JP4733779B1 - ガス処理装置及びガス処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】除害の副産物であるＨＦが水に溶けることによって、アノード電極が腐食され、電極の寿命が短くなることを防止したガス処理装置及びガス処理システムを提供する。
【解決手段】水供給管６１より分岐された中性のＨ₂Ｏは給水孔５９ａ、給水孔５９ｂ、給水孔５９ｃを通りアノード電極２５内部に形成された中央通水溝５７ａ、内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃに対し供給される。中央通水溝５７ａ、内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃのそれぞれの容積を超えた分のＨ₂Ｏがアノード電極２５の上面より溢れ出る。このとき、内側貯留槽４２に水没されているアノード電極２５の上面には中性のＨ₂Ｏのバリアが形成される。従って、アノード電極２５の上面付近ではＨＦの濃度が薄まり、アノード電極２５がＨＦに晒され難くなる。
【選択図】図３

Description

本発明はガス処理装置及びガス処理システムに係わり、特に除害の副産物であるＨＦ（フッ化水素）が水に溶けることによって、アノード電極が腐食され、電極の寿命が短くなることを防止したガス処理装置及びガス処理システムに関する。

半導体素子の製造工程では、化学気相反応を利用して成膜するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理やエッチング処理等が行われ、プロセスチャンバにおいて各種のガスが使用されている。

そして、このプロセスチャンバから化学気相反応等を経て発生する排ガスは、有害なＣＦ₄（フロン１４）やＣ₄Ｆ₈（フロン３１８）などのＰＦＣガス（パーフロロカーボン：地球温暖化ガス）が含まれている。このＰＦＣガスは極めて安定なため、分解されずに大気中に放出されると環境に対して害が大きい。

このため、図７に示すように、プロセスチャンバ１には、この有害な排ガスを除去するべく真空引きのためにターボ分子ポンプ３及びドライポンプ５が直列に接続されている。そして、ドライポンプ５で運転開始時にある程度真空引きした後に、更にターボ分子ポンプ３で必要な低圧にまで真空引きするように構成されている。但し、ＣＶＤ処理等の場合にターボ分子ポンプ３が省略された形で構成されることもある。

ドライポンプ５から出力された有害な排ガスは、除害装置７を通りセントラルスクラバー９に至るようになっている。このとき、排ガスは、セントラルスクラバー９により多少の減圧をされつつ除害装置７内に誘導される。そして、除害装置７では、例えば、プラズマによりＰＦＣガスを無害なＣＯ₂やＨＦ（フッ化水素）に分解するようになっている。その後、発生したＨＦはＨ₂Ｏ（水）に溶かされた（以下、ＨＦ水という）上で外部に排出される。

このように、プラズマ処理の工程でＰＦＣガスを酸化によりＣＯ₂やＨＦに分解する例が特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特開２００３−１１７３４４号公報 特許第４１０７９５９号公報

ところで、除害処理をプラズマで構成した場合、プラズマ生成のための電極の一端であるアノード電極は、ＨＦを効率良くＨ₂Ｏに溶かすため、水中に水没された形で運転される。このとき、ＨＦ水を媒体として、アノード電極が一種の電気分解により腐食され、その結果として、電極の寿命が短くなるおそれがあった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、除害の副産物であるＨＦが水に溶けることによって、アノード電極が腐食され、電極の寿命が短くなることを防止したガス処理装置及びガス処理システムを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）のガス処理装置は、ガスが導入されるガス管路と、第１の液体が貯留される貯留槽と、前記第１の液体内に配置された第１の電極と、該第１の電極に第２の液体を供給する液体供給装置と、前記第１の電極に対峙して配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に、所要の電圧を発生させる電源装置とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極間にプラズマを発生させることで前記ガスを処理するガス処理装置であって、前記第１の電極の前記第２の電極に対峙する面に、前記第２の液体が溢出する給水孔を有する環状の溝を少なくとも一つ形成し、前記第２の液体を該溝から溢出させることで、前記第１の電極と前記第１の液体の間に前記第２の液体のバリアが形成されることを特徴とする。

