JP2005097667A - フッ素ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常事態における被害を最小限に食い止めることが可能なフッ素ガス生成装置を提供する。
【解決手段】フッ素ガス生成装置３０は、陽極側の第１気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第２気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽３２を有する。プロダクトガス及び副生ガスを導出するため、第１及び第２配管５２、７２が配設される。第２配管７２には副生ガスの導出流量を制御する導出流量制御部７４が配設される。陰極側の第２気相部分におけるガス中の水素濃度が７０〜１０％となるように、不活性ガスを導入する第１希釈管８２が配設される。第２配管７２から出るガス中の水素濃度が４％以下となるように、導出流量制御部７４より下流で第２配管７２内に不活性ガスを導入する第２希釈管８４が配設される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フッ素ガス生成装置に関し、特に半導体処理システムのガス供給系に配設されるフッ素ガス生成装置に関する。なお、ここで、半導体処理とは、半導体ウエハやＬＣＤ基板等の被処理基板上に半導体層、絶縁層、導電層等を所定のパターンで形成することにより、該被処理基板上に半導体デバイスや、半導体デバイスに接続される配線、電極等を含む構造物を製造するために実施される種々の処理を意味する。

半導体デバイスの製造においては、被処理基板、例えば半導体ウエハやＬＣＤ基板に、成膜、エッチング、拡散等の各種の半導体処理が施される。このような処理を行う半導体処理システムでは、例えば、シリコン膜やシリコン酸化膜をエッチングする場合や、処理室内をクリーニングする場合等、種々の用途の処理ガスとしてフッ素系のガスが利用される。新規なエッチングガス及びクリーニングガスとして、フッ素ガスが注目されているが、安全性及び信頼性の面で問題が完全に解消されていないため、半導体デバイスの製造の現場でフッ素を生成することは一般的に行われていない。

一方、ガス製造工場においてフッ素ガスを生成する装置として、電解槽を使用した装置が知られている。電解槽では、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解する。これにより、陽極（アノード）側にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極（カソード）側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる。フッ素ガスは非常に活性な酸化剤（支燃性）であり、フッ素ガスと水素ガスとが接触して反応することは非常に危険である。このため、陽極側のプロダクトガスと陰極側の副生ガスとの混触することを防止するための様々な工夫がなされている。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、ガス製造工場においてフッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置が開示される。これらの公報に開示の装置では、上方から溶融塩中に延びる仕切り板（スカート）により、電解槽内が中央の陽極室と周囲の陰極室とに仕切られる。陽極室内には異なる高さで終端する一対のプローブが配設される。一対のプローブは、陽極及び陰極間に供給する電流のオン／オフを制御するための液面計として機能する。即ち、この装置では、仕切り板により、陽極側のガスと陰極側のガスとの混触を防止すると共に、溶融塩の液面を検出しながらフッ素ガスの発生を制御する。この装置の場合、しかし、２つの高さ位置でしか液面を検出していないため、幾分かの液面の変動が起こることは避けられない。

図４は別の従来のフッ素ガス生成装置を示す概略図である。この装置は、電解槽からのフッ素ガスの供給を制御するための改良された機構を有する。この装置の場合、電解槽１１２の陽極１１４側で発生したフッ素ガスが配管１２０を通して連続的に中間のキャパシタ１１６に供給され、ここに一時的に溜められる。キャパシタ１１６がある一定の圧力に達した時、コンプレッサ１１８とキャパシタ１１６との間に配設された開閉バルブ１２２が一時的に開放され、ある一定量のフッ素ガスがコンプレッサ１１８に吸引される。バルブ１２２の操作は何回も繰り返され、二次バッファタンク１２４の圧力が所定の値まで昇圧される。

図４図示の装置の場合、キャパシタ１１６の圧力の上限でバルブ１２２を開放し、圧力の下限でバルブ１２２を閉鎖するという操作を行う。このため、フッ素ガスの配管１２０中に大きな圧力変動が生じ、これによりミスト状の溶融塩が配管１２０の入口に蓄積し、配管１２０を閉塞させる原因となる。また、設置環境によっては排出系の圧力が変化することが予想される。例えば排気系の吸引能力が高いと陰極側の圧力が自然に陰圧になり、陰極側の溶融塩レベルがそれに伴い上昇する。この場合、液面が大きく変動し、水素ガスの配管１２１側に溶融塩が引きずり込まれ、配管１２１を閉塞させる原因となる。

