全氟化碳或全氟化物的除害方法及除害裝置的製作方法

2023-07-31 05:12:36

專利名稱：全氟化碳或全氟化物的除害方法及除害裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造半導體、液晶等電子電路元件時，特別是清洗、腐蝕工序中產生排氣的除害方法及除害裝置，還涉及精煉鋁時產生有害氣體的除害方法及裝置。
以下，僅就本發明領域局限於電子電路元件製造時，在清洗和腐蝕工序中所用氣體的除害進行說明。
在CVD(化學氣相沉積)等半導體製造裝置中，形成各種薄膜時使用沉積氣體(例如SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、TEOS、PH3、B2H6、NH3、N2O等)，沉積工序終止後通常用清洗氣體(例如NF3、C2F6、CF4、SF6等)清洗半導體製造裝置內部。
這些氣體本身具有可燃性、爆炸性、腐蝕性、毒性等各種危險性質。因此排入大氣之前，必須使用具有氧化加熱之類手段的除害機構除害(無害化處理)。
對於CVD半導體製造裝置內使用的氣體而言，因發生複雜的分解反應而產生新的分解產物(例如F2、HF、SiOx等)，這些氣體隨未分解的沉積氣體和清洗氣體一道被排出。
作為上述情況的一個實例，在半導體製造中CVD之類半導體製造設備的操作一般進行如下使用SiH4(是對人體有毒，並有爆炸性的氣體)之類沉積氣體進行沉積→→用氮氣清除CVD腔室中殘留的SiH4氣體→→用C2F6(具有溫室效應，但無害)之類清洗氣體對CVD腔室內清洗→→用氮氣作為CVD腔室清洗氣體進行清洗→→以下反覆操作。
在上述CVD清洗時使用的氣體中有PFC。它是全氟化碳(Perfluorocarbon)的簡稱，其代表性的化合物有四氟甲烷、三氟甲烷和六氟乙烷等。如果把上面的碳(carbon)改成化合物(compound)，則PFC還表示NF3、SF6、SF4等不含碳的全氟化物。
本發明作為一種除害裝置和除害方法，雖然是以迄今尚未在技術上作到的除去前者PFC(全氟化碳)為目的而確立的，但是當然也能夠適用於包括後者全部PFC(全氟化物)的除害。
以CF4、C2F6為代表的PFC是不燃性的物質，而且氣體本身對人體的毒性尚且不知，至少尚不知道具有急性、亞急性毒性。然而，由於化合物本身穩定，排入大氣後能長期滯留不變。在大氣中消耗的壽命，四氟甲烷為五萬年，而六氟乙烷為一萬年，而地球溫室效應係數(以二氧化碳為1)四氟甲烷為4400，六氟乙烷為6200(20年後)，存在不能置於地球環境中的問題。因此，人們希望確立一種能夠消除以四氟甲烷和六氟乙烷為代表的PFC危害的除害手段。
但是，前者PFC，即以四氟甲烷、三氟甲烷和六氟乙烷為代表的化合物，由於C-F鍵穩定(鍵能大至130千卡/摩爾)，不容易分解，單純用加熱氧化極難分解。
例如，對於六氟乙烷而言，為了以切斷C-C鏈的方式分解，1000℃處理溫度時將處理風量限制在250升/分鐘以下是可能的，但是對於四氟甲烷而言，必須切斷鍵能最大的C-F鍵，即使在上述風量下也需要1400℃，即使如此也難於進行80％以上的除害。
此外，要達到1400℃以上高溫，使用電熱器時還受到發熱體材料的限制，長時間使用幾乎是不可能的。而且，裝置全體的保溫也難，即使組合使用絕熱材料也因全體容積過大而不能製成小型裝置。更重要一點的是熱能消耗過高。
另外，本領域中公開了以下一種新提案，即在國際公開號WO94/05399中公開的「氣體滷化碳的分解方法」，其中雖然報告了例如四氟甲烷除害時，若使氧氣並存，則於600～700℃下是可能的，但是詳細驗證其中記載的內容後，此條件下完全不能除害。
雖然有人試驗主動導入氫氣來熱分解PFC，但是必須使處理溫度處於高溫下，而且氫氣是可燃性、爆炸性氣體，所以從安全觀點來看尚未決定採用。
鑑於此，人們要求提供一種能夠在儘可能低溫下(熱能消耗低)，以PFC高除害率將其分解除害的除害方法和除害裝置。
本發明提出的除害方法和除害裝置，能在低溫下消除PFC危害，派生的氟成分用單獨洗滌或固定的方式消除，其它成分基本上轉變成二氧化碳和水排入大氣之中。具體方法如下在製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中任一種或兩種以上氣體後，在非氧化性氣氛下，在低於以往的溫度(600～1300℃)下使上述混合氣體熱分解。
上述「非氧化性氣氛」詳見後述，但是用一句話說是指混合氣體熱分解時周圍不存在氧的狀態。
事先水洗上述被處理氣體，不僅能在氣體分解處理前除去製造設備排出的被處理氣體中所含的可溶性成分和粉塵等，而且還能在被處理氣體含水的情況下，使全氟化碳或全氟化物熱水解。
在添加過量烴氣體的時候，由於熱分解氣體中有未反應的烴氣體，上述熱分解反應中生成了碳，所以應當在以下步驟中將其燃燒除去。所說的「可燃性成分」就指「剩餘的烴氣體」和「碳」。
上述說明若以在CF4、C2F6等非氧化性氣氛下以C3H8的熱分解反應為例，可以表示如下(游離基)……(在氣體分解塔或氣體分解室內分解)
