JP5427412B2 - オゾンガス濃縮方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造設備等のオゾン消費設備に、所定濃度範囲に濃縮されたオゾンガスを供給する方法及びその装置に関し、特にオゾン発生器(オゾナイザー)で発生させたオゾンガスを精製して所定濃度範囲の濃縮オゾンガスとして供給する方法及びその装置に関する。

一般に、オゾンガスは、酸素ボンベからの酸素ガスや大気分離した酸素ガスをオゾン発生器に供給して発生させているが、酸素ガスボンベからの酸素ガスでオゾンガスを発生させても、オゾンガスは酸素ガス中に５〜１０ vol％程度の濃度にしかならない。しかも、オゾンガスは自己分解性が強いことから、オゾンガス供給経路中で自己分解し、オゾンガス消費設備に供給された段階では、もっと低濃度になるうえ、その供給濃度も安定しないという性質がある。近年、半導体の製造分野では、基板等での酸化膜形成にオゾンの酸化力を利用することが増えているが、この場合、短時間のうちに適切な厚みの酸化膜を安定的に製膜するには、安定した中濃度のオゾンガスの供給が望まれる。

そこで、本出願人は、先に、オゾン発生器からのオゾン・酸素混合ガスをオゾン吸着剤を充填してなる吸着筒に供給してオゾンガスを濃縮精製するようにしたものを提案した。(特許文献１)
特開２００３-１７１１０４号公報

従来、オゾンを吸着して濃縮する場合、吸着剤の吸着性能を高めるために冷却し、この低温状態に保持した吸着剤にオゾン・酸素混合ガスを作用させて、吸着剤にオゾンガスを優先的に吸着させ、吸着筒内の温度を上昇させたり、吸着筒内圧力を制御したりして、吸着剤からオゾンガスを脱離させるようにしていた。このため、オゾン濃縮に冷却・加熱のサイクルや加圧・減圧のサイクルが必要となり、余分なエネルギーを必要といるものであり、装置が大掛かりになるという問題があった。さらに、吸着剤の温度が濃縮性能に大きく影響を与えることから、脱離工程後に吸着剤温度を所定温度まで冷却するのに時間がかかるとともに、その制御が複雑になるという問題もあった。

本発明は、このような点に着目してなされたもので、簡単な装置構成でありながら、所定濃度のオゾンガスを効率よく取り出せるようにしたオゾン濃縮方法及びその装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、非冷却状態にある吸着剤にオゾン・酸素混合ガスを作用させてオゾンガスを吸着剤に選択吸着させるとともに、オゾンガス脱離操作時に吸着筒を真空ポンプにより真空引きすることで、吸着剤から搬送ガスを使用することなくオゾンガスを真空脱離させるようにし、この脱離した精製オゾンガスを真空ポンプの下流側に配置されているバッファタンクに送給してオゾン濃度を平均化することを特徴とし、請求項３に記載の本発明は、内部に非冷却状態でオゾンガスを選択吸着する吸着剤を充填してなる吸着筒を少なくとも２基並列に配置し、各吸着筒にガス導入弁とガス導出弁及びガス排出弁をそれぞれ装着し、前記ガス導入弁にオゾン発生器を装着してなるガス導入路を接続し、真空ポンプとバッファタンクを前記吸着筒側から順に装着してなる精製オゾンガス導出路を前記ガス導出弁に接続し、ガス排出弁にオゾン分解器を装着してなるガス排出路を接続し、各吸着筒に装着されているガス導入弁とガス排出弁とを同期して開閉作動するように構成するとともに、同一の吸着筒に装着されているガス導入弁とガス導出弁とを択一的に開弁作動するように制御し、各吸着筒がガス導入路に連通する吸着工程と精製オゾンガス導出路に連通して搬送ガスを使用することなく吸着剤からオゾンガスを真空脱離する脱離工程とを交互に繰り返すように各弁を切換え制御するように構成したことを特徴としている。

ここで非冷却状態にある吸着剤とは、吸着剤の吸着性能を高めるために外部から熱エネルギーを供給することをやめる状態を指している。このため、吸着剤がオゾンと反応して発生する反応熱で昇温することを防止するための僅かな冷却は非冷却の範疇にある。

本発明は、吸着剤の吸着性能を高めるための冷却をすることなくいわゆる常温状態に保持した吸着剤に、オゾン発生器で発生したオゾン・酸素混合ガスを作用させて、吸着剤にオゾンガスを優先的に吸着させ、脱離時にはガス導出路に装着された真空ポンプの作用で搬送ガスを使用することなく真空脱離させるようにしていることから、吸着剤を冷却してオゾンガスを吸着するものに較べて吸着量は少ないが、大きな脱離速度を維持することができ、供給オゾンガス濃度の３〜４倍に濃縮されたオゾンガスを所定の流量で安定供給することができる。

