KR102129719B1 - 배기 가스의 감압 제해 장치 - Google Patents

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히로시 이마무라
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칸켄 테크노 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 희석용 질소 가스의 사용을 극소화할 수 있어, 에너지 이용 효율이 뛰어난 배기 가스의 제해 방법과 그 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은 진공 펌프를 통해서 발생원으로부터 공급되는 배기 가스를, 감압 상태를 유지하여 플레임의 연소열로 분해 처리하는 것을 특징으로하는 배기 가스의 감압 제해 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

배기 가스의 감압 제해 장치
본 발명은 주로 전자 산업의 제조 프로세스에서 배출되는 가연성 가스, 유독 가스, 온실 효과 가스 등의 유해 가스의 처리에 적합한 배기 가스의 제해 방법과 그 장치에 관한 것이다.
반도체나 액정 등을 제조하는 전자 산업에서는, 실리콘 질화막 CVD, 실리콘 산화막 CVD, 실리콘 산질화막 CVD, TEOS 산화막 CVD, 고유전율막 CVD, 저유전율막 CVD 및 메탈막 CVD 등의 다양한 CVD 프로세스가 사용된다.
이 중, 예를 들면 실리콘계 박막의 형성에는 주로 폭발성이나 독성을 갖는 실란계 가스를 사용한 CVD법이 사용되고 있다. 이 CVD법에서 사용된 상기 실란계 가스를 포함하는 프로세스 가스는, CVD 프로세스에서 사용된 후, 배기 가스로서 하기의 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 제해 장치로 무해화되지만, 종래부터, 이러한 제해 장치의 바로 앞에서, 배기 가스 중의 실란계 가스를 폭발 한계 이하까지 희석하기 위해서 대량의 희석용 질소 가스가 투입되고 있었다.
여기에서, 전형적인 실리콘 산질화막 CVD에서는 SiH4/NH3/N2O=1slm/10slm/10slm(slm; standard liter per minute, 1atm, 0℃에서의 1분간 언저리의 유량을 리터로 표시한 단위)이 사용되지만, SiH4의 폭발 범위가 1.3% 내지 100%이기 때문에, CVD 프로세스에서 배출된 이러한 가스는 즉시 희석용 질소 가스로 약 76배 정도 희석을 할 필요가 있다. 이러한 희석을 행하면, 예를 들어 하기의 특허문헌 1에 나타내는 종래의 연소 방식이나 대기압 플라즈마 방식의 열분해 장치로 안전하고 또한 확실하게 제해 처리를 할 수 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개평11-333247호
그러나, 상기의 종래 기술에는 다음과 같은 문제가 있었다.
즉, 상술한 바와 같이 질소 가스로 희석된 실란계 가스를 포함하는 배기 가스 전체를 분해 온도까지 가열하는 데에 필요한 에너지는 희석 전의 실란계 가스를 포함하는 배기 가스만을 가열하는 경우의 약 76배의 에너지가 필요해진다. 즉, 종래의 질소 가스로의 희석이 필요한 제해 프로세스에서는 다량의 질소 가스의 사용에 따른 비용 상승뿐만 아니라, 배기 가스의 제해에 직접 관계가 없는 질소 가스도 가열해야 하기 때문에, 에너지 효율이 낮고, 전력 혹은 연료 등의 비용 상승도 초래하고 있었다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 안전성을 손상시키지 않고 희석용 질소 가스의 사용을 극소화 할 수 있어, 에너지 효율이 뛰어난 경제성 높은 배기 가스의 제해 방법과 그 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 배기 가스의 제해를 감압 하에서 행함으로써 대처하고 있다.
즉, 본 발명에서의 제 1 발명은, 진공 펌프(14)를 통해서 배기 가스 발생원(12)으로부터 공급되는 배기 가스(E)를 감압 상태로 유지하여 플레임(22)의 연소열로 분해 처리하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 감압 제해 방법이다.
이 제 1 발명은, 예를 들면, 다음의 작용을 나타낸다.
