排ガス処理システム
【課題】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技術を提供する。
【解決手段】排ガス処理システム１００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。この排ガス処理システム１００は、半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプ部２と、ポンプ部２により排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機１１と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部３と、ガス収容部３から供給された混合ガスの流量を制御する流量制御部４と、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６と、を備える。これにより、半導体製造装置１から排出された混合ガスの圧力変動を緩和し、安定して排ガス処理システムを運転することができる。
【解決手段】排ガス処理システム１００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。この排ガス処理システム１００は、半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプ部２と、ポンプ部２により排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機１１と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部３と、ガス収容部３から供給された混合ガスの流量を制御する流量制御部４と、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６と、を備える。これにより、半導体製造装置１から排出された混合ガスの圧力変動を緩和し、安定して排ガス処理システムを運転することができる。
【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。更に、半導体製造装置から排出される排ガスは、半導体製造装置の運転条件により圧力および流量が著しく変化するため、排ガス処理装置を安定して運転することが困難であった。
【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。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た混合ガスを排気するポンプと、ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段に送る圧縮機と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、ガス収容部から供給される混合ガスの流量を制御する流量制御部と、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、を備える。
【０００７】
この態様によると、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、膜分離部にて除害の必要なモノシランと除害の不必要な水素とに分離し、分離後の水素とモノシランとをそれぞれ処理することにより、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。
【発明の効果】
【０００８】
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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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５】非透過側背圧弁により圧力を５０ｋＰａＧになるように調整した以外は実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たして（Ｃ１＝０．５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図６】実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たして（Ｃ２＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果示した図である。
【図７】初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たして（Ｃ３＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図８】比較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９】実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たさずに（Ｃ１＝０．１）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図１０】実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たさずに（Ｃ２＝０．２５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図１１】初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用いた以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たさずに（Ｃ３＝０．２）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１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２は、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。
【００１２】
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、複数の半導体製造装置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を集めて圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から排出された混合ガスを収容するガス収容部３と、ガス収容部３からの混合ガスの流量を制御する流量制御部４と、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部６と、膜分離部６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６によって分離されたシランガスを処理するシランガス処理部８と、を備える。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、後段の圧縮機１１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
圧縮機１１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。
