JP4177782B2 - 燃焼式排ガス処理装置 - Google Patents

Description

半導体製造装置等から排出される毒性、燃焼爆発性、環境影響への危険性を有する成分を分解し、安全な濃度で排出させる燃焼式排ガス処理装置に関する。

半導体製造工程における排ガスの処理装置として、排ガスを燃料ガスとともに燃焼させて排ガスを処理する燃焼式排ガス処理装置が用いられている。近年、半導体の製造工程では、基板サイズが大型化している。特に大型TFT液晶の生産においては、この数年で基板サイズが数倍となっている。半導体材料ガスの使用量は、基板サイズに比例して増加し、排出される排ガスの量も増加している。半導体材料ガスのうち例えばSiH₄は、燃焼分解によってSiO₂が発生する。SiO₂の発生量が多くなると排ガス処理装置にSiO₂粉末が堆積し、排ガス処理装置の連続運転に支障を来すため、排ガス処理装置には、SiO₂粉末の堆積防止対策が要求される。

一方、半導体製造工程のうち、チャンバークリーニングやエッチング装置等で使用されるPFC_S(CF₄、C₂F₆、C₃F₈、SF₆、NF₃、CHF₃の６種類のガスを言う)は、地球温暖化係数が高く環境への影響が大きい成分である。この分解処理に使用される排ガス処理装置は、地球温暖化防止の観点から高い分解率を有することや、CO₂の放出量を低減させる観点からより高効率なエネルギー利用率を有すること等が要求される。

燃焼筒の内部にSiO₂粉末が堆積するのを防止した燃焼式排ガス処理装置として、内筒の内壁に沿った内筒の燃焼ガスの流れ方向に空気が導入されるように構成した装置が公知である(例えば特許文献1参照)。特許文献1に記載された燃焼式排ガス処理装置は、図10に示すように、燃焼部Bとなる内筒102と該内筒102の周囲を覆う外筒103とからなる2重構造に形成された燃焼筒を備える。内筒102の下端部に燃料ガスを燃焼させて処理ガスを燃焼させるためのバーナー部104が設けられ、該バーナー部104には、排ガスを内筒102内に供給するように接続された燃焼ノズル105が取り付けられ、バーナー部104の下端に二次燃焼用空気を供給するための空気供給口106が設けられている。さらに燃焼部Bの端部には冷却部Cとしての冷却用内筒107が設けられている。

図10に示すように、燃焼部Bの内筒102は、直径の異なる複数の筒状部材を組合わせて多段形状に構成されている。上下の筒状部材を重ね合わせるに際し、上側の筒状部材の下端が下側の筒状部材の上端を覆うように重ね合わせ、上側の筒状部材の重ね合せ部の内面側と下側の筒状部材の重ね合わせ部の外面側との間に隙間Sが形成される。燃焼部Bの内筒102の外部の空気がこの隙間Sを通って内筒102の内壁面に沿って内部に流入する。空気は燃焼ガスの流れ方向と同じ方向に流入する。

また特に文献に記載されていないが、上記の装置と共通な筒状構造を有する燃焼部の端部に、噴霧水を導入して燃焼ガスを冷却させる冷却部を設けた燃焼式排ガス処理装置が知られている。この噴霧水冷却型の燃焼式排ガス処理装置は、基本的に燃焼後の排ガスの総流量を低減させることができる。その結果、最終処理のためのスクラバーの容量を小さくし、処理装置に導入する空気量を低減し、クリーンルーム等の管理された外気の導入量を低減させる。

特開平11-270831号公報

近年、排ガス処理装置に導入される排ガス中のSiH₄の濃度が高くなり、燃焼により発生するSiO₂粉末の堆積量も増加している。そのため燃焼筒のSiO₂粉末堆積量増加に対する対策が必要である。例えば排ガス中のSiH₄の濃度は、以前0.1〜0.5％程度であったが、近年は0.5〜１％、あるいはそれ以上になっている。また、燃焼筒に導入され処理される排ガスの処理量も増加している。

従来の特許文献1に記載の装置では、内筒102の内壁面に沿って流入し燃焼ガスの流れ方向に導入される空気量を更に増やすことによって、堆積するSiO₂粉末の量を減らすことができた。しかしながら、この方法では、内筒に導入する空気量を増やすために、燃焼部内の燃焼温度が低下することから、NF₃等のPFC_Sを分解するために必要な温度を維持できず、分解率が低下するという欠点を有していた。

