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TW201350191A - 氣體處理裝置及方法 - Google Patents

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TW201350191A
TW201350191A TW102120172A TW102120172A TW201350191A TW 201350191 A TW201350191 A TW 201350191A TW 102120172 A TW102120172 A TW 102120172A TW 102120172 A TW102120172 A TW 102120172A TW 201350191 A TW201350191 A TW 201350191A
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TW
Taiwan
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gas
flow path
catalyst layer
catalyst
electric field
Prior art date
Application number
TW102120172A
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English (en)
Inventor
Yuki Sato
Masanori Ohyama
Original Assignee
Kyoritsu Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

提供可處理PFC氣體等之裝置。此裝置具有：流路，其處理對象氣體的至少一部分被曝露在高頻電場或紫外線照射中；觸媒層，被供給已通過前述流路的氣體；及電壓供給單元，對前述觸媒層施加偏壓。透過在被施加偏壓的觸媒層處理藉高頻電場產生的大氣壓電漿而被自由基化的處理對象氣體，能在低溫下對氣體進行處理。觸媒層係多孔構造，典型的是蜂窩結構的白金觸媒，且含有內部充填有粒狀消石灰的層。

Description

氣體處理裝置及方法
本發明係有關對全氟碳化物(PFC)等之處理對象氣體所含有的分子進行分解處理之裝置及方法。
在日本國特開2005-7341號公報中記載：為提供以小型的裝置有效率地完全分解有機鹵素化合物的方法和裝置而提案一種有機鹵素化合物的分解方法，其特徵為，將PFC等之有機鹵素化合物與丙烷氣體等之可燃物質和氧或含氧氣體混合，使所獲得的混合物利用燃燒器進行火焰自由基反應，將反應中的混合物以熱電漿裝置一邊進行電漿處理一邊與活性氧化鋁或二氧化鈦等之觸媒層接觸而分解有機鹵素化合物。
[先行技術文獻] [專利文獻]
【專利文獻1】日本國專利特開2005-7341號公報
對氣體進行改質或分解的製程以含有數100℃或其以上的高溫處理居多。用在半導體製造工場之蝕刻、清淨等的全氟碳化物氣體(以下稱為PFC)雖無反應性、毒性而穩定，但具有強力的溫室效應(地球暖化係數係CO2的6000至10，000倍程度)。PFC，考量其穩定性，一般是採用以高溫使之燃燒的除害方式。在除害過程所產生之酸性的氟氣(以下稱為F2)係溶於水而另外進行排水處理。以此種方式處理氣體的裝置，係因曝露在高溫的酸性氣體而易於腐蝕，運轉(running)成本高。又，為確保對多半處理可燃性氣體的半導體工場之安全性，高溫部分的斷熱、冷卻是必須的，成為加大溶有酸性氣體的水之處理設備及除害裝置的尺寸之要因。
因此，在對PFC等之氣體進行分解、改質的處理裝置方面，企盼一種小型且能低溫化，並且運轉成本低的裝置。
本發明的一態樣為一種處理裝置，其具有：流路，其處理對象的氣體之至少一部分被曝露在高頻電場或紫外線照射中；觸媒層，被供給已通過前述流路的氣體；及電壓供給單元，對前述觸媒層施加偏壓。透過施加偏壓(偏壓電場)於觸媒層可使觸媒活性化，能提升氣體的處理效率。再者，利用依高頻電場所生成之RF電漿或紫外線照射之反應，可在低溫且大氣壓下將處理對象氣體分子的至少一部分 自由基化並供予觸媒層。因此，能提供一種低溫且高效率藉觸媒層處理(分解或改質)氣體的處理裝置。因此，能提供一種可抑制因熱或酸性氣體使裝置的構成構件腐蝕，且以低運轉成本並對於周圍的安全性亦高的氣體處理裝置。
