JP2016011759A

JP2016011759A - 排ガスの燃焼式浄化装置

Info

Publication number: JP2016011759A
Application number: JP2014132088A
Authority: JP
Inventors: 荒川　秩; Chitsu Arakawa; 秩荒川; 敏雄秋山; Toshio Akiyama; 祐司及川; Yuji Oikawa; 健太水野; Kenta Mizuno; 一貴長井; kazutaka Nagai
Original assignee: Japan Pionics Ltd
Current assignee: Japan Pionics Ltd
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP6258797B2

Abstract

【課題】セラミック壁のクラック、崩壊、欠け等を抑制または防止できる手段等を提供する。
【解決手段】固体粒子状酸化物が燃焼室１内の側面壁４に堆積することを防止するため、側面壁に通気性のセラミック壁４’を用い、該セラミック壁を介して酸素含有ガスを燃焼室に噴出させ、ガスの排出口７にスプレーノズル８を備えた構成の燃焼式浄化装置において、燃焼室の側面壁の上部表面を通気性のセラミック壁、下部表面を通気性の金属壁４”とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼させて除去するための燃焼式浄化装置に関する。さらに詳細には、半導体製造工程から排出される有害成分を、火炎及び酸素の存在下、高温で接触させ、燃焼することにより無害な物質あるいは容易に無害化できる物質に変えるための燃焼式浄化装置に関するものである。

近年の半導体工業の発展とともに、半導体製造工程においては非常に多種のガスが使用されるようになってきている。しかし、これらのガスは人体及び環境にとって有害な物質が多く、工場外へ排出するに先立って浄化することが必須のこととなっている。これらのガス（有害成分）を燃焼させることにより分解処理する燃焼式浄化方法は、排ガスの組成や物性によらず適用することができる便利な方法であり、特に高濃度、大流量の場合は乾式浄化方法や湿式浄化方法と比較して効率的である。

燃焼式浄化方法においては、有害成分を含む排ガスと、プロパン、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の燃料ガス、空気または酸素、必要に応じて不活性ガスを、燃焼室において混合し、燃焼させ、有害成分を無害な酸化物あるいは容易に無害化できる物質に変換する処理が行なわれる。従来から使用されている一般的な燃焼式浄化装置は、有害成分を燃焼するための燃焼室と、処理対象の有害成分を含む排ガス、燃料ガス、空気等の酸素含有ガスを燃焼室へ導入するための各配管やノズルと、燃焼後のガスを燃焼室から排出するための配管等から構成されている。また、燃焼室のガス排出口近辺には、冷却水を噴出して高温度の排ガスを冷却するためのスプレーノズルが備えられている。

このような構成の燃焼式浄化装置で、有害成分は燃焼され排出口より排気されて大気に放出されるか、あるいは次の処理装置へ送られる。しかし、処理対象の有害成分が、例えばシラン、ホスフィン、アルシン、ジボランのようなガスである場合は、燃焼により各々ケイ素、リン、ヒ素、ホウ素の固体粒子状酸化物（粉化物）が生成し、大部分は燃焼室内を通過し後工程で処理されるが、一部は燃焼室内の側面壁に堆積し、燃焼時間の経過とともにその付着面積、厚みが増加する。その結果、有害成分と、燃料ガス、空気、酸素等との均一な混合が妨げられて完全燃焼が阻害され、燃焼温度の低下、処理対象の有害成分の分解率の低下を生じるだけでなく、粉化物の堆積量が多い場合は失火する虞があった。

そのため、特許文献１〜５のように、燃焼室の側面をセラミックや焼結金属等からなる通気性の材料とし、その外周に空気や不活性ガス等の圧力ガス流路を設けて、側面壁を介して該圧力ガスを燃焼室に噴出させることにより、固体粒子状酸化物が燃焼室の側面壁に堆積することを防止する燃焼式浄化装置が開発されている。
特開平１０−５４５３４号公報特開平１０−６１９３４号公報特開２００５−９８６８０号公報特開２００６−１９４５４４号公報