また、特許文献1に記載の装置は、空気導入手段として内筒が直径の異なる複数の部材を多段構造に組み立てて、部材どうしの間に隙間Sが形成されるように組み立てられている。このように複数の筒状の部材を組合わせて多段状に制作することは、部材自体のコストが高くなり、更に精密な制作を必要とするために、製造コストも高くなるという問題があった。

また、噴霧水冷却型の燃焼式排ガス処理装置の場合は、この装置の特徴が空気量を低減できる点にあり、導入空気量を更に低減することは、きわめて重要な問題である。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであり、燃焼筒内部におけるSiO₂粉末の堆積を効果的に防止することができると共に、PFC_S等の分解率を低下させずに空気量を低減することが可能であり、製造コストが安価である燃焼式排ガス処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、
（１）排ガス中に含まれる有害物質を燃焼させて分解処理する燃焼式排ガス処理装置において、燃焼ノズルが接続され排ガスを燃焼させるための燃焼部を構成する内筒と該内筒の周囲に設けられる外筒とからなる二重筒構造の燃焼筒を備え、前記燃焼部の内筒の側壁面全域に空気を取り入れるための壁面を連通する多数の通気孔が設けられており、
かつ、燃焼部内筒の円筒体の直径Ｄ［ｍｍ］、燃焼排ガスの平均流速Ｖ［ｍ／ｓ］、通気孔の直径ｄ［ｍｍ］、通気孔より流入する空気の平均流速ｖ［ｍ／ｓ］とした場合、燃焼排ガスと通気孔より流入する空気の速度比α＝ｖ／Ｖに前記通気孔の直径ｄを乗じた数値αｄが４以下となるように、燃焼部が形成されていることを特徴とする燃焼式排ガス処理装置、
（２）燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面全域に多数の貫通孔が穿設されたものである上記（１）記載の燃焼式排ガス処理装置、
（３）燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面が多孔質体からなるものである上記（１）記載の燃焼式排ガス処理装置、
（４）燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面が網状体から形成したものである上記（１）記載の燃焼式排ガス処理装置、
を要旨とするものである。

本発明燃焼式排ガス処理装置は、燃焼部の内筒の側壁面全域に壁面の外部から内部に連通する多数の通気孔が設けられている構成を採用したことにより、従来の複数の円筒状の部材を組合わせて構成した燃焼部を有する装置と比較して、燃焼筒の内部におけるSiO₂粉末の堆積を効果的に防止することができると共に、NF₃の分解率を低下させずに燃焼筒内に導入する空気量を低減させることができる。

更に本発明装置は、従来の装置と比較して構造が簡単であるから、部品点数を削減することができ、装置の製造も容易であり、装置のコスト低減を図ることができる。

本発明装置が従来の装置に対し上記効果が得られる理由を以下に説明する。上記従来の装置では、燃焼部の外側の空気が、円筒状の部材同士の隙間から燃焼ガスの流れる方向と同一方向である燃焼部の内筒の内壁面に沿って流入して、空気の保護膜が形成され、この保護膜が燃焼部の内壁面にSiO₂粉末が付着し堆積するのを防止していた。この保護膜は、燃焼部内部の燃焼ガスとの乱流混合により破壊され、SiO₂粉末堆積防止効果が得られなくなる。そこで従来は、SiO₂粉末堆積防止効果を大きくするために、内筒の壁面から流入する空気量を増加させて、燃焼ガスとの乱流混合を減少させ良好な保護膜を形成しようとしたが、この空気量を増加させると燃焼温度が低下して分解率の低下を招くことが判った。

これに対し、本発明装置は燃焼部の内筒の側壁面全域に連通する多数の通気孔が設けられているから、内筒の外部から多数の通気孔を通して内筒全域に効率良く空気が送り込まれる。内筒の側壁面全体から内部に送り込まれた空気は、内筒内部の燃焼ガスと急速に混合して内筒内部の壁面に保護膜として形成され、SiO₂粉末の堆積が防止される。

従来の装置では、空気の導入は燃焼筒の壁面に沿った方向である。これに対し本発明装置は、燃焼部の内筒側壁面の全域から燃焼ガスの流れ方向に対して交差する方向に空気を流入させる。その結果、内筒の内部に流入する吸気量を減らしても、十分なSiO₂粉末の堆積防止を図ることができる。

