(57)【要約】【課題】半導体排ガスの燃焼処理装置において、簡単で低コストな構造により装置内部に付着した凝集粒子群を高効率で剥離除去しシリカの付着を防止する。【解決手段】燃焼炉３は処理ガスが十分に混合するように絞り部３１を設け、加振装置３４により、直接燃焼炉３を揺らすのではなく内筒３ａを加振するようにした。内筒上部のベローズ３３により効果的な加振ができるようにした。さらに、シリカ粉が炉内部壁に付着するのをできるだけ阻止するため、内筒３ａの壁面から炉内へ向けて不活性ガス等の流体が染み出す構成とした。シリカ粉粒子は付着しにくい構造であるが、長時間運転の場合は次第に付着成長するので、定期的にこの粒子付着内筒を加振して付着粒子を除去するようにしたものである。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造プロセスの排ガスに含まれるモノシランを燃焼分解する金属製内筒を内部に有し、該内筒は燃焼部の後流に筒径が絞られた絞り部を有する構造であることを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記内筒は、燃焼部の前流にベローズ構造を有することを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記内筒は、筒壁が多孔板であることを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記内筒は振動可能に構成され、振動によって内筒内に付着したシリカ粉を剥離除去することを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記内筒を加振する電磁式もしくは空気式のインパクタを設置したことを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記インパクタは、前記内筒を有する外筒の外周方向の複数箇所に配置されていることを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載のモノシラン燃焼処理装置において、前記複数箇所に配置したインパクタの動作タイミングに、時間差を持たせたことを特徴とするモノシラン燃焼処理装置。
【請求項８】
半導体製造プロセスの排ガスに含まれるモノシランを燃焼する燃焼炉を備え、該燃焼炉に、請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のモノシラン燃焼処理装置を用いたことを特徴とする半導体排ガス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモノシラン燃焼処理装置および半導体排ガス処理システムに係り、特に、半導体製造プロセスで生じる排ガス（フロン（ＰＦＣ：Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、　パーフルオロコンパウンズ）およびモノシラン（ＳｉＨ４　）を含むガス）中に含まれるモノシランを、高温場において高効率で酸化させるモノシラン燃焼処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスから排出される排ガスには、フロンの他にもモノシランなどの有害な成分があり、燃焼炉内ではフロンを分解するとともに、モノシランなどの有害ガスも分解しなければならない。
【０００３】
燃焼分解後のガス中には、フロンガス分解で生成する弗化水素ＨＦとモノシランガス分解で生成するシリカ粉が共存することもある。従来の燃焼式排ガス処理装置では、９００℃〜１２００℃の高温の燃焼炉内で分解するものが一般的である（中には２０００℃の超高温式もある）。
【０００４】
その代表的システムでは、半導体排ガスを燃焼炉で燃焼分解し、その後流で冷却する。冷却部ではモノシランの分解で生成したシリカ粉末およびフロンガス分解で生成した弗化水素ＨＦの部分的な捕集除去も行われる。
【０００５】
さらにシリカ粉の捕集をサイクロンスクレーパ方式の集塵装置で行い、最終的には吸収塔で弗化水素ＨＦを完全除去し、ＨＦは酸化水として吸収され、有害成分を含まない処理ガスとして排気される。
【０００６】
高温場におけるモノシランガス（ＳｉＨ４　）の酸化反応式（１）は、
ＳｉＨ４　＋Ｏ２　　→ＳｉＯ２　　＋２Ｈ２Ｏ　　−−−−−−（１）
である。
【０００７】
