JPWO2010103847A1 - 排ガス処理装置および排ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

半導体製造装置２０から排出される混合ガスを処理する排ガス処理装置１０は、混合ガスを通過させ、混合ガスに含まれている複数種のガスのうち主として除害の必要なモノシランガスを吸着することで、モノシランガスと除害の必要のない水素ガスとを分離する吸着分離部４０と、吸着分離部４０に吸着されているモノシランを脱離させる加熱手段と、吸着分離部４０から脱離したモノシランガスを除害するシランガス除害部５０と、吸着分離部４０によって混合ガスから分離された水素ガスを排出する水素ガス排気部６０と、を備える。

Description

本発明は、半導体製造装置から排出される複数のガス種が混合した排ガスを処理する装置および方法に関する。

従来、半導体製造用ガス、特に薄膜製造用ガスとして有用なジシランをモノシランから製造する方法が開発されている。例えば、放電法によりモノシランからジシランを製造する際に、反応ガスを、吸着剤を充填した吸着塔に送り、ジシランを吸着分離した後、未反応モノシランを反応器に循環させる方法が知られている（特許文献１）。

また、半導体製造装置、特に、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置から排出される排ガスには、除害の必要があるモノシラン、除害が不要な水素、および微粒子（高次シラン）が混在している。従来の排ガス処理装置では、微粒子をフィルタにより除去した後、残存したモノシランおよび水素を含む混合ガス（水素／モノシラン＝２〜１００）に窒素を加えた後、除害装置を用いて処理が行われている。窒素の添加量は、粉体発生の観点からモノシラン濃度が２％以下になるように調節される（特許文献２、３）。

特開昭６１−１８６２１２号公報 特開昭６２−１３４４１４号公報 特開平９−２３９２３９号公報

ところで、半導体製造装置、例えば、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置から排出される排ガスには、除害の必要がある少量のモノシラン、除害が不要な大量の水素が混在している場合がある。このように少量のモノシランに対して大量の水素を含んでいる混合ガスを、除害装置を用いて処理しようとすると、モノシランの除害に必要な設備、ひいては排ガス処理装置の大規模化を招くおそれがある。また、モノシランを燃焼により除害する場合には、燃焼用のＬＰＧガスの消費量が多くなり、システム全体のエネルギー効率が低下するおそれもある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置や工程を簡略化する技術の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の排ガス処理装置は、半導体製造装置から排出される混合ガスを処理する排ガス処理装置であって、混合ガスを通過させ、混合ガスに含まれている複数種のガスのうち主として除害の必要な第１のガスを吸着することで、該第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを分離する吸着分離部と、吸着分離部に吸着されている第１のガスを脱離させる脱離手段と、吸着分離部から脱離した第１のガスを処理する第１のガス処理部と、吸着分離部によって混合ガスから分離された第２のガスを処理する第２のガス処理部と、を備える。

この態様によると、除害の必要な第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを吸着分離部で予め分離できるため、第１のガス処理部と第２のガス処理部とでガス種毎に適切な処理が可能となる。そのため、半導体製造装置から排出された混合ガスを一体的に処理する場合と比較して装置を簡略化できる。なお、除害の必要なガスとは、例えば、そのガスの性質上何らかの処理、例えば、分解処理や合成処理による無害化を施さなければそのまま外部へ排出できないものをいう。具体的にはシランやＰＦＣが例示される。また、半導体製造装置とは、半導体そのものを製造する装置だけでなく、半導体やその関連部品の製造に際し必要な処理を行う装置も含まれる。

第１のガス処理部は、第１のガスを除害してもよい。第１のガスは吸着分離部で分離されているため、混合ガスを一体として除害する場合と比較して第１のガス処理部をコンパクトにすることができる。

第１のガス処理部は、第１のガスを精製してもよい。第１のガスは吸着分離部で分離されているため、混合ガスから第１のガスを直接精製する場合と比較して第１のガス処理部をより簡便な構成にすることができる。

吸着分離部は、第１のガスとしてモノシランを吸着する吸着剤を備えていてもよい。これにより、半導体製造装置、例えば、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置から排出される混合ガスからモノシランを分離することができる。

第２のガス処理部は、第２のガスとして水素を希釈して外部へ排出してもよい。これにより、半導体製造装置、例えば、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置から排出される混合ガスに含まれる水素を簡易な方法で外部へ排出できる。

第２のガス処理部は、第２のガスとして水素や各種希ガス、例えば、ヘリウム、アルゴンなどを精製してもよい。第２のガスである水素や各種希ガスは吸着分離部で分離されているため、混合ガスから水素や各種希ガスを精製する場合と比較してより高純度の水素や各種希ガスを簡易な構成で得ることができる。

脱離手段は、吸着分離部を加熱することで第１のガスを脱離させてもよい。これにより、加熱するタイミングを制御することで第１のガスを第２のガスと再度混合させずに第１のガス処理部へ送ることができる。

脱離手段は、吸着分離部を減圧することで第１のガスを脱離させてもよい。これにより、減圧するタイミングを制御することで第１のガスを第２のガスと再度混合させずに第１のガス処理部へ送ることができる。

