DE69927015T2

DE69927015T2 - Reaktive matrix zur entfernung von feuchtigkeit aus einem fluor enthaltenten gas und verfahren

Info

Publication number: DE69927015T2
Application number: DE69927015T
Authority: DE
Inventors: T. James SNOW
Original assignee: Mykrolis Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: EP1076633A1; WO1999055620A1; EP1076633B1; US6033460A; DE69927015D1; TW460310B; AU3660199A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen aus einem Fluor enthaltenden Gas. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus Stickstofftrifluoridgas oder Fluorgas unter Vermeidung unerwünschter exothermer Reaktionen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Derzeit wird eine breite Palette von Trägern für eine reaktive Matrix zur Entfernung von Verunreinigungen aus Stickstofftrifluoridgas verwendet. Ein Hauptproblem bei den derzeit verfügbaren reaktiven Matrizes besteht darin, dass einige der Verunreinigungen in dem Stickstofftrifluorid, wie N₂F₂ und N₂F₄, mit einigen der derzeit verwendeten Träger nicht kompatibel sind. Diese Verunreinigungen führen zu einer exothermen Zersetzung unter Katalyse der Zersetzung von NF₃, die wiederum eine Kaskade von Reaktionen verursacht, die zu unerwünscht hohen Temperaturen führt, die sogar das für die reaktive Matrix verwendete Gehäuse zerstören. Es wurde von Broer et al., J. Mater. Res., 1988, 3(4), 755, beobachtet, dass bis 650 °C keine Reaktion von Komponenten eines NF₃-Gases mit Aluminiumoxid erfolgte. Durch FTIR und anschließende Analyse wurde gezeigt, dass die Reaktion von Stickstofftrifluorid mit Aluminiumoxid bei Temperaturen größer als 650 °C Nitrosylfluorid (NOF), NO₂, NO und AlF₃ produziert.
Es wurde ferner in dem japanischen Patent 01261209 (1989) gezeigt, dass die Reinigung von NF₃ mit zuvor dehydratisiertem Aluminiumoxid innerhalb eines Temperaturbereichs von 0 bis –125 °C die Verunreinigungen N₂O, CO₂ und N₂F₂ entfernt. Die kalte Temperatur minimierte die Adsorption von NF₃ an dem Aluminiumoxidträger.
Das japanische Patent 0203450 A2 (1990) offenbart, dass die Reinigung von NF₃ in Stufen etwaige Temperaturerhöhungen und anschließende Explosionen verhindert. N₂F₂ und N₂F₄ werden zunächst durch Durchleiten des NF₃-Gases durch ein Metallrohr, beispielsweise nichtrostender Stahl oder Monel, bei 150–300 °C entfernt. Anschließend wird OF₂ durch Durchperlen des Gases durch eine Na₂SO₃ und Na₂S enthaltende wässrige Lösung entfernt. Das gereinigte NF₃ strömt dann zur Entfernung von N₂O und CO₂ über eine zuvor aktivierte Aluminiumoxidschicht. Diese beiden Verunreinigungen sind in höheren Konzentrationen als Wasser vorhanden.
Die US-Patente 4 853 148 und 4 925 646 offenbaren die Verwendung von Aluminiumtrifluorid auf einem Aluminiumoxidträger zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Halogenwasserstoffgas. Das Aluminiumtrifluorid wird durch Reaktion entsprechender partiell oder vollständig alkylierter Verbindungen und/oder anhängender funktioneller Gruppen mit dem entsprechenden gasförmigen Halogenwasserstoff gebildet. Die partiell oder vollständig alkylierten Verbindungen werden als Lösung in einem organischen Lösemittel verwendet. Die Bildung von Aluminiumtrifluorid oder Aluminium durch dieses Verfahren führt zu Spurenmengen organischer Einheiten oder Verbindungen, die an dem gebildeten Produkt vorhanden sind. Selbst Spurenmengen organischer Stoffe an einem zur Reinigung von NF₃ verwendeten Material sind unerwünscht, da sie mit NF₃ oder Verunreinigungen in NF₃ in einer exothermen Reaktion reagieren, die ausreichend Wärme erzeugt, um eine weitere unerwünschte Reaktion des NF₃ zu bewirken.
Ferner ist die Bildung von AlF₃ über eine Reaktion des Ausgangsmaterials AlR₃, worin R eine organische Einheit ist, mit gasförmigem HF nicht praktikabel, da gasförmiges HF einen niedrigen Dampfdruck aufweist und überschüssiges nichtumgesetztes HF von dem Träger schwer zu entfernen ist. Ferner kann die Bildung von AlF₃ aus Aluminiumhydrid und HF-Gas mit HF in wässriger Lösung nicht durchgeführt werden, da Wasser mit Aluminiumhydrid reagiert.
