JP6570794B2 - 排ガスの減圧除害装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主として電子産業の製造プロセスより排出される可燃性ガス、有毒ガス、温室効果ガスなどの有害な排ガスの処理に好適な排ガスの除害装置に関する。
半導体や液晶などを製造する電子産業では、シリコン窒化膜CVD,シリコン酸化膜CVD,シリコン酸窒化膜CVD,TEOS酸化膜CVD,高誘電率膜CVD,低誘電率膜CVD及びメタル膜CVDなどの様々なCVDプロセスが使われる。
このうち、例えばシリコン系薄膜の形成には、主として爆発性や毒性を有するシラン系ガスを用いたCVD法が使われている。このCVD法で使用された上記シラン系ガスを含むプロセスガスは、CVDプロセスで使用された後、排ガスとして下記の特許文献1に記載のような除害装置で無害化されるが、従来より、かかる除害装置の手前で、排ガス中のシラン系ガスを爆発限界以下まで希釈するために大量の希釈用窒素ガスが投入されていた。
ここで、典型的なシリコン酸窒化膜CVDでは、SiH4/NH3/N2O=1slm/10slm/10slm(slm;standard liter per minute,1atm、0℃における1分間辺りの流量をリットルで表示した単位)が使われるが、SiH4の爆発範囲が1.3%〜100%であるため、CVDプロセスから排出されたこのようなガスは、直ちに希釈用窒素ガスで約76倍程度希釈をする必要がある。かかる希釈を行えば、従来の燃焼方式や大気圧プラズマ方式の熱分解装置で安全且つ確実に除害処理をすることができる。
特開平11−333247号公報
しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、上述のように窒素ガスで希釈されたシラン系ガスを含む排ガス全体を分解温度まで加熱するのに必要なエネルギーは、希釈前のシラン系ガスを含む排ガスのみを加熱する場合の約76倍のエネルギーが必要となる。つまり、従来の窒素ガスでの希釈が必要な除害プロセスでは、多量な窒素ガスの使用に伴うコストアップのみならず、排ガスの除害に直接関係が無い窒素ガスも加熱しなければならないため、エネルギー効率が低く、電力或いは燃料などのコストアップも招いていた。
それゆえに、本発明の主たる目的は、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率や経済性に優れた排ガスの除害装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、排ガスの除害を減圧下で行なう事により対処している。つまり、本発明は、例えば図1及び図2に示すように、排ガスの減圧除害装置を次のように構成した。
本発明の排ガスの減圧除害装置は、真空ポンプ14を介して排ガス発生源12より供給される排ガスEを、その内部に形成された排ガス処理空間16aにて電熱ヒーター18又はプラズマで加熱又は励起して分解及び/又は反応処理する反応筒16を有する。その反応筒16の排ガス出口20側には、上記の真空ポンプ14の排気口から上記の反応筒16の内部に亘って減圧する後段真空ポンプ22が接続される。その後段真空ポンプ22を水封ポンプで構成すると共に、上記の反応筒16の排ガス流路の下流端側を洗浄水Wで水洗する水洗手段24を設ける。そして、その水洗手段24より上記の反応筒16の排ガス流路の下流端側に供給された洗浄水Wを上記の後段真空ポンプ22の封水とする。
この発明は、例えば、次の作用を奏する。
真空ポンプ14を介して排ガス発生源12より供給される排ガスEを減圧状態に保ち、電熱ヒーター18で加熱して分解や反応処理するため、反応で生じる熱が希薄となり、急激な温度上昇や爆発反応を生じることがない。このため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りることとなる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、電熱ヒーター18より供給される熱エネルギーのほぼ全てを直接的に排ガスEの分解や反応に使用することができる。加えて、排ガスEの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガスE中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても、電熱ヒーター18で加熱分解・反応処理される前に当該排ガスEが系外へ漏れ出す心配はない。
