KR100457977B1 - Process for producing nitrogen trifluoride and use thereof - Google Patents
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Abstract
F2가스를 희석 가스의 존재하에 80 ℃ 이하에서 NH3가스와 기체 상태로 반응시켜 NF3를 제조한다. 따라서, 우수한 안전성, 효율 및 수익성을 갖는 NF3가스를 생산할 수 있다.NF 3 is prepared by reacting F 2 gas in a gaseous state with NH 3 gas at 80 ° C. or lower in the presence of diluent gas. Thus, it is possible to produce NF 3 gas with good safety, efficiency and profitability.
Description
NF3는, 예컨대 반도체 장치 등의 제조 공정에 있어서, 건조 에칭 가스 등으로 사용되며, NF3를 제조하는 방법으로서는 일반적으로 화학적 방법과 전기 분해법으로 대별된다.NF 3 is used, for example, as a dry etching gas in a manufacturing process such as a semiconductor device, and is generally classified into a chemical method and an electrolysis method as a method for producing NF 3 .
공지된 화학적 방법의 예는 다음을 포함한다.Examples of known chemical methods include the following.
(1) F2가스와 NH3가스를 융합 산성 불화암모늄에 블로우잉 하는 방법(일본 심사 특허 공개 제55-8926호, JP-B-55-8926 참조),(1) a method of blowing F 2 gas and NH 3 gas into fused acidic ammonium fluoride (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-8926, JP-B-55-8926),
(2) 금속 불화암모늄 착물을 고체 형태로 F2가스와 반응시키는 방법(일본 심사 특허 공개 제60-71503호, JP-B-60-71503 참조), 및(2) a method of reacting a metal ammonium fluoride complex with F 2 gas in solid form (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-71503, JP-B-60-71503), and
(3) F2가스를 NH3가스와 직접 반응시키는 방법(일본 심사 특허 공개 제2-255513호, JP-A-2-255513 참조).(3) A method in which F 2 gas is directly reacted with NH 3 gas (see Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-255513, JP-A-2-255513).
한편, 전해질로서 융합 산성 불화암모늄을 사용하는 공지된 전기 분해법은 다음을 포함한다:On the other hand, known electrolysis methods using fused acidic ammonium fluoride as the electrolyte include:
(4) 양극(anode)으로서 흑연을 사용하여 전기 분해를 수행하는 방법, 및(4) a method of performing electrolysis using graphite as an anode, and
(5) 양극으로서 니켈을 사용하여 전기 분해를 수행하는 방법.(5) A method of performing electrolysis using nickel as the anode.
더욱이, 러프(Ruff) 등은 비록 수율은 5% 이하로 낮지만 F2가스를 NH3가스와 기체 상태로 반응시키는 화학적 방법을 사용하여 NF3를 합성할 수 있다고 보고하였다(Z. anorg. allg. chem.,197, 395 (1931) 참조). 또한, Morrow et al.는 NF3가 기체상태로 유사하게 합성된다고 보고하였다(J. Amer. Chem. Soc.,82, 5301 (1960) 참조).Moreover, Ruff et al. Reported that NF 3 can be synthesized using a chemical method of reacting F 2 gas with NH 3 gas in the gaseous state, although yields are below 5% ( Z. anorg. Allg). chem. , 197 , 395 (1931). Morrow et al. Also reported that NF 3 is similarly synthesized in the gaseous state (see J. Amer. Chem. Soc. , 82 , 5301 (1960)).
그러나, 반응 기질로서 F2가스를 사용하여 NH3에서 NF3를 합성하는 통상적인 직접 불화법에 있어서, 사용되는 F2가스는 매우 반응성이 크기 때문에, 기질과 F2가스 사이에 폭발 또는 부식이 발생할 수 있다. 더욱이, 이들 반응은 다량의 반응열의 발생을 초래하여 반응기의 온도를 상승시키고, 그 결과, 산물 NF3의 분해 또는 부반응에 의한 N2, HF 또는 NH4F의 생성으로 인하여 수율의 불리하게 감소한다. JP-A-2-255513에 개시된 방법은 반응기 온도를 열배지 내에서 80 내지 250 ℃ 로 유지하면서, F2가스를 NH3의 3 내지 20 배로 사용하여 NF3를 제조한다는 점에서 문제가 있으며, 그래서 F2에 기초한 수율이 낮고 수익성도 낮다.However, in the conventional direct fluoride method using the F 2 gas as a reaction substrate for synthesis of NF 3 from the NH 3, since F 2 gas is a highly reactive size used, an explosion or corrosion between the substrate and the F 2 gas May occur. Moreover, these reactions result in the generation of a large amount of heat of reaction, which raises the temperature of the reactor, and consequently reduces the yields due to decomposition of the product NF 3 or production of N 2 , HF or NH 4 F by side reactions. . The method disclosed in JP-A-2-255513 is problematic in that NF 3 is prepared using F 2 gas 3 to 20 times NH 3 while maintaining the reactor temperature at 80 to 250 ° C. in a heat medium, Thus, the yield based on F 2 is low and profitability is low.
