JPWO2018221067A1 - 排ガスの減圧除害方法及びその装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギーの利用効率に優れた排ガスの除害方法とその装置とを提供する。すなわち、本発明は、真空ポンプを介して発生源より供給される排ガスを、減圧状態に保ち高温プラズマの熱で分解処理することを特徴とする排ガスの減圧除害方法及びその装置である。

Description

本発明は、主として電子産業の製造プロセスより排出される可燃性ガス、有毒ガス、温室効果ガスなどの有害ガスの処理に好適な排ガスの除害方法とその装置とに関する。
半導体や液晶などを製造する電子産業では、シリコン窒化膜ＣＶＤ，シリコン酸化膜ＣＶＤ，シリコン酸窒化膜ＣＶＤ，ＴＥＯＳ酸化膜ＣＶＤ，高誘電率膜ＣＶＤ，低誘電率膜ＣＶＤ及びメタル膜ＣＶＤなどの様々なＣＶＤプロセスが使われる。
このうち、例えばシリコン系薄膜の形成には、主として爆発性や毒性を有するシラン系ガスを用いたＣＶＤ法が使われている。このＣＶＤ法で使用された上記シラン系ガスを含むプロセスガスは、ＣＶＤプロセスで使用された後、排ガスとして下記の特許文献１に記載のような除害装置で無害化されるが、従来より、かかる除害装置の手前で、排ガス中のシラン系ガスを爆発限界以下まで希釈するために大量の希釈用窒素ガスが投入されていた。
ここで、典型的なシリコン酸窒化膜ＣＶＤでは、ＳｉＨ4／ＮＨ3／Ｎ2Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍ(ｓｌｍ；standard liter per minute，１ａｔｍ、０℃における１分間辺りの流量をリットルで表示した単位)が使われるが、ＳｉＨ4の爆発範囲が１．３％〜１００％であるため、ＣＶＤプロセスから排出されたこのようなガスは、直ちに希釈用窒素ガスで約７６倍程度希釈をする必要がある。かかる希釈を行えば、従来の燃焼方式や例えば下記の特許文献１(日本国・特許第４７９６７３３号公報)に示す大気圧プラズマ方式の熱分解装置で安全且つ確実に除害処理をすることができる。
特許第４７９６７３３号公報
しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、上述のように窒素ガスで希釈されたシラン系ガスを含む排ガス全体を分解温度まで加熱するのに必要なエネルギーは、希釈前のシラン系ガスを含む排ガスのみを加熱する場合の約７６倍のエネルギーが必要となる。つまり、従来の窒素ガスでの希釈が必要な除害プロセスでは、多量な窒素ガスの使用に伴うコストアップのみならず、排ガスの除害に直接関係が無い窒素ガスも加熱しなければならないため、エネルギー効率が低く、電力或いは燃料などのコストアップも招いていた。
また、特に、従来の大気圧プラズマ方式の熱分解装置では、プラズマの生成が大気圧下であるため、極めて高い電圧が必要であり、失火などのトラブルも多いと言う問題があった。また、排ガス処理空間の壁面からの放熱も多くエネルギーのロスが大きいと言った課題もあった。さらに、ガス流速も遅く、排ガス処理空間内での粉体成長が進む結果、頻繁なメンテナンスが必要であると言う問題もあった。
それゆえに、本発明の主たる目的は、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギー効率に優れた経済性の高い排ガスの除害方法とその装置とを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、排ガスの除害を減圧下で行なう事により対処している。
すなわち、本発明における第１の発明は、真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥを、減圧状態に保ち高温プラズマ２２の熱で分解処理する、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法である。
この第１の発明は、例えば、次の作用を奏する。
真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥを、減圧状態に保ち高温プラズマ２２の熱で分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りることとなる。
また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、高温プラズマ２２の熱のほぼ全てを直接的に排ガスＥの分解に使用することができるのに加え、排ガスＥの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガスＥ中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても、高温プラズマ２２の熱で加熱分解処理される前に当該排ガスＥが系外へ漏れ出す心配はない。
