１２の出口端１４がある。

図８は、図６のモジュール１０を示す。プロセス排ガスは、モジュール１０に送られ、酸化エリア１６内で酸化剤ガスに触れて酸化される。図８では、酸化エリア１６は黄色の炎として示される。

モジュール１０は、酸化エリア１６を生成する。酸化エリア１６では、プロセスガスと、酸素や圧縮乾燥空気（ＣＤＡ）等の酸化ガスとが所望の反応を開始したり継続したりできるよう温度が十分高い。酸化エリア１６は、プロセスガスが酸素に触れる所であって、固形反応生成物によってコーティングされてしまう可能性のある管１２の出口端１４からプロセスガスが離れた後の所である。プロセスガスは、固形反応生成物が集まって堆積できるような格納構造１８の壁のような堅い面が近隣になくなるまで、プロセスガスが酸化剤に接触するのを防ぐ筒状動的ガス２０によって作成される封じ込め壁の内側に封じ込められる。筒状保護ガス２０は、活性炎（ａｃｔｉｖｅ ｆｌａｍｅ）または加熱不活性ガスの２つの方法のどちらか一方によって生成する。図示するため、添付の図では筒状活性炎２０のみを示す。次にプロセス排ガスの流れは、筒状保護ガス２０の中空中央部２８を通過する。筒状活性炎２０を使用する場合、周囲の酸素または酸化剤ガスが筒部２０内で燃焼する燃料ガスによって消費されるので、プロセスガスを反応させて酸化させる酸素または酸化剤ガスは少量であるか、皆無となる。

筒部２０内で燃料ガスを燃焼することによる温度の大幅な上昇は、筒部２０の壁を通って、筒部２０の内側であって、管１２の端部１４付近に位置する酸素欠乏領域２２へ酸素が拡散しないよう防壁を形成する。

筒状活性炎２０を生成するために使用する燃料ガスは、例えば水素、メタン、プロパン、エタン、ブタン、天然ガス、アセチレン、ＭＡＰＰ(R)であるが、これらに限定されない。ＭＡＰＰ(R)ガスは、メチルアセチレン（プロピン）とプロパジエンの安定した混合物を基とする燃料ガスである。

筒部２０を生成するために燃料ガスと酸素混合物の代わりに加熱不活性ガスを使用する場合は、酸素欠乏領域２２には最初から酸素がなく、活性炎式と同様、温度の上昇によって不活性ガス防壁を通り抜ける酸素の移動を防ぐ。

筒状加熱不活性ガス２０を生成するために使用する不活性ガスは、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素であるが、これらに限定されない。プロセスガスは酸素欠乏領域２２へ入り、筒状加熱不活性ガス２０からの熱伝導によって反応温度へ加熱される。プロセスガスは、筒状加熱ガス２０の端部２４まで進むと、酸化エリア１６へ入り、そこで酸素を含む空気に触れ、この空気内の酸素によってプロセスガスの反応つまり酸化が行なわれる。酸素欠乏（または不足）領域２２は、通常管１２の端部１４であって、堆積が可能なように露出している最も近い堅い面から少なくとも０．１ｍｍ延伸する。この酸素不足領域２２を図８に示す。

この新型酸化モジュール１０の別の構成では、管１２の端部１４に近づく際、分解が始まる程高温である筒状加熱ガスに入る前における熱分解または特定の化合物のクラッキングの結果生じる堆積を防止するよう構成できる。これらの化合物には、ホスフィン（ＰＨ_３）とアルシン（ＡｓＨ_３）が含まれるが、これらに限定されない。これらの物質は、リン（Ｐ）とヒ素（Ａｓ）金属をそれぞれ管１２の末端部１４に堆積する可能性がある。これを防止するため、燃料ガスの混合流の空気または酸素を増量することによって燃料ガス酸化率を上げるだけで酸化管１２の末端部１４を加熱してもよい。これによって生成される熱量は変化しないが、燃料ガスが燃料リング２６の注入点を離れる際により高温の領域を生じて、それによって管１２の端部１４を加熱する。これによって管１２の温度を上げ、ヒ素の沸点６１４°Ｃとリンの沸点２８０．５°Ｃの両方を超える温度に設定できる。この状態によって管１２における端部１４の加熱された面に堆積が生じることを防止する。管１２の温度は、９０°Ｃ〜１，６００°Ｃの範囲であるとよい。

