JP5654494B2 - 排気ガスの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は排気ガス流の処理方法に関する。

製造工程中、処理室から排気され、これに続いて処理が必要となる有害物質を生じる製造工程が多く知られている。半導体ウェーハやフラットパネルディスプレイ、太陽電池などの部材の製造工程は、処理室におけるガス処理が必要となる製造工程の例である。そのような工程ではシラン（ＳｉＨ₄）やアルシン（ＡｓＨ₃）、水素（Ｈ₂）のような、可燃性であったり有毒であることから、大気中に放出したりその他の廃棄を行う前に処理が必要になる排気ガスが生成される。

様々な方法で排気ガスを処理することが可能である。典型的には排気ガスはバーナー（又はプラズマや電熱触媒カラム、電気炉等のガス流に対してエネルギーを加えるようなその他の処理装置）の中で反応させられ、放出前に排気流中の有害物質を熱的に分解したりその他の方法によって処理する。特にここではバーナー／焼却炉の例が用いられているが、このような除害装置はガス流に対してエネルギーを与える技術の範疇に属している。排気ガスは高温となるため、周囲に排出する前にこれを冷却する必要がある。適用できる冷却方法としては、冷却流体との直接接触（水や空気と混合する、等）によるものか、冷却流体との間接接触（熱交換器、ラジエーター等）のいずれかを用いたものであった。欧州特許第０６９４７３５号明細書に開示されているように、一般的に用いられている方法として、ガスを冷却するために焼却炉の下流に配置される水カラムやトラップ装置がある。このような装置では、ガスは流水に近接するか直接接触することにより冷却され、燃焼ガスに含まれる微粒子や粉塵は水により除去される。この方法により燃焼ガスを冷却するには、非常に多量の水が必要となり、これにより処理コストも相当増加してしまう。その上、微粒子がヒ素酸化物のように毒性を有する場合には、このような装置では濡れた粉塵の処理や管理が必要となり、水系中に微粒子が存在することによって装置の信頼性が下がるおそれがある。このような毒性のある固体を排出する場合、ガス流をフィルターにかけることによって現行の湿式洗浄よりも汚染物質の量を抑えることができる。

もう一つの冷却装置では、燃焼ガスを冷却するために導入された空気流によって燃焼ガスが冷却される。燃焼ガスが微粒子を含んでいる場合、この微粒子を除去するために空気流と燃焼ガスがフィルターシステムを通過させられ、これにより空気流を再循環させたり大気中に放出したりすることができるようになる。細かく粉砕されたシリカをろ過する際に用いられるフィルターシステムが、ガス流が相対的に低い温度であって、ガス流中の組成物がシステム内で凝結しない場合に限り、典型的にはガス流から微粒子を除去するために用いられる。このため、ろ過を実行するべく燃焼ガスを冷却するために、より多くの空気を用いなければならない。処理室からの排気ガスがバーナー内で高い熱負荷を生じさせる場合（例えば排気ガスが水素やシランを含むような場合）、ろ過を行うべく燃焼ガスを十分に冷却するためにはさらに多くの空気を用いる必要がある。

真空ポンプ装置が処理装置の下流に配置された装置もある。真空ポンプ装置は燃焼ガスだけではなくガスを冷却するために導入される空気も吸引するだけの十分な能力を有していなければならない。一般的に、吸引能力が向上するにつれて、真空ポンプ装置のコストも上昇する。水素やシランといった成分を含んだ排気ガスを冷却するためにさらに多くの空気が必要となる場合、問題はより深刻になる。