【００１９】
圧縮機１１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。
【００２０】
圧縮機１１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。
【００２１】
ガス収容部３は、複数の半導体製造装置１からポンプ部２を通して排出される混合ガスを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６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。
【００２２】
ガス収容部３に使用されるタンクのサイズは、特に限定されないが、各々の半導体製造装置１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。
【００２３】
ガス収容部３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。
【００２４】
また、装置の運転開始時には、ガス収容部３の出口バルブを閉じた状態で、ポンプのパージガスや排ガスを圧縮機１１からガス収容部３に供給し、ガス収容部３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３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、透過側との差圧を十分取ることができ、運転上も有利になる。
【００２５】
流量制御部４は、ガス収容部３に集められた混合ガスの流量、圧力を、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４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。また、圧力に関しても、圧縮機１１の運転条件を選択することにより、必要な圧力を確保することができる。
【００２６】
膜分離部６は、少なくとも図２に示す膜分離装置６ｂと透過側圧力制御部６ｃおよび／または非透過側圧力制御部６ｄを備える。膜分離装置６ｂ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。
【００２７】
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。
【００２８】
基材に用いられる材料としては、ガラス、セラミック、焼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。
【００２９】
膜分離装置６ｂ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、および膜分離装置６ｂ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６ｂ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】
また、上述した膜分離装置６ｂに供給される混合ガスの温度として室温以外で運転する場合には、図２に示すような温度制御部６ａを設ける必要がある。
【００３２】
温度制御部６ａ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。温度制御部６ａで冷却または加熱された混合ガスは膜分離装置６ｂに供給される。
【００３３】
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、温度としては１０℃〜４０℃、膜分離装置の非透過側圧力としては、大気圧以上、透過側圧力としては、−１００ｋＰａＧ〜−６０ｋＰａＧが望ましい。
【００３４】
膜分離装置６ｂ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、窒素や空気などで、爆発限界以下に希釈した後、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、透過側ガス分析部６ｅ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に、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、図４に示すように、水素ガス精製部７ａを設置し、水素を精製して再利用できるように構成してもよい。
【００３５】
また、シランガス処理部８では、例えば、図２に示すように、毒性ガスであるモノシランは、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、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。
【００３６】
本実施の形態に係る排ガス処理システムでは、図２および図３に示すような各種付帯設備を追加することもできる。
【００３７】
例えば、図２に示すように、流量制御部４で一定流量に制御された混合ガスの成分ガスの濃度、特に、ガス中の水素およびモノシラン濃度を測定するためにガス分析部５を設置することができる。このガス分析部５では、少なくとも、混合ガス中の水素濃度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、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が挙げられる。
【００３８】
また、図２や図３に示すように、混合ガス中のモノシラン濃度を調整するなどのために、ガス分析部５の前後に、第３成分ガス添加部１０を設け、第３成分ガスを、混合ガスに一定量添加してもよい。添加する第３成分ガスとしては、モノシラン等の混合ガス中の成分ガスと急激に反応しないものであれば特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム、キセノン、炭素数１から４の炭化水素ガスなどが挙げられる。第３成分ガス添加部１０を設けた場合は、その前後でガス分析部５を設け、第３成分ガスの添加前後の混合ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することが好ましい。
【００３９】
また、図２に示すように、膜分離部６で分離された各々のガスの流量および成分濃度を測定するために、透過側ガス分析部６ｅ、非透過側ガス分析部６ｆを設けることもできる。例えば、水素ガス処理部７では、膜分離装置６ｂの透過側ガスの流量およびガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することで、回収した水素ガスを大気放出する際の希釈部７ｂでの希釈率を、その測定結果を基に、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ができる。この希釈部７ｂでは、回収した水素を安全に大気放出するために、窒素や空気などを添加し、モノシラン濃度を許容濃度以下、水素濃度を爆発下限界（４ｖｏｌ％以下）にすることができる。
【００４０】
なお、膜分離装置６ｂの透過側から排出される透過側ガスは、透過側ガス分析部６ｅで、流量ならびに、水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。また、透過側圧力制御部６ｃは、膜分離装置６ｂの透過側圧力を制御するためのものである。得られた測定結果と、膜分離装置６ｂに供給される分離前の混合ガスの流量ならびに水素濃度およびモノシラン濃度の測定結果を合わせて、水素ガスの回収率（水素回収率）を算出することもできる。ここで、水素回収率とは、以下に示す式（１）のように定義される。
