(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理ガス中に含まれる有害ガス成分を燃焼火炎によって除害処理する燃焼除害装置において、有害ガス成分を含む被処理ガスを燃焼チャンバ内に導入する被処理ガス導入ノズルと、該被処理ガス導入ノズルの燃焼チャンバ外周側から前記燃焼チャンバ内に酸化剤を導入する酸化剤導入ノズルと、前記被処理ガス導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記被処理ガスと前記酸化剤導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記酸化剤とが混合した混合ガスに点火する点火バーナと、前記被処理ガス導入ノズルに前記被処理ガスを供給する被処理ガス供給経路内に、燃焼用燃料となる水素を導入して該水素と前記被処理ガスとを混合させる水素導入部とを備えるとともに、前記酸化剤導入ノズルのノズル軸線を、前記被処理ガス導入ノズルのノズル軸線の延長線上に向かう方向に配置した燃焼除害装置。
【請求項２】
前記被処理ガスが、有害ガス成分としてアンモニアを含んでいる請求項１記載の燃焼除害装置。
【請求項３】
前記燃焼チャンバは、外筒と、該外筒の内周に配置されたガス透過性材料からなる内筒とで形成され、前記被処理ガス導入ノズル及び前記酸化剤導入ノズルは前記内筒内に形成された燃焼室内に被処理ガス及び酸化剤を導入する状態で設けられ、前記内筒と前記外筒との間に、前記内筒を透過して燃焼室内に導入される空気が外筒外部から供給される空気室が設けられている請求項１又は２記載の燃焼除害装置。
【請求項４】
前記点火バーナは、水素を触媒により活性化させて燃焼させるバーナである請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃焼除害装置。
【請求項５】
前記被処理ガスは、工程中の一部で水素を使用するプロセスから排出される排ガスであり、前記プロセスでの水素の使用量が少ないときには、プロセスで使用する水素の少なくとも一部を燃焼用燃料の水素として前記水素導入部から導入する請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼除害装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼除害装置に関し、詳しくは、化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスから排出される排ガス中に含まれる有害ガス成分の除害処理を行う燃焼除害装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスから排出される排ガス中には、製造プロセスで使用する各種の有害ガス成分、例えば可燃性ガス成分や毒性ガス成分が含まれているため、排ガスを大気中に排出する前に、これらの有害ガス成分の除害処理を行う必要がある。有害ガス成分の除害処理を行うための装置として、燃焼除害装置が広く用いられている。この燃焼除害装置では、炭化水素系の燃料を空気などの酸素を含むガス（酸化剤）により燃焼させた高温燃焼ガス中に前記排ガスを導入し、排ガス中の有害ガス成分を燃焼させたり、熱分解させたりすることにより、排ガス中から有害ガス成分を除去して排ガスの除害処理を行っている。
【０００３】
一方、近年の化合物半導体や太陽電池などの製造プロセスでは、水素を大量に使用するようになってきているため、製造プロセスからの排ガス中に大量の水素が含まれていることがある。このように大量の水素が含まれている排ガスを処理する場合、一般的な燃焼除害装置では、燃料の燃焼速度と水素の燃焼速度との関係などから、有害ガス成分の除去効率が低下することがあった。一方、可燃性ガス成分としてアンモニアを含む排ガスの除害処理を行う燃焼除害装置として、燃焼チャンバ内に排ガスを導入する排ガス導入ノズルの外周にリング状に水素導入ノズルを配置するとともに、該水素導入ノズルの外周にリング状に炭化水素系燃料と酸化剤とを混合した燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス導入ノズルを配置し、燃焼火炎中に水素を加えて水素の燃焼による熱でアンモニアを分解して燃焼させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５４０９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された装置では、排ガス導入ノズルからチャンバ内に導入された排ガスと水素との混合が不十分であり、さらに、燃焼用ガス中の酸素と燃焼速度が早い水素とが急激に反応してしまうため、一般的な大きさのチャンバ内では、水素の燃焼熱で排ガス中のアンモニアを十分に加熱することができず、燃焼速度が水素に比べて極めて遅いアンモニアを燃焼させるという機能を十分に発揮することができなかった。
