JPH01148329A - 排ガスの放電処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は排ガスを放電プラズマにより無害化処理する装
置に関する。更に詳しくは、真空を利用した薄膜形成技
術、例えば各種の化学的気相成長法、すなわち減圧ＣＶ
Ｄ法（Ｃｈｅ＋＊１ｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶ［１法や、プラ
ズマエツチング法等において排出される反応性ガスを真
空減圧下において、少量から半導体製造の工業的規模で
の多量に至るまで、プラズマ処理することにより無害化
する排ガスの放電処理装置に関する。

［従来技術］ 真空を利用した薄膜形成のために各種ＣＶＤ法やプラズ
マエツチングに於いて使用される反応性ガスは、ＣｖＤ
チャンバーやエツチングチャンバーにおいて必ずしも該
薄膜形成時に全量消費されず、未反応ガスの残留や副生
ガスの発生を生じる場合があった。また薄膜形成の工程
上、ＣｖＤやエツチングを経ることなく原料ガスがその
ままポンプから排出される場合もある。これらの反応性
ガスの多くは、未処理のまま大気中に放出されると燃焼
や爆発を生じたり、毒性を有するものもあり、災害や公
害の原因となるため大気中での許容濃度が定められてい
る。

従来、これらの反応性ガスを無害化処理する方法として
、大過剰の不活性ガスによる希釈、触媒反応による化学
的処理、湿式の吸収及び吸着除去、乾式吸着除去等が用
いられている。これらの方法は、いずれも真空ポンプ排
出後の常圧下に於いてなされるものであり、装置コスト
や運転コストが高い欠点を有するのみならず、メンテナ
ンスへの留意に欠けると安全性を確保できないことがい
くつかの事故例として報告されている。

一方、これとは他の系統に属する技術として、放電を利
用した排ガス処理方法（放電処理法）が提案されている
。これらは、上記した方法に対し被処理ガスをポンプか
ら系外に排出する前に真空減圧下で処理するという特徴
を有している。

例えば、特開昭第５１−１２９８６８号には有毒物質を
含有する廃ガスと酸化剤をプラズマが発生している空間
で相互に接触せしめることにより前記有毒物質を安定な
化合物に変え、廃ガスから除去する処理方法が開示され
ている。又、特開昭第５８−６２３１号には反応性の廃
ガスを排出する反応槽と排出装置との間に配置され、廃
ガスを放電により分解して排出する廃ガス処理装置が開
示されている。しかしながら、これらの放電処理法では
、廃ガスを所定濃度まで無害化処理するに必要なプラズ
マを維持しうる負荷範囲が自ずと限定され、大きな負荷
変動、とりわけ圧力変動に対して安定なプラズマ状態を
維持することは困難であり、排ガス処理装置としては、
その適用範囲が制限されざるを得ないという問題点があ
った。

さらに、最近、放電処理法において、負荷変動追従を可
能とするために磁界を重畳したプラズマを利用する方法
（磁界重畳法）が提案されている（応用物理学会　プラ
ズマエレクトロニクス研究会、１９８６年１月）、該磁
界重畳法においては、電極が形成する電界の向きと約４
５°乃至約１３５°の角度で直流または交流磁界を印加
することにより、プラズマ中での電子の旋回半径が小さ
（なり、電子が電極間を旋回できるために、０．０１■
Ｔｏｒｒ〜数十Ｔｏｒｒの広範な負荷条件下で安定な放
電を維持し得るという特徴を有している。

［発明が解決しようとする問題点］ 放電処理法では、前記したように、被処理ガスをポンプ
により糸外に排出する前段の真空減圧下で処理し得るこ
とが特徴であり、従って、必然的に放電処理装置は各種
ＣｖＤ装置やエツチング装置と真空排気ポンプとの間に
配置されることになるため、これが現実に実用に供し得
るためには、かかる装置の間に容易に組み込まれうるよ
うに可及的に小型で且つ省エネルギー的なものであるこ
とが要請される。これを実現するには、単に磁界を重畳
印加して負荷変動に追従させるという基本概念の提出の
みならず、実際の装置としてプラズマを発生せしめる電
極の至適な構成及び寸法の設定が必要とされる しかしながら、半導体工場にて排出される前記排ガスの
絶対量は極めて大量であり、装置１系列当りに毎分５０
０ｓｅｃ■を越える場合も珍しくない。

