(57)【要約】【課題】半導体製造装置から排出される排ガスを処理する装置を小型化する技術を提供する。【解決手段】排ガス処理システムは、半導体製造装置１から排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを処理する。排ガス処理システムは、水素を選択的に透過させる半透膜を有し、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部４と、膜分離部４によって分離された水素の回収率に関する情報を取得し、水素の回収率を算出する水素回収率取得手段と、水素回収率の変化に応じて膜分離部の透過側圧力を制御する圧力制御部と、を備える。【選択図】図２
2011189229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造装置から排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを処理する排ガス処理システムであって、
水素を選択的に透過させ、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部と、
前記膜分離部によって分離された水素の回収率に関する情報を取得し、水素の回収率を算出する水素回収率取得手段と、
水素回収率の変化に応じて前記膜分離部の透過側圧力を制御する圧力制御部と、
を備えることを特徴とする排ガス処理システム。
【請求項２】
前記圧力制御部は、以下の式に基づいて透過側圧力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理システム。
ΔＰ＝Ｃ１×ΔＡ、Ｃ１≧０．５
ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＰは、透過側圧力の減少分（ｋＰａ）、をそれぞれ表す。
【請求項３】
半導体製造装置から排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを処理する排ガス処理システムであって、
水素を選択的に透過させ、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部と、
前記膜分離部によって分離された水素の回収率に関する情報を取得し、水素の回収率を算出する水素回収率取得手段と、
水素回収率の変化に応じて前記膜分離部に流入する混合ガスの温度を制御する温度制御部と、
を備えることを特徴とする排ガス処理システム。
【請求項４】
前記温度制御部は、以下の式に基づいて前記膜分離部に流入する混合ガスの温度を変化させることを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理システム。
ΔＴ＝Ｃ２×ΔＡ、Ｃ２≧０．８
ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＴは、混合ガスの温度上昇幅（℃）、をそれぞれ表す。
【請求項５】
前記水素回収率取得手段は、
前記膜分離部に流入する混合ガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する混合ガス分析部と、
前記膜分離部を透過することで分離されたガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する透過側ガス分析部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス処理システム。
【請求項６】
前記水素回収率取得手段は、
前記膜分離部に流入する混合ガスの流量を制御する流量制御部と、
流量が制御された混合ガス中の水素およびモノシラン濃度を測定する混合ガス分析部と、
前記膜分離部を透過することで分離されたガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する透過側ガス分析部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置から排出される水素およびシランガスを含有する排ガスを処理する排ガス処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置、特に、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置から排出される排ガスには、除害の必要があるモノシラン、除害が不要な水素、および微粒子（高次シラン）が混在している。従来の排ガス処理装置では、微粒子をフィルタにより除去した後、残存したモノシランおよび水素を含む混合ガス（水素／モノシラン＝２〜１００）に窒素を加えた後、除害装置を用いて処理が行われている。窒素の添加量は、粉体発生の観点からモノシラン濃度が２％以下になるように調節される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１３４４１４号公報