……(在氣體分解塔或氣體分解室內分解)
……(在氣體分解塔或氣體分解室內分解)……(在燃燒塔或燃燒室內燃燒)6HF…用第二滌氣器或吸收塔除去進而用水洗或化學吸附將上述熱分解產生的含氟化合物除去。水洗或化學吸附步驟與可燃性成分燃燒除去步驟的順序可先可後。
具體裝置由以下設備構成(a)在製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解塔(2)；(b)使氣體分解塔(2)內分解處理後的氣體中可燃性成分燃燒的燃燒塔(4)；(c)設置在氣體分解塔(2)和燃燒塔(4)內的加熱器(16)；(d)向氣體分解塔(2)供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管(6)；(e)向燃燒塔(4)供給空氣的空氣導入管(9)；及(f)與燃燒塔(4)串連連接的第二水滌氣器(3)或充填有顆粒狀氧化鈣或碳酸鈣的吸附塔(3a)。
也可以在氣體分解塔(2)的上遊側，設置對製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體，在氣體分解之前進行水洗用的第一水滌氣器(1)。
還可以在水槽(10)上設置第一水滌氣器(1)、氣體分解塔(2)、第二水滌氣器(3)或氣體分解燃燒塔(11)(21)，這些設備也可以單個分開設置。
上述燃燒塔(4)和第二水滌氣器(3)或吸附塔(3a)，均可以處於上遊側，如

圖1(A)、(B)所示。附圖1(C)中吸附塔(3a)雖然在燃燒塔(4)上遊側，但是燃燒塔(4)也可以在吸附塔(3a)的上遊側。
如附圖2(A)、(B)和(C)以及附圖3～5所示，氣體分解室(12)(22)和燃燒室(14)(24)可以被隔壁(13)(23)隔開，使氣體燃燒分解塔(11)(21)形成一體。關於氣體燃燒分解塔(11)(21)的細節將在後面介紹。
上述發明的主要單元操作分為以下三個階段(a)PFC的熱分解(b)生成含氟化合物的洗滌排氣或固定除去(c)其它可燃性成分(剩餘烴氣體和碳)的燃燒除去本發明最重要的構成步驟是上述(a)中的PFC熱分解，它形成這樣一種處理方法，即能在通常單純熱分解所需氣氛溫度大幅度降低的條件下，使除害率「[導入除害裝置內氣體中所含PFC濃度-(排出氣體中所含PFC濃度/導入除害裝置中氣體中的PFC濃度)×100]」達90％以上。
作為本發明核心內容的PFC的熱分解，可以使用電熱器作為熱源，或者以液化石油氣(LPG)、液化天然氣(LNG)之類液體燃料或甲烷、氫氣、一氧化碳等氣體燃料為熱源的火焰燃燒手段，而且加熱用熱源的位置可以處於氣體分解塔(2)(或氣體分解室(12)(22)。以下除附圖2～5之外，凡是提到氣體「分解塔」，均包括氣體分解室(12)(22))的外部或內部。
在氣體分解塔(2)空間內以PFC為主成分，通常通入與載氣氮氣混合後的被處理氣體。而且同時向其中供給低級飽和或不飽和烴氣體(其中所謂「低級」是指C1～C8成分的，特別優選C1～C4成分的飽和烴)或氨氣，或同時供給這些氣體的混合氣體。
這種場合下，條件之一是例如在CVD內並用O2或O3的情況下，雖然使用的殘氣以排氣形式流入分解塔，但是沒有人為注入其它的O2和O3或外部空氣，至少使氣體分解塔內不變為氧化狀態。這種狀態是指，在非氧化性氣氛中，在氣體分解塔(2)或氣體分解室(12)(22)內不存在游離氧的狀態。
這種狀態下，雖然PFC的分解是在被處理氣體中的PFC濃度、處理氣體風量、氣體分解塔內空間溫度等均處於預定條件下進行的，但是可以證明此時氣氛氣體的溫度與氧化性氣氛下氣體系統中處理溫度相比，即使低幾百度也能幾乎能完全除害。
據認為，這是因為以PFC分解處理劑形式導入的烴氣體或氨氣在非氧化性氣氛下產生熱分解(例如使用丙烷時，生成甲烷、乙烷、乙烯、丙烯和氫氣等多種分解產物)，在該分解過程中生成游離基狀態的活潑氫使PFC分解，PFC中的F成分以F2或HF形式被分離的緣故。
此外，PFC單獨或者在氧化性氣氛中，即使在接近使用材料溫度極限的高溫下也難以獲得使除害率達到超過80％的結果，這說明在氣體分解塔內化合物的分解機制與本發明完全不同。
按照本發明，氣體分解塔排出的處理氣體變成F2或HF，而分解處理劑則根據剩餘烴分解氣體和條件而變成炭黑。因此，含氟排氣和可燃性氣體兩種成分氣體均分別被處理得無害化。
也就是說，前者通過水滌氣器而被吸收溶解在水中，或者被氧化鈣或碳酸鈣固體吸附劑吸附分離後排出系統之外。而後者在外部空氣存在下將其燃燒，變成最後處理氣體排入大氣。
以下用優選實施例說明本發明。
在本發明的除害裝置中，將(a)PFC的熱分解，(b)產生含氟化合物的洗滌排氣或固定除害，(c)其它可燃性成分的燃燒除害等實施上述三要素的各種裝置結合容納成一體。
附圖1是本發明除害裝置概要的示意圖。附圖1中，(1)是設置在氣體分解塔(2)前端(上遊側)的前部水滌氣器(第一水滌氣器)。經由含有PFC的被處理氣體導入管(5)被送來的含有PFC的被處理氣體，最初通入此前部水滌氣器水洗。
