JPWO2003052167A1 - F▲下2▼ガス発生装置及びf▲下2▼ガス発生方法並びにf▲下2▼ガス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、F2ガス発生装置及びF2ガス発生方法並びにF2ガスに関する。特に半導体等の製造工程に使用される不純物の極めて少ない高純度F2ガスを発生するF2ガス発生装置及びF2ガス発生方法並びにこれらによって得られるF2ガスに関する。
背景技術
F2ガスは、例えば半導体製造分野においては欠くことのできない基幹ガスとして使用されている。そして、それ自体で用いられる場合もあるが、最近では、F2ガスを基にして三フッ化窒素ガス(以下、NF3ガスという。)等を合成し、これを半導体のクリーニングガスやドライエッチング用ガスとして使用している。また、フッ化ネオンガス(以下、NeFガスという。)、フッ化アルゴンガス(以下、ArFガスという。)、フッ化クリプトンガス(以下、KrFガスという。)等は半導体集積回路のパターニングの際に用いられるエキシマレーザー発振用ガスであり、その原料には希ガスとF2ガスの混合ガスが多用されている。
このF2ガスは、所定量のKF・HFからなる浴が収納された電解槽で、炭素を陽極、ニッケルを陰極として電気分解して発生させている。一般に、電解槽中に収納されているKF・HFは、初めにKF・HFを所定量投入し、その後、HFを適宜供給してKF・2HFとして使用されている。この際、KF・2HFとして不足分のKF・HFを投入し、再度HFを供給することにより、所定量の浴が調製される。浴の成分であるKFは吸湿性が高く、建浴時に水分を含むのが一般的である。我々は、先に不純物が少ない高純度フッ素発生装置に関する内容の出願を行った(WO 01/77412A1)。
ところが、このようにして発生されるF2ガスは、初期に発生するF2ガス中に45〜55%の酸素が含まれる。発生するF2ガスと、電解浴中に含まれる水とは次式(1)に示すような反応によって、通常、F2ガス中に含まれる酸素量が減少する。しかしながら、その量を3000ppm以下にすることは困難である。
2F2+H2O→F2O+2HF・・・・(1)
前述したエキシマレーザー発振用ガスや、エキシマレーザーのステッパーレンズ(CaF2単結晶)の表面処理には高純度のF2ガスが必要である。そのF2ガス中に含まれる酸素濃度は、前者のエキシマレーザー発振用ガスとしては1000ppm以下、後者のエキシマレーザーのステッパーレンズ(CaF2単結晶)の表面処理用ガスとしては500ppm以下のものが要求される。
本発明は、酸素含有量が非常に少ない、高純度のF2ガスを安定的に発生させることのできるF2ガス発生装置及びF2ガス発生方法並びに高純度F2ガスを提供することを目的とする。
発明の開示
前記課題を解決するための本発明のF2ガス発生装置は、KF・2HFからなる電解浴を電気分解して高純度のF2ガスを発生させるF2ガス発生装置であって、KF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系と、前記電解浴及び前記調製系にHFを供給するHF供給系と、前記調製系によって調製されたKF・2HFを電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生系と、を有することを特徴とする。
KF若しくはKF・HFからKF・2HFに密閉された調製系内で調製した後、この調製系と密閉連結された電解槽中にこの調製されたKF・2HF投入する。このため、電解槽内に投入されたKF・2HFは、水分を吸収することなく、即ち、少ない酸素含有量の電解浴とすることができる。これにより、この電解浴を電気分解して得られるF2ガス中に含まれる酸素量を発生初期の段階から非常に少ないものとすることができる。
また、本発明のF2ガス発生装置は、前記調製系には、前記KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されていることを特徴とする。
KF若しくはKF・HFからKF・2HFに調製時に酸素量を確実に低減することができる。
また、本発明のF2ガス発生装置は、発生したF2ガス中の酸素濃度が2%以下であるものである。
F2ガス中の酸素濃度が2%以下、好ましくは0.2%以下(2000ppm以下)、さらに好ましくは0.02%以下(200ppm以下)に低減されている。このため、エキシマレーザー発振用ガスや、エキシマレーザーのステッパーレンズ(CaF2単結晶)の表面処理用ガスとして使用することができる。