上述のように、従来のフッ素ガス生成装置の場合、安全性及び信頼性の面でいくつかの問題点がある。このような問題が解消されないと、自動化された生産システム、例えば、半導体デバイスの製造システムにフッ素ガス生成装置を組込んで使用することは実際上困難となる。また、本発明者等によれば、従来の装置では、後述するように、正常運転状態における陽極側のガスと陰極側のガスとの混触を予防する工夫は行っているが、異常事態により装置を停止した場合や、万が一に両ガスの混触が発生した場合に対する対応が十分ではないという問題点が見出されている。
特表平第９−５０５８５３号公報 特開２００２−３３９０９０

本発明は、ある視点において、異常事態における被害を最小限に食い止めることが可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。本発明はまた、別の視点において、長時間の運転においても高い安全性及び信頼性で作動することが可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。本発明はまた、更に別の視点において、オンサイトで且つオンデマンドでフッ素ガスを生成するのに最適な装置を提供することを目的とする。ここで、オンサイトとは、フッ素ガス生成装置が、所定の主処理装置、例えば、半導体処理システムの主処理装置と組合わされることを意味する。また、オンデマンドとは、主処理装置側からの要求に応じたタイミングで且つ必要とされる成分調整を伴ってガスが供給可能となることを意味する。

本発明の第１の視点は、フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ素ガスを生成する装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第１気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第２気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記第１気相部分から前記プロダクトガスを導出する第１配管と、
前記第２気相部分から前記副生ガスを導出する第２配管と、
前記第２配管に配設された前記副生ガスの導出流量を制御する導出流量制御部と、
前記第２気相部分におけるガス中の水素濃度が７０〜１０％となるように、前記第２気相部分に不活性ガスを導入する第１希釈管と、
前記第２配管から出るガス中の水素濃度が４％以下となるように、前記導出流量制御部より下流で前記第２配管内に不活性ガスを導入する第２希釈管と、
を具備することを特徴とする。

本発明の第２の視点は、第１の視点の装置において、前記第１及び第２気相部分の圧力を実質的に互いに等しくする圧力制御機構を具備し、前記導出流量制御部は前記圧力制御機構の一部として使用されることを特徴とする。

本発明の第３の視点は、第２の視点の装置において、
前記圧力制御機構は、
前記第１気相部分の圧力を連続的に測定する第１圧力計と、
前記第２気相部分の圧力を連続的に測定する第２圧力計と、
前記第１配管に配設された第１流量制御弁と、
前記導出流量制御部として前記第２配管に配設された第２流量制御弁と、
前記第１気相部分の圧力が第１設定値に維持されるように、前記第１圧力計の測定結果に基づいて第１流量制御弁の開度を調整する第１制御部材と、
前記第２気相部分の圧力が前記第１設定値と実質的に等しい第２設定値に維持されるように、前記第２圧力計の測定結果に基づいて第２流量制御弁の開度を調整する第２制御部材と、
を具備することを特徴とする。

本発明の第４の視点は、第２または第３の視点の装置において、前記第１希釈管に配設された不活性ガスの導入流量を制御する導入流量制御部を更に具備することを特徴とする。

本発明の第５の視点は、第１乃至第４の視点のいずれかの装置において、前記第１希釈管から前記第２気相部分への不活性ガスの供給時間を設定する手段を更に具備することを特徴とする。

本発明の第６の視点は、第１乃至第５の視点のいずれかの装置において、前記第１及び第２希釈管から導入される不活性ガスは共に窒素ガスであることを特徴とする。

本発明の第７の視点は、第１乃至第６の視点のいずれかの装置において、当該装置の動作を制御する主制御部を更に具備し、前記主制御部は所定の異常事態に対して、前記第１及び第２希釈管からの不活性ガスの導入を継続するトラブル対応モードを実行するように設定されることを特徴とする。

本発明の第８の視点は、第７の視点の装置において、前記トラブル対応モードにおいて前記第１気相部分に不活性ガスを導入するパージ管を更に具備することを特徴とする。

本発明の第９の視点は、第７または第８の視点の装置において、前記トラブル対応モードにおいて、前記第１及び第２希釈管にバックアップガス源を選択的に連通させるバックアップ管及び切替え弁を更に具備することを特徴とする。

本発明の第１０の視点は、第７乃至第９の視点のいずれかの装置において、前記主制御部は、外部電源の遮断時に、バックアップ電源からの電力の供給により前記トラブル対応モードを実行することを特徴とする。

更に、本発明の実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

陰極側の第２気相部分におけるガス中の水素濃度を低下させることにより、陽極側のガスと陰極側のガスとの混触反応により発生する圧力が低下する。このため、電解槽に対する負担が軽くなり、異常事態における被害を最小限に食い止めることができる。