吸着分離部の前段に、半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプと、ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、ガス収容部から供給される混合ガスの流量を制御する流量制御部と、を備えてもよい。

本発明の別の態様は、排ガス処理方法である。この方法は、半導体製造装置から排出される混合ガスを処理する排ガス処理方法であって、混合ガスを通過させ、混合ガスに含まれている複数種のガスのうち主として除害の必要な第１のガスを吸着剤に吸着させることで、該第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを分離する吸着分離工程と、吸着剤に吸着されている第１のガスを脱離させる脱離工程と、吸着剤から脱離した第１のガスを除害する除害工程と、混合ガスから分離された第２のガスを外部に排出する排出工程と、を備える。

この態様によると、除害の必要な第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを吸着分離工程で予め分離できるため、除害工程と排出工程とでガス種毎に適切な処理が可能となる。そのため、半導体製造装置から排出された混合ガスを一体的に処理する場合と比較して処理を簡略化できる。

本発明によれば、半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置や工程を簡略化することができる。

実施の形態１に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 分離部の具体的な構成を示す概略図である。 分離部の具体的な他の構成を示す概略図である。 実施の形態２に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 実施の形態３に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 実施例２〜５に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 実施例２において吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例２において吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例２において吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例３において吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例３において吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例３において吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。 （ａ）実施例３の条件（活性炭）でＴＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図、および（ｂ）実施例３の条件（活性炭）でＴＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。 （ａ）実施例３の条件（活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図、および（ｂ）実施例３の条件（活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。 実施例６に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。 実施例６において吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例６において吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図である。 実施例６において吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。 （ａ）実施例６の条件（活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図、および（ｂ）実施例６の条件（活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。以下では、除害の必要なガスとしてモノシラン、除害の必要のないガスとして水素を含む混合ガスに適した排ガス処理装置について説明するが、混合ガスの種類はこれに限られるものではない。例えば、除害の必要なガスとしてＰＦＣ（perfluorocarbon），ＣＨＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３などを含む混合ガスや、除害の必要のないガスとして窒素やアルゴンを含む混合ガスに対しても、吸着剤や処理条件を適宜選択することで本願の排ガス処理装置を適用できることはいうまでもない。なお、ＰＦＣとして代表的なものとしてはＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_８が挙げられる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。

半導体製造装置２０は、特に限定されないが、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置などが挙げられる。半導体製造装置２０によって製造される太陽電池は、より具体的には、少なくともアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）と微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）などの珪素を含む化合物の組合せで構成される。

半導体製造装置２０から排出される混合ガス（排ガス）は、除害が必要なモノシラン、除害が不要な水素、窒素、アルゴンおよび微量不純物を含む。微量不純物として、ジシラン、トリシランなどのＳｉを複数含む高次シラン、ＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６（それぞれ０．００１〜１％）が挙げられる。本実施の形態では、水素とモノシランの比（水素／モノシラン）は、２〜１００である。

排ガス処理装置１０は、半導体製造装置２０から排出された混合ガスを処理する。排ガス処理装置１０は、ポンプ１２、フィルタ部３０、吸着分離部４０、シランガス除害部５０、および水素ガス排気部６０を備える。

ポンプ１２は、半導体製造装置２０から排出された混合ガスを吸引し、窒素とともにフィルタ部３０に送出する。使用されるポンプの種類としては特に限定されないが、半導体製造装置にはドライポンプが一般的に使用されることが多い。ドライポンプには、気密性保持や不要な堆積物の防止、ポンプ内部の腐食防止、排気能力の向上などの目的でパージ用ガスを導入することができる。パージ用ガスとしては特に限定されないが、窒素やアルゴンなどの不活性ガスが主に使用される。また、パージ用ガスの導入量としても特に限定されないが、ポンプ１台につき１０〜５０ＮＬ／ｍｉｎ程度が一般的である。

フィルタ部３０は、高次シランを選択的に除去する微粒子捕捉フィルタである。半導体製造装置２０から排出された混合ガスはフィルタ部３０を通過する。これにより、混合ガスから高次シランが除去される。使用されるフィルタとしては特に限定されないが、渦巻式などのフィルタが使用できる。

吸着分離部４０は、混合ガスを通過させ、混合ガスに含まれているモノシランを吸着剤で吸着することで、モノシランと除害の必要のない水素とを分離する。このような吸着剤としてはゼオライト、活性炭、シリカゲル、アルミナゲル、および、３Ａ，４Ａ，５Ａ，１３Ｘ等のモレキュラーシーブなどが例示される。

図２は、吸着分離部の具体的な構成を示す概略図である。図２に示すように、吸着分離部４０は、加熱部４４、吸着剤４６ａ〜４６ｄ、吸着剤切替用バルブ４５ａ〜４５ｄ、キャリアガス導入切替用バルブ４７ａ〜４７ｄ、三方弁４８ａ〜４８ｄを有する。