従来の装置では、筒状部材同士の隙間から空気を導入するので、導入される空気は燃焼部内部に入ってから壁面と接触する部分で加熱される。従って内筒内の温度低下は避けられない。これに対し本発明の装置は、燃焼部の内筒側壁面の全域の多数の通気孔から外部の空気を内筒内部に導入する。燃焼部の内部に流入する空気は、壁面の多数の通気孔を通過するときに壁面からの伝熱により加熱される。内部に流入する空気が通気孔を通過する際に壁面と接触する面積は、上記従来の装置の隙間と比較すると、はるかに大きな面積であり大きな熱容量を持っている。その結果、壁面から流入する空気は、効率良く熱交換して加熱されるから内筒内部の燃焼温度が低下しない。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明燃焼式排ガス処理装置の一例を示す概念図である。図1に示す燃焼式排ガス処理装置は、燃焼部Bとなる内筒2及び該内筒2の周囲を覆う外筒3からなる二重筒構造を有する燃焼筒4を備えている。燃焼部Bの内筒2には排ガスを燃焼させるための燃焼ノズル5が接続されている。内筒2は図2(a)、(b)に示すように、円筒体からなり、側壁面21全域に壁面の内外に連通する多数の通気孔が設けられている。

燃焼部Bの内筒2の外形形状は特に限定されないが、製造が容易であり、燃焼効率等が良いことから円筒体が好ましい。図2(a)、(b)に示すように、内筒2の側壁面21全域に壁面の内外に連通する多数の通気孔が設けられている。この通気孔は側壁面21の全体にほぼ均一に分布した状態に形成され、燃焼部の内筒2の外部から内部にその壁面を貫通していて、側壁面21の全体から一様に空気が通過可能であればよい。

側壁面21に通気孔を有する内筒2の具体例としては、内筒2を金属粒子の焼結体等の多孔質体から構成したもの[図2(a)参照]、複数の金網を積層したものを円筒状に巻回し側壁面を構成したもの[図2(b)参照]、金属板に多数の貫通孔を穿設したものを円筒状に巻回して側壁面を形成したもの、予め金属製円筒を形成しその側壁面に後加工により貫通孔を穿設したもの等が挙げられる。

図3は内筒2の縦断面図である。例えば図3に示すように、内筒2の側壁面21に設けられている通気孔24は、燃焼排ガスの流れ方向Pに対して、その方向Pと直交に交わる水平方向に、直線的に側壁面21を貫通する孔として形成されている。なお通気孔24の形状は図3に示すような水平方向に直線的に形成する以外に、角度を設けて形成したり、非直線的な貫通孔として形成してもよい。この場合、燃焼部の内筒の側壁部の外側から、内筒の内側に対して燃焼排ガスの流れ方向に傾斜するような角度に形成することで、更に大きな効果が得られる。また、内筒の側壁面を多孔質体から構成した場合には、通気孔は、壁面を直線的に貫通するものではなく、ランダムな方向に通路が形成される。

内筒2は、天井面22が開口しており、底面23には燃焼ノズル5が接続される。図3に示すように燃焼ノズル5は、該ノズル5の出口が内筒2の内側に臨み、内筒2の底面23の略中央に設けられている。また内筒2の下端部にある底面23のノズル5の周囲には、外部に貫通する孔からなる二次燃焼用空気供給口6が設けられている。また図1に示すように、燃焼部Bの内筒2の燃焼ガスの流出側端部には、複数の筒状部材が組み合わされて、各筒状部材間に隙間ができるように構成された、冷却部Cとして機能する冷却用内筒7が設けられている。

図3に示すように燃焼部Bの内筒2の円筒体の直径D[mm]、燃焼部Bの燃焼排ガスの平均流速V[m/s]、通気孔24の直径d[mm]、通気孔より流入する空気の平均流速v[m/s]とした場合、燃焼排ガスと通気孔より流入する空気の速度比α＝v/Vに前記通気孔の直径dを乗じた数値αdが4以下となるように、燃焼部を形成するのが好ましい。具体的には、上記条件を満足するように、運転条件に応じて内筒2の円筒体の直径D、通気孔24の直径d、通気孔24の側壁面の面積に対する割合などを選択すればよい。

図1に示す装置の燃焼ノズル5の入口側5aには、燃料ガス供給路と排ガス供給路とが接続されている(特に図示しない)。燃料ガス供給路からは、燃料ガス等の燃料が供給される。排ガス供給路からは、半導体製造原料ガス等の有害物質を含む被除去成分としての排ガスが供給される。燃料ガスを燃焼ノズル5の先端付近において燃焼させることにより、排ガス中の有害成分が燃焼分解される。