また、反応筒16の排ガス流路の下流端側を洗浄水Wで水洗する水洗手段24が設けられているため、排ガスEの加熱・分解反応処理によって副成し反応筒16の排ガス流路の下流端側に堆積する粉塵を洗浄水Wで洗い流すことができる。
さらに、後段真空ポンプ22を水封ポンプで構成すると共に、水洗手段24より反応筒16の排ガス流路の下流端側に供給された洗浄水Wを後段真空ポンプ22の封水としているので、排ガスEの除害にかかる用水原単位を低減させることができる。
本発明においては、前記の反応筒16の内部に、分解・反応補助剤として水分,空気,O2,H2又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも1種を供給する分解・反応補助剤供給手段26を設けることが好ましい。
この場合、排ガスE中にSiH4やNF3などと言った可燃性の物質や有害な物質が主体で且つ多量に含まれる場合であっても、上記の分解・反応補助剤を加えることにより、これらの物質を安定な状態まで容易に分解したり反応で無害化したりすることができる。
また、本発明においては、前記の反応筒16の内部に、堆積する粉塵を払い落とす粉塵払い落とし手段28を設けるのが好ましい。
この場合、粉塵払い落とし手段28と上記の水洗手段24とが協働して、排ガスEの加熱分解・反応処理によって副成する粉塵をより一層効果的に反応筒16内から除去することができるようになる。
また、本発明においては、前記の反応筒16に導入する排ガスEを減圧雰囲気中で水洗する湿式の入口スクラバー50を更に設けるのが好ましい。
この場合、反応筒16に導入する排ガスEを予め水洗して粉塵や水溶性成分を除去することができるのに加え、水洗後の排ガスEと共に反応筒16内へ持ち込まれる水分が分解・反応助剤として作用する。
さらに、上述のように、本発明の排ガスの減圧除害装置に入口スクラバー50を設ける場合において、その入口スクラバー50で使用するスクラバー水SWを循環ポンプ54で循環させると共に、循環するスクラバー水SWの一部を、前記の水洗手段24に洗浄水Wとして供給するのが好ましい。
この場合、用水の利用効率を極大化することができ、用水原単位を削減することが可能となる。
本発明によれば、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率や経済性に優れた排ガスの除害装置を提供することができる。
本発明の一実施形態(第1実施形態)の排ガスの減圧除害装置の概要を示す構成図である。 本発明における排ガスの減圧除害装置の反応筒の一例を示す正面視部分断面図である。 本発明の他の実施形態(第2実施形態)の排ガスの減圧除害装置の概要を示す構成図である。 本発明の他の実施形態(第3実施形態)の排ガスの減圧除害装置の概要を示す構成図である。
以下、本発明の一実施形態(第1実施形態)を図1及び図2によって説明する。
図1は、本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置10の概要を示す図である。この図が示すように、本実施形態の排ガスの減圧除害装置10は、CVD装置などの排ガス発生源12より真空ポンプ14を介して供給される排ガスEを除害するための装置であり、反応筒16と後段真空ポンプ22とを有する。
ここで、図1の実施形態では、排ガス発生源12としてシリコン酸窒化膜CVD装置の例を示している。典型的なシリコン酸窒化膜CVD装置ではプロセスガスとしてSiH4/NH3/N2O=1slm/10slm/10slmが、又、クリーニングガスとしてNF3/Ar=15slm/10slmがそれぞれ使用されており、またクリーニング反応の生成物としてSiF4が約10slmほど排出されるとみられる。使用済みとなったこれらのガスが排ガスEとして真空ポンプ14を介して減圧除害装置10へと供給される。なお、シリコン酸窒化膜CVDのような半導体デバイスの製造プロセスでは、真空ポンプ14として主にドライポンプが使用される。したがって、この真空ポンプ14に供給されているN2(窒素ガス)は、当該真空ポンプ14の軸シールのために供給されるパージN2である。