F2가스를 사용하는 직접 불화 방법에 있어서, 기질의 수소 1 개가 불소 1 개로 치환될 때 약 -110 kcal/mol의 반응열이 발생한다. 따라서, F2와 NH3의 반응에 의하여 NF3를 제조하는 경우, 수소가 불소로 치환될 때 약 -330 kcal/mol의 반응열이 발생하고, 이러한 열 발생은 N-F 결합의 파괴나 폭발을 야기하며, 더욱이 수율을 감소시키고, 제조에 있어서 문제점들을 발생시킨다.In the direct fluorination method using F 2 gas, a heat of reaction of about −110 kcal / mol is generated when one hydrogen of the substrate is replaced by one fluorine. Therefore, when NF 3 is prepared by the reaction of F 2 with NH 3 , heat of reaction of about -330 kcal / mol is generated when hydrogen is substituted with fluorine, and this heat generation causes breakage or explosion of the NF bond. In addition, yields are reduced and problems arise in manufacturing.
본 발명은 불소 가스(F2)를 암모니아 가스(NH3)와 기상에서 직접 반응시키는 것을 포함하는 삼불화질소(이하 "NF3"라 함)의 제조 방법 및 그들의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a process for the production of nitrogen trifluoride (hereinafter referred to as "NF 3 ") and the use thereof comprising directly reacting fluorine gas (F 2 ) with ammonia gas (NH 3 ) in the gas phase.
본 발명은 이러한 조건 상황하에서 완성되었으며, 본 발명의 목적은 반응 기질(NH3)을 F2가스와 반응시킴으로써 NF3를 제조하는 직접 불화 방법에 있어서, 산업적으로 우수한 수익성과 안전성 및 효율을 갖는 NF3제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been completed under these conditions, and an object of the present invention is to provide a direct fluorination method for producing NF 3 by reacting a reaction substrate (NH 3 ) with F 2 gas, which has industrially superior profitability, safety and efficiency. 3 to provide a production method.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 부단한 연구 결과, 본 발명자들은 F2가스를 NH3와 반응시켜 NF3를 제조하는 방법에 있어서, 희석 가스의 존재하에서 80 ℃ 이하의 온도에서 반응을 수행할 때, NF3를 높은 수율로 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견에 기초하여 완성되었다.In order to solve the above problems, the present inventors have found that in the method of producing NF 3 by reacting F 2 gas with NH 3 , when the reaction is carried out at a temperature of 80 ° C. or lower in the presence of diluent gas, NF It was found that 3 can be obtained in high yield. The present invention has been completed based on this finding.
따라서, 본 발명은 아래의 (1) 내지 (13)에 기재한 바와 같이, NF3를 제조하는 방법과 생성된 NF3의 용도를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for producing NF 3 and the use of the resulting NF 3 as described in (1) to (13) below.
(1) 희석 가스의 존재하에서 80 ℃ 이하의 온도에서, 불소 가스를 암모니아 가스와 기체 상태로 반응시키는 단계를 포함하는 삼불화질소의 제조 방법.(1) A method for producing nitrogen trifluoride comprising reacting fluorine gas with ammonia gas in a gaseous state at a temperature of 80 ° C. or lower in the presence of diluent gas.
(2) 반응 온도가 50 ℃ 이하인 상기 (1)에 기재된 방법.(2) The method as described in said (1) whose reaction temperature is 50 degrees C or less.
(3) 공급된 불소 가스와 암모니아 가스의 농도가 몰비로 1:1 내지 1:2 인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 방법.(3) The method according to the above (1) or (2), wherein the supplied fluorine gas and ammonia gas have a molar ratio of 1: 1 to 1: 2.
(4) 불소 가스 및/또는 암모니아 가스를 분량적으로 공급하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 방법.(4) The method in any one of said (1)-(3) which supplies fluorine gas and / or ammonia gas in fractions.
(5) 공급되는 불소 가스의 농도가 3 몰% 이하인 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 방법.(5) The method as described in any one of said (1)-(4) whose density | concentration of fluorine gas supplied is 3 mol% or less.
