JP6734821B2 - 燃焼ノズル、燃焼筒、及び燃焼除害装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ノズル、燃焼筒、及び燃焼除害装置に関する。

半導体、液晶、太陽光発電パネル、及びＬＥＤ等の製造産業において、電子デバイスが種々のプロセスガスを使用して製造されている。これら半導体等の製造装置（以下省略して、「半導体製造装置」とも記す。）から排出される排気ガスには、可燃性ガス成分、毒性ガス成分、及び地球温暖化ガス成分等が含まれていることがある。

上記の各成分等を含む排気ガス（以下、「対象ガス」とも記す。）は、除害装置による安定化、及び無害化等の処理の対象とされている。例えば、プロセスガスの使用量が多い量産工場においては、燃焼式、又はヒーター式等の加熱分解式の除害装置が主に使用されている。

半導体製造装置と、その排気ガスを無害化、安定化する燃焼式の除害装置の一例として、図３に示す半導体製造装置１０７と、燃焼除害装置１０９が使用されている。
半導体製造装置１０７は、１または複数のチャンバー１０８を備えている。チャンバー１０８では、成膜、及びクリニーング等の様々なプロセスが行われる。これらのプロセスに応じて、チャンバー１０８では、必要な材料ガスの供給、及び種々の反応が行われる。

チャンバー１０８で使用されたガスは、真空ポンプ等により後段設備に排出される。そのため、半導体製造装置の排気ガスは、各プロセスで使用された材料ガスの他、チャンバー１０８内での反応により生成したガス成分、及び粉体等の固体成分を含むことがある。

燃焼除害装置１０９は、燃焼筒１０６を備えており、燃焼筒１０６には、燃焼ノズル１０１が設けられている。燃焼ノズル１０１は、燃焼筒１０６の内部で火炎を形成するとともに、燃焼筒１０６の内部に対象ガスを導入する。燃焼ノズル１０１から燃焼筒１０６の内部に導入された対象ガスは、燃焼筒１０６の内部で形成される火炎によって、燃焼、熱分解、又は酸化されて無害化等される。

半導体製造装置１０７の排気ガスの中には、ＳｉＨ_４等のように反応性が高く、分解温度が低い成分、ＮＦ_３やＰＦＣのように分解温度が高い成分が含まれていることがある。かかるＳｉＨ_４等の成分は、燃焼、又は酸化等により副生成物としてＳｉＯ_２等の粉体を発生する。従来の燃焼ノズルにおいては、燃焼の副生成物である粉体が、燃焼ノズル１０１の先端に付着、及び堆積し、燃焼効率の低下、及び火炎の消失等の問題が生じていた。
したがって、燃焼除害装置１０９には、燃焼ノズル１０１の先端に付着する粉体による燃焼効率の低下、及び火炎の消失等を防ぐことが求められていた。

そこで、特許文献１は、対象ガス等の流れによって回転する自由回転羽根が燃焼ノズルの先端の開口部分に設けられている燃焼除害装置を開示している。特許文献１に記載の燃焼ノズルにおいては、自由回転羽根が回転することによって、燃焼ノズルの先端部分に副生成物である粉体の付着等を防止している。

特許第３４８８３３７号公報

しかしながら、特許文献１の燃焼ノズルにおいては、除害装置を長期間にわたって運転した場合、及び対象ガス中のＳｉＨ_４等のガス成分の濃度が高い場合等に、燃焼ノズル先端の燃焼部分で発生した粉体が自由回転羽根に付着し、付着した粉体を核にして堆積物が成長してしまう。

さらに、特許文献１の燃焼ノズルは、自由回転羽根が燃焼ノズルの火炎に直接さらされているので、除害装置を長期間にわたって運転すると、自由回転羽根そのものが劣化してしまう。また、特許文献１の燃焼ノズルにおいては、対象ガスの流量が多い場合に、対象ガス流路に設置されている案内羽根が抵抗となり、対象ガス流路内の圧力損失が大きくなってしまう。
このように特許文献１の燃焼ノズルは、対象ガスの流路に自由回転羽根等の構造物を設置しているために、堆積物の成長、当該構造物の劣化、及び対象ガス流路内の圧力の損失等の不具合が生じていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、対象ガス流路に構造物を設置することなく、粉体の付着を抑制できる燃焼ノズルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 対象ガスを燃焼して除害する燃焼筒に用いる、燃焼ノズルであって、対象ガス供給用ノズルと、前記対象ガス供給用ノズルの外側に設けられた窒素ガス供給用ノズルと、前記窒素ガス供給用ノズルの外側に設けられた燃料ガス供給用ノズルと、が同心円状に配置された三重管構造を有する、燃焼ノズル。
［２］ 前記対象ガス供給用ノズルのノズル径ｒ_１と、前記窒素ガス供給用ノズルのノズル径ｒ_２との比（ｒ_２／ｒ_１）が下記式（１）を満たす［１］に記載の燃焼ノズル。
１．０３≦ｒ_２／ｒ_１≦１．２５ ・・・（１）。
［３］ ［１］又は［２］に記載の燃焼ノズルを備える、燃焼筒。
［４］ ［３］に記載の燃焼筒を１以上備える、燃焼除害装置。

