CN1727279A - 三氟化氮气体的纯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种去除三氟化氮(NF3)气体中N2F2杂质的方法。以电解法制备的NF3气体含有0.1~2%的N2F2杂质气体,N2F2很不稳定,在高温下很容易分解。本发明利用其高温分解的特性,将一个装有铁、不锈钢、铜、镍、蒙乃尔或上述一种以上金属填料的裂解塔加热到100~400℃后通入含有N2F2杂质的NF3气体,使N2F2杂质分解去除。本发明方法能够很安全、有效地去除N2F2杂质而又不引起NF3气体的大量分解。
Description
(一)、技术领域
本发明涉及一种三氟化氮气体的纯化方法,它适用于用电解法制备的NF3气体的纯化。
(二)、背景技术
NF3气体作为一种氟来源被广泛应用于高能激光和半导体工业领域中,具有很好的应用前景。作为等离子CVD(‘chemical vapor deposition’化学气相沉积)室的清洗气体以及等离子CDE(‘chemical deposition etch’化学沉积蚀刻)工艺中的蚀刻气体,NF3气体被称作“电子气体”。高纯度的NF3气体对半导体元件的生产是至关重要的,超大规模集成电路对NF3气体纯度要求在99.99%以上。
用电解法制备的NF3气体中的N2F2杂质在纯化过程中容易分解为N2和F2,如果N2F2杂质在纯化设备中富集到一定程度,N2F2杂质分解成游离态的F2,而F2是自然界中最活泼的元素,它很容易与其它还原性物质或金属发生放热反应,如果不能很好地疏散其反应热,该反应热进一步促使NF3气体裂解,最终引起大规模的氧化还原反应而发生爆炸。即直接对电解制备的NF3气体进行提纯存在严重的安全隐患,应先除掉N2F2等不稳定杂质后再用纯化设备进一步提纯。
除NF3气体中杂质气体N2F2的方法有很多,可通过沸石吸附器吸附NF3气体中的N2F2,也可在低温下(0~-125℃)用脱水铝除NF3气体中的N2F2,也可利用N2F2的热不稳定性进行高温裂解除NF3气体中的N2F2。N2F2的热不稳定性是指常温下N2F2不稳定,易分解成N2和F2,当加热到一定温度时能加速它的分解,所以通常采用热裂解的方法来去除NF3混合气中的N2F2杂质。热裂解除N2F2杂质气体是指将含N2F2杂质的NF3气体通过一高温容器以使N2F2分解,但这种方法易引起NF3的分解。为降低NF3的分解,在高温容器中填充氟化物填料以降低热裂解的温度,并且此时N2F2的分解效果会更好。氟化物填料可以为碱金属氟化物(如NaF、KF等)和金属氟化物(如FeF3等),以及可以直接填充金属(如铁,铜等)作为N2F2裂解的热载体。
(三)、发明内容:
为了克服现有技术的缺点,本发明提供一种三氟化氮气体的纯化方法,它安全可靠,有效地去除N2F2杂质而又不引起NF3气体的大量分解。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:在一个不锈钢、铜、镍或蒙乃尔金属制的裂解塔的外部用远红外加热瓦或电阻丝加热,裂解塔直径为50~500mm,塔高500~5000mm,内部装有铁、不锈钢、铜、镍、蒙乃尔或上述一种以上金属填料,填料的比表面积在70~500m2/m3,填料形式可以为散堆填料也可为规整填料,散堆填料的规格或公称尺寸从2.5至76均可,规整填料的尺寸可以为任何尺寸,将裂解塔加热到100~400℃后通入含有0.1~1%的N2F2杂质的NF3气体,裂解塔的操作压力为0~1MPa,NF3气体在裂解塔内的滞留时间为0.5~30min,N2F2杂质彻底分解去除,NF3气体的分解率小于3%。
本发明安全可靠,有效地去除N2F2杂质而又不引起NF3气体的大量分解。
(四)、具体实施方式
本发明中裂解塔设备及填料所选用的材料可以是低碳钢、不锈钢、铜、镍、蒙乃尔等金属材料,其中铜、镍、蒙乃尔最好。在上述几种材料中,蒙乃尔材料的耐F2腐蚀性最好,镍的催化活性最好,铜的传热效果最好,低碳钢的加工成本最低。为有效地控制裂解后其他杂质的增加量,裂解塔设备的材料最好选用耐腐蚀的金属如304L、316L、317L、紫铜、镍或蒙乃尔,其中以蒙乃尔最好。填料的材料最好选用活性较好的纯镍,镍的纯度≥99.5%。
为提高填料的比表面积,填料最好加工成鲍尔环或鞍环等形状,其规格或公称尺寸大小可以从16至76不等,优先选用的规格为16至50的鲍尔环和鞍环填料。裂解塔内填料的比表面积一般在100~400m2/m3,最好是200~400m2/m3。
为使NF3气体中的N2F2杂质充分裂解,需要将裂解塔加热到适当的温度,可以选用的温度范围是100~400℃。温度过低,N2F2杂质裂解缓慢、不充分、气体滞留时间延长。反之,温度过高,NF3气体的裂解量也相应加大。在保证N2F2杂质充分裂解的前提下尽量降低裂解温度,优选的裂解温度是140~350℃。
在上述裂解温度条件下,NF3气体在裂解塔中的滞留时间为0.5~30min,优选1~10min。时间过短不利于N2F2杂质的充分裂解,反之,时间过长则生产效率低下。
为保证后续纯化工艺气体的流动动力,裂解塔的操作压力一般控制在0.1~1MPa,优选0.2~0.7MPa。
下面通过具体的实施例及比较例来更详细地阐述本发明内容,除本发明中所提及的实施例外,还可以有多种实现方式,不受本发明中的实施例所局限。