(6) 공급되는 암모니아 가스의 농도가 6 몰% 이하인 상기 (1) 내지 (5) 주 어느 하나에 기재된 방법.(6) The method according to any one of (1) to (5) above, wherein the concentration of the supplied ammonia gas is 6 mol% or less.
(7) 희석 가스가 질소, 헬륨, 아르곤, 헥사플루오로에탄 및 옥타플루오로프로판으로 구성된 군 중에서 한 가지 이상 선택되는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 방법.(7) The method according to any one of the above (1) to (6), wherein the dilution gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, hexafluoroethane and octafluoropropane.
(8) 희석 가스를 순환시켜 재사용하는 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 방법.(8) The method according to any one of (1) to (7), wherein the dilution gas is circulated and reused.
(9) 반응하지 않은 불소 가스를 알칼리 수용액 및/또는 암모니아로 처리하는 미반응 불소 가스의 처리 단계를 포함하는 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 방법.(9) The method according to any one of (1) to (8), comprising a step of treating an unreacted fluorine gas in which an unreacted fluorine gas is treated with an aqueous alkali solution and / or ammonia.
(10) 처리 단계를 80 ℃ 이하에서 수행하는 상기 (9)에 기재된 방법.(10) The method according to the above (9), wherein the treatment step is performed at 80 ° C or lower.
(11) 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 제조 방법에 의하여 제조된 삼불화질소를 포함하는 삼불화질소.(11) Nitrogen trifluoride containing nitrogen trifluoride manufactured by the manufacturing method in any one of said (1)-(10).
(12) 상기 (11)에 기재된 삼불화질소 산물을 포함하는 에칭 가스.(12) An etching gas comprising the nitrogen trifluoride product according to (11) above.
(13) 상기 (11)에 기재된 삼불화질소 산물을 포함하는 클리닝 가스.(13) A cleaning gas comprising the nitrogen trifluoride product according to (11) above.
즉, 본 발명은 "희석 가스의 존재 하의 80 ℃ 이하의 온도에서 불소 가스를 암모니아 가스와 기체 상태로 반응시키는 것을 포함하는 삼불화질소의 제조 방법", "상기한 제조 방법에 의하여 제조된 트리 플루오라이드를 포함하는 삼불화질소 산물" 및 "상기한 삼불화질소 산물을 각각 포함하는 에칭 가스 및 클리닝 가스"를 제공한다.That is, the present invention is "a method for producing nitrogen trifluoride comprising reacting a fluorine gas in a gaseous state with a fluorine gas at a temperature of 80 ° C or less in the presence of diluent gas," "trifluoride prepared by the above-described manufacturing method Nitrogen trifluoride products comprising; and "Etching gas and cleaning gas each comprising the above-described nitrogen trifluoride products".
본 발명을 수행하기 위한 최상의 방법Best way for carrying out the invention
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 희석 가스의 존재하의 80 ℃ 이하의 온도에서 불소 가스를 암모니아 가스와 기체 상태로 직접적(비촉매적)으로 반응시킴으로써, 기존의 직접적 불화 반응 기술의 문제점을 해결할 수 있고, 우수한 안전성, 효율 및 수익성을 갖는 NF3를 산업적으로 생산할 수 있는, NF3의 제조 방법을 제공한다.The present invention can solve the problems of the conventional direct fluorination reaction technology by directly (non-catalytically) reacting fluorine gas in a gaseous state with ammonia gas at a temperature of 80 ° C. or lower in the presence of diluent gas, and excellent safety and efficiency. And a method for producing NF 3 , which can industrially produce NF 3 with profitability.
상기한 바와 같이, F2가스를 사용하는 직접 불화 방법은 기질의 1 개의 수소가 1 개의 불소로 치환시 약 -110 kcal/mol 만큼의 반응열을 발생시킨다.As described above, the direct fluorination method using F 2 gas generates heat of reaction of about −110 kcal / mol when one hydrogen of the substrate is replaced with one fluorine.
F2가스를 NH3가스와 반응시켜 NF3를 제조하는 경우, 수소가 불소로 치환됨으로써 약 -330 kcal/mol의 반응열이 발생하고, 많은 경우에 국부적 온도가 상승한다. 고온 하에서, 아래의 반응식 1로 나타낸 목적 반응시 아래의 반응식 2로 나타낸 부반응이 우세하게 일어난다.In the case of producing NF 3 by reacting F 2 gas with NH 3 gas, hydrogen is substituted with fluorine to generate heat of reaction of about -330 kcal / mol, and in many cases, the local temperature rises. Under high temperature, the side reaction represented by Scheme 2 below predominantly occurs in the target reaction represented by Scheme 1 below.
