(57)【要約】【課題】  ＰＦＣガスのプラズマ分解処理において、排ガスに与えたエネルギーを有効利用する方法およびプラズマ分解処理で生成したガスの再結合を防止する方法を提供する。【解決手段】  排ガス中のパーフルオロコンパウンドガス（ＰＦＣガス）を分解するためのプラズマ処理を用いて該排ガスの処理を行う際に、該プラズマ処理により生じるプラズマにより電磁流体発電を行うことによりエネルギー回収を図ることを特徴とする、パーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法。【選択図】     図１
2010082571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中のパーフルオロコンパウンドガス（ＰＦＣガス）を分解するためのプラズマ処理を用いて該排ガスの処理を行う際に、該プラズマ処理により生じるプラズマにより電磁流体発電を行うことによりエネルギー回収を図ることを特徴とする、パーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法。
【請求項２】
カリウム化合物またはセシウム化合物の存在下で該プラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法。
【請求項３】
該カリウム化合物が、水酸化カリウムまたは炭酸カリウムであることを特徴とする請求項２記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法。
【請求項４】
該セシウム化合物が、水酸化セシウムまたは炭酸セシウムであることを特徴とする請求項２記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、液晶および太陽電池などの製造工場で排出されるパーフルオロコンパウンド（以下、ＰＦＣと略記する）ガスをプラズマ処理して分解する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、液晶および太陽電池などの製造プロセスでは、エッチングガスやクリーニングガスとして種々のパーフルオロコンパウンドガスが使用されており、これらはＰＦＣガスと称されている。これらＰＦＣガスには、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３などがあり、地球温暖化係数（ＧＷＰ）がＣＯ２に比べ数千から数万倍と非常に高く、大気寿命も数千から数万倍と非常に長いことから、地球環境に与える影響は大きく分解処理する必要がある。一方、これらＰＦＣガスは結合エネルギーが高く、分解も容易でないことが知られている。分解処理にはさまざまな処理方法が提案されており、例えば、プラズマによる分解を利用したプラズマ分解方法を用いることが知られている（特許文献１、特許文献２）。
【０００３】
しかしながら、従来のＰＦＣガスのプラズマ分解方法では、排ガスをプラズマ状態にするために大量のエネルギーを投入するため、処理コストが高いという問題がある。また、一旦分解したガスが結合し、再度ＰＦＣガスを生成するという問題がある。
【特許文献１】特開２００７−２１２９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のとおり、従来のＰＦＣガスのプラズマ分解方法においては、処理コストや分解後のＰＦＣガスの再生成等の問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、ＰＦＣガスを含有する排ガスのプラズマ分解のコストを削減し、プラズマ分解で生成したガスの再結合を防止し、ＰＦＣガスを効率よく除去する処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、かかる問題点に鑑み鋭意検討の結果、ＰＦＣガスを含有する排ガスをプラズマ分解により、ＰＦＣガスをプラズマ状態としたガスを作動流体として、該作動流体の流れの向きと垂直に磁界を設けプラズマ状態である該作動流体が該磁界を横切って流れることによりプラズマ中に誘導電流を発生させて、その誘導電流を取り出す、電磁流体（ＭＨＤ）発電を利用することにより、プラズマ生成に使用したエネルギーを電力として回収できることを見出し本発明に到ったものである。さらには、カリウム化合物の存在下でプラズマ処理することにより、導電率が向上したプラズマを得ることができ、プラズマ処理で分解したＰＦＣガスが結合して再度ＰＦＣガスを生成することを抑制し、効率よくＰＦＣガスを除去できることを見出し本発明に到ったものである。
【０００７】
すなわち本発明は、排ガス中のパーフルオロコンパウンドガス（ＰＦＣガス）を分解するためのプラズマ処理を用いて該排ガスの処理を行う際に、該プラズマ処理により生じるプラズマにより電磁流体発電を行うことによりエネルギー回収を図ることを特徴とする、パーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法を提供するものである。
