JPH03151022A - 排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は排ガスを放電プラズマにより無害化処理する装
置に関する。

更に詳しくは、減圧を利用した薄膜形成技術、例えば各
種の化学的気相法、すなわち減圧ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズ
マＣＶＤ法、同じく減圧を利用した酸化、拡散技術、ド
ライエツチング技術等において、各種半導体製造設備よ
り排出される反応性ガスを減圧下において少量から量産
的規模での多量に至るまで、プラズマ処理することによ
り無害化する排ガス放電処理装置に関する。

［従来技術］ 減圧を利用して行われる″ｉｉＪ膜形成、酸化、拡散、
ドライエツチング等を目的とした各種半導体製造設備に
おいて用いられるガスの種類は多岐に及び、その目的も
様々であるが、特に反応性ガスは各設備で必ずしも完全
に消費はなされず、未反応ガスとして、また半導体製造
時に副生されるガスと混合状態のまま真空排気設備を通
して系外へ排出される。

これらガスの多くは未処理のまま大気中へ放出されると
燃焼や爆発、あるいは毒性等の危険を有し、災害や公害
の原因となるため大気中での許容濃度がそれぞれ定めら
れている。

従来、これらガスを無害化処理する方法として、触媒反
応等による化学的処理、スクラバーによる湿式吸収、吸
着除去、あるいは各種吸着剤による乾式吸着除去等が用
いられ、燃焼や爆発の危険を有するものについては大量
の不活性ガスによる希釈放出も行われている。

上記の方法はいずれも真空排気設備以降の常圧下におい
て実施されているものであり、真空排気設備を含む減圧
配管部、また、大気圧処理設備に至る常圧配管部におけ
る安全性に対しては有効な手段とは言えず、いくつかの
事故例も報告されている。

一方、減圧下での処理方法として放電を利用した排ガス
の無害化処理に関する提案もなされており、これらは前
述の常圧下での処理に対し被処理ガスを真空排気設備に
至る以前の減圧下で処理するという特徴を有している。

例えば、特開昭第５１１２９８６８号では有毒物質を含
有する廃ガスと酸化剤をプラズマ空間で接触反応させる
ことにより、前記の有毒物質を安定な化合物に変え、廃
ガスから除去する処理方法が開示されている。また、特
開昭第５８−６２３１号にみられる如く廃ガスを放電プ
ラズマにより分解して排出する廃ガス処理装置も開示さ
れている。しかしながら、これら放電を利用した処理方
法は負荷変動、特に、圧力変動に対し安定なプラズマ状
態を維持することが難しく、その通用範囲に制限がある
など、いくつかの問題を有し、実用に供し得ない状態に
ある。

近年、放電を利用した処理方法において前述の問題点の
一つである圧力変動に対し、安定なプラズマ状態を維持
しうる適用範囲拡大の手段として、磁界を重畳したプラ
ズマを利用する方法（磁界重畳法）が提案されている（
応用物理学会、プラズマエレクトロニクス研究会１９８
６年１月）。

該磁界重畳法においては、電極が形成する磁界の向きと
約４５°乃至、約１３５°の角度で直流または交流磁界
を印加することにより、プラズマ中での電子の旋回半径
が小さくなり、電子が電極間を旋回できるために、０．
０１ｍＴｏｒｒ　〜数十Ｔｏｒｒの広範な圧力変動下で
安定なプラズマ状態を維持し得る特徴を有している。

［発明が解決しようとする課題］ 放電を利用した処理方法では前記の如く、真空排気設備
へ至る以前の減圧下で処理し得ることが特徴であり、必
然的に薄膜形成等の各種半導体製造設備と真空排気設備
との間に排ガス処理装置として配置されることとなる。

従って、減圧下での処理を現実に実用に供し得るために
は、当然のことながら該処理装置が、その処理能力を維
持しつつ、かかる設備の間に容易に組み込まれ、また、
該処理装置内部のガス流路が排気コンダクタンスの低下
を極力おさえうる構造を有するものでなくてはならない
、これら実用の為の必要条件に関して、従来技術では基
本的な概念の域に止まり、実用に供し得る排ガス処理装
置は得られていないのが実状である。