從前部水滌氣器(1)排出的被處理氣體，通過水槽(10)被送入氣體分解塔(2)。用電熱器(16)對氣體分解塔(2)加熱，可以採用外部加熱或內部加熱。本實施例中，豎式電熱器(16)自頂板垂直設置在氣體分解塔(2)內。無論哪種情況下，在氣體分解塔(2)內部都有腐蝕性氣體F2和HF發生，金屬材料受這些物質腐蝕，必須使用像ィンコネル(Inconel)(商標)合金之類的高鎳含量合金製造氣體分解塔(2)，或者在氣體分解塔(2)內表面用三氧化二鋁為主體的陶瓷材料塗覆。將電熱器(16)設在氣體分解塔(2)內部的情況下，為了保護加熱器起見，應當將發熱體插入三氧化二鋁類陶瓷保護管內。
用PFC氣體對CVD之類半導體製造裝置的腔室內進行清洗後，將氮氣送入上述腔室內，用氮氣衝洗腔室內使用過的PFC氣體。因上述衝洗氮氣變成載氣，雖然將以CF4和C2F6為代表的PFC使用後的氣體導入氣體分解塔(2)中，但是在該場合下於CVD中使用的O2和O3之類氧化劑殘氣也同時被導入除害裝置中。然而，不必強制性地向氣體分解塔(2)內補加氧氣或空氣之類的氧化劑。
通過還原性氣氛形成劑導入管(6)，主動向氣體分解塔(2)內導入低級(C1～C8成分)飽和或不飽和烴類或氨氣或其混合氣體作為還原性氣氛形成劑，在還原氣氛中使PFC氣體分解。
所說的低級飽和或不飽和烴類，可以使用甲烷、乙烷、丙烷、正或異(以下同樣)丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯，也可以使用苯、甲苯、二甲苯之類芳烴。此外，還可以使用城市碳氣。
但是，烴類中C與H之比，C越多殘碳就越多，越容易產生碳，所以優選使用甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等。
此外，氨與烴類同樣與多個氫原子結合，具有氫原子給予體的作用，所以同樣可以作為還原性氣氛形成劑使用。使用氨的情況下，中和氣體分解塔中生成的HF生成NH4F鹽，因而有望產生防止裝置材料腐蝕的效果。
作為還原性氣氛形成劑，既可以單獨使用上述任何一種氣體，也可以將兩種以上氣體混合使用。
在本發明能夠除害的廣泛PFC濃度範圍內，對於100ppm～5％範圍內有害物質而言至少能夠除去90％以上。而對於100ppm以下和5％以上有害物質而言，雖然也能除害，但是除害率有時不能達到90％以上。
本發明中處理氣體的風量，優選處於5～700升/分鐘範圍內。在5升/分鐘以下風量處理，裝置的能量效率降低，不起作用。而大於700升/分鐘的情況下，處理氣體傳遞能量的作用不充分，除害率有降低的趨勢。
PFC分解時共存的還原性氣氛形成劑的氣體量，對於1摩爾PFC而言適用0.1～3摩爾。在0.1摩爾以下使用時，作為本發明目的的分解溫度降低和除害率提高的效果不足，而3摩爾以上的情況下，除害率雖然能夠達到90％以上，但是在處理排氣中碳之類的熱分解產物增加，烴類浪費而且處理後氣體的後續工序也變得複雜，因而不好。
氣體分解塔(2)內的溫度，無論將熱源置於氣體分解塔(2)的內部或外部，與沒有單純熱分解(包含氧化分解)的情況相比，本發明方法可以在低數百度溫度區內進行處理。
在單純熱分解的情況下，例如C2F6處理實例中，在1100～1200℃溫度區域除害率僅為80～85％，而且處理後氣體中還產生副產物CF4。此外，對於CF4而言，即使在1400℃溫度區域除害率最高也只有70％，遠遠低於本發明目的的90％。以電熱器(16)作熱源時，技術上也難在1400℃左右長時間使用，應當只在1100℃以下使用。
與此相比，按照本發明利用已有的PFC單獨或氧氣共存下可以在低溫下除害，例如C2F6處理時850℃就足夠了，而對CF4而言，在1000～1100℃下能夠以90％以上除害率的處理。
導入分解塔中的烴氣體，若使用氧氣或臭氧作為CVD清洗工序中氧化PFC用氣體，烴氣體與氧氣或臭氧的殘餘成分反應將其消耗，並進一步被處理溫度下的熱分解而變成各種成分。
例如在丙烷情況下，780℃下熱分解變成甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、氫氣和碳之類物質。該過程中，C2F6和CF4之類物質也參與PFC分解過程，以F2或HF成分形式下脫離F成分。
在氣體分解塔中處理過的PFC中的F成分，以F2和/或HF形式被排出。處理過的這種氣體通過後部的水滌氣器(第二滌氣器)(3)將F成分溶解在水中，或者將其導入具有氧化鈣或碳酸鈣固體填充物的吸附塔，以CaF2形式被吸附除去。
上述任何方法中除去了F成分的氣體，被送入處理後氣體燃燒塔(4)中。在這裡與經由空氣導入管送來的外部空氣混合，使可燃性成分燃燒，形成二氧化碳和水後經由向大氣排氣管(8)排入大氣之中。附圖中(7)表示抽氣扇。
也可以將處理後氣體燃燒塔(4)和後部水滌氣器(3)的位置顛倒，使氣體分解塔處理過的氣體，在燃燒塔(4)中燃燒後，通過後部水滌氣器(3)冷卻排入大氣中。也就是說，只要將處理後氣體燃燒塔(4)和後部水滌氣器(3)串連排列，何者在先均可。
