熱分解装置およびそれを用いた熱分解方法
【課題】第１処理対象物質Ｘの熱分解で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応し、かつ、第２処理対象物質は、第１処理対象物質の熱分解によって生成される物質と反応して熱分解されるといった２種類の処理対象物質を安全かつ安定的に継続して効率的に熱分解する熱分解装置を提供する。
【解決手段】熱分解装置１０を、３つの熱分解空間４０、４２、４４と、第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２の上端部を連通する第１連絡路４８と、第２熱分解空間４２の上端部および第３熱分解空間４４の上端部を連通する第２連絡路５０と、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４に設けられたヒータ２４と、第１処理対象物質導入路５２と、第２処理対象物質Ｙを第２熱分解空間４２の下端部に導入する第２処理対象物質導入路５４とで構成することにより、上記課題を解決できる。
【解決手段】熱分解装置１０を、３つの熱分解空間４０、４２、４４と、第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２の上端部を連通する第１連絡路４８と、第２熱分解空間４２の上端部および第３熱分解空間４４の上端部を連通する第２連絡路５０と、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４に設けられたヒータ２４と、第１処理対象物質導入路５２と、第２処理対象物質Ｙを第２熱分解空間４２の下端部に導入する第２処理対象物質導入路５４とで構成することにより、上記課題を解決できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造用ガスの生産時あるいは半導体製造装置から排出される排ガスに含まれる人体や環境に有害な処理対象物質を熱分解して無害化する熱分解装置およびそれを用いた熱分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造に際しては、エッチングガスやクリーニングガスといった様々な半導体製造用ガスが使用されており、半導体生産量の急増に合わせて、これら半導体製造用ガスの生産量・使用量も近年急激に増加している。
【０００３】
ところで、半導体製造用ガスを製造する際には、目的とする半導体製造用ガスの他に人体や環境に対して有害な副生物質が生成される場合がある。また、半導体製造時において半導体製造装置からも有害な排ガスが排出される。この有害な副生物質や半導体製造時の排ガスを処理対象ガスとして個別対応で熱分解することによって無害化する熱分解装置が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に開示された熱分解装置は、処理対象ガスを熱分解処理するための１の反応器を有しており、当該反応器に導入された処理対象ガスは、ヒータからの熱を受けて無害なガスに熱分解された後、系外に排出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８２８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の熱分解装置では処理することができない副生物質が生成される場合もある（副生物質には、ガスに限らず、常温で液体あるいは固体のものもある。）。例えば、シリコンウエハのプラズマエッチングに使用される三フッ化窒素（以下、「ＮＦ3」という。）を製造する際には、二フッ化アンモニウム（Ammonium BiFluoride[ＮＨ4ＨＦ2]、以下、「ＡＢＦ」という。）および一酸化二窒素（以下、「Ｎ2Ｏ」という。）が副生物質として生成される。これらの副生成物質は、別々の工程で排出される物質であり、さらに、Ｎ2Ｏには、工程上、どうしても目的物質であるＮＦ3が混入してしまうという事情があった。
【０００７】
ここで、ＡＢＦが熱分解されたときに中間生成物質として生成されるアンモニア（以下、「ＮＨ3」という。）は、高温下でＮＦ3と爆発的に反応する性質を有していることから、特許文献１の熱分解装置を用いてＡＢＦとＮＦ3とを混ぜた状態で熱分解すると、反応器中で、ＡＢＦが熱分解されることによって生成されたＮＨ3（中間生成物質）とＮＦ3とが爆発的に反応し、最悪の場合、反応器が破損してしまい、処理対象物質の安全かつ安定的な熱分解を継続して行うことができなかった。
【０００８】
もちろん、ＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを別々の熱分解装置で熱分解すれば上述のような爆発の危険性は無くなるのであるが、２つの熱分解装置を設けることは設置スペースやコスト的に不利になるばかりでなく、１つの熱分解装置でＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを処理する方が効率的であった。
【０００９】
すなわち、ＡＢＦを熱分解すると、式１および式２に示すように、最初にフッ化水素（以下、「ＨＦ」という。）と中間生成物質であるＮＨ3とに分解され（式１）、然る後、ＮＨ3が窒素と水素とに分解される（式２）。
ＮＨ4ＨＦ2 → ＮＨ3＋２ＨＦ （式１）
２ＮＨ3 → Ｎ2＋３Ｈ2 （式２）
【００１０】
一方、ＮＦ3およびＮ2Ｏは、ＡＢＦを完全に分解することによって生成されるＨ2を使用して熱分解することができ（式３および式４）、ＮＦ3を熱分解することによってもＨＦが生成される（式３）。
２ＮＦ3＋３Ｈ2 → ６ＨＦ＋Ｎ2 （式３）
Ｎ2Ｏ＋Ｈ2 → Ｎ2＋Ｈ2Ｏ （式４）
【００１１】
このように、１つの熱分解装置でＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを順に処理すれば、ＡＢＦを完全に熱分解することによって生成されるＨ2を使用してＮＦ3およびＮ2Ｏを熱分解できるので、ＮＦ3およびＮ2Ｏを熱分解するために別途外部からＨ2を供給する必要がなくなる。
【００１２】
さらに言えば、１つの熱分解装置で処理すれば、その排ガス中には、ＡＢＦおよびＮＦ3を熱分解することによって生成されるＨＦがまとまって高濃度で含まれることになるので、ＨＦの回収効率が高まるというメリットもある。
【００１３】
それゆえに本発明の主たる課題は、「第１処理対象物質（上記例であれば、ＡＢＦ）が完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質（上記例であれば、ＮＨ3）が第２処理対象物質（上記例であれば、ＮＦ3）と爆発的に反応する性質を有しており、かつ、第２処理対象物質は、第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部（上記例であれば、Ｈ2）と反応して熱分解される」という条件を満たす２種類の処理対象物質を安全かつ安定的に継続して効率的に熱分解することのできる熱分解装置および熱分解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載した発明は、
「熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質Ｘ、および
前記第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質Ｙを熱分解する熱分解装置であって、
互いに独立した３つの熱分解空間４０、４２、４４と、
少なくとも、前記第１熱分解空間４０の上端部、および前記第３熱分解空間４４の上端部に設けられたヒータ２４と、
前記第１熱分解空間４０の上端部、および前記第２熱分解空間４２の上端部を連通する第１連絡路４８と、
前記第２熱分解空間４２の上端部、および前記第３熱分解空間４４の上端部を連通する第２連絡路５０と、
前記第１処理対象物質Ｘを前記第１熱分解空間４０に導入する第１処理対象物質導入路５２と、
前記第２処理対象物質Ｙを前記第２熱分解空間４２の下端部に導入する第２処理対象物質導入路５４と、
前記第３熱分解空間４４から処理済み排ガスを系外へ排出する排ガス排出路５６とを有する熱分解装置１０」である。
【００１５】
本発明が適用された熱分解装置１０では、図１に示すように、ヒータ２４が、少なくとも、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４の各上端部に配設されていることから、両空間４０、４４の上端部は十分に熱分解を生じさせることができるような高温領域になっている。
【００１６】
そして、第１連絡路４８が第１熱分解空間４０の上端部と第２熱分解空間４２の上端部とを互いに連絡していることにより、第１処理対象物質導入路５２を通じて第１熱分解空間４０に導入された第１処理対象物質Ｘは、同空間４０内の高温領域に向けて上昇しながら温度が高められることによって熱分解を促進させ、当該高温空間を通り抜けることによって完全に熱分解されてから、第２熱分解空間４２の上端部に入ることになる。
【００１７】