第１の液体及び第２の液体は異ならせてもよいが、同じ例えばＨ₂Ｏとされてもよい。そして、プラズマにより有害なガスであるＰＦＣガスを無害なＣＯ₂やＨＦ等に分解する。その後、発生したＨＦ等はＨ₂Ｏ（水）等の第２の液体に溶かされた形で外部に排出される。第２の液体を溝から溢出させることで第１の電極と第１の液体の間に第２の液体のバリアを形成する。

従って、第１の電極の上面付近では第２の液体中のＨＦ等の濃度が薄まり、第１の電極がＨＦ等に晒され難くなる。その結果、第２の液体で電極の周りが保護された形になり電極の寿命が延びる。また、円筒状の溝の外側が腐食により削られた場合には、この削られた部分には溢れた第２の液体が余計に流れるようになる。このことにより、この削られた部分付近では第２の液体のバリアが厚く形成されることになり、腐食の進みを遅らせることができるようになる。

一方、溝から外周側へ溢れ出る第２の液体の量が増えていくと、溝から内周側へ溢れ出る第２の液体の量が減ることになり、溝より内周側での腐食が始まっていく。このように、溝より外周側の電極がＨＦ等によって腐食され始めると、腐食により中心部に流れる第２の液体が少なく（外側に流れる第２の液体が多く）なり、今度は中心部が腐食されていくというような作用が順次繰り返されることになる。このため、電極の腐食は少しずつ進行するようになる。従来のように一部分だけが極端に早く形状劣化するということはなくなる。

また、本発明のガス処理装置は、前記第１の電極の腐食により削られた部分の変形の度合いに応じて、該腐食部分に対し余計に前記第２の液体が流れることを特徴とされてもよい。
更に、本発明のガス処理装置は、該腐食部分の変形の度合いによらず、ほぼ一定の流量で前記第２の液体が流れるように調整されてもよい。

各給水孔の直径を大きく設定して管路抵抗を小さくすることで、腐食により劣化した部分には十分な第２の液体の量を供給し第１の電極の劣化部分の上面には第２の液体のより一層厚いバリアを形成したり、環境如何によっては、逆に各給水孔の直径を小さく設定して管路抵抗を大きくすることで腐食部分の変形の度合いによらずほぼ一定の流量で第２の液体が流れるように調整し電極の劣化を防止する。このことにより、ＨＦ等の濃度を確実に薄めることができるため、アノード電極が腐食され難くなり、電極の寿命が延びる。

更に、本発明（請求項２）のガス処理システムは、請求項１記載のガス処理装置に、該ガス処理装置の制御を行うコントローラを備えたことを特徴とする。

更に、本発明（請求項３）のガス処理システムは、請求項１記載のガス処理装置の上流側に配設され、プロセスチャンバ内のガスを該ガス処理装置へ排気するための真空ポンプと、該真空ポンプと前記ガス処理装置の間に配設された第１の水スクラバーと、前記ガス処理装置の下流側に配設された第２の水スクラバーと、前記第１の水スクラバーの制御、前記第２の水スクラバーの制御、前記ガス処理装置の制御、第１の液体の制御、プラズマの制御のいずれか少なくとも一つの制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とする。

真空ポンプはターボ分子ポンプ及びドライポンプ等である。但し、ターボ分子ポンプは省略されてもよい。

ガス処理装置の上流側に第１の水スクラバーを設けたことで、ＳｉＯ₂（シリカ）の発生要因となるＳｉＦ₄（四フッ化ケイ素）を除去することができる。また、ガス処理装置の下流側に第２の水スクラバーを設けたことで、ガス処理装置内でＨ₂Ｏに吸収されずに残ったＨＦを除去することができる。