陽極側及び陰極側の第１及び第２気相部分の圧力を実質的に互いに等しくすることにより、電解槽内の液面変動が殆どなくなる。このため、長時間の運転においても高い安全性及び信頼性で作動することが可能となる。

トラブル対応モードにおいて、陰極側の第２気相部分への不活性ガスの導入を継続することにより、陰極側のガス中の水素濃度が異常事態発生時に時間の経過と共に低下する。このため、陽極側のガスと陰極側のガスとが混触しても、混触反応により発生する圧力が低下し、異常事態における被害を最小限に食い止めることができる。

本発明者等は、本発明の開発の過程において、従来のフッ素ガス生成装置における安全性及び信頼性の面の問題について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。

従来の装置では、正常運転状態（陽極側から発生するガスを製品として回収している状態）における陽極側のガスと陰極側のガスとの混触（即ちフッ素ガスと水素ガスとの混触）を予防するため、様々な工夫を行っている。しかし、液面の過剰な変動、電源やガス源の故障などの異常事態が実際に発生した場合、従来の装置では、通常、装置内の全ての電源供給を遮断し、フッ素ガスの発生を停止するという処置を施すだけである。ここで、陽極側のガスと陰極側のガスとの混触は、装置の運転を停止することにより、原則として発生しないものとしている。

しかし、異常事態により装置の運転を緊急停止した場合、種々の要因によって電解槽内で圧力変動が生じて陽極側のガスと陰極側のガスとの混触が発生する可能性がある。また、電解槽に対する電源供給が遮断されてヒータがオフ状態となって時間が経つと、電解槽内の溶融塩の固化が進行する。溶融塩が固化することにより、陽極側と陰極側との間でガスの導通が発生する（この導通量は１×１０^-2〜１×１０Ｐａ・ｍ³ ／ｓｅｃであることが確認されている）。即ち、装置を緊急停止した後に時間が経つと、陽極側のガスと陰極側のガスとの混触が発生する可能性がある。従来の装置では、万が一に陽極側のガスと陰極側のガスとの混触が生じてしまった場合には、爆発状の両ガスの反応に対しては、電解槽の機械的強度に依存するのみである（一般的には、電解槽は高圧に耐えられない構造となっている）。

以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は本発明の実施の形態に係る、フッ素ガス生成装置を組込んだ半導体処理システムを示す概略図である。この半導体処理システムは、半導体ウエハやＬＣＤ基板等の被処理基板に、成膜、エッチング、或いは拡散等の処理を施す半導体処理装置１０を有する。

半導体処理装置１０は、被処理基板を収納すると共に半導体処理を施すための処理室１２を具備する。処理室１２内には、被処理基板を載置するための下部電極兼載置台（支持部材）１４が配設される。処理室１２内にはまた、載置台１４に対向して上部電極１６が配設される。両電極１４、１６間にＲＦ（高周波）電源１５からＲＦパワーが印加されることにより、処理ガスをプラズマに転化するためのＲＦ電界が処理室１２内に形成される。処理室１２の下部には、内部を排気すると共に真空に設定するための排気系１８が接続される。また、処理室１２の上部には、処理ガスを供給するためのガス供給系２０が接続される。

なお、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置は、処理室にリモートプラズマ室が付設されたタイプの半導体処理装置のガス供給系として使用することができる。また、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置は、プラズマを利用しない半導体処理装置、例えば熱ＣＶＤ装置に対してクリーニングガス等を供給する場合にも適用することができる。

ガス供給系２０には、処理室１２内に任意のガス、例えば半導体処理を行うための処理ガスや処理室１２内をクリーニングするための処理ガスを、選択的に切替え且つ所定の流量で供給するための流れ管理部２２が配設される。流れ管理部２２には、種々な活性ガスや不活性ガスを貯蔵する複数のガス源を有するガス貯蔵部２４が接続される。流れ管理部２２にはまた、フッ素ガス系の処理ガスを反応処理により生成するガス生成部２６が接続される。

流れ管理部２２及びガス生成部２６には、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置３０が着脱可能に接続される。即ち、生成装置３０は、流れ管理部２２にフッ素ガスを直接供給するか、或いはガス生成部２６にフッ素ガス原料を供給するために使用される（切替え用のバルブは図示せず）。ガス生成部２６では、例えば、フッ素ガス原料と、Ｃｌ等の他のハロゲンガスとを反応させることにより、ハロゲン間フッ素化合物ガスが生成される。

