(57)【要約】      本発明は、充填剤を用いてガスを処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種半導体材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、無害化剤により無害化するためのガス処理装置を提供する。ガス処理筒１内の流路６に、無害化剤層３を設け、この無害化剤層３の上流側の面および下流側の面にそれぞれ接するように、円環状の邪魔板７を、その外縁部が流路６の壁面に接するように設ける。邪魔板７の幅は、充填剤の外径ｄｉとガス処理筒１の内径Ｄとの関係が５ｄｉ≦０．０９Ｄの時は、充填剤の外径の５倍以上であってガス処理筒１の内径の９％以下とし、５ｄｉ＞０．０９Ｄの時は、ガス処理筒１の内径の２％以上であって９％以下とすることが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス処理筒内に充填剤を積層した充填剤層が設けられ、この充填剤層にガスを通過させるガス処理装置であって、
この充填剤層の上流側の面または下流側の面の少なくとも１面に、円環状の邪魔板が設けられていることを特徴とするガス処理装置。
【請求項２】
前記充填剤層の上流側の面と下流側の面の両面に、円環状の邪魔板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記円環状の邪魔板の幅を、充填剤の外径ｄｉと前記ガス処理筒の内径Ｄとの関係が５ｄｉ≦０．０９Ｄの時は、充填剤の外径の５倍以上であってガス処理筒の内径の９％以下とし、５ｄｉ＞０．０９Ｄの時は、前記ガス処理筒の内径の２％以上であって９％以下とすることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
【請求項４】
前記充填剤が、排ガス中の有害成分を除去するための無害化剤であることを特徴とする請求項１〜３に記載のガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充填剤を用いてガスを処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種半導体材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、無害化剤を用いて無害化するためのガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスに含まれる特定の成分を除去する場合は、その成分と親和性のある充填剤又は化学反応する充填剤等を充填した装置にガスを通過させて、この成分と充填剤とを相互作用させてガス中より該成分を除去する方法が採られる。
一例を挙げると、種々の半導体製造工程で生じる排ガスを無害化する場合がこれにあたり、シラン等の半導体材料ガスを使用する装置、半導体製造装置から排出される排ガス中には、原料として用いた未反応の半導体材料ガスや反応生成物等が含まれている。これらの半導体材料ガスや反応生成物の多くは、人体に対して極めて有害であることから、排ガス処理装置を用いて無害化してから大気に放出している。【０００３】
このような排ガス処理装置の一例として、乾式の排ガス処理装置が知られている。この乾式の排ガス処理装置は、固体の無害化剤を充填したガス処理筒内に有害物質を含む排ガスを流入させ、有害物質と無害化剤との化学的あるいは物理的な親和力等によって有害物質を除去あるいは無毒化して排ガスの無害化を行っている。【０００４】
前記排ガス処理装置のように、無害化剤などの粒子状の充填剤をガス処理筒に充填した充填剤層においては、ガス処理筒の壁面の存在により、充填剤層内の空隙率が均一にならないことが「壁効果」として知られている。壁面近傍領域では、充填剤の粒子が点接触に近い状態で存在するため、空隙率は１に近くなり、壁面から離れた領域の空隙率よりも高くなる。また、粒子配置に幾何的な制約が生じるため、その影響を受けて空隙率が変動する。これら壁効果の空隙率への影響は、壁面から充填剤粒子径の５倍程度までの領域に及ぶ。図２は、球形の充填剤粒子を円筒形状のガス処理筒に充填した場合の、空隙率分布の例を示すものである。【０００５】
一般的に、充填剤層内をガスが流れる時は、充填剤層内の各部において、ガスは圧力損失が等しくなるように、その流量が配分される。ガスの圧力損失は、充填剤層内の空隙率が高い場所あるいは充填剤層の厚みが薄い場所では小さくなる。例えば、充填剤層の厚みがどこも同じであれば、壁効果により空隙率が高くなっている壁面近傍では、ガスの圧力損失が他の領域のガスの圧力損失よりも小さくなる。すると、壁面近傍のガスの圧力損失が他の領域のガスの圧力損失と等しくなるように、壁面近傍のガスの流量が増加する。
