JPH0226612A - ガス体中の微量イオンの捕捉方法及びガス体浄化方法及びガス体浄化フィルター装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガス体、特に空気中の微量イオンを有効に捕
捉除去できるようにしたガス体中の微量イオンの捕捉方
法及びガス体浄化方法及びガス体浄化フィルター装置に
関する。

（従来の技術） 半導体集積回路装置の製造のための基板である半導体ウ
ェーへの表面の清浄化は、特に最近のようにデザインル
ームの縮小、集積度の向上とともに一段とその高度化が
強く要求される。半導体つ工−ハは、その製造工程でそ
の表面が洗浄された後、清浄な空気或いは特殊な場合に
は、特に窒素などの不活性高純度雰囲気中に保存される
が、工程間の移動に際してはどうしても室内の空気に接
触する機会が多い、また半導体集積回路装置の製造工程
では、一般の作業空間と区別して、特別に清浄雰囲気が
用意されているが、例えばクリーンベンチ等がこの目的
のために開発実用化されている。

かかる、クリーンベンチ内の空気は、米国連邦規格クラ
ス１００を数段も越える超清浄であったり、無人・無塵
化の技術が発達し、かかる技術は、勿論半導体ウェーハ
の清浄工程でも活用がなされている。

しかし、これまでの作業雰囲気としての空気の清浄化は
、専ら微粒子汚染の除去又は超高性能フィルターで、粒
子特性によって捕獲されるもので、空気中のイオンには
注目されていない。

空気汚染の浮遊粒子状物質（エアロゾル）は、その発生
源としては、海塩粒子や土砂の巻き上げなどからできる
風塵、森林火災による煙、火山灰のような自然発生のも
のが多いが、しかし現在地域大気汚染を起こしている浮
遊粒子状物質は、燃料や廃棄物の燃焼、生産過程からの
漏洩、及び自動車排気中の粒子状物質に由来するものが
多い。

ガス状汚染物質としては、化石燃料である石炭や石油中
に含まれる硫黄が燃焼によってＳ　ＯｚやＳ　Ｏ３とな
って大気中に放出されたり、同じ化石燃料の高温燃焼、
例えば発電所、ボイラーその他加熱炉、自動車の排気ガ
スが発生源となるＮｏＸなどがある。

これら硫黄酸化物や、窒素酸化物は、空気中の水分によ
りイオン化してＳｏ、Ｚ−，５ｏ４ｚ−、又はＮＯ□−
１ＮＯ１−となる、ガス状汚染物質としてはこの他にＣ
Ｏやアンモニア、アミン類や各種低級を機化合物がある
。

この他の空気中の浮遊不純物としては、バクテリヤ、イ
オン物質として、Ｃ１−等の陰イオン及びＮａ”、Ｋ”
等の陽イオン等が考えられる。

以上の空気中の不純物は、例えば微量であっても除去さ
れずに、半導体ウェーへの製造工程の、特に最終洗浄工
程でその作業雰囲気に含まれている場合、半導体ウェー
ハの洗浄直後の表面が著しく高清浄のため付着して、こ
れを汚染する。汚染源の種類によっては、その汚染の状
態が種々に変化し、これに伴いその後半導体集積回路製
造工程の不良原因に変化をもたせる。

従って、かかる不純物は極限迄除去されるべきであり、
最近の種々の経験や半導体集積回路製造工程からの要求
から考察すると、これまで注目していなかったイオン性
の不純物の除去が、特にその微量レベル゛においてすら
問題になることがわかった。勿論かかるイオン性の不純
物を含む雰囲気は半導体集積回路装置の後工程において
も、メタル容器又は樹脂で気密封止する以前においては
好ましくない。

一方、空気中の不純物を除くために活性炭系のフィルタ
ーが従来から知られている。このフィルターの効果は有
機物に対しては顕著であるが、イオンについてはあまり
効果的ではない、さらに、空気の浄化処理方法としては
、活性炭フィルターの他に、スクラバ一方式による方法
が一般的であるが、設備が大掛かりとなり又維持管理が
大変で小設備には向かない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、比較的軽量で設備上の制約がなく、システム
的に安価にでき、かつガス体中の微量イオンを効果的に
捕捉除去することを可能とした微量イオンの捕捉方法を
提供するとともにガス体の浄化方法及びフィルター装置
を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、イオン
交換体からなるイオン吸着層を設け、該イオン吸着層に
空気を通過せしめ、該空気中に含まれる微量イオンを捕
捉するようにしたものである。