진공 펌프(14)를 통해서 배기 가스 발생원(12)으로부터 공급되는 배기 가스(E)를 감압 상태로 유지하여 플레임(22)의 연소열로 분해 처리하기 때문에, 희석용 질소 가스가 불필요하거나 극소량으로 충분하게 된다.
또한, 이와 같이 질소 가스로의 희석이 불필요하거나 극소량으로 충분하기 때문에, 플레임(22)의 연소열의 거의 전부를 직접적으로 배기 가스(E)의 분해에 사용할 수 있는 것에 더해, 배기 가스(E)의 발생원으로부터 처리부까지가 감압 하에 있기 때문에, 배기 가스(E) 중에 인체에 유독한 것이 포함되는 경우라도, 플레임(22)의 연소열로 가열 분해 처리되기 전에 상기 배기 가스(E)가 계외로 누출될 걱정은 없다.
또한, 가열 분해 처리의 열원으로서 플레임(22)을 사용함으로써, 현재의 배기 가스 제해 장치의 주류의 방식 중 하나인 대기압 연소 방식의 실적·경험을 그대로 이용할 수 있어, 이러한 방식의 배기 가스 제해 장치에서의 부대 배관 등의 많은 기존 설비를 그대로 전용할 수도 있다는 이점을 갖는다. 또한, 전력의 소비를 삭감하여 러닝 코스트의 저감을 도모할 수 있다.
여기에서, 상기 제 1 발명에 있어서는, 상기의 감압 상태가 1Torr 이상이고 또한 400Torr 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100±50Torr의 범위 내이다.
감압 상태가 1Torr 미만의 경우에는, 고도의 진공 환경을 실현하기 위해서 고가이고 대규모의 장치가 필요해지고, 반대로, 감압 상태가 400Torr를 초과하는 경우에는, 대기압과의 차가 작아지기 때문에, 배기 가스(E)를 다량의 질소 가스로 희석해야 한다.
본 발명에서의 제 2 발명은 상기의 배기 가스의 감압 제해 방법을 실시하기 위한 장치로서, 예를 들어 도 1 내지 도 3에 나타내는 바와 같이, 배기 가스의 감압 제해 장치(10)를 다음과 같이 구성했다.
즉, 본 발명의 배기 가스의 감압 제해 장치(10)는 진공 펌프(14)를 통해서 배기 가스 발생원(12)으로부터 공급되는 배기 가스(E)를 플레임(22)의 연소열로 분해 처리하는 반응실(18)과, 대략 대기압으로 유지되고, 상기의 반응실(18) 내를 향해서 상기 플레임(22)을 방출하는 연소실(20)과, 상기의 진공 펌프(14)의 배기구로부터 상기 반응실(18)에 걸쳐 감압하는 후단 진공 펌프(24)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
감압 하의 반응실(18) 내에서는 가스의 분압이 낮아 연료를 연소시켜서 플레임(22)을 얻는 것이 곤란하다. 그래서, 본 발명에서는 대략 대기압으로 유지된 연소실(20)에서 연료를 연소시켜서 플레임(22)을 생성하고, 그 플레임(22)을 반응실(18) 내를 향하여 방출함으로써, 플레임(22)의 연소열을 사용한 감압 하에서의 배기 가스(E)의 분해 처리를 가능하게 하고 있다.
이 제 2 발명에 있어서는, 상기 반응실(18)에 분해·반응 보조제로서 수분, 공기, O2, H2 또는 탄화수소 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종을 공급하는 분해·반응 보조제 공급 수단(26)을 설치하는 것이 바람직하다.
이 경우, 배기 가스(E) 중에 SiH4나 NF3 등과 같은 가연성 물질이나 유해한 물질이 주체이고 또한 다량 포함되는 경우라도, 상기의 분해·반응 보조제를 첨가함으로써, 이들 물질을 안정된 상태까지 용이하게 분해하거나 반응으로 무해화하거나 할 수 있다.
또한, 제 2 발명에 있어서, 상기 연소실(20)의 플레임 출구(20b)에 상기 플레임(22)을 안정화시키는 플레임 안정화 노즐(28)을 설치하는 것이 바람직하다.