【００４１】
水素回収率（％） ＝１００×（（Ａ／１００）×Ｂ））／（（Ｃ／１００）×Ｄ）・・・式（１）
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。
【００４２】
この水素回収率をモニターすることで、膜分離装置６ｂの劣化状態を把握することができる。例えば、水素回収率の低下に伴い、膜分離装置６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの非透過側圧力、透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することで、常に高い水素回収率を維持した運転が可能になる。この際、水素回収率の減少率に対して、以下に示す式（２）〜式（４）を満たすように、膜分離装置６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することが好ましい。
【００４３】
ΔＰ＝Ｃ１×ΔＡ、Ｃ１≧０．５・・・式（２）
ここで、ΔＰは透過側の圧力減少分（ｋＰａ）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４４】
ΔＴ＝Ｃ２×ΔＡ、Ｃ２≧０．８・・・式（３）
ここで、ΔＴは温度上昇分（℃）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４５】
ΔＦ＝Ｃ３×ΔＡ、Ｃ３≧０．３・・・式（４）
ここで、ΔＦは第３成分ガス添加量の減少分（Ｌ／ｍｉｎ）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４６】
また、例えば、シランガス処理部８では、膜分離装置６ｂの非透過側ガスの流量ならびにガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することで、回収したモノシランガスを除害部８ｃで無害化する際の希釈部８ｂでの希釈率を、その測定結果を元に、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ができる。
【００４７】
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、ガス分析部５における混合ガス中の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４によって制御することができる。
【００４８】
さらに、演算制御部３０は、流量制御部４での混合ガス流量値、ガス分析部５での混合ガス中のモノシラン濃度の測定結果、透過側ガス分析部６ｅでの透過側ガス流量および透過側ガス中の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。
【００４９】
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６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの非透過側圧力、透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することができる。
【００５０】
さらに、演算制御部３０は、透過側ガス分析部６ｅでの透過側ガス流量ならびに透過側ガス中の水素濃度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７ａ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。
【００５１】
さらに、演算制御部３０は、非透過側ガス分析部６ｆでの非透過側ガス流量ならびに非透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度の測定結果に基づいて、シランガス精製部８ａ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。また、非透過側ガス分析部６ｆの後段に、除害部８ｃへ向かうラインと再利用のために半導体製造装置１へ向かうラインとを切り替えるバルブが設置されているとよい。
【００５２】
上述の排ガス処理システムによれば、半導体製造装置から排出される混合ガスの圧力、流量が変動しても、膜分離部に供給する混合ガスの流量、圧力を一定に保ちつつ、半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプに影響を与えるような背圧をかけることなく、安定した運転が可能となる。
【実施例】
【００５３】
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。
【００５４】
［実施例１］
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は、複数のＰＥ−ＣＶＤ装置１２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１３ａで吸引し、フィルタ１４を介し、圧縮機２６に向けて送出する。なお、ドライポンプ１３ａの後には切替バルブ３３が設置されている。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。
【００５５】
圧縮機２６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、それぞれのポンプのパージ窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎの流量で流して、気密タンク１５（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１６へのガス供給を開始すると共に、それぞれのＰＥ−ＣＶＤ装置１２を４分ずつずらして運転を開始した。それぞれのＰＥ−ＣＶＤ装置１２の運転は、表１に示すような条件で行った。マスフローコントローラー１６でガス流量を１５１．５ＮＬ/ｍｉｎに制御して、熱交換機１８で温度を４０℃に調整した後、膜分離モジュール２０（ポリイミド中空糸膜、容量２．４Ｌ）に供給した。この際、透過側背圧弁２１ａは圧力が−９８ｋＰａＧになるように調整した。また、非透過側背圧弁２１ｂは圧力が０．１ＭＰａＧになるように調整した。この時の圧縮機手前の排ガスの流量、組成を表２に示した。分離された透過側ガスのＳｉＨ４濃度は０．０１９ｖｏｌ％、水素回収率は９０．９％であり、排ガス流量の変動によらず一定であった。
【００５６】
なお、図４に示す流量計２２ａおよび分析装置１７ａは、ＰＥ−ＣＶＤ装置１２から排出された混合ガス中の流量ならびに混合ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定するものである。マスフローコントローラー１６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１７ｂによって水素濃度およびモノシランの濃度が測定された後、熱交換機１８と循環恒温槽１９の働きにより温度が制御され、膜分離モジュール２０に流入する。膜分離モジュール２０の透過側および非透過側の後段にはそれぞれ流量計２２ｂ，２２ｃが設けられている。