本発明によれば、対象ガス流路に構造物を設置することなく、粉体の付着を抑制できる。

本発明を適用した一実施形態に係る燃焼ノズルの構成の一例を説明するための断面図である。 図１の燃焼ノズルのＩＩ−ＩＩ断面図である。 燃焼除害装置の構成の一例を示す模式図である。

以下の用語の定義は、本明細書、及び特許請求の範囲にわたって適用される。
「対象ガス」とは、安定化、及び無害化等の処理対象となるガスを意味する。対象ガスの一例として、半導体製造装置の排気ガス等が挙げられる。半導体製造装置の排気ガスには、燃焼反応、又は酸化反応によって粉体が生じるＳｉＨ_４等のガス成分、又は半導体製造装置で生じる粉体等が含まれ得る。半導体製造装置の排気ガスは、対象ガスの一例として示したものであり、特に限定されない。
「燃焼筒」とは、対象ガスの燃焼反応が行われる筒状の燃焼室を意味する。
「燃焼除害装置」とは、対象ガスを燃焼反応により熱分解し、安定化、及び無害化等の処理をする装置を意味する。
「一次側」とは、対象ガスの流れの上流側を意味する。これに対して、「二次側」とは、対象ガスの流れの下流側を意味する。

以下、本発明を適用した一実施形態の燃焼ノズルについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

まず、本実施形態の燃焼ノズルについて説明する。本実施形態の燃焼ノズルは、対象ガスを燃焼して除害する燃焼筒に用いるものである。
図１は、燃焼ノズル１の構成の一例を説明するための断面図である。図１に示すように、燃焼ノズル１は、対象ガス供給用ノズル２と、窒素ガス供給用ノズル３と、燃料ガス供給用ノズル４と、燃料ガス供給口５とを備えて概略構成されている。また、図１に示すように、燃焼ノズル１の先端（二次側の端部）は、燃焼筒６の内部に位置している。
以下、燃焼ノズル１の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

対象ガス供給用ノズル２は、対象ガスを燃焼筒６に供給するためのノズルである。図１に示すように、対象ガス供給用ノズル２は、先端が燃焼筒６の内部で開口している。これにより、対象ガス供給用ノズル２は、先端から対象ガスを噴出して、対象ガスを燃焼筒６の内部に、供給することができる。

窒素ガス供給用ノズル３は、窒素ガスを燃焼筒６に供給するためのノズルである。図１に示すように、窒素ガス供給用ノズル３は、対象ガス供給用ノズル２の外側に設けられている。また、窒素ガス供給用ノズル３は、先端が燃焼筒６の内部で開口している。これにより、窒素ガス供給用ノズル３は、先端から窒素ガスを噴出することができる。

燃料ガス供給用ノズル４は、燃料ガスを燃焼筒６に供給するためのノズルである。図１に示すように、燃料ガス供給用ノズル４は、窒素ガス供給用ノズル３の外側に設けられている。
燃料ガス供給口５は、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａに複数設けられている。燃料ガス供給口５は、窒素ガス供給用ノズル３の先端の開口部分の周囲を囲んで設けられている。かかる燃料ガス供給口５は、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａで開口している。これにより、燃料ガス供給用ノズル４は、先端４ａから燃料ガスを燃焼筒６の内部に噴出して火炎を形成することができる。

図１に示すように、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａは、対象ガス供給用ノズル２の中心に向かって傾斜している。そのため、各燃料ガス供給口は、対象ガス供給用ノズル２の中心に向かって開口している。よって、燃料ガスを燃焼させると、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａでは、各燃料ガス供給口５から対象ガス供給用ノズル２の中心に向かって円錐状の火炎が形成される。