本発明によって捕（足されるイオンは、空気中の水分に
溶解する電解質として存在し、エアロゾルとして、空気
中に浮遊搬送される。かかるエアロゾルは、サブミクロ
ンから大きいものは１０μｍにも達するが、本発明にお
いては、イオン交換樹脂の表面に衝突したり、或いは拡
散により到達する。次いで、樹脂表面の吸着水分と相互
溶解し、イオンは樹脂表面の活性基によって交換固定さ
れる。以後は、イオン交換樹脂は離脱することはない。

このようにして本発明によれば、イオン物質を含む空気
をイオン交換体からなるイオン吸着層を通過せしめれば
、イオン物質が除去され、空気の清浄が可能となる。

イオン交換体からなるイオン吸着層と、活性炭層とを設
け、該イオン吸着層及び活性炭層に空気を通過せしめ、
該空気中に含まれるイオン及び有機物等を捕捉除去する
ことによって空気の浄化を行うこともできる。

イオン交換体からなるイオン吸着層と、活性炭層とを設
けてカートリッジ状とした空気浄化フィルター装置とす
ることもできる。

イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂及び陽イオ
ン交換樹脂をそれぞれ単独に用いてもよいし、両者を併
用してもよいし、また両者を混合して用いることもでき
る。

また、最近メモリーのキャパシターの酸化膜が薄くなる
に従い、その耐圧特性（信頼性）にＣｕ、Ｎｉ、Ｎａな
どの金属（イオン）が悪影響を及ぼす点が指摘されてい
る。これらの金属又はイオンは、金属単体、酸化物や塩
の形を一般にとると考えられ、その除去の為には、ＨＥ
ＰＡフィルター（高性能フィルター）で可能と考えられ
てきた。しかし、ＨＥＰＡフィルターから吹き出される
空気を捕集し、その中に含まれるイオンを調べると、Ｚ
ｎ”、Ｆｅ”、Ｎｉ”、Ｎａ”　、アンモニア及びＳｏ
Ｘ、Ｎｏ、、Ｃｆｆ−等のアニオンが認められる。これ
らの汚染物の発生原因を全て特定することは難しい。し
かし、例えばアニオンについては、外気のレベルとＨＥ
ＰＡフィルター吹き出し部のレベルが連動して変化する
ことから、外気の汚れが持ち込まれていると考えられる
。また、Ｎａ塩については、空気の相対湿度があがると
、−旦捕捉されていた塩がＨＥＰＡフィルターを抜は出
るともいわれており、イオン性の汚れについてＨＥＰＡ
フィルターは、必ずしも充分とはいえない。この抜は出
たイオンは、その環境下に放置されているウェーハを経
時的に汚染する。汚染は、電気的中性条件をみたす形で
進むと考えられることから、種々のイオンの汚染が進む
と考えられる。例えば、Ｃ２°イオンについて見ると、
ＨＥＰＡフィルターの吹き出し空気下に６時間放置する
と約７ｘｌＯ”分子／ｃｆｆｌ、２４時間放置で約１ｘ
ｌＯ１３分子／　ｃｔＡの増加が認められた場合がある
。これに対応して、アンモニアやＮａ”の増加も認めら
れる′。

従って、ＨＥＰＡフィルターによる微粒子除去機構の他
にイオン性汚染物質をクリーンルームシステムから除去
する機能を持つシステムを追加する必要があり、本発明
の意義はここに存在するものである。

本発明者がイオン交換樹脂による吸着フィルターの知見
に基づき本発明に到達したのは次の経緯による。即ち、
市販のカートリッジを調査しても、希望する２効果がな
かったり、或いはあっても二次汚染の可能性や、現有設
備面での負荷（重量等）などが懸念された。しかし、ア
ニオンの存在形態を考えると、エアロゾルの可能性が高
く、この中に含まれる水分を有効に使えば、装置上の開
発の幅が広がると推定された。一方、イオン交換樹脂の
ように、内部に極性基をもつ合成樹脂は親水性が高く、
樹脂表面のイオン交換能は必ずしも水雰囲気下でなくと
も有効に働くと考えられた。以上の観点から、イオン交
換樹脂の効果を調べたところ、その有効性が確認された
ものである。

（作用） 本発明において使用されるイオン交換体として、ＮＯｘ
　−、Ｓ　ＯＸ　”−、Ｃｌ−等の陰イオンを捕捉する
目的では陰イオン交換樹脂を使用するし、Ｎａ”、に’
等の陽イオンを捕捉する目的では陽イオン交換樹脂を用
いる。