フッ素ガス生成装置３０は、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴を収納する気密な電解槽３２を有する。電解槽３２を含め、生成装置３０の全体の動作は、主制御部４０によって制御される。また、生成装置３０は、通常は、半導体製造工場に設置された主電源によって運転される。なお、生成装置３０は、停電などの電源系統の異常事態に対応するため、バックアップ電源ＢＢも利用するように設定される。バックアップ電源ＢＢは、生成装置３０に専用のものであっても、或いは、半導体製造工場に設置されたものであってもよい。

電解槽３２内の溶融塩は、フッ化カリウム（ＫＦ）とフッ化水素（ＨＦ）との混合物（ＫＦ／２ＨＦ）或いはフレミー塩（Fremy's salt）とフッ化水素との混合物からなる。電解槽３２は上方から溶融塩中に延びる仕切り板（スカート）３５により、陽極室３４及び陰極室３６に分割される。陽極室３４及び陰極室３６内で、溶融塩中にはカーボン電極（陽極）４２及びニッケル電極（陰極）４４が夫々浸漬される。電解槽３２には、陽極４２及び陰極４４間に電流を供給するための電流源３８が付設される。

陰極室３６には、溶融塩中に消費原料であるフッ化水素ガスを供給するため、原料供給管３１が溶融塩中に浸漬された状態で配設される。また、陽極室３４及び陰極室３６には、溶融塩の液面を検出する液面センサ３７ａ、３７ｂが配設される。なお、図１では、液面センサ３７ａ、３７ｂが夫々一本の線で示されるが、各液面センサ３７ａ、３７ｂは、複数の液面レベルを検出できるように、複数のセンサの組み合わせからなる。

電解処理中、電解槽３２は付随するヒータ３３により８０〜９０℃に加熱保温される。電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極室３４の気相部分にフッ素ガス（Ｆ₂ ）を主成分とするプロダクトガスが発生され、陰極室３６の気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスが発生される。プロダクトガス及び副生ガスの夫々には、原料の溶融塩中のフッ化水素ガスの蒸気圧分だけ、フッ化水素ガスが混入する（例えば５％）。陽極室３４及び陰極室３６には、夫々の気相部分の圧力を連続的に測定するため、第１及び第２圧力計４６、４８が配設される。

陽極室３４には、プロダクトガスを導出し、ガス供給系２０の流れ管理部２２及びガス生成部２６に送るための第１配管５２が接続される。第１配管５２には、上流側から順に、第１流量制御弁５４、吸着カートリッジ５６、ミニバッファタンク５８、コンプレッサ（吸引手段）６２、主バッファタンク６４等が配設される。陽極室３４で発生されたプロダクトガスは、コンプレッサ６２により第１配管５２が吸引されることにより、陽極室３４から強制的に引出され、主バッファタンク６４に貯留される。なお、図１において符号６６はラインフィルタを示す。

上述のように、プロダクトガス中には、数パーセント（例えば５％）のフッ化水素が混入する。このフッ化水素は、プロダクトガスが吸着カートリッジ５６を通過する際に除去される。このため、カートリッジ５６内には、フッ化水素を吸着により捕捉する吸着剤が内蔵される。吸着剤は、取扱いや圧力損失を考慮し、カートリッジ５６内に充填された多数のペレットからなる。吸着剤は、例えば、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）のような、その吸着能力が温度により変化する吸着剤からなる。カートリッジ５６の周囲には、カートリッジ５６の温度を調節するための温度調節ジャケット（ヒータ）５７が配設される。

主バッファタンク６４には圧力計６５が配設され、タンク６４内の圧力が連続的に測定される。この測定結果は、電流源３８に付随する制御部材３９に伝達される。制御部材３９は、伝達された測定結果に基づいて電流源３８をオン／オフし、電解槽３２への電流の供給を制御する。即ち、タンク６４内の圧力が、ある圧力まで減少すると電流源３８がオンされてフッ素ガスの生成が開始され、また、ある圧力まで増加すると電流源３８がオフされてフッ素ガスの生成が停止される。これにより、電解槽３２内の陽極室３４及び陰極室３６間で溶融塩の液面レベルに差をつけずに電解を止めることができる。なお、タンク６４内の圧力は、例えば大気圧〜大気圧＋０．１８Ｍｐａに設定される。

一方、陰極室３６には、副生ガスを導出するための第２配管７２が接続される。第２配管７２は、例えば半導体製造工場の排気系（吸引手段）７８の配管に着脱可能に接続される。第２配管７２には第２流量制御弁７４、除害部７６等が配設される。陰極室３６で発生された副生ガスは、排気系７８により第２配管７２が吸引されることにより、陰極室３６から強制的に引出され、除害部７６を通過した後、排気系７８に送られる。