施加於觸媒層的偏壓可為交流，直流亦可，但典型的是直流偏壓較佳。透過對觸媒表面賦予電荷或電洞，能以低消耗電力使觸媒活性化。因此，利用白金等之觸媒可期待像光觸媒那樣的效果。
紫外線照射，係攻撃處理對象氣體中的分子鍵結並予以切斷。在此同時，從空氣中的氧生成反應性高的氧自由基，藉以促進觸媒層中的處理。紫外線可以是近紫外線，亦可以是極紫外線，波長短能量高，而且較容易遮蔽的真空紫外線(波長200nm以下程度)較佳。處理裝置含有產生真空紫外線的紫外線源較佳。產生真空紫外線的紫外線源之一為準分子光照射單元。
使用高頻電源在處理對象氣體中生成RF電漿亦為有效。透過在處理對象氣體中生成RF電漿(大氣壓電漿)，可減弱處理對象氣體的分子鍵結，促進氧自由基的生成。
較佳為，處理裝置更具有：複數個電極，位在前述流路的兩側，形成高頻電場；及介電質層，配置成包夾前述複數個電極。複數個電極亦包含實質上作為電極發揮機能的外殼等構件。以處理對象氣體和載氣一起供給至處理裝置的情況居多。例如，氮比氬還難以電離，從經濟性的觀點，以將氮用作PFC的載氣的情況居多。為了在氮氣環境下形成 RF電漿而有必要施加高電場，容易從輝光放電轉換成電弧放電。然而，由於電弧放電易變高溫故加以回避較佳。透過將介電質層配置成被電極包夾而能利用介電質屏蔽放電，透過縮短放電週期可抑制轉換成電弧放電。
介電質層係以含有複數個凹凸構造者較佳。凸部比凹部還難引起放電。因而作成使小面積的電漿電極聚積的狀態，可加大放電面積的總和，可拉長氣體暴露在高頻電場的時間(距離)。
又，於流路的上游配置針電極是有效的。當於流路中流通大量的氣體時則流路內成為高壓的可能性高，在高壓下不易引起放電，當引起放電時則容易轉換成電弧放電。一方面，當加寬流路的寬度降低阻力時，則因電極間隔變大而變得不易引起放電。因此，將針電極設在流路的上游使之進行放電而將氣體分子的一部分電離，藉以在氣體中生成作為電子或電洞的載子之離子。因使氣體中的離子增加而變得在針電極的下游容易引起放電。因此，RF電漿的生成變容易，可拉長氣體通過RF電漿的時間(距離)。
處理裝置更具有沿著流路斷續地配置的磁場生成單元者較佳。典型的磁場生成單元係永久磁鐵，電磁鐵亦可。透過沿著流路形成適當的磁場，可將電子關入流路而擴大放電區域，沿著流路順暢地引導含有自由基離子的氣體。
在流路的兩側呈同心圓狀地配置複數個電極的處理裝置中，設置對外側的電極施加負電位的單元亦是有效。因電漿中的電子藉由負電位而跳回，可抑制電極表面中 之電子的損失。因此，可獲得關閉住電漿，促進電漿中之電離的效果(空心陰極效應)，可促進自由基化。
觸媒層，典型的是包含或擔持白金的載體。觸媒層係由鎳(Ni)、鉬(Mo)、鈷(Co)、白金(Pt)、鐵(Fe)等之金屬、包含鎳、鐵及鈷當中的至少2種的合金，或有機金屬等所構成。觸媒層亦可以是含有或擔持上述的金屬、合金或有機金屬的載體。
本發明的另一不同態樣之一為一種氣體的處理方法，包含以下的步驟。
1．使處理對象氣體的至少一部分通過被曝露在高頻電場或紫外線照射的流路。
2．將已通過流路的氣體供予被施加偏壓的觸媒層。
以於流路的兩側包夾介電質層般地配置用以形成高頻電場的電極，作成可進行介電質屏蔽放電，較佳為，通過上述流路係包含使處理對象氣體通過生成介電質屏蔽放電的流路。利用藉介電質屏蔽放電所形成的RF電漿(大氣電漿)，能以低溫有效率地將大量的處理對象氣體自由基化(自由基離子化)，能利用觸媒反應以低溫將氣體有效率地分解或改質。
處理對象氣體之一為含有氟化碳者，典型的是PFC(全氟碳化物)氣體。利用上述的處理裝置及處理方法，透過將PFC氣體分解成二氧化碳和氟而能除害。在此場合，處理裝置的觸媒層以多孔構造且含有內部充填有消石灰(氫氧化鈣(Ca(OH)2))的層(第1層)者較佳。又，處理方 法係以包含將已通過流路的氣體供予充填有消石灰的層者較佳。觸媒層典型的是蜂窩結構，利用消石灰吸收在對處理對象氣體進行處理之際所產生的氟，可抑制因氟所致白金等之觸媒的不活性化(被毒化)。因此，可抑制處理裝置的處理效率降低。
觸媒層以包含充填有粒狀的消石灰的層較佳。可抑制氣體在通過觸媒層時的阻力上昇，可抑制藉高頻電場而形成RF電漿的流路之壓力上昇。因此，容易維持易於生成RF電漿的條件。又，因為使消石灰和氟反應會生成氟石(CaF2)，所以透過採用粒狀的消石灰，使的將氟回收予以再資源化亦變得容易。