本発明の実施形態の一例を示す系統図である。 オゾンガス精製状態を示す表である。 吸着・脱離サイクルと濃縮率との関係を示す図である。 吸着・脱離サイクル連続発生可能流量との関係を示す図である。

符号の説明

１…吸着剤、２…吸着筒、４…ガス導入路、５…精製オゾンガス導出路、６…ガス排出路、７…ガス導入弁、８…オゾン発生器、10…ガス導出弁、11…真空ポンプ、15…ガス排出弁、16…オゾン分解器。

図１は本発明の実施形態の一例を示す系統図である。このオゾンガス濃縮装置は、内部にオゾンガスを選択吸着するシリカゲル等の吸着剤(１)を充填した吸着筒(２)と、酸素ガス貯蔵容器等のオゾン原料ガス源(３)と吸着筒(２)とを連通接続するガス導入路(４)と、吸着筒(２)から導出された精製オゾンガス導出路(５)と、吸着筒(２)から導出されたスルーガスのガス排出路(６)とを有している。なお、本実施形態では吸着筒(２)は２基並列して配置してあり、一方の吸着筒が吸着工程時には他方の吸着筒が脱離工程になるように構成してある。

ガス導入路(４)は各吸着筒(２)にそれぞれガス導入弁(７)を介して接続されており、このガス導入路(４)には上流側から順に、オゾン発生器(８)とマスフローコントローラ(９)とが配置してある。そして、オゾン発生器(８)で発生したオゾン・酸素混合ガスを一定の流量で各吸着筒(２)にガス導入弁(７)の切換え制御により択一的に供給するようにしてある。

一方、精製オゾンガス導出路(５)は各吸着筒(２)にガス導出弁(10)を介して接続されており、この精製オゾンガス導出路(５)には、ダイアフラム型真空ポンプ(11)、バッファタンク(12)、マスフローコントローラ(13)、流路開閉弁(14)が吸着筒側から順に配置してある。そして、吸着筒(２)とダイアフラム型真空ポンプ(11)とがガス導出弁(10)の切換え制御により択一的に連通するようにしてある。

また、ガス排出路(６)は各吸着筒(２)にガス排出弁(15)を介して接続されており、このガス排出路(６)にはオゾン分解器(16)が配置してあり、このオゾン分解器(16)の出口はガス導入路(４)でのオゾン発生器(８)の上流側に連通接続してある。そして、この各吸着筒(２)に装着されているガス排出弁(15)は、同じ吸着筒(２)に装着されているガス導入弁(７)の開閉作動に連動して開閉するようにしてあり、吸着筒(２)内にオゾン・酸素混合ガスを供給している際に開弁して、吸着剤(１)に吸着されなかった酸素ガスと、一部吸着され残ったオゾンガスをオゾン分解器(16)に供給するようにしてある。

図１中、符号(17)はガス排出路(６)でのオゾン分解器(16)の入り口部分に装着したオゾン濃度検出器、(18)は精製オゾンガス導出路(５)でのマスフローコントローラ(13)の出口側に装着したオゾン濃度検出器、(19)は吸着筒(２)やバッファタンク(12)の内圧を表示する圧力計、(20)はガス導入路(４)に配置したマスフローコントローラ(９)の下流側とガス排出路(６)でのオゾン濃度検出器(17)の入り口部分とを連通接続するバイパス路、(21)は該バイパス路(20)に装着した流路遮断弁である。

このように構成したオゾン濃縮装置では、ガス導入弁(７)とガス排出弁(15)を開弁するとともに、ガス導出弁(10)を閉弁した状態で、オゾン発生器(８)で発生したオゾン・酸素混合ガスを一方の吸着筒(２)に供給して、吸着筒(２)内を流通させる。このとき、吸着剤(１)は外部から加熱や冷却の熱エネルギーを付与されることなく、いわゆる常温状態(自然放置状態)を維持している。吸着筒(２)に供給されたオゾン・酸素混合ガスは、そのうちのオゾンガス成分が吸着剤(１)に吸着され、吸着され残った一部のオゾンガスとキャリアガスとしての酸素ガスがガス排出路(６)からオゾン分解器(16)に送り込まれる。

オゾン・酸素混合ガスを吸着筒(２)に所定時間流して、吸着剤(１)での吸着量が所定量になると、今まで、オゾン・酸素混合ガスを流していた吸着筒(２)でのガス導入弁(７)とガス排出弁(15)とを閉弁するとともに、ガス導出弁(10)を開弁して、吸着筒(２)内を真空ポンプ(11)に連通させて、真空脱離により吸着剤(１)からオゾン成分を脱離し、その脱離した精製オゾンガスをバッファタンク(12)に送給する。