在一个直径为150mm,高1500mm用蒙乃尔材料制的裂解塔中,装填规格或公称尺寸为16的镍鲍尔环填料,镍的纯度为99.5%,装填高度为1400mm,填料的比表面积为364m2/m3,裂解塔外部用4.5kW的远红外加热器加热。在向裂解塔通入NF3气体之前,用真空泵将裂解塔内空气抽干净,以保证裂解后气体的纯度。向裂解塔中通入含有1%左右N2F2杂质的NF3气体,裂解塔的操作压力为0.3MPa。
变更不同的裂解温度和NF3气体滞留时间,用气相色谱仪对裂解前后的NF3气体进行组分分析,通过气体组分分析的结果得知,在140~350℃下及滞留时间25min之内,NF3气体中的N2F2杂质已彻底分解去除了,并且NF3气体的裂解量≤2%,其详细结果见NF3气体组分分析表。
在一个直径为150mm,高1500mm用1Cr18Ni9Ti材料制的裂解塔中,装填φ30mm,厚5mm的NaF片,NaF片装填高度为1400mm,NaF片事先用50MPa以上的油压机压制成片后再在400~500℃下烘烤5小时,填料的比表面积约150m2/m3,裂解塔外部用4.5kW的远红外加热器加热。在向裂解塔通入NF3气体之前,用真空泵将裂解塔内空气抽干净,以保证裂解后气体的纯度。向裂解塔中通入含有1%左右N2F2杂质的NF3气体,裂解塔的操作压力为0.3MPa。
变更不同的裂解温度和NF3气体滞留时间,用气相色谱仪对裂解前后的NF3气体进行组分分析,通过气体组分分析的结果得知,在200~350℃下及滞留时间25min之内,NF3气体中的N2F2杂质已彻底分解去除了,NF3气体的裂解量约5%,其详细结果见NF3气体组分分析表。
NF3气体组分分析表
裂解温度(℃) | 滞留时间(min) | NF3(%) | N2F2 | ||
裂解前NF3气体组分 | 97.5 | 1.5% | |||
裂解后NF3 | 实施例1 | 140 | 5 | 96.6 | 182ppmv |
气体组分 | 实施例2 | 170 | 5 | 96.0 | 13ppmv |
实施例3 | 280 | 1 | 97.5 | 8ppmv | |
实施例4 | 350 | 1 | 97.5 | 未检出 | |
比较例1 | 200 | 30 | 87.7 | 197ppmv | |
比较例2 | 270 | 10 | 90.0 | 96ppmv | |
比较例3 | 300 | 5 | 90.3 | 77ppmv | |
比较例4 | 350 | 10 | 85.9 | 未检出 |
通过本发明的实施例与现有技术的比较例可以看出,本发明实施例中裂解塔的裂解温度比现有裂解塔的裂解温度降低了30~100℃,并且NF3气体的滞留时间也缩短了5~25min,NF3气体的裂解量从现有的5~10%降低至3%以下。
Claims (9)
1、一种三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:在一个不锈钢、铜、镍或蒙乃尔金属制的裂解塔的外部用远红外加热瓦或电阻丝加热,裂解塔直径为50~500mm,塔高500~5000mm,内部装有铁、不锈钢、铜、镍、蒙乃尔或上述一种以上金属填料,填料的比表面积在70~500m2/m3,填料形式可以为散堆填料也可为规整填料,散堆填料的规格或公称尺寸从2.5至76均可,规整填料的尺寸可以为任何尺寸,将裂解塔加热到100~400℃后通入含有0.1~1%的N2F2杂质的NF3气体,裂解塔的操作压力为0~1MPa,NF3气体在裂解塔内的滞留时间为0.5~30min,N2F2杂质彻底分解去除,NF3气体的分解率小于3%。
2、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述裂解塔的材料为含碳量低并且耐腐蚀的304L、316L、317L、蒙乃尔。
3、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述裂解塔直径为100~200mm,塔高1000~3000mm。
4、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述的金属填料为镍,镍的纯度≥99.5%。
5、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述的金属填料为规格或公称尺寸为16至50的鲍尔环、矩鞍环或共轭环散堆填料。
6、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述的裂解塔内金属填料的比表面积为100~350m2/m3。
7、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述的裂解塔的裂解温度为140~350℃。
8、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述裂解塔的操作压力为0.2~0.7MPa。
9、根据权力要求1中所述的三氟化氮气体的纯化方法,其特征在于:所述的NF3气体在裂解塔内的滞留时间为1~10min。
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