第２熱分解空間４２と第３熱分解空間４４とを連通する第２連絡路５０は、第２熱分解空間４２の上端部に接続されていることから、第２熱分解空間４２の上部に導入された熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、同空間４２の上端部を通過して第２連絡路５０に入る。
【００１８】
その一方で、第２処理対象物質導入路５４を通じて第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっている。
【００１９】
このため、第２熱分解空間４２に導入された熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、導入後直ちには第２処理対象物質Ｙと混合しないので、万一、第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されるので、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２０】
然る後、熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流した第２処理対象物質Ｙは、第２連絡路５０を通り、ヒータ２４によって高温領域にされた第３熱分解空間４４の上端部に導入され、第１処理対象物質Ｘが完全に熱分解することによって生成された物質の一部を用いて熱分解した後、同空間４４に接続された排ガス排出路５６を通って系外に排出される。
【００２１】
以上のように、本発明の熱分解装置１０によれば、第１処理対象物質Ｘが熱分解される途中で生成される中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが爆発的に反応する性質を有している場合において、万一、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２２】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙの熱分解に使用される物質が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００２３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の熱分解装置１０に関し、「前記第１、２処理対象物質Ｘ、Ｙを熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成される」ことを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、熱分解装置１０から排出された処理済ガスには、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙを熱分解することによってそれぞれから生じた同一の「有用成分」が濃い状態で含まれているので、当該「有用成分」の回収再利用が容易になる。
【００２５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載の熱分解装置１０に関し、
「前記第１処理対象物質Ｘは、液体あるいは固体であって、
前記第１熱分解空間４０の下端部には、前記第１処理対象物質導入路５２から導入された前記第１処理対象物質Ｘを受ける樋５８を有する第１処理対象物質気化促進装置２８が設けられている」ことを特徴とする。
【００２６】
本発明が適用された熱分解装置１０によれば、液体あるいは固体として第１処理対象物質導入路５２から導入された第１処理対象物質Ｘは、第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に溜まり、溜まった第１処理対象物質Ｘは、上端部のヒータ２４からの輻射熱等を受けることにより昇温して気化が促進される。このような樋５８を設けることにより、液体あるいは固体として導入された第１処理対象物質Ｘが第１熱分解空間４０の底面に落下してしまい、最悪の場合、炉体１２（本実施例では、耐火レンガ３６）の内面を損傷させてしまうのを回避することができる。
【００２７】
請求項４は、請求項１に記載した熱分解装置１０を用いた処理対象物質の熱分解方法であり、
「熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質Ｘ、および
前記第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質Ｙの熱分解方法であって、
前記第１処理対象物質Ｘを、第１処理対象物質導入路５２を介してその上端部にヒータ２４が設けられた第１熱分解空間４０に導入して熱分解し、
熱分解された前記第１処理対象物質Ｘを、第１連絡路４８を介して第２熱分解空間４２の上端部に導入するとともに、第２処理対象物質導入路５４を介して前記第２処理対象物質Ｙを前記第２熱分解空間４２の下端部に導入し、
熱分解された前記第１処理対象物質Ｘ、および同物質Ｘと前記第２熱分解空間４２の上端部で混合された第２処理対象物質Ｙを、前記第２熱分解空間４２の上端部から第２連絡路５０を介して第３熱分解空間４４の上端部に導入し、前記第２処理対象物質Ｙを前記第３熱分解空間４４で熱分解する熱分解方法」である。
【００２８】
この熱分解方法によれば、第１処理対象物質Ｘが熱分解される途中で生成される中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが爆発的に反応する性質を有している場合において、万一、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、第２処理対象物質導入路５４を通じて第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっているので、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されることとなり、中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２９】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙの熱分解に使用される物質が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００３０】
この場合において、第１、２処理対象物質Ｘ、Ｙをそれぞれ熱分解することにより、回収の対象となる同一の「有用成分」が生成されることにより、上述のように、当該「有用成分」の回収再利用が容易になる（請求項５）。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、「第１処理対象物質が完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有しており、かつ、第２処理対象物質は、第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される」という条件を満たす２種類の処理対象物質を安全かつ安定的に継続して効率的に熱分解することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明が適用された熱分解装置を示す断面図である。
【図２】本発明が適用された熱分解装置を示す、図４および図５のＩ−Ｉ矢視による断面図である。
【図３】本発明が適用された熱分解装置を示す、図４および図５ＩＩ−ＩＩ矢視による断面図である。
【図４】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＩＩＩ−ＩＩＩ視による断面図である。
【図５】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＩＶ−ＩＶ矢視による断面図である。
【図６】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＶ−Ｖ矢視による断面図である。
【図７】第１処理対象物質気化促進装置を示す、図４ＶＩ−ＶＩ矢視による図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明が適用された熱分解装置１０について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、本実施例の熱分解装置１０内における３つの熱分解空間４０、４２、４４と、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙの流れとの関係の理解を容易にすることを目的として、当該熱分解空間４０、４２、４４を横一列に並べて描いたものであり、本実施例の熱分解装置１０（図２〜図６）とは、例えば、第１処理対象物質導入管１６の挿入方向等が異なっている。
【００３４】
なお、本明細書では、各部位の符号に関し、上位概念で示す場合には、アルファベットの枝番をつけずアラビア数字のみで示し、各部位を区別する必要がある場合（すなわち下位概念で示す場合）にはアルファベットの枝番をアラビア数字に付して区別する。
【００３５】