1‧‧‧PFC氣體
2‧‧‧氧(空氣、或氧與氮之混合氣體)
3‧‧‧混合氣體(氣體、處理對象氣體)
4‧‧‧混合氣體
5‧‧‧二氧化碳
5‧‧‧乾式泵
6‧‧‧氟氣
7‧‧‧氟石
10‧‧‧處理方法(除害方法)
20‧‧‧紫外線照射單元
21‧‧‧真空紫外線源(真空紫外光源、準分子燈)
22‧‧‧紫外線(真空紫外線(VUV))
23‧‧‧高頻電場
24‧‧‧低溫大氣壓電漿(非平衡大氣壓電漿、RF電漿(大氣壓電漿))
25‧‧‧大氣壓電漿產生裝置(高頻產生裝置)
26‧‧‧大氣壓電漿
29‧‧‧流路
31‧‧‧觸媒(觸媒層、白金觸媒)
33‧‧‧孔
35‧‧‧電壓供給單元
41‧‧‧消石灰
50‧‧‧處理裝置
50a‧‧‧處理裝置
50‧‧‧紫外線反應區域
51‧‧‧腔室(外殼)
52‧‧‧氣體供給單元
53‧‧‧乾式泵
55‧‧‧觸媒反應區域
56‧‧‧紫外線反應區域
57‧‧‧紫外線導入窗(壁)
58‧‧‧反射鏡
60‧‧‧處理裝置
61‧‧‧第1單元
62‧‧‧第2單元
63、64‧‧‧電極
63a‧‧‧帽緣狀或凸緣狀的部分
63b‧‧‧針電極(針狀電極)
64‧‧‧外側電極(圓筒電極、外周的電極)
65、66‧‧‧介電質層
67‧‧‧磁鐵
68‧‧‧外殼
68a‧‧‧結合裝置
69‧‧‧外殼
70‧‧‧電力供給單元
71‧‧‧交流電源(高頻電源、RF電源)
72‧‧‧匹配器(MB)
73‧‧‧線路
74‧‧‧DC電源
80‧‧‧處理裝置
80‧‧‧除害裝置
80‧‧‧外殼
81‧‧‧第1單元
82‧‧‧第2單元
83、84‧‧‧電極
85、86‧‧‧介電質層
87‧‧‧單元(磁鐵)
88‧‧‧針電極
89‧‧‧外殼
89a‧‧‧外殼
89b‧‧‧外殼
90‧‧‧凹凸構造
91‧‧‧介電質的凸部分
95‧‧‧放電(微電漿、毫電漿)
圖1係顯示處理方法的圖。
圖2(a)係顯示根據紫外線的反應的圖，(b)係顯示根據觸媒的反應的圖。
圖3係顯示處理裝置之概略構成的方塊圖。
圖4係顯示處理裝置的不同例之概略構成的方塊圖。
圖5係顯示處理裝置的另一不同例之概略構成的方塊圖。
圖6係顯示處理裝置的另一不同例之概略構成的方塊圖。
圖1中，關於本發明的一例，係顯示對半導體製 造、FPD(平板顯示器)製造步驟的蝕刻、洗淨所使用的四氟化碳(CF4)等之PFC(全氟碳化物)氣體進行除害的處理方法。關於該處理，係利用紫外線或RF電漿提高氣體分子的反應性，使之與藉由DC偏壓電位而被高度地活性化的觸媒接觸，藉由使氣體氧化而無害化。
PFC係指碳化氫CxHy的氫全被氟置換者(CxFy)。PFC的地球暖化係數(GWP)係CO2的6000倍至10000倍且對暖化的影響遠大於CO2。而且，在大氣中的壽命亦有1萬年那麼長，對環境的不良影響強。在以下所示的例子中，目標在於對PFC進行處理並排出CO2進行PFC的除害處理。
以往，PFC除害處理係採用高溫，代表方式有燃燒型、電氣加熱分解型、觸媒型及電漿燃燒器型。均利用熱切斷PFC之分子內的鍵結，在和氧反應後進行濕式處理。依濕式處理所產生的氟系排水係有必要另外處理。燃燒型係使氫或化石燃料等燃燒而在1600℃程度的高溫環境下分解PFC。除害效率雖有95%程度，但需要大量的燃料。而且，依處理所產生之氟化氫(HF)等的酸曝露在高溫環境使除害裝置產生腐蝕、運轉成本高。且裝置尺寸成為數立方公尺程度，在既存的半導體工場內難以確保設置場所。
電氣加熱分解型係藉電爐將PFC加熱成800℃程度並予以分解。溫度比燃燒型還低，其份量少有腐蝕的疑慮。然而，除害效率係40%程度。觸媒型係使用從650℃加熱至800℃的溫度的觸媒以乾式對PFC進行除害。除害效率係98 %程度，亦少有腐蝕的疑慮。然而，處理流量為80LPM乃係其他方式的1/3程度。
電漿燃燒器型係對排放氣體施加電力，透過電弧放電形成熱電漿化而將PFC加熱分解。因為要形成熱電漿故電力消耗大，且在分解過程所生成的氟化氫於高溫下具有腐蝕性，當成為形成氫氟酸(氟酸)的狀況時則腐蝕會加劇。
關於圖1所示的處理方法(除害方法)10，係根據紫外線或RF電漿的氣體分子之自由基化與藉DC偏壓電位而成為高度活性化的觸媒型之組合，藉以在低溫，例如200℃以下抑制消耗電力並抑制腐蝕以改善運轉成本，實現和以往的觸媒型同程度的除害效率。更透過在觸媒中配置消石灰，將反應過程所生成的氟氣以消石灰吸附，以實現維持觸媒活性與氟的乾式除害及再資源化。
