DD281173A5 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF HIGH-PURITY, CRYSTALLIZED AMMONIUM FLUORIDE - Google Patents

METHOD FOR THE PRODUCTION OF HIGH-PURITY, CRYSTALLIZED AMMONIUM FLUORIDE Download PDF

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DD281173A5
DD281173A5 DD32724089A DD32724089A DD281173A5 DD 281173 A5 DD281173 A5 DD 281173A5 DD 32724089 A DD32724089 A DD 32724089A DD 32724089 A DD32724089 A DD 32724089A DD 281173 A5 DD281173 A5 DD 281173A5
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Dieter Mross
Wolfgang Wobst
Matthias Knuepfer
Reinfried Kaden
Ingeburg Lehms
Gottfried Frenzel
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Nuenchritz Chemie
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Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochreinem, kristallisiertem Ammoniumfluorid ("Ammoniumfluorid * fuer die Anwendung in der Mikroelektronikindustrie. Aus der durch Umsetzung von Fluorwasserstoff mit Ammoniak entstandenen Suspension wird das kristallisierte Ammoniumfluorid sofort in hochreiner Qualitaet gewonnen. Eine nachtraegliche Reinigung ist nicht erforderlich. Die Mutterlauge kann mehrfach zu erneuter Salzbildung zurueckgefuehrt werden, ohne dasz die Reinheit des gewonnenen Produktes beeintraechtigt wird. Das erhaltene Ammoniumfluorid dient als Zusatz zu AEtzmittelkompositionen zur Behandlung von Halbleiterbauelementen.{Ammoniumfluorid, kristallisiert, spezialrein; Herstellung; AEtzmittelkomposition; Halbleiterbauelement; Mikroelektronik; Behandlung}The invention relates to the production of high-purity, crystallized ammonium fluoride ("ammonium fluoride" for use in the microelectronics industry.) The crystallized ammonium fluoride is immediately obtained from the suspension formed by reaction of hydrogen fluoride with ammonia in ultrapure quality The ammonium fluoride used can be used as an additive to compositions for the treatment of semiconductor devices. {ammonium fluoride, crystallized, special-purpose; production; composition; semiconductor device; microelectronics; treatment}

Description

absorbierten Mengen der zugeführten Ausgangsstoffe darin vollständig zurückgehalten werden können. Die Zuführungsgeschwindigkeiten von Fluorwasserstoff und von Ammoniakgas werden so gehalten, daß in der Reaktionslösung, einschließlich intensiver Kühlung, die Temperatur in den angegebenen Grenzen verbleibt.absorbed amounts of the supplied starting materials can be completely retained therein. The feed rates of hydrogen fluoride and ammonia gas are maintained so that in the reaction solution, including intensive cooling, the temperature remains within the specified limits.

AusfuhrungsbeispieleExemplary embodiments

Ein Reaktionsgefäß aus Polypropylen mit Kühlschlange, Rührer, Ein- und Ausleitungsrohren sowie einem Bodenventil, wurde mit 44%iger Fluorwasserstoffsäure beschickt und unter Rühren und Kühlen Ammoniakgas eingeleitet, wobei die Temperatur zwischen 293 und 298K gehalten wurde. Nach vollständiger Neutralisation wurde die Suspension abgelassen und das auskristallisierte Ammonlumfluorid von der Mutterlauge durch Zentrifugieren abgetrennt. Die Mutterlauge, eine gesättigte Ammoniumfluoridlösung, wurde in das Reaktionsgefäß zurückgeführt und Fluorwasserstoff bis zu einem Gehalt von 25 bis 30% zugeleitet, wobei durch Rühren und intensive Kühlung die Temperatur unter 298K gehalten wurde. Danach wurde erneut Ammoniakgas bei 293 bis 298 K bis zur Neutralisation eingeleitet, die entstandene Suspension wie oben beschrieben aufgearbeitet und die Mutterlauge erneut zurückgeführt. Die Rückführung erfolgte mehr.ach, mindestens 5mal, bis sich Anzeichen ergaben, daß der Fe- bzw. der Sulfatanteil anzusteigen droht. Es wurden stet ι Chargen mit einem Gehalt an Ammoniumfluorid von mehr als 99,5% erhalten.A reaction vessel made of polypropylene with a cooling coil, stirrer, inlet and outlet pipes and a bottom valve was charged with 44% hydrofluoric acid and ammonia gas was introduced with stirring and cooling while maintaining the temperature between 293 and 298K. After complete neutralization, the suspension was drained and the crystallized ammonium fluoride separated from the mother liquor by centrifugation. The mother liquor, a saturated ammonium fluoride solution, was returned to the reaction vessel and hydrogen fluoride was passed to a level of 25 to 30%, maintaining the temperature below 298K by stirring and intensive cooling. Thereafter, ammonia gas was again introduced at 293 to 298 K until neutralization, the resulting suspension was worked up as described above and the mother liquor returned again. The recirculation took place mehr.ach, at least 5 times, until there were signs that the Fe or sulfate content threatens to increase. Steady ι batches were obtained with a content of ammonium fluoride of more than 99.5%.

