JP2008540990A - ガス燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくともアンモニアを含有する排気ガスを燃焼させるための装置及びその方法を提供する。
【解決手段】チャンバから少なくともアンモニア及び水素の様々な量を含む排気ガスが燃焼チャンバ（３６）に接続した燃焼ノズル（３４）に運ばれる、アンモニアを燃焼させる方法。チャンバ内に燃焼火炎を形成するための燃焼ガスが、チャンバに供給される。チャンバから排気されるアンモニア及び水素の相対量に応じて、水素が、排気ガスに加えられ、従って、排気ガスがアンモニアを含有する時に、火炎によって燃焼したガスは、少なくとも所定の量の水素を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくともアンモニアを含有する排気ガスを燃焼させるための装置及びその方法に関する。

半導体素子の製造における主要段階は、蒸気前駆体の化学反応による半導体基板上への薄膜の形成である。基板上に薄膜を堆積させるための１つの公知の技術は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）である。この技術においては、処理ガスは、基板を収容する処理チャンバに供給されて反応し、基板の表面を覆う薄膜を形成する。
基板上に通常堆積される材料の例は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である。ＧａＮ及び関連の材料合金（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＧａＡｌＮなど）は、緑色、青色、及び白色の発光素子（ＬＥＤ及びレーザダイオードなど）並びに電源素子（ＨＢＴ及びＨＥＭＴなど）の製造のために使用される化合物半導体である。これらの化合物半導体は、通常、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）として公知のＣＶＤの形式を使用して形成される。総括的には、この処理は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）のようなＩＩＩ族金属Ｇａ、Ｉｎ、及び／又はＡｌの揮発性有機金属ソースを共に高温でアンモニアと反応させて、適切な基板材料（Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア、又はＡｌＮなど）のウェーハ上に材料の薄膜を形成することを伴っている。水素ガスも一般的に存在しており、有機金属の前駆体及び他の処理ガスのための搬送ガスを提供する。

処理チャンバ内で行われている蒸着処理の後、通常、処理チャンバに供給されたガスのある一定の残留量が処理チャンバから排気されるガスに含まれている。アンモニア及び水素のような処理ガスは、大気中に排気されれば非常に危険であり、従って、これを考慮して、排気ガスが大気中に放出される前に、多くの場合に除去装置が設けられて排気ガスを処理し、排気ガスのより有害な成分は、例えば、従来の洗浄法によって排気ガスから容易に除くことができ、及び／又は安全に大気中に排気することができる種類に変換される。

１つの公知の種類の除去装置は、ＥＰ−Ａ−０８１９８８７に示されている。この除去装置は、処理される排気ガスを受け取るための排気ガス燃焼ノズルを有する燃焼チャンバを含む。環状の燃焼ノズルが、排気ガスノズルの外側に設けられ、燃料と空気のガス混合物が、環状の燃焼ノズルに供給され、燃焼チャンバ内で火炎を形成して処理チャンバから受け取られた排気ガスを燃焼し、排気ガスの有害成分を破壊する。

この形式の除去装置は、一般的に、処理チャンバから排気ガスを引き込むためのポンプシステムから下流に位置する。排気ガスが通過する時のポンプシステムへの損傷を防止するために、一般的に、窒素パージガスが、排気ガスと共に汲み上げるためにポンプシステムの１つ又はそれよりも多くのパージポートに供給される。その結果、除去装置によって受け取られたガスは、通常は、有意な量の窒素も含んでいる。

窒素は、安全で除去の必要はない。ＥＰ−Ａ−０８１９８８７に示すような装置を用いて、本出願人は、水素の破壊及び除去効率（ＤＲＥ）が非常に高く、多くの場合に９９．９９％を超える一方、アンモニアのＤＲＥは、除去装置に入る排気ガス内に含まれる他のガスによって非常に変動することを発見した。アンモニアは、非常に有毒であり、２５ｐｐｍの限界値又はＴＬＶを有し、本出願人は、排気ガス内に含まれるガスの化学的性質及びその相対量により、除去装置から排気されるアンモニアの量が２４００ｐｐｍにまで高くなる可能性があることを発見した。
本発明の少なくとも好ましい実施形態の目的は、アンモニアを含有する排気ガス中に存在する他のガス及びその相対量に関わらず、常に高いＤＲＥでアンモニアを燃焼させる方法及びそのための装置を探求して提供することである。

