JP2011104480A - ガス状汚染物質の分解装置および分解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス状汚染物質の除去効率の向上を図ったガス状汚染物質の分解装置を提供すること。
【解決手段】 ガス状汚染物質の分解装置は、トリメチルシラノールを含むガス６が導入される容器１と、容器１内に設けられた光触媒２と、光触媒２を活性化するための光を発生する光源４と、容器１内の湿度を下げるための除湿手段５とを具備してなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス状汚染物質の分解装置および分解方法に関する。

近年、最先端の半導体素子を製造するクリーンルームでは、半導体の高集積化、デバイスの微細化が進むに伴い、微粒子に加えてガス状汚染物質（AMC: Airborne Molecular Contaminants）などのケミカル汚染が大きな問題となっている。ＡＭＣは、シリコンウェハ表面やガラス基板表面に吸着し、製品に不具合を生じさせる。

ＡＭＣの一つとしてトリメチルシラノール（ＴＭＳ）が知られている。ＴＭＳは、クリーンルームにシール材として使用されるシリコンシール材から発生する。

また、ＴＭＳは以下の理由でも発生する。半導体製造におけるフォトリソグラフィ工程では、レジストとウェハとの密着性を向上させるために、ヘキサメチルジシラザンが使用されている。このヘキサメチルジシラザンは容易に加水分解される。ヘキサメチルジシラザンが加水分解されると、ＴＭＳとアンモニアガスが生成する。

従来のＴＭＳ汚染の対策として、以下の方法が検討されている。

特許文献１には、塵埃除去用フィルタとケミカルフィルタとを組み合わせたファンフィルタユニットを装備する従来の半導体製造装置では、ヘイズの発生およびレジスト膜の破裂を十分に防止することができず、それを解決するために、原因物質を特定して原因物質を発生しないファンフィルタユニットを使用することが提案されている。また、ヘイズの発生およびレジスト膜の破裂を防止できる半導体装置の製造方法も開示されている。

また、特許文献２には、半導体素子を製造するクリーンルームに使用されるシール材をフッ素系シール材とし、さらに、電気絶縁性を有し、機械的に安定で、耐老化性を有し、加工性に優れ、かつ、接着性に優れた材料で、クリーンルーム内に露出しているシール材の表面を被覆することで、ＴＭＳの発生を抑制する方法が示されている。また、フォトリソグラフィ工程においては、装置内への外気吸入口に活性炭を用いたケミカルフィルタを設置するというＴＭＳ対策を行っている。さらに、半導体製造装置内に不活性ガスを充満させた予備バッファ室を設け、この予備バッファ室内で汚染された半導体素子用部材を加熱処理する方法も示されている。

以上述べたように従来のＴＭＳ汚染の対策は、ＴＭＳが発生しない部材の使用、ケミカルフィルタによる吸着除去が主であるが、これらの対策はいずれも除去効率向上には限界がある。そのため、従来のＴＭＳ汚染の対策は、製品歩留まりを低下させる原因となっている。

特開平１１−４５８４５号公報 特開２００７−２７７８３号公報

本発明の目的は、ガス状汚染物質の除去効率の向上を図れるガス状汚染物質の分解装置および分解方法を提供することにある。

本発明の一態様によるガス状汚染物質の分解装置は、トリメチルシラノールを含むガスが導入される容器と、前記容器内に設けられた光触媒と、前記光触媒を活性化するための光を発生する光源と、前記容器内の湿度を下げるための除湿手段とを具備してなることを特徴とする。

本発明の一態様によるガス状汚染物質の分解方法は、絶対湿度が一定値以下の雰囲気内にトリメチルシラノールを含むガスを晒し、前記トリメチルシラノールからヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）を生成する工程と、光触媒反応による酸化によって前記トリメチルシラノールを分解する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、ガス状汚染物質の除去効率の向上を図れるガス状汚染物質の分解装置および分解方法を実現できるようになる。

第１の実施形態のＴＭＳ分解装置の概略構成を模式的に示す図。 ＴＭＳおよびＨＭＤＳＯのそれぞれについて、光触媒を通過した後のＴＭＳおよびＨＭＤＳＯの濃度の時間変化を示す図。 ＴＭＳおよびＨＭＤＳＯのそれぞれについて、光触媒反応により発生した二酸化炭素の濃度の時間変化を示す図。 絶対湿度とＨＭＤＳＯ濃度との関係を示す図。 実施形態および従来のＴＭＳ分解装置の寿命を示す図。 第２の実施形態のＴＭＳ分解装置の概略構成を模式的に示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
まず、実施形態のガス状汚染物質の除去装置および除去方法の概要について説明する。