Während des Einleitens von Ammoniakgas oder Flußsäure war dem Reaktionsgefäß jet veils ein weiteres mit einem neu vorbereiteten Ansatz nachgeschaltet, um die geringen Mengen nichtabsorbierter Ausgiingsstoffe aufzunehmen. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse (Mittelwerte aus mehreren Zyklen) zusammengestellt. In Spalte 1 sind Werte von Umsetzungen mit Ammoniakgas bei Temperaturen zwischen 320 und 325K (nicht erfiraungsgemäß), in Spalte 2 die von Umsetzungen zwischen 298 und 301K aufgeführt. Spalte 3 enthält die Ergebnisse (Mittelwerte) von Ansätzon bis zu 5maliger Rückführung von Ammoniumfluoridlösung. Aus der Tabelle ist zu erkennen, daß bei niedrigerer Umsetzungstemperatur der Anteil an ionischen Vorunreinigungen deutlich vermindern und auch bei mehrfacher Rückführung auf diesen geringen Werten gehalten werden kann.During the introduction of ammonia gas or hydrofluoric acid, the reaction vessel jet was followed by another jet with a newly prepared batch in order to take up the small amounts of non-absorbed constituents. The following table summarizes the results (averages of several cycles). Column 1 shows values of conversions with ammonia gas at temperatures between 320 and 325K (not according to the invention), in column 2 those of conversions between 298 and 301K. Column 3 contains the results (means) of Ansätzon up to 5 times the recycle of ammonium fluoride solution. From the table it can be seen that at lower reaction temperature, the proportion of ionic impurities significantly reduce and can be maintained at these low values even with multiple recycling.

Tabelletable Gehalte an Fremdionen Im Ammonlumfluorid (In ppm)Levels of foreign ions in ammonium fluoride (in ppm)

Spaltecolumn kleinersmaller 11 kleinersmaller 22 kleinersmaller 33 Verunr.Verunr. kleinersmaller kleinersmaller Alal 0,170.17 0,100.10 0,030.03 AgAg kleinersmaller 0,007·0.007 · kleinersmaller 0,007»0.007 " kleinersmaller 0,007»0.007 " CuCu 0,020.02 kleinersmaller 0,003»0.003 " kleinersmaller 0,003»0.003 " FeFe 0,260.26 kleinersmaller 0,140.14 kleinersmaller 0,050.05 MnMn 0.03·00:03 · 0,03»0.03 " 0,03»0.03 " NiNi 0,050.05 kleinersmaller 0,014»0.014 " kleinersmaller 0,014»0.014 " NaN / A 0,120.12 0,035»0.035 " 0,035»0.035 " Pbpb kleinersmaller 0,020.02 kleinersmaller 0,020.02 kleinersmaller 0,020.02 ZnZn kleinersmaller 0,080.08 kleinersmaller 0,007»0.007 " kleinersmaller 0,007»0.007 " SiSi 3030 3030 3030 Chloridchloride 5 · 5 · 5 » Sulfatsulfate 10·10 · 10»10 » 10»10 »

Spalte 1: Erstansatz bei 320-325K,Column 1: first batch at 320-325K, Spalte 2: Erstansatz bei 298-301K,Column 2: first batch at 298-301K, Spalte 3: bis 5malige Rückführung, 298-301K,Column 3: up to 5 times recycling, 298-301K,

* = Nachweisgrenze.* = Detection limit.