モノシランガスは、ＣＶＤ装置の中で式（１）の反応により、ＳｉＯ２　の薄膜をシリコンウエハに形成させる。そして余剰のＳｉＨ４　は酸化されてＳｉＯ２　の状態になるか、ＳｉＨ４　のガスのまま、Ｃ２Ｆ６　などの洗浄ガスによって系外へ排出される。
【０００８】
半導体排ガス処理システムは、これらのガスおよび粉を同時に分解除去するのが目的であり、この装置においては、これらのガスのうち、特にモノシランガスを安全に燃焼分解し、酸化反応で生成したシリカ粉（ＳｉＯ２　）を安定に系外へ排出することが必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このシリカ粉の生成量は著しく、２００Ｌ／ｍｉｎの排ガス処理装置においても、Ｓｉ０２　の生成量は、３００ｇ／ｈになることもある。この粉は、気相で生成した細粒で、その粒子径はサブミクロンと細かいことから、気流に乗りやすく、またガスのよどみ領域には蓄積されやすい性質を有する。
【００１０】
モノシラン燃焼炉の内部は、このモノシラン濃度が最も高い領域であり、燃焼式排ガス処理装置においても、燃焼炉壁へのシリカ粉の堆積や付着問題が深刻であり、これらの現象によってガス流れが閉塞して連続運転できないトラブルが続出している。
【００１１】
この具体的な対応策としては、機械的に削ぎ落とすスクレーパ方式と、水スプレー方式があるが、いずれの方式もシリカの堆積を防止する方法としてあまり効果が無いのが現状である。
【００１２】
例えば、多孔質の燃焼管を使用して、外周から気体燃料と酸化剤（空気でも良い）とを予め混合して管内へ流入させ、管内表面にて火炎を形成させる方法は、スクレーパや、水スプレーと比較すると、管表面をガスが通過することから、原理的に粉が付着し難いと言えるが、実際は、管全域にわたり管内外差圧を一定に制御するのが難しく、粉の付着による差圧の偏差が発生して、さらなる粉の付着現象を誘引することになる。
【００１３】
結果的に、既存の方法では、粉の付着防止と除去を効果的に実施することはできない。これらの対策を行った場合においても、装置の点検が最長でも２週間に１回の頻度で必要になるというメンテナンス上の問題もある。
【００１４】
本発明の課題は、半導体排ガスの燃焼処理装置において、簡単かつ低コストな構造で、しかも装置内部に付着した凝集粒子群を高効率で剥離除去し、従来困難であったシリカの付着を防止することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のモノシラン燃焼処理装置は、半導体製造プロセスの排ガスに含まれるモノシランを燃焼分解する金属製内筒を内部に有し、該内筒は燃焼部の後流に筒径が絞られた絞り部を有する構造であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、燃焼部の出口部が絞られているので、処理ガスが十分に混合される。また、前記内筒は、燃焼部の前流にベローズ構造を有することにより、内筒を十分に振動させることができる。また、前記内筒は、筒壁が多孔板であるので、Ｎ２　ガス等の不活性ガスを内筒内に流出させることにより、筒壁にシリカ粉末が堆積するのを防止できる。
【００１７】
また、前記内筒は振動可能に構成され、振動によって内筒内に付着したシリカ粉を剥離除去することにより、極めて効率的にシリカ粉を除去できる。また、前記内筒を加振する電磁式もしくは空気式のインパクタを、例えば、前記内筒を有する外筒の外周方向の複数箇所に配置し、インパクタの動作タイミングに、時間差を持たせることにより、シリカ粉堆積防止効果が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の概要は、半導体製造プロセスから発生する排ガスを燃焼し、排ガス中に含まれるモノシランを燃焼分解処理するものである。そのために、排ガス燃焼炉３に加振装置３４を設置し、直接燃焼炉を揺らすのではなく、内筒３ａを加振するようにした（図２参照）。
【００１９】
また、基本的には、排ガス燃焼により生成するシリカ粉が、燃焼炉内筒壁に付着するのをできるだけ阻止するために、内筒壁面を多孔板で製作し、炉内へ向けて流体（不活性ガス）が染み出す構成とした。シリカ粒子は内壁への付着確率が低く、付着しにくい構造ではあるが、長時間運転の場合には次第に付着成長するので、定期的にもしくは随時に、シリカ粒子付着内筒を加振して付着粒子を剥離させ除去するようにしたものである。
【００２０】