燃料ガスは、燃焼筒６の内部に火炎を形成することができれば特に限定されない。本実施形態の燃焼ノズル１においては、燃料ガスには、予め空気等の支燃性ガスを混合しておくことが望ましい。燃料ガスの種類としては、水素（Ｈ_２）、ＬＰＧ、ＬＮＧ、メタン（ＣＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、及びブタン（Ｃ_４Ｈ_８）等のガス、並びにこれらの混合ガスを挙げることができるが特に限定されない。

以上の構成を備える燃焼ノズル１は、燃焼筒６の内部で円錐状の火炎を形成するとともに、燃焼筒６の内部に対象ガスを導入することができる。よって、燃焼ノズル１において、対象ガス供給用ノズル２から対象ガスを、燃料ガス供給用ノズル４から燃料ガスをそれぞれ供給すると、対象ガス供給用ノズル２の中心に向かって形成される火炎によって、燃焼筒６の内部で対象ガスの燃焼反応、及び熱分解反応が起き、対象ガスが処理される。

本実施形態の燃焼ノズル１は、対象ガス供給用ノズル２と、窒素ガス供給用ノズル３と、燃料ガス供給用ノズル４とが、同心円状に配置された三重管構造を有する。
燃焼ノズル１においては、対象ガス供給用ノズル２と、燃料ガス供給用ノズル４との間に、窒素ガス供給用ノズル３が設けられている。よって、燃焼ノズル１は、形成された火炎と、対象ガスの流れとの間に窒素ガス供給用ノズル３の先端から窒素ガスを噴出することができる。これにより、燃焼ノズル１の先端の付近から離れた二次側の空間で、対象ガスの流れの周囲に窒素ガスの流れによるリング状の窒素ガスからなる保護層を形成することができる。

本発明の発明者らによれば、燃焼ノズル１の先端がある一定の温度以上となると、燃焼ノズル１の先端にＳｉＯ_２等の粉体が付着しやすくなる。本実施形態の燃焼ノズル１によれば、窒素ガス供給用ノズル３の先端から噴出される窒素ガスによって、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａを含む燃焼ノズル１の先端の温度を下げることができる。このように、窒素ガスの流れで燃焼ノズル１の先端を冷却することにより、粉体の付着を抑制することができる。
また、燃焼ノズル１の先端の温度を下げることによって、燃焼ノズル１の先端が加熱により劣化することを低減できる。

燃焼ノズル１においては、窒素ガス供給用ノズル３を流れる窒素ガスの流量は、３〜１０Ｌ／ｍｉｎであることが好ましい。
前記窒素ガスの流量が、３Ｌ／ｍｉｎ以上であれば、燃焼ノズル１の先端付近における燃焼反応の発生を抑制することができるため好ましい。燃焼ノズル１の先端付近における燃焼反応の発生を低減しやすい。また、前記窒素ガスの流量が、３Ｌ／ｍｉｎ以上であれば、燃料ガス供給用ノズル４の先端４ａを含む燃焼ノズル１の先端部分を窒素ガスの流れで冷却することができる。これにより、燃焼ノズル１の先端部分が過度に高温とならず、粉体が付着しにくくなり、かつ、加熱による劣化を抑制することができるため好ましい。
前記窒素ガスの流量が、１０Ｌ／ｍｉｎ以下であれば、導入された窒素ガスによる燃焼効率の低下等の影響を受けにくくなるため好ましい。

図２は、図１の燃焼ノズルのＩＩ−ＩＩ断面図である。図２中、「Ｏ」は、対象ガス供給用ノズル２の中心を示し、窒素ガス供給用ノズル３と、燃料ガス供給用ノズル４とが同心円状に配置されている。
図２中、ｒ_１は、対象ガス供給用ノズル２のノズル径を示し、ｒ_２は、窒素ガス供給用ノズル３のノズル径を示し、ｒ_３は、燃料ガス供給用ノズル４のノズル径を示している。本実施形態の燃焼ノズル１においては、対象ガス供給用ノズル２のノズル径ｒ_１と、窒素ガス供給用ノズル３のノズル径ｒ_２との比（以下、「ｒ_２／ｒ_１」とも記す。）が下記式（１）を満たすことが好ましい。
１．０３≦ｒ_２／ｒ_１≦１．２５ ・・・（１）。

上記式（１）において、ｒ_２／ｒ_１が１．０３以上であれば、燃焼反応領域をノズル先端部から下流の離れた空間領域に移動させやすくなる。上記式（１）において、ｒ_２／ｒ_１が１．２５以下であれば、導入された窒素ガスによる燃焼効率の低下等の影響を受けにくくなるため好ましい。