Daher wäre die Bereitstellung eines Fängers für Feuchtigkeit in NF3 günstig, der mit NF₃ oder normalerweise in NF₃ gefundenen Verunreinigungen nicht reagiert. Ferner wäre die Bereitstellung eines Fängers günstig, der mit Verbindungen, die durch den Fänger adsorbiert werden, nicht reagiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Fluorgas oder Stickstofftrifluoridgas enthaltenden Gas unter Vermeidung unerwünschter exothermer Reaktionen bereit. Die Vorrichtung zur Durchführung dieser Erfindung umfasst ein Gehäuse, das eine teilchenförmige Zusammensetzung enthält, die ein aktiver Fänger zur Entfernung von Feuchtigkeit aus NF₃ ist. Das Gehäuse umfasst einen Einlass für zugeführtes NF₃ und einen Auslass für behandeltes NF₃. Die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst Teilchen, die aus mit AlF₃, das durch die Reaktion von Aluminiumoxidteilchen mit einer wässrigen Lösung von Fluorwasserstoff (HF) gebildet wurde, beschichtetem Aluminiumoxid gebildet sind. Auf diese Weise gebildete AlF₃-Teilchen sind frei von Einheiten, wie organischen Einheiten, die mit entweder F₂, NF₃ oder normalerweise in F₂ oder NF₃ gefundenen Verunreinigungen reaktiv sind.
Die Feuchtigkeitsentfernung aus F₂ oder NF₃ wird durch Durchleiten des F₂- oder NF₃-Gases durch ein Bett der Teilchen unter zur Adsorption von Feuchtigkeit aus dem NF₃ wirksamen Bedingungen bewirkt. Die adsorbierte Feuchtigkeit wird bei der Hydratbildung mit dem Aluminiumtrifluorid chemisch gebunden. Die Aluminiumoxidteilchen adsorbieren ferner Kohlenstoffoxide, d.h. Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, wenn diese Oxide in dem Gas vorhanden sind. Die Aluminiumoxidteilchen entfernen ferner Spurenmengen von HF-Gas in NF₃ durch Chemisorption unter Bildung von zusätzlichem AlF₃ und Feuchtigkeit. Der erzeugte Wasserdampf wird durch die reaktive Matrix abgefangen. Da die gemäß dieser Erfindung hergestellten Teilchen mit normalerweise in NF₃-Gas gefundenen Verbindungen nicht exotherm reagieren, wird die Entfernung der Feuchtigkeit aus NF₃ ohne signifikante Temperatur- oder Druckerhöhung bewirkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung dieser Erfindung.
2 zeigt die Temperatur- und Druckänderung über die Zeit bei der Behandlung von NF₃ zur Entfernung von Feuchtigkeit in der Vorrichtung dieser Erfindung.
BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird ein Fluorgas oder ein NF₃-Gas mit Teilchen eines mit Aluminiumtrifluorid beschichteten Aluminiumoxidträgers in Kontakt gebracht, wobei das Aluminiumtrifluorid durch Reaktion von Aluminiumoxidteilchen mit einer durchschnittlichen Größe zwischen etwa 0,1 und etwa 10 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 und 5,0 mm mit einer wässrigen Fluorwasserstofflösung, bis im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Aluminiumteilchen mit AlF₃ beschichtet ist, hergestellt wurde. Die Reaktion wird mit einer wässrigen Lösung, die zwischen etwa 1 % und etwa 10 %, vorzugsweise zwischen etwa 3 % und etwa 5 % Fluorwasserstoff enthält, bei einer Temperatur zwischen etwa 0 °C und etwa 40 °C, vorzugsweise zwischen etwa 20 °C und etwa 30 °C durchgeführt. Die Teilchen werden dann gewonnen und getrocknet, um etwaige Feuchtigkeit in diesen zu entfernen. Typische Trockungsbedingungen umfassen eine Temperatur von größer als 100 °C und vorzugsweise größer als 200 °C.
Das NF₃ oder F₂ kann allein oder in einem Gemisch mit einem Inertgas, wie Argon, Neon oder Xenon, behandelt werden.
Die Feuchtigkeitsentfernungskapazität oder -effizienz des aktiven Fängers zur Entfernung von Feuchtigkeit ist nicht durch das Vorhandensein anderer Verunreinigungen, wie Kohlenoxide, die vorzugsweise mit Feuchtigkeit um die Bindung an dem Träger konkurrieren könnten, beeinflußt. Ferner können die gemäß dieser Erfindung hergestellten, mit Aluminiumfluorid beschichteten Aluminiumoxidteilchen Feuchtigkeit aus F₂- oder NF₃-Gas ohne Reaktion mit normalerweise in NF₃ oder F₂ gefundenen Verunreinigungen adsorbieren.
