JP7194660B2

JP7194660B2 - 排ガス処理設備

Info

Publication number: JP7194660B2
Application number: JP2019173798A
Authority: JP
Inventors: 宏文川端; 誠関田; 正継新岡; 祐輔大石
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021049494A

Description

本発明は、排ガス処理設備に関し、詳しくは、排ガス中に粉塵として含まれている酸化タングステンが排ガス配管の内周面に付着して堆積することを抑制できる排ガス処理設備に関する。

半導体製造工程で、六フッ化タングステン（ＷＦ_６）などの分子中にタングステンを含む成分を原料ガスとして使用する半導体製造装置からは、未反応のＷＦ_６を含む排ガスが排出される。排ガスは、除害装置でＷＦ_６などの有害成分の分解処理を行った後、二次生成物である酸化タングステンなどの粉塵を粉塵除去装置で分離、除去してから外気に排出するようにしている。このとき、除害装置から粉塵除去装置に至る排ガス配管の内周面に酸化タングステンの粉塵が堆積するため、定期的に排ガス配管内を清掃する必要が生じる。排ガス配管内の清掃は、高所作業であり、粉塵の比重が大きいため、粉塵総重量が大きくなることから、清掃作業、粉塵回収作業にかかる労力が非常に大きくなっていた。

さらに、前記半導体製造装置のクリーニング工程で三フッ化窒素を使用する場合、除害装置での除害処理で三フッ化窒素から強酸性のフッ化水素が生成するため、除害装置から粉塵除去装置に至る配管には、フッ化水素に腐食されにくい非金属製の配管、通常は、塩化ビニル製の配管が多く用いられている。ところが、このような塩化ビニル製の配管内に酸化タングステンの粉塵が流れると、塩化ビニルと粉塵との摩擦によって両者が帯電し、塩化ビニル製配管の内周面に酸化タングステンの粉塵が静電気の作用で強く付着することになる。

このため、粉塵が付着して閉塞するおそれのある配管内に清掃治具を設置し、設備運転中に清掃作業を実施可能とした閉塞防止装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、モノシランを原料として使用する半導体製造装置から排出され、除害装置で除害処理された排ガス中に含まれる二酸化ケイ素が配管内に付着することを防止するため、排ガス配管の内周面にエポキシ樹脂を焼付塗装することが行われている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５－２３０６９３号公報特開２０１６－１７６７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、清掃治具の設置にかかるコスト、操作スペースの確保などが問題となり、排ガス配管中の特定エリアにおける対策案としては有効であるが、半導体製造工場の排ガス配管の全域に清掃治具を設置することは、イニシャルコストや維持管理といった面の問題が多く、一般的な半導体製造工場での実施が極めて困難である。また、特許文献２に記載された技術は、モノシランを除害処理する際に発生する二次生成物の二酸化ケイ素を対象としたものであった。

そこで本発明は、分子中にＷを含む成分を使用する設備から排出される排ガスを除害処理する際に二次生成物として発生する酸化タングステンの粉塵が内周面に付着して堆積することを抑制できる排ガス配管を備えた排ガス処理設備を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の排ガス処理設備は、分子中にＷを含む成分を使用する設備から排出されたガスを無害化処理する除害装置と、該除害装置から排出される排ガス中に含まれる酸化タングステンの粉塵を分離、捕集する粉塵分離装置とを備えた排ガス処理設備において、前記除害装置から前記粉塵分離装置に至る排ガス配管として、前記酸化タングステンの粉塵が付着することを防止するためのニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を内周面に施した金属製配管を用いたことを特徴としている。

さらに、本発明の排ガス処理設備は、前記金属製配管が前記ニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を施す金属母材の表面に１０μｍ以下の金属粉を衝突させた凹凸形成処理が前処理として施されていること、前記排ガス配管は接地線が接続されてアースされていることを特徴としている。

また、排ガス処理設備の他の構成は、分子中にＷを含む成分を使用する設備から排出されたガスを無害化処理する除害装置と、該除害装置から排出される排ガス中に含まれる酸化タングステンの粉塵を分離、捕集する粉塵分離装置とを備えた排ガス処理設備において、前記除害装置から前記粉塵分離装置に至る排ガス配管として、前記酸化タングステンの粉塵が付着することを防止するためのエポキシ樹脂の焼付け塗装を内周面に施した金属製配管を用いたことを特徴とし、特に、前記エポキシ樹脂が、導電性材を含んでいること、あるいは、前記エポキシ樹脂を焼付塗装した塗装面上に帯電防止塗装を施したことを特徴としている。