4NH3+ 3F2→ NF3+ 3NH4F (반응식 1)4NH 3 + 3F 2 → NF 3 + 3NH 4 F (Scheme 1)
2NH3+ 3F2→ N2+ 6HF (반응식 2)2NH 3 + 3F 2 → N 2 + 6HF (Scheme 2)
따라서, 부반응(반응식 2)을 제어하고 목적 반응(반응식 1)을 선택적으로 증진시키는 것이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 부단히 연구한 결과, 본 발명자들은 반응 온도와 부반응간에 밀접한 관계가 있다는 것을 발견하였다. 예컨대, 110 ℃와 같이 반응 온도가 80 ℃ 이상이면, 부반응(반응식 2)이 우세하게 진행되고, 질소와 불화수소만 생성되고 목적하는 NF3는 거의 생성되지 않는다. 반응 온도가 80 ℃ 이하로 낮아지면, 목적 반응(반응식 1)이 선택적으로 진행된다. 즉, 본 발명의 방법에 있어서의 반응 온도는 80 ℃ 이하이며, 바람직하게는 50 ℃ 이하이다. 반응계를 더욱 냉각시키면, 목적 반응(반응식 1)은 더욱 선택적으로 진행된다. 그러나, 반응 온도가 너무 낮으면, 반응 속도 역시 과다하게 감소하고, 경우에 따라, 희석 가스가 응축된다. 따라서, 온도의 하한값은 - 30 ℃ 가 적절할 것이다.Therefore, it is necessary to control the side reactions (Scheme 2) and to selectively enhance the desired reactions (Scheme 1). As a result of constant research to solve this problem, the present inventors found that there is a close relationship between the reaction temperature and the side reactions. For example, when the reaction temperature is 80 ° C. or higher, such as 110 ° C., the side reaction (Scheme 2) proceeds predominantly, only nitrogen and hydrogen fluoride are generated, and the desired NF 3 is hardly produced. When the reaction temperature is lowered to 80 ° C. or lower, the target reaction (Scheme 1) proceeds selectively. That is, the reaction temperature in the method of this invention is 80 degrees C or less, Preferably it is 50 degrees C or less. If the reaction system is further cooled, the target reaction (Scheme 1) proceeds more selectively. However, if the reaction temperature is too low, the reaction rate is also excessively reduced, and in some cases, the dilution gas is condensed. Therefore, the lower limit of the temperature may be -30 ° C.
냉각을 위해서는, 예컨대 재킷 시스템 또는 코일 시스템을 이용하여 가스를 순환시키는 방법이 바람직하다. 경우에 따라서, 반응기의 온도를 균일하게 하기 위하여, 예컨대 교반 등의 방법을 사용한다. 다량의 반응열이 바람직하게 제거되어 국부적인 온도 상승을 방지한다.For cooling, a method of circulating the gas, for example using a jacket system or a coil system, is preferred. In some cases, for example, a method such as stirring is used to make the temperature of the reactor uniform. Large amounts of heat of reaction are preferably removed to prevent local temperature rise.
반응열에 의한 국부적 온도의 상승을 방지하기 위하여, 출발 물질의 농도가 낮을 때에는 출발 물질 가스를 각각 한 분량으로 공급할 수 있고, 출발 물질의 농도가 높을 때에는 국부적 온도 상승을 방지하는 견지에서, 출발 물질인 F2와 NH3를 분량하여 나누어 공급하는 것이 바람직하다. 출발 물질로서 F2와 NH3가스를 분량하여 공급하는 경우, 예컨대, 출발 물질 가스의 공급을 위한 첫 번째 주입구를 통하여 F2가스와 NH3가스를 통과시키고, 가스 공급을 위한 두 번재 주입구를 통하여 NH3가스를 통과시키는 방법을 사용할 수 있다. 이와 같이 가스를 분량하여 공급함으로써, 반응 온도가 국부적으로 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.In order to prevent the local temperature rise due to the heat of reaction, when the concentration of the starting material is low, the starting material gas may be supplied in one portion, and when the concentration of the starting material is high, the starting material may be the amount of the F 2 and NH 3 is preferably divided supply. In the case of supplying F 2 and NH 3 gas as a starting material, for example, the F 2 gas and NH 3 gas are passed through the first inlet for supplying the starting material gas, and through the second inlet for gas supply. A method of passing NH 3 gas may be used. Thus, by supplying a quantity of gas, it is possible to effectively prevent the reaction temperature from rising locally.