就此處理方法(除害方法)10而言，在步驟11生成混合PFC氣體1和氧(空氣、或氧與氮之混合氣體)2的混合氣體3。PFC氣體1以氮為載氣被稀釋成2000ppm程度並從半導體製程排出。因此，以下將以對大量的氮氣中所含的PFC氣體1進行除害的方法及裝置為例作說明。
在步驟12，將混合氣體3導入於被照射從真空紫外線源(真空紫外光源)21供給的紫外線22之流路29，對混合氣體3照射紫外線22使混合氣體3自由基化。或對流路29施加高頻電場23而形成低溫大氣壓電漿(非平衡大氣壓電漿)24，使通過流路29的混合氣體3自由基化。在提高PFC的反應性的激發源方面，光及電子比熱還易於控制能量，將 在高頻電場23生成的RF電漿24以低溫大氣壓電漿的範圍作控制使PFC1自由基化。藉此使反應低溫化，實現低運轉成本。
在步驟13，將已自由基化的混合氣體4供予已被施加偏壓的白金觸媒31使之氧化反應，將PFC氣體1分解成二氧化碳5和氟氣6(氧化、化學變化、改質)。由於步驟12主要是進行到在低溫下的自由基化，所以在步驟13併用觸媒，俾即便在低溫仍可獲得充分處理速度。再者，透過對此觸媒施加DC偏壓，而從已通過電漿的化學種抽出電子，並促進化學種朝觸媒表面之吸附、擴散，以低溫使PFC氧化反應而無害化。
如圖2(a)所示，在步驟12中，PFC氣體1(混合氣體3)的CF鍵結是依真空紫外光22的照射或RF電漿24而被切斷。又，如圖2(b)所示，於步驟13，在依直流偏壓而帯正電之觸媒31的表面的電洞與已自由基化的PFC氣體1的電子之間進行電荷之授受，促進PFC氣體1的氧化還元。亦即，已自由基化的混合氣體4的碳自由基係因與白金觸媒31之接觸而被氧化成二氧化碳。
關於此處理方法10，在氧化反應的步驟13生成的二氧化碳係利用乾式泵等排氣。在氧化反應的步驟13生成的氟氣6係在觸媒31中且於步驟14被消石灰(氫氧化鈣、Ca(OH)2)所捕獲而生成氟化鈣(氟石、螢石、CaF2)。因此，氟係以氟石7形態被固定而被安全地捕獲及回收。觸媒31係多孔構造，例如蜂窩結構且內部充填有粒狀的消石灰41，通過流路29之已自由基化的混合氣體4係被供予充填有 消石灰41的觸媒層31。氟石7有作為熔劑、光學素材等之用途，且成為氟的儲藏源。因此，透過設置步驟14，可進行氟的回收及資源化。再者，透過將生石灰(氧化鈣、CaCO3)連同消石灰一起預先充填於觸媒層31，利用生石灰捕獲在氟石(氟化鈣)7被生成之際的水分，可進行消石灰(氫氧化鈣)41的生成。
圖3顯示PFC氣體的處理裝置(除害裝置)之一例。此處理裝置60包含：筒型的第1單元61，其使被氮稀釋的PFC氣體1與氧或空氣2之混合氣體3通過RF電漿生成區域而自由基化；筒型的第2單元62，其收納白金觸媒31且供已自由基化的混合氣體4通過白金觸媒31並氧化；氣體供給單元52，其將混合氣體3供予上游的第1單元61；及乾式泵53，其從下游的第2單元62排出所生成的二氧化碳5。
就此處理裝置60而言，在第1單元61，進行使混合氣體1(3？)自由基化的步驟12。收納於第2單元62的觸媒層31係擔持白金之多孔性的陶瓷製觸媒體，具體來說是具備蜂窩結構。且於觸媒層31的蜂窩結構的孔33中充填有顆粒狀的消石灰41。因此，在第2單元62同時或並行地進行氧化還元的步驟13和使氟氣6穩定成氟石的步驟14。
第1單元61係包含圓筒狀的不鏽鋼製的外殼69、和在外殼69的內部呈同心圓狀配置的2個電極63及64、及以覆蓋各個電極63及64般設有間隙作配置的介電質層65及66，介電質層65及66間成為供處理對象的混合氣體3通過的流路29。適合於介電質層65及66之材料的一例為PTFE (聚四氟乙烯)。
內側的電極63，係為靠近於氣體供給單元52的混合氣體3的流入口側擴展成帽緣狀之棒狀的電極，複數個針狀電極63b以面向外側的電極64的方向設在擴展成帽緣狀的部分63a。外側的電極64係圓筒狀的電極，複數個磁鐵67在其內側沿著軸向斷續地配置。
處理裝置60包含電力供給單元70，其用以對第1單元61的電極63及64供給高頻電壓，在流路29形成高頻電場而生成RF電漿。電力供給單元70包含交流電源(高頻電源、RF電源)71及匹配器(MB)72，經由匹配器72將高頻電力供予內側的電極63。電力供給單元70更包含將外殼69接地的線路73與賦予外側電極64負電位的DC電源74。
