(57)【要約】【課題】  パーフルオロコンパウンドなどの有害成分含有ガスを高い分解率で処理するとともに、窒素酸化物などの副生成物の発生を抑制することができる有害成分含有ガスの処理方法を提供する。【解決手段】  有害成分含有ガスを、反応性ガスの共存下、プラズマ１００により分解する有害成分含有ガスの処理方法において、前記反応性ガスとして水素と酸素との混合物を用いるとともに、前記酸素に対する前記水素の添加割合が２．０以上に設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有害成分含有ガスを、反応性ガスの共存下、プラズマにより分解する有害成分含有ガスの処理方法であって、
前記反応性ガスが水素と酸素との混合物であることを特徴とする有害成分含有ガスの処理方法。
【請求項２】
酸素に対する水素の添加割合が、２．０以上であることを特徴とする請求項１記載の有害成分含有ガスの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有害成分含有ガスの処理方法に関するものであり、特に有害成分含有ガスを処理した際に発生する窒素酸化物などの副生成物の抑制方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程におけるエッチング工程、ＣＶＤ（化学気相成長）チャンバーのクリーニング工程などでは、パーフルオロメタン（以下、「ＣＦ４」と略記する）、パーフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）、パーフルオロプロペン（Ｃ３Ｆ６）、パーフルオロペンタジエン（Ｃ５Ｆ８）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）、３フッ化窒素（ＮＦ３）、６フッ化硫黄（ＳＦ６）などが大量に使用されている。これらのガスはパーフルオロコンパウンド（以下、「ＰＦＣ」と略記する）と総称され、地球温暖化の原因である温室効果ガスとされている。従って、ＰＦＣの処理を適切に行い、その排出を抑制することが求められている。
【０００３】
現在、使用されている処理方法としては、燃焼分解方法、加熱分解方法、触媒分解方法、加熱反応方法、回収処理方法、プラズマ分解方法などが挙げられる。これらの中でも、装置の構造が比較的簡単であることから、プラズマ分解方法が最も実用的であるとされており、近年、精力的に研究されている（例えば、特許文献１参照。）。プラズマ分解方法とは、マイクロ波などの電磁波を用いて、ＰＦＣなどの有害成分含有ガスをプラズマ化して分解する方法である。
【０００４】
プラズマ分解方法に用いられる処理装置の一例を図１に示す。この例の処理装置は、反応性ガス供給機構１０と、プラズマ発生機構２０と、プラズマ容器３０とから概略構成されており、有害成分含有ガスとして、半導体製造装置から排出されるＰＦＣを処理するものである。
反応性ガス供給機構１０は、プラズマ容器３０に反応性ガスを供給するためのものである。この反応性ガスは、プラズマ化されたＰＦＣと反応して二酸化炭素、フッ化水素などの安定な化合物を生成し、ＰＦＣ同士の再結合を防止するものである。反応性ガスとしては、加水分解反応を起こす水蒸気、酸化反応を起こす酸素などの酸化剤が用いられる。
【０００５】
プラズマ発生機構２０は、ＰＦＣをプラズマ化するためのマイクロ波を発生して、プラズマ容器３０に入射させるためのものである。このプラズマ発生機構２０には、マイクロ波電源２１とマイクロ波発振器２２とが設けられており、両者は互いに電気ケーブルにより連結されている。このマイクロ波電源２１を操作し、マイクロ波発振器２２に駆動用電力を供給すると、このマイクロ波発振器２２から所定の周波数を有するマイクロ波が発生する。
【０００６】
発生したマイクロ波は、導波管２３、アイソレータ２４を介してパワーモニタ２５に伝播し、このパワーモニタ２５により入射電力が検出される。アイソレータ２４は、プラズマ容器３０から反射するマイクロ波を吸収して、マイクロ波発振器２２を保護するためのものである。また、この反射するマイクロ波にあっては、その反射電力をパワーモニタ２５によって検出することができる。
ついで、マイクロ波は、整合器２６、テーパ導波管２７を介してプラズマ容器３０に入射する。この整合器２６は、反射が最小限になるように負荷を整合するためのものである。また、テーパ導波管２７はプラズマ容器３０に効率良くマイクロ波を伝播するためのものである。
【０００７】
プラズマ容器３０は、その内部においてＰＦＣをプラズマ化して処理するためのものである。このプラズマ容器３０の上部には、ガス流入管３１が取り付けられており、半導体製造装置４０から排出されたＰＦＣを０．０１〜１０％程度含んだ窒素ベースの処理ガスが流通している。このガス流入管３１には、上記反応性ガス供給機構１０が設けられており、反応性ガスが処理ガス中に添加されるようになっている。また、ガス流入管３１は、ガス導入部３２と連通しており、処理ガスと反応性ガスとからなる混合ガスがプラズマ容器３０の内部に導入されるようになっている。