熱分解装置１０は、大略、炉体１２と、隔壁１４と、第１処理対象物質導入管１６および第２処理対象物質導入管１８と、キャリアガス導入管２２と、ヒータ２４と、排ガス排出管２６と、第１処理対象物質気化促進装置２８とで構成されている。
【００３６】
炉体１２は、ステンレス等で形成された金属製のケーシング３０と、当該ケーシング３０の内側面に形成され、内部空間３２を有する耐火断熱材３４とで構成されている。本実施例において、耐火断熱材３４は、内部空間３２を囲繞する耐火レンガ３６と、当該耐火レンガ３６を囲繞するようにして設けられた断熱ボード３８とで構成されているが、耐火断熱材３４はこのような構成に限られず、キャスタブル材のみを用いた単層としてもよいし、他の材料を使用してもよい。
【００３７】
隔壁１４は、耐火断熱材３４に使用されているものと同じ耐火レンガが使用され、炉体１２の内部空間３２を区画するためのものであり、本実施例では、２枚の隔壁１４ａ、１４ｂによって、当該内部空間３２が互いに独立した３つの熱分解空間４０、４２、４４に区画されている。
【００３８】
また、両隔壁１４ａ、１４ｂの上端部には、それぞれ連通孔４６ａ、４６ｂが形成されており、隔壁１４ａに形成された連通孔４６ａが、第１熱分解空間４０と第２熱分解空間４２とを互いに連通する第１連絡路４８となり、また、隔壁１４ｂに形成された連通孔４６ｂが、第２熱分解空間４２と第３熱分解空間４４とを互いに連通する第２連絡路５０となる。
【００３９】
第１処理対象物質導入管１６は、第１処理対象物質Ｘを第１熱分解空間４０に導入するためのパイプであり、その一端が第１処理対象物質Ｘを供給する装置等（図示せず）に接続されており、他端が炉体１２を斜め下向きに貫通して第１熱分解空間４０における下端部に接続されている。この第１処理対象物質導入管１６の内部が第１処理対象物質導入路５２となる。
【００４０】
第２処理対象物質導入管１８は、第２処理対象物質Ｙを第２熱分解空間４２に導入するためのパイプであり、その一端が第２処理対象物質Ｙを供給する装置等（図示せず）に接続されており、他端が炉体１２を貫通して第２熱分解空間４２における下端部に接続されている。この第２処理対象物質導入管１８の内部が第２処理対象物質導入路５４となる。
【００４１】
キャリアガス導入管２２は、第１処理対象物質Ｘや第２処理対象物質Ｙ、あるいはこれら物質Ｘ、Ｙを含む処理対象ガスの供給量が少ないことから、各熱分解空間４０、４２、４４内で所定の流速が得られないような場合において、キャリアガス（例えば、窒素等の不活性ガス）Ｚを各熱分解空間４０、４２に導入するため、必要に応じて設けられる管である。本実施例では、第１処理対象物質導入管１６の下方、および第２処理対象物質導入管１８の下方にそれぞれキャリアガス導入管２２が設けられ、第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２にキャリアガスＺを導入できるようになっている。
【００４２】
ヒータ２４は、第１処理対象物質Ｘや第２処理対象物質Ｙを熱分解可能な温度まで第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４を昇温するためものであり、本実施例では、図示しない給電線を介して給電される電気式シーズヒータが使用されている。本実施例のヒータ２４は、回路等が収容された本体部２４ａと、当該本体部２４ａから下方に延出する一対のヒータ部２４ｂとで構成されており、第１熱分解空間４０に対して２セット、第３熱分解空間４４に対して２セット、さらに、第２熱分解空間４２に対して１セットのヒータ２４が、炉体１２の上面から各熱分解空間４０、４２、４４の上端部に挿設されている。
【００４３】
なお、ヒータ２４は本実施例のような電気式シーズヒータに限定されず、他の種類の電気ヒータでもよいし、大気圧プラズマや燃料式バーナー等の電気とは異なる熱源を利用してもよい。
【００４４】
排ガス排出管２６は、完全に熱分解された後の、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙを第３熱分解空間４４から排出するためのパイプであり、その一端が炉体１２を貫通して第３熱分解空間４４における下端部に接続されており、他端が排出先に接続されている。この排ガス排出管２６の内部が排ガス排出路５６となる。
【００４５】
第１処理対象物質気化促進装置２８は、液体あるいは固体の第１処理対象物質Ｘが第１処理対象物質導入路５２介して第１熱分解空間４０に供給される場合等において、必要に応じて設けられる装置であり、本実施例では、セラミックパイプを半割りにして形成された樋５８と、当該樋５８を第１熱分解空間４０の底面から離れた位置に保持する、耐火レンガで形成された樋保持台６０とで構成されている。
【００４６】
樋５８は、図７に示すように、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質導入管１６の他端の直下において、その内側面を上向きにして配設されている。また、樋５８は、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質導入管１６が接続された内側面から当該内側面の対向面にかけて配設されている。これにより、液体あるいは固体として第１処理対象物質導入管１６から導入された第１処理対象物質Ｘは樋５８の上に溜まり、溜まった第１処理対象物質Ｘは、上端部のヒータ２４からの輻射熱等を受けることにより昇温して気化が促進される。また、当該樋５８によれば、液体あるいは固体として導入された第１処理対象物質Ｘは第１熱分解空間４０の底面に落下してしまい、最悪の場合、炉体１２（本実施例では、耐火レンガ３６）の内面を損傷させてしまうのを回避することができる。
【００４７】
本実施例の熱分解装置１０を用いて、「第１処理対象物質Ｘが完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有している。」といった２種類の処理対象物質Ｘ、Ｙを安全かつ安定的に継続して熱分解する手順について説明する。
【００４８】
本実施例では、シリコンウエハのプラズマエッチングに使用されるＮＦ3を製造する工程において副生物質として生成されるＡＢＦ[ＮＨ4ＨＦ2]を第１処理対象物質Ｘとし、目的物質であるＮＦ3を第２処理対象物質Ｙとする。なお、第２処理対象物質Ｙには、同じ工程で生成されるＮ2Ｏも含まれている。
【００４９】
ＡＢＦを熱分解すると、式１および式２に示すように、最初にフッ化水素（以下、「ＨＦ」という。）と中間生成物質であるＮＨ3とに分解され（式１）、然る後、ＮＨ3が窒素と水素とに分解される（式２）。この中間生成物質（＝ＮＨ3）は、高温下で第２処理対象物質ＹのＮＦ3と爆発的に反応する性質を有している。
ＮＨ4ＨＦ2 → ＮＨ3＋２ＨＦ （式１）
２ＮＨ3 → Ｎ2＋３Ｈ2 （式２）
【００５０】
一方、第２処理対象物質Ｙに含まれるＮＦ3およびＮ2Ｏは、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）を完全に分解することによって生成されるＨ2を使用して熱分解される（式３および式４）。
２ＮＦ3＋３Ｈ2 → ６ＨＦ＋Ｎ2 （式３）
Ｎ2Ｏ＋Ｈ2 → Ｎ2＋Ｈ2Ｏ （式４）
【００５１】
最初に、熱分解装置１０の各ヒータ２４に給電することによって各ヒータ２４を発熱させ、各熱分解空間４０、４２、４４の温度を１２００℃まで昇温する（第２熱分解空間４２にヒータ２４を設けない場合には、同空間４２を１２００℃まで昇温させる必要はない。）。
【００５２】
また、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）は、融点が約１２５℃、沸点が約２４０℃であり、常温では固体である。このため、第１処理対象物質導入管１６の一端には固体のＡＢＦを連続的あるいは断続的に供給するＡＢＦ供給装置（図示せず）が設けられており、さらに、第１処理対象物質導入管１６にはＡＢＦ加熱用ヒータ（図示せず）が取り付けられ、ＡＢＦ供給装置から供給された固体のＡＢＦを第１処理対象物質導入管１６内で溶融し、液状のＡＢＦを第１熱分解空間４０に設けられた第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に滴下できるようになっている。各ヒータ２４への給電開始と同時に、ＡＢＦ加熱用ヒータにも給電を開始する。ＡＢＦ加熱用ヒータは、例えば４００℃に設定されており、一部のＡＢＦは第１処理対象物質導入管１６内（＝第１処理対象物質導入路５２）で気化することになる。なお、この場合、図示するように、第１処理対象物質導入管１６を断熱キャスタブルで包み込んで、第１処理対象物質導入路５２を保温することが好適である。
【００５３】
昇温が完了すると（あるいは昇温中でもよい）、各キャリアガス導入管２２を通じて第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２にキャリアガス（＝Ｎ2）の供給を開始し、各熱分解空間４０、４２、４４にキャリアガスＺを充満させた後、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙの供給を開始する。
【００５４】