如先前所說明，PFC的稀釋採用氮(N2)氣。因此，第1單元61中，在考量實用性時以近於大氣壓的壓力生成低溫的電漿者較佳。欲獲得低溫的電漿時是需要引起輝光放電或流光放電的，且必須回避易形成高溫的電弧放電。在電離方面，N2氣比Ar氣還需要高電場，當以接近大氣壓的壓力施加高電場時，則變得容易轉換成電弧放電。於是，在第1單元61中採用包夾介電質65及66般地配置電極63及64的介電質屏蔽放電電極構造和針電極63b，藉由針電極63b一邊實現高電場一邊引起輝光放電並使用介電質屏蔽放電以提升除害效率。
就介電質屏蔽放電而言，透過如PTFE或石英之類的介電質阻礙來自RF電源71的電場施加，在高電場未被 長時間施加之下極性逆轉。因此，能將放電時間限制成短時間，可防止形成於電極間的電漿變高溫。就此例而言，因分解PFC之際產生的氟容易浸蝕石英，故石英(玻璃)不適於作為介電質。進行其他氣體的分解或改質處理的裝置，在考慮成本、強度等點時，適合將石英作為介電質。
再者，第1單元61中，因為在中心的電極63設置帽緣或凸緣狀的部分63a，在混合氣體3之流路29的氣體導入口附近電極間隔變窄，形成容易引起氣體3電離的構造。然後，在氣體導入口附近配置針電極63b。利用該等構造在氣體導入口附近一度進行輝光放電使氣體分子的一部分電離形成離子而成為電子的載子。因此，在那之後，變得容易在流路29的內部形成電漿，即使是放電區域寬廣的電極形狀亦變得容易形成電漿。
在第1單元61中賦予外周的圓筒電極64負的電位而作成空心陰極。透過將外周的電極64形成空心陰極，因電漿中的電子藉由負電位跳回抑制了電極表面的電子之損失而關閉住電子，可獲得促進電漿中之電離的效果(空心陰極效應)。
再者，於圓筒電極64的內部沿著軸向斷續地配置圓盤狀的磁鐵67，關閉住的電子因沿著磁鐵67所產生的外部磁場作迴旋加速運動而一邊在圓筒電極64的直徑方向移動，一邊連同自由基及/或自由基離子一起朝氣體的下游方向流動。藉由此種機構擴大流路29內部的放電區域，促進混合氣體3的自由基化。外部磁場的方向可為周向或亦可為軸向， 只要能獲得關閉住電子的效果即可。
照這樣，在第1單元61中於流路29以約大氣壓的狀態且200℃以下的低溫形成電漿(RF電漿或大氣壓電漿)。於實驗階段使用傅立葉轉換紅外分光光度計(FT-IR)測定除害效率後，獲得氮流量大者電漿可穩定地形成，且氧和PFC的流量比是達1：1或3：2程度，氧的比率大者則除害效率佳那樣的結果。可認為氮流量大者電極溫度穩定而放電穩定。
傅立葉轉換紅外分光光度計，係對測定對象照射紅外線，由於所吸收的紅外線之各波長的能量在物質中的鍵合是固有，故能評價存在於對象內的分子及其濃度。係適合於評價PFC除害裝置的特性之方法的測定裝置。
關於處理裝置60，第1單元61中已自由基化的混合氣體4係被供給至形成觸媒反應區域的第2單元62。第2單元62包含圓筒狀的不鏽鋼製的外殼68及設置在其內部的觸媒層31。就第2單元62而言，已自由基化的混合氣體4係通過觸媒層31的孔33與觸媒層31接觸而被氧化還元、分解。經氧化還元所生成的氟氣6係與充填於蜂窩結構的孔33的消石灰41反應，以氟石7的形態固定。因此，在處理裝置60中，混合氣體3中的PFC1被分解，所生成的氟氣6固定於觸媒層31的內部，二氧化碳5係藉由乾式泵53從處理裝置60被排氣。
處理裝置60更包含對觸媒層31施加電位的電壓供給單元35。電壓供給單元35將直流電壓(直流電場)供予 觸媒層31，俾觸媒層31的表面相對於接地的外殼68被施加正偏壓(高電位)。透過將觸媒層31的表面施加正偏壓，可對已自由基化的混合氣體4所接觸之觸媒層31的表面強制地賦予正的電荷。因此，在與藉自由基化而被負離子化(自由基離子化)的混合氣體4之間容易進行電荷的授受。因此，更促進在觸媒層31中的PFC1之分解。藉直流偏壓電場將觸媒層31活性化，可擬似地賦予和光觸媒的效果同等之效果。
充填於觸媒層31的多孔33之消石灰41的充填量越多越容易將氟除去。然而，通過觸媒層31的氣體之電導下降，差壓變大。因此，上游的第1單元61之流路29內部的壓力上昇，有可能使電漿不穩定。因此，消石灰41的充填量，係評價氟除去量和除害效率而選定可一邊保持目標的高除害效率例如95%一邊呈現最高的氟除去量的充填量。