加熱部４４に供給されるキャリアガスの種類は、窒素、水素、アルゴンが挙げられる。キャリアガスは４０〜２００℃に加熱され、各吸着剤４６ａ〜４６ｄに供給される。

本実施の形態に係る吸着剤４６ａ〜４６ｄは、除害の必要のないガス、例えば、水素、窒素、アルゴンなどと比較して、除害の必要のあるモノシランをより吸着することができる吸着材である。吸着剤４６ａ〜４６ｄは、その外側に、例えば電気炉のような温度を一定に保つことができる構造を有してもよい。吸着剤４６ａ〜４６ｄの内部に挿入された温度検出器（図示せず）の検出結果に基づいて温度が調整され、また、温度検出器を複数挿入することで、吸着体が把握され、吸着挙動が把握される。また、吸着剤４６ａ〜４６ｄは、その内部圧力を複数の圧力センサ（図示せず）により測定することで、吸着剤４６ａ〜４６ｄの差圧がモニタされ、吸着剤の粉化の状況が把握される。

次に、吸着剤を用いたモノシランの分離方法について具体的に説明する。はじめに、加熱部４４で２００℃程度まで加熱された窒素などのキャリアガスを各吸着剤４６ａ〜４６ｄに導入する。そして、真空ポンプ（図示せず）により０．１３ａｔｍ（１００Ｔｏｒｒ）〜１．３×１０^−３ａｔｍ（１Ｔｏｒｒ）まで排気し、１時間〜１００時間程度その状態を保持した後、吸着剤４６ａ〜４６ｄの温度を所定の温度に冷却する（吸着剤前処理）。その後、吸着剤４６ａ〜４６ｄに温度０〜１００℃、圧力０．９ａｔｍ（６８４Ｔｏｒｒ）〜９．０ａｔｍ（６８４０Ｔｏｒｒ）の混合ガスを導入すると、混合ガスに含まれているモノシランは吸着剤に吸着されるため、導入初期は吸着剤４６ａ〜４６ｄからモノシラン濃度１．０％以下のガスが排気される。また、エネルギー効率の観点から、温度は３０〜４０℃、圧力は０．９ａｔｍ（６８４Ｔｏｒｒ）〜１．１ａｔｍ（８３６Ｔｏｒｒ）の混合ガスを導入するのが好ましい。

そこで、吸着剤４６ａ〜４６ｄの排気経路が水素ガス排気部６０と連通するように三方弁４８ａ〜４８ｄが制御される。その後、所定濃度のモノシランがフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により検出された時点で、三方弁４８ａ〜４８ｄにより吸着剤４６ａ〜４６ｄと水素ガス排気部６０との経路が遮断される。

このとき、吸着剤にはモノシランが吸着されている。そこで、本実施の形態に係る吸着分離部４０は、例えば、ＴＳＡ（Temperature Swing Adsorption）プロセスにより吸着されているモノシランを脱離させる。具体的には、吸着剤４６ａ〜４６ｄを電気炉により４０〜１２０℃程度まで加熱することで吸着剤からモノシランが脱離するため、吸着剤４６ａ〜４６ｄから排気されるガスは実質的にモノシランを高濃度に含む。そこで、吸着剤４６ａ〜４６ｄの排気経路がシランガス除害部５０と連通するように三方弁４８ａ〜４８ｄが制御される。

このように、排ガス処理装置１０は、混合ガスの導入および吸着剤の加熱のタイミングを制御することで、モノシランガスを水素ガスと再度混合しないようにシランガス除害部５０へ送ることができる。また、バルブ４５ａ〜４５ｄ，４７ａ〜４７ｄにより、混合ガスもしくはキャリアガスを導入する吸着剤を順次切り替えることで、混合ガス中のモノシランの吸着および脱離を途切れることなく連続的に行うことができる。すなわち、バルブ４５ａを開放し、その他のバルブを閉じ、三方弁４８ａをＨ_２側に切り替えれば、吸着剤４６ａのみに混合ガスが流通され、混合ガス中のモノシランが吸着され、Ｈ_２側にモノシラン濃度を低減したガスを得ることができる。所定時間吸着させた後、バルブ４５ｂを開放し、その他のバルブを閉じ、三方弁４８ｂをＨ_２側に切り替えれば、吸着剤４６ｂに混合ガスが流通され、混合ガス中のモノシランが吸着され、継続してＨ_２側にモノシラン濃度を低減したガスを得ることができる。それと並行して、三方弁４８ａをＳｉＨ_４側に切り替え、上述したＴＳＡもしくはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）により吸着剤４６ａに吸着したモノシランを脱着させることで、ＳｉＨ_４側にモノシランを高濃度に含むガスを回収することができる。これらの操作を吸着剤ごとに交互に繰り返すことで、途切れることなく、Ｈ_２側、ＳｉＨ_４側に所定のガスを回収することができる。また、吸着分離部４０は、除害の必要なモノシランガスと除害の必要のない水素ガスとを予め分離できるため、シランガス除害部５０と水素ガス排気部６０とでガス種毎に適切な処理が可能となる。そのため、半導体製造装置２０から排出された混合ガスを一体的に処理する場合と比較してシランガス除害部５０をコンパクトにできる。