이 경우, 반응실(18) 내의 배기 가스(E)의 흐름에 의한 플레임(22)의 실화 등을 방지하여, 플레임(22)의 연소열에 의한 배기 가스(E)의 분해를 보다 한층 안정적으로 행할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 안전성을 손상시키지 않고 희석용의 질소 가스의 사용을 극소화 할 수 있어, 에너지 효율이 뛰어난 경제성 높은 배기 가스의 제해 방법과 그 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 배기 가스의 감압 제해 장치의 개요를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서의 배기 가스의 감압 제해 장치의 반응통의 일례를 나타내는 정면시 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명에서의 배기 가스의 감압 제해 장치의 반응통의 요부를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태를 도 1 내지 도 3에 의해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 배기 가스의 감압 제해 장치(10)의 개요를 나타내는 도면이다. 이 도면이 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 배기 가스의 감압 제해 장치(10)는 CVD 장치 등의 배기 가스 발생원(12)으로부터 진공 펌프(14)를 통해서 공급되는 배기 가스(E)를 제해하기 위한 장치이며, 반응실(18) 및 연소실(20)을 갖는 반응통(16)과, 후단 진공 펌프(24)로 대략 구성된다.
여기에서, 도 1의 실시형태에서는 배기 가스 발생원(12)으로서 실리콘 산질화막 CVD 장치의 예를 나타내고 있다. 전형적인 실리콘 산질화막 CVD 장치에서는 프로세스 가스로서 SiH4/NH3/N2O=1slm/10slm/10slm이, 또한, 클리닝 가스로서 NF3/Ar=15slm/10slm이 각각 사용되고 있고, 또한 클리닝 반응의 생성물로서 SiF4가 약 10slm 정도 배출되는 것으로 보인다. 사용 완료된 이들 가스가 배기 가스(E)로서 진공 펌프(14)를 통해서 감압 제해 장치(10)로 공급된다. 또한, 실리콘 산질화막 CVD와 같은 반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는 진공 펌프(14)로서 주로 드라이 펌프가 사용된다. 따라서, 이 진공 펌프(14)에 공급되고 있는 N2(질소 가스)는 상기 펌프(14)의 축 밀봉(seal)을 위해서 공급되는 퍼지 N2이다.
반응통(16)은 하스텔로이(등록 상표) 등의 내식성이 뛰어난 금속 재료로 형성되고, 그 축이 상하 방향을 향하도록 세워 설치된 대략 원통상의 케이싱(16a)을 갖는다(도 2 참조). 이 케이싱(16a)의 내부 공간은 배기 가스(E)를 분해 처리하는 반응실(18)로 되어 있고, 상기 케이싱(16a)의 윗면에는 배관(30)을 통해서 진공 펌프(14)의 배출구에 연통하는 배기 가스 입구(32)가 설치된다. 한편, 상기 케이싱(16a)의 하부에는 수평 방향으로 연장되는 관로(16c)의 기단부가 접속되고, 그 관로의 선단에는 후단 진공 펌프(24)의 흡기구로 직결되는 배기 가스 출구(34)가 설치된다.
또한, 케이싱(16a)의 배기 가스 입구(32)의 근방에는, 필요에 따라서, 분해·반응 보조제 공급 수단(26)으로부터 공급되는 수분 등의 분해·반응 보조제를 케이싱(16a) 내의 반응실(18)에 도입하기 위한 노즐(36)이 장착된다.
그리고, 이 케이싱(16a)의 측주벽(내주벽)에는 복수의 연소실(20)이 상기 케이싱(16a)의 둘레 방향 및 상하 방향에 있어서 다단 다열로 장착된다.
또한, 도 2 중의 도면부호 16b는 케이싱(16a)의 외주를 덮는 단열재를 나타내고 있다.