上述或いは後述するように、電解処理中、種々の要因で、陽極室３４及び陰極室３６間の圧力バランスが崩れ、電解漕３２内で液面変動が起こりやすい。また、電解処理中以外でも、例えば、窒素ガスによる電解漕３２内のパージ、原料フッ化水素ガスの供給時終了後の窒素パージ工程等、主にガス切替え工程の直後に、電解漕３２内で液面変動が起こりやすい。これ等は、フッ素ガス生成装置の安全性及び信頼性を損なう原因となる。

これに対して、図１図示のフッ素ガス生成装置においては、陽極室３４及び陰極室３６の夫々の気相部分の圧力が第１及び第２圧力計４６、４８により連続的に測定される。これ等の測定結果は、第１及び第２流量制御弁５４、７４の夫々に付随する第１及び第２制御部材５５、７５に伝達される。第１及び第２制御部材５５、７５は、伝達された測定結果に基づいて、陽極室３４及び陰極室３６の夫々の気相部分の圧力が互いに実質的に等しい第１及び第２設定値に維持されるように、第１及び第２流量制御弁５４、７４の開度を調整する。即ち、第１及び第２流量制御弁５４、７４は、夫々に付随する第１及び第２制御部材５５、７５の制御下で連続的に開度が調整される。

このように、陽極室３４及び陰極室３６の圧力が、夫々独立して常時測定され且つ制御されるため、陽極室３４及び陰極室３６における溶融塩の液面の状態が均一に維持される。換言すれば、この構成により、電解槽３２は、フッ素の発生状態、第１及び第２配管５２、７２内の状態、コンプレッサ６２や半導体製造工場の排気系７８の動作状態、その他の環境等の変動による悪影響から保護される。このため、高価な電極等に与える損害、例えば陽極効果を未然に回避することができ、安全にしかも突然の電解停止をすることなく処理を進行させることができる。また、第１及び第２配管５２、７２の入口で溶融塩が固化してこれ等を閉塞させることがないため、頻繁にメンテナンスをする必要がなくなる。

なお、上述の陽極室３４及び陰極室３６の夫々の気相部分の第１及び第２設定値は、望ましくは大気圧〜８２０Ｔｏｒｒ、より望ましくは大気圧〜７７０Ｔｏｒｒに設定される。また、陽極室３４及び陰極室３６の圧力を安定させるため、第１及び第２流量制御弁５４、７４は応答性よく開度が連続的に調整可能であることが必要である。かかる観点から、第１及び第２流量制御弁５４、７４としてピエゾバルブが望ましくは使用される。

図２は図１図示のフッ素ガス生成装置における、不活性ガス、例えば窒素（Ｎ₂ ）ガスの供給配管系の一部を取り出して示す概略図である。

陰極室３６には、陰極室３６の気相部分に不活性ガス、例えば窒素ガスを導入するため、第１希釈管８２が接続される。第１希釈管８２は、例えば半導体製造工場の不活性ガス源８０に着脱可能に接続される。第１希釈管８２にはマスフローコントローラのような流量制御部８４が配設される。生成装置３０の正常運転中、主制御部４０の制御下で、第１希釈管８２から陰極室３６の気相部分に不活性ガスが制御された流量（流量制御部８４により）で導入される。これにより、陰極室３６の気相部分におけるガス中の水素濃度が後述するような所定の値に低減される。なお、窒素ガスは溶融塩には溶けないため、そのまま水素ガスと混合されて第２配管７２に排出される。

また、第２配管７２にも、不活性ガス、例えば窒素ガスを導入するため、第２希釈管８３が接続される。第２希釈管８３も、例えば半導体製造工場の不活性ガス源８０に着脱可能に接続される。第２希釈管８３は、第２流量制御弁７４と除害部７６との間で、バキュームジェネレータ７５を介して第２配管７２に接続される。第２配管７２内をガスが流れることによりバキュームジェネレータ７５において吸引力が発生し、この吸引力で第２希釈管８３からの不活性ガスが第２配管７２内に大量に引き込まれる。これにより、第２配管７２を流れるガス中の水素濃度が大幅に低減される。