ＥＰ−Ａ−０８１９８８７

第１の態様では、本発明は、アンモニアを燃焼させる方法を提供し、本方法は、チャンバから少なくともアンモニア及び水素の様々な量を含む排気ガスを燃焼チャンバに接続した燃焼ノズルに運ぶ段階、チャンバ内に燃焼火炎を形成するために燃焼ガスをチャンバに供給する段階、及び排気ガスがアンモニアを含む時に、火炎によって燃焼したガスが少なくとも所定の量の水素を含むように、チャンバから排気されるアンモニア及び水素の相対量に応じて水素を排気ガスに選択的に加える段階を含む。

本出願人は、所定の量の水素が、火炎によって燃焼させられるガス中に存在する時に、アンモニアの破壊及び除去効率（ＤＲＥ）が有意に高められることを発見した。排気ガスがアンモニアを含むが十分な量の水素を含まない時に排気ガスに水素を選択的に加えてアンモニアの高ＤＲＥを達成することにより、アンモニアのＤＲＥは、常に高いレベルに維持することができる。
１つの好ましい実施形態では、水素は、排気ガスに加えるためにノズルに運ばれ、そこで水素は、好ましくは、燃焼ノズルの周りに延びる複数の開口から燃焼チャンバに注入される。別の好ましい実施形態では、水素は、燃焼ノズルから上流で排気ガスに加えられ、それによって付加的な水素の排気ガスとの混合を促進する。

排気ガスへの水素の添加は、チャンバへのガス供給のサイクルに従って時間を調節することができる。代替的に、排気ガスに加えられる水素の量は、チャンバから排気されるガスの化学的性質の変化を示すデータの受信に応じて調節することができる。排気ガスの化学的性質の変化を示すデータは、例えば、チャンバに供給されるガスが高アンモニアＤＲＥを達成するのに十分な水素を含まない時に、処理ツールによって供給される。代替的に、排気ガスをノズルに運ぶための導管システム内にガスセンサを位置させることができ、このセンサは、データを供給するように構成される。

水素は、好ましくは、火炎によって燃焼したアンモニアに対する水素の体積比率が少なくとも１：１であるように排気ガスに加えられる。本出願人は、それぞれ１：１：１及び２：１：１の近似比率の水素、アンモニア、及び窒素の混合気は、燃焼チャンバの口火のみを使用して、アンモニアのＴＬＶよりも下で燃焼させることができることを発見した。口火は、通常、１：８と１：１２の間の体積比率の燃料と酸化剤の混合物、例えば、メタンと空気から形成される。その結果、燃焼火炎を形成するためにチャンバに供給されるメタン又は他の燃料の量は、有意に低減することができ、それによって運転コストを低減する。

第２の態様において、本発明は、排気ガスを燃焼させるための装置を提供し、この装置は、燃焼チャンバと、燃焼ガスをチャンバに供給してチャンバ内に燃焼火炎を形成するための手段と、燃焼チャンバに接続した燃焼ノズルと、少なくともアンモニア及び水素の様々な量を含む排気ガスをチャンバからノズルに運ぶための手段と、チャンバから排気されるアンモニア及び水素の相対量に応じて水素を排気ガスに選択的に加えるための手段とを含む。
本発明の方法態様に関して上述した特徴は、本発明の装置態様に等しく適用可能であり、逆も同様である。
ここで、添付図面を参照して本発明の好ましい特徴を以下に説明する。

最初に図１を参照すると、例えば、半導体素子、フラットパネルディスプレイデバイス、又はソーラーパネルデバイスを処理するための処理チャンバ１２から排気されるガスを処理するために、燃焼装置１０が設けられている。チャンバ１２は、チャンバ内で処理を行う時に使用される様々な処理ガスを受け取る。この例においては、ＧａＮのような材料の層のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）が、処理チャンバ１２内で行われる。トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）のようなＩＩＩ族金属Ｇａ、Ｉｎ、及び／又はＡｌの有機金属ソースを含むガス、アンモニア、及び水素は、高温でそのそれぞれの供給源１４，１６，１８から処理チャンバ１２に運ばれ、適切な基板材料（Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア、又はＡｌＮなど）のウェーハ上に材料の薄膜を形成する。