（作用効果）
以上説明した本実施形態の燃焼ノズルは、上記構成を有するため、燃料ガス供給用ノズルの先端から燃料ガスを噴出して円錐状の火炎を形成することができる。さらに、本実施形態の燃焼ノズルは、対象ガス供給用ノズルの先端から対象ガスを噴出して、前記火炎の内側から対象ガスを燃焼筒に供給するとともに、窒素ガス供給用ノズルの先端から前記火炎と、前記対象ガスとの間に窒素ガスを噴出することができる。よって、対象ガスが火炎によって燃焼される位置を、当該燃焼ノズルの先端から遠ざけることができる。したがって、本実施形態の燃焼ノズルによれば、対象ガスの燃焼によって生じる粉体が燃焼ノズルに付着することを抑制することができる。

［燃焼筒］
以下、本発明を適用した一実施形態に係る燃焼筒について説明する。本実施形態の燃焼筒６は、本実施形態の燃焼ノズル１を備える。燃焼筒６は、対象ガスの燃焼反応が行われる筒状の燃焼室である。燃焼筒６は、燃焼ノズル１によって、燃焼筒６の内部に対象ガスが導入されるとともに、燃焼筒６の内部で火炎が形成される。よって、燃焼筒６は、燃焼ノズル１から導入された対象ガスを、燃焼反応、又は酸化反応によって無害化することができる。

燃焼筒６は、燃焼ノズル１を備えるので、燃焼ノズル１の先端に粉体が付着しにくく、長期間運転しても燃焼効率が低下しにくい。また、燃焼筒６は、燃焼ノズル１を備えるので、燃焼ノズル１の先端にＳｉＯ_２等の粉体がつきにくく、メンテナンスの頻度が低減される。また、燃焼筒６は、燃焼ノズル１に回転羽根等の構造物が設置されていないので、圧力損失等の不具合が生じにくい。

［燃焼除害装置］
以下、本発明を適用した一実施形態に係る燃焼除害装置について説明する。本実施形態の燃焼除害装置は、本実施形態の燃焼筒を１以上備える。図３は、本実施形態の燃焼除害装置９の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、燃焼除害装置９は、複数の燃焼筒６，６，６を備えている。燃焼除害装置９は、各燃焼筒６，６，６の内部で起きる燃焼反応によって、半導体製造装置７の排気ガス（対象ガス）を処理することができる。なお、半導体製造装置７は、複数のチャンバー８，８，８を備えている。

燃焼除害装置９が備える各燃焼筒６，６，６は、各チャンバー８，８，８とそれぞれ燃焼ノズル１を介して接続されている。各燃焼筒６，６，６は、燃焼ノズル１を介して接続された各チャンバー８，８，８の排気ガスを、燃焼反応によって処理することができる。
燃焼除害装置９は、燃焼筒６を備えるので、燃焼効率が低下しにくく、メンテナンスの頻度も少なくて済む。また燃焼筒６は、圧力損失等の不具合が起きにくいので、燃焼除害装置９は、安定して対象ガスを処理することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。

１…燃焼ノズル、２…対象ガス供給用ノズル、３…窒素ガス供給用ノズル、４…燃料ガス供給用ノズル、５…燃料ガス供給口、６，１０６…燃焼筒、７，１０７…半導体製造装置、８，１０８…チャンバー、９，１０９…燃焼除害装置

Claims (4)

1. 対象ガスを燃焼して除害する燃焼筒に用いる、燃焼ノズルであって、
   対象ガス供給用ノズルと、前記対象ガス供給用ノズルの外側に設けられた窒素ガス供給用ノズルと、前記窒素ガス供給用ノズルの外側に設けられた燃料ガス供給用ノズルと、が同心円状に配置された三重管構造を有し、
   前記燃料ガス供給用ノズルが、可燃性の燃料ガスを前記燃焼筒に供給し、
   前記燃料ガス供給用ノズルの先端が、前記対象ガス供給用ノズルの中心に向かって傾斜し、
   前記先端に設けられた燃料ガス供給口が、前記対象ガス供給用ノズルの中心に向かって開口している、燃焼ノズル。
2. 前記対象ガス供給用ノズルのノズル径ｒ１と、前記窒素ガス供給用ノズルのノズル径ｒ_２との比（ｒ_２／ｒ_１）が下記式（１）を満たす請求項１に記載の燃焼ノズル。
   １．０３≦ｒ_２／ｒ_１≦１．２５・・・（１）。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼ノズルを備える、燃焼筒。
4. 請求項３に記載の燃焼筒を１以上備える、燃焼除害装置。

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