さらに、本発明の排ガス処理設備は、前記各構成における前記排ガス配管内の排ガスの流速が７～１２ｍ／ｓであることを特徴としている。また、前記分子中にＷを含む成分を使用する設備が原料としてＷＦ_６を使用する半導体製造装置であることを特徴とし、前記除害装置が、燃焼式、ヒーター式又はプラズマ式の熱分解式除害装置であって、除害処理された粉塵を含む高温の排ガスを水との気液接触により冷却する冷却部を備えていること、加えて、前記排ガス配管内を流れる排ガスの相対湿度を９０％以下に下げるためのガスを外部から導入するガス導入経路を備えていることを特徴としている。

本発明の排ガス処理設備によれば、酸化タングステンの粉塵が排ガス配管の内周面に付着、堆積することを、低コストで効果的に抑えることができる。

本発明の排ガス処理設備の一形態例を示す説明図である。実験で使用した試験装置の概略図である。実験結果を示すガスの平均流速と粉塵の搬送率との関係を示す図である。

本発明の排ガス処理設備は、分子中にＷ（タングステン）原子を含む成分を使用する設備、例えば、ＷＦ_６（六フッ化タングステン）を原料として使用する半導体製造装置１１から真空ポンプ１２を介して排出されたガスの無害化処理を行う除害装置１３と、該除害装置１３から排出される排ガス中に含まれるＷＯ_３（酸化タングステン）をはじめとする各種化合物の粉塵を分離する粉塵分離装置１４と、前記除害装置１３から粉塵分離装置１４に至る排ガス配管１５と、該排ガス配管１５内に湿度調節用ガスを導入するためのガス導入弁１６を備えたガス導入経路１７とを備えており、排ガス配管１５には接地線１８が接続されてアースされた状態になっている。

半導体製造装置１１は、例えば、原料ガスとして、ＷＦ_６を水素、シラン、ゲルマン、ジボラン、ホスフィンなどの水素含有ガスと混合した状態でケイ素基板上に供給し、ケイ素基板上に金属タングステンを堆積させるものであって、半導体製造装置１１からは、未反応のＷＦ_６を含むガスが排出され、排出されるガスは、真空ポンプ１２に吸引されて除害装置１３に送られる。

除害装置１３は、前記ガス中に含まれる有害成分であるＷＦ_６や水素含有ガス、フッ化水素などの除害処理を行える方式、例えば、熱酸化分解方式、プラズマ式又は燃焼式といった周知の除害処理方式で、スプレーノズルから水を噴射して水とガスとの気液接触によって高温の処理ガスを冷却する冷却部１３ａを備えたものが用いられている。この除害装置１３での除害処理により、ＷＦ_６は、フッ素化合物と酸化タングステンとに分解され、酸化タングステンは、粒径が０．００１ｍｍ～１ｍｍの微細な粒子、特に、５０％粒子径が１０μｍ程度の粉塵が大量に発生する。また、粉塵分離装置１４は、前記酸化タングステンの粉塵を含む各種粉塵を排ガス中から分離、除去が可能な周知の粉塵分離方式が採用されている。

排ガスを除害装置１３から粉塵分離装置１４に至る排ガス配管１５には、主として酸化タングステンの粉塵が付着することを防止するためのニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を内周面に施した金属製配管、例えばステンレス鋼製をはじめとする各種鋼製配管、アルミウム製配管が用いられている。このように、導電性材としてのニッケルを含むニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を施すことにより、排ガス配管１５内を流れる酸化タングステンの粉塵との摩擦による静電気の発生を抑制して配管内周面と酸化タングステンの粉塵との間の帯電量の差を小さくすることができるので、配管内周面への粉塵の付着、堆積を効果的に防止することができる。さらに、排ガス配管１５に接地線１８を接続しておくことにより、排ガス配管１５の静電気を効果的に取り除くことができるため、酸化タングステンの粉塵が配管内周面に付着することを著しく低減することができるとともに、付着した粉塵を簡単に除去できるようになる。また、フッ化水素などの強酸性物質が排ガス配管１５内を流れても、ニッケル含有フッ素樹脂コーティングによって母材の金属を保護することができる。

さらに、ニッケル含有フッ素樹脂コーティングを施す際に、金属製配管内周面の母材表面を１０μｍ以下の金属粉を衝突させた凹凸形成処理を前処理として施しておくことにより、金属製配管の母材とニッケル含有フッ素樹脂コーティングとの密着性を向上させることができる。

また、排ガス配管１５内における排ガスの流速は、配管の径にもよるが、通常は、７～１２ｍ／ｓの範囲が最適である。排ガスの流速が７ｍ／ｓ未満では、酸化ケイ素に比べて嵩密度の大きな酸化タングステンの粉塵が排ガス配管１５内に残留するおそれがある。一方、１２ｍ／ｓを超える流速に設定すると、排ガス配管１５内での圧力損失が大きくなり、排気設備に求められる用力が大きくなるため、一般的には１０～１２ｍ／ｓあたりが上限と考えられている。