以下、本発明になる半導体排ガス処理システムの一実施形態の全体構成を、図１を参照して説明する。モノシランなど半導体製造プロセスから排出されるガスは、複数の流路（少なくとも４以上）を経て、図１に示すモノシラン燃焼処理装置（燃焼炉）へ導入される。ここでは４本の排ガス処理配管が接続された場合を示す。これら複数の流路を通過するガス濃度は変動しているが、搬送ガス（キャリアガス）は、一定量供給される。
【００２１】
導入管１から導入された排ガスは、燃焼炉３でモノシランは酸化分解され、ＳｉＯ２　が気相で析出することになる。反応温度は最低でも３５０℃が必要とされることから、雰囲気温度の制御用に、バーナ２が設置される。さらに、モノシランを酸化するための空気（もしくは酸素）をバーナ用空気に加えて投入することになる。
【００２２】
この燃焼炉３では、モノシランの他にもＰＦＣ（フロン）も燃焼分解することを目的としている。燃焼炉の後流においては、燃焼ガスの冷却と、気相で生成したＳｉＯ２　（シリカ）の粒子の除去の目的で、スプレノズル５から冷却水を空塔部（冷却部４）へ噴射する構成とした。
【００２３】
冷却水は、その接触効率を考慮して、噴射するので余分な液はバッファタンク６へ回収されることになる。ここでは、液面を一定に制御する必要があることから、一定時間が経過すると、バッファタンク内部の水を全量系外へ排出する。
【００２４】
このため、当該設備においては、排水ポンプ１２を設けている。そして、液面レベルが低下した場合には外部からフレッシュな水を供給する。これらの動作は、タンク内部に設けたレベル計１１によって監視しながら行う。
【００２５】
さて、燃焼後の排ガスは、冷却された後、シリカの粒子と、ＰＦＣを分解した後のＨＦ（フッ化水素）とを含んでいることから、これらの捕集と吸収を目的として、充填層１０を有する吸収塔７を設けている。ここでＨＦとシリカ粉の除去を行った後、さらに微粒のシリカ粉をバグフィルタ８で除去する。ただし、ここでは、シリカ粉は、ほとんど残留していないことから、半導体製造ライン側の要求によっては、バグフィルタが不要な場合もある。
【００２６】
図２は、図１で示した全体図システムのうち、燃焼炉３の構造で、本発明部分である。炉頂部分に設けたバーナ２は、気体燃料を用いた予混合バーナである。モノシランが酸化反応する場合は、バーナ２からの未燃焼ガスと接触混合するのは望ましくなく、燃焼後の高温ガスとの混合が望ましい。なぜならば、モノシランは酸化反応速度が極めて大きく、炭化水素等と高温で反応して、複雑な反応生成物が副生する。
【００２７】
ＳｉＯ２　の純粋な粉であれば水に分散しやすく、排水処理が容易であるが、有機物が結合すると、疎水性となることが分かっており、回収が難しいだけでなく、粉が白色でないことから、有価物としての価値が少なくなる欠点を有する。
【００２８】
バーナ２の詳細構造を図３に示す。図の（ａ）は構成図、（ｂ）は詳細図である。バーナ中心部には、火炎検知器１４を設けて失火時には燃料を遮断する。ガス燃料１７と燃焼用空気１６は、バーナ内部で混合し、イグナイタ１８で着火して、火炎形成する予混合バーナ構造である。火炎は保炎部１９で安定着火する。モノシランを含む半導体排ガスは、導入管１を経てノズル２１からバーナ中心部に向けて噴射混合する。この際、モノシランの燃焼に必要な空気は、シリカ燃焼用空気１５として炉内へ投入する。
【００２９】
ここで、図２で示した燃焼炉全体の構成について説明する。モノシランは排ガス供給ライン（導入管１）から炉内へ供給され、高温の燃焼排ガスと混合し酸化してＳｉＯ２　の気相析出型の粉となる。ＳｉＯ２　酸化に必要な空気と温度条件は揃っているが、炉内の混合が十分とはいえないので、ＳｉＯ等の未反応ガスが排出される可能性もある。
【００３０】
この対策として、燃焼炉３の内筒３ａの燃焼部３５の後流に絞り部３１を設けて、炉内でのガスの混合を促進する。さらに内筒３ａに金属性の多孔板を採用して、外周から炉内へ燃焼用空気もしくは不活性ガスが流入する構成とした。
【００３１】
内筒は網構造ではなく、機械強度が保たれる構造体であることが必要である。したがって、導入口３２から不活性ガス等の流体が炉内へ導入されるが、壁への粒子付着を完全に阻止することは期待できない。このための対策として内筒を外部から加振できる構造とした。
【００３２】
すなわち、内筒３ａは、その上部にベローズ、すなわちエキスパンション３３（蛇腹）部分を設けており、円筒部分は丈夫であるが、容易に半径方向に変位できる構造体とした。具体的な加振装置としては、図中に示したノッカ（インパクタ）３４が望ましく。その駆動源は、電気もしくは圧縮性の流体（空気もしくは、窒素）とする。また、ノッカ３４を焼却炉外周の複数箇所に配置し、その動作タイミングに時間差を持たせると効率がよい。