第１処理対象物質導入管１６内（＝第１処理対象物質導入路５２）を通ったＡＢＦは、上述のように、その一部が気化し、残部が液化した状態で第１熱分解空間４０に導入される。液状のＡＢＦは、第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に滴下した後、ヒータ２４からの輻射熱等を受けて気化し、第１処理対象物質導入管１６の下方に設けられたキャリアガス導入管２２からのキャリアガスＺとともに（第１処理対象物質導入路５２で先に気化したものも含めて）第１熱分解空間４０内を上昇し、最も温度が高いヒータ２４付近を通過することによって完全に（つまり、Ｎ2とＨ2とに）熱分解される。
【００５５】
その後、Ｎ2とＨ2とは、第１連絡路４８を通って第２熱分解空間４２の上端部に入り、ここで、第２処理対象物質導入管１８内（＝第２処理対象物質導入路５４）を通って第２熱分解空間４２に導入され、キャリアガスＣとともに同空間４２内を上昇してきたＮＦ3およびＮ2Ｏ（＝第２処理対象物質Ｙ）と混ぜ合わされた後、第２連絡路５０を通って第３熱分解空間４４の上端部に導入される。なお、本実施例では、第２熱分解空間４２の上端部にもヒータ２４が設けられているので、上述のように第３熱分解空間４４に入る前の段階で、ＡＢＦが分解することによって生成されたＨ2と反応して、一部のＮＦ3やＮ2Ｏが分解されることも考えられる。
【００５６】
第３熱分解空間４４の上端部に導入されたＮＦ3およびＮ2Ｏは、上述のようにＡＢＦが分解することによって生成されたＨ2と反応して、式３および式４に示すように、ＨＦ、Ｎ2、Ｈ2Ｏに分解される。ＡＢＦ、ＮＦ3およびＮ2Ｏが分解することによって生成されたＨＦ、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、Ｈ2等は、第３熱分解空間４４の下端部に接続された排ガス排出管２６内（＝排ガス排出路５６）を通って系外へ排出される。
【００５７】
なお、本実施例のように、第１、２処理対象物質Ｘ、ＹであるＡＢＦおよびＮＦ3を熱分解すると、それぞれからＨＦが生成されて、ＨＦを多量に含む排ガスを排出することになるので、排ガス排出管２６の他端にＨＦ回収装置（図示せず）を取り付けることにより、高濃度のＨＦを回収することができる。本実施例の熱分解装置１０とＨＦ回収装置とを組み合わせてＨＦ回収設備としてもよい。
【００５８】
以上のように、本実施例の熱分解装置１０によれば、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）は熱分解される途中で生成される中間生成物質（＝ＮＨ3）と、第２処理対象物質Ｙ（＝ＮＦ3）とが爆発的に反応する性質を有しているが、第１熱分解空間４０において第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解した後、第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙと混合するようにしており、中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を低減することができるので、２種類の処理対象物質Ｘ、Ｙを安全かつ安定的に継続して熱分解することができる。もちろん、本発明は上記の例に限定されるものではない。
【００５９】
また、本実施例の熱分解装置１０では、少なくとも、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４の上端部にヒータ２４が配設されていることから、両空間４０、４４の上端部が高温領域になっている。そして、第１処理対象物質導入路５２が第１熱分解空間４０の下端部に接続されているとともに、第１連絡路４８が同空間４０の上端部と第２熱分解空間４２の上端部とを互いに連絡している。
【００６０】
これにより、第１熱分解空間４０に導入された第１処理対象物質Ｘは、同空間４０内の高温領域に向けて上昇しながら温度が高められることによって熱分解を促進させ、当該高温空間を通り抜けることによって完全に熱分解されてから、第２熱分解空間４２に入ることになる。
【００６１】
また、第１連絡路４８および第２連絡路５０がともに第２熱分解空間の上端部に接続されていることから、第２熱分解空間４２に導入された、熱分解後の第１処理対象物質Ｘ（すなわち、Ｎ2、Ｈ2およびＨＦ）は、同空間４２の上端部を通過して第２連絡路５０に入り、その一方で、第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっている。
【００６２】
このため、第２熱分解空間４２に導入された、熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、導入後直ちには第２処理対象物質Ｙと混合しないので、万一、第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質（＝ＮＨ3）が第２熱分解空間４２に流入したとしても、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されるので、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性をさらに低くすることができる。
【００６３】
さらに、熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流した第２処理対象物質Ｙは、第２連絡路５０を通って第３熱分解空間４４の上端部に導入され、同空間４４の下端部に接続された排ガス排出路５６に向かって第３熱分解空間４４を上から下に通流するようになっており、この間にヒータ２４からの熱で完全に熱分解された後、排ガス排出路５６を通って系外に排出される。
【００６４】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙ（＝ＮＦ3およびＮ2Ｏ）の熱分解に使用される物質（＝Ｈ2）が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００６５】
なお、本実施例では、炉体１２の内部空間３２を隔壁１４で仕切ることによって３つの熱分解空間４０、４２、４４を形成しているが、これに代えて、内部空間を有しており、互いに独立した３つの炉体を用意し、これら炉体の内部空間を各熱分解空間４０、４２、４４として、順にダクト等（その内部が第１連絡路および第２連絡路となる。）を用いて連通させることにより、熱分解装置１０を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
Ｘ …第１処理対象物質
Ｙ …第２処理対象物質
Ｚ …キャリアガス
１０…熱分解装置
１２…炉体
１４…隔壁
１６…第１処理対象物質導入管
１８…第２処理対象物質導入管
２２…キャリアガス導入管
２４…ヒータ
２４ａ…本体部
２４ｂ…ヒータ部
２６…排ガス排出管
２８…第１処理対象物質気化促進装置
３０…ケーシング
３２…内部空間
３４…耐火断熱材
３６…耐火レンガ
３８…断熱ボード
４０…第１熱分解空間
４２…第２熱分解空間
４４…第３熱分解空間
４６…連通孔
４８…第１連絡路
５０…第２連絡路
５２…第１処理対象物質導入路
５４…第２処理対象物質導入路
５６…排ガス排出路
５８…樋
６０…樋保持台
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造用ガスの生産時あるいは半導体製造装置から排出される排ガスに含まれる人体や環境に有害な処理対象物質を熱分解して無害化する熱分解装置およびそれを用いた熱分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造に際しては、エッチングガスやクリーニングガスといった様々な半導体製造用ガスが使用されており、半導体生産量の急増に合わせて、これら半導体製造用ガスの生産量・使用量も近年急激に増加している。
【０００３】
ところで、半導体製造用ガスを製造する際には、目的とする半導体製造用ガスの他に人体や環境に対して有害な副生物質が生成される場合がある。また、半導体製造時において半導体製造装置からも有害な排ガスが排出される。この有害な副生物質や半導体製造時の排ガスを処理対象ガスとして個別対応で熱分解することによって無害化する熱分解装置が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に開示された熱分解装置は、処理対象ガスを熱分解処理するための１の反応器を有しており、当該反応器に導入された処理対象ガスは、ヒータからの熱を受けて無害なガスに熱分解された後、系外に排出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８２８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の熱分解装置では処理することができない副生物質が生成される場合もある（副生物質には、ガスに限らず、常温で液体あるいは固体のものもある。）。例えば、シリコンウエハのプラズマエッチングに使用される三フッ化窒素（以下、「ＮＦ3」という。）を製造する際には、二フッ化アンモニウム（Ammonium BiFluoride[ＮＨ4ＨＦ2]、以下、「ＡＢＦ」という。）および一酸化二窒素（以下、「Ｎ2Ｏ」という。）が副生物質として生成される。これらの副生成物質は、別々の工程で排出される物質であり、さらに、Ｎ2Ｏには、工程上、どうしても目的物質であるＮＦ3が混入してしまうという事情があった。