半導体ウェーハなどの処理工程は処理室の中で行われるが、この処理は通常１ｍＴｏｒｒから１Ｔｏｒｒの範囲の低圧下で行われる（ただし、ＳＡＣＶＤのような処理は大気圧に近い環境で行われることもある）。このような低い圧力は真空ポンプ装置によって得られる。排気ガスが可燃性である場合、真空ポンプに達する前に（もしくは真空ポンプのステージ間で）可燃性組成物を処理することが望ましい。ガスの可燃性は単一反応の自己持続的連鎖に依存する。すなわち、１つの分子（燃焼物）からもう１つの分子（反応物）へのエネルギーの移転を成功させるには、これら２つの分子がエネルギー吸収のために近接していることが必要とされる。希釈によって反応性分子を取り囲むとともに反応性分子が引き離され、エネルギーが不活性分子に吸収されるようになる（反応を取り囲む容器の壁もまた不活性分子とみなされる）。結局、自己持続的反応はもはや不可能となり、これを引火下限界点と定義する。

系の圧力を減少させることで反応容器内において分子同士の分離が増大する。この過程で不活性分子と反応性分子は一定の比率で残存するが、容器壁は一定の表面積のままである。減圧下で表面積が一定であることにより、エネルギーが反応性分子を活性化する前にエネルギーが容器壁に吸収される割合が高くなる。その結果、低圧下で連鎖反応を持続するために必要な反応性分子の密度は、大気圧下で必要とされる密度よりも高くなる。従って、低圧下で不燃性のガス流が、大気圧まで昇圧した場合に可燃性となる。このため、可燃性ガスは、大気圧下で有害／可燃性となる前に、制御された方法で低圧下において反応させるのがよい。

真空ポンプ装置（他の多くの機械にも共通する）がさらに有する危険性として、互いに接触する金属製可動部によって火花が生じ、ガス流に引火してしまうということがある。この問題はガスが大気圧に近づく真空ポンプ装置の後のステージで顕著になる。この問題は窒素のようなパージガスを真空ポンプ装置の上流に大量に導入することで緩和することができる。しかし、上述したように、過度の希釈は大型の真空ポンプ装置を必要とする他に、不活性ガスの費用の増大、電力消費の増加をまねく。代替策として排気ガスをバーナーで燃焼して燃焼ガスを真空ポンプ装置を通して輸送する、というものがある。この方法では、可燃性物質を排気ガスから取り除くことはできるが、燃焼ガスは高温であり、真空ポンプ装置を加熱してしまう。このため、真空ポンプ装置を冷却するか、真空ポンプ装置に流れ込むガスを冷却して真空ポンプ装置の損傷を防ぐようにしなければならない。しかしながら、真空ポンプは所与の工程において真空状態をつくるために設計されており、工程数が増加することにより吸引性能が落ちたり、電力消費量が増えたりする。従って、単に多量の冷却ガスを加えるという部分的な解決策は適切ではない。

本発明は処理室からの排気ガス流を処理する方法を提供するものであり、本方法は、前記処理室からの前記排気ガスを真空ポンプ装置または大気圧管を用いて輸送するステップと、前記排気ガスを除害装置の除害区域で除害するステップと、前記除害されたガスを冷却材の相変化によって冷却区域において冷却するために、前記除害区域の下流に冷却材を注入するステップとからなる。

本発明の他の好ましい特徴や適宜選択可能な特徴については、添付する特許請求の範囲で明らかにされる。

本発明がより理解されるよう、あくまで例としての実施形態を図面を参照しながら以下の通り説明する。

処理室からの排気ガスを処理するためのシステムの概略を示す図である。 処理室からの排気ガスを処理するためのもう一つのシステムの概略を示す図である。

本発明の実施形態は処理後、または除害後のガスを冷却する方法を提供するものであり、除害区域の下流の冷却区域への冷却材の注入を伴う。冷却材は水のような液体で良く、処理装置から生じる熱プルーム内に微細な霧状又はスプレー状で注入してもよい。この液体は液体から気体への相変化の際、気化冷却により熱を吸収する。熱を吸収する原理は相変化であるため、本発明にはまた相変化によって系の熱を吸収するように、他の状態の物質を注入することも含まれる。例えば、二酸化炭素は固体として注入されても良く、気相への相変化である昇華を起こす。また、氷の粒を注入して、液体の水に相変化させ、続いて気体へと相変化し得るようにしても良い。ただし、本実施形態の説明においては、ガス流に冷却材として液体を注入することを中心に説明する。