排気ガスは、ポンプシステム２０により、処理チャンバ１２の出口から引き込まれる。チャンバ内での処理中に、処理ガスの一部分だけが消費されることになり、従って、排気ガスは、チャンバに供給された処理ガスとチャンバ内の処理からの副生成物との混合物を含むことになる。図１に示すように、ポンプシステム２０は、処理チャンバから排気ガスを引き込むために、通常はターボ分子ポンプの形態である２次的なポンプ２２を含むことができる。ターボ分子ポンプ２２は、処理チャンバ１２内に少なくとも１０^-3ｍｂａｒの真空を発生させることができる。ガスは、通常、約１ｍｂａｒの圧力でターボ分子ポンプ２２から排気される。これを考慮して、ポンプシステムはまた、ターボ分子ポンプ２２から排気されるガスを受け取ってガスの圧力を大気圧付近の圧力に昇圧するための１次的又は補助的ポンプ２４を含む。処理チャンバ１２からのガスの汲み上げ中にポンプシステム２０への損傷を防止するために、窒素パージガスが、その供給源２６からポンプシステム２０の１つ又はそれよりも多くのパージポート２８、３０に供給される。

ポンプシステム２２から排気されるガスは、燃焼装置１０の入口３２に運ばれる。図２に示すように、入口３２は、燃焼装置１０の燃焼チャンバ３６に接続した少なくとも１つの排気ガス燃焼ノズル３４を含む。各燃焼ノズル３４は、排気ガスを受け取るための入口３８、及び燃焼チャンバ３６に入る排気ガスが出てくる出口４０を有する。図２は、排気ガスを受け取るための２つの燃焼ノズル３４を示しているが、入口３２は、排気ガスを受け取るためにあらゆる適切な数、例えば、４つ、６つ、又はそれよりも多くの燃焼ノズル３４を含むことができる。好ましい実施形態では、入口３２は、４つの燃焼ノズル３４を含む。

本発明のこの実施形態では、各燃焼ノズル３４は、水素をその供給源４４から受け取るための水素入口４２を含む（図３に示されている）。ノズル３４の外面とノズル３４の周りに延びているスリーブ４８の内面との間に形成された環状間隙４６は、水素が入口４２からノズル３４を取り囲む複数の水素出口５０まで運ばれることを可能にし、そこから水素は、排気ガスと同軸的に燃焼チャンバ３６に入る。

図２に示すように、各燃焼ノズル３４は、燃料と酸化剤の第１のガス混合物、例えば、メタンと空気の混合気を受け取って燃焼チャンバ３６内に燃焼火炎を形成するために燃焼ガスを供給するための入口５４と、燃焼チャンバ３６内に運ばれる燃焼ガスが出てくる複数の出口５６とを有する第１の環状プレナムチャンバ５２に装着される。図２に示すように、燃焼ノズル３４は、各ノズル３４がそれぞれの出口５６を実質的に同軸的に通過するように第１のプレナムチャンバ５２内に装着され、それによって燃焼ガスは、燃焼ノズル３４のスリーブ４８の周りの燃焼チャンバ３６内に運ばれる。

図２に同じく示すように、第１のプレナムチャンバ５２は、燃焼チャンバ３６内に口火を形成するために燃料と酸化剤の第２のパイロットガス混合物、例えば、メタンと空気の別の混合気を受け取るための入口６０を有する第２の環状プレナムチャンバ５８の上方に位置している。図２に示すように、第２のプレナムチャンバ５８は、第１のプレナムチャンバ５２からの出口５６と同軸的でかつ燃焼チャンバ３６内に延びる燃焼ノズル３４が通る複数の第１の開口６２と、第１の開口６２を取り囲む複数の第２の開口６４とを含む。第２の開口６４は、パイロットガス混合物が燃焼チャンバ３６に入り、燃焼ガスを点火するために口火を形成して燃焼チャンバ３６内に燃焼火炎を形成することを可能にする。除去装置がパイロット的にのみ作動する場合は、第１のプレナムチャンバ５２への燃焼ガスの供給を中断することができる。開口６４で形成された口火は、次に、排気ガスとノズル３４に供給されたあらゆる付加的な水素とを点火するために使用される。