F2가스를 사용하는 직접적 불화 반응에 있어서, 상기한 바와 같이 대량의 열 발생이 수반된다. 이러한 열 발생을 방지하기 위하여, F2가스를 비활성 기체로 희석시키는 방법, 기질로서의 NH3가스를 비활성 기체로 희석시키는 방법 등을 사용할 수 있다. 상기 희석 가스는 질소, 헬륨, 아르곤, 헥사플루오로에탄 및 옥타플루오로프로판으로 구성되는 군 중에서 선택된 한 가지 이상의 비활성 기체가 바람직하다. 증류법으로 목적 NF3(끓는점:-120 ℃)를 비활성 기체로부터 분리하고 정제하는 공정을 고려함에 있어서, 각각 NF3와 비교하여 높은 끓는점을 갖는 헥사플루오로에탄(끓는점:-78.1 ℃)과 옥타플루오로프로판(끓는점:-36.7 ℃)을 사용하는 것이 분리 비용의 관점에서 유리하다. 이들 중에서 옥타플루오로프로판이 더 바람직하다.In the direct fluorination reaction using F 2 gas, a large amount of heat generation is involved as described above. In order to prevent such heat generation, a method of diluting F 2 gas with an inert gas, a method of diluting NH 3 gas as a substrate with an inert gas, and the like can be used. The diluent gas is preferably at least one inert gas selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, hexafluoroethane and octafluoropropane. In considering the process of separating and purifying the desired NF 3 (boiling point: -120 ° C.) from an inert gas by distillation, hexafluoroethane (boiling point: -78.1 ° C.) and octafluorine each have a higher boiling point compared to NF 3. The use of ropeophane (boiling point: -36.7 ° C.) is advantageous in terms of separation costs. Of these, octafluoropropane is more preferred.
가스를 반응기에 도입시키는 데 있어서, F2가스와 NH3가스 중 한 가지 또는 모두를 희석 가스로 희석시키고 나서, 반응기에 도입시키는 것이 바람직하다. 안전성을 고려할 때, F2가스와 NH3가스 모두를 희석 가스로 희석하여 더 낮은 농도로 만드는 것이 바람직하다. 생산된 NF3가스로부터 분리된 희석 가스는 순환시킴으로써 회수하여 사용할 수 있다. 희석 가스를 회수하기 위하여, 일반적으로 증류 분리법을 사용한다. 예컨대, 희석 가스로 옥타플루오로프로판을 사용하는 경우, 목적 NF3는 낮은 끓음 분류로서 증류탑의 상부에서 증류되어 나오고, 희석 가스인 옥타플루오로프로판은 증류탑의 하부에서 증류되어 나오며 반응계 내에서 순환되어 다시 사용된다,In introducing the gas into the reactor, one or both of the F 2 gas and the NH 3 gas is preferably diluted with the diluent gas and then introduced into the reactor. In view of safety, it is desirable to dilute both the F 2 gas and the NH 3 gas with diluent gas to a lower concentration. The diluent gas separated from the produced NF 3 gas can be recovered and used by circulating. In order to recover diluent gas, distillation separation is generally used. For example, when octafluoropropane is used as the diluent gas, the target NF3 is distilled off at the top of the distillation column with a low boiling fraction, and the diluent gas octafluoropropane is distilled off at the bottom of the distillation column and circulated in the reaction system again. Used,
본 발명의 방법을 수행함에 있어서, 출발 물질로서 공급되는 F2가스와 NH3가스의 농도는 몰비로 1:1 내지 1:2 범위인 것이 바람직하다. 출발 물질을 분량하여 공급하는 경우도, 전체 반응에 사용되는 NH3가스에 대한 F2가스의 비율은 상기 범위 내인 것이 바람직하다. 만약에 F2가스에 대한 NH3가스의 비율이 2 배를 초과한다면, 반응하지 않은 암모니아 가스를 회수하기 위한 장치 등이 필요하여 불리하며, F2가스에 대한 NH3가스의 비율이 1배가 되지 않는다면, 반응하지 않은 불소 가스가 다량으로 남아있어 안전성 또는 수익성의 견지에서 불리하다.In carrying out the process of the invention, the concentration of F 2 gas and NH 3 gas supplied as starting material is preferably in the range of 1: 1 to 1: 2 in molar ratio. Also in the case of supplying the starting material in a portion, the ratio of the F 2 gas to the NH 3 gas used in the total reaction is preferably within the above range. If the ratio of NH 3 gas to F 2 gas is more than 2 times, an apparatus for recovering unreacted ammonia gas is required and disadvantageous, and the ratio of NH 3 gas to F 2 gas is not 1 times. If not, a large amount of unreacted fluorine gas remains, which is disadvantageous in terms of safety or profitability.