【０００７】
ここで、ＡＢＦが熱分解されたときに中間生成物質として生成されるアンモニア（以下、「ＮＨ3」という。）は、高温下でＮＦ3と爆発的に反応する性質を有していることから、特許文献１の熱分解装置を用いてＡＢＦとＮＦ3とを混ぜた状態で熱分解すると、反応器中で、ＡＢＦが熱分解されることによって生成されたＮＨ3（中間生成物質）とＮＦ3とが爆発的に反応し、最悪の場合、反応器が破損してしまい、処理対象物質の安全かつ安定的な熱分解を継続して行うことができなかった。
【０００８】
もちろん、ＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを別々の熱分解装置で熱分解すれば上述のような爆発の危険性は無くなるのであるが、２つの熱分解装置を設けることは設置スペースやコスト的に不利になるばかりでなく、１つの熱分解装置でＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを処理する方が効率的であった。
【０００９】
すなわち、ＡＢＦを熱分解すると、式１および式２に示すように、最初にフッ化水素（以下、「ＨＦ」という。）と中間生成物質であるＮＨ3とに分解され（式１）、然る後、ＮＨ3が窒素と水素とに分解される（式２）。
ＮＨ4ＨＦ2 → ＮＨ3＋２ＨＦ （式１）
２ＮＨ3 → Ｎ2＋３Ｈ2 （式２）
【００１０】
一方、ＮＦ3およびＮ2Ｏは、ＡＢＦを完全に分解することによって生成されるＨ2を使用して熱分解することができ（式３および式４）、ＮＦ3を熱分解することによってもＨＦが生成される（式３）。
２ＮＦ3＋３Ｈ2 → ６ＨＦ＋Ｎ2 （式３）
Ｎ2Ｏ＋Ｈ2 → Ｎ2＋Ｈ2Ｏ （式４）
【００１１】
このように、１つの熱分解装置でＡＢＦとＮＦ3（およびＮ2Ｏ）とを順に処理すれば、ＡＢＦを完全に熱分解することによって生成されるＨ2を使用してＮＦ3およびＮ2Ｏを熱分解できるので、ＮＦ3およびＮ2Ｏを熱分解するために別途外部からＨ2を供給する必要がなくなる。
【００１２】
さらに言えば、１つの熱分解装置で処理すれば、その排ガス中には、ＡＢＦおよびＮＦ3を熱分解することによって生成されるＨＦがまとまって高濃度で含まれることになるので、ＨＦの回収効率が高まるというメリットもある。
【００１３】
それゆえに本発明の主たる課題は、「第１処理対象物質（上記例であれば、ＡＢＦ）が完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質（上記例であれば、ＮＨ3）が第２処理対象物質（上記例であれば、ＮＦ3）と爆発的に反応する性質を有しており、かつ、第２処理対象物質は、第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部（上記例であれば、Ｈ2）と反応して熱分解される」という条件を満たす２種類の処理対象物質を安全かつ安定的に継続して効率的に熱分解することのできる熱分解装置および熱分解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載した発明は、
「熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質Ｘ、および
前記第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質Ｙを熱分解する熱分解装置であって、
互いに独立した３つの熱分解空間４０、４２、４４と、
少なくとも、前記第１熱分解空間４０の上端部、および前記第３熱分解空間４４の上端部に設けられたヒータ２４と、
前記第１熱分解空間４０の上端部、および前記第２熱分解空間４２の上端部を連通する第１連絡路４８と、
前記第２熱分解空間４２の上端部、および前記第３熱分解空間４４の上端部を連通する第２連絡路５０と、
前記第１処理対象物質Ｘを前記第１熱分解空間４０に導入する第１処理対象物質導入路５２と、
前記第２処理対象物質Ｙを前記第２熱分解空間４２の下端部に導入する第２処理対象物質導入路５４と、
前記第３熱分解空間４４から処理済み排ガスを系外へ排出する排ガス排出路５６とを有する熱分解装置１０」である。
【００１５】
本発明が適用された熱分解装置１０では、図１に示すように、ヒータ２４が、少なくとも、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４の各上端部に配設されていることから、両空間４０、４４の上端部は十分に熱分解を生じさせることができるような高温領域になっている。
【００１６】
そして、第１連絡路４８が第１熱分解空間４０の上端部と第２熱分解空間４２の上端部とを互いに連絡していることにより、第１処理対象物質導入路５２を通じて第１熱分解空間４０に導入された第１処理対象物質Ｘは、同空間４０内の高温領域に向けて上昇しながら温度が高められることによって熱分解を促進させ、当該高温空間を通り抜けることによって完全に熱分解されてから、第２熱分解空間４２の上端部に入ることになる。
【００１７】
第２熱分解空間４２と第３熱分解空間４４とを連通する第２連絡路５０は、第２熱分解空間４２の上端部に接続されていることから、第２熱分解空間４２の上部に導入された熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、同空間４２の上端部を通過して第２連絡路５０に入る。
【００１８】
その一方で、第２処理対象物質導入路５４を通じて第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっている。
【００１９】
このため、第２熱分解空間４２に導入された熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、導入後直ちには第２処理対象物質Ｙと混合しないので、万一、第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されるので、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２０】
然る後、熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流した第２処理対象物質Ｙは、第２連絡路５０を通り、ヒータ２４によって高温領域にされた第３熱分解空間４４の上端部に導入され、第１処理対象物質Ｘが完全に熱分解することによって生成された物質の一部を用いて熱分解した後、同空間４４に接続された排ガス排出路５６を通って系外に排出される。
【００２１】
以上のように、本発明の熱分解装置１０によれば、第１処理対象物質Ｘが熱分解される途中で生成される中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが爆発的に反応する性質を有している場合において、万一、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２２】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙの熱分解に使用される物質が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００２３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の熱分解装置１０に関し、「前記第１、２処理対象物質Ｘ、Ｙを熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成される」ことを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、熱分解装置１０から排出された処理済ガスには、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙを熱分解することによってそれぞれから生じた同一の「有用成分」が濃い状態で含まれているので、当該「有用成分」の回収再利用が容易になる。
【００２５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載の熱分解装置１０に関し、
「前記第１処理対象物質Ｘは、液体あるいは固体であって、
前記第１熱分解空間４０の下端部には、前記第１処理対象物質導入路５２から導入された前記第１処理対象物質Ｘを受ける樋５８を有する第１処理対象物質気化促進装置２８が設けられている」ことを特徴とする。
【００２６】
本発明が適用された熱分解装置１０によれば、液体あるいは固体として第１処理対象物質導入路５２から導入された第１処理対象物質Ｘは、第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に溜まり、溜まった第１処理対象物質Ｘは、上端部のヒータ２４からの輻射熱等を受けることにより昇温して気化が促進される。このような樋５８を設けることにより、液体あるいは固体として導入された第１処理対象物質Ｘが第１熱分解空間４０の底面に落下してしまい、最悪の場合、炉体１２（本実施例では、耐火レンガ３６）の内面を損傷させてしまうのを回避することができる。