【０００８】
ガス導入部３２の下部には、空洞共振器３３が設けられている。この空洞共振器３３にプラズマ発生機構２０からマイクロ波が入射するとともに共振することにより、ガス導入部３２から導入され、空洞共振器３３内を貫通しているガス流通管３９(石英等のセラミックで製作されている)内を下降する混合ガスがプラズマ化される。空洞共振器３３の下部には、延長管３４、反応管３５が続けて設けられており、プラズマ化された混合ガスは、これらを通って下降するとともに、ＰＦＣと反応性ガスとが反応することにより、二酸化炭素、フッ化水素などの安定なガスを生成する。なお、符号１００はプラズマ容器３０において発生したプラズマを示す。
【０００９】
プラズマ容器３０の底部には冷却装置３６が設けられており、この冷却装置３６から冷却用水が噴霧されることにより、生成したガスが冷却される。その後、一方では、吸引ポンプ３７によってガスがプラズマ容器３０から排出される。また、他方では、排水ポンプ３８によってプラズマ容器３０の底に溜まった水がプラズマ容器３０から排出される。
このような処理装置を用いることにより、ＰＦＣを無害なガスに変換して処理することができる。
【特許文献１】特開２００３−２４５５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のプラズマ分解方法にあっては、ＰＦＣなどの有害成分含有ガスをプラズマ分解する際、窒素もプラズマ分解され、ついで、酸素と反応することにより、一酸化窒素、二酸化窒素などの窒素酸化物（以下、ＮＯＸと略記する。）が発生するという問題があった。特に、反応性ガスとして酸素などの酸化剤を用いた場合に、このＮＯＸが大量に発生する。なお、ＮＯＸは人体に対して有害な物質であるとともに、酸性雨の原因物質である。
【００１１】
一方、反応性ガスとして水蒸気を用いた場合には、ＮＯＸの発生を抑止することができるが、水蒸気が供給途中で液化することがあるため、処理装置に定常的に供給することが困難であり、有害成分含有ガスの分解率が低下するという問題があった。また、水蒸気の液化を防止するためには、配管等を高温状態に保持する必要があるため、処理装置の構造が複雑になるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
ＰＦＣなどの有害成分含有ガスを高い分解率で処理するとともに、ＮＯＸなどの副生成物の発生を抑制することができる有害成分含有ガスの処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、有害成分含有ガスを、反応性ガスの共存下、プラズマにより分解する有害成分含有ガスの処理方法であって、前記反応性ガスが水素と酸素との混合物であることを特徴とする有害成分含有ガスの処理方法である。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、酸素に対する水素の添加割合が、２．０以上であることを特徴とする請求項１記載の有害成分含有ガスの処理方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の有害成分含有ガスの処理方法によれば、水素および酸素が常温、常圧で気体であるため、これらを反応性ガスとして定常的に処理装置に供給することができる。従って、有害成分含有ガスを高い分解率で処理することができる。
また、本発明の有害成分含有ガスの処理方法によれば、有害成分含有ガス中に水素を酸素に対して２倍以上添加することにより、酸素を有害成分含有ガスの分解に優先的に消費することができる。結果、窒素の酸化反応の反応物となり得る酸素の濃度を低減して、ＮＯＸなどの副生成物の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明にかかる有害成分含有ガスの処理方法の一実施形態を、図１に基づいて説明する。
先ず、半導体製造装置４０からＰＦＣが排出される。このＰＦＣは、窒素により希釈されて処理ガスとなり、ついで、反応性ガスと混合されて混合ガスとなり、プラズマ容器３０の空洞共振器３３に流入する。混合ガスの流量は、特に限定されないが、処理能力の観点から、６０〜８０ｓｌｍであることが好ましく、７０〜８０ｓｌｍであることがさらに好ましい。
【００１７】
上記反応性ガスとしては、水素と酸素の混合物が用いられる。すなわち、これらのガスによってＰＦＣを加水分解する。加水分解反応は、酸化反応と比較して副生成物が少ないため、ＰＦＣの処理に好適である。また、水素と酸素は常温、常圧で気体であり、水蒸気のように熱を加える必要がないため、処理装置に定常的に供給することができる。
さらに、水素と酸素は、水蒸気に比べて結合エネルギーが小さく、ラジカル化が容易であるためプラズマ化し易い。また、水蒸気と比較して気体媒体中における拡散速度が大きく、ＰＦＣとの混合が容易であるため反応し易い。従って、ＰＦＣの分解率を向上することができる。