概して、一対の電極から成るプラズマにより無害化処理
し得る被処理ガス量には自ずと限界が存在するのが通例
であり、このため、かくの如き大量の被処理ガスを無害
化処理するには複数個のプラズマの組合せが必要となる
。この場合、我々が見出した大きな問題は、排ガス処理
系を構成する各々のプラズマにおけるガスの組成はそれ
ぞれ異なるため、放電特性もプラズマ毎に必然的に異な
って仕舞うことである０本発明者らが実験的に見出した
知見によれば、例えば、モノシランガスの場合、プラズ
マ中のモノシラン濃度が大きくなるに従い放電維持電圧
が高くなるという挙動を示すのである。これは、例えば
、複数の電極対を直列に結合した場合、処理が進行する
につれて、各電極を通過するガス組成が変化していき、
放電特性が大きく変化することを意味するのである。こ
のため、目的とする処理を実施するためにはプラズマ毎
の細かい放電制御が必要となるのである。該制御を行う
のに、各プラズマ毎に各別の電源を設置することも一法
ではあるが、設備の膨大化や電源費用の多大化等の問題
を生ずるのみならず、制御が繁雑になるなど必ずしも実
用的な形態を提供することにはならない、従って１台の
電源で複数個のプラズマを制御する方法が要請される。

しかしながら、前記の従来技術ではこれらに関する知見
が与えられず、従って実用に供し得る排ガス処理装置は
得られていないのが実状である。

本発明者らは、実用に供するに充分に小型且つ省エネル
ギーの放電処理装置を具現化することを目的として、上
記問題点の解決に取組み、鋭意検討した結果、放電処理
装置を複数対の電極から構成し、１台の電源と各陰極も
しくは陽極との間にインピーダンス可変の抵抗もしくは
リアクタンスを各々接続し、これらを調整することによ
り各電極対に印加される電圧を調整して放電状態の制御
を行ない、すなわち、個々の電極と電源の間にインピー
ダンス調節回路を設置することにより、−台の電源で該
制御を行い、大量の被処理ガス量に対しても所望の無害
化処理を実現し得ることを見出して、本発明を完成する
に至った。

［問題点を解決するための手段］ すなわち本発明によれば、ガス導入口とガス導出口を具
備する管状容器内に陰極および陽極からなる少な（とも
一対の電極を設けて構成した放電管と該電極と接続され
る少なくとも一台の直流または交流電源とおよび該放電
管内に形成されたガス流路とを含む排ガス放電処理装置
において、該陰極および陽極からなる電極対を複数設置
し、該複数の電極対を構成する陰極もしくは陽極の各々
と該直流または交流電源との間にインピーダンス可変も
しくは固定の抵抗器またはリアクタンスがそれぞれ接続
されていることを特徴とする排ガスの放電処理装置、が
提供される。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明で対象とする被処理ガスは、ＣＶＤ法もしくはプ
ラズマエツチング法に於いて使用され、未処理のまま大
気中に放出されれば何らかの災害や公害を引き起こす可
能性を有する気体もしくは蒸気であり、とりわけ、従来
の触媒反応や吸収・吸着等の化学的処理法で実施が容易
でないガスである０例えば、モノシラン、ジシラン、ト
リシラン等のシラン系ガス（これらは、本発明による放
電処理により、シリコンもしくは水素化アモルファスシ
リコンと水素に分解処理される）；モノメチルシラン、
ジメチルシラン等のアルキルシラン系ガス（同じく、水
素化アモルファスシリコンカーバイドと水素に分解処理
）ニゲルマン系ガス（同じく、水素化アモルファスゲル
マンと水素に分解処理）：　クロルシラン系ガス；フル
オロシラン系ガス等が挙げられる。なお、さらにジボラ
ン等のボラン系ガス；　トリメチルボロン等のアルキル
ボラン系ガス；ホスフィン系ガスに対しても適用できる
が、これらの場合には、酸素等を添加することにより、
より有効な処理が可能である。もちろん、通用対象とな
り得るガスは上記のガスに限定されるものではなく、ま
たこれらの混合物や水素、窒素及び不活性ガスで希釈さ
れたものであっても差し支えない。