【特許文献２】特開平９−２３９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の排ガス処理装置では、除害が必要な少量のモノシランと、除害が必要でない大量の水素を含む混合ガスに対して除害が行われていたため、モノシランの除害に必要な設備、ひいては排ガス処理装置の大規模化を招いていた。また、モノシランを燃焼により除害する場合には、燃焼用のＬＰＧガスの消費量が多くなり、エネルギー効率が低下していた。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体製造装置から排出される排ガスを処理するシステムを小型化するとともに長期間安定した運転ができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の排ガス処理システムは、半導体製造装置から排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを処理する排ガス処理システムであって、水素を選択的に透過させ、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部と、膜分離部によって分離された水素の回収率に関する情報を取得し、水素の回収率を算出する水素回収率取得手段と、水素回収率の変化に応じて膜分離部の透過側圧力を制御する圧力制御部と、を備える。
【０００７】
圧力制御部は、以下の式に基づいて透過側圧力を変化させてもよい。式はΔＰ＝Ｃ１×ΔＡ、Ｃ１≧０．５で表される。ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＰは透過側圧力の減少分（ｋＰａ）、を表す。
【０００８】
本発明の別の態様は、排ガス処理システムである。この排ガス処理システムは、半導体製造装置から排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを処理する排ガス処理システムであって、水素を選択的に透過させ、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部と、膜分離部によって分離された水素の回収率に関する情報を取得し、水素の回収率を算出する水素回収率取得手段と、水素回収率の変化に応じて膜分離部に流入する混合ガスの温度を制御する温度制御部と、を備える。
【０００９】
温度制御部は、以下の式に基づいて膜分離部に流入する混合ガスの温度を変化させてもよい。式はΔＴ＝Ｃ２×ΔＡ、Ｃ２≧０．８で表される。ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＴは、混合ガスの温度上昇幅（℃）、を表す。
【００１０】
水素回収率取得手段は、膜分離部に流入する混合ガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する混合ガス分析部と、膜分離部を透過することで分離されたガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する透過側ガス分析部と、を有してもよい。
【００１１】
また、水素回収率取得手段は、膜分離部に流入する混合ガスの流量を制御する流量制御部と、流量が制御された混合ガス中の水素およびモノシラン濃度を測定する混合ガス分析部と、膜分離部を透過することで分離されたガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度とを測定する透過側ガス分析部と、を有してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体製造装置から排出される排ガスを処理するシステムを小型化するとともに、長期間安定に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係る排ガス処理システムの概略の一例を示す系統図である。
【図２】本実施の形態に係る排ガス処理システムの構成をより詳細に示した系統図である。
【図３】本実施の形態に係る排ガス処理システムの各部におけるデータ処理の一例を示した系統図である。
【図４】実施例で使用した分離システムの概略図である。
【図５】ポンプのパージ窒素を導入しない条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図６】ポンプのパージ窒素を導入しない条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝０．１）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図７】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図８】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝０．１）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図９】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１０】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合（Ｃ１＝０．