なお、水素と酸素の添加割合に関しては、酸素に対して水素が２．０以上であることが好ましく、その作用効果については、以下の段落で説明する。
【００１８】
次に、空洞共振器３３に流入する混合ガスを、プラズマ発生機構２０から入射されたマイクロ波によりプラズマ化する。プラズマ化された混合ガスは、延長管３４、反応管３５において、互いに反応して安定なガスを生成し、プラズマ容器３０の外部へ排出される。
プラズマ容器３０におけるＰＦＣの反応に関しては、ＰＦＣの１つであるＣＦ４を例に挙げて説明すると、以下に示す式（１）の反応が進行する。結果、ＣＦ４は二酸化炭素、フッ化水素などのガスに変換される。一方、窒素に関しては、以下に示す式（２）の反応が進行する。結果、窒素は酸化されてＮＯＸに変換される。
【００１９】
【化１】
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【００２０】
式（１）の加水分解反応における化学量論比は水素：酸素＝２：１であるが、上述したように、水素の混合比を２．０以上にすることにより、加水分解反応を促進することができる。これはルシャトリエの原理によるものである。結果、この加水分解反応において酸素が大量に消費され、式（２）の酸化反応の反応物になり得る酸素の濃度が低減する。すなわち窒素の酸化反応が阻害される。従って、ＣＦ４を処理する際に、ＮＯＸなどの副生成物の発生を抑制することができる。また、ＣＦ４との反応に使用されない酸素はＮＯＸ発生の原料となり得るが、添加した水素はこの酸素を水に変換してＮＯＸの発生を抑制する効果も有する。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
【００２２】
［実施例１］
実施例１では、水素および酸素の混合物が有する反応性ガスとしての効果を評価するため、本発明の有害成分含有ガスの処理方法によるＣＦ４の分解率を測定した。分解率の測定にあたっては、ＣＦ４と窒素との混合ガスを用い、水素、酸素、ＣＦ４、窒素の流量をそれぞれ１．６、０．８、０．８、８０ｓｌｍに設定した。また、比較対象として、反応性ガスとして水蒸気を用いた場合のＣＦ４の分解率を測定し、この水蒸気の流量を１．６ｓｌｍに設定した。その他のガスの流量は、水素および酸素の混合物の場合と同様である。
図２に、測定結果のグラフを示す。このグラフから、水素と酸素の混合物（菱形でプロット）は、水蒸気（正方形でプロット）と比較してＣＦ４の分解率を向上することが確認された。また、水素と酸素の混合物を用いた場合には、ＣＯ２、ＨＦ、ＮＯＸが主に生成されることが確認された。
【００２３】
［実施例２］
実施例２では、本発明の有害成分含有ガスの処理方法におけるＮＯＸの濃度を測定した。ＮＯＸの濃度の測定にあたっては、ＣＦ４と窒素と反応性ガスとからなる混合ガスを用い、ＣＦ４および窒素の流量をそれぞれ０．６、８０ｓｌｍに設定した。また、反応性ガスとしては、水素と酸素の混合物を用い、酸素の流量を０．６ｓｌｍとし、この酸素に対する水素の流量を０．１〜２．４ｓｌｍの範囲で変化させながら処理を行った。また、マイクロ波の電力を５．０ｋＷに設定した。
【００２４】
図３に、測定結果のグラフを示す。このグラフから、酸素に対する水素の添加割合が増加すると、ＮＯＸの濃度は減少することが確認された。また、酸素に対する水素の添加割合が３．０以上においては、ＮＯＸの濃度は変化しないことが確認された。従って、有害成分含有ガスの処理にあっては、水素を化学量論比よりも過剰に用いることにより、ＮＯＸの発生を低減できることが明らかとなった。
【００２５】
［比較例１］
比較例１では、反応性ガスとして酸素を用いてＣＦ４を処理した際に発生する、生成物の種類を測定した。比較例１におけるＣＦ４の処理にあたっては、酸素の流量を０．８ｓｌｍに設定した。その他の条件は実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
結果、生成物として、一酸化炭素、二酸化炭素、フッ化水素、フッ化カルボニル（ＣＯＦ２）、フッ素、ＮＯｘなどが確認された。その中でも、一酸化炭素とフッ素の量が特に多かった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明におけるプラズマ式処理装置の一例を示す図である。
【図２】実施例１における水素と酸素の混合物または水蒸気を反応性ガスとして用いた場合の、マイクロ波の電力に対するＣＦ４の分解率を示すグラフである。
【図３】実施例２における酸素に対する水素の添加割合に対する排出されたガス中におけるＮＯＸの濃度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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