シランガス除害部５０は、除害化に先立ち必要に応じてモノシランガスを希釈するための窒素を導入する導入管５２が設けられている。シランガス除害部５０は、吸着分離部４０によって分離され、窒素で希釈されたモノシラン（モノシラン２ｖｏｌ％以下）を除害する。シランガス除害部５０によるモノシランの除害の方式としては、燃焼による除害（燃焼除害）、吸着剤による除害（乾式除害）などが挙げられる。燃焼除害の場合には、除害装置内でＬＰＧガスなどの可燃ガスをバーナーで燃焼させ、モノシランが燃焼処理される。燃焼ガスは、フィルタにより粉塵等が除去された後、排気される。乾式除害の場合には、例えば、酸化銅を主成分とする処理剤を用いることによりモノシランが除害される。

水素ガス排気部６０は、単に回収した水素を燃焼処理や燃料として利用したり、回収ガス中のモノシラン濃度を許容濃度以下（５ｐｐｍｖ以下）になるように、導入管６２から、窒素や空気などを導入して希釈した後、外部に放出されるように構成してもよい。また、この希釈の際は、水素濃度を爆発限界以下（４ｖｏｌ％以下）まで希釈する方が安全上好ましい。なお、回収ガス中のモノシラン濃度を低減するため、希釈する前に、選択的にモノシランを除害することができるような機構を付加してもよい（図示せず）。選択的に除害する除害剤としては特に限定されないが、酸化剤や吸着剤などが挙げられる。

図３は、吸着分離部の他の具体的な構成を示す概略図である。図３に示すように、吸着分離部１４０は、吸着剤４６ａ〜４６ｄ、三方弁４８ａ〜４８ｄ、ポンプ４９を有する。吸着分離部１４０は、図２に示す吸着分離部４０と異なり、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）プロセスにより吸着されているモノシランを脱離させる。具体的には、吸着剤４６ａ〜４６ｄをポンプ４９により０．５ａｔｍ（３８０Ｔｏｒｒ）〜２．０×１０^−３ａｔｍ（１．５Ｔｏｒｒ）まで減圧することで吸着剤からモノシランが脱離するため、吸着剤４６ａ〜４６ｄから排気されるガスは実質的にモノシランを高濃度に含む。そこで、吸着剤４６ａ〜４６ｄの排気経路がシランガス除害部５０と連通するように三方弁４８ａ〜４８ｄが制御される。

このように、排ガス処理装置１０は、混合ガスの導入および吸着剤内の減圧のタイミングを制御することで、モノシランガスを水素ガスと再度混合しないようにシランガス除害部５０へ送ることができる。

以上説明した排ガス処理装置１０によれば、微粒子（高次シラン）を取り除いた後の混合ガス（モノシランおよび水素を含有）を吸着剤を用いて吸着分離することにより、除害の必要なモノシランと除害の不必要な水素とが分離される。水素は窒素などのガスで希釈後、大気に放出される。また、モノシランは窒素希釈後、モノシラン除害部にて除害される。モノシランのみをモノシラン除害部で処理することにより、除害設備の規模を小さくでき、ひいては排ガス処理装置をコンパクトにすることができる。また、モノシランを燃焼により除害する場合、燃料用のＬＰＧガスの消費量を少なくすることができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。実施の形態２に係る排ガス処理装置は、以下の点で実施の形態１と共通する。すなわち、半導体製造装置２０から排出された混合ガスをポンプ１２を用いてフィルタ部３０に送出し、フィルタ部３０で高次シランを除去した後、吸着分離部４０を用いて混合ガスを水素とモノシランとに分離する。

本実施の形態では、モノシラン精製部７０および水素精製部８０を備える点で、実施の形態１と相違する。

モノシラン精製部７０は、吸着剤を用いて吸着分離部４０により分離されたモノシランを精製する。吸着剤としては、ゼオライトが挙げられる。モノシラン精製部７０により精製されたモノシランは、原料として再利用が可能である。本実施の形態では、モノシランガスは吸着分離部４０で分離されているため、混合ガスからモノシランガスを直接精製する場合と比較してモノシラン精製部７０をより簡便な構成にすることができる。なお、吸着剤は、混合ガスに含まれるＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６などの不純物を吸着できるものが好ましい。

水素精製部８０は、吸着剤を用いて吸着分離部４０により分離された水素を精製する。吸着剤としては、酸化銅などが挙げられる。水素精製部８０により精製された水素は、原料として再利用が可能である。本実施の形態では、水素ガスは吸着分離部４０で分離されているため、混合ガスから水素ガスを直接精製する場合と比較して高純度の水素を簡易な構成の水素精製部８０により得ることができる。なお、吸着剤は、混合ガスに含まれるＰＨ_３、Ｂ_２Ｈ_６などの不純物も吸着できるものが好ましい。

水素を再利用する場合、精製された水素の純度により下記のように用途を分けることができる。

純度９９．９９％以上の場合・・・水素ステーション、燃料電池用の燃料ガス、精製水素
純度９９．９９９％以上の場合・・・成膜原料
本実施の形態によれば、排ガス処理装置をコンパクトに保ちつつ、排ガスに含まれるモノシランおよび水素を再利用することができる。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。実施の形態３に係る排ガス処理装置は、以下の点で実施の形態１と共通する。すなわち、半導体製造装置２０から排出された混合ガスをポンプ１２を用いてフィルタ部３０に送出し、フィルタ部３０で高次シランを除去した後、吸着分離部４０を用いて混合ガスを水素とモノシランとに分離し、その後、シランガス除害部５０、および水素ガス排気部６０に分離ガスを送出する。