第１希釈管８２からの不活性ガスにより、陰極室３６の気相部分におけるガス中の水素濃度は約７０〜約１０％、望ましくは約４０％〜約１５％に低減される。この水素濃度の低減は、電解槽３２内で陽極室３４側のガスと陰極室３６側のガスとが混触するという最終事態に対する対策として採用される。水素濃度を低減することにより、両ガスの混触反応により発生する圧力が低下するため、電解槽３２が破壊するのを防止することができる。なお、第１希釈管８２からの不活性ガスの供給は必ずしも連続的である必要はない。例えば、主制御部４０によって不活性ガスの供給時間を設定し、この供給時間だけの不活性ガスの供給を所定間隔で繰り返して行うようにしてもよい。

一方、第２希釈管８２からの不活性ガスにより、第２配管７２により除害部７６を通して排気系７８に送られる（第２配管７２から出る）ガスの水素ガスの濃度は４％以下となるように低減される。水素ガスの濃度４％は、水素ガスの爆発限界の濃度であり、即ち、この水素ガスの濃度の低減により、第２配管７２から出るガスが爆発反応を起こす危険性を回避することができる。

図３は陰極室３６に対する希釈ガス（不活性ガス）の供給流量（ｓｃｃｍ）と、フッ素ガスと水素ガスとの混触反応により発生する圧力（ｂａｒ）との関係を示すグラフである。図３図示のデータは、水素ガスの発生量が６５０ｓｃｃｍ、希釈ガスが窒素ガスという条件で得られたものである。しかし、希釈ガスが他の不活性ガスであっても、同様な結果となるものと考えられる。

図３に示すように、希釈ガスの流量が増加するに従って、発生圧力は二次関数的に減少する。ここで、希釈ガスの流量が５００ｓｃｃｍ（水素濃度約５５％に対応）までは、希釈ガスの流量の増加に伴って発生圧力は概ね直線的に減少する。一方、希釈ガスの流量が５０００ｓｃｃｍ（水素濃度約１０％に対応）以上では、希釈ガスの流量を増加しても発生圧力はあまり減少しない。即ち、希釈ガスの供給量と発生圧力の低下効果との関係からすれば、希釈ガスの流量は５０００ｓｃｃｍ（水素濃度約１０％に対応）までとすることが望ましいこととなる。

第１希釈管８２から陰極室３６の気相部分に供給する不活性ガスの量は、上述の供給量対効果の関係に加えて、更に重要な幾つかの要因を考慮して決定される。その一つの要因は、発生圧力（ｂａｒ）に耐え得る電解槽３２の機械的強度である。現在、一般的に使用されている電解槽３２は、２５ｂａｒ程度の発生圧力には耐えることができる。かかる観点からすると、不活性ガスの供給量（希釈ガスの流量）は少なくとも２５０ｓｃｃｍ程度（水素濃度約７０％に対応）必要であり、しかも多ければ多いほどよいこととなる。

別の要因は、電解槽３２の陽極室３４の気相部分と陰極室３６の気相部分との間の圧力バランスである。上述のように、陽極室３４及び陰極室３６の夫々の気相部分の圧力は、
第１及び第２圧力計４６、４８や第１及び第２流量制御弁５４、７４を含む圧力制御機構により、実質的に互いに等しくなるように連続的に制御される。陽極室３４及び陰極室３６には、基本的に同じ体積のガスが発生するため、陰極室３６に不活性ガスを供給しない場合は、両室３４、３６間の圧力バランスを維持するのは比較的容易である。しかし、陰極室３６に不活性ガスを供給すると、その分だけ陽極室３４及び陰極室３６の圧力バランスが崩れ易くなる。従って、この観点からすると、不活性ガスの供給量（希釈ガスの流量）をあまり多くすることは望ましくない。

以上のような種々の要因を考慮の上、水素ガスの発生量が６５０ｓｃｃｍの条件に対しては、第１希釈管８２からの不活性ガスの供給量が、約２５０〜約５０００ｓｃｃｍ、望ましくは約１０００〜約４０００ｓｃｃｍに設定される。この供給量を陰極室３６の気相部分におけるガス中の水素濃度に換算すると、約７０〜約１０％、望ましくは約４０％〜約１５％となる。

図２に戻って、陽極室３４には、陽極室３４の気相部分に不活性ガス、例えば窒素ガスを導入するため、パージ管８６が接続される。パージ管８６は、例えば半導体製造工場の不活性ガス源８０に着脱可能に接続される。パージ管８６にはマスフローコントローラのような流量制御部８８が配設される。第１及び第２希釈管８２、８３とは異なり、パージ管８６からの不活性ガスは、生成装置３０の正常運転中には、陽極室３４の気相部分に導入されることはない。パージ管８６からの不活性ガスは、後述するトラブル対応モードを実行する際に、陽極室３４の気相部分に導入される。