1 erläutert die Verwendung der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 1 umfasst eine Vorrichtung dieser Erfindung 10 einen Einlass 12, einen Auslass 14 und ein Gehäuse 16. Die Teilchen 18 umfassen mit AlF₃ beschichtete Aluminiumoxidteilchen, die durch Reaktion von Aluminiumoxidteilchen mit einer wässrigen Fluorwasserstofflösung hergestellt wurden.
Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Beispiel 1
Eine 50-cm³-Probe von Aluminiumtrifluorid auf Aluminiumoxid wird gemäß dem im folgenden angegebenen Verfahren hergestellt. Zu Aluminiumoxid (32,5 g) in einer PFA-Flasche wird eine verdünnte Lösung von 49%igem wässrigem HF (4,1 ml) in entionisiertem Wasser (50 m 1) gegeben. Nach 3 h wird die Flüssigkeit abdekantiert und das verbleibende Aluminiumtrifluorid auf Aluminiumoxid über Nacht in dem Abzug luftgetrocknet. Das Material wird in einem Probenzylinder überführt, wo weitere Trocknung und Dehydratation des Aluminiumtrifluorids bei 400 °C während 3 h unter einem Stickstoffstrom von 3,0 slpm durchgeführt wird.
Beispiel 2
Die Kapazität des Aluminiumtrifluorids auf einem Aluminiumoxidfänger zur Entfernung von Wasserdampf wird nach dem folgenden Verfahren ermittelt. Ein 50-cm³-Probenzylinder wird mit dem in Beispiel 1 hergestelltem AlF₃/Aluminiumoxid-Fänger gefüllt. Ein Testgasgemisch aus 480 ppm H₂O in Stickstoff wird mit einer Durchflussrate von 1,0 slpm durch das Probenrohr geleitet. Die stromabwärtige H₂O-Konzentration wird unter Verwendung eines Ametek 5700 Moisture Analyzer ermittelt. Nach 2760 min wird der H₂O-Durchbruch detektiert, wobei sich eine H₂O-Kapazität für den anorganischen Fänger von 26 1 H₂O/l Bett ergibt.
Beispiel 3
Die Kompatibilität des Aluminiumtrifluorids auf einem Aluminiumoxidfänger mit NF₃-Gas wird nach dem folgenden Beispiel bestimmt. Ein 50-cm³-Probenzylinder wird mit dem in Beispiel 1 hergestellten AlF₃ Aluminiumoxid-Fänger gefüllt. Der Pro benzylinder wird mit einem über die Seite durch einen Druckbeschlag eingeführtes Thermoelement zur Messung der Innentemperatur des Fängers ausgestattet. Der Probenzylinder wird an einem Verteiler mit einer optionalen Nebenschlussschleife um die Probe installiert. Ein 200-sccm-Strom von NF₃ (CP-Qualität) wird entweder durch den Probenzylinder geleitet oder optional durch den Nebenschluss geleitet (zur Bereitstellung des Hintergrundniveaus). Der NF₃-Strom wird initiiert, dann durch die Probe geleitet und es besteht, wie in 2 angegeben ist, keine merkliche Temperaturerhöhung. Die Spektren von stromabwärtigem, durch den Nebenschluss geleitetem und gereinigtem NF₃-Gas wird unter Verwendung von FTIR ermittelt und als identisch betrachtet. Die Probe wird unter einem Druck von 43,30 psia gesetzt, per Ventil abgeschlossen und über Nacht statisch stehengelassen. Der Druck bleibt über Nacht konstant und eine FTIR-Analyse des Probenkopfraums zeigt keine Erzeugung von Verunreinigungen.

Claims

Verfahren zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem Gas, das aus der aus Stickstofftrifluoridgas und Fluorgas bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei das Verfahren das innige Inkontaktbringen des Gases mit einer Zusammensetzung, die Aluminiumoxidteilchen mit einer Aluminiumtrifluoridbeschichtung umfasst, wobei die Beschichtung durch Umsetzung von Aluminiumoxidteilchen mit einer wässrigen Fluorwasserstofflösung und anschließendes Trocknen der mit Aluminiumtrifluorid beschichteten Aluminiumoxidteilchen gebildet wurde, und die Rückgewinnung des Gases nach dem Inkontaktbringen mit der Zusammensetzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas Stickstofftrifluorid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas Fluorgas ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Gas ein Inertgas enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Gas ein Inertgas enthält.