Claims (2)

Patentansprüche:claims: 1. Verfahren zur Herstellung von hochreinem, kristallisierten Ammoniumfluorid aus Fluorwasserstoff und gasförmigem Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß hochprozentige Fluorwasserstoffsäure oder Fluorwasserstoff enthaltende Ammoniumf luoridlösung mit gasförmigem Ammoniak neutralisiert, dabei die Temperatur der Reaktionslösung im Bereich zwischen 293 und 308 K gehalten, von der entstandenen Suspension auskristallisiertes Ammoniumfluorid abgetrennt und die verbleibende Ammoniu nfluoridlösung zur erneuten Salzbildung zurückgeführt wird.1. A process for the preparation of high purity, crystallized ammonium fluoride from hydrogen fluoride and gaseous ammonia, characterized in that highly concentrated hydrofluoric acid or hydrogen fluoride containing ammonium fluoride solution neutralized with gaseous ammonia, while maintaining the temperature of the reaction solution in the range between 293 and 308 K, from the resulting suspension separated out crystallized ammonium fluoride and the remaining ammonium nfluoridlösung is recycled to re-salt formation. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückgeführten Ammoniumfluoridlösung zunächst Fluorwasserstoff bis zu einem Gehalt von etwa 25 bis 30% zugeführt, die Temperatur des Reaktionsmediums dabei im Bereich zwischen 293 und 298 K gehalten und danach mit Ammoniakgas neutralisiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the recirculated ammonium fluoride first hydrogen fluoride fed to a content of about 25 to 30%, the temperature of the reaction medium is maintained in the range between 293 and 298 K and then neutralized with ammonia gas. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung wird in der chemischen Industrie zur Herstellung von Ammoniumfluorid (.Ammoniumfluorid spezialrein") angewendet, das den Reinheitsforderungen der Halbleiterindustrie entspricht. Das erfindungsgemäß hergestellte Produkt wird bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen als Zusatz zu Ätzmittelkompositionen eingesetzt. Um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden, müssen alle Bestandteile der Ätzmittelkompositionen extrem hohe Reinheit aufweisen.The invention is used in the chemical industry for the production of ammonium fluoride ("ammonium fluoride spezialrein"), which meets the purity requirements of the semiconductor industry.The product produced according to the invention is used in the manufacture of semiconductor devices as an additive to etchant compositions.To avoid unwanted side reactions, all must Components of Ätzmittelkompositionen extremely high purity. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Ammoniumfluorid wird in der Regel durch Umsetzung von Fluorwasserstoff oder Fluorwasserstoffsäure mit gasförmigem Ammoniak oder mit wäßrigem Ammoniumhydroxid hergestellt. Auf Grund der großen Löslichkeit in Wasser ist es schwierig, auf diesem Wege hohe Ausbeuten zu erhalten, d. h. kristallisiertes Pr Oi Λ aus der Lösung zu gewinnen. Beim Einengen dieser Lösungen tritt Zersetzung auf, so daß gasförmige Spaltprodukte und unerwünschtes Ammoniumbifluorid entstehen. Ein anderer Herstellungsweg ist die Gewinnung durch ammoniakalische Hydrolyse von Natriumfluorosilikat, indem daraus im Bereich bis über 500K ein Gemisch aus Fluorwasserstoff, Ammoniak, Ammoniumfluorid und Ammoniumbifluorid abgetrieben wird. Die Absorption dieses Gemisches erfolgt bei 340 bis 360K in wäßriger Ammoniumfluoridlösung, woraus sich dann eine Suspension von Ammoniumfluoridkristallen bildet. Diese Verfahrensweise ist, abgesehen von den anzuwendenden hohen Temperaturen, nicht geeignet, das Mitreißen von Verunreinigungen zu vermeiden (PL 62513). Neue Verfahrensweisen werden in CS 160414 und CS 164687 vorgeschlagen. Insbesondere wird hierbei die nachträgliche Reinigung mit organischen Lösungsmitteln beschrieben. Unter Ausschluß von Luftfeuchte wird das Ammoniumfluorid mit einer bis zu 10fachen Menge (bezogen auf Ammoniumfluorid) organischer Lösungsmittel aus der wäßrigen Lösung isoliert. Trotz des hohen Aufwands an zusätzlichen Hilfsstoffen liegen die Ausbeuten nur zwischen 75% und 88%, bzw. bei 65%. Eine hohe Absicherung von ionischen, insbesondere anorganischen, Verunreinigungen mit nichtwäßrigen Lösungsmitteln kann auf diese Weise nicht sicher gewährleistet werden. Eine Verfahrensweise zur Herstellung von hochreinem, kristallisierten Ammoniumfluorid aus Fluorwasserstoff und Ammoniakohne nachträgliche Reinigungsoperationen ist bisher nicht beschrieben worden.Ammonium fluoride is usually prepared by reacting hydrogen fluoride or hydrofluoric acid with gaseous ammonia or with aqueous ammonium hydroxide. Due to the high solubility in water, it is difficult to obtain