【０００６】
そこで本発明は、有害ガス成分として可燃性ガス成分を含む排ガスなどの被処理ガス中の有害ガス成分を効率よく除害処理することができる燃焼除害装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の燃焼除害装置は、被処理ガス中に含まれる有害ガス成分を燃焼火炎によって除害処理する燃焼除害装置において、有害ガス成分を含む被処理ガスを燃焼チャンバ内に導入する被処理ガス導入ノズルと、該被処理ガス導入ノズルの燃焼チャンバ外周側から前記燃焼チャンバ内に酸化剤を導入する酸化剤導入ノズルと、前記被処理ガス導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記被処理ガスと前記酸化剤導入ノズルから燃焼チャンバ内に導入された前記酸化剤とが混合した混合ガスに点火する点火バーナと、前記被処理ガス導入ノズルに前記被処理ガスを供給する被処理ガス供給経路内に、燃焼用燃料となる水素を導入して該水素と前記被処理ガスとを混合させる水素導入部とを備えるとともに、前記酸化剤導入ノズルのノズル軸線を、前記被処理ガス導入ノズルのノズル軸線の延長線上に向かう方向に配置したことを特徴としている。
【０００８】
本発明の燃焼除害装置は、有害ガス成分としてアンモニアを含んでいる被処理ガスの燃焼除害処理に特に有効であり、また、前記燃焼チャンバは、外筒と、該外筒の内周に配置されたガス透過性材料からなる内筒とで形成され、前記被処理ガス導入ノズル及び前記酸化剤導入ノズルは前記内筒内に形成された燃焼室内に被処理ガス及び酸化剤を導入する状態で設けられ、前記内筒と前記外筒との間に、前記内筒を透過して燃焼室内に導入される空気が外筒外部から供給される空気室が設けられているものが好ましく、前記点火バーナは、水素を触媒により活性化させて燃焼させるバーナを使用することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明の燃焼除害装置は、前記被処理ガスが工程中の一部で水素を使用するプロセスから排出される排ガスである場合、前記プロセスでの水素の使用量が少ないときには、プロセスで使用する水素の少なくとも一部を燃焼用燃料の水素として前記水素導入部から導入することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃焼除害装置によれば、有害ガス成分を含む被処理ガス中に水素を導入混合してからチャンバ内に導入し、酸化剤と混合させて燃焼させるので、有害ガス成分と水素とを十分に接触させることができ、水素の燃焼熱による有害ガス成分の分解を効率よく行うことができる。さらに、炭化水素系の燃料を使用せずに水素を燃焼させて燃焼火炎を生成することにより、二酸化炭素の発生量を大幅に減少させることができる。特に、有害ガス成分が、燃焼速度が遅い可燃性ガス成分であるアンモニアの場合は、アンモニアの分解、燃焼を効果的に促進することができる。
【００１１】
さらに、チャンバを二重構造として外側の空気室からガス透過性材料からなる内筒を透過させてチャンバの燃焼室内に空気を導入することにより、燃焼室内に十分な量の酸素を導入して確実な燃焼状態を得られるとともに、空気室内へ外部から空気を常に供給することによって内筒や外筒の温度上昇を抑えることができる。また、点火バーナの燃料にも水素を使用することにより、水素以外の燃料を必要とせず、用役の利用効率を向上させることができる。
【００１２】
特に、水素を使用するプロセスから排出される排ガスの除害処理を行う場合、プロセスでの水素の使用量が少ないときに、プロセス用として用意されている水素を燃焼除害装置の水素導入部から導入することにより、プロセス用の水素供給設備からの水素で排ガス中に含まれている有害ガス成分の除害処理を行うことができる。これにより、燃焼除害装置用の水素供給設備を設ける必要がなくなり、除害処理用の設備コストを低減できる。また、プロセスで水素を使用しているときには、プロセスからの排ガス中に水素が含まれているので、水素導入部からの水素導入量を少なくしたり、止めたりしても十分な燃焼状態を得ることができるので、有害ガス成分の除害処理を継続することができ、水素導入部から導入する燃焼用燃料としての水素使用量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃焼除害装置の一形態例を示す説明図である。
【図２】本発明の燃焼除害装置を半導体製造装置に組み込んだ半導体製造設備の一例を示す説明図である。