【００３３】
加振によるシリカ粉の除去効果について図４に示す。この図は、燃焼炉部分に付着したシリカ粉が原因で、当該燃焼炉部分の圧力の経時変化を示している。モノシランを燃焼すると、シリカ粉が燃焼炉の内壁に付着成長することから、ガスの流路が狭まり、ガス流速が早くなるとともに、この部分における圧力損失が増大して、結果的に火炉の絶対圧力が増加する。したがって、火炉の絶対圧の経時変化から、粉の付着状態を推察することができる。
【００３４】
この図では、数値は示していないが、時間と共に火炉圧力が増加する傾向があることが分かる。圧縮空気のノズルを炉内へ挿入して定期的に噴射した場合と、本発明になるノッカによる加振で払い落とした場合の効果の差を評価してみた。
【００３５】
いずれの場合も、払い落としを行った時刻に圧力の低下現象が見られるも、エアの場合は、十分なる低減効果が期待できないことが分かる。一方、ノッカの場合には、払い落としで火炉圧が低下して、その後、炉圧の増加現象が見られるものの、さらに払い落とし操作で前回の圧力に回復することが分かる。
【００３６】
上述のとおり、本実施形態によれば、燃焼炉内筒に振動を与え、重力によって内筒に付着した凝集粒子群を剥離除去するものであることから、簡単な構造とすることが可能であり、装置の故障を少なくできる。また内筒はシール空気で常に冷却されていることから、１０００℃を超える領域は存在せず、比較的安価な材質で装置構成が可能となる点も効果として上げられる。以上により、従来困難であったシリカの付着防止が可能となった。その結果、モノシラン燃焼処理装置の連続運転可能時間が、従来の２週間から２月までに延長できた。
【００３７】
ここで、半導体排ガス処理システムの一参考例を図５示す。半導体排ガスは排ガス入口４１から燃焼炉４２に導入され燃焼分解する。その後流には燃焼ガスを冷却する冷却部４３があり、そこではモノシランの分解で生成したシリカ粉末およびフロンガス分解で生成した弗化水素ＨＦの部分的な捕集除去も行われる。
【００３８】
さらにシリカ粉の捕集をサイクロンスクレーパ方式の集塵装置４４で行い、最終的には吸収塔４５で弗化水素ＨＦを完全除去し、有害成分を含まないガスは処理ガス出口４７から排気される。ＨＦを吸収した酸化水は出口４６から排水される。
【００３９】
図６にモノシラン燃焼部分におけるシリカ粉の付着防止構造例を示す。この例では、内周壁４９が多孔板となっている燃焼管を使用して、外周から気体燃料と、酸化剤（空気でも良い）を予混合燃料ガス４８として管内へ流入させ、管内表面にて、火炎を形成させる構造となっている。
【００４０】
これは、スクレーパや、水スプレーと比較すると、管表面をガスが通過することから、原理的に粉が付着し難いと言えるが、実際は、管全域にわたり、管内外差圧を一定に制御するのが難しく、粉の付着による、差圧の偏差が発生して、さらなる粉の付着現象を誘引することになる。
【００４１】
【発明の効果】
前述のとおり本発明によれば、半導体排ガスの燃焼処理装置において、簡単かつ低コストな構造で、しかも装置内部に付着した凝集粒子群を高効率で剥離除去し、従来困難であったシリカの付着を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる半導体排ガス処理システムの一実施形態の構成図。
【図２】本発明におけるモノシラン高効率燃焼炉の構造図。
【図３】燃焼炉バーナ部の一例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は詳細図。
【図４】燃焼炉内部の圧力の経時変化を示す図。
【図５】燃焼式半導体排ガス処理システムの一参考例の構成図。
【図６】図５の燃焼炉部分の構造図。
【符号の説明】
１　処理ガス導入管
２　バーナ
３　燃焼炉
３ａ　燃焼炉内筒
４　冷却部
５　スプレノズル
１５　ＳｉＨ４　燃焼用空気
１６　燃焼用空気
１７　ガス燃料
１８　イグナイタ
１９　保炎部
２０　火炎
２１　処理ガス導入ノズル
３１　絞り部
３２　不活性ガス導入口
３３　エキスパンション
３４　ノッカ（加振機）
３５　内筒内燃焼部
【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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