本発明者らは、ＴＭＳの酸化分解が行われる容器と、この容器内の設けられた光触媒を含む部材（光触媒部材）と、上記光触媒を活性化するための光を発生する光源と、容器内に設置された除湿フィルタとを備えたＴＭＳ分解装置を作成した。

除湿フィルタによって低湿度環境下になっている容器内にＴＭＳガスを導入した。その結果、容器内では、ＴＭＳの二量体であるヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）が生成された。ＨＭＤＳＯが生成されたのは、容器内が低湿度環境下になっているために、ＴＭＳの脱水縮合反応が起こったからだと考えられる。

ＴＭＳからＨＭＤＳＯを生成した理由は、ＴＭＳよりも二量体であるＨＭＤＳＯの方が効率的に酸化分解できるからである。以下、この点についてさらに説明する。

光触媒反応によりＴＭＳを酸化分解したときに、反応生成物として発生する二酸化炭素濃度は、時間の経過とともに低下する。この二酸化炭素の濃度の低下は、光触媒活性の低下を意味する。

しかし、ＴＭＳの二量体であるＨＭＤＳＯは、光触媒反応により酸化分解されるが、反応生成物として発生する二酸化炭素の濃度は、時間の経過とともに低下しない。これは、光触媒反応によりＨＭＤＳＯを酸化分解する場合、光触媒の活性の低下は抑制され、ＨＭＤＳＯを効率的に酸化分解できることを意味する。

光触媒は、例えば、酸化チタンである。酸化チタンは光触媒活性が高く、ＴＭＳの分解に有用である。

光源は、例えば、波長３８０ｎｍ以下の紫外光を発生する光源である。波長３８０ｎｍ以下の紫外光を利用する理由は、光触媒反応が促進されるからである。

上記紫外光は、例えば、高電圧を電極間に印加して生じるコロナ放電により発生する紫外光である。この場合、コロナ放電により、光触媒反応を起こすために必要な紫外光が発生し、さらに、酸化分解に寄与するオゾンも発生するので、より効果的にＴＭＳを分解除去できる。

また、上記のＴＭＳ分解装置（容器、光触媒部材、光源、除湿フィルタ）の後段に、ＴＭＳを吸着するケミカルフィルタを設置すると、酸化分解によって除去できなかったＴＭＳを吸着により除去できるので、より効果的にＴＭＳを除去できるようになる。

以下、実施形態のＴＭＳ分解装置についてより詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態のＴＭＳ分解装置の概略構成を模式的に示す図である。

本実施形態のＴＭＳ分解装置は、ＴＭＳの酸化分解が行われる容器１と、この容器内の設けられた光触媒２を含む光触媒部材３と、この光触媒部材３を活性化するための光を発生する光源４と、容器１内に設置された除湿フィルタ５とを備えている。

光源４には波長３８０ｎｍ以下の紫外光ランプ（東芝ライテック（株）製）を用いた。このとき、上記紫外光ランプの代わりに、紫外光を照射できるＬＥＤランプ、または、高電圧を電極間に印加して生じるコロナ放電により紫外光を発生するランプを利用しても構わない。

ここでは、光触媒２を含む光触媒部材３としては、セラミックス製の３次元網目状基材（寸法：６５×７０×６ｍｍ、空孔率：８０〜９０％）の表面に光触媒２としての酸化チタンゾル（平均粒子系：３０ｎｍ）を含浸させ、熱処理することで固定させた光触媒担持体を用いた。

このとき、３次元網目状基材に対する光触媒担持体の光触媒の濃度は、１２ｗｔ％とした。光触媒の濃度は、１２ｗｔ％には限定されず、例えば、８−２０ｗｔ％の範囲内であれば良い。

光触媒担持体の機材としては、セラミックス製の基材のほか、活性炭やシリカゲルで構成されたハニカム状の基材でも構わない。光触媒部材３の上面と光源４の光の出射面とが平行となるように、光触媒部材３および光源４は配置されている。

ここでは、除湿フィルタ５としては、シリカゲルを除湿剤とするものを使用した。シリカゲルの代わりに、ゼオライト、活性炭または活性炭繊維を除湿剤とするものを使用しても構わない。

除湿フィルタ５は、装置の前段、つまり、ガス６を導入する入り口側に設けた（光触媒部材３の前方）。これにより、ＴＭＳを脱水縮合させて生成されたＨＭＤＳＯを効率よく光触媒部材２に供給することができる。

ＴＭＳ分解装置の入り口（不図示）から導入されたガス６は、除湿フィルタ４を通過する。このとき、除湿フィルタ４によって容器１内の絶対湿度を３０％以下（低湿度）にしてある。その結果、ガス６中のＴＭＳが脱水縮合し、ＴＭＳからＨＭＤＳＯが生成される。