前記のような燃焼式浄化装置において、燃焼室の側面壁を通気性のセラミックとした場合、火炎に対する耐熱性、有害成分に対する耐腐食性が、金属等他の材料よりも優れた側面壁とすることができる。しかしながら、セラミックは脆いという欠点があり、火炎等の影響によりクラック（裂け目、割れ）が生じ、崩壊したり欠けたりすることにより、燃焼式浄化装置自体や後工程の装置に悪影響を及ぼすことがある。従って、本発明が解決しようとする課題は、燃焼室の側面壁として通気性のセラミックを用いた燃焼式浄化装置において、燃焼室の側面壁のクラック、崩壊、欠け等を抑制または防止できる手段等を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、セラミック壁が火炎による高温化とプレーノズルから噴出される冷却水による低温化の影響を繰返して長期間受けた場合、クラック、崩壊、欠け等が生じやすくなること、また、特に冷却水に接触する可能性が高い側面壁の下部表面を、通気性のセラミック壁から通気性の金属壁に替えることにより、燃焼室の側面壁全体の耐熱性を損なうことなく、クラック、崩壊、欠け等を少なくできることを見出し、本発明の燃焼式浄化装置に到達した。

すなわち本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、火炎を該燃焼室へ導入するノズル、排ガスを該燃焼室へ導入するノズル、該燃焼室の側面壁、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路、該流路に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口、及び燃焼処理後のガスの排出口にスプレーノズルを備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁の上部表面が通気性のセラミック壁、燃焼室の側面壁の下部表面が通気性の金属壁であることを特徴とする排ガスの燃焼式浄化装置である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置においては、耐熱性が要求される側面壁の上部表面は通気性のセラミック壁で構成されるが、側面壁の下部表面は耐クラック性に弱点を有するセラミックに替わり、耐クラック性に優れた金属壁で構成されるので、燃焼室の側面壁の耐熱性を損なうことなく、クラック、崩壊、欠け等を抑制または防止することができる。その結果、セラミック壁の破片の流出が抑制または防止され、燃焼式浄化装置や後工程の装置への悪影響を抑制または防止することができる。本発明は特に、装置の小型化のために燃焼処理後すぐにガスの冷却が必要な燃焼式浄化装置に効果を発揮する。

本発明は、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、火炎を該燃焼室へ導入するノズル、排ガスを該燃焼室へ導入するノズル、該燃焼室の側面壁、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路、該流路に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口、及び燃焼処理後のガスの排出口にスプレーノズルを備えた燃焼式浄化装置に適用される。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置で処理できる有害成分としては、アルシン、ホスフィン、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、ジボラン、セレン化水素、ゲルマン等の水素化物ガス、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、四塩化チタン、塩化アルミニウム、四フッ化ゲルマニウム、六フッ化タングステン等の酸性ガス、アンモニア、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ヒドラジン等の塩基性ガス、パーフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン等のハロゲン化炭素等を例示することができる。また、燃料ガスとしては、プロパンガス、天然ガス等を使用することができる。これらのガスは、必要に応じ窒素等の不活性ガスと共に用いられる。

以下、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置を、図１〜図６に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
尚、図１は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の一例を示す縦断面の構成図である。図２は、図１におけるａ−ａ’断面図である。図３は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の図１以外の一例を示す縦断面の構成図である。図４は、図３におけるｂ−ｂ’断面図である。図５は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の燃焼室の側面壁の例を示す部分拡大断面図である。図６は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置に水槽及びスクラバーの設備を結合した浄化装置の例を示す縦断面の構成図である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、図１〜図４に示すように、半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室１、火炎を該燃焼室へ導入するノズル２、排ガスを該燃焼室へ導入するノズル３、該燃焼室の側面壁４、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路５、該流路５に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口６、及び燃焼処理後のガスの排出口７にスプレーノズル８を備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁の上部表面が通気性のセラミック壁４’、燃焼室の側面壁の下部表面が通気性の金属壁４”である排ガスの燃焼式浄化装置である。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、燃焼室１の側面に、円筒の通気性及び断熱性を有する側面壁４が設けられ、燃焼室１において排ガスが高温度の火炎に接触するとともに、側面壁４から供給される空気等の酸素含有ガスと接触して、排ガスに含まれる有害成分が燃焼（熱分解）される。その際、有害成分の種類によっては粉化物が生成するが、図１、図３において矢印で示すような酸素含有ガス（空気を含む）の流れにより、粉化物の側面壁４の表面への堆積を防止することができる。