【００５７】
図４に示す排ガス処理システムにおいて、膜分離モジュールの透過側のガスは、流量計２２ｂ、分析装置１７ｃを通過して透過側ガスの流量ならびに透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。ドライポンプ１３ｂで吸引された透過側ガスは、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、ブロア２５ａによって大気に放出される。一方、膜分離モジュール２０の非透過側の分離ガスは、流量計２２ｃ、分析装置１７ｄを通過して非透過側ガスの流量ならびに非透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。非透過側ガスは、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、燃焼除害装置２３により燃焼され除害される。燃焼除害装置２３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を除去するため、ブロア２５ｂによってバグフィルタ２４に供された後、ブロア２５ｃによって大気に放出される。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
［実施例２］
膜分離容量が４．８Ｌの膜分離モジュール２０を用い、非透過側背圧弁２１ｂを開放し、非透過側を常圧にし、透過側圧力を−７０ｋＰａに調節し、供給ガスの温度を８０℃にした以外は実施例１と同様に運転を行った。その結果、分離された透過側ガスのＳｉＨ４濃度は０．０５２ｖｏｌ％、水素回収率は６３．３％であり、排ガス流量の変動によらず一定であった。
【００６１】
［実施例３］
図５は、非透過側背圧弁２１ｂにより圧力を５０ｋＰａＧになるように調整した以外は実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たして（Ｃ１＝０．５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。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。この結果より、式（２）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６２】
［実施例４］
図６は、実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たして（Ｃ２＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果示した図である。この結果より、式（３）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６３】
［実施例５］
図７は、初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部１０で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たして（Ｃ３＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（４）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６４】
［比較例１］
図８は、比較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８に示す比較例に係る排ガス処理システムは、圧縮機、気密タンク、蓄圧用バルブ、マスフローコントローラーが設置されていない。このような排ガス処理システムに前述のＣＶＤ装置を接続し、実施例１と同様の条件で運転を行い、変動する排ガスをそのまま膜分離装置に流通した。その結果、分離後の透過側ガスのＳｉＨ４濃度、水素回収率は、排ガス流量の変動に応じ、表３のように変動した。また、透過側ガスのＳｉＨ４濃度が最大で０．０４４ｖｏｌ％まで高くなり、大気放出のための希釈率を実施例１に比べ２．３倍にしなければならなかった。
【００６５】
【表３】
【００６６】
［比較例２］
排ガス処理システムの膜分離容量を１．２Ｌにした以外は比較例１と同様の構成、条件で運転を行った。その結果、表３のように透過側ガスのＳｉＨ４濃度は低減できたが、水素回収率が低くなった。
【００６７】
［比較例３］
図９は、実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たさずに（Ｃ１＝０．１）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（２）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００６８】
［比較例４］
図１０は、実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たさずに（Ｃ２＝０．２５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（３）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００６９】
［比較例５］
図１１は、初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部１０で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たさずに（Ｃ３＝０．２）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（４）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００７０】
本発明は、上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００７１】
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 ガス収容部、 ４ 流量制御部、 ５ ガス分析部、 ６ 膜分離部、 ６ａ 温度制御部、 ６ｂ 膜分離装置、 ６ｃ 透過側圧力制御部、 ６ｄ 非透過側圧力制御部、 ６ｅ 透過側ガス分析部、 ６ｆ 非透過側ガス分析部、 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、 １０ 第３成分ガス添加部、 １１ 圧縮機、 １２ ＰＥ−ＣＶＤ装置、 １３ａ ドライポンプ、 １４ フィルタ、 １５ 気密タンク、 １６ マスフローコントローラー、 １７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ 分析装置、 １８ 熱交換機、 １９ 循環恒温槽、 ２０ 膜分離モジュール、 ２１ａ 透過側背圧弁、 ２１ｂ 非透過側背圧弁、 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 流量計、 ２３ 燃焼除害装置、 ２４ バグフィルタ、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ ブロア、 ２６ 圧縮機、 ３０ 演算制御部、 ３２ 蓄圧用バルブ、 ３３ 切替バルブ、 １００ 排ガス処理システム。