【０００８】
さらには、カリウム化合物またはセシウム化合物の存在下で該プラズマ処理を行うことを特徴とする上記記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法を提供するものである。
【０００９】
また、該カリウム化合物が、水酸化カリウムまたは炭酸カリウムであることを特徴とする上記記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法を提供するものである。
【００１０】
また、該セシウム化合物が、水酸化セシウムまたは炭酸セシウムであることを特徴とする上記記載のパーフルオロコンパウンドガスを含有する排ガスの処理方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、排ガスに与えられたエネルギーを有効利用することができ、コスト削減を図ることができる。また、分解したガスの再結合によるＰＦＣガスの生成を防止し、効率よくＰＦＣガスを除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の内容を詳細に述べる。
【００１３】
本発明の例を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の例を模式的に示す概略図であり、プラズマを発生させるためのプラズマ分解部と、プラズマ状態のガスからなる作動流体が磁界を横切って流れることにより電流を取り出す電磁流体発電を行うＭＨＤ発電部で構成されている。半導体、液晶、または太陽電池などの製造プロセスから排出されるＰＦＣガスを含有する排ガスは、プラズマ分解部１でプラズマ状態に分解処理された後、ＭＨＤ発電部を通過することによりＭＨＤ発電が行われる。プラズマ分解部１は円筒管または矩形管の構造をしており、該管内部を当該排ガスが流れる。プラズマ発生方法は電気的方法と燃焼方法に大別される。電気的方法は、電極間のアーク放電を利用する方法、高周波電磁場を利用して誘導的に気体を加熱する方法、またはマイクロ波により気体を加熱する方法等により、気体をプラズマにする。燃焼方法では、液体燃料（メタノール、灯油等）、固体燃料（石炭等）、気体燃料（プロパン等）、または核燃料を使用して、高温燃焼することにより気体をプラズマにする。本発明によるプラズマ発生はいずれの方法も使用でき、排ガスをプラズマ分解部１に導入してプラズマ化することにより、該排ガス中のＰＦＣガスを分解する。
【００１４】
また、カリウム原子またはセシウム原子の存在下で排ガスのプラズマ処理を行うことは、導電率が向上したプラズマを得ることができ、また、プラズマ処理で分解したＰＦＣガスが結合して再度ＰＦＣガスを生成することを抑制できるため、より好ましい。プラズマ処理を行う方法には、プラズマ発生方法として液体燃料や固体燃料を使用する場合は、燃焼させる燃料としてあらかじめカリウム化合物またはセシウム化合物を混合させた燃料を用いる方法がある。また、電気的方法や気体燃料を使用する場合は、導入する排ガスに直接カリウム化合物またはセシウム化合物を供給する方法があるが、この場合は粉体供給機を使用し、作動流体として流動できる程度の粒度で、定量供給する方法がある。粉体供給機を使用して供給する場合は、カリウム化合物またはセシウム化合物が吸湿して固結しないように、密閉型の粉体供給機を選定し大気と遮断することが望ましい。
【００１５】
取り扱いの容易さから、カリウム化合物は、水酸化カリウムまたは炭酸カリウム、セシウム化合物は、水酸化セシウムまたは炭酸セシウムを用いることが望ましい。また、排ガス中に直接供給する場合、排ガス中のカリウムまたはセシウムの濃度が、０．５〜５．０質量％であることが望ましい。０．５質量％未満では、ＰＦＣとの結合による消費により、プラズマ処理後の排ガスの導電率の向上が得難くなり、５．０質量％を越えると過剰な導電率が得られることにより、ローレンツ力に起因した流速低下またはガス圧力の上昇が起こり発生電流が小さくなるため好ましくない。
【００１６】
処理する排ガスは、プラズマ分解部１に導入されプラズマ処理された後、さらに円筒状または矩形状の管の構造をしたＭＨＤ発電部を流れる。ＭＨＤ発電部を通過したガスは、スクラバ等の除害装置にてさらに処理される。ＭＨＤ発電部は、少なくとも、円筒状または矩形状の管、磁石２、磁石３、電極（カソード）４、電極（アノード）５を備えており、円筒状または矩形状の管の外側に設けてある磁石２と磁石３により作られる磁界をプラズマ状態の排ガスである作動流体が通過することでプラズマ中の電子にローレンツ力を働かせ、その電子を該管の内面に貼り付けてある電極（カソード）４と電極（アノード）５により取り出し、誘導電流としてエネルギーを回収利用することが可能となる。発生した誘導電流は直流電流のため、パワーコンディショナー６により交流電流に変換され取り出される。排ガスをプラズマ状態にする方法が電気的方法であれば、得られた交流電流をそのままプラズマ発生のためのエネルギー源として利用する。排ガスをプラズマ状態にする方法が電気的方法以外であれば、得られた交流電流は他の製造プロセスで使用または電力会社に買電できる。