本発明が適用される対象とする排ガス放電処理装置は、
基本的に、ガス導入口とガス導出口を具備する管状容器
内に陰極および陽極からなる少なくとも一対の電極を設
けて構成した放電管と該電極と接続される少なくとも一
台の直流または交流電源とおよび該放電管内に形成され
たガス流路とを含む排ガス放電処理装置であれば、いか
なるものであってもよく、上記した、もしくはその他の
公知の放電処理法において使用されている装置のいずれ
に対しても好適に適用することが出来る。

また、本発明者らがすでに昭和６２年１２月１日付で出
願した他の出願において提案している少なくとも一対の
陰極対と陽極対を使用する排ガス装置についてももちろ
ん好適に適用することが出来る。

本発明が対象とする放電プラズマを利用した排ガスの無
害化処理法では、主たる処理は、プラズマ中の電子との
非弾性衝突により励起されたガス分子の解離反応により
行なわれる。所望の処理を実現するには該反応の速度が
十分に大であることが望ましく、この反応速度は、電子
密度、電子とガス分子との解離衝突断面積ならびに電子
のエネルギー分布関数により支配される。処理装置に系
外から多大なエネルギーを投入すれば電子密度が増大し
反応速度は増加するが、被処理量が大量の場合は極めて
膨大なエネルギー投入が必要となるのみならず、アーク
放電が発生しやすくなり、安定なプラズマ状態を維持す
ることすら困難となるのである。

かかる問題は、陰極および陽極からなる電極対を複数配
置して各電極対の一端はガス導入口と、且つ他端はガス
導出口と連結させ、供給電力を分散させ、一対の電極対
に印加される電力を低減せしめることにより回避できる
。電極対の配置は、基本的には、ガス流路（ガス流通方
向）に対して並列でも直列でもよいが、プラズマによる
処理速度が被処理ガス濃度に対し概ね１次反応であるこ
とから、直列に配置しガス流路を長く取ることがより好
ましい、第１図および第２図はかかる電極対を複数組（
ここでは二組）直列に配置した例を示したものである。

なお、第１図はその縦断面図、第２図はそのＡ−Ａ’矢
矢視面断面図ある。電極組列の数は、処理量、圧力、供
給電力により任意に設定すればよい。なお、このとき、
直列に配置された電極組と電極組の間に、各々のプラズ
マの独立性を確保し、一つのプラズマが他方に回り込む
ことのないように、放電を遮断する隔離壁７を存在せし
めることが、放電間の相互作用を回避する上で有効な手
段である。隔離壁はポリテトラフルオロエチレンのごと
き絶縁物を使用することが好ましいが、電極組の構成に
よっては必ずしもこの限りではない。

さらに、複数対の電極を配置した場合は各電極対におけ
る放電特性が異なるため、単に電源と各電極対の陰極と
を並列に接続するのみでは、各電極対の両端間電圧が揃
うため、放電維持電圧の小さいガス組成のプラズマを形
成する電極対に電流が偏流してしまい、有効なガスの処
理が困難となる。ここで、電源と各電極対の陰極または
陽極との間にインピーダンスを調節する回路素子を接続
することにより、各電極対を流れる電流値を随意に制御
し、有効な排ガス処理が可能となる。

これを図面を参照しながら、より具体的な例について説
明する。

第３図は、ガス組成の異なるプラズマＡおよびプラズマ
Ｂの放電電流Ｉと放電電圧Ｖの関係を示すグラフである
。しかして、Ａの特性を有するプラズマを形成する電極
対をＡとし、Ｂの特性を存するプラズマを形成する電極
対をＢとして、該電極対ＡＳＢを第４図に示すごとく、
並列に接続するとする。しかしながら、第４図に示した
ごとく単に電源と接続するのみでは、当然のことながら
、画電極対Ａ、Ｂにおける放電電圧は両者同一（ｖ、）
となるため第３図から、電極対ＡのプラズマはＸ点の電
流・電圧（Ｉａ、Ｖｏ）で、また電極ＢのプラズマはＹ
点の電流・電圧（ＩＩ、Ｖ＠）で操作される。すなわち
、ｒａ　＞ＩＩであるから、プラズマＡに電流が偏流し
、したがって、プラズマＢに流れる電流は小さくなって
仕舞い、有効なガスの処理が困難になるのである。