そして、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、耐熱性が要求される燃焼室の側面壁の上部表面が通気性のセラミック壁で構成され、スプレーノズルから噴出される冷却水によりクラックの原因となる影響を受けやすい燃焼室の側面壁の下部表面が通気性の金属壁で構成される。セラミック壁の材質としては、アルミナ、シリカ、チタニア等を使用することができる。また、金属壁の材質としては、炭素鋼、クロム鋼、モリブデン鋼、マンガン鋼、ニッケル鋼、ステンレス鋼等を使用することができるが、これらの中でもステンレス鋼を使用することが好ましい。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置においては、図１に示すように、燃焼室の側面壁４の上部全体が通気性のセラミック壁４’、燃焼室の側面壁４の下部全体が通気性の金属壁４”となるような構成のほか、上部表面のみがセラミック壁４’、下部表面のみが金属壁４”（図３）となるような構成とすることもできる。燃焼室の側面壁の下部表面を構成する通気性の金属壁４”の高さは、通常は燃焼室の側面壁４全体の高さの５〜３０％、好ましくは側面壁４全体の高さの１０〜２５％である。本発明において、燃焼室の側面壁４は、通常は厚みが０．２〜５０ｍｍの円筒の形状、好ましくは厚みが５〜３０ｍｍの円筒の形状である。

本発明において、燃焼室の側面壁４（４’及び４”）の表面の形態としては、例えば図５に示すような構成を挙げることができる。図５（１）（２）は針孔を有する壁の部分拡大断面図であり、その孔径（直径）は、通常は０．０１〜３．０ｍｍ、好ましくは０．０２〜１．０ｍｍである。尚、孔９は円形に限られず、そのような場合の孔の大きさは、前記の孔径に相当する大きさである。孔の配列も縦横に規則的に配置したり、ランダムに配置したものを用いることができる。図５（３）は線状の間隙１０を有する壁の部分拡大断面図であり、その間隙は、通常は０．００５〜２．０ｍｍ、好ましくは０．０１〜１．０ｍｍである。図５（４）は格子窓状の間隙１１を有する壁の部分拡大断面図であり、その間隙は正方形に換算した場合の一辺の長さとして、通常は０．０１〜３．０ｍｍ、好ましくは０．０２〜１．０ｍｍである。また、燃焼室の側面壁４の表面の形態は、これらに限られるものではなく、例えばこれらのほかに、繊維状のセラミックまたは金属が積層された積層体、多数の粒子状のセラミックまたは金属が積層された積層体、細孔を有する多孔質セラミックまたは多孔質金属等の形態を挙げることができる。

尚、燃焼室の側面壁４の孔、間隙が前記の範囲より大きい場合は、燃焼室１への酸素含有ガスの流れが偏り、ガスの流量が多い部分と少ない部分が生じる虞があり、ガスの流量が少ない部分では粉化物が堆積する虞がある。また、前記の範囲より小さい場合は、短時間で孔、間隙が粉化物等により閉塞する虞がある。さらに、燃焼室の側面壁４の通気性部分は、いずれの形態においても、好ましくは空隙率あるいは気孔率が５０〜９０％程度となるようにされる。空隙率あるいは気孔率が５０％未満の場合は、粉化物が壁面に堆積する虞があり、空隙率あるいは気孔率が９０％を越える場合は、側面壁の強度が低下する虞がある。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置においては、通常は前記のような燃焼室の側面壁４の外周全体にわたり、酸素含有ガス流路５が設けられる。酸素含有ガス流路５の幅は、通常は５〜２００ｍｍ、好ましくは１０〜１００ｍｍである。有害成分を処理する際には燃焼室１の温度は５００〜１２００℃の高温になり、このような構成とすることにより、燃焼室１の熱が外部に拡散することを防止できる。尚、酸素含有ガス流路５の外壁は、燃焼室の側面壁４の形状と合ったものであり、通常は円筒形である。

また、本発明において、酸素含有ガスを流路５に導入するための酸素含有ガス導入口６は、導入口６から導入された酸素含有ガスが、環状の酸素含有ガス流路５を旋回するような方向に設定される。酸素含有ガス導入口６は、通常は環の接線方向に対して±３０度の角度の範囲内、好ましくは実質的に環の接線方向に酸素含有ガスが導入できるように設定される。このような構成とすることにより、酸素含有ガスを流路５内のいずれの個所においても、酸素含有ガスが滞留、偏流することを防止でき、酸素含有ガスを均一な流量及び温度で燃焼室１へ導入することが可能となる。