【００２７】
請求項４は、請求項１に記載した熱分解装置１０を用いた処理対象物質の熱分解方法であり、
「熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質Ｘ、および
前記第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質Ｙの熱分解方法であって、
前記第１処理対象物質Ｘを、第１処理対象物質導入路５２を介してその上端部にヒータ２４が設けられた第１熱分解空間４０に導入して熱分解し、
熱分解された前記第１処理対象物質Ｘを、第１連絡路４８を介して第２熱分解空間４２の上端部に導入するとともに、第２処理対象物質導入路５４を介して前記第２処理対象物質Ｙを前記第２熱分解空間４２の下端部に導入し、
熱分解された前記第１処理対象物質Ｘ、および同物質Ｘと前記第２熱分解空間４２の上端部で混合された第２処理対象物質Ｙを、前記第２熱分解空間４２の上端部から第２連絡路５０を介して第３熱分解空間４４の上端部に導入し、前記第２処理対象物質Ｙを前記第３熱分解空間４４で熱分解する熱分解方法」である。
【００２８】
この熱分解方法によれば、第１処理対象物質Ｘが熱分解される途中で生成される中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが爆発的に反応する性質を有している場合において、万一、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質が第２熱分解空間４２に流入したとしても、第２処理対象物質導入路５４を通じて第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっているので、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されることとなり、中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を極小化することができる。
【００２９】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙの熱分解に使用される物質が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００３０】
この場合において、第１、２処理対象物質Ｘ、Ｙをそれぞれ熱分解することにより、回収の対象となる同一の「有用成分」が生成されることにより、上述のように、当該「有用成分」の回収再利用が容易になる（請求項５）。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、「第１処理対象物質が完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有しており、かつ、第２処理対象物質は、第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される」という条件を満たす２種類の処理対象物質を安全かつ安定的に継続して効率的に熱分解することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明が適用された熱分解装置を示す断面図である。
【図２】本発明が適用された熱分解装置を示す、図４および図５のＩ−Ｉ矢視による断面図である。
【図３】本発明が適用された熱分解装置を示す、図４および図５ＩＩ−ＩＩ矢視による断面図である。
【図４】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＩＩＩ−ＩＩＩ視による断面図である。
【図５】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＩＶ−ＩＶ矢視による断面図である。
【図６】本発明が適用された熱分解装置を示す、図２および図３のＶ−Ｖ矢視による断面図である。
【図７】第１処理対象物質気化促進装置を示す、図４ＶＩ−ＶＩ矢視による図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明が適用された熱分解装置１０について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、本実施例の熱分解装置１０内における３つの熱分解空間４０、４２、４４と、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙの流れとの関係の理解を容易にすることを目的として、当該熱分解空間４０、４２、４４を横一列に並べて描いたものであり、本実施例の熱分解装置１０（図２〜図６）とは、例えば、第１処理対象物質導入管１６の挿入方向等が異なっている。
【００３４】
なお、本明細書では、各部位の符号に関し、上位概念で示す場合には、アルファベットの枝番をつけずアラビア数字のみで示し、各部位を区別する必要がある場合（すなわち下位概念で示す場合）にはアルファベットの枝番をアラビア数字に付して区別する。
【００３５】
熱分解装置１０は、大略、炉体１２と、隔壁１４と、第１処理対象物質導入管１６および第２処理対象物質導入管１８と、キャリアガス導入管２２と、ヒータ２４と、排ガス排出管２６と、第１処理対象物質気化促進装置２８とで構成されている。
【００３６】
炉体１２は、ステンレス等で形成された金属製のケーシング３０と、当該ケーシング３０の内側面に形成され、内部空間３２を有する耐火断熱材３４とで構成されている。本実施例において、耐火断熱材３４は、内部空間３２を囲繞する耐火レンガ３６と、当該耐火レンガ３６を囲繞するようにして設けられた断熱ボード３８とで構成されているが、耐火断熱材３４はこのような構成に限られず、キャスタブル材のみを用いた単層としてもよいし、他の材料を使用してもよい。
【００３７】
隔壁１４は、耐火断熱材３４に使用されているものと同じ耐火レンガが使用され、炉体１２の内部空間３２を区画するためのものであり、本実施例では、２枚の隔壁１４ａ、１４ｂによって、当該内部空間３２が互いに独立した３つの熱分解空間４０、４２、４４に区画されている。
【００３８】
また、両隔壁１４ａ、１４ｂの上端部には、それぞれ連通孔４６ａ、４６ｂが形成されており、隔壁１４ａに形成された連通孔４６ａが、第１熱分解空間４０と第２熱分解空間４２とを互いに連通する第１連絡路４８となり、また、隔壁１４ｂに形成された連通孔４６ｂが、第２熱分解空間４２と第３熱分解空間４４とを互いに連通する第２連絡路５０となる。
【００３９】
第１処理対象物質導入管１６は、第１処理対象物質Ｘを第１熱分解空間４０に導入するためのパイプであり、その一端が第１処理対象物質Ｘを供給する装置等（図示せず）に接続されており、他端が炉体１２を斜め下向きに貫通して第１熱分解空間４０における下端部に接続されている。この第１処理対象物質導入管１６の内部が第１処理対象物質導入路５２となる。
【００４０】
第２処理対象物質導入管１８は、第２処理対象物質Ｙを第２熱分解空間４２に導入するためのパイプであり、その一端が第２処理対象物質Ｙを供給する装置等（図示せず）に接続されており、他端が炉体１２を貫通して第２熱分解空間４２における下端部に接続されている。この第２処理対象物質導入管１８の内部が第２処理対象物質導入路５４となる。
【００４１】
キャリアガス導入管２２は、第１処理対象物質Ｘや第２処理対象物質Ｙ、あるいはこれら物質Ｘ、Ｙを含む処理対象ガスの供給量が少ないことから、各熱分解空間４０、４２、４４内で所定の流速が得られないような場合において、キャリアガス（例えば、窒素等の不活性ガス）Ｚを各熱分解空間４０、４２に導入するため、必要に応じて設けられる管である。本実施例では、第１処理対象物質導入管１６の下方、および第２処理対象物質導入管１８の下方にそれぞれキャリアガス導入管２２が設けられ、第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２にキャリアガスＺを導入できるようになっている。
【００４２】
ヒータ２４は、第１処理対象物質Ｘや第２処理対象物質Ｙを熱分解可能な温度まで第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４を昇温するためものであり、本実施例では、図示しない給電線を介して給電される電気式シーズヒータが使用されている。本実施例のヒータ２４は、回路等が収容された本体部２４ａと、当該本体部２４ａから下方に延出する一対のヒータ部２４ｂとで構成されており、第１熱分解空間４０に対して２セット、第３熱分解空間４４に対して２セット、さらに、第２熱分解空間４２に対して１セットのヒータ２４が、炉体１２の上面から各熱分解空間４０、４２、４４の上端部に挿設されている。
【００４３】
なお、ヒータ２４は本実施例のような電気式シーズヒータに限定されず、他の種類の電気ヒータでもよいし、大気圧プラズマや燃料式バーナー等の電気とは異なる熱源を利用してもよい。
【００４４】