コントローラで、第１の水スクラバーの制御、第２の水スクラバーの制御、ガス処理装置の制御をまとめて行えるのでコンパクトに構成できる。

以上説明したように本発明（請求項１）によれば、電極の上部に少なくとも一つの円筒状の溝を備え、第２の液体をこの溝から溢出させることで第１の電極と第１の液体の間に第２の液体のバリアが形成されるように構成したので、第１の電極の上面付近では有害なガスであるＰＦＣガスを分解することで生成されるＨＦ等の第２の液体中の濃度が薄まり、第１の電極がＨＦ等に晒され難くなる。

その結果、第２の液体のバリアで電極の周りが保護された形になり電極の寿命が延びる。また、従来のように一部分だけが極端に早く形状劣化するということはなくなる。

本発明の実施形態である除害装置の縦断面図 図１中のＡ−Ａ矢視断面図 アノード電極の縦断面図 電極が腐食されていく様子を示す図（腐食の初期） 電極が腐食されていく様子を示す図（腐食の過程） 除害システムの構成図 従来の除害システムの構成図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態である除害装置の縦断面図を図１に、また、図１中のＡ−Ａ矢視断面図を図２に示す。図１及び図２の除害装置１７において、外周が円筒状のケース２１のケース底面２１ａからは絶縁体からなる円筒状のパイプ２３が立設されている。パイプ２３の径はプラズマの通り易い大きさに設定されている。

そして、このケース底面２１ａの中心にはアノード電極２５が取り付けられている。
一方、ケース上面２１ｂには、このアノード電極２５に対峙してカソード電極２７が取り付けられている。そして、パイプ２３の高さは、パイプ２３の上端がカソード電極２７の下端よりも下方となるように形成されている。

ケース上面２１ｂには、この除害装置１７の上流側に配設されたドライポンプ５から排出された排ガスが導入される管路２９が取り付けられている。一方、ケース２１のケース側壁２１ｃには給水管３１が接続されている。図２に示すように、ケース側壁２１ｃとパイプ２３の間には円筒状の外側貯留槽４０が形成され、給水管３１から導入されたＨ₂Ｏが一時貯留されるようになっている。

Ｈ₂Ｏは、パイプ２３の上端を堰として少しずつ溢れ出て表面張力により膜状にパイプ２３の内側を伝って自然落下するようになっている。パイプ２３の内側には内側貯留槽４２が形成され、その下部にはこの自然落下したＨ₂Ｏが一時溜まるようになっている。アノード電極２５は、内側貯留槽４２の水面下に水没した状態になっている。

この一時溜められたＨ₂Ｏにはプラズマ処理の結果生成されたＨＦが溶け、その後、図示しない排水管により外部に排水されるようになっている。給水管３１の高さはパイプ２３の高さよりも低く形成されている。図示しない高電圧源によりカソード電極２７とアノード電極２５の間にはプラズマが発生されるようになっている。

図３にアノード電極２５の縦断面図を示す。アノード電極２５の中央部には円柱状の溝である中央通水溝５７ａが設けられ、給水孔５９ａと接続されている。また、この中央通水溝５７ａの周囲には環状突設部５３ａを隔てて円筒状の溝である内側環状通水溝５７ｂが設けられ、この内側環状通水溝５７ｂは給水孔５９ｂと接続されている。

そして、更にこの内側環状通水溝５７ｂの周囲には環状突設部５３ｂを隔てて円筒状の溝である外側環状通水溝５７ｃが設けられ、この外側環状通水溝５７ｃは給水孔５９ｃと接続されている。そして、外側環状通水溝５７ｃの外周には環状突設部５３ｃが形成されている。各溝は同心円状に配置された形になっている。給水孔５９ａ、給水孔５９ｂ、給水孔５９ｃは水供給管６１より分岐されている。
水供給管６１には図示しない液体供給装置が接続されている。