공급되는 F2가스의 농도는 3 몰% 이하인 것이 바람직하며, 공급되는 NH3가스의 농도는 6 몰% 이하가 바람직하다. 따라서, 반응기 주입구에 공급되는 가스 조성물은 9 몰% 이하의 반응 기질(F2+ NH3)과 91 몰% 이상의 희석 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, F2가스를 사용하는 직접 불화 방법에 있어서, 사용되는 F2가스가 매우 반응성이 크기 때문에, 수소를 포함하는 NH3는 불소에 노출되었을 때 연소하거나 폭발할 수 있다. 따라서, 본 발명의 중요한 사항은 NH3가스와 F2가스의 폭발을 방지하는 것이다. NH3가스와 F2가스의 폭발 조건의 범위를 연구한 결과, NH3의 폭발이 낮은 조건범위는 6 몰% 이하인 것으로 밝혀졌고, 이로부터 본 발명의 방법에 있어서의 안전한 반응 범위를 정하였다. 또한, F2가스와 NH3가스를 2 이상의 가스 주입구로부터 반응기로 분량하여 공급함으로써, 반응기 내의 가스 농도를 안전한 범위로 조절할 수 있다.The concentration of F 2 gas supplied is preferably not more than 3 mol%, the concentration of the NH 3 gas supplied is less than 6 mol% is preferred. Therefore, the gas composition supplied to the reactor inlet preferably contains 9 mol% or less of the reaction substrate (F 2 + NH 3 ) and 91 mol% or more of the diluent gas. In the direct method using a fluoride gas F 2 as described above, since the F 2 gas is very reactive size used, NH 3 containing hydrogen may burn or explode when exposed to fluorine. Therefore, an important point of the present invention is to prevent the explosion of NH 3 gas and F 2 gas. As a result of studying the range of the explosion conditions of the NH 3 gas and the F 2 gas, it was found that the range of conditions where the explosion of NH 3 was low was 6 mol% or less, from which the safe reaction range in the method of the present invention was determined. In addition, the gas concentration in the reactor can be adjusted to a safe range by supplying the F 2 gas and the NH 3 gas into the reactor from two or more gas inlets.
반응하지 않은 F2가스는 증류 공정의 농축 등에 있어서 안전성 문제를 가지므로 최대한 제거되어야 한다. 따라서, 본 발명의 NH3제조 방법은 반응하지 않은 F2가스를 처리하는 단계를 포함한다. F2가스를 제거하기 위하여, 상기 가스를 KOH 수용액과 같은 알칼리 수용액과 접촉시키는 방법, 또는 F2가스를 암모니아와 접촉시켜 F2가스를 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 처리 온도는 80 ℃ 이하가 바람직하다. 만약 80 ℃ 를 넘게되면, 목적 NF3의 일부가 분해되어 바람직하지 않다.Unreacted F 2 gas has safety problems in concentration of distillation process and should be removed as much as possible. Thus, the NH 3 process of the present invention includes treating the unreacted F 2 gas. In order to remove the F 2 gas, it is preferable to use a method for contacting a method of contacting the gas with an aqueous alkali solution such as KOH aqueous solution, or F 2 gas and the F 2 gas to remove the ammonia. As for processing temperature, 80 degrees C or less is preferable. If it exceeds 80 DEG C, a part of the target NF 3 is decomposed and undesirable.
F2가스와 NH3가스의 직접적 불화 반응에 의한 NF3의 제조 방법에 있어서, 전술(반응식 1)한 바와 같이, 부산물로서 NH4F가 생성된다. 따라서, 2 개의 반응기 유니트를 사용하는 방식 등을 사용하여 반응을 수행하고, 유니트를 바꾸면서 부산물인 NH4F를 회수하여 재사용하는 것이 바람직하다.In the method for producing NF 3 by the direct fluorination reaction of F 2 gas and NH 3 gas, NH 4 F is generated as a by-product as described above (Scheme 1). Therefore, it is preferable to perform the reaction using a method using two reactor units and the like, and to recover and reuse the byproduct NH 4 F while changing the unit.