排ガス排出管２６は、完全に熱分解された後の、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙを第３熱分解空間４４から排出するためのパイプであり、その一端が炉体１２を貫通して第３熱分解空間４４における下端部に接続されており、他端が排出先に接続されている。この排ガス排出管２６の内部が排ガス排出路５６となる。
【００４５】
第１処理対象物質気化促進装置２８は、液体あるいは固体の第１処理対象物質Ｘが第１処理対象物質導入路５２介して第１熱分解空間４０に供給される場合等において、必要に応じて設けられる装置であり、本実施例では、セラミックパイプを半割りにして形成された樋５８と、当該樋５８を第１熱分解空間４０の底面から離れた位置に保持する、耐火レンガで形成された樋保持台６０とで構成されている。
【００４６】
樋５８は、図７に示すように、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質導入管１６の他端の直下において、その内側面を上向きにして配設されている。また、樋５８は、第１熱分解空間４０における第１処理対象物質導入管１６が接続された内側面から当該内側面の対向面にかけて配設されている。これにより、液体あるいは固体として第１処理対象物質導入管１６から導入された第１処理対象物質Ｘは樋５８の上に溜まり、溜まった第１処理対象物質Ｘは、上端部のヒータ２４からの輻射熱等を受けることにより昇温して気化が促進される。また、当該樋５８によれば、液体あるいは固体として導入された第１処理対象物質Ｘは第１熱分解空間４０の底面に落下してしまい、最悪の場合、炉体１２（本実施例では、耐火レンガ３６）の内面を損傷させてしまうのを回避することができる。
【００４７】
本実施例の熱分解装置１０を用いて、「第１処理対象物質Ｘが完全に熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質Ｙと爆発的に反応する性質を有している。」といった２種類の処理対象物質Ｘ、Ｙを安全かつ安定的に継続して熱分解する手順について説明する。
【００４８】
本実施例では、シリコンウエハのプラズマエッチングに使用されるＮＦ3を製造する工程において副生物質として生成されるＡＢＦ[ＮＨ4ＨＦ2]を第１処理対象物質Ｘとし、目的物質であるＮＦ3を第２処理対象物質Ｙとする。なお、第２処理対象物質Ｙには、同じ工程で生成されるＮ2Ｏも含まれている。
【００４９】
ＡＢＦを熱分解すると、式１および式２に示すように、最初にフッ化水素（以下、「ＨＦ」という。）と中間生成物質であるＮＨ3とに分解され（式１）、然る後、ＮＨ3が窒素と水素とに分解される（式２）。この中間生成物質（＝ＮＨ3）は、高温下で第２処理対象物質ＹのＮＦ3と爆発的に反応する性質を有している。
ＮＨ4ＨＦ2 → ＮＨ3＋２ＨＦ （式１）
２ＮＨ3 → Ｎ2＋３Ｈ2 （式２）
【００５０】
一方、第２処理対象物質Ｙに含まれるＮＦ3およびＮ2Ｏは、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）を完全に分解することによって生成されるＨ2を使用して熱分解される（式３および式４）。
２ＮＦ3＋３Ｈ2 → ６ＨＦ＋Ｎ2 （式３）
Ｎ2Ｏ＋Ｈ2 → Ｎ2＋Ｈ2Ｏ （式４）
【００５１】
最初に、熱分解装置１０の各ヒータ２４に給電することによって各ヒータ２４を発熱させ、各熱分解空間４０、４２、４４の温度を１２００℃まで昇温する（第２熱分解空間４２にヒータ２４を設けない場合には、同空間４２を１２００℃まで昇温させる必要はない。）。
【００５２】
また、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）は、融点が約１２５℃、沸点が約２４０℃であり、常温では固体である。このため、第１処理対象物質導入管１６の一端には固体のＡＢＦを連続的あるいは断続的に供給するＡＢＦ供給装置（図示せず）が設けられており、さらに、第１処理対象物質導入管１６にはＡＢＦ加熱用ヒータ（図示せず）が取り付けられ、ＡＢＦ供給装置から供給された固体のＡＢＦを第１処理対象物質導入管１６内で溶融し、液状のＡＢＦを第１熱分解空間４０に設けられた第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に滴下できるようになっている。各ヒータ２４への給電開始と同時に、ＡＢＦ加熱用ヒータにも給電を開始する。ＡＢＦ加熱用ヒータは、例えば４００℃に設定されており、一部のＡＢＦは第１処理対象物質導入管１６内（＝第１処理対象物質導入路５２）で気化することになる。なお、この場合、図示するように、第１処理対象物質導入管１６を断熱キャスタブルで包み込んで、第１処理対象物質導入路５２を保温することが好適である。
【００５３】
昇温が完了すると（あるいは昇温中でもよい）、各キャリアガス導入管２２を通じて第１熱分解空間４０および第２熱分解空間４２にキャリアガス（＝Ｎ2）の供給を開始し、各熱分解空間４０、４２、４４にキャリアガスＺを充満させた後、第１処理対象物質Ｘおよび第２処理対象物質Ｙの供給を開始する。
【００５４】
第１処理対象物質導入管１６内（＝第１処理対象物質導入路５２）を通ったＡＢＦは、上述のように、その一部が気化し、残部が液化した状態で第１熱分解空間４０に導入される。液状のＡＢＦは、第１処理対象物質気化促進装置２８の樋５８に滴下した後、ヒータ２４からの輻射熱等を受けて気化し、第１処理対象物質導入管１６の下方に設けられたキャリアガス導入管２２からのキャリアガスＺとともに（第１処理対象物質導入路５２で先に気化したものも含めて）第１熱分解空間４０内を上昇し、最も温度が高いヒータ２４付近を通過することによって完全に（つまり、Ｎ2とＨ2とに）熱分解される。
【００５５】
その後、Ｎ2とＨ2とは、第１連絡路４８を通って第２熱分解空間４２の上端部に入り、ここで、第２処理対象物質導入管１８内（＝第２処理対象物質導入路５４）を通って第２熱分解空間４２に導入され、キャリアガスＣとともに同空間４２内を上昇してきたＮＦ3およびＮ2Ｏ（＝第２処理対象物質Ｙ）と混ぜ合わされた後、第２連絡路５０を通って第３熱分解空間４４の上端部に導入される。なお、本実施例では、第２熱分解空間４２の上端部にもヒータ２４が設けられているので、上述のように第３熱分解空間４４に入る前の段階で、ＡＢＦが分解することによって生成されたＨ2と反応して、一部のＮＦ3やＮ2Ｏが分解されることも考えられる。
【００５６】
第３熱分解空間４４の上端部に導入されたＮＦ3およびＮ2Ｏは、上述のようにＡＢＦが分解することによって生成されたＨ2と反応して、式３および式４に示すように、ＨＦ、Ｎ2、Ｈ2Ｏに分解される。ＡＢＦ、ＮＦ3およびＮ2Ｏが分解することによって生成されたＨＦ、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、Ｈ2等は、第３熱分解空間４４の下端部に接続された排ガス排出管２６内（＝排ガス排出路５６）を通って系外へ排出される。
【００５７】
なお、本実施例のように、第１、２処理対象物質Ｘ、ＹであるＡＢＦおよびＮＦ3を熱分解すると、それぞれからＨＦが生成されて、ＨＦを多量に含む排ガスを排出することになるので、排ガス排出管２６の他端にＨＦ回収装置（図示せず）を取り付けることにより、高濃度のＨＦを回収することができる。本実施例の熱分解装置１０とＨＦ回収装置とを組み合わせてＨＦ回収設備としてもよい。
【００５８】
以上のように、本実施例の熱分解装置１０によれば、第１処理対象物質Ｘ（＝ＡＢＦ）は熱分解される途中で生成される中間生成物質（＝ＮＨ3）と、第２処理対象物質Ｙ（＝ＮＦ3）とが爆発的に反応する性質を有しているが、第１熱分解空間４０において第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解した後、第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙと混合するようにしており、中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性を低減することができるので、２種類の処理対象物質Ｘ、Ｙを安全かつ安定的に継続して熱分解することができる。もちろん、本発明は上記の例に限定されるものではない。
【００５９】
また、本実施例の熱分解装置１０では、少なくとも、第１熱分解空間４０および第３熱分解空間４４の上端部にヒータ２４が配設されていることから、両空間４０、４４の上端部が高温領域になっている。そして、第１処理対象物質導入路５２が第１熱分解空間４０の下端部に接続されているとともに、第１連絡路４８が同空間４０の上端部と第２熱分解空間４２の上端部とを互いに連絡している。
【００６０】
これにより、第１熱分解空間４０に導入された第１処理対象物質Ｘは、同空間４０内の高温領域に向けて上昇しながら温度が高められることによって熱分解を促進させ、当該高温空間を通り抜けることによって完全に熱分解されてから、第２熱分解空間４２に入ることになる。
【００６１】