なお、給水孔５９ｂ、給水孔５９ｃは図３中には下方から上方に向けた形で溝に対し給水孔が接続されているように記載しているが、実際には環状に水流を旋回させるため水平方向で、かつ円筒状の溝に対し接線方向に給水孔が接続されるのが望ましい。

次に、本発明の実施形態の作用を説明する。
かかる構成によれば、セントラルスクラバー９により多少の減圧をされることで、ＰＦＣガスを含む排ガスが管路２９を通じて除害装置１７内に誘導される。

給水管３１より、ケース側壁２１ｃとパイプ２３の間に形成された円筒状の外側貯留槽４０にＨ₂Ｏが給水される。

このとき、Ｈ₂Ｏは外側貯留槽４０内に少しずつ増えていくので、増えた分ずつパイプ２３を堰として溢れ、その後、パイプ２３の内側を伝ってほぼ均一に自然落下する。

パイプ２３の内側を伝って流れるＨ₂Ｏに含まれている空気又はＯ₂は、内側貯留槽４２に至るまでの過程で徐々に外部に飛散する。このとき、プラズマの周囲にプラズマの流れと並行した水膜４１が形成されているため、広範囲に亙ってプラズマと水膜４１から飛散した空気又はＯ₂とが接触可能である。
このとき、プラズマの雰囲気中ではＰＦＣガスの酸化が促進される。
このプラズマと水膜４１との間でのＰＦＣガスを酸化可能な領域が反応部となる。

プラズマによりラジカル化されたＣ，Ｆ，Ｈの各成分にはＨ₂Ｏに含まれている空気又はＯ₂により十分なだけのＯ₂が供給される。この酸化促進の結果、ＰＦＣガスを含む排ガスは無害なＣＯ₂やＨＦに分解される。そして、生成されたＨＦはＨ₂Ｏに溶かされた形で排水管より外部に排水される。

除害装置１７で用いられるプラズマは常圧プラズマであるため、除害装置の設置が容易である。
水供給管６１より分岐された中性のＨ₂Ｏは給水孔５９ａ、給水孔５９ｂ、給水孔５９ｃを通りアノード電極２５内部に形成された中央通水溝５７ａ、内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃに対し供給される。

内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃに対しては、水平方向で、かつ円筒状の溝に対し接線方向にＨ₂Ｏが侵入するため溝内を環状方向に旋回しつつ流れ、中央通水溝５７ａ、内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃのそれぞれの容積を超えた分のＨ₂Ｏがアノード電極２５の上面より溢れ出る。

外側環状通水溝５７ｃより溢れ出た水流の方向を図３中に矢印イ、ロで示したが、矢印イ、ロの長さを等しく記載しているのは、このときの外側環状通水溝５７ｃより外側に溢れ出た水量と内側に溢れ出た水量とがほぼ等量であることを示している。この点は他の溝についても同様で内側と外側とに等量ずつ溢れ出ている。

このことにより、内側貯留槽４２に水没されているアノード電極２５の上面には中性のＨ₂Ｏのバリアが形成される。従って、アノード電極２５の上面付近ではＨＦの濃度が薄まり、アノード電極２５がＨＦに晒され難くなる。その結果、中性のＨ₂Ｏで電極の周りが保護された形になり腐食され難く電極の寿命が延びる。
このようなＨ₂Ｏのバリアにより、腐食に対する一定の効果が得られるが、更に以下に述べる作用が加わることで腐食に対し一層顕著な効果を得ることができる。

電極のＨＦ水による腐食は一般的には図４に示すように電極端である環状突設部５３ｃ側から始まる。即ち、腐食により環状突設部５３ｃの上端部が一部削られる。削られた部分を図４中にハッチングで示す。この際には外周よりの方がより多く削られる傾向にある。

このため、この削られた部分には外側環状通水溝５７ｃから溢れたＨ₂Ｏが余計に流れるようになる（この外側に向けた水流は図４中に矢印ハで示すが、矢印ハの長さを内側に向けた水流である矢印ニの長さよりも長く示し水量の多いことを示している）。このことにより、この環状突設部５３ｃの剥離のあった上端部付近ではＨ₂Ｏのバリアが以前より厚く形成されることになり、腐食の進みを遅らせることができるようになる。