各種イオンの捕捉は、イオンの存在形態がエアロゾルと
なっている場合があり、乾燥状態のイオン交換体でも捕
捉できるものである。イオン交換体の表面がイオンの捕
捉を効率よく行う為に湿った状態又は水膜状態にあれば
、後述する実施例において述べるごとく、より好ましい
ものである。

イオン交換体の水分含有率はイオン交換樹脂の重量の３
５〜１００重量％程度が好ましい。水分含有率が３５重
量％未満ではイオン交換樹脂は乾燥状態でありイオンの
捕捉率が低下するし、水分含有率が１００重量％を超え
ると空気の流通が妨げられイオンの捕捉率が低下する。

この理由は、イオン交換樹脂は一般に多孔質であり、こ
の表面にはミクロ及びマクロの細孔が無数にあるが、こ
れらの細孔は更゛に内部で細いトンネルとして網目状に
複雑に連絡が行われ、イオンのエアロゾルを含む空気は
イオン交換樹脂の粒子相互の大きな間隙を通過する間に
、上記の表面へ拡散し、イオン交換を完了する。従って
、水分含有量は、イオン交換反応のためのイオン交換樹
脂表面の電解質溶液雰囲気としである程度は必要である
が、多すぎると上記の細孔を完全に密閉するごとになる
ので、好ましくない。

また、イオンを効果的にかつ長期間にわたり捕捉してお
くためには、使用するイオン交換体の捕捉能が大きいこ
とが必要であることは勿論である使用するイオン交換体
から汚染物質が発生することが好ましくないのはいうま
でもないが、ＯＨ型のアンモニウム塩形のイオン交換樹
脂は、室温で分解してアミンを生成し、処理した空気に
このアミンが混入するため、このアミンを除去するた、
めの活性炭層を設けることが必要となる。しかし、この
種のイオン交換樹脂でも活性炭層を常に併設するような
構成とすれば使用可能である。

一方、下記式（：）で示される非アンモニウム塩形のイ
オン交換樹脂は、化学的に安定であり、分解によるアミ
ンの発生は少なく後処理が容易であるという利点がある
。

式（ｉ） 上記した弐（ｉ）のイオン交換樹脂は市販されている（
商品名ダイヤイオンＷＡ２０．三菱化成工業■製）が、
水分含有率は約３９〜４５重量％である。この種の樹脂
の水分含有率を高めたり、水分含有率の変化を少なくす
る上で、弐（ｉ）の構造にエチレンオキサイドを付加さ
せた構造も有効である。

また、イオン交換樹脂を帯電防止剤又は中性洗剤で表面
処理を行っておけば、吸湿性が増大して水分の維持に有
効である。二次汚染すなわちこれら帯電防止剤又は中性
洗剤が再びイオン交換樹脂表面より離脱飛散することを
避けるために、イオン交換樹脂と化学結合を行わせるな
どの工夫が好ましい。

さらに、イオン交換樹脂は再生して再使用されることは
勿論であるが、弱塩基性陰イオン交換樹脂はＮＨａＯＨ
で再生される。よく純水で洗った後のイオン交換樹脂の
乾燥は、イオンを含まない熱空気（又は窒素等）で行う
。

以上の説明は、アニオンの捕捉についてのものであるが
、本発明によればカチオンの捕捉も行うことができる。

すなわち１、空気中に含まれるイオンとしてのＮａ’　
　（ＮａＣｆ等）などのアルカリ金属類や他のイオン類
及びアンモニアやアミン類は陽イオン交換樹脂で効率よ
く捕捉除去される。

陽イオン交換樹脂としては、一般に市販されている強酸
形、弱酸形及び一部のキレート形樹脂がある。これらの
樹脂についても親水化処理を行うことは、イオンの捕捉
効率を上げる上で好ましい。

陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とは、別々のカー
トリッジとし、それらを積み重ねたり、或いは樹脂をブ
レンドしてカートリッジとし、それを使用してもいずれ
も捕捉効果が認められる。

本発明による微量イオンの捕捉効果は、アンモニアガス
の精製についても有効であり、強酸形樹脂のアンモニウ
ム塩タイプの樹脂とメタルイオンとは、 Ｒ３Ｏ３ＮＨ４＋Ｍ”　→Ｒ３Ｏｓ　Ｍ＋ＮＨ４と交換
反応を起こし、またアニオン交換形樹脂と共存乃至カー
トリッジとして積層しておくと、アニオンも捕捉され、
最終的にアンモニアガスが精製される。従って、本発明
によれば、空気の他にアンモニアガス等のガス体も浄化
の対象となるものである。