１）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１１】ポンプのパージ窒素を導入しない条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１２】ポンプのパージ窒素を導入しない条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝０．２５）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１３】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１４】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝０．２５）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１５】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝１．０）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【図１６】ポンプのパージ窒素を１０ＮＬ／ｍｉｎ導入した条件で、温度調整を実施して運転した場合（Ｃ２＝０．２５）における水素回収率の変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１及び図２は、本実施の形態に係る排ガス処理システムの概略の一例を示す系統図である。図３は、本実施の形態に係る排ガス処理システムの各部におけるデータ処理の一例を示した系統図である。本実施の形態に係る排ガス処理システム１００は、図１に示すように、半導体製造装置１からポンプ部２を通して排出される少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する混合ガス分析部３と、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部４と、膜分離部４の透過側圧力を制御する透過側圧力制御部５と、膜分離部４によって分離された透過側ガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定する透過側ガス分析部６と、膜分離部４によって分離された水素を処理する水素ガス処理部７と、膜分離部４によって分離されたモノシランを処理するシランガス処理部８と、を備える。
【００１６】
半導体製造装置１としては、特に限定されないが、太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤ装置などが挙げられる。
【００１７】
半導体製造装置１から排出される混合ガスの組成は、特に限定されないが、例えば、除害が必要なモノシラン、除害が不要な水素、窒素、アルゴンおよび微量不純物を含む。微量不純物として、ジシラン、トリシランなどのＳｉを複数含む高次シラン、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６（それぞれ０．００１〜１％）が挙げられる。
【００１８】
ポンプ部２は、半導体製造装置１から排出された混合ガスを吸引し、後段の混合ガス分析部３に送出する。使用されるポンプの種類としては特に限定されないが、半導体製造装置にはドライポンプが一般的に使用されることが多い。ドライポンプには、気密性保持や不要な堆積物の防止、ポンプ内部の腐食防止、排気能力の向上などの目的でパージ用ガスを導入することができる。パージ用ガスとしては特に限定されないが、窒素やアルゴンなどの不活性ガスが主に使用される。また、パージ用ガスの導入量としても特に限定されないが、ポンプ１台につき１０〜５０ＮＬ／ｍｉｎ程度が一般的である。
【００１９】
また、図２に示すように、ポンプ２ｂの前段または／および後段にフィルタ２ａを設けることもできる。特に、排気ガスに高次シラン等の微粒子が比較的多く存在している場合は、フィルタ２ａを設けることが好ましい。フィルタ２ａは、混合ガス中に含まれる高次シラン等の微粒子を選択的に除去する微粒子捕捉フィルタである。使用するフィルタとしては特に限定されないが、渦巻式などのフィルタが使用できる。
さらに、半導体製造装置１では成膜によるチャンバー内の堆積物を除去するためにケミカルクリーニングが行われることがある。ケミカルクリーニングでは、チャンバーに堆積したシリコン薄膜を除去するために、ＮＦ３やＦ２などのガスの導入下でプラズマ処理することが一般的である。しかしながら、これらのガスは支燃性であるため、水素やモノシランのような可燃性ガスとの接触は避けなければならず、図２のようにポンプ２ｂの後に切替バルブ２ｃを設置することが好ましい。これにより、ケミカルクリーニングの排ガスが出てくる際には、支燃系ガス処理系に切替えることで、そのような排ガスがシラン系ガスの処理ラインに混入することが防止される。なお、この切替バルブ２ｃはポンプ自体にその機構が内蔵されていても良い。