また、第１連絡路４８および第２連絡路５０がともに第２熱分解空間の上端部に接続されていることから、第２熱分解空間４２に導入された、熱分解後の第１処理対象物質Ｘ（すなわち、Ｎ2、Ｈ2およびＨＦ）は、同空間４２の上端部を通過して第２連絡路５０に入り、その一方で、第２熱分解空間４２の下端部に導入された第２処理対象物質Ｙは、同空間４２内を上昇し、その上端部において初めて熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流するようになっている。
【００６２】
このため、第２熱分解空間４２に導入された、熱分解後の第１処理対象物質Ｘは、導入後直ちには第２処理対象物質Ｙと混合しないので、万一、第１処理対象物質Ｘの熱分解によって生成された中間生成物質（＝ＮＨ3）が第２熱分解空間４２に流入したとしても、当該中間生成物質は、第２処理対象物質Ｙと合流するまでの間に第１熱分解空間４０からの余熱によって完全に熱分解されるので、該中間生成物質と第２処理対象物質Ｙとが混ざり合う可能性をさらに低くすることができる。
【００６３】
さらに、熱分解後の第１処理対象物質Ｘと合流した第２処理対象物質Ｙは、第２連絡路５０を通って第３熱分解空間４４の上端部に導入され、同空間４４の下端部に接続された排ガス排出路５６に向かって第３熱分解空間４４を上から下に通流するようになっており、この間にヒータ２４からの熱で完全に熱分解された後、排ガス排出路５６を通って系外に排出される。
【００６４】
さらに、第１処理対象物質Ｘを完全に熱分解することにより、第２処理対象物質Ｙ（＝ＮＦ3およびＮ2Ｏ）の熱分解に使用される物質（＝Ｈ2）が生成されることから、完全に熱分解された第１処理対象物質Ｘを第２熱分解空間４２で第２処理対象物質Ｙに混合させることにより、当該第２処理対象物質Ｙの熱分解に必要な物質を外部から別途供給することなく、少なくとも第３熱分解空間４４で第２処理対象物質Ｙを熱分解することができる。
【００６５】
なお、本実施例では、炉体１２の内部空間３２を隔壁１４で仕切ることによって３つの熱分解空間４０、４２、４４を形成しているが、これに代えて、内部空間を有しており、互いに独立した３つの炉体を用意し、これら炉体の内部空間を各熱分解空間４０、４２、４４として、順にダクト等（その内部が第１連絡路および第２連絡路となる。）を用いて連通させることにより、熱分解装置１０を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
Ｘ …第１処理対象物質
Ｙ …第２処理対象物質
Ｚ …キャリアガス
１０…熱分解装置
１２…炉体
１４…隔壁
１６…第１処理対象物質導入管
１８…第２処理対象物質導入管
２２…キャリアガス導入管
２４…ヒータ
２４ａ…本体部
２４ｂ…ヒータ部
２６…排ガス排出管
２８…第１処理対象物質気化促進装置
３０…ケーシング
３２…内部空間
３４…耐火断熱材
３６…耐火レンガ
３８…断熱ボード
４０…第１熱分解空間
４２…第２熱分解空間
４４…第３熱分解空間
４６…連通孔
４８…第１連絡路
５０…第２連絡路
５２…第１処理対象物質導入路
５４…第２処理対象物質導入路
５６…排ガス排出路
５８…樋
６０…樋保持台
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質、および
前記第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質を熱分解する熱分解装置であって、
互いに独立した３つの熱分解空間と、
少なくとも、前記第１熱分解空間の上端部、および前記第３熱分解空間の上端部に設けられたヒータと、
前記第１熱分解空間の上端部、および前記第２熱分解空間の上端部を連通する第１連絡路と、
前記第２熱分解空間の上端部、および前記第３熱分解空間の上端部を連通する第２連絡路と、
前記第１処理対象物質を前記第１熱分解空間に導入する第１処理対象物質導入路と、
前記第２処理対象物質を前記第２熱分解空間の下端部に導入する第２処理対象物質導入路と、
前記第３熱分解空間から処理済み排ガスを系外へ排出する排ガス排出路とを有する熱分解装置。
【請求項２】
前記第１、２処理対象物質を熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱分解装置。
【請求項３】
前記第１処理対象物質は、液体あるいは固体であって、
前記第１熱分解空間の下端部には、前記第１処理対象物導入路から導入された前記第１処理対象物質を受ける樋を有する第１処理対象物気化促進装置が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱分解装置。
【請求項４】
熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質、および
前記第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質の熱分解方法であって、
前記第１処理対象物質を、第１処理対象物質導入路を介してその上端部にヒータが設けられた第１熱分解空間に導入して熱分解し、
熱分解された前記第１処理対象物質を、第１連絡路を介して第２熱分解空間の上端部に導入するとともに、第２処理対象物質導入路を介して前記第２処理対象物質を前記第２熱分解空間の下端部に導入し、
熱分解された前記第１処理対象物質、および同物質と前記第２熱分解空間の上端部で混合された第２処理対象物質を、前記第２熱分解空間の上端部から第２連絡路を介して第３熱分解空間の上端部に導入し、前記第２処理対象物質を前記第３熱分解空間で熱分解する熱分解方法。
【請求項５】
前記第１、２処理対象物質を熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成されることを特徴とする請求項４に記載の熱分解方法。
【請求項１】
熱分解される途中で生成される中間生成物質が第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質、および
前記第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質を熱分解する熱分解装置であって、
互いに独立した３つの熱分解空間と、
少なくとも、前記第１熱分解空間の上端部、および前記第３熱分解空間の上端部に設けられたヒータと、
前記第１熱分解空間の上端部、および前記第２熱分解空間の上端部を連通する第１連絡路と、
前記第２熱分解空間の上端部、および前記第３熱分解空間の上端部を連通する第２連絡路と、
前記第１処理対象物質を前記第１熱分解空間に導入する第１処理対象物質導入路と、
前記第２処理対象物質を前記第２熱分解空間の下端部に導入する第２処理対象物質導入路と、
前記第３熱分解空間から処理済み排ガスを系外へ排出する排ガス排出路とを有する熱分解装置。
【請求項２】
前記第１、２処理対象物質を熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱分解装置。
【請求項３】
前記第１処理対象物質は、液体あるいは固体であって、
前記第１熱分解空間の下端部には、前記第１処理対象物導入路から導入された前記第１処理対象物質を受ける樋を有する第１処理対象物気化促進装置が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱分解装置。
【請求項４】
熱分解される途中で生成される中間生成物質が、第２処理対象物質と爆発的に反応する性質を有する第１処理対象物質、および
前記第１処理対象物質を完全に熱分解することによって生成される物質の一部と反応して熱分解される前記第２処理対象物質の熱分解方法であって、
前記第１処理対象物質を、第１処理対象物質導入路を介してその上端部にヒータが設けられた第１熱分解空間に導入して熱分解し、
熱分解された前記第１処理対象物質を、第１連絡路を介して第２熱分解空間の上端部に導入するとともに、第２処理対象物質導入路を介して前記第２処理対象物質を前記第２熱分解空間の下端部に導入し、
熱分解された前記第１処理対象物質、および同物質と前記第２熱分解空間の上端部で混合された第２処理対象物質を、前記第２熱分解空間の上端部から第２連絡路を介して第３熱分解空間の上端部に導入し、前記第２処理対象物質を前記第３熱分解空間で熱分解する熱分解方法。
【請求項５】
前記第１、２処理対象物質を熱分解することにより、回収の対象となる同一の有用成分が生成されることを特徴とする請求項４に記載の熱分解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−９６１９０（Ｐ２０１２−９６１９０Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７４９７（Ｐ２０１０−２４７４９７）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５９２０１０１０６）カンケンテクノ株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５９２０１０１０６）カンケンテクノ株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
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