實施例1
本實施例是依次用第一水滌氣器(1)、氣體分解塔(2)、第二滌氣器(3)和燃燒塔(4)處理的實例。
將含有1％CF4和99％N2的30升混合氣體，經前部水滌氣器(1)(第一滌氣器)水洗後，通入氣體分解塔(2)中。這種氣體分解塔(2)內壁用氧化鋁質可澆鑄成型的耐火材料覆蓋，其內部設有15根棒狀電熱器(16)(封入氧化鋁質保護管中)，以懸垂狀態保持在其中。
以0.3升/分鐘速度向氣體分解塔(2)中供給90％丙烷和10％正丁烷混合氣體作為還原性氣氛形成劑。加熱器表面溫度保持在1100℃。利用設置在設備外部的風扇(7)抽吸作用，使系統內部保持在負壓狀態下，通過後部水滌氣器(3)(第二水滌氣器)將氣體分解處理時副產的F2和HF吸收溶解在水中。這種情況下的用水量為10升/分鐘。
然後將第二水滌氣器(3)洗滌後的氣體，通入保持在500℃下的燃燒塔(4)中，在從外部導入空氣的共存下使之氧化燃燒。處理後的氣體中CF4濃度，經測定為50ppm，CF4除害率為99.5％。
對照例1向與實施例1相同的除害率裝置中，以30升/分鐘風量供給與實施例1相同CF4組成的氣體。然後使加熱器表面溫度保持在1100℃下，完全不供給作為還原性氣氛形成劑使用的烴氣體，處理後氣體中CF4的濃度經測定為9100ppm，即除害率僅為9％。
上述溫度條件下，再自外部以5升/分鐘流量補充通入空氣，處理後氣體中CF4濃度經測定為3000ppm，CF4除害率為70％。
以上結果說明，與對照例比較，儘管本發明溫度低350℃，但是卻能夠幾乎完全除害。因此，由於能夠在溫度低300～400℃的條件下達到除害目的，所以能夠降低能耗，從裝置耐熱性的觀點來看材料的選擇範圍也加大。
實施例2本實施例雖然也是按照第一水滌氣器(1)、氣體分解塔(2)、第二滌氣器(3)和燃燒塔(4)的順序處理的實例，但是與實施例1相比，處理對象的PFC和所用的還原性氣氛形成劑不同。
將由2％C2F6、97.5％N2和氧氣0.1％組成的混合氣體，以100升/分鐘速度經前部滌氣器後，送入氣體分解塔中。
這種氣體分解塔(2)由SUS316L製成，其內壁覆蓋氧化鋁質可澆鑄的耐火材料，塔外周纏繞電熱絲(未示出)，屬於從外部進行加熱的結構。以4升/分鐘速度，向這種分解塔(2)內部供給由88％甲烷、6％乙烷、4％丙烷和2％丁烷組成的城市碳氣(13A)作為還原性氣氛形成劑。使分解塔(2)內部空間溫度保持在850℃。經過處理的氣體，在後部水滌氣器(3)(以15升/分鐘速度供水)洗滌後，通入從外部供給空氣並保持在600℃下的燃燒塔(4)中，然後排出。
此外，在此條件下於後部水滌氣器(3)中懸浮有碳粉(粉末狀碳)，將霧狀的碳送入燃燒塔(4)中除去。
排入大氣氣體中C2F6測定值為400ppm，除害率為98％，而且沒有發現處理氣體中存在CF4。
實施例3在上述實施例2的條件下，使用具有填充大豆粒度的顆粒狀氧化鈣的吸附塔(3a)代替後部水滌氣器(3)的裝置，使氣體分解塔(2)處理後的氣體通過此吸附塔(3a)。在外部風扇(7)抽吸的條件下，排出的氣體中沒有發現任何酸洗液成分。
對照例2除了未供給城市碳氣之外，與實施例2同樣條件處理PFC排氣。排入大氣中氣體檢測後，殘留的C2F6濃度為1.76％。也就是說，除害率為12％。此外，在處理氣體中還新副產有CF4。因此，PFC除害率比上述的12％還差。
上述條件中除了使塔內空間溫度保持在1150℃以外其它相同，對C2F6除害後排氣中C2F6濃度為4000ppm，除害率為80％。此外還發現副產了CF4成分。
實施例4本實施例是本發明裝置的一種變形實例，附圖2表示本發明裝置的概況，圖中(A)是俯視剖視圖，圖(B)是正視剖視圖。
附圖2中，(11)是氣體分解燃燒塔，通過耐熱性隔壁(13)將起氣體分解塔作用的分解室(12)和起燃燒塔作用的燃燒室(14)相鄰連接成一體。也就是說，在本發明實施例裝置中，可以將氣體分解燃燒塔(11)視為用隔壁將分解塔和燃燒塔連接成一體的設備。(這種情況在後面的實施例5也相同。)隔壁(13)由陶瓷材料製成，例如可以使用由カォゥ-ル製成的隔板。
在氣體分解燃燒塔(11)周圍設有陶瓷內襯絕熱層(15)。
(16)是加熱器，自氣體分解燃燒塔(11)的頂板(11a)下垂，設置在氣體分解室(12)和燃燒室(14)內。(17)是還原性氣氛形成劑導入管，與連接前部水滌氣器(1)和氣體分解室(12)的配管(5a)相連，將還原性氣氛形成劑混入經前部水滌氣器(1)水洗後的被處理氣體中，將此混合氣體送入氣體分解燃燒塔(11)中。
(18)是空氣導入管，與燃燒室(14)連接，將外部空氣送入燃燒室(14)中。
經前部水滌氣器(1)導入氣體分解室(12)中的被處理氣體，在氣體分解室(12)中的還原氣氛下被分解處理，在保有熱能的情況下經由隔壁(13)上部間隙流入相鄰的燃燒室(14)，在氧化氣氛下被燃燒處理，然後經設置在其下遊的水滌氣器(3)冷卻、洗滌後排入大氣中。