相変化によるエネルギー吸収は、フィルター装置や真空ポンプ装置のような下流の装置が取り扱うガス流の体積をそれほど増加させないため、ガスの流量の増加に対応するために下流の装置の能力を増強する必要も無く、有利である。

この方法によれば、排気ガスを低大気圧下、大気圧下（乾式ろ過）、大気圧下（湿式洗浄）において引火下限界点以下まで冷却することができる。

５０ｍｂａｒから７５０ｍｂａｒ（５ｋＰａから７５ｋＰａ）といった低大気圧下に適用する場合、真空ポンプ装置に流入するガスの温度の範囲は２５℃から２５０℃になる。この方法では、処理装置から生じたガスが有する熱エネルギーが求められ、一旦気化したものが真空ポンプ装置により生じる圧力のために凝縮することのないように、そして燃焼ガスがポンプ機構に損傷を与えるほど熱くならないように、液体の注入が調節される。

大気圧下での乾式ろ過の場合、フィルター膜に損傷を与えないよう、冷却されたガス混合物が凝縮せず、そして適度に低温（ろ過装置に応じ、例えば７０℃未満）となるように液体の注入が調節される。

大気圧下での湿式洗浄の場合、液体の注入によって湿式スクラバーへのガスの流入を減らすとともに湿式洗浄を改善するためにガス流中の不要副産物を下処理することによって、湿式洗浄のメカニズムを促進する。湿式スクラバーは処理システムの一部としても良く、処理システムとは別のものとしても良い。後者の場合、一つの湿式スクラバーが一つ又は複数の除害装置からガスを受け入れる。

廃ガスの下処理は水のような液体をガスプルームへと気化させる過程を含む。湿式スクラバーはガス混合物を急速に冷却し、その結果ガスプルームが飽和する。気化した液体は系の中で核形成サイトの役割を果たす固体粒子の周囲に凝縮する傾向があり、これにより固体核を有する液滴を形成する。微粒子は自身の大きさより格段に大きく、より湿式洗浄媒体と混合しやすい液滴に含まれるため、このような凝縮／核形成過程は湿式スクラバーによる微粒子の除去を促進する。スクラバーを通過するガスの温度は湿式スクラバーユニットの温度耐性に依存する。例えば、容器壁が水簗で形成されているシステムの場合、１００℃を超えるガス流でも動作可能となるが、ポリプロピレン製の湿式スクラバーの場合は約１００℃未満とする必要がある。

図１に処理中または処理後に処理用ガスを排気する処理室１０を示す。このシステムは通常、ガスを排気しシステムへと輸送するための一次真空ポンプ装置１１を有している。真空ポンプ装置１１はまた処理室１０から燃焼ガスやその他の除害されるガスを隔離する。図示されていないが、処理室が除害ユニットに直接接続されているようなシステムにしてもよい。

真空ポンプ装置の代わりに、大気ライン及び適切なバルブ装置によって処理室を外気と接続して処理ガスを輸送しても良い。

排気ガス１２はバーナー１４のような除害ユニットへと輸送される。バーナー１４は図示するような放射型バーナーでも良い（又はプラズマや電熱触媒カラム、電気炉等のガス流に対してエネルギーを加えるようなその他の除害装置でも良い）。排気ガスを処理するためのシステムの一つが英国特許出願番号ＧＢ０７２４７１７．４号明細書に開示されており、これを参照することにより、本願にその内容を援用する。 燃料ガス１６はバーナーの中へと導入され、バーナーの除害区域、即ち燃焼区域１８で排気ガスを燃焼させるために点火される。