本発明者らは前述した実用の為の必要条件を十分満足し
、かつ、長時間にわたり、安定した処理能力を維持しう
る放電を利用した処理装置を具現化することを目的とし
、鋭意検討した結果、陽極と陽極、陰極と陰極とを対向
せしめて、陽極対および、陰極対からなる空間を形成し
、該陽極、該陰極の一部、または全てを複数の板または
柱で構成、更に陰極対向方向に磁界を印加することによ
り処理装置の単位容積当りの被処理ガスの処理量を極め
て高められると共に、長時間の安定運転が可能であるこ
とを見い出し本発明を完成するに至った。

［課題を解決するだめの手段］ すなわち、本発明によれば、 ガス導入口とガス導出口を具備する管状容器内に陰極と
陽極からなる少なくとも一対の電極を設けて構成した放
電管と、該電極と接続される直流または交流電源とおよ
び該放電管内に形成されたガス流路とを含む排ガス放電
処理装置において、該流路内に少なくとも一対の陽極を
対向させて設けて陽極対とし、該陽極対からなる空間部
に少なくとも一対の陰極を該陽極とほぼ直角方向に該陽
極と接触することなく対向させて設けて陰極対とし、該
陽極対と該陰極対とから電極組を構成するとともに、該
陽極、該陰極の少なくとも一部、または、全てを複数の
板または柱として構成し、これらを導電的に接続一体化
せしめ、かつ、該陰極の対向方向に直流または交流磁界
を形成する磁界印加装置を該放電管に設けたことを特徴
とする徘ガス放電処理装置、が提供される。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明で対象とするガスは、各種半導体製造設備より排
出され、未処理のまま大気中に放出されると、燃焼や爆
発あるいは毒性等の危険を有し、災害や公害を引き起こ
す可能性を有する気体、もしくは蒸気であり、とりわけ
従来の触媒反応や、吸収、吸着等の処理方法では実施が
容易でないガスである。適用できるガスとして例えばモ
ノシラン、ジシラン等のシラン系ガス、モノメチルシラ
ン、ジメチルシラン等のアルキルシラン系ガス、ゲルマ
ン系ガス、クロルシラン系ガス、フルオロシラン系ガス
、更にはホスフィン、ジポラン等のドーピングガスを含
む混合ガス、最近絶縁酸化膜の材料ガスとして脚光をあ
びているテトラエトキシシラン（ＴＥ０１）に対しても
適用できる。もちろん適用対象となり得るガスは、上記
のガスに限定されるものではなく、またこれらの混合物
や水素、窒素等で希釈されたものであっても差し支えな
い。

以下、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の態様を
説明する。

本発明の開示にあたり、排ガス放電処理装置の電極構成
における基本横断面図を第１図に示す。

図中、ガスの流れは上向き、下向きのいずれであっても
差し支えない、一般に放電装置では陰極と陽極とが対向
した構造を成すものが多いが、このような陰陽対向構造
では電子は直線的に陰極から陽極に達してしまうため、
強度の強いプラズマを形成することは容易でなく、また
圧力変動に対しても、その適用範囲が狭いため、目的と
する排ガス処理条件に制限が生じ、結果的には不向きと
判断される。

これに対し、本発明においては、基本的には第１図に示
すように、少なくとも一対の陰極１を対向させて、陰極
対とし、また少なくとも一対の陽極２を対向させて陽極
対とし、更に該陰極の対向方向に磁界を重畳させて、磁
力線を軸とした電子のサイクロン運動を利用して、対向
する陰極間に電子をトラップすることで極めて強度の強
いプラズマを形成することができ、また、Ｏ，Ｏ１ｍＴ
ｏｒｒ〜数十Ｔｏｒｒの広範な圧力変動に耐えうる安定
なプラズマを得ることができるのである。

すなわち本発明は、このように、基本的には、少なくと
も一対の陽極２を対向させて設け、該陽極対からなる空
間部に、少なくとも一対の陰極を該陽極とほぼ直角方向
に該陽極を接触することなく対向させて設け、更に陰極
の対向方向に磁界を重畳させ、対向する陰極間にカソー
ドグローと称される強度の強いプラズマを形成し、一方
、対向する陽極間のカソードグロ一部分を除く空間部に
シースを介して陽光柱と称されるプラズマを形成させる
ことにより、目的とする被処理ガスの放電処理を行うも
のである。

しかして、未反応ガスの大部分を無害化処理することを
目的とする排ガスの放電処理においては、例えば、原料
ガスの一部を利用しての薄膜形成にみられる放電を利用
したプラズマＣＶＤ等と異なり、放電処理に必要とする
投入電力は前者に比較して掻めて大きく、一方設置スペ
ースに制限のある装置の容積は限られている中で、投入
電力に耐えうる電極面積の確保は極めて重要である。特
に電子を放出する陰極面積の確保は、安定なプラズマ状
態を維持する為には必要不可欠な要因と言える。