【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。更に、半導体製造装置から排出される排ガスは、半導体製造装置の運転条件により圧力および流量が著しく変化するため、排ガス処理装置を安定して運転することが困難であった。
【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。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た混合ガスを排気するポンプと、ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段に送る圧縮機と、圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、ガス収容部から供給される混合ガスの流量を制御する流量制御部と、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、を備える。
【０００７】
この態様によると、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、膜分離部にて除害の必要なモノシランと除害の不必要な水素とに分離し、分離後の水素とモノシランとをそれぞれ処理することにより、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。
【発明の効果】
【０００８】
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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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５】非透過側背圧弁により圧力を５０ｋＰａＧになるように調整した以外は実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たして（Ｃ１＝０．５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図６】実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たして（Ｃ２＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果示した図である。
【図７】初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たして（Ｃ３＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図８】比較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９】実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たさずに（Ｃ１＝０．１）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図１０】実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たさずに（Ｃ２＝０．２５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【図１１】初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用いた以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たさずに（Ｃ３＝０．２）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１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２は、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。
【００１２】
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、複数の半導体製造装置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を集めて圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から排出された混合ガスを収容するガス収容部３と、ガス収容部３からの混合ガスの流量を制御する流量制御部４と、混合ガスからモノシランと水素を分離する膜分離部６と、膜分離部６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６によって分離されたシランガスを処理するシランガス処理部８と、を備える。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、後段の圧縮機１１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
圧縮機１１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。
【００１９】
圧縮機１１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。
【００２０】
圧縮機１１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。
【００２１】
ガス収容部３は、複数の半導体製造装置１からポンプ部２を通して排出される混合ガスを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６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。
【００２２】
ガス収容部３に使用されるタンクのサイズは、特に限定されないが、各々の半導体製造装置１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。
【００２３】
ガス収容部３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。
【００２４】
また、装置の運転開始時には、ガス収容部３の出口バルブを閉じた状態で、ポンプのパージガスや排ガスを圧縮機１１からガス収容部３に供給し、ガス収容部３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３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、透過側との差圧を十分取ることができ、運転上も有利になる。
【００２５】
流量制御部４は、ガス収容部３に集められた混合ガスの流量、圧力を、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４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。また、圧力に関しても、圧縮機１１の運転条件を選択することにより、必要な圧力を確保することができる。
【００２６】
膜分離部６は、少なくとも図２に示す膜分離装置６ｂと透過側圧力制御部６ｃおよび／または非透過側圧力制御部６ｄを備える。膜分離装置６ｂ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。