본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 NF3를 반도체 장치의 제조시의 에칭 단계의 에칭 가스로서 사용할 수 있다. 또한, NF3는 반도체 장치의 제조시의 클리닝 단계의 클리닝 가스로서 사용할 수 있다. LST, TFT와 같은 반도체 장치의 제조에 있어서, CVD, 스퍼터링, 증착법 등에 의하여 박막 또는 후막을 형성한 후, 회로 패턴을 형성하기 위하여 에칭을 수행한다. 또한, 박막 또는 후막의 형성을 위한 자이에 있어서, 장치 내벽, 지그(jig) 등에 축적된 불필요한 증착물을 제거하기 위하여 클리닝을 수행한다. 이는 불필요한 증착물이 입자의 생성을 야기하기 때문에 수행한다. 양질의 막을 제조하기 위하여, 수시로 클리닝을 수행하여야 한다.NF 3 produced by the production method of the present invention can be used as the etching gas in the etching step in the manufacture of the semiconductor device. In addition, NF 3 can be used as a cleaning gas at the cleaning stage in the manufacture of a semiconductor device. In the manufacture of semiconductor devices such as LST and TFT, a thin film or a thick film is formed by CVD, sputtering, vapor deposition, or the like, and then etching is performed to form a circuit pattern. In addition, in the gyro for forming a thin film or a thick film, cleaning is performed to remove unnecessary deposits accumulated on the device inner wall, jig, and the like. This is done because unnecessary deposits cause the generation of particles. In order to produce good quality membranes, cleaning should be performed from time to time.
NF3를 사용하는 에칭은 플라즈마 에칭 및 마이크로파 에칭과 같은 다양한 건조 에칭 조건하에서 수행할 수 있으며, NF3를 He, N2및 Ar과 같은 비활성 기체, 또는 HCl, O2및 H2와 같은 기체와 적절한 비율로 혼합함으로써 사용할 수 있다.Etching using NF 3 can be performed under a variety of dry etching conditions such as plasma etching and microwave etching, and NF 3 is suitable for inert gases such as He, N 2 and Ar, or gases such as HCl, O 2 and H 2. It can use by mixing in a ratio.
이하, 실시예와 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이나, 본 발명이 이들 실시예들로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
실시예 1Example 1
내경이 약 40 mmΦ이고 길이가 500 mm인 인코넬(Inconel) 600형 반응기(냉매 순환 냉각 시스템을 사용하는 재킷형 반응기, 상기 반응기는 F2가스로 400 ℃ 온도에서 표면 안정화 (부동태) 처리됨)를 사용하였고, 아르곤 가스를 29.58 NL/hr(각각의 NH3의 공급 라인과 F2의 공급 라인으로부터 등량으로 공급됨)로 공급하면서 상기 반응기를 5 ℃ 까지 냉각시켰다. 그리고 나서, NH3가스와 F2가스를 각각 0.701 NL/hr 및 0.526 NL/hr로 공급하여 반응을 수행하였다. 반응기 내의 NH3가스 농도와 F2가스 농도는 각각 2.28 몰% 및 1.71 몰%로 하였다. 반응이 시작되고 2 시간 후, 반응 생성물 가스 내의 불화수소와 반응하지 않은 불소 가스의 농도를 요오드화칼륨 수용액을 사용하여 측정하였고, 기체 크로마토그래피법을 사용하여 상기 조성물을 분석하였다. 분석 값을 표 1에 나타내었다. F2 를 기초로 한 NF3의 수율은 약 69 %이었다. 표에서 "ND"는 "검출되지 않음(not detected)"을 의미한다.Inconel 600 reactor (approx. Jacketed reactor using a refrigerant circulation cooling system, which is surface stabilized (dynamically treated) at 400 ° C. with F 2 gas) with an internal diameter of about 40 mm Φ and 500 mm in length The reactor was cooled to 5 ° C. while argon gas was supplied at 29.58 NL / hr (supplied in equal amounts from each NH 3 feed line and F 2 feed line). Then, the reaction was performed by supplying NH 3 gas and F 2 gas at 0.701 NL / hr and 0.526 NL / hr, respectively. The NH 3 gas concentration and the F 2 gas concentration in the reactor were 2.28 mol% and 1.71 mol%, respectively. Two hours after the start of the reaction, the concentration of fluorine gas that did not react with hydrogen fluoride in the reaction product gas was measured using aqueous potassium iodide solution, and the composition was analyzed using gas chromatography. The analytical values are shown in Table 1. The yield of NF 3 based on F2 was about 69%. "ND" in the table means "not detected".