【００１７】
磁石による磁界の強さは磁束密度として表されるが、磁束密度が低い場合はローレンツ力が弱いため発生電流が小さく、逆に高い場合はローレンツ力に起因した流速低下およびガス圧力の上昇が起こり同様に発生電流が小さくなる。したがって、排ガス処理流量、プラズマ温度、プラズマ分解部の構造と大きさに適した磁束密度が得られる強度および構造となる磁石を選定する必要がある。電極はガスの流れ方向および磁界の方向と垂直方向に電流が流れるように対向させて設置するが、電気伝導度の高いものを使用する。材質は、排ガスに接触するため、高温耐食性のあるものが好ましく、例えば、ニッケルやインコネル６００等が使用できる。構造は発生した電子を取り出せるように面積を広くする必要があるが、磁界を妨げないようにしなければならない。
【００１８】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１において、窒素中における濃度がＣＦ４＝１０００体積ｐｐｍ、ＳＦ６＝５００体積ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ８＝５００体積ｐｐｍ、ＮＦ３＝１０００体積ｐｐｍ、Ｃ５Ｆ８＝５００体積ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ６＝５００体積ｐｐｍ、Ｃ２Ｆ６＝１０００体積ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ８＝５００体積ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ６＝５００体積ｐｐｍ、ＣＨ２Ｆ２＝５００体積ｐｐｍ、ＣＨＦ３＝５００体積ｐｐｍである混合ガスを排ガスとし、総流量５０Ｌ／ｍｉｎで導入する。また排ガス中に水酸化カリウム化合物をカリウムとして２．５質量％の濃度になるように添加する。水酸化カリウムはあらかじめ粉砕して、粒径１ｍｍ以下の粉体とし、株式会社クマエンジニアリング製の密閉型粉体供給機ピュアフィードＤＰ−４にてプラズマ分解部１の排ガス導入前に排ガス中に添加した。これら排ガスは外形８０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、長さ５００ｍｍのアルミナ製円筒管であるプラズマ分解部１を、長さ方向に沿って流れる。当該プラズマ分解部では投入電力１０ｋＷ、動作周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用した空洞共振方式により排ガスがプラズマ化され、排ガス中のＰＦＣガスが分解される。プラズマ状態の排ガスはさらに後段の外形８０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、長さ５００ｍｍのアルミナ製円筒管であるＭＨＤ発電部を、長さ方向に沿って流れる。ＭＨＤ発電部では磁石２（Ｓ極）と磁石３（Ｎ極）によりできた印可磁束密度１Ｔの磁場中を、当該プラズマ状態の排ガスが通過することにより誘導電流が発生し、ＭＨＤ発電部のアルミナ製の円筒管の内面に貼り付けた縦５０ｍｍ、横３００ｍｍのニッケル製の平面状の電極４（カソード）と電極５（アノード）により当該誘導電流（直流電流）を取り出し、パワーコンディショナー６（京セラ株式会社製型式：ＰＶＮ−４０３）により交流電流とし、１ｋＷの電力を得ることができた。得られた電力はプラズマ発生源の電力として回収し、投入電力の１０％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。    
【実施例２】
【００２０】
水酸化カリウムではなく炭酸カリウムをカリウムとして２．５質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、同様に１ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の１０％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【実施例３】
【００２１】
水酸化カリウムをカリウムとして０．４質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、０．７ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の７％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４については５０ｐｐｍ、ＳＦ６については１０ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ８ついては５ｐｐｍ、ＮＦ３ついては４ｐｐｍ、Ｃ５Ｆ８ついては２ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ６ついては２ｐｐｍ、Ｃ２Ｆ６ついては１２ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ８ついては６ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ６ついては４ｐｐｍ、ＣＨ２Ｆ２ついては７ｐｐｍ、ＣＨＦ３ついては５ｐｐｍとなった。