上記ＨＭＤＳＯを含有するガスは光触媒部材３を通る。このとき、光触媒部材３は、光源４により光（紫外光）が照射されている。なお、光触媒部材２の側面（ガスを導入する側の面）に対して垂直方向からＨＭＤＳＯを含有するガスが導入するように、光触媒部材３は配置されている。

光触媒部材３内においては、光触媒２による光触媒反応によってＨＭＤＳＯが分解され、二酸化炭素が生成される。したがって、ＴＭＳ分解装置の出口（不図示）からは二酸化炭素を含むガス７が排出される。

上述したＴＭＳ分解装置を用いて、ＴＭＳとＨＭＤＳＯについて、光触媒２に紫外光を照射したときとしなかった場合について、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳ濃度およびＨＭＤＳＯ濃度を測定した。また、紫外光を照射したときとしなかった場合のそれぞれについて二酸化炭素の発生量を比較し、ＨＭＤＳＯの優位性について検討した。具体的には以下の通りである。

ＴＭＳ分解装置の入り口での濃度が５０ｐｐｍのＴＭＳを、流量３．０Ｌ／ｍｉｎの条件でＴＭＳ分解装置内に導入し、光源４により紫外光強度２．０ｍＷ／ｃｍ² の紫外光を光触媒２に照射した場合の、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳおよび二酸化炭素の濃度を測定した（実験１）。

ＴＭＳ分解装置の入り口での濃度が２０ｐｐｍのＨＭＤＳＯを、流量３．０Ｌ／ｍｉｎの条件でＴＭＳ分解装置内に導入し、光源４により紫外光強度２．０ｍＷ／ｃｍ² の紫外光を光触媒２に照射した場合の、ＴＭＳ分解装置の出口でのＨＭＤＳＯおよび二酸化炭素の濃度を測定した（実験２）。

実験２において紫外光を照射しなかった場合において、実験２と同様に、ＴＭＳ分解装置の出口でのＨＭＤＳＯおよび二酸化炭素の濃度を測定した（実験３）。

実験１において紫外光を照射しなかった場合において、実験１と同様に、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳおよび二酸化炭素の濃度を測定した（実験４）。

図２に、上記四つの実験１−４における、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳおよびＨＭＤＳＯの濃度の時間変化を示す。

図３に、上記四つの実験１−４における、ＴＭＳ分解装置の出口での二酸化炭素の濃度の時間変化を示す。

図２より、ＴＭＳを導入した場合（実験１、実験４）、紫外線の照射の有無に関わらず、光触媒通過後はＴＭＳが除去（分解）されるため、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳ濃度は測定開始時には非常に低い値となる。しかし、図２に示すように時間の経過とともに、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳ濃度は増加する傾向があることが分かる。これは光触媒表面にＴＭＳが吸着し、触媒作用が低下するためと考えられる。

紫外線の照射がある場合（実験１）は、紫外線の照射がない場合（実験４）に比べて、ＴＭＳを分解する性能は高く、ＴＭＳ分解装置の出口でのＴＭＳ濃度が低くなったが光触媒表面にＴＭＳが吸着し、時間の経過とともに触媒作用が低下した。

一方、ＨＭＤＳＯを導入した場合（実験２、実験３）、紫外線の照射がないと、ＴＭＳ分解装置の出口でのＨＭＤＳＯ濃度に変化はなく（実験３）、また、紫外線の照射があると、ＴＭＳ分解装置の出口でのＨＭＤＳＯ濃度は約半分となる（実験２）。すなわち、光触媒反応により、ＨＭＤＳＯが分解されていることが確認された。

また、図３より、紫外線の照射がある場合（実験１、実験２）、二酸化炭素の発生が確認され、ＴＭＳおよびＨＭＤＳＯは光触媒反応によって分解されていることが確認された。しかし、紫外線の照射がない場合（実験３，実験４）、二酸化炭素は検出されなかった。

さらに、図３より、紫外線の照射がある場合でも、ＴＭＳを導入した場合（実験１）には、時間の経過とともに二酸化炭素の濃度（生成量）は減少していくが、ＨＭＤＳＯを導入した場合（実験２）には、時間が経過しても二酸化炭素の濃度（生成量）はほとんど変化しないことが分かる。すなわち、光触媒反応を用いた分解（除去）に関しては、ＴＭＳを光触媒によって分解するよりも、ＴＭＳを脱水縮合させてＨＭＤＳＯに変換してから光触媒によって分解を行った方がより効率良く、長期間の分解が可能になることが分かった。

図４は、ＴＭＳ分解装置の容器内の絶対湿度と、該容器内に導入されたＴＭＳが光触媒反応により分解されて生成されたＨＭＤＳＯの濃度（ＨＭＤＳＯ濃度）との関係を示す図である。ＴＭＳ分解装置の入り口でのＴＭＳ濃度は５０ｐｐｍとした。