排気ガスが燃焼されると、５００℃から２０００℃の温度範囲の高温燃焼ガス（除害ガス）２０が生成される。燃焼ガスは真空ポンプ装置２２に導入される前に、低圧又は低大気圧下で冷却区域２４を通過する。冷却材は水２６のような液体を用いることができ、冷却材の相変化によって燃焼ガスを冷却するために、冷却区域２４への注入によって導入される。水は細かいスプレー状に導入されてもよく、これによって体積に対して相対的に表面積が広くなり、液体の気化が容易となる。細かいスプレー状にするにはスプレーノズルを用いればよく、例えばＳｐｒａｙｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．の一部門であるＡｕｔｏＪｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の製品が入手可能である。

真空ポンプ装置２２は一次真空ポンプ装置１１とともに動作可能であり、処理用ガスを処理室１０から吸引し、冷却された燃焼ガスを更なる処理のために若しくは大気中へ放出するために排気する。真空ポンプ装置１１、２２によって生じた真空により処理室からそして除害装置（図では焼却炉として示されている）を通してガスを吸引する。真空ポンプ装置は通常、互いに相対運動する金属部品を備えている。もしも部品が磨耗したり、 汚れが堆積したりすると、その部品が接触することで火花を生じさせる可能性がある。しかしながら、真空ポンプ装置の上流において、バーナー１４がガス流に含まれる可燃性物質を燃焼させたため、いかなる火花が生じてもガス流に引火することは無く、真空ポンプ装置や他の装置に対して損傷を与えることもない。その上、燃焼ガス２０が真空ポンプ装置に入る前に冷却区域で冷却され、真空ポンプも過度に熱せられることもなく、真空ポンプの更なる冷却も不要となる。

水や他の液体が冷却区域へと導入され、高温の除害ガス２０に接触してこれを冷却する。冷却は液体の気化熱により起こるものと注入された液体の加熱過程によるものの両方がある。

適当な冷却材の熱容量や相変化の特性を以下に示す。
水：
熱容量（液体）＝４．２ｋＪｋｇ^-1Ｋ^-1
熱容量（気体） ＝２．０ｋＪｋｇ^-1Ｋ^-1
気化熱 ＝２２７０ｋＪｋｇ^-1

二酸化炭素：
熱容量（気体）＝０．９ｋＪｋｇ^-1Ｋ^-1
気化熱 ＝５７４ｋＪｋｇ^-1

窒素
熱容量（気体）＝１．０ｋＪｋｇ^-1Ｋ^-1
気化熱 ＝１９９ｋＪｋｇ^-1

これらの一般的に入手可能な物質の中でも、安価で入手容易であり、気化の際、大きな冷却効果を有する水が現時点では好ましい。二酸化炭素は可燃性を抑制することや固体（二相変化）又は液体として使用できる、といった有用な特性を有している。

注入された液体の相変化により生じる冷却効果は大きいが、ガスの排気流には小さな変化しか与えない。（すなわち、水１ｇは約１．２５リットルを占めるが、その流体に対する冷却効果は、約２０リットルの空気がシステムに２０℃で入り、１２０℃で出て行った場合と同等である。） よって、真空ポンプ装置の能力を増強する必要もなく、また図２に示すように湿式スクラバーやフィルター装置の能力を増強する必要もない。真空ポンプを通るガスの流量を減らすことで、必要な真空ポンプのサイズを小型化でき、またポンプの消費エネルギーを低減することができる。

様々な異なる結果を得るために、冷却区域２４に入る水の量を調節することが望ましい。まず、真空ポンプ装置が稼動可能な温度が分かっている。ここで燃焼ガスの温度と質量や体積流量率が分かれば、燃焼ガスの適当な温度低下のために冷却区域２４に導入しなければならない水の量を求めることができる。導入する水の量の正確な調節によって、水の浪費やコスト増加を避けることができる。

さらに、真空ポンプ装置の高圧領域に液体の水が入らないように、また真空ポンプ装置の高圧領域内で凝縮しないようにして、真空ポンプ装置の金属製部品や他の部品の流体固着や潜在的な腐食を避けることが好ましい。従って、冷却区域２４に導入される水の量は、真空ポンプ装置に入る前にほぼ全てが気化しているように、調節される。