第1單元61的外殼69和第2單元62的外殼68係利用凸緣型的結合裝置68a以可裝卸的方式連接。因此，在經過所定的處理時間後，卸下第2單元62，補充觸媒層31的消石灰41，可從消石灰41中回收氟石7。被回收的氟石7係當作氟資源使用。如此，在處理裝置60中氟的除去及再資源化能以乾式處理方式實現。
圖4顯示PFC氣體的處理裝置(除害裝置)的不同例。此處理裝置80亦包含：利用RF電漿將含有PFC的混合氣體3自由基化的第1單元81；利用白金觸媒31將已自由基化的混合氣體4氧化的第2單元82；供給混合氣體3的氣體供給單元52；及排出二氧化碳5的乾式泵53。
第1單元81包含：箱型的不鏽鋼製的外殼89；以於外殼89的內部形成Z字狀的流路29之方式平行地交互配置的平板型的電極83及84；及覆蓋各個電極83及84的介電質層85及86。具有平行平板型的電極之處理裝置80適合於處理大流量的混合氣體3。因為處理對象氣體3成為大流量，使得荷電粒子穿過施加有電場的氣體流路之速度也變快。因此，對電子、離子加速的時間變短，變得難以引起放電。
就第1單元81而言，首先，和上述的處理裝置60同樣地，將電極83及84配置成包夾介電質層85及86，以產生介電質屏蔽放電。藉此，透過使電極間狹窄並相對地加大電場強度而容易產生輝光放電，同時縮放電時間以阻止從輝光放電轉換成電弧放電。再者，於流路29的氣體導入口側設置針電極88，在局部產生更高的電場使流路29的上游側更確實地產生放電。依此，生成氣體中的電荷的載子(離子)，在流路29全體中成為容易生成電漿。又，因為容易引起放電，故可降低要施加的電壓，能減低消耗電力，能在低溫生成電漿。
在此裝置80中，外殼89和電極84接地，在連接於RF電源71的電極83和外殼89及/或電極84之間放電而生成電漿。針電極88可設在電極83、84或外殼89中任一處，但本例中是在外殼89設置成朝電極83突出。針電極88只要是可產生不平衡電場者即可，可以未必是前端尖鋭的針狀，亦可以是棒狀或適當之形狀的凸部。
再就第1單元81而言，係將平板狀的電極83及84交互排列，俾在外殼89的內部形成Z字的流路29。透過將施加電場的氣體流路29的寬度加寬、加長，作成即便是被供給大流量的混合氣體3之場合也能確保用以加速的時間，即便是相同電場也能保持大的動能。
流路29成為Z字或蛇行者，在流路29會產生曲率大的彎曲部分，在該彎曲部分會因為急劇加速的方向變化而引發荷電粒子減速。因此，利用磁場防止荷電粒子減速。具體言之，將用以形成磁場的單元(磁鐵)87配置於電極83及84的前端，沿著磁場調整氣體中的自由基離子的軌道以輔助自由基離子的移動。藉此，可防止氣體中之荷電粒子減速，且可抑制和電極或外殼之衝撞而導致荷電粒子消滅。
當流通大流量的氣體使容器內(流路內)成為高壓時，則變得不易引起放電，即便是引起放電，轉換成電弧放電的風險變大。電弧放電係容易伴隨著高熱的電漿，成為消耗電力變大的原因。欲避免容器內形成高壓時，加大氣體的電導是有效的，以加大氣體流路29的斷面積者較佳。再者，因將電極間隔取大會使放電變困難，故欲使除害裝置80省電力化時，加大電極的面積者較為有效。另一方面，加大電極面積時，則會產生所謂大氣壓電漿的大面積化之課題，放電部位的分散變困難。
在處理裝置80中，係賦予介電質層85及86複數個微小的凹凸構造90。在介電質的凸部分91難以引起放電，原理上作成聚積小面積的電漿電極的狀態。藉此，在電 極全體產生許多微小的放電(微電漿、毫電漿)95，可使混合氣體3有效率地自由基化。導入微小的凹凸構造90的一方法為，預先對形成介電質層85及86的介電質薄片進行壓花加工。
就此處理裝置80的第1單元81而言，經由匹配器72連接於RF電源71的複數個電極83與接地的複數個電極84係相互組合而形成氣體3的流路29。第1單元81的外殼89包含有複數個電極83呈梳齒狀安裝而成的右半部的外殼89a及複數個電極84呈梳齒狀安裝而成的左半部的外殼89b，藉由組合該等的外殼89a及89b而構成第1單元81。
除了被供給依第1單元81而已自由基化的氣體4之第2單元82係具備和第1單元81的形狀一致的外形以外，其餘具有和上述的處理裝置60的第2單元62共通的構成。此處理裝置80的第2單元82亦被安裝成可對第1單元81裝卸，成為可容易地進行消石灰41之補充與氟石7之回收。