さらに、本発明では、「排ガスＥを減圧状態に保ち高温プラズマ２２の熱で分解処理する」、換言すれば「熱分解処理の熱源として使用する高温プラズマ２２が減圧下で生成される」ため、大気圧に比べて低電圧で高温プラズマ２２を生成することができる。その結果、失火を抑え、且つ低パワーで排ガスＥの除害ができる。また、排ガス処理空間の壁面からの放熱を減らしてエネルギー効率を改善できると共に、ガス流速が大気圧の約２〜１０倍になるので、反応生成物である粉体の排ガス処理空間内での滞留や成長を抑えることができ、メンテナンスサイクルを延ばすことができる。
ここで、前記第１の発明においては、前記の減圧状態が、５０Ｔｏｒｒ以上で且つ４００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましい。
減圧状態が５０Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が４００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスＥを多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。
本発明における第２の発明は、上記の排ガスの減圧除害方法を実施するための装置であって、例えば図１及び図２に示すように、排ガスの減圧除害装置１０を次のように構成した。
すなわち、本発明の排ガスの減圧除害装置１０は、真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥを高温プラズマ２２の熱で分解処理する反応室１８と、上記の反応室１８内に向けて上記の高温プラズマ２２を放出するプラズマ生成手段２０と、上記の真空ポンプ１４の排気口から上記の反応室１８に亘って減圧する後段真空ポンプ２４とを備える。
この第２の発明において、前記プラズマ生成手段２０に、高温プラズマ生成用の流体として窒素，酸素，アルゴン，ヘリウム又は水からなる群より選ばれる少なくとも１種を供給するプラズマ生成用流体供給手段２６を設けることが好ましい。
大気圧プラズマの場合、高温プラズマ生成用の流体(すなわち作動ガス)として単一のガス以外に余計なガスを入れるとプラズマが安定しなくなる。しかしながら、減圧下で高温プラズマ２２を生成させる本発明の排ガスの減圧除害装置１０では、当該プラズマが非常に安定するため、高温プラズマ生成用の流体として、メインの作動ガスとなるものに加え、反応補助ガスとなる副成分のガスも必要に応じて同時に入れることができる。その結果、目的に応じた多様な高温プラズマ２２を生成することができる。
また、第２の発明において、前記プラズマ生成手段２０における高温プラズマ発生方法が直流アーク放電又は誘導結合プラズマ又は容量結合プラズマであるのが好ましい。
この場合、プラズマ生成手段２０として、従来の大気圧プラズマ方式のものを直接的に流用することができる。
本発明によれば、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギー効率に優れた経済性の高い排ガスの除害方法とその装置とを提供することができる。
本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置の概要を示す図である。 本発明における排ガスの減圧除害装置の反応筒の一例を示す正面視部分断面図である。
以下、本発明の一実施形態を図１及び図２によって説明する。
図１は、本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置１０の概要を示す図である。この図が示すように、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０は、ＣＶＤ装置などの排ガス発生源１２より真空ポンプ１４を介して供給される排ガスＥを除害するための装置であり、反応室１８及びプラズマ生成手段２０を有する反応筒１６と、後段真空ポンプ２４とで大略構成される。
ここで、図１の実施形態では、排ガス発生源１２としてシリコン酸窒化膜ＣＶＤ装置の例を示している。典型的なシリコン酸窒化膜ＣＶＤ装置ではプロセスガスとしてＳｉＨ4／ＮＨ3／Ｎ2Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍが、又、クリーニングガスとしてＮＦ3／Ａｒ＝１５ｓｌｍ／１０ｓｌｍがそれぞれ使用されており、またクリーニング反応の生成物としてＳｉＦ4が約１０ｓｌｍほど排出されるとみられる。使用済みとなったこれらのガスが排ガスＥとして真空ポンプ１４を介して減圧除害装置１０へと供給される。なお、シリコン酸窒化膜ＣＶＤのような半導体デバイスの製造プロセスでは、真空ポンプ１４として主にドライポンプが使用される。したがって、この真空ポンプ１４に供給されているＮ2(窒素ガス)は、当該ポンプ１４の軸シールのために供給されるパージＮ2である。