さらに、排ガス配管１５内を流れる排ガスの湿度が高い場合、あるいは、粉塵の水分含有率が高い場合には、帯電とは別に、水分の作用によって粉塵が排ガス配管１５の内周面に付着することがある。通常、前記冷却部１３ａでは、排ガスに散水することで排気温度を下げることが行われており、冷却部１３ａから導出される排ガスは、排気温度が給水温度と同等以上であり、相対湿度は略１００％となっている。したがって、排ガス配管１５内を流れる排ガスの湿度を下げる必要があり、ガス導入経路１７からのガスの導入によって排ガス配管１５内を流れる排ガスの相対湿度を９０％以下に下げることが好ましく、さらに、粉塵の水分含有率を５％以下にしておくことが好ましい。特に、相対湿度及び水分含有率は、排ガス量などに応じてできるだけ低くすることにより、水分によって配管内周面に粉塵が付着することを抑えることができる。

ガス導入経路１７から導入するガスは、排ガスより相対湿度が低い大気をそのまま使用してもよく、大気を乾燥処理などで湿度調節してから導入することにより、天候や季節による相対湿度の変動を抑えることができ、排ガスの湿度や粉塵の水分含有率を確実に制御して配管内周面への粉塵の付着をより確実に抑制できる。また、ガス導入弁１６の開度を調節することにより、排ガス配管１５内の排ガスの流速を最適化することができる。

また、ニッケル含有フッ素樹脂コーティングに代えて、金属製配管の内周面にエポキシ樹脂の焼付け塗装を施した排ガス配管を用いても、特に、導電性材を含んだエポキシ樹脂の焼付け塗装を施したり、エポキシ樹脂の焼付け塗装面に帯電防止塗装を施したりすることによっても、排ガス配管内への酸化タングステンの付着、堆積を抑制することが可能である。

次に、本発明の作用効果を確認する実験を行った結果を説明する。まず、図２に示すように、内径２０ｍｍで長さ１ｍの透明塩ビ管を試験用の配管２１として使用し、該配管２１の入口部から２００ｍｍの位置に、試験用の粉塵２２を配管２１内に投入するための分岐管２３を接続したものを使用した。試験用の粉塵２２には、運転中の加熱分解式排ガス処理設備から採取した平均粒径が２１μｍの二酸化ケイ素の粉塵及び平均粒径が２μｍの酸化タングステンの粉塵と、加熱分解式排ガス処理設備内で４時間滞留した平均粒径が１７μｍの酸化タングステンの粉塵と、同じく４８時間滞留して大径化した平均粒径が２３μｍの酸化タングステンの粉塵との４種類の粉塵を用意した。

そして、各粉塵を２．５ｃｃずつ配管２１内にそれぞれ投入した状態で配管入口部から窒素ガスをあらかじめ設定した条件で導入し、配管２１内におけるガスの平均流速と粉塵の搬送率との関係を調べた。その結果を図３に示す。この結果から、図中に黒丸印で示す二酸化ケイ素の粉塵は、配管内の平均流速が４ｍ／ｓを超えれば概ね１００％の粉塵搬送率を得ることができたのに対し、二酸化ケイ素に比べて２～５倍の嵩密度を有する酸化タングステンの粉塵の場合は、図中に三角印で示すように、粒径が最も小さい４時間滞留の酸化タングステンの粉塵であっても、配管内の平均流速が４ｍ／ｓでは十分に搬送することができず、粉塵の搬送率を１００％にするためには、約１．５倍の５．６ｍ／ｓを超える流速が必要であった。

さらに、図中にバツ印で示す加熱分解式排ガス処理設備から採取した酸化タングステンの粉塵の場合は、粒径が前記酸化タングステンの粉塵より大きいことから、搬送率を１００％にするためには、１０ｍ／ｓを僅かに超える流速が必要であり、図中に四角印で示す粒径が最も大きな４８時間滞留の酸化タングステンの粉塵の場合は、１５ｍ／ｓを超える流速でも、粉塵の搬送率が１００％には至らなかった。しかし、４８時間滞留で生じる粒径が大きく、密度が十分に大きな粉塵は、排ガス処理設備の冷却部におけるスプレー水によって排ガス中から除去されるので、排ガス配管に流入することはほとんどなく、問題になることはない。

この実験結果から、従来の二酸化ケイ素を含む排ガスの場合に比べて、配管２１内のガス流速を１．５倍以上にする必要があり、配管２１内の排ガスの流速を７ｍ／ｓ以上に設定することで、排ガス配管内の粉塵堆積率を大きく低減できることがわかる。