これに対し本発明においては、例えば第６図に示すよう
に、電極対Ａ、Ｂと電源との間との間にインピーダンス
可変の回路素子ＲＡ、Ｒ＠を接続し、各電極対での放電
電圧をそれぞれ随意に設定するものである０例えば、電
極対Ａにおける放電電圧を■、になるよう、また、電極
対Ｂにおける放電電圧をＶ、になるよう、それぞれＲＡ
、Ｒ１を各別にＵ４Ｍすることにより、第５図のごとく
、プラズマＡはＸ°点で、同時にプラズマＢはＹ゛点で
操作させることができ、プラズマＡの極端な偏量流を無
くし、両プラズマにおける電力量を実質的に同等なもの
とすることが可能となるのである。

これは、放電維持電圧の大なるプラズマを形成する電極
対Ａと該電圧が小なる電極対Ｂが存在する場合、電源と
電極対Ａの陰極もしくは陽極との間にインピーダンスの
より小なる回路素子を、また電源と電極対Ｂとの間にイ
ンピーダンスのより大なる回路素子を接続することによ
り、両電極対を流れる電流値を制御し、両電極対にて消
費される電力量を制御し得ることを意味するのである。

回路素子は、直流電源の場合は可変抵抗を採用すること
が好ましい、また交流電源の場合は可変抵抗でも可変リ
アクタンスでもよいが、素子における発熱回避の点から
リアクタンスがより好ましい、なお、それぞれの電極を
流れる被処理ガスの組成や流量がそれぞれ固定的である
場合は、必ずしも可変容量の回路素子を用いる必要はな
（、はじめからそれぞれの該被処理ガス条件に応じた容
量の素子を選択して用いればよい、また、回路素子は必
ずしも全部の電極対に対し接続されていなくても、少な
くとも一つ設けられていれば、目的を達成することが可
能ではあるが、実際には、それぞれの電極対について、
それぞれ可変容量の回路素子が接続されていた方が、操
作の自由度が大となるため好ましい、さらに、回路素子
の容量は、該素子における電力消費を最小とするよう選
択されることが好ましいことは言うまでもない、また、
回路素子の接続位置は、電源と各電極対の陰極との間で
も、陽極との間でも、どちらであっても差し支えない。

さらに所望により、電極により形成される電界に磁界を
重畳することが、電子の旋回半径を小さ（して、広範な
圧力条件や被処理ガス組成条件に対して、プラズマを安
定的に維持する上で有効な手段であり、特に、電極の形
成する電界の向きと４５°ないし１３５°の角度で磁界
が印加されることが好ましい、その場合磁界は直流磁界
であっても交流磁界であってもよいが、プラズマ反応を
連続的に実施する見地から直流磁界がより好ましい。

直流磁界の発生装置としては永久磁石でよい。

第１図および第２図における３はかかる趣旨で設けられ
た磁界印加装置である。因みに、９はヨークである。な
お、印加する表面磁束密度は数ガウス以上、好ましくは
、１００〜１０．０００ガウス程度である。また、この
場合採用される負荷条件は約０、１ｍＴｏｒｒ〜１ＯＴ
ｏｒｒ程度である。

本発明においては、以上のごとく、被処理ガスの流通方
向に対して好ましくは直列に電極対を複数配置し、該電
極対と電源との間にインピーダンス可変の回路素子を接
続して、各電極対に印加される放電電圧を調整すること
により、１台の電源で複数のプラズマを制御して排ガス
の有効な処理が実践されるのである。

［実施例］ 以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する
。

実施例１ 第１図に示した装置を使用した０幅２０ｃｓ＋長さ３０
ｃ醜厚み２−一のステンレス板一対を２ｃ−の間隔で対
向させて陰極１とし、該陰極対の両側に該陰極対と直角
方向に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（商標テフロ
ン）４を介して、幅１．５ｃｍ長さ３０ｃｍ厚み２ｍｓ
のステンレス板一対を３２ｃｍの間隔で対向させて陽極
２とした。これらの電極対２組を、ガス導入及びガス導
出用の２インチのフランジを具備した内容積２Ｉｌのス
テンレス製真空容器８内に、テフロン樹脂板を隔離壁７
として並置し、第１組めの電極対の一端をガス導入口５
と連結させ、且つ第２組めの電極対の一端をガス導出口
６と連結させて、被処理ガスが第１組めの電極対の長さ
方向に沿って流入した後に、第２組めの電極対の長さ方
向に沿って流出するようにした。さらに、該容器の外側
から陰極の対向方向に表面磁束密度５００ガウスの永久
磁石により直流磁界を印加した。