（実施例） 以下に本発明の実施例を挙げて説明する。

実施例１〜２及び比較例１ 第１表に示すごとき３種の含水率（約５％、４５％及び
９゛３％）を有する弱塩基性イオン交換樹脂（商品名ダ
イヤイオンＷＡ−２０、三菱化成工業■製）を調製した
。含水率の数値は、イオン交換樹脂をオーブン中で１０
０°Ｃで３０分間加熱したときのｆＩｉｌを、加熱処理
した後の樹脂重量で割って算出した。第１図に示すごと
き多数のセルＣ（Ｉｃｍｘｌｃｍ）を有するＳＵＳ又は
ＰＶＣ製の枠体Ｗ　（６５ｃｍｘ　６５ｃｍｘ　３ｃｍ
　（高さ）〕の下面に約１３０メツシユのステンレス製
又は合成樹脂製の網Ｍｌを接合して上記した各弱塩基製
イオン交換樹脂を充填し、ついで該枠体Ｗの上面に約１
３０メツシユのステンレス製又は合成樹脂製の網Ｍ２を
接合してイオン交換体のカートリッジＹを作成した。こ
のカートリッジＹをブロワ−の吸い込み口側に設置し、
これに空気を６．６ｃｍ／ｓｅｃの流速（平均値）で通
過させた。このときの空気とイオン交換樹脂との接触時
間は４．５秒であったこれらのイオン交換樹脂によって
処理された空気中の各種のイオンの残存量をイオンクロ
マトグラフィー法によって分析測定した値を第１表に示
した。

第１表の結果から、同一のイオン交換樹脂であってもイ
オン交換樹脂の含水率が上がるとイオンの捕捉率が増加
することが分かった。

（以下余白） 第１表 第１表において、＊１）ピークの分離ができず数値の表
示が不可能である。　＊２）　　ｓ０３”−につぃては
、相対比で示してあり、未処理空気を１０とした、ＮＤ
は検出下限値以下を意味する。各陰イオンの濃度はμｇ
／Ｍ空気で示されている。

分析は、インビンジャーによる空気の採取とイオンクロ
マトグラフィー分析法によって行い、また未処理の空気
は取り入れ口側で同様にサンプリングと分析を行った。

実施例３ 陰イオン交換樹脂（商品名ダイヤイオンＷＡ−２０、三
菱化成工業■製）に強酸形陽イオン交換樹脂（Ｄｉａｉ
ｏｎ　　ＰＫ２２０のＨ形、三菱化成工業■製）を容量
比で２５％ブレンドして作成した厚さ３ｃｍのカートリ
ッジ（線速等の空気の処理条件は実施例１と同一）につ
いて、空気中に含まれるアンモニアの捕捉率をイオンク
ロマトグラフィー分析法で調べた。この結果、吸引側の
レベルを１００とすると、カートリッジの通過側で５．
２のレベルであり、捕捉率はこの条件で約９５％であっ
た。

次に、イオン交換樹脂を使ったフィルター装置の具体例
を図面に基づいて説明する。

イオン交換樹脂を充填するカートリッジＹの構造として
は、前述した第１図に示した如く、多数のセルＣを枠体
Ｗに形成してもよいし、また第２図に示すごとく、セル
を形成することなく単なる枠体Ｗの上下“に網Ｍｌ及び
綱Ｍ２を設置するように構成することもできる。

第３図において、２はカートリッジ状としたフィルター
装置で、イオン交換樹脂を充填したイオン交換体のカー
トリッジＹを複数個積層してなるイオン吸着層４と該イ
オン吸着層４に隣接して設けられた活性炭層６とから構
成されている。このフィルター装置２を空気の流入路に
単に挿着しておけば、空気中に含まれる微量のイオンが
イオン吸着層４によって捕捉除去され、かつ有機物等が
活性炭層６によって除去され、極めて清浄な空気を得る
ことができるものである。

第３図のフィルター装置２のカートリッジＹに充填され
るイオン交換樹脂としては、特別の限定はない、前記し
た非アンモニウム塩形のイオン交換樹脂を用いるのが好
ましいが、アンモニウム塩形のイオン交換樹脂を用いて
も分解生成するアミンは活性炭層６や一所望によりカー
トリッジＹに組み込まれる陽イオン交換樹脂に吸着され
るので空気中に混入することはなく弊害はない。