さらに、長時間の運用において、塩ビ管の内周面には、静電気の作用で酸化タングステンの粉塵が徐々に堆積し、配管１ｍに対して１００ｇを超える堆積が発生したが、内周面にＮｉ含有フッ素樹脂コーティングを施した金属製配管における酸化タングステンの粉塵の堆積量は、配管１ｍに対して１ｇ以下になった。また、エポキシ樹脂の焼付け塗装を内周面に施した金属製配管を用いた場合の堆積量は、配管１ｍに対して１０ｇ程度であった。

この実験結果から、内周面にエポキシ樹脂の焼付け塗装を施したり、内周面にＮｉ含有フッ素樹脂コーティングを施したりした金属製配管を排ガス配管として使用することにより、塩ビ管を用いたときに比べて酸化タングステンの粉塵が付着、堆積することをより効果的に抑制できることがわかった。

したがって、Ｎｉ含有フッ素樹脂コーティングを施した金属製配管を排ガス配管として使用することにより、静電気による配管内周面への粉塵の付着、堆積を効果的に抑制できるので、配管清掃作業を大幅に軽減することができ、さらに、排ガス配管内の排ガスの流速を７ｍ／ｓ以上に設定することにより、排ガス配管の詰まりを防止でき、排ガス処理設備を含む半導体製造装置の稼働率の向上が図れ、製品生産性の大幅な向上、製造コストの低減が期待できる。

なお、フッ素樹脂は、一般的なポリテトラフルオロエチレン樹脂（四フッ素化樹脂、ＰＴＦＥ）を使用すればよく、通常のフッ素樹脂含有無電解ニッケルめっきなどの手法を用いて配管内周面にコーティングすればよい。このようなＮｉ含有フッ素樹脂コーティングを施した金属製配管は、特に、嵩密度の大きな酸化タングステンの粉塵の付着を効果的に抑えることができるが、嵩密度が異なる各種物質の粉塵を移送する配管に適用することにより、配管内への粉塵の付着、堆積を効果的に抑制することができる。また、エポキシ樹脂とは、高分子内に残存させたエポキシ基で架橋ネットワーク化させることで硬化させることが可能な熱硬化性樹脂であって、一般に流通しているエポキシ樹脂塗料を使用することが可能である。

１１…半導体製造装置、１２…真空ポンプ、１３…除害装置、１３ａ…冷却部、１４…粉塵分離装置、１５…排ガス配管、１６…ガス導入弁、１７…ガス導入経路、１８…接地線、２１…試験用の配管、２２…試験用の粉塵、２３…分岐管

Claims

分子中にＷを含む成分を使用する設備から排出されたガスを無害化処理する除害装置と、該除害装置から排出される排ガス中に含まれる酸化タングステンの粉塵を分離、捕集する粉塵分離装置とを備えた排ガス処理設備において、前記除害装置から前記粉塵分離装置に至る排ガス配管として、前記酸化タングステンの粉塵が付着することを防止するためのニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を内周面に施した金属製配管を用いたことを特徴とする排ガス処理設備。
前記金属製配管は、前記ニッケル含有フッ素樹脂コーティング処理を施す金属母材の表面に１０μｍ以下の金属粉を衝突させた凹凸形成処理が前処理として施されていることを特徴とする請求項１記載の排ガス処理設備。
前記排ガス配管は、接地線が接続されてアースされていることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス処理設備。
分子中にＷを含む成分を使用する設備から排出されたガスを無害化処理する除害装置と、該除害装置から排出される排ガス中に含まれる酸化タングステンの粉塵を分離、捕集する粉塵分離装置とを備えた排ガス処理設備において、前記除害装置から前記粉塵分離装置に至る排ガス配管として、前記酸化タングステンの粉塵が付着することを防止するためのエポキシ樹脂の焼付け塗装を内周面に施した金属製配管を用いたことを特徴とする排ガス処理設備。
前記エポキシ樹脂は、導電性材を含んでいることを特徴とする請求項４記載の排ガス処理設備。
前記エポキシ樹脂を焼付塗装した塗装面上に帯電防止塗装を施したことを特徴とする請求項４記載の排ガス処理設備。
前記排ガス配管内の排ガスの流速が７～１２ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の排ガス処理設備。
前記分子中にＷを含む成分を使用する設備が、原料としてＷＦ_６を使用する半導体製造装置であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の排ガス処理設備。
前記除害装置は、燃焼式、ヒーター式又はプラズマ式の熱分解式除害装置であって、除害処理された粉塵を含む高温の排ガスを水との気液接触により冷却する冷却部を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の排ガス処理設備。
前記排ガス配管内を流れる排ガスの相対湿度を９０％以下に下げるためのガスを外部から導入するガス導入経路を備えていることを特徴とする請求項９記載の排ガス処理設備。