両電極対の陰極と各々直列に最大５にΩの可変抵抗を接
続し、該抵抗を１台の定電力直流電源に接続した。ガス
導入口より、１００χのモノシランガスを２００ｓｃｃ
■の流量にて供給し、両電極対にプラズマを形成せしめ
た０両方の電極対の各々の陰極・陽極間の電圧値則ち放
電電圧値、陰極を流れる電流値則ち放電電流値をそれぞ
れ電圧計、電流計により測定すると共に、ガス導出口に
おけるモノシランガス濃度を四重極質量分析装置により
測定した。

第１組め及び第２組めの電極対における消費電力が共に
２００１１となるように、各電極対に接続された可変抵
抗を調節したところ、ガス導出口におけるモノシランガ
ス濃度は、１．２１であった。このとき、第１組めの放
電電圧は１．１ｋＶ、放電電流は１８２■＾、可変抵抗
の値は０．７５６　ｋΩであり、第２組めの放電電圧は
０．９ｋＶ、放電電流は２２２−＾、可変抵抗の値は１
．５２　　ｋΩであった。

比較例１ 実施例１において、可変抵抗を削除し、両電極対を直接
、電源と接続して、同一条件下にてプラズマを発生させ
た。その結果、第１組めの放電電圧！！　０．９ｋＶ、
放電電流は１６７＋ｗＡ、第２１１めの放電電圧も０．
９ｋＶであったが、放電電流は３８ｈＡであった。この
とき、第１＆ｌめのプラズマはアーク放電が頻繁に発生
し、安定なプラズマ状態を維持することが困難であった
０両電極対における消費電力の和は５００１１と実施例
１よりも大であったにかかわらず、ガス導出口における
モノシランガス濃度は４．３χであり、処理効率が大幅
に落ちることが明らかになった。

［発明の効果］ 本発明によれば、半導体製造の工業的な規模で排出され
るモノシランガス等の可燃性ガスを、複数対の電極から
成る放電処理法により、より低消費電力で高い処理率を
実現せしめる方法が提供され、公害防止、災害防止の観
点からその産業上の利用可能性は極めて大きいと言わざ
るを得ないのである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例で使用した装置を
示す断面図であって、第１図は縦断面図、第２図はその
Ａ−Ａ’矢視の横断面図である。 第３図および第５図はプラズマＡ、Ｂの放電電流と放電
電圧の関係を示すグラフであり第４図および第６図は電
極対と電源を含む回路図である。 特許出願人　　三井東圧化学株式会社 図面 第２図 第３図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス導入口とガス導出口を具備する管状容器内に
   陰極および陽極からなる少なくとも一対の電極を設けて
   構成した放電管と該電極と接続される少なくとも一台の
   直流または交流電源とおよび該放電管内に形成されたガ
   ス流路とを含む排ガス放電処理装置において、該陰極お
   よび陽極からなる電極対を複数設置し、該複数の電極対
   を構成する陰極もしくは陽極の各々と該直流または交流
   電源との間にインピーダンス可変もしくは固定の抵抗器
   またはリアクタンスがそれぞれ接続されていることを特
   徴とする排ガスの放電処理装置。
2. （２）各電極対に印加される放電電圧を、各接続された
   インピーダンスを調整することにより調整して放電状態
   の制御がなされる特許請求の範囲第１項記載の排ガスの
   放電処理装置。
3. （３）複数の電極対をガス流路に対し並列に配置し各電
   極対の一端はガス導入口と、且つ他端はガス導出口と連
   結させる特許請求の範囲第１項に記載の排ガスの放電処
   理装置。
4. （４）複数の電極対を直列に配置し、該電極対列の一端
   はガス導入口と、且つ他端はガス導出口と連結させる特
   許請求の範囲第１項に記載の排ガスの放電処理装置。
5. （５）磁界を重畳する特許請求の範囲第１項乃至第４項
   の何れかに記載の排ガスの放電処理装置。
6. （６）電極が形成する電界の向きと４５°乃至１３５°
   の角度で直流または交流磁界が印加される特許請求の範
   囲第５項に記載の排ガスの処理装置。