【図３】燃焼除害装置及び半導体製造装置におけるガス導入量の変化状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本形態例に示す燃焼除害装置１０は、軸線を鉛直方向に向けた円筒状の燃焼チャンバ１１の天板部に、該燃焼チャンバ１１内に被処理ガスを導入するための被処理ガス導入ノズル１２と、該被処理ガス導入ノズル１２の外周に同心円状に配置された酸化剤導入ノズル１３とを設けるとともに、燃焼チャンバ１１の周壁を貫通させて点火バーナ１４を設けている。さらに、被処理ガス導入ノズル１２に被処理ガスを供給する被処理ガス供給経路１５には、該被処理ガス供給経路１５内に、燃焼用燃料となる水素を導入して該水素と前記被処理ガスとを混合させる水素導入部１６が設けられている。
【００１５】
燃焼チャンバ１１は、密閉された金属製の外筒１７と、該外筒１７の内周に配置されたガス透過性材料からなる内筒１８とによって二重筒構造となっており、内筒１８の内周側に燃焼室１９が形成され、外筒１７と内筒１８との間に空気室２０が形成されている。外筒１７の周壁には、装置外から空気室２０内に供給する空気量を調整するためのダンパ２１を備えた空気供給口２２が設けられており、空気供給口２２から空気室２０内に外部から空気を供給することにより、多孔板や金網などのガス透過性材料によって形成された内筒１８を透過して燃焼室１９内に空気を導入するように形成されている。
【００１６】
また、燃焼チャンバ１１の下端に開口した燃焼ガス排気口には、軸線を水平方向に向けた冷却筒２３が連設されている。この冷却筒２３の一端には、燃焼排ガスを冷却するための冷却用空気の導入口２４がダンパ２５を介して設けられ、冷却筒２３の他端開口には、必要に応じて冷却手段や固形分分離手段を介して排気管（図示せず）が接続されている。
【００１７】
前記被処理ガス導入ノズル１２は、ノズル軸線１２ａをチャンバ軸線方向に向けて配置されており、チャンバ軸線に沿って下降流で被処理ガスを導入するように形成されている。一方、前記酸化剤導入ノズル１３は、被処理ガス導入ノズル１２の外周の一つの同心円上に多数のノズル口を配列したものであって、該酸化剤導入ノズル１３における各ノズル口のノズル軸線１３ａは、前記被処理ガス導入ノズル１２のノズル軸線の延長線上の一点を焦点として、この焦点に向かう方向に酸化剤を導入するように配置されている。
【００１８】
したがって、燃焼除害処理を行う被処理ガスは、被処理ガス導入ノズル１２の基部に位置する被処理ガス供給経路１５内で水素導入部１６から導入される水素と十分に混合した状態で被処理ガス導入ノズル１２から燃焼チャンバ１１内に導入され、酸化剤導入ノズル１３から燃焼チャンバ１１内に導入される酸化剤で包み込まれた状態で燃焼チャンバ１１内を下方に向かって流れる状態になる。
【００１９】
前記点火バーナ１４は、水素混合状態の被処理ガスが酸化剤と混合する部分に種火を形成するものであって、この種火によって被処理ガス中の水素と酸化剤中の酸素とを反応させて燃焼火炎を形成する。この点火バーナ１４には、化石燃料を用いた通常の点火バーナを用いることもできるが、水素に活性の高い触媒を用いた水素点火バーナを使用することにより、燃焼用燃料の水素の一部を種火形成用として使用できるので、種火形成用の燃料を供給する設備を省略することができる。
【００２０】
点火バーナ１４の種火で燃焼用燃料の水素が酸化剤と反応して燃焼する際、水素導入部１６から導入した水素が被処理ガス中に混合された状態となっているため、被処理ガス中に含まれている有害ガス成分を水素の燃焼熱で効果的に加熱することができ、燃焼速度が遅い有害ガス成分であっても十分に加熱することができ、各種有害ガス成分を熱分解させたり、酸化剤と反応させて燃焼させたりして確実に除害処理することができる。
【００２１】
さらに、装置外から空気室２０内に供給した空気を、内筒１８を透過させて燃焼室１９内に導入することにより、燃焼室１９内での燃焼に必要な酸素量より多くの酸素を燃焼室１９の全体に満遍なく供給することができるので、燃焼室１９内でのより確実な燃焼状態が得られる。また、空気室２０内に外部から空気を常時供給することにより、外筒１７や内筒１８の温度上昇を抑えることができる。
【００２２】
図２は、プロセスガスとして水素とアンモニアとを使用する半導体製造装置（ＭＯＣＶＤ）３０に前記燃焼除害装置１０を組み込んだ半導体製造設備の一例を示している。なお、以下の説明において、前記形態例に示した燃焼除害装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、点火バーナ１４には、水素に活性の高い触媒を用いた水素点火バーナを使用している。
【００２３】