前述の面積確保が十分なされない場合には電極の赤熱化
、更にはアーク放電への移行により電気的、構造的損傷
を被り、該処理装置としての機能を果たせ得な（なるこ
とを本発明者らは新規に見出した。

このように本発明者らは、投入電力に耐えうる電極面積
を確保すべく、鋭意検討した結果、電極構成の基本概念
を示した第１図中の陰極１、陽極２の一部もしくは全て
を複数の板または柱（もしくは棒）で構成し、これらを
電気的導通状態のちとに接続、組立を行い、一体化すな
わち単一化することにより第１図に示した陰極１、陽極
２と同等の働きを持たせる電極構成を確立するに至った
ものである。第２図〜第５図にかかる単一化した板状ま
たは柱状の電極構成の例を示す。ここで第２図および第
３図は一対の陰極を、また第４図は陰極および陽極のす
べてを板または柱としたものである。なお、本発明にお
いて「電極面積」とは、電極上の電位が同一である点全
てで囲まれる面積と定義される。

本発明において投入電力に耐えうる電極面積は、消費さ
れる放電電流値が該陰極面積に対し２０ｍＡ／ｃｍ”以
下であり好ましくは１０ｍＡ／ｃｍ”以下となる値であ
る。また本発明において電気的導通状態のもとに接続組
立てられた複数の板、または柱の間隅は陰極又は陽極と
もＶＡ接する最短距離において好ましくは０．１ｍｍ乃
至３０酔、より好ましくは１ｍｍ乃至１０ｍｍである。

また、対向する該陰極において対向距離の適正値は圧力
および被処理ガス組成により異なりうるが、対向する該
陰極間の最短距離は、好ましくは５ｍｍ　〜８０ｍｍ、
より好ましくは１０ｍｍ〜４０ｍｍ程度である。さらに
、該陰極対とほぼ直角方向に対向する陽極において、該
陰極と該陽極との最短距離は、好ましくは５ｍ１Ｉｌ−
１２０ＩＩＩＩ１１より好ましくは１０ｍｍ〜６０ｍｍ
程度である。

陰極や陽極の材質は少なくとも表面が導電性のものであ
れば特に制限はないが、通常ステンレス鋼が好ましい。

前記陰極または陽極は中１０ｍｍ〜１００００＋ａ１１
、長さ１００ｍｍ　〜１０００００ｍｍ、厚み０．１ｎ
ｒｎ　〜５ｍｍである。また板の場合、巾は１ｍｍ〜１
００ｍｍ　、長さ１００ｍｍ　〜１０００００ｍｍ、厚
み０．１１１１１１１〜５ｍｍ程度であり、柱の場合は
、例えば断面略円として径１ｍｍ〜３０ｍｍ、長さ１０
０ｍｍ　〜１０００００ｍｍ程度である。板や柱の一列
の数には特に制限はないが、２〜２００枚、好ましくは
５〜５０枚である。

本発明において、複数の板または柱を導電的に接続一体
化する手段は任意であるが、例えば第２図に示すように
、複数の板をほぼ等距離（隣接距離）をおいて配設せし
め、好ましくは、板のそれぞれが相互に平行になり、全
体としてほぼ直線状の列を形成するように配設したもの
を、棒状や板状の導電材５で相互に固着せしめればよい
のである。もちろん導電材を容器上部に配置し複数の板
を該導電材からほぼ等間隔をもって垂下せしめるように
することも可能であり、特に限定されるものではない。

これら該陰極、該陽極により構成された電極組は管状容
器内に設置されるが、該容器の形状に特に制限はなく円
筒状、角筒状のいずれであっても差し支えない。また該
陰極対向方向に磁界を形成するための磁界印加装置は、
設置場所が該容器内、該容器外のいずれであっても差し
支えなく、磁界は直流、交流磁界のいずれでも良い。印
加する磁束密度は最小部で５０ガウス以上、好ましくは
１００ガウス以上であれば良（、実用に供し得る排ガス
処理装置の観点にたてば、該印加装置は廉価かつ簡便な
直２Ｉ！Ｌ磁界のフェライト焼結型磁石が好ましい。ま
た高い磁束密度を有するサマリウム−コバルト、あるい
はネオジウム−鉄−ホウ素系の希±Ｉｎ　１１石の使用
が効果的である。尚、前記した陰極対向方向に磁界を形
成するとは４５゛乃至１３５゜程度の範囲をも包含する
ものとする。