また、本発明のF2ガス発生装置は、KF・2HFからなる電解浴を電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生装置であって、KF若しくはKF・HFからKF・2HFに調製する調製系と、前記電解浴及び前記調製系にHFを供給するHF供給系と、前記調製系によって調製されたKF・2HFを電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生系と、を備えてなり、前記調製系、HF供給系及びF2ガス発生系の各系ごと若しくは各系全体の外部雰囲気中の水分を調整する水分制御手段が設けられていることを特徴とする。
調製系、HF供給系及びF2ガス発生系の各系ごと若しくは各系全体の外部雰囲気中の水分を調整する水分制御手段が設けられているため、酸素の混入を確実に抑制することができる。
また、本発明のF2ガス発生装置は、前記水分制御手段が、前記各系若しくは各系全体を収納する内部の雰囲気制御が可能な筐体であるものである。
水分制御手段が、雰囲気制御の可能な筐体であるため、各系若しくは各系全体の雰囲気湿度の調整も容易に行える。これによって、酸素の混入を確実に抑制することができる。
また、本発明のF2ガス発生方法は、KF・2HFからなる電解浴を電気分解してF2ガスを発生させるF2ガス発生方法であって、KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されているKF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系において、前記KF若しくはKF・HFを所定時間、真空または不活性ガス雰囲気下で加熱、脱気した後、真空または不活性ガス雰囲気下で室温まで冷却し、次いで、該調製系内にHF供給系から気相化したHFを供給して、前記調製系内で前記KF若しくはKF・HFと前記HFとを反応させて、KF・2HFを発生し、該KF・2HFをF2ガス発生系の電解槽に供給した後、電気分解して低酸素濃度のF2ガスを発生させるものである。
このような構成にすることにより、発生させるF2ガス中の酸素濃度を少なくすることが可能となり、エキシマレーザー発振用ガスや、エキシマレーザーのステッパーレンズ(CaF2単結晶)の表面処理用ガスとして使用することが可能となる。
また、本発明のF2ガス発生方法は、前記調製系において、前記KF若しくはKF・HFを200〜300℃で加熱して、前記KF若しくはKF・HFの吸着水及び結晶水を除去するものである。
このようにして、KF若しくはKF・HF中の水分を確実に除去することができる。これによって、水分中に含まれる酸素を除去することが可能となり、発生されるF2ガス中の酸素濃度をF2ガス発生初期の段階から確実に低減することができる。
また、本発明のF2ガスは、KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されているKF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系において、前記KF若しくはKF・HFを所定時間、真空または不活性ガス雰囲気下で加熱、脱気した後、真空または不活性ガス雰囲気下で室温まで冷却し、次いで、該調製系内にHF供給系から気相化したHFを供給して、前記調製系内で前記KF若しくはKF・HFと前記HFとを反応させて、KF・2HFを発生し、該KF・2HFをF2ガス発生系の電解槽に供給した後、電気分解して発生するものである。従って、酸素濃度が極めて低い高純度のF2ガスであるため、半導体製造用の各種基幹ガスとして使用することができる。
また、本発明のF2ガスは、酸素濃度が2%以下である。
F2ガス中の酸素濃度が、好ましくは0.2%以下(2000ppm以下)、さらに好ましくは0.02%以下(200ppm以下)に低減されている。このため、エキシマレーザー発振用ガスや、エキシマレーザーのステッパーレンズ(CaF2単結晶)の表面処理用ガスとして使用することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、第1図に基づいて本発明の実施形態の一例を説明する。
本実施形態におけるF2ガス発生装置Gは、KF・2HFからなる電解浴24を電気分解して高純度のF2ガスを発生するものであって、KF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系Aと、電解浴24及び調製系AにHFを供給するHF供給系Bと、調製系Aによって調製されたKF・2HFを電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生系Cと、を備えて構成されている。
第1図において、KF若しくはKF・HFからKF・2HFに調製する調製系Aは、KF10を収納するNi製の容器7aと、この容器7aを密閉する上蓋7bとで構成されるKF・2HF調製装置7と、このKF・2HF調整装置7の容器7aを覆い、内部のKF10を加熱するヒーター9と、冷却用の冷却水用パイプ8と、上蓋7bに設けられた真空排気系Dと連結される真空配管2と、不活性ガスパージ用配管3と、KF10中に挿入され、HF供給系B及びF2ガス発生系Cと連結しているHF供給兼KF・2HF送出配管1と、で構成されている。