【００２０】
混合ガス分析部３および透過側ガス分析部６は、水素回収率取得手段の一つとして、少なくとも、混合ガスおよび膜分離部で分離された透過側ガスの流量、ならびに、透過側ガスの水素濃度およびモノシラン濃度を測定するために設けられる。これらガス分析部では、少なくとも、ガスの流量ならびに水素およびモノシラン濃度を測定できれば、その方法は特に限定されないが、例えば、流量に関しては、乾式や湿式の一般的な流量計を使用することができる。また、水素およびモノシラン濃度の測定では、ガス流通式のサンプルセルを備えたＦＴ−ＩＲや、オンライン式のガスクロマトグラフ等を用いることができる。
【００２１】
これらの測定結果から、水素ガスの回収率（水素回収率）を式（１）に従い算出することができる。
水素回収率（％）  ＝１００×（（Ａ／１００）×Ｂ））／（（Ｃ／１００）×Ｄ）・・・式（１）
【００２２】
ここで、Ａは透過側ガスの水素濃度（透過側水素濃度）（ｖｏｌ％）、Ｂは透過側ガス流量（透過側ガス総流量）（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｃは膜分離装置へ供給される混合ガスの水素濃度（供給側水素濃度）（ｖｏｌ％）、Ｄは膜分離装置に供給される混合ガスの流量（供給側ガス総流量）（Ｌ／ｍｉｎ）を表す。
【００２３】
膜分離部４は、図２に示すように、膜分離装置４ｂに供給される混合ガスの温度を制御する温度制御部４ａと膜分離装置４ｂとを備える。
【００２４】
温度制御部４ａは、混合ガスを冷却または加熱する機能があれば、特に限定されないが、電熱ヒーターや各種熱交換器、などが挙げられる。
【００２５】
膜分離装置４ｂは、水素を選択的に透過させる膜で、モノシランと反応するような金属成分、例えばパラジウム、ニッケルなど、を主成分として含まないものであれば特に限定されないが、各種半透膜などが挙げられる。半透膜としては、例えば、水素を選択的に透過させる緻密層と、緻密層を支持する多孔質性の基材とを含む。半透膜の形状としては、平膜、スパイラル膜、中空糸膜が挙げられるが、このうち、中空糸膜がより好ましい。
【００２６】
緻密層に用いられる材料としては、ポリイミド、ポリシロキサン、ポリシラザン、アクリロニトリル、ポリエステル、セルロースポリマー、ポリスルホン、ポリアルキレングリコール、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリビニルハライド、ポリビニリデンハライド、ポリカーボネートおよびこのうちのいずれかの繰り返し単位を有するブロックコポリマーが挙げられる。
【００２７】
基材に用いられる材料としては、ガラス、セラミック、燒結金属などの無機材料、および多孔質性の有機材料が挙げられる。多孔質性の有機材料としては、ポリエーテル、ポリアクリロニトリル、ポリエーテル、ポリ（アリーレンオキシド）、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリビニルなどが挙げられる。
【００２８】
次に、透過側圧力制御部５および非透過側圧力制御部１２は、それぞれ、膜分離装置４ｂの透過側圧力、非透過側圧力を制御するためのものである。膜分離装置４ｂに供給される混合ガスの圧力が大気圧程度と低い場合には、背圧弁などの圧力制御装置と膜分離装置４ｂの透過側を大気圧以下の真空にするドライポンプとを透過側圧力制御部５に設置し、供給圧力と十分な差圧を確保するとともに、透過側圧力を一定に制御する。膜分離装置４ｂに供給される混合ガスの圧力が十分高い場合（流量制御部に昇圧機を設けた場合など）は、透過側圧力制御部５、非透過側圧力制御部１２それぞれに背圧弁などの圧力を一定に制御する装置を設置し、膜分離装置４ｂの非透過側および透過側圧力を一定に制御する。
【００２９】
膜分離装置４ｂに供給される混合ガスの流量、圧力、温度、モノシランガスの濃度、膜分離装置４ｂの非透過側圧力、透過側圧力は特に限定されないが、例えば、流量としては、膜分離装置の容量１Ｌに対して、５ＮＬ／ｍｉｎ〜５００ＮＬ／ｍｉｎ、好ましくは、１０ＮＬ／ｍｉｎ〜１００ＮＬ／ｍｉｎが望ましく、圧力としては、−９０ｋＰａＧ〜１．０ＭＰａＧが望ましく、温度としては、−２０℃〜１００℃程度が望ましく、モノシランガス濃度としては、３０ｖｏｌ％以下、好ましくは２０ｖｏｌ％以下、より好ましくは、１０ｖｏｌ％以下が望ましく、膜分離装置４ｂの非透過側圧力としては、−９０ｋＰａＧ〜０．８５ＭＰａＧ、透過側圧力としては、−１００ｋＰａＧ〜０．９ＭＰａＧが望ましい。
【００３０】
ここで、膜分離装置の容量とは、膜分離装置内の分離膜が十分密に充填された部分の容積のことを示す。
【００３１】
上述した膜分離条件は、実際には、密接に絡み合っており、例えば、膜分離容量１Ｌの場合では、膜分離装置に供給される流量としては、２０ＮＬ／ｍｉｎ〜５０ＮＬ／ｍｉｎ、モノシランガス濃度としては、１０ｖｏｌ％以下、圧力としては、大気圧以上、温度としては１０℃〜４０℃、膜分離装置の透過側圧力としては、−１００ｋＰａＧ〜−６０ｋＰａＧが望ましい。
【００３２】