本発明において使用する電源は、直流、交流のいずれで
も良いが、電力的効率面からは、直流電源が好ましい。

さらに、本発明におけるプラズマは概して定電圧と見な
せる電流〜電圧特性を呈することから被処理ガスの連続
的かつ安定的な処理を実施するには、定出力電源もしく
は定電流電源を採用することが便利である。

実際の排ガス処理においては上記したごとき構成を有す
る本発明の排ガス放電処理装置において、ガス導入口よ
り被処理ガスを陰極対、陽極対および磁界印加装置から
成る磁界を重畳されたブラズマ空間に導入する。導入さ
れた排ガスは所定の滞留時間の間に放電処理された後、
ガス導出口から排出され真空排気設備を経て大気中に放
出される。もちろん真空排気設備より排出後、化学的処
理等の従来技術と組合わせて更に無害化処理を徹底化さ
せることに何ら支障はない、尚、本発明において採用さ
れる負荷条件は約０．１ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ程度
である。

［実施例］ 以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。

実施例１ 第２図に示した構成の装置を使用した。ガス導入口、ガ
ス導出口を具備した内容積３．７１のステンレス製真空
容器内に陰極板として巾５ｍｍ、長さ４００ｍ、厚さ２
ＩＩ１１のステンレス板１６枚を用い（−列８枚）、陽
極板として、中４０ｍｍ、長さ４０ｈａ、厚さ２ｍｍの
ステンレス板２枚を用いて電極組を構成した。この時対
向する陰極間隔は、その最短距離において２０ｍｍ、ま
た陰極と陽極の最短距離を２５１１１＋１として構成し
た。複数の陰極板の隣接する最短距離は６ＩＩＩ１１で
あり、これを第２図のごとく巾の細い板状の導電材５を
用いて一体化した。

磁界印加装置として、表面磁束密度９００ガウスのフェ
ライト焼結磁石を用い直流磁界を形成、陰極対と陽極対
とを直流電源に接続、ガス導入口より１００％のモノシ
ランガス１００ＳＣＣ＃ｌを導入、圧力０．２Ｔｏｒｒ
、供給電力８５０Ｗの条件下で放電処理を行った。

放電処理されたガスをガス導出口と真空排気設備との間
で四重極質量分析装置により測定した結果、残留モノシ
ランガス濃度は２．０％であった。

以下の条件下で３時間運転、３０分停止のサイクルテス
トを行った結果、１００時間を超える安定運転が可能で
あった。

一方、前記した装置、条件のうち陰極のみ巾４０ｉＩ１
１．長さ４００ｍ５＋、厚さ２ＩＩＩｍのステンレス板
を第１図に示した如き構成で同様に放電処理を行ったと
ころ、徐々に対向する陰極が内側に変形かつ赤熱化して
いき３０分後スパーク等の異常を呈した為処理を中止せ
ざるを得なかった。

実施例２ 第３図に示した構成の装置を使用した。実施例１と同じ
３．７１のステンレス容器を用い、容器内に陰極板とし
て中６ｍｍ、長さ４００ｓｎ、厚さ２１＋１１１のステ
ンレス板１２枚（−列６枚）と、巾３７鴎１長さ４００
ｍｍ、厚さ２ｆｆ１１１のステンレス板１２枚とを用い
、また陽極板として巾４０１１ＩＩｍ長さ４００ｍｌ１
１．厚さ２ｍ＋ｍのステンレス板２枚を用いて電極組を
構成した。この時対向する陰極間隔は、その最短距離に
おいて８ｆｉａ、また陰極と陽極の最短距離を２５ｍ＋
ｍとして構成した。

複数の陰極板の隣接する最短距離は５Ｍ１１であり、こ
れを第３図のごと（巾の細い板状の導電材５をもちいて
一体化した。

直流磁界を形成し、電極組を直＠電源に接続後、ガス導
入口より窒素で希釈された２０％モノシランガス２５０
５ｃｃｍを導入、圧力０．５Ｔｏｒｒ、供給電カフ００
Ｗの条件下で処理した結果、処理後の残留モノシランガ
スは１％以下であった。尚、連続処理３時間を経過した
時点で何ら異常は生じなかった。また、実施例１と同様
なサイクルテストを行ったがなんら問題がないことが確
認された。