反応筒１６は、ハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料で形成され、その軸が上下方向を向くように立設された略円筒状のケーシング１６ａを有する(図２参照)。このケーシング１６ａの内部空間は排ガスＥを分解処理する反応室１８となっており、当該ケーシング１６ａの外周壁上端部には、配管３０を介して真空ポンプ１４の排気口に連通する排ガス入口３２が設けられる。一方、当該ケーシング１６ａの下部には、水平方向に延びる管路１６ｃの基端部が接続され、その管路１６ｃの先端には後段真空ポンプ２４の吸気口に直結する排ガス出口３４が設けられる。
そして、このケーシング１６ａの天井部には、開口１６ｂが穿設されており、その開口１６ｂにプラズマ生成手段２０が取り付けられる(図２参照)。
プラズマ生成手段２０は、プラズマアーク或いはプラズマジェットからなる高温プラズマ２２を生成するためのもので、本実施形態では、高温プラズマ発生方法として直流アーク放電を採用したプラズマジェットトーチ３６を備える(図２参照)。
このプラズマジェットトーチ３６は、黄銅などの金属材料からなるトーチボディ３６ａを有する。このトーチボディ３６ａの先端(図２における下端)にはアノード３８が連設されており、そのアノード３８の内部には棒状のカソード４０が取着される。
アノード３８は、銅，銅合金，ニッケルまたはタングステンなどの高い導電性を有する高融点金属で構成され、内部にプラズマ発生室３８ａが凹設された円筒状のノズル電極である。このアノード３８の下面中心部には前記プラズマ発生室３８ａ内で生成したプラズマジェットからなる高温プラズマ２２を噴出させる噴出孔３８ｂが貫設される。
カソード４０は、トリウム或いはランタンを混入させたタングステンなどからなり先端に向けてその外径が紡錘状に縮径した先端部が上記プラズマ発生室３８ａに配設される棒状の電極部材である。
なお、アノード３８とカソード４０との間には、トーチボディ３６ａを介してこれらの間で通電(短絡)しないように四フッ化エチレン樹脂やセラミックなどの絶縁材料(図示せず)が介装されている。また、アノード３８およびカソード４０の内部には、冷却水通流路(図示せず)が設けられており、これらの部材を冷却するようにしている。
以上のように構成されたプラズマジェットトーチ３６のアノード３８およびカソード４０には、所定の放電電圧を印加してそのアノード３８とカソード４０との間にアークを生起させる電源ユニット４２が接続される。なお、この電源ユニット４２としては、所謂スイッチング方式の直流電源装置が好適である。
また、以上のように構成されたプラズマ生成手段２０には、プラズマ生成用流体供給手段２６が設けられている。
このプラズマ生成用流体供給手段２６は、アノード３８のプラズマ発生室３８ａ内に、窒素，酸素，アルゴン，ヘリウム又は水からなる群より選ばれる少なくとも１種を高温プラズマ生成用の流体として送給するものであり、図示しないが、これらの流体を貯蔵する貯蔵タンクと、この貯蔵タンクとアノード３８のプラズマ発生室３８ａとを連通する配管系とを有する。なお、この配管系にはマスフローコントローラなどの流量制御手段が取り付けられている。
後段真空ポンプ２４は、真空ポンプ１４の排気口から反応筒１６の反応室１８に亘って所定の真空度まで減圧すると共に、反応室１８で除害処理された排ガスＥを吸引して排出するためのポンプである。本実施形態では、この後段真空ポンプ２４として水封ポンプを用いる。このため、後段真空ポンプ２４の排気口側には、この後段真空ポンプ２４から混ざった状態で排出される処理済の排ガスＥと封水とを分離させる気液分離コアレッサーなどのようなセパレーター４４が必要に応じて装着される(図１参照)。
ここで、後段真空ポンプ２４によって作り出される真空ポンプ１４の排気口から反応室１８に亘る排ガス通流領域の減圧状態は、５０Ｔｏｒｒ以上で且つ４００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは１００±４０Ｔｏｒｒの範囲内である。減圧状態が５０Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が４００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスＥを大気圧下と同程度の多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。
なお、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０には、図示しないが、プラズマ生成手段２０での高温プラズマ２２の生成や後段真空ポンプ２４等の作動に必要な各種検出機器，制御機器及び電源などが備えられていることは言うまでもない。