一方、図５に示すように、更に環状突設部５３ｃの上端部の腐食が進み剥離が進んだ結果、外側への水の量（矢印ホ）が更に増えていくと、内側への水の量が減り、環状突設部５３ｂの側での腐食が始まっていく。削られた部分を図５中にハッチングで示す。

このように、外周側の電極がＨＦによって腐食され始めると、腐食により中心部に流れる水が少なく（外側に流れる水が多く）なり、今度は中心部が腐食されていくというような作用が順次繰り返されることになる。このため、電極の腐食は少しずつ進行するようになる。従来のように一部分だけが極端に早く形状劣化するということはなくなる。

また、給水孔５９ａ、給水孔５９ｂ、給水孔５９ｃは、アノード電極２５の腐食により削られた部分の変形の度合いが大きい程、この程度に応じてこの部分に対して余計にＨ₂Ｏが流れるように、直径または数が調整されている。

即ち、各給水配管の直径を大きく設定して管路抵抗を小さくすることで、腐食により劣化した部分にはより十分な水量を供給し、アノード電極２５のこの劣化部分の上面にはＨ₂Ｏのより一層厚いバリアを形成できるようになる。
このことにより、ＨＦの濃度をより一層薄めることができるため、アノード電極が腐食され難くなり、電極の寿命が延びる。
または各給水配管の数を増やすことで、同様の効果を奏する。

なお、本実施形態ではＨ₂ＯにＨＦが溶け込んだとして説明したが、使用する液体をＨ₂Ｏ以外に選択した場合や処理すべき排ガスの種類が変わった場合、あるいは、Ｈ₂Ｏに対し溶け込んだＨＦの量如何によっては、腐食部分の変形の度合いによらずほぼ一定の流量でＨ₂Ｏ若しくは液体が流れるように調整されてもよい。この場合には、各給水配管の直径を小さく設定して管路抵抗を大きくすることでこの目的を達成することが出来る。

また、本実施形態では、溝として中央通水溝５７ａ、内側環状通水溝５７ｂ及び外側環状通水溝５７ｃの３つが形成されているとして説明したが、中央通水溝５７ａを省略し、環状の通水溝のみで形成することも可能である。環状の通水溝の数は少なくとも一つ形成すればよく、３つ以上形成されてよい。

次に、排ガス中にＳｉＦ₄（四フッ化ケイ素）が含まれている場合の処理、及びＨＦの更なる除去について説明する。
プロセスチャンバ１においてシリコン母材のウェハーがエッチングされるような場合には、ＳｉＦ₄が生成されることがある。この場合、このＳｉＦ₄が排ガスに含まれて管路２９を通じて除害装置１７内に誘導される。
このＳｉＦ₄はＨ₂Ｏとの反応性がよく、特に除害装置１７の内側貯留槽４２の上部付近でＨ₂Ｏと反応し数１のようにＳｉＯ₂（シリカ）を生成する。

このＳｉＯ₂はパイプ２３の内側に付着物として堆積してしまう。この場合、除害装置１７の処理に支障が生じるため、ＳｉＯ₂を除去する作業が必要となってくる。

そこで、かかる弊害を回避するため、図６のシステム構成図に示すように、除害装置１７の前段に第１の水スクラバー７１を設け、ＳｉＯ₂の要因となるＳｉＦ₄を除去する。コントローラ７５は、第１の水スクラバー７１におけるスクラバー水の制御等を行っている。例えば、図示しないバルブのオンオフ制御を行うことで第１の水スクラバー７１へのスクラバー水の導入のタイミングを制御している。