また、酸素含有ガス流路５は、排ガスの導入方向（図１においては上下方向）に、複数個に区切り、各々の流路に導入する酸素含有ガスの流量等をコントロールすることも可能である。このような場合、酸素含有ガスの旋回方向は、互いに同じ方向となるように設定しても、互いに反対方向となるように設定してもよい。しかし、側面壁が酸素含有ガスを流路内の旋回方向を維持して燃焼室１へ導入できるような構成の場合は、隣接する流路内の酸素含有ガスの旋回方向を互いに反対方向となるように設定して、燃焼室内におけるガスの混合を容易にすることが好ましい。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置においては、燃焼室１の直前で燃料と酸素含有ガスが混合され、燃焼するように設定される。燃料の燃焼の際には、火炎の先端が燃焼室１に入ってもよいし入らなくてもよい。また、図１に示すように、排ガスを燃焼室１へ導入するノズル３は、通常は、火炎を燃焼室１へ導入するノズル２の外周側に設置される。尚、本発明においては、酸素含有ガス流路５のほか、火炎を燃焼室１へ導入するノズル２の周辺にも、酸素含有ガスを燃焼室１へ導入するノズルを設けることができる。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置において、燃焼処理後のガスは、図１、図３に示すように、排出口７に設けられたスプレーノズル８から噴出する冷却水により冷却された後、大気に放出されるか、あるいは次の処理工程に送られる。その際、スプレーノズル８から噴出する冷却水が燃焼室の側面壁４の下部表面に接触する可能性がある。しかし、本発明においては、燃焼室の側面壁４の下部表面が通気性の金属壁で構成されているため、通気性のセラミック壁の場合のようなクラック等が発生する虞がない。

半導体製造工程から排出された排ガスが、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置により燃焼処理された後、次の処理工程に送られるような場合は、本発明においては、このような処理工程を実施するための設備を併せて装備することも可能である。図６の水槽１７及びスクラバーの設備は、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置により処理した排ガスについて、処理後のガスに含まれる粉化物の除去、及び新たに生成した有害成分（容易に無害化できる成分）の除去を行なうためのものであり、本発明においては必須の設備ではないが、これらの設備を備えることが好ましい。すなわち、本発明においては、燃焼室１の排出側に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた排ガスの燃焼式浄化装置とすることが好ましい。

例えば、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置により、アルシン、ホスフィン、シラン、ジボラン等の水素化物を処理した場合は、燃焼により各々ヒ素、リン、ケイ素、ホウ素等の固体粒子状酸化物が生成する。また、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、四フッ化珪素、四塩化珪素、Ｃ_２Ｆ_６等のハロゲン化物を処理した場合は、新たに塩化水素、フッ化水素等の酸性ガス（容易に無害化できる成分）が生成する。図６の浄化装置においては、粉化物は主にスプレーノズル１３からの散水、及び多孔板１９における捕捉により除去することが可能である。また、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置とスクラバー設備間の配管１６は、粉化物が容易に水槽１７へ洗い流されるようにスクラバー設備側に傾斜させることが好ましい。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置に、水槽１７及びスクラバーの設備を結合した図６に示すような浄化装置を用いた場合、塩化水素、フッ化水素等の酸性ガスは、主に充填材２０により除去することが可能である。また、デミスター２１により水分も併せて除去することができる。尚、図６において、１２は冷却配管、１４はフローメーター、１５はポンプ、１８は排水管、２２は処理後のガスを外部へ排出する排出口を表わす。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

［実施例１］
（燃焼式浄化装置の製作）
円筒形の燃焼室１（高さ５００ｍｍ、直径２００ｍｍ）、火炎を該燃焼室１へ導入するノズル２、排ガスを燃焼室１へ導入するノズル３、燃焼室１の側面壁４（厚さ１５ｍｍ）、環状の酸素含有ガス流路５（幅２０ｍｍ）、酸素含有ガス導入口６、及び燃焼後のガスを外部へ排出する排出口７にスプレーノズル８を有する図１、図２に示すような構成の浄化装置を製作した。尚、側面壁４は、直径１０〜１００μｍに相当する微多孔を有する通気性のセラミック壁４’と通気性の金属壁４”からなり、通気性の金属壁４”の高さは、燃焼室の側面壁全体の高さの２０％であった。また、スプレーノズル８は、燃焼処理後のガスの冷却を早く行なうことにより、燃焼式浄化装置の小型化を図るため、噴出する冷却水がセラミック壁４’に接触せず、通気性の金属壁４”の下部に接触するような位置に設置した。