膜分離装置４ｂで分離されたガスはそれぞれ、水素ガス処理部７、シランガス処理部８に送られる。水素ガス処理部７では、単に回収した水素を燃焼処理や燃料として利用したり、例えば、図２に示すように、希釈部７ｂにて、回収ガス中のモノシラン濃度を許容濃度以下（５ｐｐｍｖ以下）になるように分離ガスを窒素や空気などで希釈した後、外部に放出されるように構成してもよい。また、この希釈の際は、水素濃度を爆発下限界以下（４ｖｏｌ％以下）まで希釈する方が安全上好ましい。希釈部７ｂでの希釈率は、少なくともモノシラン濃度５ｐｐｍｖ以下を満たす限り特に限定されないが、前述した透過側ガス分析部６の測定結果を元に、希釈率を制御すれば、無駄なく、効率よく制御することができる。希釈部７ｂにより希釈された分離ガスは、ブロア７ｃにより外部に放出される。また、回収ガス中のモノシラン濃度を低減するため、選択的にモノシランを除害することができるような機構を付加してもよい（図示せず）。選択的に除害する除害剤としては、特に限定されないが、酸化剤や吸着剤などが挙げられる。また、水素ガス精製部７ａを設置し、水素を精製して再利用してもよい。
【００３３】
また、シランガス処理部８では、例えば、毒性ガスであるモノシランを無害化する装置である除害部８ｃの装置仕様にあわせて、希釈部８ｂで所定の濃度に希釈された後、除害部８ｃに導入されることで、モノシランの許容濃度以下に無害化されて、ブロア８ｄにより外部に放出される。なお、シランガス精製部８ａを設置し、モノシランを精製して再利用できるように構成してもよい。
【００３４】
さらに、本実施の形態に係る排ガス処理システムでは、膜分離装置４ｂによって分離された非透過側のモノシランリッチな分離ガスの流量、モノシラン濃度等を、非透過側ガス分析部１３を設けて測定することで、その後段のシランガス処理部８の運転条件に反映させることもできる。
【００３５】
例えば、シランガス処理部８で、回収したモノシランを除害処理し、排気する場合、除害装置の仕様にあわせて、回収したモノシランを所定濃度まで希釈する必要があるが、その際、非透過側ガス分析部のデータがあれば、無駄に希釈しすぎたり、希釈不足により除害装置に不具合を発生させたりする、といったことを防ぐことができる。
【００３６】
また、シランガス処理部８に、シランガス精製部８ａを設け、モノシランガスを精製処理し、再利用する場合は、非透過側ガス分析部１３で、流量、モノシラン濃度以外に、回収したモノシラン中の微量不純物をガスクロマトグラフなどにより分析するように構成してもよい。このように構成することで、最適な精製処理の条件を選択したり、不純物が多すぎる場合などは、精製処理せずに除害処理にまわすといった選択も可能になる。この時、ガス分析部の後段に除害部と再利用のラインを切り替えるバルブを設置することが好ましい。
【００３７】
また、半導体製造装置の運転条件、特に流量や圧力が大きく変動する場合や、運転条件の異なる複数の半導体製造装置の排ガスをまとめて処理する場合などは、図２に示すように、圧縮機９およびガス収容部１０、流量制御部１１を設け、膜分離部４に供給される混合ガスの流量を一定に制御することが好ましい。
【００３８】
圧縮機９としては、特に限定されないが、ダイヤフラム式圧縮機、遠心圧縮機、軸流圧縮機、レシプロ圧縮機、ツインスクリュー圧縮機、シングルスクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、ロータリー圧縮機等があげられるが、中でもダイヤフラム式圧縮機がより好ましい。
【００３９】
圧縮機９の運転条件としては、特に限定されないが、圧縮後の混合ガスの温度がモノシランの分解温度である２００℃以下となるように運転するのが好ましい。つまり、ポンプ部２から排出された混合ガスを常圧から圧縮すると考えると、圧縮比４．４以下で圧縮機を運転することが望ましい。
【００４０】
圧縮機９に使用される圧縮機の構成に関しては、特に限定されないが、圧縮機に供給される混合ガスの流量が変動した場合でも圧縮機を安定して運転するために、インバーターを併設した構成、あるいは、圧縮機で一旦圧縮した混合ガスを再度圧縮機のサクション側に戻すスピルバック方式の構成を有することが好ましい。
【００４１】
ガス収容部１０は、半導体製造装置１からポンプ部２を通して排出される混合ガスの流量や圧力が不安定な場合や、複数の半導体製造装置１からの排出ガスをまとめて処理する場合において、十分な容量のタンク等に集めることで、各々の半導体製造装置１から排出される混合ガスの流量、圧力変動を平均化し、膜分離部４に常に一定流量、圧力の混合ガスを流通させるためのものである。また、構造を工夫することで、混合ガスに含まれる微粒子を除去する機能を付与することも可能である。
【００４２】
ガス収容部１０に使用されるタンクのサイズは、特に限定されないが、１台の半導体製造装置の場合は、その装置の最大流量、複数台の半導体製造装置をまとめて処理する場合は、各々の半導体製造装置に供給するガスの最大流量の合計値以上にすることが望ましい。
【００４３】
ガス収容部１０に使用されるタンク内の圧力は、特に限定されないが、最大で１ＭＰａＧにすることが望ましい。
【００４４】