必要となる水２６の量は燃料ガス２０の予想流量率又は複数の予想流量率によって予め定めることができ、これに基づいて冷却領域２４への水の導入が調節される。この他に、燃焼ガス２０の温度や他の特性を検知するために、一つ又は複数のセンサー２８を例えば図示するように冷却区域の排出部に設けることができる。冷却区域への水２６の流れを調節するために、センサーは制御ユニット２９へと信号を出力するようになっている。

特定の処理ガス（例えば水素）の流れに対しては、予め定めた水流を注入することもできる。もしくは、フィードバックループを用いて、予め定めた排気ガスの温度（例えば７０℃）を保つように、注入される水の量を制御することもできる。

他の装置によって冷却区域２４に水を導入することもできる。例えば、水を細かい霧状にして、霧として導入してもよい（細かい霧により気化が促進される）。霧化は冷却区域２４に入る水粒子のサイズと量を制御することで調節される。他にもノズルを通して一本又は複数の細いジェット水流として圧力をかけて水を導入してもよい。さらにまた、毛細管を使って、冷却区域の圧力と毛細管の直径や長さによって冷却区域に入る水の量を調節するように、水を導入しても良い。

図２に排気ガスを処理するためのシステム３０を示す。図２には処理室と真空ポンプ装置が一つのユニット３２として示され、ここから処理ガス３４が排気される。排気ガスは除害ユニットで除害され、もしくは図示されるようにバーナー３６で焼却される。バーナー３６は放射バーナーでもよい。燃料ガス３８はバーナーに導入され、バーナーの焼却、即ち除害区域４０で排気ガスを焼却するために点火される。

実線で示される一つの配置において、例えば粉塵ろ過装置のようなフィルター装置４２が燃焼ガスから微粒子や粉塵、その他の固体をろ過してフィルター済みガス４４と粉塵４６に分ける。

点線で示されるもう一つの配置において、湿式スクラバー５６が除害ガスを洗浄するために設けられる。除害ガス中から微粒子を除去するために水のような洗浄媒体５８が導入される。空気６０と湿った粉塵６２が湿式スクラバー５６から排出される。

バーナー３６から排出された燃焼ガス４８は空気流５２の導入によって冷却区域５０で冷却される。以下で詳述するように、空気流だけでの冷却は燃焼ガスを十分には冷却することができないおそれがあり、燃焼ガス４８を十分に冷却するためには、相当量の空気を使用する必要がある。従って、水や他の液体５４のような冷却材を 冷却区域５０に注入することによって導入し、冷却材の相変化によって高温の燃焼ガスを冷却する。冷却材の相変化を伴わない温度上昇による冷却も発生しうるが、原理的には冷却は気化熱によって発生する。

典型的なフィルター装置４２は稼動上限温度が約７０℃である。半導体や太陽電池の蒸着過程からの水素を焼却するときなどに、バーナー３６によって高い熱負荷が生じることがある。これに関して、１分間あたり数百リットルの水素が燃焼ガスの温度を１３０℃以上に上昇させ得る。従来技術においては、このような追加の熱負荷によって、冷却のために空気を相当な量増加させて冷却区域に導入する必要が生じ、その結果、より大きく（そしてより高価な）粉塵ろ過装置を用いる必要があった。図２の装置においては、追加の空気を不要とし、フィルター装置もその稼動上限温度以下で稼動するよう、水５４によって高温の燃焼ガスは十分に冷却される。

燃焼ガス４８の温度と質量又は体積流量率も分かれば、燃焼ガスの適当な温度低下のために冷却区域５０に導入しなければならない水５４の量を求めることができる。導入する液体（水）の量の正確な調節により、水の浪費やコスト増加を避けることができる。