半導体製造装置３０は、有機金属化合物及びアンモニアを原料ガス、水素及び窒素をキャリアガスとして基板表面に化合物半導体薄膜を気相成長させてＬＥＤなどの化合物半導体や太陽電池を製造するものであって、半導体製造装置３０のガス入口側には、アンモニア供給源からのアンモニア供給経路３１，水素供給源からの水素供給経路３２の他、図示しない有機金属化合物供給経路や窒素供給経路などが設けられている。また、半導体製造装置３０のガス出口側には、シールガスとして窒素を使用したドライシールド型真空ポンプ３３を備えた排ガス経路３４が設けられている。
【００２４】
アンモニア供給経路３１及び水素供給経路３２には、ガス供給弁３１Ｖ，３２Ｖ及び流量計３１Ｆ，３２Ｆがそれぞれ設けられており、制御装置３５からの指令によってガス供給弁３１Ｖ，３２Ｖをそれぞれ開閉することにより、半導体製造装置３０へのアンモニアや水素の供給状態を制御している。
【００２５】
また、水素供給経路３２の水素供給源側からは、燃焼除害装置１０の水素導入部１６に接続する除害装置用水素供給経路３６と、点火バーナ１４に種火形成用の水素を供給する点火バーナ用水素供給経路３７とが分岐している。除害装置用水素供給経路３６には、前記制御装置３５からの指令によって開閉制御されるガス供給弁３６Ｖと流量計３６Ｆとが設けられており、半導体製造装置３０の運転状態に応じて燃焼除害装置１０に導入される水素量が調節されている。
【００２６】
図３（Ａ）に示すように、半導体製造装置３０では、化合物半導体薄膜を気相成長させる一工程中に供給ガス量が変化し、工程開始（ｔ０）から予熱などの予備段階を経て気相成長開始（ｔ１）までは、アンモニア（ＮＨ３）に対して水素（Ｈ２）の供給量が多く、工程中間で基板への気相成長が始まると、水素（Ｈ２）の供給量が少なくなるとともにアンモニア（ＮＨ３）の供給量が増大する。さらに、工程終了近くで気相成長終了（ｔ２）となって基板へ気相成長が終了すると、水素（Ｈ２）が大量に供給される状態になるとともに、アンモニア（ＮＨ３）の供給量は略半減した状態になる。また、窒素（Ｎ２）は、工程開始（ｔ０）から工程終了（ｔ３）まで一定量が連続して供給されている。
【００２７】
このようにして水素の供給量が変化する半導体製造装置３０からの排ガスを除害処理する場合、燃焼除害装置１０における点火バーナ用水素供給経路３７には、種火を形成するために必要な量の水素が連続して供給され、除害装置用水素供給経路３６に供給される水素量は、排ガス中の水素量に応じて変化させる。
【００２８】
すなわち、図３（Ｂ）に示すように、工程開始（ｔ０）から気相成長開始（ｔ１）までの間の排ガスは、排ガス中に水素が含まれている状態なので、点火バーナ用水素供給経路３７に少量（Ｌ１）の水素を供給するだけでよく、気相成長開始（ｔ１）から気相成長終了（ｔ２）までの間は、排ガス中の水素量が少なくなるので、点火バーナ用水素の流量（Ｌ１）に加えて、除害装置用水素供給経路３６から水素導入部１６に十分な燃焼状態を得ることができる比較的大量（Ｌ２）の水素を供給し、気相成長終了（ｔ２）から工程終了（ｔ３）までの間は、排ガス中の水素量が増加するので、水素導入部１６から水素を導入しなくても十分な燃焼状態を得ることができ、点火バーナ用の少量（Ｌ１）の水素を供給するだけでよい。
【００２９】
このように、燃焼除害装置１０を半導体製造装置３０に組み込み、半導体製造装置３０の運転状態に応じて燃焼除害装置１０に燃焼用の水素を供給するように形成することにより、燃焼除害装置用としての水素供給設備を設置することなく、燃焼速度が遅いアンモニアの除害処理も確実に行うことができる。また、プロセスで水素を使用しているときには、排ガス中に水素が含まれているので、水素導入部１６から燃焼用の水素を供給しなくても燃焼火炎を連続して形成することが可能であり、水素の利用効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０…燃焼除害装置、１１…燃焼チャンバ、１２…被処理ガス導入ノズル、１２ａ…ノズル軸線、１３…酸化剤導入ノズル、１３ａ…ノズル軸線、１４…点火バーナ、１５…被処理ガス供給経路、１６…水素導入部、１７…外筒、１８…内筒、１９…燃焼室、２０…空気室、２１…ダンパ、２２…空気供給口、２３…冷却筒、２４…導入口、２５…ダンパ、３０…半導体製造装置、３１…アンモニア供給経路、３１Ｖ…ガス供給弁、３２…水素供給経路、３２Ｖ…ガス供給弁、３３…ドライシールド型真空ポンプ、３４…排ガス経路、３５…制御装置、３６…除害装置用水素供給経路、３６Ｖ…ガス供給弁、３７…点火バーナ用水素供給経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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