前述のように製作した燃焼式浄化装置の右下部に、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、高さ３００ｍｍの水槽１７を設置し、さらに水槽１７の上部には、多孔板１９、ポリプロピレン樹脂を主材とする充填材２０、及びデミスター２１を有するスクラバーを設置した。また、燃焼式浄化装置の下部と水槽を傾斜した配管で接続し、充填材２０の上部にはスプレーノズル１３を設置し、水槽１７の冷却水が循環するように、フローメーター１４、ポンプ１５等を接続して、図６に示すような浄化装置を完成した。

（燃焼式浄化装置の燃焼処理試験）
水槽に深さが１５０ｍｍになるまで水を注入した後、ポンプ等を稼動してスプレーノズル８及び１３から水を噴出させた。また、プロパン（流量１５Ｌ／ｍｉｎ）と空気（流量４４０Ｌ／ｍｉｎ）を混合し燃焼させて、ノズルから燃焼室１に導入するとともに、空気を４個の酸素含有ガス導入口から３７．５Ｌ／ｍｉｎずつ、合計１５０Ｌ／ｍｉｎの流量で側面壁を介して燃焼室１に導入した。次に、排ガスとしてのシラン（流量１０Ｌ／ｍｉｎ）を含む窒素ガス（流量４９０Ｌ／ｍｉｎ）を、４個の各ノズルから１２５Ｌ／ｍｉｎ、合計５００Ｌ／ｍｉｎで燃焼室１に導入して燃焼処理を行なった。シランの燃焼処理を２０時間行なった後、燃焼式浄化装置からセラミック壁４’と金属壁４”を取出して表面を検査したが、クラック等は検出することはできなかった。

［実施例２］
（浄化装置の製作）
実施例１の燃焼式浄化装置の製作において、燃焼室１の側面壁４を、図３、図４に示すような構成に替えたほかは実施例１と同様にして燃焼式浄化装置を製作した。また、実施例１と同様にしてスクラバーを設置して、図６に示すような浄化装置を完成した。この装置を用いて実施例１と同様にして燃焼式浄化装置の燃焼処理試験を行なった。その結果、セラミック壁４’と金属壁４”の表面から、クラック等を検出することはできなかった。

以上のように、本発明の排ガスの燃焼式浄化装置は、実施例に示すように、燃焼室の側面壁の上部表面をセラミック壁、燃焼室の側面壁の下部表面を金属壁で構成するので、燃焼室の側面壁の耐熱性を損なうことなく、クラック等を抑制または防止することができる。

本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の一例を示す縦断面の構成図図１におけるａ−ａ’断面図本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の図１以外の一例を示す縦断面の構成図図３におけるｂ−ｂ’断面図本発明の排ガスの燃焼式浄化装置の側面壁の例を示す部分拡大断面図本発明の排ガスの燃焼式浄化装置に水槽及びスクラバーの設備を結合した浄化装置の例を示す縦断面の構成図

１燃焼室
２火炎を燃焼室へ導入するノズル
３排ガスを燃焼室へ導入するノズル
４側面壁
４’通気性のセラミック壁
４”通気性の金属壁
５酸素含有ガス流路
６酸素含有ガス導入口
７排出口
８スプレーノズル
９孔
１０線状の間隙
１１格子窓状の間隙
１２冷却配管
１３スプレーノズル
１４フローメーター
１５ポンプ
１６排ガスの燃焼式浄化装置とスクラバー設備間の配管
１７水槽
１８排水管
１９多孔板
２０充填材
２１デミスター
２２処理後のガスを外部へ排出する排出口

Claims

半導体製造工程から排出される排ガスに含まれる有害成分を燃焼する燃焼室、火炎を該燃焼室へ導入するノズル、排ガスを該燃焼室へ導入するノズル、該燃焼室の側面壁、該側面壁の外周に設けられた酸素含有ガス流路、該流路に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口、及び燃焼処理後のガスの排出口にスプレーノズルを備えた燃焼式浄化装置であって、燃焼室の側面壁の上部表面が通気性のセラミック壁、燃焼室の側面壁の下部表面が通気性の金属壁であることを特徴とする排ガスの燃焼式浄化装置。
燃焼室の側面壁が、円筒の形状である請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
酸素含有ガス流路が、環状である請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
燃焼室の側面壁の下部表面を構成する通気性の金属壁の高さが、燃焼室の側面壁全体の高さの５〜３０％である請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。
燃焼室の排出側に、粉化物の除去部及び／または酸性ガスの除去部を設けた請求項１に記載の排ガスの燃焼式浄化装置。