また、スクラバー水の流量は図示しないレギュレータで設定自在であり、かつスクラバー水の流量は第１の水スクラバー７１内に配設された図示しない流量センサで検出された後、コントローラ７５において表示されるようになっている。これにより、パイプ２３の内側にＳｉＯ₂が堆積することを効率よく防止できる。

また、数２に示す通り、除害装置１７でＣＦ₄を処理した際に発生するＨＦは、一部は前述のようにＨ₂Ｏに吸収される。しかしながら、ＨＦはあまり水溶性がよくないため、内側貯留槽４２の貯留水に吸収されずに残ってしまうものがある。これらＨ₂Ｏに吸収されなかったＨＦを除害装置１７の後段に配設した第２の水スクラバー７３で除去する。

ここで、コントローラ７５は、第２の水スクラバー７３に対してもスクラバー水の制御を行っているが、第１の水スクラバー７１におけるスクラバー水の制御と同様なので説明を省略する。

コントローラ７５は、また、除害装置１７に対し以下の制御を行っている。即ち、管路２９への排ガスの導入を制御するため、図示しないバルブのオンオフ制御を行っている。また、管路２９に並列接続された図示しないバイパス管路への切替制御も行っている。

更に、コントローラ７５は、カソード電極２７とアノード電極２５の間に流すプラズマの着火のタイミングと電圧の制御を行うようになっている。

また、このコントローラ７５は、給水管３１の途中に配設された図示しないバルブのオンオフ制御を行うことでＨ₂Ｏの導入のタイミングを制御するようになっている。また、Ｈ₂Ｏの流量は図示しないレギュレータで設定自在であり、かつＨ₂Ｏの流量は給水管３１に配設された図示しない流量センサで検出された後、コントローラ７５において表示されるようになっている。ここで、コントローラ７５を１つのコントローラとして記載したが、第１の水スクラバー７１、第２の水スクラバー７３、除害装置１７等のコントローラをそれぞれ別個に設けても良い。

なお、図６に記載の真空ポンプ７７はターボ分子ポンプ及びドライポンプを含めた形で記載している。先述した通り、この内、ターボ分子ポンプはＣＶＤ処理等では省略されることもある。

１７ 除害装置
２５ アノード電極
２７ カソード電極
２９ 管路
４２ 内側貯留槽
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ 環状突設部
５７ａ 中央通水溝
５７ｂ 内側環状通水溝
５７ｃ 外側環状通水溝
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ 給水孔
６１ 水供給管
７１ 第１の水スクラバー
７３ 第２の水スクラバー
７５ コントローラ

Claims (3)

1. ガスが導入されるガス管路と、
   第１の液体が貯留される貯留槽と、
   前記第１の液体内に配置された第１の電極と、
   該第１の電極に第２の液体を供給する液体供給装置と、
   前記第１の電極に対峙して配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極間に、所要の電圧を発生させる電源装置とを備え、
   前記第１の電極と前記第２の電極間にプラズマを発生させることで前記ガスを処理するガス処理装置であって、
   前記第１の電極の前記第２の電極に対峙する面に、前記第２の液体が溢出する給水孔を有する環状の溝を少なくとも一つ形成し、前記第２の液体を該溝から溢出させることで、前記第１の電極と前記第１の液体の間に前記第２の液体のバリアが形成されることを特徴とするガス処理装置。
2. 請求項１記載のガス処理装置に、該ガス処理装置の制御を行うコントローラを備えたことを特徴とするガス処理装置。
3. 請求項１記載のガス処理装置の上流側に配設され、プロセスチャンバ内のガスを該ガス処理装置へ排気するための真空ポンプと、
   該真空ポンプと前記ガス処理装置の間に配設された第１の水スクラバーと、
   前記ガス処理装置の下流側に配設された第２の水スクラバーと、
   前記第１の水スクラバーの制御、前記第２の水スクラバーの制御、前記ガス処理装置の制御、第１の液体の制御、プラズマの制御のいずれか少なくとも一つの制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とするガス処理システム。

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