図４は、燃焼ノズル３４の各々への水素の供給を制御するための制御システムを示している。制御システムは、処理チャンバ１２から出る、従って、燃焼ノズル３４に供給される排気ガスの化学的性質の変化を示す信号７２のデータを受け取るためのコントローラ７０を含む。信号７２の各々は、図１に示すように、バルブ７５を使用して処理チャンバ１２へのガスの供給を制御する処理ツール７４から直接受け取ることができる。代替的に、信号７２は、コントローラ７０と処理ツール７４のコントローラとがその一部を形成するローカルエリアネットワークのホストコンピュータから受け取ることができ、ホストコンピュータは、処理チャンバに供給されるガスの化学的性質に関して処理ツールのコントローラから情報を受け取ってそれに応答してコントローラ７０に信号７２を出力するように構成される。別の代案として、信号７２は、処理チャンバ１２の出口と燃焼ノズル３４との間に位置するガスセンサから受け取ることができる。

受信信号７２に含まれるデータに応答して、コントローラ７０は、各燃焼ノズル３４への水素の供給を選択的に制御することができる。図３及び図４を参照すると、制御システムは、各々が水素供給源４４とそれぞれの水素入口４２の間に位置し、かつ各々がコントローラ７０から受信した信号７８に応答して開放位置と閉鎖位置の間で移動可能である複数の可変流量制御装置７６、例えば、バルブ７６を含む。チョック式流量オリフィスを各バルブ７６とそれぞれの水素入口４２との間に設けて、各水素入口４２への水素の供給速度を制限することができる。代替的に、単一バルブ７６を使用して、燃焼装置１０の入口３２をもたらす燃焼ノズル３４の各々への水素の供給を制御することができる。

バルブ７６が開くと、水素は、水素供給源４４から各水素入口４２に運ばれる。水素は、環状間隙４６内で下方に通過し（図示のように）、排気ガスと燃焼するように水素出口５０から燃焼チャンバ３６内に出される。
燃焼チャンバ３６内で燃焼されるガスに水素を選択的に加えることにより、コントローラ７０は、燃焼チャンバ３６内で燃焼するアンモニアと水素の相対量を所定の値、例えば、少なくとも１対１に又はその付近の値に維持し、それによってアンモニアの高ＤＲＥを維持することができる。本出願人は、それぞれ１：１：１及び２：１：１の近似比率の水素、アンモニア、及び窒素の混合気は、燃焼チャンバの口火のみを使用してアンモニアのＴＬＶよりも下で燃焼させることができ、より少ない量の水素を有する混合気の燃焼も同様に達成可能であると予想されることを実験的に発見した。従って、少なくともアンモニアの燃焼のために燃焼チャンバ３６に燃焼ガスを供給するいかなる要件ももはや存在しないので、燃料消費を有意に低減することができる。

図１に戻って、燃焼チャンバ３６内での排気ガスの燃焼からの副生成物は、図１に示すように、洗浄装置、固体反応媒体、又は他の２次的除去装置８０まで運ぶことができる。除去装置８０を通過した後、排気ガスは、安全に大気中に放出することができる。
図５は、付加的な水素が燃焼装置１０の入口３２から上流に排気ガスまで運ばれる第２の実施形態を示している。この実施形態では、第１の導管システム８２は、水素供給源４４から水素を、排気ガスをポンプシステム２０から燃焼装置１０の入口３２に運ぶための第２の導管システム８４まで運ぶ。図示のように、単一バルブ７６を第１の導管システム８２に設け、かつ処理ツール７４のコントローラから受信した信号７２に応答してコントローラ７０によって制御して、水素を水素供給源７４から第２の導管システム８４内の排気ガスまで選択的に運ぶことができる。排気ガスへの水素の供給速度を制限するために、バルブ７６と第２の導管システム８４の間にチョック式流量オリフィスを設けることができる。従って、この実施形態では、各燃焼ノズル３４の水素入口４２及びスリーブ４８は、省略することができる。

本発明の一実施形態による燃焼装置に接続した処理チャンバを示す図である。 図１の燃焼装置の燃焼チャンバに接続した複数の排気ガス燃焼ノズルの断面図である。 図２の燃焼チャンバに接続した各燃焼ノズルに水素を供給するための配置を示す図である。 図２の各燃焼ノズルに供給される水素の量を制御するための制御システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による燃焼装置に接続した処理チャンバを示す図である。