また、フッ素ガス生成装置３０は、電源系統の故障などに起因する不活性ガス源８０の異常事態に対応するため、バックアップ不活性ガス源ＧＢも利用するように設定される。バックアップ不活性ガス源ＧＢは、生成装置３０に専用のものであっても、或いは、半導体製造工場に設置されたものであってもよい。第１及び第２希釈管８２、８３及びパージ管８６は、夫々バックアップ管９２、９３、９６を介してバックアップ不活性ガス源ＧＢに接続される。バックアップ管９２、９３、９６には、夫々切替え弁９４、９５、９７が配設される。

次に、主制御部４０の制御下で行うトラブル対応モードについて説明する。

例えば、液面センサ３７ａ、３７ｂにより、電解槽３２内の過剰な液面変動が検出された場合、これは主制御部４０に伝達される。主制御部４０はアラームを発して、オペレータに対して電解槽３２の異常事態の発生を知らせると共に、内蔵のタイマーにより異常事態の発生からの時間の経過をカウントし始める。この異常事態がオペレータによって対応処理されない場合、所定時間の経過後に主制御部４０はトラブル対応モードを実行する。

トラブル対応モードにおいて、原料供給管３１からの消費原料であるフッ化水素ガスの供給や、生成装置３０内の殆どの部分に対する電源供給が遮断される。しかし、この際、第１及び第２希釈管８２、８３から陰極室３６の気相部分及び第２配管７２への不活性ガスの導入が継続されると共に、パージ管８６から陽極室３４の気相部分への不活性ガスの導入が開始される。即ち、この時、第１希釈管８２及びパージ管８６の流量制御部８４、８８は動作状態に維持される。

また、第１及び第２圧力計４６、４８や第１及び第２流量制御弁５４、７４を含む圧力制御機構も動作状態に維持される。更に、第１配管５２の吸着カートリッジ５６やコンプレッサ６２への流路の切替え弁５３が閉鎖される一方、第１配管５２に接続されたバイパス管６７の切替え弁６８が開放される。これにより、陽極側では、不活性ガスがパージ管８６から陽極室３４を通してバイパス管６７に流れるパージルートが形成される。また、陰極側では、不活性ガスが第１希釈管８２から陰極室３６を通して第２配管７２に流れるパージルートが形成される。なお、バイパス管６７は、除害部６９を介して、例えば半導体製造工場の排気系７８の配管に着脱可能に接続される。

上述のトラブル対応モードによれば、装置３０の停止後、陽極室３４の気相部分におけるガス中のフッ素濃度及び陰極室３６の気相部分におけるガス中の水素濃度は、時間の経過と共に低下する。前述のように、電解槽３２に対する電源供給が遮断されてヒータ３３がオフ状態となって時間が経つと、電解槽３２内の溶融塩の固化が進行する。溶融塩が固化することにより、陽極側と陰極側との間でガスの導通し、陽極側のガスと陰極側のガスとの混触が発生する可能性がある。この場合でも、陽極側のガス中のフッ素濃度及び陰極側のガス中の水素濃度は十分に低くなっているため、爆発状の混触反応が発生することはない。

また、停電などによる主電源からの電力の供給停止が検出された場合、バックアップ電源ＢＢが起動されると共に、この情報が主制御部４０に伝達される。主制御部４０はアラームを発して、オペレータに対して主電源の異常事態の発生を知らせると共に、内蔵のタイマーにより異常事態の発生からの時間の経過をカウントし始める。この異常事態がオペレータによって対応処理されて電源が復旧されない場合、所定時間の経過後に主制御部４０はバックアップ電源ＢＢから供給される電力を用いて上述のトラブル対応モードを実行する。

なお、上記実施の形態において、フッ素ガス生成装置３０は、半導体処理システムに着脱可能に組込まれているが、同システム内に固定的に据え付けられるものであってもよい。また、フッ素ガス生成装置３０内の幾つかの部材、例えば、バックアップ不活性ガス源ＧＢ、バックアップ電源ＢＢ、コンプレッサ６２、主バッファタンク６４、除害部６９、７６等は、半導体製造工場側に設置されたものを使用することもできる。また、フッ素ガスは、流れ管理部２２或いはガス生成部２６に択一的に供給されるが、このガスは、他の処理ガスとは別に直接処理室１２に供給するようにしてもよい。また、ガス生成部２６は、ハロゲン間フッ素化合物ガスではなく、他のフッ素系の処理ガスを生成するように構成することもできる。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明によれば、オンサイトで且つオンデマンドでフッ素ガスを生成するのに最適なフッ素ガス生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る、フッ素ガス生成装置を組込んだ半導体処理システムを示す概略図。 図１図示のフッ素ガス生成装置における、不活性ガス、例えば窒素（Ｎ₂ ）ガスの供給配管系の一部を取り出して示す概略図。 陰極室に対する希釈ガス（不活性ガス）の供給流量（ｓｃｃｍ）と、フッ素ガスと水素ガスとの混触反応により発生する圧力（ｂａｒ）との関係を示すグラフ。 従来のフッ素ガス生成装置を示す概略図。