氣體分解室(12)和燃燒室(14)由隔壁(13)隔開，並經隔壁(13)上端的連通口(11b)連通，在氣體分解室(12)內邊上升邊分解的被處理氣體，經由此連通口(11b)進入燃燒室(14)，在這裡一邊向水槽(10)方向流動，其中的可燃性成分一邊被燃燒。因此，由於二者間不存在附圖1所示的後部水滌氣器(3)而沒有冷卻問題，所以能夠降低能耗。
若採用這種結構的裝置，則與附圖1所示的那種標準型裝置相比，即與單獨設置氣體分解塔(2)和燃燒塔(4)的情況相比，能夠使裝置全體更加緊湊，縮小裝置設置的佔地面積。
此外，由於在氣體分解塔(11)正下方不必設置水槽(10)，可以將水槽(10)以水平位置設置在氣體分解燃燒塔(11)之後，所以還能夠節省因來自上部高溫部分(即分解燃燒塔(11))的輻射熱加熱水槽(10)中水造成的熱量損耗。
不僅如此，通過空氣導入管(18)導入燃燒室(14)中的外部空氣，由於在燃燒室(14)內向下方移動的過程中，經由隔壁(13)被氣體分解室(12)中的熱能加熱，所以能夠進一步降低使用的能量。
以下就本實施例與附圖1所示單獨設有氣體分解塔(2)和燃燒塔(4)以及在氣體分解塔(2)和燃燒塔(4)之間設置水滌氣器的獨立型的設備，對其除害率和使用能量進行比較。
首先說明獨立型設備，以60升/分鐘速度向分解塔(2)中通入1.5％ CF4和98.5％ N2的混合氣體，以0.6升/分鐘速度向其中供給90％丙烷和10％正丁烷混合氣體作為還原性氣氛形成劑，加熱器保持在1300℃。
從燃燒塔(4)排出的氣體分析後，含CF4500ppm，除害率為96.7％。此外正常狀態下電力消耗為7千瓦/小時。
由於這種分解塔(2)內容積為24升，處理氣體流量為60.6升/分鐘＝3636升/小時，所以SV(空間流速)＝3636/24＝151.5/小時。
另一方面，對於本實施例裝置而言，在與上述相同的氣體組成和加熱器溫度下對CF4除害後，處理後氣體中CF4濃度為400ppm，除害率為97.3％。
正常狀態下電力消耗為3.5千瓦/小時，能耗大約僅為獨立型設備的1/2。
由於本實施例中氣體分解室的內容積是21升，處理氣體的流量為60.6升/分鐘＝3636升/小時，所以SV＝3636/21＝173.1/小時。
也就是說，本實施例的裝置不僅SV大許多，而且能夠得到與獨立型設備幾乎相同的除害率，此外能耗也能降低到1/2。
實施例5本實施例涉及在能夠使用電熱器(26)的溫度下，提高PFC除害率，進一步提高熱能效率的裝置。
為了提高PFC氣體的除害率，必須使設備結構能夠將能量充分傳遞給被處理氣體，並能確保其處理時間。
因此，本實施例中為了在水平設置電熱器(26)的同時，能夠確保熱量的傳播和屏蔽，進而對氣流有充分的攪拌效果，在電熱器下方位置處，以爐柵形式水平設置數根耐熱棒(29)。
附圖3示出的是本實施例裝置的概要。(30)是含有PFC的被處理氣體導入管，(20)是水槽，(31)是第一水滌氣器，(21)是氣體分解燃燒塔，(32)是第二水滌氣器，(33)是通往大氣的氣體排氣管。從製造設備排出的含有PFC的被處理氣體，經含有PFC的被處理氣體導入管(30)，經過水槽(20)上部空間被送入第一水滌氣器(31)中。當然，也可以直接從第一水滌氣器(31)的下端導入。
附圖4是氣體分解燃燒塔(21)的側視剖面圖，附圖5是氣體分解燃燒塔(21)的水平剖面圖。氣體分解燃燒塔(21)內被具有耐熱性的隔壁(23)分割成起氣體分解塔作用的氣體分解室(22)和起燃燒塔作用的燃燒室(24)，在所說的隔壁(23)上端具有連通分解室(22)和燃燒室(24)的連通口(21b)。因此，在氣體分解室(22)被還原性氣氛下分解處理的氣體，能夠從隔壁(23)上部的連通口(21b)流入燃燒室(23)中。
與實施例4同樣，分解室(22)和燃燒室(24)之間被隔壁(23)隔開相鄰，而且二者之間因不存在第二水滌氣器(3)，因而氣體分解處理後不會象如圖1那樣，有被第二水滌氣器(3)冷卻的問題，所以能夠降低能耗。
隔壁(23)由陶瓷材料製成，例如可以使用由カォゥ-ル製成的隔板。為了減少氣體分解燃燒塔(21)的熱能損失，用陶瓷材料形成內襯絕熱層(25)。(27)是還原性氣氛形成劑導入管，(28)是空氣導入管。
(26)是電熱棒，以水平方向設置得貫穿氣體分解燃燒塔(21)及其內部隔壁(23)。之所以水平方向設置電熱棒(26)，是因為直立(使之垂直)設置時容易產生溫度不均。
也就是說，由於即使加熱器上部達到設定溫度，氣體分解室(22)內的氣氛氣體受氣流影響上部更熱，所以將電熱器(26)垂直設置的情況下，在加熱器中央以下的下層難於保證分解所需的充分溫度。另一方面，若將下層溫度控制在高於設定溫度，則加熱器上部容易處於過熱狀態下，不但使能量效率降低，而且還容易產生電熱器(26)中發熱體(26a)熔斷等問題。
此時若將電熱器(26)水平設置，則沿電熱器(26)的長度方向能夠保持溫度均勻分布，可以合理形成一種PFC氣體熱分解所需溫度的氣氛氣體。