연소실(20)은 하스텔로이(등록 상표) 등의 내열성과 내식성이 뛰어난 금속 재료로 형성된 챔버(20a)의 내부에 형성된다. 이 챔버(20a)의 내부는 대략 대기압으로 유지되고 있으며, 그 내부, 즉 연소실(20)에서 연료를 연소시켜서 플레임(=화염)(22)을 발생시키는 동시에, 발생한 플레임(22)을 반응실(18) 내로 방출한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 연소실(20)을 형성하는 이 챔버(20a)의 일면은 케이싱(16a)의 벽면을 따르는 형상으로 성형되는 동시에, 케이싱(16a) 벽면의 일부를 구성하도록 상기 케이싱(16a)에 일체적으로 삽입된다. 또한, 케이싱(16a)에 삽입된 챔버(20a)의 일면에는 플레임 출구(20b)가 천설(穿設)되어 있으며, 이 플레임 출구(20b)에는 필요에 따라서 라발 노즐 형상 등의 플레임 안정화 노즐(28)이 부착된다. 그리고, 이 챔버(20a)에는 내부의 연소실(20)을 향해서 탄화수소계 가스 등의 가연성 연료 가스를 공급하는 연료 공급 배관(38) 및 그 내부를 향해서 산소나 공기 등의 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급 배관(40)이 접속되어 있으며, 추가로, 이들 가스를 연소시켜서 플레임(22)을 발생시키기 위한 점화기(42)가 장착된다.
후단 진공 펌프(24)는 진공 펌프(14)의 배기구로부터 반응통(16)의 반응실(18)에 걸쳐서 소정의 진공도까지 감압하는 동시에, 반응실(18)에서 제해 처리된 배기 가스(E)를 흡인하여 배출하기 위한 펌프이다. 본 실시형태에서는 이 후단 진공 펌프(24)로서 수봉(水封; water-sealed) 펌프를 사용한다. 이로 인해, 후단 진공 펌프(24)의 배기구측에는 이 후단 진공 펌프(24)로부터 혼합된 상태로 배출되는 처리 완료의 배기 가스(E)와 밀봉수를 분리시키는 기액 분리 코어레서(coalescer) 등과 같은 세퍼레이터(44)가 필요에 따라서 장착된다(도 1 참조).
여기에서, 후단 진공 펌프(24)에 의해 만들어지는 진공 펌프(14)의 배기구에서부터 반응실(18)에 걸친 배기 가스 통류 영역의 감압 상태는 1Torr 이상이고 또한 400Torr 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100±50Torr의 범위 내이다. 감압 상태가 1Torr 미만의 경우에는 고도의 진공 환경을 실현하기 위해서 고가에다 대규모의 장치가 필요해지고, 반대로, 감압 상태가 400Torr을 초과하는 경우에는 대기압과의 차가 작아지기 때문에, 배기 가스(E)를 대기압 하와 같은 정도의 다량의 질소 가스로 희석해야 한다.
또한, 본 실시형태의 배기 가스의 감압 제해 장치(10)에는, 도시하지 않았지만, 연소실(20)에서의 플레임(22)의 생성이나 후단 진공 펌프(24) 등의 작동에 필요한 각종 검출 기기, 제어 기기 및 전원 등이 구비되어 있는 것은 물론이다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 배기 가스의 감압 제해 장치(10)를 사용한 배기 가스(E)의 감압 제해 방법에 대하여 설명한다.
배기 가스 발생원(12)으로부터 배출되는 배기 가스(E)는 진공 펌프(14)를 통해서 반응통(16)으로 보내진다. 여기에서, 후단 진공 펌프(24)를 작동시킴으로써, 배기 가스(E)는 소정의 감압 상태로 유지되어 반응실(18)로 도입되고, 이 반응실(18)에서 연소실(20)로부터 방출되는 플레임(22)의 연소열에 의해 분해 처리된다.
본 실시형태의 배기 가스의 감압 제해 방법에 의하면, 배기 가스(E)를 감압 상태로 유지하여 플레임(22)의 연소열로 분해 처리하기 때문에, 희석용 질소 가스가 불필요하거나 극소량으로 충분하다. 또한, 이러한 질소 가스의 희석이 불필요하거나 극소량으로 충분하기 때문에, 플레임(22)의 연소열의 거의 전부를 직접적으로 배기 가스(E)의 분해·반응에 사용할 수 있다. 따라서, 이들 두 가지의 작용이 맞물려, 배기 가스(E)의 제해 장치를 매우 컴팩트한 구성으로 할 수 있게 된다.