また、装置の運転開始時には、ガス収容部１０の出口バルブを閉じた状態で、排ガスを圧縮機９からガス収容部１０に供給し、ガス収容部１０に蓄圧することが好ましい。これにより、半導体製造装置の排ガス流量が大きく変動した際にも、分離装置への供給流量を一定に保つための十分な圧力を維持することが可能になると共に、ガス収容部１０に収容できるガス量を増加することができるため、ガス収容部の容積を小さくすることができる。さらには、十分な圧力を蓄圧すれば、膜分離装置の非透過側圧力を高く設定できるため、透過側圧力との差圧を十分取ることができ、運転上も有利になる。
【００４５】
流量制御部１１は、混合ガスの流量を、一定に制御するためのものである。その制御方法に関して特に限定されないが、流量制御部１１に供給される混合ガスの圧力変動の影響を受けないものが望ましく、例えば、マスフローコントローラーなどが挙げられる。
【００４６】
本実施の形態では、前述した水素回収率取得手段によって算出される水素回収率をモニターすることで、膜分離装置４ｂの劣化状態を把握することができる。したがって、水素回収率の低下にともない、膜分離装置４ｂの透過側圧力や、膜分離装置４ｂに供給する混合ガスの温度を下記の式（２）、式（３）に従い制御することで、常に高い水素回収率を維持した運転が可能になる。
【００４７】
なお、制御の方法としては、式（２）または式（３）のみを満たす制御、式（２）および式（３）のいずれも満たす制御が取り得る。また、この制御にしたがって運転することにより水素回収率６０％以上かつ透過側ガスのモノシラン濃度１．０％以下を達成することができる。
【００４８】
ΔＰ＝Ｃ１×ΔＡ、Ｃ１≧０．５・・・式（２）
ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＰは、膜分離装置４ｂの透過側圧力からの圧力減少幅（ｋＰａ）をそれぞれ表す。
【００４９】
ΔＴ＝Ｃ２×ΔＡ、Ｃ２≧０．８・・・式（３）
ここで、ΔＡは水素回収率の減少幅（％）、ΔＴは、混合ガスの温度上昇幅（℃）をそれぞれ表す。
【００５０】
なお、上述の制御は、図３に示す演算制御部３０を用いて実行される。また、演算制御部３０は、制御する混合ガスの流量、混合ガス分析部３における混合ガス中の水素およびモノシラン濃度の測定結果および膜分離装置の容量を元に、混合ガスの流量を流量制御部１１によって制御することができる。
【００５１】
さらに、演算制御部３０は、流量制御部１１での混合ガス流量値、混合ガス分析部３での混合ガス中の水素およびモノシラン濃度の測定結果、透過側ガス分析部６での透過側ガス流量および透過側ガス中の水素およびモノシラン濃度測の測定結果に基づいて、水素回収率を算出することができる。
【００５２】
演算制御部３０では、この算出された水素回収率の減少幅に対して、膜分離装置４ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置４ｂの非透過側圧力、透過側圧力を制御することができる。
【００５３】
さらに、演算制御部３０は、透過側ガス分析部６での透過側ガス流量および透過側ガス中の水素およびモノシラン濃度の測定結果に基づいて、水素ガス精製部の運転条件や回収した水素ガスを再利用するかどうかの判定を行うことができる。演算制御部３０は、回収した水素ガスを再利用しないと判定した場合には、水素ガス処理部７の希釈部７ｂでの希釈率を、モノシラン濃度が許容濃度（５ｐｐｍｖ以下）になるように制御することもできる。
【００５４】
さらに、演算制御部３０は、非透過側ガス分析部１３での非透過側ガス流量および非透過側ガス中の水素およびモノシラン濃度の測定結果に基づいて、モノシラン精製部の運転条件や、回収したモノシランを再利用するかどうかの判定を行うことができる。演算制御部３０は、回収したモノシランを再利用しないと判定した場合には、シランガス処理部８の希釈部８ｂでの希釈率を、モノシラン濃度が除害装置の許容濃度（例えば２ｖｏｌ％程度）以下になるように制御することもできる。
【００５５】
以上説明した実施の形態に係る排ガス処理システムによれば、少なくとも水素およびモノシランを含む混合ガスを、膜分離装置４ｂを用いて分離することにより、除害の必要なモノシランと除害の不必要な水素とが分離される。分離後の水素とモノシランとは、水素ガス処理部７とシランガス処理部８とでそれぞれ別に処理されるため、処理設備の規模を小さくでき、ひいては排ガス処理システムをコンパクトにすることができる。
【００５６】
また、複数の半導体製造装置、例えば太陽電池に用いられる薄膜シリコンを成膜するための複数のプラズマＣＶＤ装置から排出される排ガスを効率よく処理することができる。また、膜分離装置の劣化に伴う混合ガスの分離性能の低下を、適切な運転条件を選択することで抑制し、長期間にわたって、高い分離性能を維持することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００５８】