本実施の形態では、吸着分離部４０の前段に、ポンプ１２により排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機３１と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部３２と、ガス収容部３２から供給される混合ガスの流量を制御する流量制御部３３と、流量制御部３３で一定流量に制御された混合ガスの成分ガス濃度を測定する供給側ガス分析部３４と、吸着分離部４０から送出された混合ガスの成分ガス濃度を測定する水素ガス側ガス分析部３５およびシランガス側ガス分析部３６を備える点で、実施の形態１と相違する。

半導体製造装置２０の運転条件、特に流量や圧力が大きく変動する場合や、運転条件の異なる複数の半導体製造装置の排ガスをまとめて処理する場合などは、上記の圧縮機３１、ガス収容部３２および流量制御部３３を備えることにより、吸着分離部４０に供給される混合ガスの流量を一定に制御することができる。

圧縮機３１としては、特に限定されないが、ダイヤフラム式圧縮機、遠心圧縮機、軸流圧縮機、レシプロ圧縮機、ツインスクリュー圧縮機、シングルスクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、ロータリー圧縮機等が挙げられるが、中でもダイヤフラム式圧縮機がより好ましい。

圧縮機３１の運転条件としては、特に限定されないが、圧縮後の混合ガスの温度がモノシランの分解温度である２００℃以下となるように運転するのが好ましい。つまり、ポンプ１２から排出された混合ガスを常圧から圧縮すると考えると、圧縮比４．４以下で圧縮機を運転することが望ましい。

圧縮機３１に使用される圧縮機の構成に関しては、特に限定されないが、圧縮機に供給される混合ガスの流量が変動した場合でも圧縮機を安定して運転するために、インバーターを併設した構成、あるいは、圧縮機で一旦圧縮した混合ガスを再度圧縮機のサクション側に戻すスピルバック方式の構成を有することが好ましい。

ガス収容部３２は、半導体製造装置２０からポンプ１２を通して排出される混合ガスの流量や圧力が不安定な場合や、複数の半導体製造装置２０からの排出ガスをまとめて処理する場合において、十分な容量のタンク等に集めることで、各々の半導体製造装置２０から排出される混合ガスの流量、圧力変動を平均化し、吸着分離部４０に常に一定流量、圧力の混合ガスを流通させるためのものである。また、構造を工夫することで、混合ガスに含まれる微粒子を除去する機能を付与することも可能である。

ガス収容部３２に使用されるタンクのサイズは、特に限定されないが、１台の半導体製造装置の場合は、その装置の最大流量、複数台の半導体製造装置をまとめて処理する場合は、各々の半導体製造装置に供給するガスの最大流量の合計値以上にすることが望ましい。

ガス収容部３２に使用されるタンク内の圧力は、特に限定されないが、１〜１００ａｔｍ、好ましくは３〜２０ａｔｍにすることが望ましい。

また、装置の運転開始時には、ガス収容部３２の出口バルブを閉じた状態で、排ガスを圧縮機３１からガス収容部３２に供給し、ガス収容部３２に蓄圧することが好ましい。これにより、半導体製造装置２０の排ガス流量が大きく変動した際にも、吸着分離部４０への供給流量を一定に保つための十分な圧力を維持することが可能になると共に、ガス収容部３２に収容できるガス量を増加することができるため、ガス収容部３２の容積を小さくすることができる。さらには、十分な圧力を蓄圧すれば、吸着分離部４０の吸着圧力を高く設定できるため、脱離圧力との差圧を十分取ることができ、運転上も有利になる。

蓄圧する圧力としては、１〜１００ａｔｍ、好ましくは、２〜５０ａｔｍ、さらに好ましくは、３〜２０ａｔｍが望ましい。また、その際の吸着圧力は、蓄圧した圧力の９０％以下、好ましくは、８０％以下が望ましい。これは、具体的には、１０ａｔｍ蓄圧した場合の吸着圧力としては、９ａｔｍ以下、好ましくは８ａｔｍ以下が望ましいということである。また、上述したＰＳＡ方式で吸着したモノシランを脱離する圧力としては、吸着圧力の半分以下、好ましくは１／４以下まで減圧することが望ましい。これは、具体的には、吸着圧力が４ａｔｍの場合、脱離圧力としては、２ａｔｍ以下、好ましくは１ａｔｍ以下が望ましいということである。

流量制御部３３は、混合ガスの流量を、一定に制御するためのものである。その制御方法に関して特に限定されないが、流量制御部３３に供給される混合ガスの圧力変動の影響を受けないものが望ましく、例えば、マスフローコントローラーなどが挙げられる。

吸着分離部４０に供給および排出される混合ガスの流量ならびに成分ガスの濃度、特に、ガス中の水素および／またはモノシラン濃度を測定するために、供給側ガス分析部３４、水素ガス側ガス分析部３５およびシランガス側ガス分析部３６、を設置することができる。これらのガス分析部では、少なくとも、混合ガスの流量ならびに混合ガス中の水素濃度および／またはモノシラン濃度を測定できれば、その方法は特に限定されないが、例えば、流量に関しては、乾式や湿式の一般的な流量計を使用することができ、また水素濃度および／またはモノシランの濃度の測定では、ガス流通式のサンプルセルを備えたＦＴ−ＩＲや、オンライン式のガスクロマトグラフ等が挙げられる。