符号の説明

３４ 燃焼ノズル
３６ 燃焼チャンバ

Claims (26)

1. チャンバから、少なくともアンモニア及び水素の様々な量を含有する排気ガスを燃焼チャンバに接続した燃焼ノズルまで運ぶ段階と、
   前記チャンバ内に燃焼火炎を形成するために燃焼ガスを該チャンバに供給する段階と、
   前記排気ガスがアンモニアを含有する時に、前記火炎によって燃焼した該ガスが少なくとも所定の量の水素を含むように、前記チャンバから排気されるアンモニア及び水素の相対量に応じて水素を該排気ガスに選択的に加える段階と、
   を含むことを特徴とする、アンモニアを燃焼させる方法。
2. 前記水素は、前記排気ガスに加えるために前記ノズルまで運ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記水素は、前記燃焼ノズルの周りに延びる複数の開口から前記燃焼チャンバ内に注入されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記水素は、前記燃焼チャンバから上流の前記排気ガスに加えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記排気ガスに加えられる水素の量は、前記チャンバから排気される該ガスの化学的性質の変化を示すデータの受信に応答して調節されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記排気ガスは、該排気ガスの化学的性質の変化を示す前記データを供給している処理ツールのチャンバから排気されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 水素が、前記火炎によって燃焼したアンモニアに対する水素の体積比率が少なくとも１：１であるように前記排気ガスに加えられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記燃焼ガスは、燃料と酸化剤の混合物を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記燃料は、炭化水素、好ましくはメタンを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記酸化剤は、空気を含むことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の方法。
11. 前記燃焼ガス内の燃料と酸化剤の体積比は、１：８と１：１２の間であることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記燃焼ガスは、前記排気ガスと実質的に同軸的に前記チャンバに供給されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記排気ガスは、アンモニア、水素、及び窒素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 燃焼チャンバと、
    前記チャンバ内に燃焼火炎を形成するための燃焼ガスを該チャンバに供給するための手段と、
    前記燃焼チャンバに接続した燃焼ノズルと、
    少なくともアンモニア及び水素の様々な量を含有する排気ガスをチャンバから前記ノズルまで運ぶための手段と、
    前記チャンバから排気されるアンモニア及び水素の相対量に応じて、水素を前記排気ガスに選択的に加えるための手段と、
    を含むことを特徴とする、排気ガスを燃焼させるための装置。
15. 前記水素添加手段は、前記排気ガスに加えるために前記付加的な水素を前記燃焼ノズルまで運ぶように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記水素添加手段は、前記付加的な水素を受け取って該付加的な水素を前記燃焼チャンバまで運ぶための前記ノズルの周りに延びるスリーブを含むことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記水素添加手段は、前記燃焼ノズルの周りに延びて前記燃焼チャンバ内に注入される前記付加的な水素が出てくる複数の開口を含むことを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記水素添加手段は、前記燃焼チャンバから上流の前記排気ガスに水素を加えるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
19. 前記水素添加手段は、前記チャンバから排気される前記ガスの化学的性質の変化を示すデータを受信するための及びそれに応答して該排気ガスに加えられる水素の量を調節するための手段を含むことを特徴とする請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記排気ガスは、該排気ガスの化学的性質の変化を示す前記データを供給している処理ツールのチャンバから排気されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記水素添加手段は、前記火炎によって燃焼したアンモニアに対する水素の体積比率が少なくとも１：１であるように水素を前記排気ガスに加えるように構成されていることを特徴とする請求項１４から請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記燃焼ガスは、燃料と酸化剤の混合物を含むことを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記燃料は、炭化水素、好ましくはメタンを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記酸化剤は、空気を含むことを特徴とする請求項２２又は請求項２３に記載の装置。
25. 前記燃焼ガス内の燃料と酸化剤の体積比は、１：８と１：１２の間であることを特徴とする請求項２２から請求項２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記燃焼ガス供給手段は、前記燃焼ガスを前記排気ガスと実質的に同軸的に前記チャンバに供給するように構成されていることを特徴とする請求項１４から請求項２５のいずれか１項に記載の装置。

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