この調製系AにHFを供給するHF供給系Bは、ロードセル12上に載置されたHFボンベ11が、カステン13中に設置されている。このカステン13は、図示しなしアクリルスクラバーに連結されている。HFボンベ11の表面はヒーター14で覆われており、HFボンベ11内を所定の温度に保つようにしている。また、ロードセル12によって、HFボンベ11内のガス量を測定し、調製系A及びF2ガス発生系CへのHFガス供給量を測定している。このHFボンベ11は、HF送出用配管5によって調製系Aに連結されている。
F2ガス発生系Cは、KF・2HF系混合溶融塩からなる電解浴24と、この電解浴24を収納する電解槽20と、電解浴24を電気分解する陽極22と陰極23と、を主要部品として構成されている。
電解槽20は、Ni、モネル、純鉄、ステンレス鋼等の金属で一体に形成されている。電解槽20は、Niまたはモネルからなる隔壁27によって、陽極室28及び陰極室29とに分離されている。陽極室28には、低分極性炭素からなる陽極22が、陰極室29にはNi又はFeからなる陰極23が配置されている。電解槽20の上蓋30には、陽極室28及び陰極室29から発生するF2ガス排出口25と、陰極室7から発生するH2ガスの排出口26とが配設されている。また、電解槽20は、電解槽20内を加熱するヒーター31が設けられている。なお、ヒーター12の周りには図示していないが断熱材が設けられている。ヒーター12は、リボンタイプのものや、ニクロム線等、その形態は特に限定されないが、電解槽2の全周を覆うような形状であることが好ましい。
真空排気系Dは、モレキュラシーブ16と真空ポンプ17とで構成されている。そして、調製系Aに収納されているKF10をヒーター9で加熱したときにKF10から脱着してくる水分を吸引する。
次に、以上のように構成されているF2ガス発生装置Gの作動について説明する。
予め調製系Aをヒーター9によって250〜300℃で熱処理を行った後、容器7aに所定量のKF10を装填する。そして、真空又は超高純度不活性ガスのパージ下で再度250〜300℃に加熱して、24〜48時間保持して、KF10を乾燥させる。この時、真空配管バルブ2aを開き、バルブ3a及びバルブ4bは閉じた状態とし、真空排気系Dで、容器7b内を排気する。このように、KF10を超高純度不活性ガスのパージ下で再度250〜300℃に加熱して、24〜48時間熱処理することによって、KF10中の吸着水及び結晶水を脱着させることができる。
KFの熱重量法(Thermogravimetry、以下、TGという。)、示差熱分析法(Differential Thermal Analysis、以下、DTAという。)を行ったところ、43.4℃、64.4℃、90.8℃及び151.6℃の吸熱ピークが観察された。このうち、43.4℃、64.4℃、90.8℃での吸熱ピークは吸着水のもの、151.6℃のピークは結晶水の脱着によるものである。原料となるKFの吸着水は前述の(1)式に示す反応により容易に分解されると思われる。ところが、DTAの151.6℃に現われる吸熱ピークに対応する結晶水はKFとの相互作用が強いことと、電解浴に主として含まれるHFが水素結合によるネットワークを作っていることから、この結晶水は微量になると拡散しにくくなり、排除しにくくなると考えられる。そこで、前述のように、KFを超高純度不活性ガスのパージ下で再度250〜300℃に加熱して、24〜48時間、好ましくは10〜30時間熱処理しておくことで、この結晶水を脱着することが可能となる。
その後、室温まで冷却し、バルブ2aを閉じて、バルブ4b及びバルブ3aを開く。このとき、予めラインヒーター15で高純度不活性ガス用配管4を30〜35℃に予熱しておく。そして、ヒーター14によってHFボンベ11を加熱してHFをガス化し、バルブ5を開くと、徐々に調製系AのKF10中にHFが導入される。この際、KF10とHFとの反応が激しく、発熱するため冷却水用パイプ8に水を流し、KF・2HF調整装置7を冷却し、温度が100℃以上になることを防止する。温度が100℃を超え、200℃に至るとHFの激しい突騰が生じ、爆発に似た状態を呈するようになるからである。
このようにして、調製系AにHFを導入していき、KF10に対するHFがKF・HFのモル比よりも高くなるとHFの供給速度を上げることができる。そして、HF供給系Bのロードセル12により、所定量のHFが調製系Aに供給されたことを確認後、バルブ5aを閉じると同時にバルブ4aを開き、高純度不活性ガスを配管1から導入し、不活性ガスパージ用配管3から排気する。これは、配管1中のHFが、KF10がKF・2HFに調製されたKF・2HF10中に急激に吸収されることによるKF・2HFの配管1中への逆流固化を防止するためである。