反応筒16は、ハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料等で形成され、その軸が上下方向を向くように立設された円筒状の管体である(図2参照)。この反応筒16の外周壁上端部には、配管30を介して真空ポンプ14の排気口に連通する排ガス入口32が設けられる。なお、図2の配管30上に配設された符号42は、反応筒16内部の真空度を測定する真空計である。
また、反応筒16の内部には排ガス処理空間16aが形成されると共に、熱源として後述する電熱ヒーター18が取り付けられる。
そして、この反応筒16における排ガス流路の下流端、すなわち反応筒16の下端部には水洗手段24が一体的に連設される。
水洗手段24は、排ガス処理空間16a内で排ガスEの加熱分解・反応処理によって副成し反応筒16の下端部に堆積する粉塵を洗浄水Wで洗い流すためのもので、反応筒16と同じくハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料等で形成され、その内径が反応筒16の下端と同じものから下向きに狭まった漏斗状に形成された傾斜部34aを有するケーシング34と、その傾斜部34aの上端部に取り付けられ、洗浄水Wが当該傾斜部34aの内面に沿ってスパイラル状に流下するよう供給する洗浄水供給ノズル36とを有する。
この水洗手段24におけるケーシング34の外周壁下端部には、排ガス出口20に通じる配管38が接続されており、この配管38の下流端である排ガス出口20に後段真空ポンプ22の吸気口が直結される。したがって、水洗手段24より供給された洗浄水Wは、加熱・分解処理後の排ガスEと共に、排ガス出口20を介して後段真空ポンプ22へと与えられる。
このような水洗手段24が連設された反応筒16下端の反対側、すなわち反応筒16の上部には、排ガス入口32の近傍に、必要に応じて分解・反応補助剤供給手段26より供給される水分,空気,O2,H2又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも1種の分解・反応補助剤を排ガス処理空間16a内に導入するためのノズル40が取り付けられている(図2参照)。
また、反応筒16の天板16bの中央部にはヒーター挿入孔16cが穿設され、このヒーター挿入孔16cを介して反応筒16内に電熱ヒーター18が設置される。
電熱ヒーター18は、排ガス処理空間16a内を排ガスE(とりわけ除害対象成分)の熱分解温度以上(具体的には600℃〜1300℃程度)の所定の温度に加熱して、排ガスEを加熱分解させるためのものであり、発熱体18aと保護管18bとを有する。
発熱体18aは、電気によって排ガスEの熱分解温度以上の温度に発熱し、電熱ヒーター18の発熱源となるものであり、例えば、炭化珪素からなる中実あるいは中空の棒状のものや、ニクロム線やカンタル線などの金属線をその長手方向中心部Cで二つ折りにして該金属線どうしが互いに略並行するようにした後、さらに螺旋状に巻回したものなどを挙げることができる。そして、この発熱体18aの外周は保護管18bによって保護されている。
保護管18bは、アルミナ(Al23),シリカ(SiO2)および窒化ケイ素(Si34)などのセラミック、又はハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料等からなる有底筒状の容器体である。
後段真空ポンプ22は、真空ポンプ14の排気口から反応筒16の内部に亘って所定の真空度まで減圧すると共に、反応筒16で除害処理した排ガスEを吸引して排出するためのポンプである。本発明では、この後段真空ポンプ22として水封ポンプを用いる。「水封ポンプ(=水封式真空ポンプ)」とは、ケーシング内に適当量の封水を入れて羽根車を回転させる構造のポンプで、遠心力でケーシング内壁に押しつけられた封水と羽根車で囲まれた空間の変化を利用し、吸込み・吐出作用を行う真空ポンプである。本発明では、この水封ポンプの封水として、水洗手段24より供給された洗浄水Wを用いる。それゆえ、反応筒16内で除害処理された排ガスEは、水封ポンプの内部を通過する以前から、後に封水となる洗浄水Wとの間で十分に気液接触するようになる。このため、除害処理によって副成された排ガスE中の水溶性成分の多くは封水に溶解して排ガスE中から除去される。つまり、出口スクラバーなどの水洗装置が不要となる。
なお、後段真空ポンプ22の排気口側には、この後段真空ポンプ22から混ざった状態で排出される処理済の排ガスEと封水とを分離させる気液分離コアレッサーなどのようなセパレーター45が必要に応じて装着される(図1参照)。