此外，將除害率裝置設置在潔淨室內的情況下，在潔淨室的頂板和除害裝置之間往往不能保證有足夠的空間，更換有故障的加熱器時將電熱器(26)直立垂直狀態設置不適合操作，但是像本實施例那樣將電熱器(26)水平設置時，可以沿水平方向取出電熱器(26)，所以具有極容易操作的優點。
電熱器(26)的使用根數以6～12根為宜，分2～4排等距離設置，設置時將各排水平設置位置錯開，使氣體難於直接進入。在本實施例中考慮到使用上的方便，每排三根三排共計九根。其中使用的電熱器(26)，是將SiC制的發熱元件(26a)插入外徑φ40的有99.5％α-氧化鋁製造的保護管(26b)中而製得的。
(29)是在最下排電熱器(26)下方100毫米處水平設置的數根耐熱棒，沿水平方向設置得貫穿隔壁(23)。本實施例中，電熱器(26)和耐熱棒(29)雖然是平行設置(縱向設置為同一方向)的，但是也可以使之成正交方向設置。
耐熱棒(29)優選耐熱性達1300℃以上的和對F2和HF具有耐腐蝕性的，可以使用陶瓷棒材等，但是以Al2O3為主要成分的斷面呈圓形的棒材特別適用。耐熱棒(29)可以使用實心(棒材)或空心(管材)的，本例中雖然使用了φ10毫米的99.5％α-Al2O3制的管材，由5段組成共計48根，但是管徑和使用的根數並不限於此，可以適當選擇確定。其設置與加熱器(26)同樣都應當使氣體難於直線前進，使各段沿水平方向的位置互相錯開。
耐熱棒(29)具有與鍋爐結構中爐柵同樣的效果，即防止被上部加熱器所加熱，導致熱能傳遞到氣體分解燃燒塔(21)下方，同時還能對含有PFC的氣體以及由還原性氣氛形成劑導入管送入的還原性氣氛形成劑進行預熱。
此外，通過數根耐熱棒(29)的間隙流過的含PFC的氣體和還原性氣氛形成劑，在耐熱棒(29)作用下可以被產生的紊流混合。
由於耐熱棒(29)使流速降低，所以能夠充分保證氣體在氣體分解塔(21)內的滯留時間，可以提高除害率。
鑑於電熱器(26)貫通設置在氣體分解燃燒塔(21)及其內部隔壁(23)，而且耐熱棒(29)也是貫通隔壁(23)設置的，所以應當在這些貫通處塗布具有耐熱性和耐腐蝕性的以陶瓷纖維為主要成分的密封劑，防止氣體洩漏。
本實施例裝置中各部分的溫度如下加熱器表面1200～1350℃氣體分解室空間和燃燒室空間1200～1300℃氣體分解室下部(加熱器下方，耐熱棒上方)800℃氣體分解室最下部分(耐熱棒下方被處理氣體導入部分)200～300℃燃燒室下部(加熱器下方，耐熱棒上方)1200℃燃燒室最下部(耐熱棒下方處理氣體排出部分)800℃第二水滌氣器出口後部200℃。從這些結果可以看出，耐熱棒(29)能夠有效地防止熱能向下方傳播的效果。
進而用本實施例裝置進行實際除害。
以140升/分鐘流速，將1％CF4、99％N2的混合氣體經由第一滌氣器(31)導入處於上方位置的分解室(22)中。
以1.4升/分鐘的流速，將作為還原性氣氛形成劑使用的丙烷，通過與第一滌氣器(31)上方連接的還原性氣氛形成劑導入管(27)導入氣體分解室(22)中，用於在與CF4共存下熱分解。
在氣體分解室(22)內熱分解的氣體(23)，從隔壁(23)上部的間隙移入燃燒室(24)中，與從空氣導入管(28)送入的外部空氣一起在燃燒室(24)內燃燒除去可燃性成分，經處於燃燒室(24)下方的第二水滌氣器(32)冷卻、洗滌後排入大氣。
對第二水滌氣器(32)排出的氣體分析後，CF4為50ppm。也就是說CF4的除害率為99.5％。此外，以上除害所使用的電量為9千瓦/小時。
除了以3.6升/分鐘流速使用氨氣作為還原性氣氛形成劑之外，在與上述同樣條件下除害。結果經處理氣體中CF4為60ppm，CF4的除害率為99.4％。
對照例3除了為比較垂直設置了9根電熱器，以及完全不使用耐熱棒之外，使用與實施例5同樣的裝置對CF4除害。
處理氣體量降低到120升/分鐘，在同一溫度下使用1.2升/分鐘丙烷處理後，經處理的氣體中CF4為2500ppm，除害率為75％。
此外此時的電力消耗量為15千瓦/小時，為實施例5裝置的1.7倍。由此也能說明，實施例5的除害裝置除害率高，能耗低。
附圖6是與附圖3所示實施例之外的，將電熱器(26)相對於隔壁(23)平行設置的實例。在附圖4的場合下，為了使排氣不能從分解室(22)通過被電熱器(26)貫通的隔壁(23)上的通孔(23a)流入燃燒室(24)一側，而將上述隔壁(23)的通孔(23a)完全封閉，將電熱器(26)固定在隔壁(23)上。這種情況下，對電熱器(26)通電加熱時，電熱器(26)的Al2O3制保護管(26b)在熱膨脹時因隔壁(23)的約束而破損，但是將電熱器(26)相對於隔壁(23)平行設置的情況下，電熱器(26)相對於隔壁(23)是自由的，在通電加熱時不破損。
發明的效果如上所述，本發明可以提供一種對低溫下除害難的PFC成分具有高除害率，而且能夠在低能耗下除害的除害方法和除害裝置。
附圖的簡要說明附圖1(A)表示本發明實施例1中除害裝置的結構示意圖。(B)表示本發明實施例1除害裝置的一種變形的結構示意圖。(C)表示本發明實施例3中除害裝置的結構示意圖。
附圖2(A)(B)本發明實施例4中除害裝置的俯視和正視剖視圖。(C)上述實施例4裝置的另一種結構的正視剖視圖。