上述した分析部での流量や、水素濃度および／またはモノシラン濃度の測定結果を元に、吸着および脱着の条件、吸着剤を切替えるタイミング、水素ガス処理部７での水素精製や希釈条件、シランガス処理部８でのモノシラン精製、希釈、除害条件などの運転条件に反映させることもできる。

例えば、シランガス処理部８で、回収したモノシランを除害処理し、排気する場合、除害装置の仕様にあわせて、回収したモノシランを所定濃度まで希釈する必要があるが、その際、シランガス側ガス分析部３６のデータがあれば、無駄に希釈しすぎたり、希釈不足で、除害装置に不具合を発生させたりといったことを防ぐことができる。また、水素ガス処理部でも同様に水素ガス側ガス分析部３５のデータがあれば、無駄に希釈しすぎることなく適切な希釈ガスの流量を選択することができる。

また、シランガス処理部８に、モノシラン精製部７０を設け、モノシランガスを精製処理し、再利用する場合は、シランガス側ガス分析部３６で、流量、モノシラン濃度以外に、回収したモノシラン中の微量不純物をガスクロマトグラフなどにより分析することで、最適な精製処理の条件を選択したり、不純物が多すぎる場合などは、精製処理せず、除害処理にまわすといった選択も可能になる。この時にはガス分析部の後段に除害部と再利用のラインを切り替えるバルブを設置することが好ましい。また、水素ガス処理部７に水素精製部８０を設け、水素ガスを精製処理し、再利用する場合も上記同様である。

なお、上述の制御は、各種測定値を取り込んで、制御値を管理する演算制御部（図示せず）を用いて実行することが好ましい。

また、半導体製造装置２０では成膜によるチャンバー内の堆積物を除去するためにケミカルクリーニングが行われることがある。ケミカルクリーニングでは、チャンバーに堆積したシリコン薄膜を除去するために、ＮＦ_３やＦ_２などのガスの導入下でプラズマ処理することが一般的である。しかしながら、これらのガスは支燃性であるため、水素やモノシランのような可燃性ガスとの接触は避けなければならず、図５のようにポンプ１２の後に切替バルブ１３を設置し、ケミカルクリーニングの排ガスが出てくる際には、支燃系ガス処理系に切替えてシラン系ガスの処理ラインに混入することを防ぐことが好ましい。この切替バルブはポンプ自体にその機構が内蔵されていてもよい。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、実施の形態１に係る排ガス処理装置と実施の形態２に係る排ガス処理装置とを組み合わせ、モノシランおよび水素のいずれか一方を精製する構成としてもよい。

また、分離されたモノシランおよび水素の少なくとも一方を、弁切り換えなどにより、必要に応じて精製できるような構成としてもよい。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
各種吸着材のモノシラン、水素、窒素、アルゴンの平衡吸着量を測定した。表１は、各種吸着剤へのモノシランの平衡吸着量を示したものであり、表２は、各種吸着剤への水素の平衡吸着量を示したものであり、表３は、各種吸着剤への窒素の平衡吸着量を示したものであり、表４は、各種吸着剤へのアルゴンの平衡吸着量を示したものである。

表１、表２、表３、表４より明らかなように、各種吸着剤は、除害の必要のないガス、例えば水素、窒素、アルゴンと比較して除害の必要なモノシランをより吸着することができる。

（実施例２）
図６は、実施例２〜５に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。図６に示すように、上述の実施の形態に係る排ガス処理装置を半導体製造装置２０の一つである薄膜シリコン太陽電池製造用ＰＥ−ＣＶＤ装置２１に接続して排ガスの吸着分離を実施した。吸着分離部は、加熱部４４、吸着塔２６ａ〜２６ｃ、吸着剤切替用バルブ２７ａ〜２７ｃ、キャリアガス導入切替用バルブ２８ａ〜２８ｃ、三方弁２９ａ〜２９ｃを有する。加熱部４４に供給されるキャリアガスの種類は、窒素、水素、アルゴンが挙げられる。キャリアガスは４０〜２００℃に加熱され、各吸着塔２６ａ〜２６ｃに供給される。

各吸着塔２６ａ〜２６ｃには各種吸着剤をそれぞれ１１０Ｌ充填した。吸着塔の直径は４００ｍｍである。まず、吸着剤の前処理を行うため、キャリアガスとして窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ流通しながら、吸着塔の温度を２００℃まで昇温し、その後、窒素流通を止め、ドライポンプで１０Ｔｏｒｒまで真空引きしながら、２時間保持した後、吸着塔の温度を室温まで冷却し、吸着塔の圧力をキャリアガスとして水素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入して常圧に戻した。