符号の説明

１０…半導体処理装置；１２…処理室；１８…排気系；２０…ガス供給系；２２…流れ管理部；２４…ガス貯蔵部；２６…ガス生成部；３０…ガス生成装置；３１…原料供給管；３２…電解槽；３４…陽極室；３６…陰極室；３７ａ、３７ｂ…液面センサ；３８…電流源；４０…主制御部；４２…陽極；４４…陰極；４６、４８…圧力計；５２、７２…配管；５３、６８、９４、９５、９７…切替え弁；５４、７４…流量制御弁；５５、７５…制御部材；５６…吸着カートリッジ；５８…キャパシタ；６４…バッファタンク；６２…コンプレッサ；６７…バイパス管；６９、７６…除害部；７８…排気系；８０…不活性ガス源；８２、８３…希釈管；８４、８８…流量制御部；８６…パージ管；９２、９３、９６…バックアップ管；ＢＢ…バックアップ電源；ＧＢ…バックアップ不活性ガス源。

Claims (10)

1. フッ素ガスを生成する装置であって、
   フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することにより、陽極側の第１気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第２気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
   前記第１気相部分から前記プロダクトガスを導出する第１配管と、
   前記第２気相部分から前記副生ガスを導出する第２配管と、
   前記第２配管に配設された前記副生ガスの導出流量を制御する導出流量制御部と、
   前記第２気相部分におけるガス中の水素濃度が７０〜１０％となるように、前記第２気相部分に不活性ガスを導入する第１希釈管と、
   前記第２配管から出るガス中の水素濃度が４％以下となるように、前記導出流量制御部より下流で前記第２配管内に不活性ガスを導入する第２希釈管と、
   を具備することを特徴とするフッ素ガス生成装置。
2. 前記第１及び第２気相部分の圧力を実質的に互いに等しくする圧力制御機構を具備し、前記導出流量制御部は前記圧力制御機構の一部として使用されることを特徴とする請求項１に記載のフッ素ガス生成装置。
3. 前記圧力制御機構は、
   前記第１気相部分の圧力を連続的に測定する第１圧力計と、
   前記第２気相部分の圧力を連続的に測定する第２圧力計と、
   前記第１配管に配設された第１流量制御弁と、
   前記導出流量制御部として前記第２配管に配設された第２流量制御弁と、
   前記第１気相部分の圧力が第１設定値に維持されるように、前記第１圧力計の測定結果に基づいて第１流量制御弁の開度を調整する第１制御部材と、
   前記第２気相部分の圧力が前記第１設定値と実質的に等しい第２設定値に維持されるように、前記第２圧力計の測定結果に基づいて第２流量制御弁の開度を調整する第２制御部材と、
   を具備することを特徴とする請求項２に記載のフッ素ガス生成装置。
4. 前記第１希釈管に配設された不活性ガスの導入流量を制御する導入流量制御部を更に具備することを特徴とする請求項２または３に記載のフッ素ガス生成装置。
5. 前記第１希釈管から前記第２気相部分への不活性ガスの供給時間を設定する手段を更に具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフッ素ガス生成装置。
6. 前記第１及び第２希釈管から導入される不活性ガスは共に窒素ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフッ素ガス生成装置。
7. 当該装置の動作を制御する主制御部を更に具備し、前記主制御部は所定の異常事態に対して、前記第１及び第２希釈管からの不活性ガスの導入を継続するトラブル対応モードを実行するように設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のフッ素ガス生成装置。
8. 前記トラブル対応モードにおいて前記第１気相部分に不活性ガスを導入するパージ管を更に具備することを特徴とする請求項７に記載のフッ素ガス生成装置。
9. 前記トラブル対応モードにおいて、前記第１及び第２希釈管にバックアップガス源を選択的に連通させるバックアップ管及び切替え弁を更に具備することを特徴とする請求項７または８に記載のフッ素ガス生成装置。
10. 前記主制御部は、外部電源の遮断時に、バックアップ電源からの電力の供給により前記トラブル対応モードを実行することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載のフッ素ガス生成装置。

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