燃料ガス中には予め空気が混合されているが、排ガス中の被除去成分を効率良く燃焼させるには、更に火炎の外側から空気を供給する必要がある。このような空気は内筒2の下端部に設けられた二次燃焼用空気供給口6から供給される。二次燃焼用空気供給口6の孔径を調整することで、最適な燃焼が行える空気供給量に調整することができる。

本発明装置が対象とする排ガスとは、可燃性成分や有毒成分を含むもの、或いは環境保護の観点から大気中に排出する際に除去したり濃度を低減させる必要のある成分等を含む排ガスであり、例えば半導体を製造する際の各種の工程において排出されるガスである。具体的には、SiH₄、SiH₂Cl₂、GeH₄、B₂H₆、AsH₃、PH₃、NF₃、C₂F₆等を含むガスが挙げられる。

また、燃焼ノズルに供給される燃料ガスとしては、水素、メタン、プロパン、ブタン、エチレン、天然ガス、或いはこれらの混合ガスを主燃料とし、これに必要に応じて空気や酸素富化された空気等を助燃ガスとして混合したものが用いられる。

図4は噴霧水冷却型の本発明燃焼式排ガス処理装置の概念図である。噴霧水冷却型の装置の場合には、図4に示すように燃焼部Bの端部に連なる冷却部Cを水冷式として形成すればよい。図4に示す燃焼式排ガス処理装置1は、内筒2及び外筒3からなる燃焼部Bを構成する燃焼筒4に、冷却部Cを構成する水噴霧器8が配管された冷却筒9が接続されている。燃焼部Bの外筒3の上端から燃焼ノズル5が内筒2の上端のバーナー部10に接続されている。また燃焼部Bの外筒3の側面上方には空気供給口11が設けられ、冷却部Cの冷却筒9の側面下方には排気口12が設けられている。

図4に示す燃焼式排ガス処理装置1では、内筒2の側壁面全域に壁面を連通する通気孔が設けられている。内筒2の天井面側にはバーナー部10が設けられ、底面側が開口した状態になっている。図1に示す冷却筒で冷却するタイプの装置に用いる内筒と比較して、上下の位置関係が逆の状態で使用されるが、基本的な側壁部等の構造は同様である。図4に示す装置1では、該装置1の上部から燃料ガスと一緒に導入された排ガスは、燃焼部Bにおいて空気供給口11などから供給される空気と共に内筒2の内部で燃焼する。そして、燃焼ガスは冷却部に設けられた水噴霧器8から噴霧された水によって冷却され、排気口12から排出される。

以下、本発明の実施例、比較例を示す。
比較例1
図10に示す構造で、SiH₄ 0.25 l/min、N₂ 50 l/minを処理することを標準的な排ガスの負荷条件として想定している従来の燃焼式排ガス処理装置を用いて、SiH₄ 2 l/min、N₂ 200 l/minの排ガスを1時間燃焼処理した場合に、装置内に導入する吸気量を4m³/min、6.5m³/min、10m³/minと変化させて、内筒に堆積したSiO₂粉末の重量を測定した。その結果を図5に、SiH₄ 0.25 l/min、N₂ 50 l/minの排ガスを処理した場合の結果を合わせて示す。図5に示すように、吸気量が増えると内筒の燃焼部に導入される空気流量も増加するために、SiH₄の燃焼分解に伴い発生するSiO₂の粉末堆積量も減少した。

更に、排ガスとしてNF₃を1 l/min供給し希釈N₂量を変化させた以外は上記と同一の燃焼条件で装置を運転させた場合のNF₃の残存率を測定した結果を図6に示す。図6を見るとNF₃の残存率は吸気量の増加に応じて増加している。すなわちこの実験結果は、従来の装置では吸気量を増加させるとNF₃の分解率が低下することを示すものである。

実施例1
比較例1の装置の燃焼部の部品(内筒)を、図1に示す円筒形状の壁面全体に多数の貫通孔からなる通気孔が設けられたものとして実施例1の装置を構成した。排ガスの負荷条件を比較例1と同様にSiH₄ 2 l/min、N₂ 200 l/minとし、吸気量を4〜10ｍ³/minまで変化させた時の内筒に堆積したSiO₂粉末の重量を測定した。結果を図7に示す。図7を見ると比較例1の場合は、吸気量が減少するとSiO₂粉末堆積物の重量が多くなるが、実施例1の場合は、吸気量が減少してもSiO₂粉末堆積物の重量が増加せず、本発明装置の効果が判る。