図４は、実施例に係る排ガス処理システムの構成を示した系統図である。図４に示すように、上述の実施の形態に係る排ガス処理システムを半導体製造装置１の一つである薄膜シリコン太陽電池製造用ＣＶＤ装置３台に接続した。排ガス処理システム１００は、複数のＰＥ−ＣＶＤ装置１４から排出された混合ガスを、外部から導入された窒素とともにそれぞれの装置に対応したドライポンプ１５ａで吸引し、フィルタ１６を介し、圧縮機１７に向けて送出する。なお、ドライポンプ１５ａの後には切替バルブ（図示せず）を設置してもよい。これにより、ケミカルクリーニングの排ガスが出てくる際には、支燃系ガス処理系に切替えることで、そのような排ガスがシラン系ガスの処理ラインに混入することが防止される。
【００５９】
圧縮機１７としては圧縮比４で運転できるものを選定した。蓄圧用バルブ３２を閉止した状態で、ドライポンプ１５ａのパージ窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎの流量で流して、気密タンク１８（容量：５ｍ３）の圧力を０．３ＭＰａＧまで昇圧した。その後、蓄圧用バルブ３２を開け、マスフローコントローラー１９へのガス供給を開始すると共に、それぞれのＰＥ−ＣＶＤ装置１４を４分ずつずらして運転を開始した。マスフローコントローラー１９でガス流量を制御して、熱交換機２１で所定温度に調整した後、膜分離装置２３（ポリイミド中空糸膜）に供給した。この際、透過側背圧弁２５ａで透過側圧力を所定圧力になるように調整した。また、非透過側背圧弁２５ｂでは圧力が常圧になるように調整した。また、ＰＥ−ＣＶＤ装置の運転開始後に、ドライポンプ１５ａのパージ窒素量は所定の流量に調整した。
【００６０】
分析装置２０ａは、混合ガス中の水素およびモノシラン濃度を測定するものであり、ガスセルを備えたＦＴ−ＩＲ装置およびオンラインのガスクロマトグラフ（ＧＣ）装置からなる。マスフローコントローラー１９によって流量や圧力が所定の値に制御された混合ガスは、分析装置２０ａによって水素およびモノシランの濃度が測定される。その後、混合ガスは、熱交換機２１と循環恒温槽２２の働きにより温度が制御され、膜分離装置２３に流入する。膜分離装置２３の透過側および非透過側の後段にはそれぞれ流量計２４ａ、２４ｂが設けられている。
【００６１】
図４に示す排ガス処理システムにおいて、膜分離装置２３の透過側の分離ガスは、流量計２４ａ、分析装置２０ｂを通過して水素およびモノシランの流量および濃度が測定される。透過側の分離ガスは、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、ドライポンプ１５ｂによって大気に放出される。一方、膜分離装置２３の非透過側の分離ガスは、流量計２４ｂ、分析装置２０ｃを通過してモノシランの流量および濃度が検出された後、燃焼除害装置２６により燃焼され除害される。燃焼除害装置２６により燃焼されて排出されるガスは、燃焼の際に発生した粉体等の異物がバグフィルタ２７により除去され、ブロア２８によって大気に放出される。
【００６２】
図４に示すような構成の排ガス処理システムを薄膜シリコン太陽電池用ＣＶＤ装置に接続し、流量、モノシラン濃度をいくつかのパターンで運転を継続しながら、水素ガス回収率の経時変化をモニターした。水素ガス回収率の変化に対して、温度制御部の温度、膜分離装置の透過側圧力を変化させ、水素回収率の推移を測定した。結果を図５〜図８に示す。
【００６３】
図５乃至図１０は、圧力調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。図５および図６はポンプのパージ窒素を導入しない条件で、圧力調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。図７乃至図１０はポンプのパージ窒素を１０ＭＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。比較のため、図５、図７、図９には、式（２）を満たす場合（Ｃ１＝１．０）の運転結果を、図６、図８、図１０には、式（２）を満たさない場合（Ｃ１＝０．１）の運転結果が示されている。実験の初期条件は表１の通りである。図５、図６に示す運転結果は、表１に示す圧力変化実験（１）の各条件で運転した場合のものである。図７、図８に示す運転結果は、表１に示す圧力変化実験（２）の各条件で運転した場合のものである。図９、図１０に示す運転結果は、表１に示す圧力変化実験（３）の各条件で運転した場合のものである。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
表２乃至表４には、使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をまとめた結果を示す。表２の結果は、図５（Ｃ１＝１．０）および図６（Ｃ１＝０．１）に示されている。表３の結果は、図７（Ｃ１＝１．０）および図８（Ｃ１＝０．１）に示されている。表４の結果は、図９（Ｃ１＝１．０）および図１０（Ｃ１＝０．１）に示されている。なお、使用年数（換算値）は、加速試験における運転時間を実年数に換算した値である。加速劣化試験は、供給混合ガス総流量を実試験の５０倍量とし、供給されるモノシランガス濃度及び供給される窒素ガス濃度は一定として試験を実施した。加速劣化試験の方法は、表２乃至表４に併せて追記した。実施例に係る排ガス処理システムでは、水素ガス回収率が１０％前後低下する毎に透過側圧力が、Ｃ１＝１．０の場合は１０ｋＰａ程度、Ｃ１＝０．１の場合は１ｋＰａ程度、減少するように制御される。これらの結果より、式（２）を満たして排ガス処理システムを運転することで、高い水素回収率を維持したまま長期間の運転が可能であることがわかる。なお、好ましくは、Ｃ１の値は０．５以上であるとよい。