そして、適当時間不活性ガスで、調製系A内をパージした後、バルブ4bを閉じる。次いで、不活性ガスパージ用配管3から不活性ガスを供給する。これと同時に、バルブ18及びバルブ19を開く。調製系Aは、不活性ガスパージ用配管3から導入される不活性ガスのガス圧によって、調製されたKF・2HFを配管1からF2ガス発生系Cの電解槽20内に送出する。このとき、電解槽20は、予め250〜300℃で熱処理しておき、吸着水等を脱着しておく。
このように、本発明に係るF2ガス発生装置では、水分吸着量が少ない高純度のKF・2HFを空気に接触させることなく、F2ガス発生装置の電解槽内に供給することができ、電解槽中に高純度の電解浴KF・2HF浴を建浴することができる。これによって、電解浴の酸素濃度は極めて低減されたものとなる。
また、調製系A、HF供給系B及びF2ガス発生系Cの各系それぞれを雰囲気制御が可能な筐体中に収納するようにすることもできる。これによって、各系の外部雰囲気の湿度を調整することができ、各系内に混入する酸素を抑制することができる。また、各系全体、即ちF2ガス発生装置Gを一つの筐体内に収納することもできる。なお、これら、全ての系をクリーンルーム内に設置することで、雰囲気制御が可能な筐体内に収納することと同様の効果を得ることもできる。このように、各系内への酸素の混入を抑制することによって、より確実に発生するF2ガス中の酸素濃度を低減することが可能となる。
なお、本発明に係るF2ガス発生装置およびF2ガス発生方法は、前述の実施形態例に限定されるものではない。
(実施例)
以下、実施例により、本発明に係るF2ガス発生装置を具体的に説明する。
(実施例1)
第1図に示す、F2ガス発生装置Gにおいて、予め調製系Aをヒーター9によって250〜300℃で熱処理を行った後、容器7aにKF10を装填し、純度99.9999%の高純度N2ガスのパージ下で再度250〜300℃に加熱して、24〜48時間保持して、KF10を乾燥させた。その後、室温まで冷却し、HFを調製系AのKF10中に導入した。この際、冷却水用パイプ8に水を流し、KF・2HF調製装置7を冷却し、温度が100℃以下になるようにした。そして、HF供給系Bのロードセル12により、所定量のHFが調製系Aに供給されたことを確認後、高純度N2ガスで適当時間調製系A内をパージした後、高純度N2ガスを供給し、そのガス圧によって、調製されたKF・2HFを配管1からF2ガス発生系Cの電解槽20内に送出し、浴量71の電解浴を建浴した。そして、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、10A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点でガスクロマトグラフィーにより発生されたF2ガス中のO2量を測定したところ、約650ppmであった。
(実施例2)
実施例1と同様のKF・2HFを電解浴として用い、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、15A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約450ppmであった。
(実施例3)
実施例1と同様のKF・2HFを電解浴として用い、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、2A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約950ppmであった。
(実施例4)
実施例1と同様のKF・2HFを電解浴として用い、F2ガス発生系Cを水分制御手段である図示しない筐体内に収納し、筐体内部の湿度を40%に制御して、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、20A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約70ppmであった。
(比較例1)
従来の方法で調整されたKF・2HFを電解浴に用い、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、10A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約30000ppmであった。
(比較例2)
従来の方法で調整されたKF・2HFを電解浴に用い、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、15A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約25000ppmであった。