圖5顯示PFC氣體的處理裝置(除害裝置)的另一不同例。此處理裝置50係可使上述的自由基化之步驟12、藉觸媒進行氧化還元之步驟13、及使氟氣6穩定化成氟石的步驟14在一個腔室51的內部，同時或並行地進行。亦可為同時或並行地進行在腔室51中混合PFC氣體1和氧(空氣)2的步驟11。
處理裝置50包含：腔室(外殼)51，其收納白金觸媒31且形成供混合氣體3通過白金觸媒31並有效率地接觸的路徑；氣體供給單元52，對腔室51供給PFC氣體1 和氧2混合成的混合氣體3；及乾式泵53，其從腔室51排出所生成的二氧化碳5。腔室51包含：觸媒反應區域55，其收納有觸媒(觸媒層)31；及紫外線反應區域56，設置在觸媒反應區域55的上部(上游)。在腔室51的紫外線反應區域56之外壁的一部分，例如腔室51的上面(上壁)係成為相對於紫外線(真空紫外線)呈透明(透過性)的壁(紫外線導入窗)57。例如，紫外線導入窗57係短波長光的透過性高的氟化鈣製。
處理裝置50更包含配置在面向紫外線導入窗57的位置之紫外線照射單元20。本例的紫外線照射單元20包含作為紫外線源21的準分子燈。準分子燈21係能有效率地輸出波長是180nm以下程度的真空紫外線(VUV)22之紫外線源，可經由紫外線導入窗57對腔室51的紫外線反應區域56有效率地供給真空紫外線22。
腔室51係在和紫外線導入窗57對峙的位置，例如腔室51的底面設置用以反射紫外線的反射鏡58。於此腔室51中，觸媒反應區域55被紫外線導入窗57和反射鏡58包夾，由紫外線導入窗57所供給的真空紫外線(紫外光)22藉反射鏡58反射而往復於紫外線反應區域56及觸媒反應區域55，使得腔室51內的真空紫外線22之衰減受抑制。因此，不僅是紫外線反應區域56，在觸媒反應區域55中的混合氣體3和真空紫外線22亦進行反應而促進混合氣體3的自由基化。
處理裝置50係和上述的處理裝置60及80同樣地包含對觸媒層31施加正(高電位)偏壓的電壓供給單元35， 本例的觸媒層31也是擔持白金的多孔性陶瓷製觸媒體，蜂窩結構的孔33充填有顆粒狀的消石灰41。
於此處理裝置50，紫外線反應區域56及觸媒反應區域55係在一個腔室51的內部連續地形成，在觸媒反應區域55的出口側設反射鏡58使真空紫外光22被反射於觸媒反應區域55。因此，於此處理裝置50，在觸媒反應區域55中，根據紫外線22的自由基化和根據觸媒31的氧化還元反應係同時地、並列地進行。因此，紫外線照射等而自由基化的混合氣體4再結合、已自由基化的氧穩定化前和觸媒31接觸且因觸媒31的作用而被氧化。因此，能效率地分解PFC1。
圖6顯示PFC氣體的處理裝置(除害裝置)的另一不同例。就此處理裝置50a而言，在作為紫外線源的腔室51的紫外線反應區域56生成RF電漿(大氣壓電漿)24。處理裝置50包含將高頻電壓施加於被導入紫外線反應區域56的混合氣體3之大氣壓電漿產生裝置(高頻產生裝置)25。亦可在紫外線反應區域56生成大氣壓電漿26，並將源自於準分子燈21等的紫外線源之真空紫外線22照射於紫外線反應區域56。此處理裝置50a的其他構成係和圖5所示的處理裝置50共通。
就此處理裝置50a而言，在紫外線反應區域50生成大氣壓電漿26。因此，依電漿的電離作用而更加促進混合氣體3的自由基化。因此，能更有效率地進行PFC氣體1的分解。
如以上所說明，就本發明的氣體處理裝置而言， 係將藉紫外線照射或RF電漿且在大氣壓或接近大氣壓的壓力下以低溫將處理對象氣體自由基化的處理與之後使已自由基化的氣體與和被施加高電位偏壓的觸媒層反應的處理作組合，進行將氣體無害化或改質的處理。因此，依據本發明的處理裝置，能於大氣壓下且低溫下實現例如對PFC氣體進行無害化的處理。再者，本說明書中係揭示在處理對象氣體是大流量，例如被以數百LPM作供給那樣的場合下以低溫形成大氣壓電漿的條件及構成。透過在低溫下確實地生成大氣壓電漿(非平衡電漿)，可將處理裝置的消耗電力抑制在10幾kW程度或其以下，可提供省電力型處理裝置。
又，關於PFC的除害處理，在處理中當氟等腐蝕性的氣體產生並成為高溫時，則因酸而導致的腐蝕顯著，維修頻度高。於本發明的處理裝置，因為能以低溫進行氣體的處理，故可提供一種可抑制腐蝕等之產生、保修頻度低的經濟的處理裝置。再者，就半導體工場等、處理對象氣體的產生源而言，大多使用可燃性氣體的場所並不少。從火災的危險性等考量，要在那樣的場所設置會成為高溫的裝置是有困難的。若為本發明的處理裝置，則設置於那樣的場所亦容易，可在處理對象氣體的產生源或其附近進行氣體處理。由於這點亦可削減積存或輸送處理對象氣體之設備及費用，所以本發明的處理裝置是經濟的。