第４図は第３図のフィルター装置、２の性能をさらに向
上させたフィルター装置８を示すものである。１０は空
気取り入れ通路１２に設けられた水供給装置で、該イオ
ン吸着層４の含水量を自在に調節する作用を果たす。該
水供給装置１０は設置状況、使用方法等を考慮して必要
に応じて設置され、図示したようにスチームを噴出する
ようにしてもよいし、また水を噴霧するようにしてもよ
く、その他水分を供給するためのいずれの公知の手段を
用いることもできる。イオン吸着層４及び活性炭層６は
本フィルター装置の主要部を構成するものであり、空気
取り入れ通路１２を通過してきた空気が取り入れ側誘導
ダク）１４によって誘導通過せしめられる。１６はイオ
ン吸着層４の上方に設置されたプレフィルタ−である、
該活性炭層６を通過した空気はυト出側誘導ダクト１８
にょうて排出口２０に誘導される。２２は８亥排出口２
゜に必要に応じて設けられるＨＥＰＡフィルターであり
、イオン吸着層４及び活性炭層６によって除去されない
成分をさらに除去する作用を行うものである。

イオン交換樹脂（ダイヤイオンＷＡ−２０）のイオン交
換能は、２．　５ｍｅｑ／ｍｊ！　（即ち、０．　１２
４ｇ／ｍｊりであり、１０ｕｇｌｒｄの濃度の空気１０
０ｒｒｆに対して８．０６ｘｌＯ弓ｍ２のイオン交換樹
脂があればよい、空気流量１００　ｒｒｆ／ｍｌｎで１
年間もたせるには、捕捉の安全率を２としても、必要な
イオン交換樹脂量ｒは、 ｆ−１００ｘ３６５ｘ２４ｘ６０ｘｌＯｘｔＯ−’十〇
、１２４ｘ２−８．４１１１’＝８．５１従って、イオ
ン交換樹脂は交換容量的には１０ｆあれば、１年間の運
転が可能であり、コスト的にもそれほど負担の増大する
ものではない。

また、再生システムを組み込むことにより、樹脂の再利
用が可能となり、省資源、省コストの対応が可能となる
。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、空気中に微量台まれる
各種のイオンを効果的、簡便かつ低コストで捕捉除去す
るこζができるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン交換樹脂を充填するカートリッ
ジの一例を示す分解斜視図、第２図は本発明のイオン交
換樹脂を充填するカートリッジの他の例を示す分解斜視
図、第３図は本発明のフィルター装置の一実施例を示す
説明図及び第４図は本発明のフィルター装置の他の実施
例を示す説明図である。 ２．８−ガス体浄化フィルター装置、４・・・イオン吸
着層、６・・・活性炭層、２２・・−ＨＥＰＡフィルタ
ー、Ｙ・−・カートリッジ。 第１図

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン交換体からなるイオン吸着層を設け、該イ
   オン吸着層にガス体を接触及び／又は通過せしめ、該空
   気中に含まれる微量イオンを捕捉するようにしたことを
   特徴とするガス体中の微量イオンの捕捉方法。
2. （２）該イオン交換体が３５〜１００重量％の水分を含
   有するイオン交換樹脂であることを特徴とする請求項（
   １）記載のガス体中の微量イオンの捕捉方法。
3. （３）該イオン交換体が陰イオン交換樹脂及び／又は陽
   イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項（１）又
   は（２）記載の方法。
4. （４）該陰イオン交換樹脂が弱塩基性陰イオン交換樹脂
   であることを特徴とする請求項（３）記載の方法。
5. （５）イオン交換体からなるイオン吸着層と、活性炭層
   とを設け、該イオン吸着層及び活性炭層に空気を通過せ
   しめ、該ガス体中に含まれるイオン及び有機物等を同時
   に捕捉除去するようにしたことを特徴とするガス体浄化
   方法。
6. （６）該イオン交換体が３５〜１００重量％の水分を含
   有するイオン交換樹脂であることを特徴とする請求項（
   ５）記載のガス体浄化方法。
7. （７）該イオン交換体が陰イオン交換樹脂及び／又は陽
   イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項（５）又
   は（６）記載の方法。
8. （８）該陰イオン交換樹脂が弱塩基性陰イオン交換樹脂
   であることを特徴とする請求項（７）記載の方法。
9. （９）イオン交換体からなるイオン吸着層と、活性炭層
   とを設けてなるガス体浄化フィルター装置。
10. （１０）該イオン交換体が３５〜１００重量％の水分を
    含有するイオン交換樹脂であることを特徴とする請求項
    （９）記載のガス体浄化フィルター装置。
11. （１１）該イオン交換体が陰イオン交換樹脂及び／又は
    陽イオン交換樹脂で、あることを特徴とする請求項（９
    ）又は（１０）記載の方法。
12. （１２）の該陰イオン交換樹脂が弱塩基性陰イオン交換
    樹脂であることを特徴とする請求項（１１）記載の方法
    。