high yields in this way, ie to recover crystallized Pr oi Λ from the solution. Upon concentration of these solutions decomposition occurs, so that gaseous cleavage products and unwanted Ammoniumbifluorid arise. Another preparation method is the extraction by ammoniacal hydrolysis of sodium fluorosilicate by a mixture of hydrogen fluoride, ammonia, ammonium fluoride and Ammoniumbifluorid is aborted in the range up to about 500K. The absorption of this mixture takes place at 340 to 360K in aqueous ammonium fluoride solution, from which then forms a suspension of ammonium fluoride crystals. This procedure, apart from the high temperatures to be used, is not suitable for preventing the entrainment of impurities (PL 62513). New procedures are proposed in CS 160414 and CS 164687. In particular, this describes the subsequent purification with organic solvents. With the exclusion of atmospheric moisture, the ammonium fluoride is isolated from the aqueous solution with up to 10 times the amount (based on ammonium fluoride) of organic solvents. Despite the high expense of additional auxiliaries, the yields are only between 75% and 88%, or 65%. A high degree of protection of ionic, in particular inorganic, impurities with nonaqueous solvents can not be guaranteed in this way. A procedure for producing high purity, crystallized ammonium fluoride from hydrogen fluoride and ammonia without subsequent purification operations has not previously been described. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Verfahrensweise, die sofort zu hochreinen Produkten führt, keine Hilfsstoffe bzw. mit solchen eine Nacharbeit erfordert und hohe Ausbeuten sowie geringe Umweltbelastung gestattet.The aim of the invention is the development of a procedure that leads immediately to high-purity products, requires no auxiliaries or with such a rework and high yields and low environmental impact allowed. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Ammoniumfluorid hat wie alle Ammoniumsalze eine hohe Löslichkeit in Wasser. Es bestand deshalb die Aufgabe, eine maximale Ausnutzung der Ausgangsstoffe zu erreichen und zugleich nachträgliche Reinigungsoperationen zu vermeiden sowie eine Minimierung an Abfallprodukten zu ermöglichen.Ammonium fluoride, like all ammonium salts, has a high solubility in water. It was therefore the task of achieving a maximum utilization of the starting materials and at the same time to avoid subsequent cleaning operations and to enable a minimization of waste products. Die Aufgabe wurde gelöst, indem konzentrierte Fluorwasserstoffsäure durch Einleitung von Ammoniakgas bei Temperaturen zwischen 293 K und 308K neutralisiert wird. Es bildet sich dabei eine Suspension mit auskristallisiertem Ammoniumfluorid. Überraschenderweise wurde gefunden, daß auch dann Ammoniumfluorid hoher Reinheit erhalten werden kann, wenn die vom auskristallisierten Ammoniumfluorid befreite, gesättigte Ammoniumfluoridlösung erneut bei 293K bis 298K mit Fluorwe' serrtoff beladen und anschließend wieder mit Ammoniakgas versetzt, zur Bildung von kristallisiertem Ammoniumfluotid eingesetzt wird. Die Ammoniumfluoridlösung kann mehrmals zurückgeführt werden, ohne daß die hohe Reinheit dadurch gemindert wird. Es wurden Zyklen bis zu zehnmaliger Zurückführung ohne Qualitätsminderung erreicht. Auf diese Weise ist es möglich, bei Vorlage von Ammoniumfluoridlösung die Ausgangsstoffe praktisch quantiativ auszunutzen. Dem Reaktionsgefäß wurde jeweils ein neu vorbereiteter Ansatz nachgeschaltet, so daß die geringen, im Reaktionsgefäß nichtThe problem has been solved by neutralizing concentrated hydrofluoric acid by introducing ammonia gas at temperatures between 293 K and 308 K. It forms a suspension with crystallized ammonium fluoride. It has surprisingly been found that ammonium fluoride of high purity can be obtained even if the saturated ammonium fluoride solution freed from crystallized ammonium fluoride is again charged with fluorobutane at 293K to 298K and then reintroduced with ammonia gas to form crystallized ammonium fluoride. The ammonium fluoride solution can be recycled several times, without the high purity is thereby reduced. Cycles of up to ten times regression without quality degradation were achieved. In this way, it is possible to use the starting materials practically quantitatively when submitting ammonium fluoride solution. The reaction vessel was followed by a newly prepared batch, so that the low, not in the reaction vessel
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2000058208A2 (en) * 1999-03-29 2000-10-05 Honeywell Specialty Chemicals Seelze Gmbh Method for producing high-purity solutions using gaseous hydrogen fluoride
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