すなわち、充填剤層内の壁面近傍の領域では、壁効果により他の領域よりもガスの流量が増加して、ガスの偏流が生じる。【０００６】
壁面近傍では空隙率が大きいため、充填剤の密度が他の領域よりも低下している。前記のガスの偏流の効果と相まって、壁面近傍の充填剤層では、他の領域の充填剤層よりも選択的に早期破過が起こる。そのため、例えば無害化剤のような消費型の充填剤の場合、不均一な消費が生じてしまい充填剤層の寿命が短くなる。
文献情報に基いて求めた充填剤層の空隙率の分布から、壁面近傍の無害化剤の寿命は、中心部の無害化剤と比べて７５％程度と推定された。（例えば、非特許文献１参照。）【０００７】
ガス処理装置において、壁面効果の生じる壁面近傍領域の割合は、装置内部の排ガスが流れる流路、すなわち、ガス処理筒の内径と充填剤の外径の比（流路の内径／充填剤の外径）が大きくなるほど小さくなり、その比が大きいほど、壁面近傍領域の早期破過によって流出する不純物濃度の上昇は小さくなる。一般に壁効果が無視できると言われている「流路の内径／充填剤の外径」の値は１００以上である。【０００８】
早期破過を回避するための偏流の低減法として、例えば、半球シート内張り法が提案されている。（例えば、非特許文献２参照。）これは、充填剤を充填する部分の装置の内壁に、充填剤粒子と同一の外径を持つ半球状の粒子を千鳥状配列したシートを内張りする方法である。
【非特許文献１】Ｗａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｌａｍｉｎａｒ  Ｆｌｏｗ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｐａｃｋｅｄ  Ｂｅｄｓ，  ＡＩＣｈＥ  Ｊ．，２７，７０５，（１９８１）
【非特許文献２】秋山友宏ら，充填層プロセスにおけるチャネリング現象,まてりあ，第３５巻，第４号（１９９６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体製造装置の排ガス処理装置の場合、対象ガスによっては、有害物質の出口濃度を１ｐｐｍ以下にすることが求められる。そのため、早期破過の問題は深刻であった。しかし、排ガス処理装置に、上記のシートを張る方法を適用した場合、反応による不規則な温度上昇がある環境下で、長期間に渡りシートを内壁に密着させた状態を保たなければならない。したがって、この方法を半導体製造装置の排ガス処理装置に適用することは、安全性・コストの面から困難であった。したがって、排ガス処理装置における壁面近傍領域の偏流を低減する方法に関して、新たな技術の開発が望まれていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガスを充填剤を用いて処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種半導体材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、無害化剤を用いて無害化処理するための排ガス処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、ガス処理筒内に充填剤を積層した充填剤層が設けられ、この充填剤層にガスを通過させるガス処理装置であって、この充填剤層の上流側の面または下流側の面の少なくとも１面に、円環状の邪魔板が設けられていることを特徴とするガス処理装置である。【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記充填剤層の上流側の面と下流側の面の両面に、円環状の邪魔板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置である。【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記円環状の邪魔板の幅を、充填剤の外径ｄｉとガス処理筒の内径Ｄとの関係が５ｄｉ≦０．０９Ｄの時は、充填剤の外径の５倍以上であってガス処理筒の内径の９％以下とし、５ｄｉ＞０．０９Ｄの時は、ガス処理筒の内径の２％以上であって９％以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載のガス処理装置である。【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記充填剤が、排ガス中の有害成分を除去するための無害化剤であることを特徴とする請求項１〜３に記載のガス処理装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のガス処理装置によれば、邪魔板の設置という簡便な方法でガスの流量を制御することで、充填剤層の壁面近傍領域におけるガスの偏流を低減でき、該領域の充填剤層における早期破過を回避することができる。このようなガス流量の制御は、充填剤の寿命を延長し、ガス処理装置の性能を向上できる。