実施例３ 第４図に示した構成の装置を使用した。ガス導入口、ガ
ス導出口を具備した内容積８１のステンレス製真空容器
内に、巾ｈｍ、長さ４４０ｍｍ、　ｆＦＪさ２ｍｍのス
テンレス板を陰極板として２４枚（−列８枚）、陽極板
として２０枚（−列１０枚）を用いて電極組を構成した
。陰極、陽掻共に隣接するステンレス板の間隔は６ｆｉ
ｌｌ対向する陰極間隔および陰極、陽極間隔はその最短
距離において、それぞれ１４ｍｍおよび３０ｍｍで構成
した。陰極板および陽極板は第４図のごとく、それぞれ
中の細い板状の導電材５をもちいて一体化した。

直流磁界、直流電源を用いて、窒素で希釈された５０％
モノシランガス８００５ｃｃｍを０．３〜０．４Ｔｏｒ
ｒの条件下で放電処理し残留モノシランガス２％の結果
を得た。この時放電に要した電流値は２２００−八であ
った。この条件で８時間連続運転したが、なんら問題は
生じなかった。またサイクルテストにおいても同様に何
らの問題も生じなかった。

実施例４ 第５図に示した構成の装置を使用した。ガス導入口、ガ
ス導出口を具備した内容積５１のステンレス製真空容器
内に、直径６ｍｍ、長さ３５０■のステンレス棒を陰極
として２５本（−列５本）、陽極として１４本（−列７
本）を用いて電極組を構成した。陰極、陽極共に隣接す
るステンレス棒の間隔を３ｍｍ　、対向する陰極間隔を
その最短距離において１０ｍｍ、陰極と陽極の最短距離
を３０１１ＩＩ１１として電極組を構成した。直流磁界
と交流電源を用い窒素で希釈された５％テトラエトキシ
シラン５００Ｓｃｃｍを０゜５Ｔｏｒｒで放電処理し、
テトラエトキシシランとして８５％の分解率を得ると共
に、５０時間安定な運転を継続した。処理後取り出した
電極表面にＳｉＯ□と判断される白色堆積物を確認し、
充分エトキシシランも処理可能であることがわかった。

なお、分解生成物の大部分は、容器下部に堆積していた
が、充分長時間の間運転に支障はないことが確認された
。なお、放電に費やした皮相電力は約４ＫＶＡであった
。

［発明の効果］ 本発明によれば、モノシランガス等の各種半導体製造設
備より排出されるガスを真空排気設備へ至る以前の減圧
下で無害化処理のできる実用に供し得る排ガス放電処理
装置が提供される。従って、各種半導体製造に関し小量
から量産的規模に至るまでのを害ガスの無害化処理にも
たらす貢献度は大きく、その産業上の利用の可能性は極
めて大といわざるを得ない。

【図面の簡単な説明】

第１関は従来技術の基本概念を示す横断面図であり、第
２し１〜第５図は、いずれも本発明の実施の態様を示す
横断面図である。ここで第２図〜第４図は板状電極例、
第５しｌは柱状電極例を示したものである。 各図面共に、ガス流路方向に対して、直角断面図であり
、ガスの流れは上方から、あるいは下方からのいずれで
あっても差し支えない。 図において、１−・・−・−陰極もしくは陰極対、２陽
極もしくは陽極対、 ３・・・・−・・・−永久磁石、 ４−・ 真空容器、 ・・導電材を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス導入口とガス導出口を具備する管状容器内に
   陰極と陽極からなる少なくとも一対の電極を設けて構成
   した放電管と、該電極と接続される直流または交流電源
   とおよび該放電管内に形成されたガス流路とを含む排ガ
   ス放電処理装置において、該流路内に少なくとも一対の
   陽極を対向させて設けて陽極対とし、該陽極対からなる
   空間部に少なくとも一対の陰極を該陽極とほぼ直角方向
   に該陽極と接触することなく対向させて設けて陰極対と
   し、該陽極対と該陰極対とから電極組を構成するととも
   に、該陽極、該陰極の少なくとも一部、または、全てを
   複数の板または柱として構成し、これらを導電的に接続
   一体化せしめ、かつ、該陰極の対向方向に直流または交
   流磁界を形成する磁界印加装置を該放電管に設けたこと
   を特徴とする排ガス放電処理装置。