附圖3表示本發明實施例5除害裝置結構的示意正視剖視圖。
附圖4附圖3裝置中分解燃燒塔的側視剖視圖。
附圖5附圖3裝置中分解燃燒塔的俯視剖視圖。
附圖6表示本發明附圖3除害裝置的另一種結構的正視剖視圖。
附圖使用符號的說明(1)前部水滌氣器(第一滌氣器)(2)PFC除害分解塔(3)後部水滌氣器(第二滌氣器)(4)處理後氣體燃燒塔(5)含有PFC被處理氣體的導入管(6)還原性氣氛形成劑導入管(7)抽吸風扇(8)直通大氣的排氣管(9)空氣導入管(10)水槽(11)氣體分解燃燒塔(12)氣體分解室(13)隔壁(14)燃燒室(15)內襯陶瓷隔熱層(16)加熱器(17)烴氣體導入管(18)空氣導入管(21)氣體分解燃燒塔(22)氣體分解室(23)隔壁(24)燃燒室(26)電熱器(29)耐熱棒
權利要求
1.一種全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體後，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解。
2.按照權利要求1所述的全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於在600～1300℃溫度下，在非氧化性氣氛下進行上述混合氣體的熱分解。
3.按照權利要求1或2所述的全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於在上述混合氣體中添加水分。
4.一種全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於由以下步驟構成(a)在由製造設備排出的含全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中任一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的步驟；(b)燃燒熱分解氣體，除去熱分解氣體中可燃性成分的步驟，和(c)水洗或化學吸附除去熱分解產生的氟化物的步驟。
5.一種全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於由以下步驟構成(a)在製造設備排出含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中任一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的步驟；(b)水洗或化學吸附除去熱分解產生的氟化物的步驟，和(c)燃燒熱分解氣體，除去熱分解氣體中可燃性成分的步驟。
6.按照權利要求4或5所述的全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於首先將由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體水洗，然後在非氧化性氣氛下熱分解。
7.一種全氟化碳或全氟化物的除害方法，其特徵在於由以下步驟構成(a)對製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體水洗的步驟；(b)混合烴氣體或氨氣中任一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的步驟；(c)燃燒熱分解氣體，除去熱分解氣體中可燃性成分的步驟，和(d)水洗或化學吸附除去熱分解產生的氟化物的步驟。
8.按照權利要求1、2、3、4、5或7中任何一項所述的全氟化碳氣體的除害方法，其特徵在於熱處理時與被處理氣體混合的氣體，是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或氨氣中一種或兩種以上氣體的混合氣體。
9.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解塔；(b)與上述氣體分解塔相連，使使分解塔中分解的處理後氣體中的可燃性成分燃燒的燃燒塔；(c)設置在氣體分解室和燃燒室內的加熱器；(d)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(e)向燃燒室供給空氣的空氣導入管；以及(f)設置在燃燒塔下遊側的第二水滌氣器。
10.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解塔；(b)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(c)設置在氣體分解塔下遊側的第二水滌氣器；(d)與第二水滌氣器下遊側相連，使第二水滌氣器洗滌的洗滌氣體中可燃性成分燃燒的燃燒塔；(e)設置在氣體分解室和燃燒室內的加熱器；以及(f)向燃燒室供給空氣的空氣導入管。