【００２７】
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。
【００２８】
基材に用いられる材料としては、ガラス、セラミック、焼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。
【００２９】
膜分離装置６ｂ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、および膜分離装置６ｂ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６ｂ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】
また、上述した膜分離装置６ｂに供給される混合ガスの温度として室温以外で運転する場合には、図２に示すような温度制御部６ａを設ける必要がある。
【００３２】
温度制御部６ａ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。温度制御部６ａで冷却または加熱された混合ガスは膜分離装置６ｂに供給される。
【００３３】
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、温度としては１０℃〜４０℃、膜分離装置の非透過側圧力としては、大気圧以上、透過側圧力としては、−１００ｋＰａＧ〜−６０ｋＰａＧが望ましい。
【００３４】
膜分離装置６ｂ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、窒素や空気などで、爆発限界以下に希釈した後、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、透過側ガス分析部６ｅ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に、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、図４に示すように、水素ガス精製部７ａを設置し、水素を精製して再利用できるように構成してもよい。
【００３５】
また、シランガス処理部８では、例えば、図２に示すように、毒性ガスであるモノシランは、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、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。
【００３６】
本実施の形態に係る排ガス処理システムでは、図２および図３に示すような各種付帯設備を追加することもできる。
【００３７】
例えば、図２に示すように、流量制御部４で一定流量に制御された混合ガスの成分ガスの濃度、特に、ガス中の水素およびモノシラン濃度を測定するためにガス分析部５を設置することができる。このガス分析部５では、少なくとも、混合ガス中の水素濃度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、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が挙げられる。
【００３８】
また、図２や図３に示すように、混合ガス中のモノシラン濃度を調整するなどのために、ガス分析部５の前後に、第３成分ガス添加部１０を設け、第３成分ガスを、混合ガスに一定量添加してもよい。添加する第３成分ガスとしては、モノシラン等の混合ガス中の成分ガスと急激に反応しないものであれば特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム、キセノン、炭素数１から４の炭化水素ガスなどが挙げられる。第３成分ガス添加部１０を設けた場合は、その前後でガス分析部５を設け、第３成分ガスの添加前後の混合ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することが好ましい。
【００３９】
また、図２に示すように、膜分離部６で分離された各々のガスの流量および成分濃度を測定するために、透過側ガス分析部６ｅ、非透過側ガス分析部６ｆを設けることもできる。例えば、水素ガス処理部７では、膜分離装置６ｂの透過側ガスの流量およびガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することで、回収した水素ガスを大気放出する際の希釈部７ｂでの希釈率を、その測定結果を基に、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ができる。この希釈部７ｂでは、回収した水素を安全に大気放出するために、窒素や空気などを添加し、モノシラン濃度を許容濃度以下、水素濃度を爆発下限界（４ｖｏｌ％以下）にすることができる。
【００４０】
なお、膜分離装置６ｂの透過側から排出される透過側ガスは、透過側ガス分析部６ｅで、流量ならびに、水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。また、透過側圧力制御部６ｃは、膜分離装置６ｂの透過側圧力を制御するためのものである。得られた測定結果と、膜分離装置６ｂに供給される分離前の混合ガスの流量ならびに水素濃度およびモノシラン濃度の測定結果を合わせて、水素ガスの回収率（水素回収率）を算出することもできる。ここで、水素回収率とは、以下に示す式（１）のように定義される。
【００４１】
水素回収率（％） ＝１００×（（Ａ／１００）×Ｂ））／（（Ｃ／１００）×Ｄ）・・・式（１）
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。
【００４２】
この水素回収率をモニターすることで、膜分離装置６ｂの劣化状態を把握することができる。例えば、水素回収率の低下に伴い、膜分離装置６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの非透過側圧力、透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することで、常に高い水素回収率を維持した運転が可能になる。この際、水素回収率の減少率に対して、以下に示す式（２）〜式（４）を満たすように、膜分離装置６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することが好ましい。
【００４３】
ΔＰ＝Ｃ１×ΔＡ、Ｃ１≧０．５・・・式（２）
ここで、ΔＰは透過側の圧力減少分（ｋＰａ）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４４】
ΔＴ＝Ｃ２×ΔＡ、Ｃ２≧０．８・・・式（３）
ここで、ΔＴは温度上昇分（℃）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４５】
ΔＦ＝Ｃ３×ΔＡ、Ｃ３≧０．３・・・式（４）
ここで、ΔＦは第３成分ガス添加量の減少分（Ｌ／ｍｉｎ）、ΔＡは水素回収率の減少分（％）をそれぞれ表す。
【００４６】
また、例えば、シランガス処理部８では、膜分離装置６ｂの非透過側ガスの流量ならびにガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定することで、回収したモノシランガスを除害部８ｃで無害化する際の希釈部８ｂでの希釈率を、その測定結果を元に、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ができる。