ここで、後段真空ポンプ22によって作り出される真空ポンプ14の排気口から反応筒16の内部に亘る排ガス通流領域の減圧状態は、1Torr以上で且つ700Torr以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、15Torr以上で且つ685Torr以下の範囲内であり、さらに好ましいのは100±50Torrの範囲内である。減圧状態が1Torr未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が700Torrを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスEを大気圧下と同程度の多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。
本実施形態の排ガスの減圧除害装置10では、更に反応筒16に粉塵払い落とし手段28が取り付けられている。
この粉塵払い落とし手段28は、反応筒16の直下に配設されたモーター44と、このモーター44に接続され、反応筒16の内部に向けて立設された回転アーム46と、この回転アーム46の先端が枝分かれして電熱ヒーター18の外周に沿って反応筒16の上方へと延ばされた粉塵払い落としアーム48とで構成されており、反応筒16の内周面及び電熱ヒーター18の外周面に付着した粉塵を払い落とすようになっている。粉塵は極く微細な綿埃状のもので、回転する粉塵払い落としアーム48に軽く接触するだけで落下する。
なお、本実施形態の排ガスの減圧除害装置10には、図示しないが、電熱ヒーター18や後段真空ポンプ22や粉塵払い落とし手段28などの作動に必要な各種検出機器,制御機器及び電源などが備えられていることは言うまでもない。
以上のように構成された排ガスの減圧除害装置10を用いた排ガスEの減圧除害方法について説明すると、排ガス発生源12から排出される排ガスEは真空ポンプ14を介して反応筒16へと送られる。ここで、後段真空ポンプ22を作動させることにより、排ガスEは所定の減圧状態に保たれ反応筒16内の排ガス処理空間16aへと導入され、この排ガス処理空間16aで電熱ヒーター18で発生させた熱によって分解・反応処理される。
本実施形態の排ガスの減圧除害装置10によれば、排ガスEを減圧状態に保ち電熱ヒーター18で加熱して分解や反応処理するため、反応で生じる熱が希薄となり、急激な温度上昇や爆発反応を生じることがない。このため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、電熱ヒーター18より供給される熱エネルギーのほぼ全てを直接的に排ガスEの分解・反応に使用することができる。したがって、これら2つの作用が相俟って、排ガスEの除害装置を非常にコンパクトな構成にすることができるようになる。
さらに、排ガス発生源12から処理部までが減圧下にあるため、排ガスE中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても電熱ヒーター18で加熱分解・反応処理される前に当該排ガスEが系外へ漏れ出す心配はない。
次に、図3に示す本発明の他の実施形態(第2実施形態)について説明する。上述した第1実施形態の排ガスの減圧除害装置10と異なる点は、主として、真空ポンプ14を介して排ガス発生源12より供給される排ガスEの通流経路上の反応筒16の上流側に、入口スクラバー50及びその附帯設備を設けた点である。これら以外の部分については、上述した第1実施形態の排ガスの減圧除害装置10と同じであるので、前記第1実施形態の説明を援用して本実施形態の説明に代える。
入口スクラバー50は、反応筒16に導入する排ガスEに含まれる粉塵や水溶性成分を減圧雰囲気中で水洗する湿式のスクラバーであり、直管型のスクラバー本体50aと、そのスクラバー本体50aの内部に設置され、スクラバー水SWなどの薬液を噴霧状にして撒布する1又は複数のスプレーノズル50bとを具備する。このうち、スクラバー本体50aは、その中心軸が鉛直方向を向くように立設されると共に、その下端部にスクラバー水SWが溜まる貯留部50cが形成される。この貯留部50cの下部側周面には、当該貯留部50cからスクラバー水SWを抜き出すための配管52の上流端が連通接続されており、その配管52の下流端は、循環ポンプ54の吸込口に接続される。