또한, 배기 가스의 발생원으로부터 처리부까지가 감압 하에 있기 때문에, 배기 가스(E) 중에 인체에 독성인 것이 포함되는 경우라도 플레임(22)의 연소열로 분해 처리되기 전에 상기 배기 가스(E)가 계외로 누출될 걱정은 없다.
또한, 상기의 실시형태는 다음과 같이 변경 가능하다.
상기의 반응통(16)으로서, 케이싱(16a)의 측주벽(내벽)의 원주 방향 및 상하 방향으로 복수의 연소실(20)을 다단 다열로 장착하는 경우를 나타냈지만, 1개의 연소실(20)로부터 방출되는 플레임(22)으로 배기 가스(E)를 충분히 열분해 할 수 있다면, 반응통(16)에 장착하는 연소실(20)은 1개라도 좋다. 또한, 케이싱(16a)에서의 연소실(20)의 장착 개소도 상술한 것에 한정되는 것은 아니다.
상기의 분해·반응 보조제 공급 수단(26)으로부터 공급되는 분해·반응 보조제로서 수분을 들었지만, 예를 들면, 배기 가스(E) 중에 NF3와 같은 PFCs(퍼플루오로 컴파운드)가 다량 함유되고, 분해·반응 생성물로서 다량의 HF가 생성되는 것과 같은 경우에는, 중화제(분해·반응 보조제)로서 KOH 수용액이나 NaOH 수용액 등의 알칼리 수용액을 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 산화 처리하는 경우에는, 공기, 산소를 첨가하는 경우, 혹은 환원성의 H2나 CH4와 같은 탄화수소계 가스를 넣는 경우도 있다.
상기의 후단 진공 펌프(24)로서 수봉 펌프를 사용하는 경우를 나타냈지만, 배기 가스(E) 제해 처리 후의 분해 생성물에 수세가 필요 없는 경우 등에는, 이 수봉 펌프를 대신해서 드라이 펌프 등을 사용하도록 해도 좋다.
상기의 진공 펌프(14)와 반응통(16)의 배기 가스 입구(32)를 배관(30)으로 연결하는 경우를 나타냈지만, 이 진공 펌프(14)의 배기구와 배기 가스 입구(32)를 직결하도록 해도 좋다. 또한, 반응통(16)의 배기 가스 출구(34)와 후단 진공 펌프(24)의 흡기구를 직결하는 경우를 나타내고 있지만, 반응통(16)의 배기 가스 출구(34)와 후단 진공 펌프(24)를 배관을 통해서 접속하도록 해도 좋다.
그 외에, 당업자가 상정할 수 있는 범위에서 다양한 변경을 행할 수 있음은 물론이다.
10: 배기 가스의 감압 제해 장치, 12: 배기 가스 발생원, 14: 진공 펌프, 16: 반응통, 18: 반응실, 20: 연소실, 20b: 플레임 출구, 22: 플레임(화염), 24: 후단 진공 펌프, 26: 분해·반응 보조제 공급 수단, 28: 플레임 안정화 노즐, E: 배기 가스.

Claims (5)

  1. 진공 펌프(14)를 통해서 배기 가스 발생원(12)으로부터 공급되는 배기 가스(E)를 플레임(22)의 연소열로 분해 처리하는 반응실(18)과,
    대략 대기압으로 유지된 챔버(20a)의 내부에 형성되는 연소실(20)로서, 상기 반응실(18) 내를 향해서 그 내부에서 발생시킨 상기 플레임(22)을 방출하는, 상기 연소실(20)과,
    상기 진공 펌프(14)의 배기구로부터 상기 반응실(18)에 걸쳐서 감압하는 후단 진공 펌프(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 감압 제해 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응실(18)에 분해·반응 보조제로서 수분, 공기, O2, H2 또는 탄화수소 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종을 공급하는 분해·반응 보조제 공급 수단(26)을 설치한 것을 특징으로 하는 배기 가스의 감압 제해 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연소실(20)의 플레임 출구(20b)에 상기 플레임(22)을 안정화시키는 플레임 안정화 노즐(28)을 설치한 것을 특징으로 하는 배기 가스의 감압 제해 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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