【実施例４】
【００２２】
水酸化カリウムをカリウムとして６質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、０．６ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の６％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【実施例５】
【００２３】
水酸化カリウムではなく水酸化セシウムをセシウムとして２．５質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、１．０ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の１０％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【実施例６】
【００２４】
水酸化カリウムではなく炭酸セシウムをセシウムとして２．５質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、１．０ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の１０％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【実施例７】
【００２５】
水酸化カリウムではなく塩化カリウムをカリウムとして２．５質量％の濃度になるように添加する以外は実施例１と同様に実施した。その結果、０．９ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の９％を回収できた。電極は一部腐食が発生し、腐食物はＸ線回折による分析の結果、塩化ニッケルであることが確認された。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【実施例８】
【００２６】
カリウム化合物を添加しない以外は実施例１と同様に実施した。その結果、０．５ｋＷの電力を得ることができ、投入電力の５％を回収できた。また、ＭＨＤ発電部通から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４については５００ｐｐｍ、ＳＦ６については１５０ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ８ついては９０ｐｐｍ、ＮＦ３ついては５０ｐｐｍ、Ｃ５Ｆ８ついては７０ｐｐｍ、Ｃ４Ｆ６ついては６０ｐｐｍ、Ｃ２Ｆ６ついては１００ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ８ついては６０ｐｐｍ、Ｃ３Ｆ６ついては５０ｐｐｍ、ＣＨ２Ｆ２ついては６０ｐｐｍ、ＣＨＦ３ついては７０ｐｐｍであった。
【実施例９】
【００２７】
導入する排ガスは実施例１と同様で、プラズマ発生方法として液体燃焼を使用するものとする。具体的には灯油を５０ｃｃ／ｍｉｎ、酸素を１５０ｃｃ／ｍｉｎ供給し、導入する排ガス中で燃焼させプラズマ状態とする。灯油にはあらかじめ水酸化カリウムをカリウムとして２．５質量％の濃度になるように混合することにより、排ガス中に直接水酸化カリウムを供給する必要はない。これら排ガスは実施例１と同様なＭＨＤ発電部を通過することにより、１．５ｋＷの電力を得ることができ、得られた電力は半導体素子製作のエッチングプロセスにおいて、ＣＦ４およびＳＦ６ガスを励起するために利用できた。また、ＭＨＤ発電部から排出されるガスの一部をサンプリングし赤外線吸光分析によりＰＦＣガスの濃度を測定した結果、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３はいずれも１ｐｐｍ以下であった。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、半導体、液晶および太陽電池などの製造プロセスで排出されるＰＦＣガスの分解処理技術として有用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の例の概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・プラズマ分解部
２・・・磁石（Ｎ極）
３・・・磁石（Ｓ極）
４・・・電極（カソード）
５・・・電極（アノード）
６・・・パワーコンディショナー
【図１】
2010082571.tif 000003