11.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解塔；(b)與上述氣體分解塔下遊側相連，使氣體分解塔中分解處理後氣體中可燃性成分燃燒的燃燒塔；(c)設置在氣體分解室和燃燒室內的加熱器；(d)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(e)向燃燒室供給空氣的空氣導入管；以及(f)設置在燃燒出塔下遊測的、充填有顆粒狀氧化鈣或碳酸鈣的吸附塔。
12.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解塔；(b)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(c)設置在燃燒出塔下遊測的、充填有顆粒狀氧化鈣或碳酸鈣的吸附塔；(d)與上述吸附塔下遊側相連，使吸附塔排出吸附處理氣體中可燃性成分燃燒的燃燒塔；(e)設置在氣體分解室和燃燒室內的加熱器；以及(f)向燃燒室供給空氣的空氣導入管。
13.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)分解燃燒塔，是由在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解室，和使上述分解室分解處理氣體中可燃性成分燃燒的燃燒室，上述分解室和燃燒室通過耐熱性隔壁形成一體，並在隔壁上端部互相連通而成；(b)氣體分解室和燃燒室內設置的加熱器；(c)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(d)向燃燒室供給空氣的空氣導入管；以及(e)設置在氣體分解燃燒塔下遊側的第二水滌氣器。
14.一種全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於由以下設備所構成(a)分解燃燒塔，是由在由製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中，混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解室，和使上述分解室分解處理的氣體中可燃成分燃燒的燃燒室，上述分解室和燃燒室通過耐熱性的隔壁形成一體，並在其上端部互相連通而成；(b)氣體分解室和燃燒室內設置的加熱器；(c)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(d)向燃燒室內供給空氣的空氣導入管；以及(e)設置在氣體分解燃燒塔下遊側、充填有顆粒狀氧化鈣或碳酸鈣的吸附塔。
15.按照權利要求9～14中任何一項所述的全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於將第一水滌氣器設置在氣體分解燃燒塔上遊側，水洗由製造裝置排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體，然後進行氣體分解。
16.按照權利要求9～14中任何一項所述的全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於將加熱器水平設置在氣體分解室和燃燒室內。
17.按照權利要求9～14中任何一項所述的全氟化碳或全氟化物的除害裝置，其特徵在於將爐柵水平設置在氣體分解室和燃燒室內加熱器的下方。
18.一種全氟化碳的除害裝置，其特徵在於由以下設備構成(a)對由製造裝置排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體水洗用的第一水滌氣器；(b)氣體分解燃燒塔，是由與上述第一水滌氣器上端相連、在經第一水滌氣器水洗的被處理氣體中混合烴氣體或氨氣中任何一種或兩種以上氣體，在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解的氣體分解室，和使經上述分解室分解處理後的氣體中可燃成分燃燒的燃燒室，上述氣體分解室和燃燒室通過耐熱性隔壁形成一體，並在其上端部互相連通而成；(c)水平設置在氣體分解室和燃燒室內的加熱器；(d)在氣體分解室和燃燒室內水平設置在加熱器下方的爐柵；(e)向氣體分解室供給還原性氣氛形成劑的還原性氣氛形成劑導入管；(f)向燃燒室供給空氣的空氣導入管；(g)與燃燒室下端連接的第二水滌氣器；以及(h)設置第一水滌氣器和第二水滌氣器的水槽。
全文摘要
提供了一種能夠在儘可能低的溫度下(消耗的熱能少),以高除害率分解除去PFC成分的方法。一種全氟化碳或全氟化物的除害方法,其特徵在於在製造設備排出的含有全氟化碳或全氟化物的被處理氣體中,混合烴氣體或氨氣中一種或兩種以上氣體後,在非氧化性氣氛下使上述混合氣體熱分解。
文檔編號B01D53/70GK1341478SQ00126859
公開日2002年3月27日 申請日期2000年9月7日 優先權日2000年9月7日
發明者今村啟志 申請人:康肯科技股份有限公司