循環ポンプ54は、スクラバー水SWを循環させるためのポンプで、その吐出口には、スクラバー水SWを各所へ送給するための配管56の上流端が接続される。この配管56の下流端は、スクラバー本体50a内のスプレーノズル50bに接続される。また、この配管56は、途中で枝分かれして分枝管58が形成されており、この分枝管58の下流端は、洗浄水供給ノズル36に接続される。このため、循環ポンプ54で循環されるスクラバー水SWの一部は、前記の水洗手段24での洗浄水Wとして利用される。
また、スクラバー本体50a下部の貯留部50c液面よりも上の位置には、スクラバー本体50a内に排ガスEを導入するための排ガス導入口50dが開設される。
さらに、スクラバー本体50aの貯留部50cと、水洗手段24のケーシング34下部の洗浄水Wが溜まる部分とが、配管60を介して連通するようになっている。このため、分枝管58を経由して水洗手段24に供給される洗浄水Wのうち、後段真空ポンプ22の封水として利用されるもの以外のものは、この配管60を介して貯留部50cへと戻され、循環ポンプ54によって再びスクラバー水SW或いは洗浄水Wとして循環する。
なお、循環ポンプ54によって循環・再利用されるスクラバー水SW及び洗浄水Wは、後段真空ポンプ22の封水としてオーバーフローさせる分だけ減っていくことになるが、配管52の下流端側に連結された給水配管62からオーバーフロー分の新水を補給することによって装置全体の水量のバランスを取るようになっている。
そして、スクラバー本体50aの上端は、配管30を介して反応筒16の排ガス入口32に連通するように構成される。
以上のように構成された本実施形態の排ガスの減圧除害装置10によれば、前述した作用・効果に加え、スクラバー本体50aの貯留部50cと、水洗手段24のケーシング34下部の洗浄水Wが溜まる部分とを配管60で連通することによって、水洗手段24のケーシング34の下部に溜まる洗浄水Wも循環ポンプ54で循環させることができる。その結果、水洗手段24の洗浄水供給ノズル36から吐出させる洗浄水Wの量を増やすことが可能となり、水洗手段24の洗浄能力をアップさせることができる。
次に、図4に示す本発明の他の実施形態(第3実施形態)について説明する。この第3実施形態の排ガスの減圧除害装置10は、上述した第2実施形態と同様に、排ガスEの通流経路上における反応筒16の上流側に入口スクラバー50が設けられるものであるが、特に、循環ポンプ54及び給水配管62の設置場所が第2実施形態のものとは異なる。なお、これら以外の部分については、上述した第1実施形態及び第2実施形態の排ガスの減圧除害装置10と同じであるので、前記第1実施形態及び第2実施形態の説明を援用して本実施形態の説明に代える。
本実施形態の循環ポンプ54では、その吸込口に、貯留部50cのスクラバー水SWを抜き出すための配管52の下流端のみならず、水洗手段24のケーシング34下部に溜まった洗浄水Wを抜き出すための配管64の下流端も接続される。このため本実施形態の排ガスの減圧除害装置10では、第2実施形態のようにスクラバー本体50aの貯留部50cと水洗手段24のケーシング34下部とを連通する配管60は設けられない。
また、本実施形態の給水配管62は、スクラバー本体50aの貯留部50cに直接、新水を供給するように取り付けられる。
本実施形態の排ガスの減圧除害装置10によれば、水洗手段24のケーシング34下部に溜まった洗浄水Wが配管64を介して直接、循環ポンプ54のサクションへと供給されるようになっているので、上述した第2実施形態のものよりも、水洗手段24の洗浄水供給ノズル36から吐出させる洗浄水Wの量を更に増やすことができ、水洗手段24の洗浄能力をより一層アップさせることができる。
なお、上述した各実施形態は次のように変更可能である。
反応筒16内で排ガスEを加熱分解させるための熱源として、電熱ヒーター18を用いる場合を示したが、これに代えて(図示しないが)直流アークプラズマ,誘導結合プラズマ又は容量結合プラズマなどのプラズマを用いるようにしてもよい。
また、水洗手段24として、所定形状のケーシング34と洗浄水供給ノズル36とで構成されたものを示したが、この水洗手段24は、反応筒16の排ガス流路の下流端側を洗浄水Wで水洗できるものであれば如何なる態様であってもよく、上記のものに限定されるものではない。