【００６６】
【表２】
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【００６７】
【表３】
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【００６８】
【表４】
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【００６９】
図１１乃至図１６は、温度調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。図１１および図１２はポンプのパージ窒素を導入しない条件で、圧力調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。図１３乃至図１６はポンプのパージ窒素を１０ＭＬ／ｍｉｎ導入した条件で、圧力調整を実施して運転した場合における水素回収率の変動を示すグラフである。比較のため、図１１、図１３、図１５には、式（３）を満たす場合（Ｃ２＝１．０）の運転結果を、図１２、図１４、図１６には、式（３）を満たさない場合（Ｃ２＝０．２５）の運転結果が示されている。実験の初期条件は表１の通りである。図１１、図１２に示す運転結果は、表１に示す温度変化実験（１）の各条件で運転した場合のものである。図１３、図１４に示す運転結果は、表１に示す温度変化実験（２）の各条件で運転した場合のものである。図１５、図１６に示す運転結果は、表１に示す温度変化実験（３）の各条件で運転した場合のものである。
【００７０】
表５乃至表７には、使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をまとめた結果を示す。表５の結果は、図１１（Ｃ２＝１．０）および図１２（Ｃ２＝０．２５）に示されている。表６の結果は、図１３（Ｃ２＝１．０）および図１４（Ｃ２＝０．２５）に示されている。表７の結果は、図１５（Ｃ２＝１．０）および図１６（Ｃ２＝０．２５）に示されている。なお、使用年数（換算値）は、加速試験における運転時間を実年数に換算した値である。加速劣化試験は、供給混合ガス総流量を実試験の５０倍量とし、供給されるモノシランガス濃度及び供給される窒素ガス濃度は一定として試験を実施した。加速劣化試験の方法は、表５乃至表７に併せて追記した。実施例に係る排ガス処理システムでは、水素ガス回収率が１０％前後低下する毎に運転温度（混合ガスの温度）が、Ｃ２＝１．０の場合は１０℃程度、Ｃ２＝０．２５の場合は２．５℃程度、増加するように制御される。これらの結果より式（３）を満たして排ガス処理システムを運転することで、高い水素回収率を維持したまま長期間の運転が可能であることがわかる。なお、好ましくは、Ｃ２の値は０．８以上であるとよい。
【００７１】
【表５】
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【００７２】
【表６】
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【００７３】
【表７】
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【符号の説明】
【００７４】
１  半導体製造装置、  ２  ポンプ部、  ２ａ  フィルタ、  ２ｂ  ポンプ、  ２ｃ  切替バルブ、  ３  混合ガス分析部、  ４  膜分離部、  ４ａ  温度制御部、  ４ｂ  膜分離装置、  ５  透過側圧力制御部、  ６  透過側ガス分析部、  ７  水素ガス処理部、  ７ａ  水素ガス精製部、  ７ｂ  希釈部、  ７ｃ  ブロア、  ８  シランガス処理部、  ８ａ  シランガス精製部、  ８ｂ  希釈部、  ８ｃ  除害部、  ８ｄ  ブロア、  ９  圧縮機、  １０  ガス収容部、  １１  流量制御部、  １２  非透過側圧力制御部、  １３  非透過側ガス分析部、  １４  ＰＥ−ＣＶＤ装置、  １５ａ，１５ｂ  ドライポンプ、  １６  フィルタ、  １７  圧縮機、  １８  気密タンク、  １９  マスフローコントローラー、  ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  分析装置、  ２１  熱交換機、  ２２  循環恒温槽、  ２３  膜分離装置、  ２４ａ，２４ｂ  流量計、  ２５ａ，２５ｂ  背圧弁、  ２６  燃焼除害装置、  ２７  バグフィルタ、  ２８  ブロア、３０  演算制御部、  １００  排ガス処理システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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