【００４７】
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、ガス分析部５における混合ガス中の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４によって制御することができる。
【００４８】
さらに、演算制御部３０は、流量制御部４での混合ガス流量値、ガス分析部５での混合ガス中のモノシラン濃度の測定結果、透過側ガス分析部６ｅでの透過側ガス流量および透過側ガス中の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。
【００４９】
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６ｂに供給する混合ガスの温度や、膜分離装置６ｂの非透過側圧力、透過側圧力、第３成分ガスの添加量を制御することができる。
【００５０】
さらに、演算制御部３０は、透過側ガス分析部６ｅでの透過側ガス流量ならびに透過側ガス中の水素濃度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７ａ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。
【００５１】
さらに、演算制御部３０は、非透過側ガス分析部６ｆでの非透過側ガス流量ならびに非透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度の測定結果に基づいて、シランガス精製部８ａ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。また、非透過側ガス分析部６ｆの後段に、除害部８ｃへ向かうラインと再利用のために半導体製造装置１へ向かうラインとを切り替えるバルブが設置されているとよい。
【００５２】
上述の排ガス処理システムによれば、半導体製造装置から排出される混合ガスの圧力、流量が変動しても、膜分離部に供給する混合ガスの流量、圧力を一定に保ちつつ、半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプに影響を与えるような背圧をかけることなく、安定した運転が可能となる。
【実施例】
【００５３】
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。
【００５４】
［実施例１］
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は、複数のＰＥ−ＣＶＤ装置１２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１３ａで吸引し、フィルタ１４を介し、圧縮機２６に向けて送出する。なお、ドライポンプ１３ａの後には切替バルブ３３が設置されている。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。
【００５５】
圧縮機２６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、それぞれのポンプのパージ窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎの流量で流して、気密タンク１５（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１６へのガス供給を開始すると共に、それぞれのＰＥ−ＣＶＤ装置１２を４分ずつずらして運転を開始した。それぞれのＰＥ−ＣＶＤ装置１２の運転は、表１に示すような条件で行った。マスフローコントローラー１６でガス流量を１５１．５ＮＬ/ｍｉｎに制御して、熱交換機１８で温度を４０℃に調整した後、膜分離モジュール２０（ポリイミド中空糸膜、容量２．４Ｌ）に供給した。この際、透過側背圧弁２１ａは圧力が−９８ｋＰａＧになるように調整した。また、非透過側背圧弁２１ｂは圧力が０．１ＭＰａＧになるように調整した。この時の圧縮機手前の排ガスの流量、組成を表２に示した。分離された透過側ガスのＳｉＨ４濃度は０．０１９ｖｏｌ％、水素回収率は９０．９％であり、排ガス流量の変動によらず一定であった。
【００５６】
なお、図４に示す流量計２２ａおよび分析装置１７ａは、ＰＥ−ＣＶＤ装置１２から排出された混合ガス中の流量ならびに混合ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度を測定するものである。マスフローコントローラー１６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１７ｂによって水素濃度およびモノシランの濃度が測定された後、熱交換機１８と循環恒温槽１９の働きにより温度が制御され、膜分離モジュール２０に流入する。膜分離モジュール２０の透過側および非透過側の後段にはそれぞれ流量計２２ｂ，２２ｃが設けられている。
【００５７】
図４に示す排ガス処理システムにおいて、膜分離モジュールの透過側のガスは、流量計２２ｂ、分析装置１７ｃを通過して透過側ガスの流量ならびに透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。ドライポンプ１３ｂで吸引された透過側ガスは、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、ブロア２５ａによって大気に放出される。一方、膜分離モジュール２０の非透過側の分離ガスは、流量計２２ｃ、分析装置１７ｄを通過して非透過側ガスの流量ならびに非透過側ガス中の水素濃度およびモノシラン濃度が測定される。非透過側ガスは、その測定結果に基づいて適宜窒素で希釈され、燃焼除害装置２３により燃焼され除害される。燃焼除害装置２３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を除去するため、ブロア２５ｂによってバグフィルタ２４に供された後、ブロア２５ｃによって大気に放出される。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
［実施例２］
膜分離容量が４．８Ｌの膜分離モジュール２０を用い、非透過側背圧弁２１ｂを開放し、非透過側を常圧にし、透過側圧力を−７０ｋＰａに調節し、供給ガスの温度を８０℃にした以外は実施例１と同様に運転を行った。その結果、分離された透過側ガスのＳｉＨ４濃度は０．０５２ｖｏｌ％、水素回収率は６３．３％であり、排ガス流量の変動によらず一定であった。
【００６１】
［実施例３］
図５は、非透過側背圧弁２１ｂにより圧力を５０ｋＰａＧになるように調整した以外は実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たして（Ｃ１＝０．５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。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。この結果より、式（２）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６２】
［実施例４］