さらに、フィルター装置の通常機能を損なわないように、液体の水がフィルター装置に入らないようにするのが好ましい。このため、冷却区域５０に導入される水の量は、フィルターへと入る前にほぼ全てが気化するように調節される。焼却炉とフィルターとの間で冷却のための十分なゆとりを確保し、ガスプルーム内で水が凝結し始めないようにすることが重要である。このためには、冷却された排気流の湿度が冷却点において相対湿度が１００％未満である必要がある。

湿式スクラバー５６が設けられた場合、液体５２を冷却区域に注入することで、湿式スクラバーの上流で除害されたガス中の核形成や凝縮プロセスによって湿式スクラバーの効率を向上させる。冷却区域に注入される液体の量は上述したように、湿式スクラバーの加熱を耐性の範囲内に抑えるように調節される。

水５４は冷却区域５０にスプレー状又は細かい霧状、その他図１を参照して上述したような手法により導入してもよい。

Claims (15)

1. 処理室からの排気ガス流の処理方法であって、
   前記処理室からの前記排気ガスを真空ポンプ装置または大気圧管を用いて輸送するステップと、
   前記排気ガスを除害装置の除害区域で除害するステップと、
   前記除害されたガスを冷却材の相変化によって冷却区域において冷却し、前記冷却された除害されたガスと前記冷却材を含む、冷却されたガス混合物を生成するために、前記除害区域の下流に冷却材を注入するステップと、
   前記冷却区域の下流の乾式ろ過装置を用いて前記冷却されたガス混合物から微粒子をろ過するステップと、を有し、
   前記注入される冷却材の量は、前記冷却区域において前記冷却材がほぼ全て気化するよう、そして前記冷却されたガス混合物が前記冷却材の注入後、前記乾式ろ過装置で凝縮しないよう、前記除害されたガスの流量及び／又は温度に応じて調節されることを特徴とする排気ガス流の処理方法。
2. 前記冷却材は液体であり、前記注入された液体から気体への相変化によって、前記冷却区域において前記除害されたガスを冷却することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記注入される冷却材の量は、前記冷却区域において前記冷却材がほぼ全て気化するように、前記除害されたガスの流量及び／又は温度に応じて調節されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記冷却区域は大気圧よりも低い気圧であり、前記真空ポンプ装置に対するガスの負荷が前記冷却材を前記ガス流に注入したことによってもほぼ増加しないように、前記真空ポンプ装置の上流にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記除害された排気ガスの特性がセンサーにより検知され、前記検知された特性に応じて前記冷却区域に注入される液体の量を調節することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記液体はスプレー状又は霧状で注入されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記真空ポンプ装置は前記冷却区域の下流に配置され、前記冷却区域に導入される液体の量は、前記除害されたガスの温度が前記真空ポンプ装置の稼動上限温度より低くなるまで冷却されるように調節されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記除害されたガスは微粒子を含み、フィルター装置が前記除害されたガスをフィルターでろ過して前記微粒子を除去することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記フィルター装置は稼動上限温度を有し、前記冷却区域に注入される液体の量は、前記除害されたガスの温度が前記フィルター装置の稼動上限温度より低くなるまで冷却されるように調節されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記除害されたガスは微粒子を含み、湿式スクラバーが前記除害されたガスを洗浄して前記微粒子を除去することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法。
11. 前記湿式スクラバー は稼動上限温度を有し、前記冷却区域に注入される液体の量は、前記除害されたガスの温度が前記湿式スクラバーの稼動上限温度より低くなるまで冷却されるように調節されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記注入された液体は前記冷却区域において前記除害されたガスを冷却するために気化し、前記冷却区域の下流において前記除害されたガス中の微粒子の周囲に凝結して固体核を有する液滴を形成し、前記液滴は前記湿式スクラバーによって効率的に洗浄されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の方法。
13. 前記除害されたガスを冷却するために冷却区域に空気を導入することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記冷却区域の圧力は５ｋＰａから７５ｋＰａの間であることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法。
15. 前記液体は水、窒素、二酸化炭素のいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の方法。

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