また、分解・反応補助剤供給手段26より供給される分解・反応補助剤として水分,空気,O2,H2又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも1種の分解・反応補助剤を挙げたが、上記の他にも、例えば、排ガスE中にNF3のようなPFCs(パーフルオロコンパウンド)が多量に含まれ、分解・反応生成物として多量のHFが生成されるような場合には、中和剤(分解・反応補助剤)としてKOH水溶液やNaOH水溶液などのアルカリ水溶液を添加するのが好ましい。
また、必要に応じて取り付けられる粉塵払い落とし手段28として、モーター44と回転アーム46と粉塵払い落としアーム48とで構成されたものを示したが、この粉塵払い落とし手段28は、反応筒16の内部に堆積する粉塵を払い落とすことができるものであれば如何なる態様であってもよく、上記のものに限定されるものではない。
さらに、真空ポンプ14と反応筒16の排ガス入口32とを配管30で連結する場合を示したが、この真空ポンプ14の排気口と排ガス入口32とを直結するようにしてもよい。また、反応筒16の排ガス出口20と後段真空ポンプ22の吸気口とを直結する場合を示したが、反応筒16の排ガス出口20と後段真空ポンプ22とを配管を介して接続するようにしてもよい。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。
10:排ガスの減圧除害装置,12:排ガス発生源,14:真空ポンプ,16:反応筒,16a:排ガス処理空間,18:電熱ヒーター,20:排ガス出口,22:後段真空ポンプ,24:水洗手段,26:分解・反応補助剤供給手段,28:粉塵払い落とし手段,50:入口スクラバー,54:循環ポンプ,E:排ガス,W:洗浄水,SW:スクラバー水.

Claims (5)

  1. 真空ポンプ(14)を介して排ガス発生源(12)より供給される排ガス(E)を、その内部に形成された排ガス処理空間(16a)にて電熱ヒーター(18)又はプラズマで加熱又は励起して分解及び/又は反応処理する反応筒(16)と、
    上記の反応筒(16)の排ガス出口(20)側に接続され、上記の真空ポンプ(14)の排気口から上記の反応筒(16)の内部に亘って減圧する後段真空ポンプ(22)とを備える排ガス(E)の減圧除害装置であって、
    上記の後段真空ポンプ(22)を水封ポンプで構成すると共に、上記の反応筒(16)の排ガス流路の下流端側を洗浄水(W)で水洗する水洗手段(24)を設け、
    上記の水洗手段(24)より上記の反応筒(16)の排ガス流路の下流端側に供給された洗浄水(W)を上記の後段真空ポンプ(22)の封水とする、
    ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  2. 請求項1の排ガスの減圧除害装置において、
    前記の反応筒(16)の内部に、分解・反応補助剤として水分,空気,O2,H2又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも1種を供給する分解・反応補助剤供給手段(26)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  3. 請求項1又は2の排ガスの減圧除害装置において、
    前記の反応筒(16)の内部に、堆積する粉塵を払い落とす粉塵払い落とし手段(28)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  4. 請求項1乃至3の何れかの排ガスの減圧除害装置において、
    前記の反応筒(16)に導入する排ガス(E)を減圧雰囲気中で水洗する湿式の入口スクラバー(50)が更に設けられる、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  5. 請求項4の排ガスの減圧除害装置において、
    前記の入口スクラバー(50)で使用するスクラバー水(SW)を循環ポンプ(54)で循環させると共に、循環するスクラバー水(SW)の一部を、前記の水洗手段(24)に洗浄水(W)として供給する、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。


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