図６は、実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たして（Ｃ２＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果示した図である。この結果より、式（３）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６３】
［実施例５］
図７は、初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部１０で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たして（Ｃ３＝１．０）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（４）を満たして排ガス処理システムを運転することで、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。
【００６４】
［比較例１］
図８は、比較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８に示す比較例に係る排ガス処理システムは、圧縮機、気密タンク、蓄圧用バルブ、マスフローコントローラーが設置されていない。このような排ガス処理システムに前述のＣＶＤ装置を接続し、実施例１と同様の条件で運転を行い、変動する排ガスをそのまま膜分離装置に流通した。その結果、分離後の透過側ガスのＳｉＨ４濃度、水素回収率は、排ガス流量の変動に応じ、表３のように変動した。また、透過側ガスのＳｉＨ４濃度が最大で０．０４４ｖｏｌ％まで高くなり、大気放出のための希釈率を実施例１に比べ２．３倍にしなければならなかった。
【００６５】
【表３】
【００６６】
［比較例２］
排ガス処理システムの膜分離容量を１．２Ｌにした以外は比較例１と同様の構成、条件で運転を行った。その結果、表３のように透過側ガスのＳｉＨ４濃度は低減できたが、水素回収率が低くなった。
【００６７】
［比較例３］
図９は、実施例１の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（２）を満たさずに（Ｃ１＝０．１）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（２）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００６８】
［比較例４］
図１０は、実施例２の条件を初期条件として、排ガス処理システムを式（３）を満たさずに（Ｃ２＝０．２５）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（３）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００６９】
［比較例５］
図１１は、初期条件を膜分離容量が３．０Ｌの膜分離モジュールを用い、第３成分ガス添加部１０で窒素を３０ＮＬ／ｍｉｎ添加した以外は実施例１と同様として、排ガス処理システムを式（４）を満たさずに（Ｃ３＝０．２）運転した際の使用年数（換算値）に対する水素回収率の変化をモニターした結果を示した図である。この結果より、式（４）を満たさずに排ガス処理システムを運転すると、水素回収率が短期間で減少することがわかる。
【００７０】
本発明は、上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００７１】
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 ガス収容部、 ４ 流量制御部、 ５ ガス分析部、 ６ 膜分離部、 ６ａ 温度制御部、 ６ｂ 膜分離装置、 ６ｃ 透過側圧力制御部、 ６ｄ 非透過側圧力制御部、 ６ｅ 透過側ガス分析部、 ６ｆ 非透過側ガス分析部、 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、 １０ 第３成分ガス添加部、 １１ 圧縮機、 １２ ＰＥ−ＣＶＤ装置、 １３ａ ドライポンプ、 １４ フィルタ、 １５ 気密タンク、 １６ マスフローコントローラー、 １７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ 分析装置、 １８ 熱交換機、 １９ 循環恒温槽、 ２０ 膜分離モジュール、 ２１ａ 透過側背圧弁、 ２１ｂ 非透過側背圧弁、 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 流量計、 ２３ 燃焼除害装置、 ２４ バグフィルタ、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ ブロア、 ２６ 圧縮機、 ３０ 演算制御部、 ３２ 蓄圧用バルブ、 ３３ 切替バルブ、 １００ 排ガス処理システム。
【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、
半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプと、
前記ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機と、
圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、
前記ガス収容部から供給された混合ガスの流量を制御する流量制御部と、
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、
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】
運転を開始する際には、前記ガス収容部に蓄圧してから運転を開始す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。
【請求項３】
前記膜分離部の非透過側圧力を制御する圧力制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス処理システム。
【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、
半導体製造装置から排出された混合ガスを排気するポンプと、
前記ポンプにより排気された混合ガスを圧縮して後段へ送る圧縮機と、
圧縮された混合ガスを集めて収容するガス収容部と、
前記ガス収容部から供給された混合ガスの流量を制御する流量制御部と、
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、
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】
運転を開始する際には、前記ガス収容部に蓄圧してから運転を開始す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。
【請求項３】
前記膜分離部の非透過側圧力を制御する圧力制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１８９２２８（Ｐ２０１１−１８９２２８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５３９６（Ｐ２０１０−５５３９６）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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