依PFC的無害化處理而產生的氟溶於水中所作成的氟酸會使裝置腐蝕。且成為需要放置進行氟系的水處理用的槽、池子的空間。就吸附方式、觸媒方式而言，留下所 謂如何處理既使用過的吸附劑、觸媒的課題。本發明的處理裝置及方法係包含採用多孔性的觸媒，於該孔中充填粒狀的消石灰，俾將氟以氟石的形態回收。由於氟的回收處理被乾式化，故必要設備全體變簡易。又，因為可一邊保護觸媒一邊使氟再資源化，所以透過可抑制處理裝置之性能的劣化並使氟再資源化，可提供更經濟的處理裝置。
再者，由於本發明的處理裝置能以低溫進行氣體的處理，故花費在斷熱材等之保護機能上的費用及空間少，可避免處理對象氣體膨脹而增加處理體積那樣的事態。本發明的處理裝置係與處理流量相依，縱橫高度分別可收在1m~2m程度的尺寸，即便是設置空間有限的小型半導體工場也能充分設置。
因本發明所包含的PFC氣體的除害裝置係小型化，故可獲得所謂在不對現今的半導體、FPD生產線變更佈局之下予以導入的效果。且能使PFC氣體的除害處理低能量化，因而可減低環境負荷，在對暖化氣體進行除害時所使用的化石燃料可減低到極限。又，因為低消耗電力化而削減溫室效應氣體的排出，故可提供更省電力的製品。再者，即便此處理裝置50之單體的分解率是70%程度，透過多段地組合，還是能將最終的PFC氣體的分解率提升至99%程度。
此外，上述係藉由PFC氣體的除害裝置說明本發明的處理裝置，惟此處理裝置不限於PFC氣體，也可使用在對依半導體製程所產生的其他暖化氣體之處理或HFC(氫氟碳化合物)、SF6(六氟化硫)、SiH4(矽烷)等之其他氣體的 處理。再者，也可與SiH4的處理裝置連結而構築含有PFC氣體的氣體處理系統。
再者，即使著眼於PFC氣體的除害裝置，亦不僅有助於半導體、液晶製造工場的暖化對策，亦能在將以PFC用作消火劑的船舶機器工場和船舶、航空器引擎工場和機場保修場、大型化學聯合工場等作為暖化氣體減低的除害裝置中發揮效果。且也可適用在各種醫療福祉施設之醫療機器‧器具‧用具類等之殺菌‧洗淨領域。
1‧‧‧PFC氣體
3‧‧‧混合氣體
4‧‧‧混合氣體
22‧‧‧真空紫外光
24‧‧‧RF電漿
31‧‧‧白金觸媒

Claims (11)

  1. 一種處理裝置，具有：流路，其處理對象的氣體之至少一部分被曝露在高頻電場或紫外線照射中；觸媒層，被供給已通過前述流路的氣體；及電壓供給單元，對前述觸媒層施加偏壓。
  2. 如申請專利專利範圍第1項之處理裝置，其中更具有：複數個電極，位在前述流路的兩側，形成高頻電場；及介電質層，配置成包夾前述複數個電極。
  3. 如申請專利專利範圍第2項之處理裝置，其中前述介電質層係包含複數個凹凸構造。
  4. 如申請專利專利範圍第2或3項之處理裝置，其中更具有：針電極，配置在前述流路的上游。
  5. 如申請專利專利範圍第2至4項中任一項之處理裝置，其中更具有：磁場生成單元，沿著前述流路斷續地配置。
  6. 如申請專利專利範圍第2至5項中任一項之處理裝置，其中前述複數個電極具有：以位在前述流路的兩側般呈同心圓狀配置的複數個電極；及 對前述同心圓狀配置之複數個電極的外側的電極施加負電位的單元。
  7. 如申請專利專利範圍第1至6項中任一項之處理裝置，其中前述觸媒層，係多孔構造且包含內部充填有消石灰的層。
  8. 如申請專利專利範圍第1至6項中任一項之處理裝置，其中前述觸媒層，係多孔構造且包含內部充填有粒狀消石灰的層。
  9. 一種氣體的處理方法，包含：使處理對象氣體的至少一部分通過被曝露在高頻電場或紫外線照射的流路，及將已通過前述流路的氣體供予被施加偏壓的觸媒層。
  10. 如申請專利專利範圍第9項之氣體的處理方法，其中以於前述流路的兩側包夾介電質層般地配置用以形成高頻電場的電極，通過前述流路，係包含使前述處理對象氣體通過生成介電質屏蔽放電的前述流路。
  11. 如申請專利專利範圍第9或10項之氣體的處理方法，其中前述觸媒層，係多孔構造且包含內部充填有消石灰的層，前述供給，係包含將已通過前述流路的氣體供予充填有前述消石灰的層。
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