バッファタンク(12)に一旦貯留することで、吸着筒(２)からの脱離オゾンガス濃度に濃度変化があっても、バッファタンク内で平均化させることができ、一定範囲の濃度を維持した状態でオゾン消費設備等に供給することができる。

この一方の吸着筒(２)が脱離操作を行っている間に他方の吸着筒(２)は吸着操作を行い、２基の吸着筒(２)(２)で吸着−脱離を交互に行い、連続して精製オゾンガスを取り出すようにしている。なお、この吸着筒(２)は３基以上であってもよく、３基以上の吸着筒(２)での各弁切換えタイミングを制御することで、連続的に精製オゾンガスを取り出すことができる。

また、この場合の吸着剤としては、金属成分の少ない高純度シリカゲルが好ましいが、一般的なシリカゲルやゼオライト等の吸着剤であってもよい。

図２は、１筒当りの筒容積１リットル、１筒当りの吸着剤充填量を７３０ｇとした吸着筒(２)に供給するオゾンガス濃度を約５０ｇ／ｍ^３(２.３vol％)に固定し、吸着流量を１０ slm、１５ slm、２０ slmに変化させた場合のオゾンガス精製状態を示す表であり、図３は図２に示す表に基づき作成した吸着・脱離サイクルと濃縮率との関係を示す図、図４は図２に示す表に基づき作成した吸着・脱離サイクル連続発生可能流量との関係を示す図である。

図２及び図３あるいは図４から、吸着剤に外部から熱エネルギーを付与することなく吸着・脱離サイクルを繰り返すようにしても、吸着塔に供給したオゾンガスを３〜４倍程度に濃縮できることが確認できた。

また、短時間のサイクルで吸着−脱離を繰り返す場合よりも、ある程度のサイクルで吸着−脱離を繰り返す方が濃縮率は上がり、吸着−脱離の切換えサイクルが短いほど、１筒あたりでのオゾンを連続的に供給できる流量が低下する。

上記の実施態様では、吸着剤(１)は外部から加熱や冷却の熱エネルギーを付与されることなく、いわゆる常温状態(自然放置状態)を維持しているものについて説明したが、オゾン発生器(８)を冷却するために供給されている冷却チラーの一部を、吸着筒に供給するようにして、オゾンガスと吸着剤の反応熱を除去するようにしてもよい。

本発明は、半導体製造技術はもとより、オゾンガス供給源として、３０〜４０ vol％程度の中濃度のオゾンガスを大量に必要とする場合に有効である。

Claims (3)

1. 内部に吸着剤(１)を充填してなる吸着筒(２)にオゾン・酸素混合ガスを作用させて、吸着剤(１)にオゾンガスを選択吸着させ、この選択吸着されたオゾンガスを脱離させることでオゾンガスを濃縮精製するオゾンガス濃縮方法において、
   非冷却の状態の吸着剤(１)にオゾン・酸素混合ガスを作用させてオゾンガスを吸着剤(１)に選択吸着させるとともに、オゾンガス脱離操作時に吸着筒(２)を真空ポンプ(11)により真空引きすることで、搬送ガスを使用することなく吸着剤(１)からオゾンガスを真空脱離させるようにし、この脱離した精製オゾンガスを真空ポンプ(11)の下流側に配置されているバッファタンク(12)に送給してオゾン濃度を平均化することを特徴とするオゾンガス濃縮方法。
2. 吸着剤(１)を高純度シリカゲルで構成した請求項１に記載のオゾンガス濃縮方法。
3. 内部に非冷却状態でオゾンガスを選択吸着する吸着剤(１)を充填してなる吸着筒(２)を少なくとも２基並列に配置し、各吸着筒(２)にガス導入弁(７)とガス導出弁(10)及びガス排出弁(15)をそれぞれ装着し、前記ガス導入弁(７)にオゾン発生器(８)を装着してなるガス導入路(４)を接続し、真空ポンプ(11)とバッファタンク(12)を前記吸着筒(２)側から順に装着してなる精製オゾンガス導出路(５)を前記ガス導出弁(10)に接続し、ガス排出弁(15)にオゾン分解器(16)を装着してなるガス排出路(６)を接続し、各吸着筒(２)に装着されているガス導入弁(７)とガス排出弁(15)とを同期して開閉作動するように構成するとともに、同一の吸着筒(２)に装着されているガス導入弁(７)とガス導出弁(10)とを択一的に開弁作動するように制御し、各吸着筒(２)がガス導入路(４)に連通する吸着工程と精製オゾンガス導出路(５)に連通して吸着剤(１)から搬送ガスを使用することなくオゾンガスを真空脱離する脱離工程とを交互に繰り返すように各弁(７)(10)(15)を切換え制御するように構成したオゾンガス濃縮装置。

Images