次に、キャリアガスの水素の流通を停止すると共に、ＰＥ−ＣＶＤ装置２１の排ガスを吸着分離部に供給した。ドライポンプ２２ａのパージ窒素は導入せず、吸着分離部に供給される混合ガスの総流量は６３ＮＬ／ｍｉｎ、水素およびモノシランの濃度はそれぞれ、９５．２ｖｏｌ％、４．８ｖｏｌ％であった。また、供給ガス圧力は常圧、温度は３０℃であった。その際に得られた各種吸着剤の破過曲線を、図７〜図９に示す。図７は、吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図、図８は、吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図、図９は、吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。いずれの吸着剤においても、混合ガスに含まれているモノシランが吸着剤に吸着され、モノシラン濃度として１００ｐｐｍｖを一定時間達成した。

なお、図６に示すガス分析装置２４ａは、ＰＥ−ＣＶＤ装置２１の排ガスの流量ならびに水素濃度およびモノシラン濃度を測定するものである。ガス分析装置２４ａを通過した排ガスは、温度制御部２５で一定温度に制御され、吸着塔２６ａ〜２６ｃのいずれかに流入する。吸着塔２６ａ〜２６ｃのいずれかでモノシランを吸着分離した後のガスは、ガス分析装置２４ｂで流量ならびに水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。吸着分離後のガスは、その測定結果に基づいてモノシラン濃度５ｐｐｍｖ未満、水素濃度４ｖｏｌ％未満になるように窒素で希釈され、ブロア５４ａによって大気に放出される。

（実施例３）
ドライポンプ２２ａのパージ窒素を、１０ＮＬ／ｍｉｎ供給した以外は、実施例２と同様の条件で、その際に得られた各種吸着剤の破過曲線を、図１０〜図１２に示す。図１０は、吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図、図１１は、吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図、図１２は、吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。供給ガスに窒素が混入した場合においても、モノシラン濃度として１００ｐｐｍｖを一定時間達成した。

（実施例４）
図１３（ａ）は、実施例３の条件（吸着剤は活性炭）でＴＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。図１３（ｂ）は、実施例３の条件（吸着剤は活性炭）でＴＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。ＴＳＡの条件は、以下の通りである。吸着塔１（２６ａ）で排ガスの吸着を３時間実施した後、吸着塔１（２６ａ）への排ガスの供給を停止すると共に、排ガスの供給を吸着塔２（２６ｂ）に切替えた。吸着塔１（２６ａ）にキャリアガスとして水素を１００ＮＬ／ｍｉｎ流通し、吸着塔の温度を１．０℃／ｍｉｎの速度で３０℃から８０℃まで昇温し、その後８０℃で１３０分保持した。その後、３０℃まで６０分間で冷却し、その状態を２時間保持した。その後、排ガスの供給を再度開始した。その間、吸着塔２（２６ｂ）でも、排ガスの吸着を３時間実施した後、排ガスの供給を吸着塔３（２６ｃ）に切替え、上記同様の操作を行った。
脱着側ガスは、ガス分析装置２４ｃで流量ならびに水素濃度およびモノシラン濃度が測定された後、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、燃焼除害装置５３により燃焼され除害される。燃焼除害装置５３により燃焼されて排出されるガスは、ブロア５４ｂによりバグフィルタ５５に導入され、燃焼の際に発生した粉体等の異物を除去後、ブロア５４ｃによって大気に放出される。

（実施例５）
図１４（ａ）は、実施例３の条件（吸着剤は活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。図１３（ｂ）は、実施例３の条件（吸着剤は活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。ＰＳＡの条件は、以下の通りである。吸着塔１（２６ａ）で排ガスの吸着を３時間実施した後、吸着塔１（２６ａ）への排ガスの供給を停止すると共に、排ガスの供給を吸着塔２（２６ｂ）に切替えた。その後、吸着塔１（２６ａ）の圧力をドライポンプ２２ｂおよび背圧弁５１ａにて常圧から−０．１ＭＰａＧまで１００分間かけて一定速度で減圧し、その後−０．１ＭＰａで８０分間保持した。その後、キャリアガスとして水素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入し、吸着塔１（２６ａ）の圧力を常圧まで６０分間で戻し、その状態を２時間保持した。その後、排ガスの供給を再度開始した。その間、吸着塔２（２６ｂ）でも、排ガスの吸着を３時間実施した後、排ガスの供給を吸着塔３（２６ｃ）に切替え、上記同様の操作を行った。

（実施例６）
図１５は、実施例６に係る排ガス処理装置の概略を示す系統図である。図１５に示すように、フィルタ２３の後段に圧縮機４１および気密タンク４２を導入し、高圧で吸着分離部に混合ガスを供給して吸着分離実験を実施した。条件は、ドライポンプ２２ａのパージ窒素を５０ＮＬ／ｍｉｎ供給し、吸着分離部に供給される混合ガスの総流量は２５０ＮＬ／ｍｉｎであり、水素およびモノシランの濃度はそれぞれ、７６．０ｖｏｌ％、４．０ｖｏｌ％であった。また、供給ガス圧力は０．４ＭＰａＧ、温度は３０℃であった。その際に得られた各種吸着剤の破過曲線を、図１６〜図１８に示す。図１６は、吸着剤にＭＳ−５Ａを使用した場合の破過曲線を示す図、図１７は、吸着剤にＭＳ−１３Ｘを使用した場合の破過曲線を示す図、図１８は、吸着剤に活性炭を使用した場合の破過曲線を示す図である。いずれの吸着剤においても、混合ガスに含まれているモノシランが吸着剤に吸着され、モノシランの最低濃度として１００ｐｐｍｖを一定時間達成した。