また、邪魔板の幅を適正に選定することで、ガスの偏流をより効果的に抑制でき、充填剤の寿命をより長く延長することで、ガス処理装置の性能をさらに向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の排ガス処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】円筒形状のガス処理筒に球形の充填剤を充填した場合の壁面近傍の空隙率分布を表すグラフである。
【図３】本発明での無害化剤層中におけるガスの流れを示す流線図である。
【符号の説明】
【００１６】
１・・・ガス処理筒、  ２・・・上部側ガス配管、  ３・・・無害化剤層、  ４・・・支持板、  ５・・・下流側ガス配管、  ６・・・流路、  ７・・・邪魔板
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、有害物質を含む排ガスを無害化するための排ガス処理装置を例に採り、本発明を詳しく説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の排ガス処理装置の一例を示すものである。符号１は、排ガス処理装置の主要部であるガス処理筒を示し、その概観は概略筒体であって、ガス処理筒内部には、ガスが流れる流路６が形成されている。ガス処理筒１の一端には、上流側ガス配管２が接続され、ガス処理筒１の他端には、下流側ガス配管５が接続されており、上流側ガス配管２から流入したガスは、ガス処理筒１内の流路６を通過して、下流側ガス配管５へ流入し、外部へ放出されるようになっている。【００１８】
ガス処理筒１内部の下流側には、充填した無害化剤を支持するための支持板４が、その外縁部が流路６の壁面に接する形で、流路６を二つの空間に仕切るように設けられている。この支持板４は、パンチングメタル上に金属ネットを点溶接したものであり、流路６の中心軸に対して垂直となるようにされている。
流路６に流入したガスは、支持板４の隙間を通過して、下流側ガス配管５へ流入できるようにされている。
支持板４の上には、充填剤として無害化剤が充填された、無害化剤層３が設けられており、この無害化剤層３の上流側の面および下流側の面は、流路６の中心軸に対して垂直となるようにされている。したがって、無害化剤層３の厚みは、どこでも同じとなっている。【００１９】
流路６の壁面には、前記無害化剤層３の上流側の面および下流側の面にそれぞれ接するように、円環状の邪魔板７が一つずつ設けられている。この邪魔板７は、幅がどこも同じに形成されており、その外縁が流路６の壁面に接する形で設けられており、上流側に設けられているものと下流側に設けられているものは同じものである。
下流側の邪魔板７は、支持板４の下に重ねて設けられているが、この順番は逆でも良く、支持板４を下流側の邪魔板７の下に重ねて設けても良い。
あるいは、下流側の邪魔板７と支持板４とを一体にしたものを設けても良い。【００２０】
この例では、邪魔板７を無害化剤層３の上流側の面および下流側の面の両方にそれぞれ設けたものを示しているが、下流側の面だけに設けたものでも良い。【００２１】
無害化剤層３の上流側入口においてガスの流速が早くなり過ぎたりせず、壁面近傍領域をガスが適切に通過できるように、邪魔板７の幅の最適値を検討した。
文献「Ｋｌｅｒ，Ｓ．Ｃ．；Ｌａｖｉｎ，Ｊ．Ｔ．，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｇａｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ｌａｒｇｅ  ｓｈａｌｌｏｗ  ｐａｃｋｅｄ  ａｄｓｏｒｂｅｒｓ，Ｇａｓ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，１，５５−６１（１９８７）」には、壁効果を考慮した充填剤層中のガス流れを解析する手法が記載されている。
この文献のガス流れの解析手法を基に、邪魔板を設置した条件を加味したモデルを作成し、無害化剤層３内におけるガスの流れのシミュレーションを行った。
その結果、邪魔板７の幅を以下のようにすることにより、壁近傍領域における偏流が効果的に抑制できることがわかった。
無害化剤の外径ｄｉと無害化剤層３を形成するガス処理筒の内径Ｄとの関係が５ｄｉ≦０．０９Ｄの時は、無害化剤の外径の５倍以上であってガス処理筒の内径の９％以下とするのが良い。５ｄｉ＞０．０９Ｄの時は、ガス処理筒の内径の２％以上であって９％以下とすることが好ましい。
ここで外径とは、無害化剤が球形の場合は直径である。無害化剤がペレット状の場合は、その直径をａ、長さをｂとした場合の相当直径であって、ｄｉ＝（２ａｂ）／（ａ＋ｂ）で表されものである。【００２２】