管１２の端部１４の温度を制御して不要な堆積を防ぐ方法の他の例では、ガスの流れにシラン（ＳｉＨ_４）を含む。この化合物は、固体製品を製造する際に元素シリコン（Ｓｉ）の元として通常使用される。シラン熱分解は、８００°Ｃで開始し、これ以上の温度でシリコンによって面をコーティングする。シリコンは２，３５５°Ｃ未満では沸騰しないので、沸騰によってこれらの堆積を除去するのは現実的ではない。燃料ガスに空気または酸素を追加しない場合は、管１２の端部１４の表面温度は８００°Ｃ未満に維持されるので、管１２の面上にシリコンは堆積しない。

燃料リング２６の製造には様々な物質が使用可能である。実用的な選択としては、例えば軟鋼、黄銅、黒釉、アルミナイズド鋼、ジンケート処理鋼、およびあらゆるステンレス鋼合金であるが、これらに限定されない。

プロセス排ガス管１２は、考えられる用途に適切なあらゆる実用的な物質で構成できる。例えば、ハステロイ（Ｈａｓｔａｌｏｙ（登録商標））、コバール（Ｋｏｖａｒ（登録商標））、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標））、モネル（Ｍｏｎｅｌ（登録商標））等の銘柄を含む、セラミック、黒釉、鋼、ステンレス鋼合金であるが、それらに限定されない。

プロセス排ガス管１２は、最小直径０．００４インチ、最大直径１２インチまで可能である。直径をそれ以上大きくすると、制御できないガスが逆拡散しすぎて効果的ではない。不要な堆積を沸騰させるか蒸発させるように加熱する管１２の長さは、０．００４インチから最長８インチまでの範囲である。

図９に示すように、炎壁酸化モジュール１０には、燃料流量計１２０を介して燃料ガスが供給され、酸化剤流量計１２２を介して酸化剤が供給される。更に、点火装置１２４と熱電対１２６が炎壁酸化装置と関付けられて示されている。点火装置１２４は、燃料ガスを点火する火花を生じ、熱電対１２６は燃料ガスが点火されたことを示す。

本発明をある程度の特定事項と共に説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、構成や配置の詳細について様々に変更できることは明白である。本発明は、例示する目的でここに記載した実施形態に限定されず、添付の請求項によってのみ限定され、請求項の各構成要素と同等の全範囲を含むものと理解されたい。

Claims (20)

1. プロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   中央に配置される炎壁酸化モジュールであって、前記プロセス排ガスが排気管を出て管状ガスの内側を短距離移動した後、前記プロセス排ガスを酸化する前記炎壁酸化モジュールと、
   前記炎壁酸化モジュールを囲む第１水噴霧器内側同軸シリンダであって、その内部に前記炎壁酸化モジュールから下方へ出る酸化生成物の流れと同じ方向に水を噴霧する水霧化ノズルを有し、発生する前記酸化生成物の流れから前記酸化生成物の固体状、液体状および水可溶性の成分を噴霧した水で流し出す前記第１水噴霧器内側同軸シリンダと、
   前記第１水噴霧器内側同軸シリンダを囲む第２水噴霧器外側同軸シリンダであって、その内部に前記第１水噴霧器内側同軸シリンダの底部で１８０度向きを変えて上方に流れる前記酸化生成物の流れとは逆方向に水を噴霧する水霧化ノズルを有する前記第２水噴霧器外側同軸シリンダと、
   前記２つの水噴霧器同軸シリンダの前記水霧化ノズルから水を受ける底部水貯蔵部と、
   を有し、
   前記２つの水噴霧器同軸シリンダの前記水霧化ノズルは、前記プロセス排ガスが前記排気管から出ている期間中、水を噴霧する、
   処理モジュール。
2. 請求項１に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   さらに収容容器を含み、前記収容容器は前記底部水貯蔵部の壁を形成し、前記炎壁酸化モジュールと前記２つの水噴霧器同軸シリンダを囲む処理モジュール。
3. 請求項２に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   処理済みの前記排ガスを排気する出口を前記収容容器にさらに備える処理モジュール。
4. 請求項３に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   前記排ガスと前記水噴霧との接触を増加させる多孔板を前記水噴霧器外側同軸シリンダ内にさらに備える処理モジュール。
5. 請求項４に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   前記排ガスから水粒子を除去する除水器を前記第２水噴霧器同軸シリンダと前記出口との間にさらに備える処理モジュール。
6. 請求項５に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   前記水噴霧器内側同軸シリンダと前記水噴霧器外側同軸シリンダ内の水霧化ノズルに水を供給する水ポンプをさらに備える処理モジュール。
7. 請求項６に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   前記炎壁酸化モジュールに燃料ガスと酸化ガスを供給する各流量計をさらに備える処理モジュール。
8. プロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   前記プロセス排ガスが炎壁酸化モジュールの排気管を出て管状ガスの内側を移動した後、前記プロセス排ガスを酸化する前記炎壁酸化モジュールと、
   前記炎壁酸化モジュールを囲む水噴霧器内側同軸シリンダであって、内部に水霧化ノズルを備え、前記水霧化ノズルは、前記炎壁酸化モジュールから出る酸化生成物の流れと同じ方向に水を噴霧する向きに配置される、水噴霧器内側同軸シリンダと、
   前記水噴霧器内側同軸シリンダを囲む水噴霧器外側同軸シリンダであって、内部に水霧化ノズルを備え、前記水霧化ノズルは、前記水噴霧器内側同軸シリンダを出た後逆に流れる前記酸化生成物の流れとは逆の方向へ水を噴霧する向きに配置される、水噴霧器外側同軸シリンダと、
   前記２つの水噴霧器同軸シリンダから水を受ける底部水貯蔵部と、
   を有し、
   前記２つの水噴霧器同軸シリンダの前記水霧化ノズルは、前記プロセス排ガスが前記排気管から出ている期間中、水を噴霧する、
   処理モジュール。
9. 請求項８に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
   さらに収容容器を含み、前記収容容器は前記底部水貯蔵部の壁を形成し、前記炎壁酸化モジュールと前記２つの水噴霧器同軸シリンダを囲む処理モジュール。
10. 請求項９に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    処理済みの排ガスを排気する出口を前記収容容器にさらに備える処理モジュール。
11. 請求項１０に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記排ガスと前記水噴霧器外側同軸シリンダ内に配置される前記水霧化ノズルから吐出する前記水噴霧との接触を増加させる多孔板を前記水噴霧器外側同軸シリンダ内にさらに備える処理モジュール。
12. 請求項１１に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記水噴霧器外側同軸シリンダと前記出口との間に前記排ガスから水粒子を除去する除水器をさらに備え、処理モジュール。
13. 請求項１２に記載の前記プロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記水噴霧器内側同軸シリンダと前記水噴霧器外側同軸シリンダ内の水霧化ノズルに水を供給する水ポンプをさらに備える処理モジュール。
14. 請求項１３に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記炎壁酸化モジュールに燃料ガスと酸化ガスを供給する各流量計をさらに備える処理モジュール。
15. プロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    中央に配置される炎壁酸化モジュールであって、前記プロセス排ガスが炎壁酸化モジュールの排気管を出て管状ガスの内側を短距離移動した後、前記プロセス排ガスを酸化する前記炎壁酸化モジュールと、
    前記炎壁酸化モジュールを囲む第１水噴霧器同軸シリンダであって、その内部に前記炎壁酸化モジュールから出る酸化生成物の流れと同じ方向に水を噴霧する水霧化ノズルを有する前記第１水噴霧器同軸シリンダと、
    その内部に前記第１水噴霧器同軸シリンダから出る前記酸化生成物の流れとは逆の方向に水を噴霧する水霧化ノズルを有する第２水噴霧器同軸シリンダと、
    前記２つの水噴霧器同軸シリンダの前記水霧化ノズルから水を受ける水貯蔵部と、
    を有し、
    前記２つの水噴霧器同軸シリンダの前記水霧化ノズルは、前記プロセス排ガスが前記排気管から出ている期間中、水を噴霧する、
    処理モジュール。
16. 請求項１５に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    さらに収容容器を含み、前記収容容器は前記底部水貯蔵部の壁を形成し、前記炎壁酸化モジュールと前記２つの水噴霧器同軸シリンダを囲む処理モジュール。
17. 請求項１６に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記２つの水噴霧器同軸シリンダを通過した後、処理済みの前記排ガスを排気する出口を前記収容容器にさらに備える処理モジュール。
18. 請求項１７に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記排ガスと前記水噴霧との接触を増加させる多孔板を前記第２水噴霧器同軸シリンダ内にさらに備える処理モジュール。
19. 請求項１８に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記排ガスから水粒子を除去する除水器を前記第２水噴霧器同軸シリンダと前記出口との間にさらに備える処理モジュール。
20. 請求項１９に記載のプロセス排ガス用の除害装置で使用される処理モジュールであって、
    前記水噴霧器内側同軸シリンダと前記水噴霧器外側同軸シリンダ内の水霧化ノズルに水を供給する水ポンプと、
    前記炎壁酸化モジュールに燃料ガスと酸化ガスを供給する各流量計と、
    をさらに備える処理モジュール。