実施例1の装置を用いて、吸気量を4ｍ³/minとし、排ガスとしてNF₃を1 l/min供給し、希釈N₂量を変化させ、それ以外は上記と同一の燃焼条件で装置を運転させた場合のNF₃の残存率を測定した。結果を図8に示す。図8を見ると、実施例1の装置のNF₃の残存率は、比較例1の装置の残存率よりも高くならず、分解性能の相違は認められなかった。すなわち図8のグラフより、実施例1の装置は、NF₃の分解性能を低下させず、良好なNF₃の分解性能を維持しながら、SiO₂粉末の堆積を防止することが可能であることが判る。

[実験例]
実施例1の装置において、内筒の貫通孔の直径を0.5〜1mmに変化させたものを準備し、各々の内筒を用いた場合について、排ガスの負荷条件を比較例1と同様にSiH₄ 2 l/min、N₂ 200 l/minとし、吸気量を3〜10ｍ³/minまで変化させた時の内筒に堆積したSiO₂粉末の重量を測定した。燃焼部内筒の円筒体の直径D[mm]、燃焼排ガスの平均流速V[m/s]、通気孔の直径d[mm]、通気孔より流入する空気の平均流速v[m/s]とした場合、燃焼排ガスと通気孔より流入する空気の速度比α＝v/Vに前記通気孔の直径dを乗じた数値αdと、内筒に堆積したSiO₂粉末の重量との関係のグラフを図9に示す。このグラフより、αdの数値が4を超えるとSiO₂粉末の堆積重量が増加する。αdの数値が4以下であると、SiO₂粉末の堆積防止効果が安定して得られることが判る。

本発明燃焼式排ガス処理装置の一例を示す概念図である。 (a)、(b)は内筒の態様を示す外観斜視図である。 図1の内筒の縦断面図である。 本発明燃焼式排ガス処理装置の他の例を示す概念図である。 比較例1の燃焼式排ガス処理装置の吸気量とSiO₂堆積量の関係を示すグラフである。 比較例1の燃焼式排ガス処理装置の希釈N₂流量とNF₃残存率の関係を示すグラフである。 実施例1の燃焼式排ガス処理装置の吸気量とSiO₂堆積量の関係を示すグラフである。 実施例1の燃焼式排ガス処理装置の希釈N₂流量とNF₃残存率の関係を示すグラフである。 実験例のSiO₂堆積量とαdの数値との関係を示すグラフである。 従来の燃焼式排ガス処理装置を示す概念図である。

符号の説明

1 燃焼式排ガス処理装置
2 内筒
3 外筒
4 燃焼筒
5 燃焼ノズル
6 二次燃焼用空気供給口
21 内筒の側壁面
B 燃焼部
C 冷却部
P 燃焼ガスの流れ方向

Claims (4)

1. 排ガス中に含まれる有害物質を燃焼させて分解処理する燃焼式排ガス処理装置において、燃焼ノズルが接続され排ガスを燃焼させるための燃焼部を構成する内筒と該内筒の周囲に設けられる外筒とからなる二重筒構造の燃焼筒を備え、前記燃焼部の内筒の側壁面全域に空気を取り入れるための壁面を連通する多数の通気孔が設けられており、
   かつ、燃焼部内筒の円筒体の直径Ｄ［ｍｍ］、燃焼排ガスの平均流速Ｖ［ｍ／ｓ］、通気孔の直径ｄ［ｍｍ］、通気孔より流入する空気の平均流速ｖ［ｍ／ｓ］とした場合、燃焼排ガスと通気孔より流入する空気の速度比α＝ｖ／Ｖに前記通気孔の直径ｄを乗じた数値αｄが４以下となるように、燃焼部が形成されていることを特徴とする燃焼式排ガス処理装置。
2. 燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面全域に多数の貫通孔が穿設されたものである請求項１記載の燃焼式排ガス処理装置。
3. 燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面が多孔質体からなるものである請求項１記載の燃焼式排ガス処理装置。
4. 燃焼部の内筒が、円筒体の側壁面が網状体から形成したものである請求項１記載の燃焼式排ガス処理装置。

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