このように構成された本発明のガス処理装置は、以下のように作用する。
有害物質を含むガスは、上流側ガス配管２から流路６内へ流入すると、流路６内の上流側壁面近傍においては、上流側に設置された邪魔板７に遮られ、直ちに無害化剤層３の中に流入せず、図１の矢印に示すように、この邪魔板７の上面を避けるようにして、無害化剤層３の中に流入する。【００２３】
同様に、無害化剤層３の中を通過中のガスは、無害化剤層３内の壁面近傍においては、下流側に設置された邪魔板７に遮られ、直ちに流路６へ流出せず、図１の矢印に示すように、この邪魔板７の上面を避けるようにして、流路６内の下流側へ流出する。【００２４】
無害化剤層３の内部に流入したガスは、無害化剤層３内の各空隙部において、圧力損失が等しくなるように流量が配分される。この時、空隙率が大きい領域では、圧力損失が小さくなる。もし邪魔板７が設けられていないと、無害化剤層３内では、中心軸付近の領域より空隙率の大きい壁面近傍領域において、圧力損失が中心軸付近の領域と等しくなるまでガスの流量が増加し、偏流が発生する。【００２５】
邪魔板７を設けることで、無害化剤層３内の壁面近傍領域の急激なガスの流入および流出を防止でき、空隙率の高い無害化剤層３内の壁面近傍領域におけるガスの流量を低減して、偏流の発生を低減することができる。【００２６】
また、図１で矢印に示すように、流路６の上流側から無害化剤層３の中心軸付近へ流入したガスは、真っ直ぐ無害化剤層３内を通過し、流路６の下流側へ流出する。これに対して、上流側の邪魔板７の内縁に沿って無害化剤層３内へ流入したガスの一部は、壁面近傍を通り、下流側の邪魔板７の内縁に沿って、無害化剤層３から流路６内の下流側へ流出する。このように無害化剤層３内の壁面近傍を通過するガスは、その無害化剤層３内での通過距離が、無害化剤層３の中心軸付近の領域を通過するガスよりも長くなるため、流れにくくなり、無害化剤層３内の壁面近傍領域において、ガスの流量を低減して、偏流の発生を低減することができる。
以上の効果により、無害化剤層３内の壁面近傍領域における早期破過を緩和できる。【００２７】
無害化剤層３に流入したガスは、無害化剤層３を通過中に、有害成分が除去あるいは無毒化されて、下流側ガス配管５を経て外部へ放出される。
用いる無害化剤は、除去する有害物質の種類に応じて、適宜選択すれば良い。【００２８】
シミュレーションにより算出された無害化剤層３内のガスの平均流速と無害化剤層３に流入させるガスの速度との比が、ガス処理筒１の内径に対する邪魔板７の幅の比率ｃとどのような関係にあるかを示したものが表１のデータである。邪魔板７の幅を大きくするにしたがってガスの平均流速が早くなることから、邪魔板７の幅を適正に選定する必要があることが判る。【００２９】
【表１】
2006104039.tif 000002
【００３０】
次に、下記の条件下で無害化剤層３内のガスの流れをシミュレーションした結果を示す。
ガス処理筒１の内径を１ｍ、無害化剤層３の厚みを１ｍ、無害化剤層３の空隙率を０．５、無害化剤粒子の外径を３ｍｍ、邪魔板７の幅を７０ｍｍとして、窒素ガスを０．０２ｍ／ｓの速度で無害化剤層３に流入させた場合の、無害化剤層３内のガスの流線図を、断面図として図３に示す。なお、求めたガスの流線図は、断面で左右対称であるため、図３は、右側半分のみを示している。
図３から判るように、無害化剤層３内の壁面近傍領域においては、中心軸部分よりもガスの通過距離が長くなっており、また、ガスの流れに乱れは生じていない。【００３１】
本発明のガス処理装置は、各種充填剤を用いて種々の排ガスを処理することができるが、特に、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種半導体材料ガスのような有害物質を含む排ガスで、その排出基準が厳しい排ガスを処理することに適したものである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のガス処理装置は、無害化剤の早期破過を防止できるため、各種排ガス、特に、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等の排出基準が厳しい排ガスを無害化することに適したものである。無害化剤ではなく、各種の充填剤を用いたガス処理に対し、安価かつ簡便に施工できるため、上記分野にとどまらず、幅広い産業分野に有用なものである。
【図１】
2006104039.tif 000003
【図２】
2006104039.tif 000004
【図３】
2006104039.tif 000005
【国際調査報告】
2006104039.tif 000006
2006104039.tif 000007
2006104039.tif 000008
2006104039.tif 000009