(比較例3)
実施例1と同様のKF・2HFを電解浴として用い、F2ガス発生系Cにおいて、陽極に炭素電極、陰極にNi電極を用いて、1A/dm2の印加電流密度で定電流電解を行った。そして、約100Ahrの通電量の時点で、ガスクロマトグラフィーにより、発生したF2ガス中のO2量を測定したところ、約21000ppmであった。
第2図に前記実施例1及び比較例1、3の場合の通電量と、F2ガス中のO2量の関係を示す。
第2図に示すように、KFを乾燥して水分を脱着した後、KF・2HFに調整したものを電解浴に使用した実施例1のものは、F2ガス発生初期からF2ガス中の酸素量が少ないことがわかる。
産業上の利用可能性
本発明は、以上のように構成されており、KFが乾燥されて、表面の吸着水や結晶水が脱着された後、KF・2HFを用いることで、F2ガス発生の初期から、含有する酸素濃度の非常に低いF2ガスを安定して発生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のフッ素ガス発生装置の模式図である。第2図は、実施例1及び比較例1、3の場合の通電量と、F2ガス中のO2量の関係を示す図である。
Claims (9)
- KF・2HFからなる電解浴を電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生装置であって、
KF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系と、
前記電解浴及び前記調製系にHFを供給するHF供給系と、
前記調製系によって調製されたKF・2HFを電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生系と、を有することを特徴とするF2ガス発生装置。 - 前記調製系には、前記KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のF2ガス発生装置。
- 発生したF2ガス中の酸素濃度が2%以下である請求の範囲第1項に記載のF2ガス発生装置。
- KF・2HFからなる電解浴を電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生装置であって、
KF若しくはKF・HFからKF・2HFに調製する調製系と、
前記電解浴及び前記調製系にHFを供給するHF供給系と、
前記調製系によって調製されたKF・2HFを電気分解してF2ガスを発生するF2ガス発生系と、を備えてなり、
前記調製系、HF供給系及びF2ガス発生系の各系ごと若しくは各系全体の外部雰囲気中の水分を調整する水分制御手段が設けられていることを特徴とするF2ガス発生装置。 - 前記水分制御手段が、前記各系若しくは各系全体を収納する内部の雰囲気制御が可能な筐体である請求の範囲第4項に記載のF2ガス発生装置。
- KF・2HFからなる電解浴を電気分解してF2ガスを発生させるF2ガス発生方法であって、
KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されているKF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系において、前記KF若しくはKF・HFを所定時間、真空または不活性ガス雰囲気下で加熱、脱気した後、真空または不活性ガス雰囲気下で室温まで冷却し、次いで、該調製系内にHF供給系から気相化したHFを供給して、前記調製系内で前記KF若しくはKF・HFと前記HFとを反応させて、KF・2HFを発生し、該KF・2HFをF2ガス発生系の電解槽に供給した後、電気分解して低酸素濃度のF2ガスを発生するF2ガス発生方法。 - 前記調製系において、前記KF若しくはKF・HFを200〜300℃で加熱して、前記KF若しくはKF・HFの吸着水及び結晶水を除去する請求の範囲第6項に記載のF2ガス発生方法。
- KF若しくはKF・HF中の水分を除去する水分除去手段が付設されているKF若しくはKF・HFをKF・2HFに調製する調製系において、前記KF若しくはKF・HFを所定時間、真空または不活性ガス雰囲気下で加熱、脱気した後、真空または不活性ガス雰囲気下で室温まで冷却し、次いで、該調製系内にHF供給系から気相化したHFを供給して、前記調製系内で前記KF若しくはKF・HFと前記HFとを反応させて、KF・2HFを発生し、該KF・2HFをF2ガス発生系の電解槽に供給した後、電気分解して発生されるF2ガス。
- 酸素濃度が2%以下である請求の範囲第8項に記載のF2ガス。
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