次に、以上のように構成された排ガスの減圧除害装置１０を用いた排ガスＥの減圧除害方法について説明する。
排ガス発生源１２から排出される排ガスＥは真空ポンプ１４を介して反応筒１６へと送られる。ここで、後段真空ポンプ２４を作動させることにより、排ガスＥは所定の減圧状態に保たれ反応室１８へと導入され、この反応室１８でプラズマ生成手段２０より放出される高温プラズマ２２の熱によって分解処理される。
本実施形態の排ガスの減圧除害方法によれば、排ガスＥを減圧状態に保ち高温プラズマ２２の熱で分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、高温プラズマ２２の熱のほぼ全てを直接的に排ガスＥの分解・反応に使用することができる。したがって、これら２つの作用が相俟って、排ガスＥの除害装置を非常にコンパクトな構成にすることができるようになる。
さらに、排ガスの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガスＥ中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても高温プラズマ２２の熱で分解処理される前に当該排ガスＥが系外へ漏れ出す心配はない。
なお、上記の実施形態は次のように変更可能である。
反応筒１６に取り付けられたプラズマ生成手段２０の高温プラズマ発生方法として、直流アーク放電を利用する場合を示したが、このプラズマ生成手段２０は排ガスＥを熱分解できる高温のプラズマを放出できるものであれば、その高温プラズマ発生方法は如何なる方法であってもよく、上記の方法の他に、例えば誘導結合プラズマ又は容量結合プラズマを利用した方法などを用いるのも好適である。
前記の後段真空ポンプ２４として水封ポンプを使用する場合を示したが、排ガスＥ除害処理後の分解生成物に水洗の必要がない場合などには、この水封ポンプに代えてドライポンプなどを用いるようにしてもよい。
前記の真空ポンプ１４と反応筒１６の排ガス入口３２とを配管３０で連結する場合を示したが、この真空ポンプ１４の排気口と排ガス入口３２とを直結するようにしてもよい。また、反応筒１６の排ガス出口３４と後段真空ポンプ２４の吸気口とを直結する場合を示しているが、反応筒１６の排ガス出口３４と後段真空ポンプ２４とを配管を介して接続するようにしてもよい。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。
１０：排ガスの減圧除害装置，１２：排ガス発生源，１４：真空ポンプ，１６：反応筒，１８：反応室，２０：プラズマ生成手段，２２：高温プラズマ，２４：後段真空ポンプ，２６：プラズマ生成用流体供給手段，Ｅ：排ガス．

Claims (5)

  1. 真空ポンプを介して排ガス発生源より供給される排ガスを、減圧状態に保ち高温プラズマの熱で分解処理する、
    ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法。
  2. 請求項１の排ガスの減圧除害方法において、
    前記の減圧状態が、５０Ｔｏｒｒ以上で且つ４００Ｔｏｒｒ以下の範囲内である、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法。
  3. 真空ポンプ(１４)を介して排ガス発生源(１２)より供給される排ガス(Ｅ)を高温プラズマ(２２)の熱で分解処理する反応室(１８)と、
    上記の反応室(１８)内に向けて上記の高温プラズマ(２２)を放出するプラズマ生成手段(２０)と、
    上記の真空ポンプ(１４)の排気口から上記の反応室(１８)に亘って減圧する後段真空ポンプ(２４)を備える、
    ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  4. 請求項３の排ガスの減圧除害装置において、
    前記プラズマ生成手段(２０)に、高温プラズマ生成用の流体として窒素，酸素，アルゴン，ヘリウム又は水からなる群より選ばれる少なくとも１種を供給するプラズマ生成用流体供給手段(２６)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
  5. 請求項３又は４の排ガスの減圧除害装置において、
    前記プラズマ生成手段(２０)における高温プラズマ発生方法が直流アーク放電又は誘導結合プラズマ又は容量結合プラズマである、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
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