（実施例７）
図１９は、実施例６の条件（活性炭）でＰＳＡプロセスにより吸脱着を繰り返した時の吸着側ガスおよび脱着側ガスのモノシラン濃度の時間変化を示した図である。ＰＳＡの条件は、以下の通りである。吸着塔１（２６ａ）で排ガスの吸着を３時間実施した後、吸着塔１（２６ａ）への排ガスの供給を停止すると共に、排ガスの供給を吸着塔２（２６ｂ）に切替えた。その後、吸着塔１（２６ａ）の圧力をドライポンプ２２ｂにて常圧から−０．１ＭＰａＧまで１００分間かけて一定速度で減圧し、その後−０．１ＭＰａで８０分間保持した。その後、キャリアガスとして水素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入し、吸着塔１（２６ａ）の圧力を常圧まで６０分間で戻し、その状態を２時間保持した。その後、排ガスの供給を再度開始した。その間、吸着塔２（２６ｂ）でも、排ガスの吸着を３時間実施した後、排ガスの供給を吸着塔３（２６ｃ）に切替え、上記同様の操作を行った。

７ 水素ガス処理部、 ８ シランガス処理部、 １０ 排ガス処理装置、 １２ ポンプ、 １３ 切替バルブ、 ２０ 半導体製造装置、 ２１ ＰＥ−ＣＶＤ装置、 ２２ａ，２２ｂ ドライポンプ、 ２３ フィルタ、 ２４ａ〜２４ｃ ガス分析装置（ＦＴ−ＩＲ，ＧＣ）、 ２５ 温度制御部、 ２６ａ〜２６ｃ 吸着塔、 ２７ａ〜２７ｃ 吸着剤切替用バルブ、 ２８ａ〜２８ｃ キャリアガス導入切替用バルブ、 ２９ａ〜２９ｃ 三方弁、 ３０ フィルタ部、 ３１ 圧縮機、 ３２ ガス収容部、 ３３ 流量制御部、 ３４ 供給側ガス分析部、 ３５ 水素ガス側ガス分析部、 ３６ シランガス側ガス分析部、 ４０ 吸着分離部、 ４１ 圧縮機、 ４２ 気密タンク、 ４４ 加熱部、 ４５ａ〜４５ｄ バルブ、 ４６ａ，４６ｂ 吸着剤、 ４８ａ，４８ｂ 三方弁、 ４９ ポンプ、 ５０ シランガス除害部、 ５１ａ，５１ｂ 背圧弁、 ５２ 導入管、 ５３ 燃焼除害装置、 ５４ａ〜５４ｃ ブロア、 ５５ バグフィルタ、 ６０ 水素ガス排気部、 ６２ 導入管、 ７０ モノシラン精製部、 ８０ 水素精製部、 １４０ 吸着分離部。

Claims (10)

1. 半導体製造装置から排出される混合ガスを処理する排ガス処理装置であって、
   前記混合ガスを通過させ、前記混合ガスに含まれている複数種のガスのうち主として除害の必要な第１のガスを吸着することで、該第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを分離する吸着分離部と、
   前記吸着分離部に吸着されている前記第１のガスを脱離させる脱離手段と、
   前記吸着分離部から脱離した前記第１のガスを処理する第１のガス処理部と、
   前記吸着分離部によって混合ガスから分離された前記第２のガスを処理する第２のガス処理部と、
   を備えることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記第１のガス処理部は、前記第１のガスを除害することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記第１のガス処理部は、前記第１のガスを精製することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
4. 前記吸着分離部は、前記第１のガスとしてモノシランを吸着する吸着剤を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
5. 前記第２のガス処理部は、前記第２のガスとして水素を希釈して外部へ排出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
6. 前記第２のガス処理部は、前記第２のガスとして水素を精製することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
7. 前記脱離手段は、前記吸着分離部を加熱することで前記第１のガスを脱離させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
8. 前記脱離手段は、前記吸着分離部を減圧することで前記第１のガスを脱離させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
9. 前記吸着分離部の前段に、半導体製造装置から排出された前記混合ガスを排気するポンプと、前記ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、ガス収容部から供給される混合ガスの流量を制御する流量制御部と、を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
10. 半導体製造装置から排出される混合ガスを処理する排ガス処理方法であって、
    前記混合ガスを通過させ、前記混合ガスに含まれている複数種のガスのうち主として除害の必要な第１のガスを吸着剤に吸着させることで、該第１のガスと除害の必要のない第２のガスとを分離する吸着分離工程と、
    前記吸着剤に吸着されている前記第１のガスを脱離させる脱離工程と、
    前記吸着剤から脱離した前記第１のガスを除害する除害工程と、
    混合ガスから分離された前記第２のガスを外部に排出する排出工程と、
    を備えることを特徴とする排ガス処理方法。

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