図４から、絶対湿度が３５％よりも高いとＨＭＤＳＯ濃度の増加は見られないが、絶対湿度が３５％以下、特に３０％以下になると、ＨＭＤＳＯ濃度の増加は明らかに見られることが分かる。同様の傾向は、ＴＭＳ濃度５０ｐｐｍ以外の場合でも見られた。すなわち、ＴＭＳをＨＭＤＳＯに確実に分解するためには、容器１内の絶対湿度を一定値以下、つまり、３５％以下することが重要であることが分かった。絶対湿度３０％，５０％の場合、ＨＭＤＳＯの生成量は１〜３ｐｐｍであった。

また、図４から、絶対湿度５％以下の場合、ＨＭＤＳＯ濃度は１０ｐｐｍであることが分かる。同様の傾向は、ＴＭＳ濃度５０ｐｐｍ以外の場合でも見られた。すなわち、低湿環境下、特に絶対湿度５％以下の低湿環境下では、ＴＭＳから効率よくＨＭＤＳＯを生成できることが分かった。

本発明者らは、実施形態の光触媒を用いたＴＭＳ分解装置の寿命と、従来のケミカルフィルタを用いたＴＭＳ分解装置の寿命とを調べた。その結果を図５に示す。ここでは、ＴＭＳの除去率が９０％以下に落ちるまでの時間を寿命とする。従来のＴＭＳ分解装置の寿命が１０００時間であるの対し、本実施形態のＴＭＳ分解装置の寿命は２０００時間であり、寿命は２倍も延びた。

かくして実施形態のＴＭＳ分解装置を用いれば、絶対湿度が一定値以下の雰囲気内にＴＭＳ（ガス状汚染物質）を含むガスを晒してＴＭＳからＨＭＤＳＯを生成し、光触媒反応による酸化によってＨＭＤＳＯを分解することにより、ＴＭＳの除去効率（分解効率）の向上を図れるＴＭＳ分解方法を実施できるようになり、もって、ＴＭＳ汚染による製品歩留まりの低下を抑制することが可能となる。また、本実施形態のＴＭＳ分解装置は寿命が長いので、本実施形態のＴＭＳ分解装置およびそれを用いたＴＭＳ分解方法は、製造コストの削減の点も有利である。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のＴＭＳ分解装置の概略構成を模式的に示す図である。なお、図１と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

本実施形態のＴＭＳ分解装置が第１の実施形態のそれと異なる点は、ケミカルフィルタ８をさらに備えていることにある。

ケミカルフィルタ８は、例えば、活性炭を用いたケミカルフィルタである。

ケミカルフィルタ８は光触媒部材３の後方（装置出口側）に設けられており、光触媒部材３を通過したガス７はケミカルフィルタ８を通るようになっている。ケミカルフィルタ８は、光触媒部材３によって酸化分解されなかった（除去されなかった）ＴＭＳを捕集する。したがって、本実施形態によれば、容器１内でより効果的にＴＭＳを除去できるようになる。

以上述べた実施形態のＴＭＳ分解装置・方法は、例えば、クリーンルームや、半導体製造装置の清浄化に使用される。半導体製造装置は、例えば、ＡｒＦ等を光源に用いた露光装置や、光学系検査装置である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

１…容器、２…光触媒、３…光触媒部材、４…光源、５…除湿フィルタ（除湿手段）、６…導入ガス（ＴＭＳ）、７…排気ガス（ＣＯ₂ ）、８…ケミカルフィルタ。

Claims (8)

1. トリメチルシラノールを含むガスが導入される容器と、
   前記容器内に設けられた光触媒と、
   前記光触媒を活性化するための光を発生する光源と、
   前記容器内の湿度を下げるための除湿手段と
   を具備してなることを特徴とするガス状汚染物質の分解装置。
2. 前記除湿手段は、シリカゲル、ゼオライト、活性炭または活性炭繊維を備えた除湿フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のガス状汚染物質の分解装置。
3. 前記除湿手段は、前記光触媒よりも前記ガスを導入する入り口側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス状汚染物質の分解装置。
4. 前記除湿手段は、前記容器内の絶対湿度を３５％以下に設定できるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のガス状汚染物質の分解装置。
5. 前記光源は、コロナ放電により紫外光を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス状汚染物質の分解装置。
6. 前記光触媒は、酸化チタンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガス状汚染物質の分解装置。
7. 絶対湿度が一定値以下の雰囲気内にトリメチルシラノールを含むガスを晒し、前記トリメチルシラノールからヘキサメチルジシロキサンを生成する工程と、
   光触媒反応による酸化によって前記トリメチルシラノールを分解する工程と
   を含むことを特徴とするガス状汚染物質の分解方法。
8. 前記雰囲気内の絶対湿度は、３５％以下であることを特徴する請求項７に記載のガス状汚染物質の分解方法。

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