실시예 2Example 2
내경이 약 40 mmΦ이고 길이가 500 mm인 인코넬 600형 반응기(전기 가열에 의한 가열 방식을 사용하는 반응기; 상기 반응기는 F2가스로 400 ℃ 온도에서 표면안정화 처리됨)를 사용하고 반응 온도를 70 ℃ 로 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정과 동일한 조건 하에서 반응과 분석을 실시하였다. 분석 결과를 표 2에 나타내었다. F2를 기초로 한 NF3의 수율은 약 42 %이었다.An Inconel 600 type reactor (an inner heating method using electric heating; the reactor is surface stabilized at 400 ° C. with F 2 gas) having an internal diameter of about 40 mm Φ and 500 mm in length, and the reaction temperature is 70 ° C. The reaction and analysis were carried out under the same conditions as in Example 1 except that the reaction was changed to. The analysis results are shown in Table 2. The yield of NF3 based on F 2 was about 42%.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 2와 동일한 반응기를 사용하고 반응 온도를 150 ℃ 로 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정과 동일한 조건 하에서 반응과 분석을 실시하였다. 분석 결과를 표 3에 나타내었다. 80 ℃ 이상의 고온에서, NF3를 생성할 수 없고 단지 반응식 2의 반응만 진행된다는 것을 알 수 있다.The reaction and analysis were carried out under the same conditions as in Example 1, except that the same reactor as in Example 2 was used and the reaction temperature was changed to 150 ° C. The analysis results are shown in Table 3. It can be seen that at high temperatures above 80 ° C., NF 3 cannot be produced and only the reaction of Scheme 2 proceeds.
실시예 3Example 3
내경이 약 40 mmΦ이고 길이가 500 mm인 인코넬 600형 반응기(냉매 순환 냉각 방식을 사용하는 재킷형 반응기)를 사용하고, 반응기의 중앙부와 주입구의 2 개의 부분에서 가스가 공급되는 2분할 방식으로 NH3를 공급하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정과 동일한 조건 하에서 반응과 분석을 실시하였다. 분석 결과를 표 4에 나타내었다. F2를 기초로 한 NF3의 수율은 약 76 %이었다.Inconel 600 type reactor (jacket type reactor using refrigerant circulation cooling method) having an inner diameter of about 40 mm Φ and 500 mm in length is used, and NH is divided into two parts by supplying gas from the central part of the reactor and two parts of the inlet. The reaction and analysis were carried out under the same conditions as in Example 1 except that 3 was supplied. The analysis results are shown in Table 4. The yield of NF 3 based on F 2 was about 76%.
비교예 2Comparative Example 2
NH3를 0.30 NL/hr로, F2가스를 1.05 NL/hr로 공급하고, 희석 가스로서 헬륨가스를 36.7 NL/hr로 공급하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정과 동일한 조건 하에서 반응과 분석을 실시하였다. 분석 결과를 표 5에 나타내었다. NH3가스를 F2가스 1 몰을 기초로 1 배 이하의 몰 농도로 공급할 때, 반응하지 않은 F2가스가 다량으로 잔류하게 되어 불리하다는 것을 알 수 있다.The reaction was carried out under the same conditions as in Example 1, except that NH 3 was supplied at 0.30 NL / hr, F 2 gas was supplied at 1.05 NL / hr, and helium gas was supplied at 36.7 NL / hr as the diluent gas. And analysis was performed. The analysis results are shown in Table 5. When supplying the NH 3 gas in a molar concentration of less than 1-fold based on 1 mol of F 2 gas, unreacted F 2 gas is to remain in a large quantity it can be seen that a disadvantage.
비교예 3Comparative Example 3
NH3를 1.58 NL/hr로, F2 가스를 0.526 NL/hr로 공급하고, 희석 가스로서 헬륨 가스를 36.7 NL/hr로 공급하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정과 동일한 조건 하에서 반응과 분석을 실시하였다. 분석 결과를 표 6에 나타내었다. NH3가스를 F2가스 1 몰을 기초로 2 배의 몰 농도로 공급할 때, 반응하지 않은 NH3가스가 다량으로 잔류하게 되어 불리하다는 것을 알 수 있다.Reaction and analysis under the same conditions as in Example 1, except that NH3 was supplied at 1.58 NL / hr, F2 gas at 0.526 NL / hr, and helium gas at 36.7 NL / hr as the diluent gas. Was carried out. The analysis results are shown in Table 6. When supplying the NH 3 gas to the F molar concentration of 2-fold to 2 based on 1 mol of the gas, the unreacted NH 3 gas is to remain in a large quantity can be seen that a disadvantage.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지금까지는 높은 수율로 생산하기 어려웠던 NF3를 우수한 수율로 제조할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 방법으로 제조된 NF3는 에칭 가스 또는 클리닝 가스로서 사용 가능하다.As described above, according to the present invention, NF 3 , which has been difficult to produce in high yield until now, can be produced in excellent yield. Moreover, NF 3 produced by the method of the present invention can be used as an etching gas or a cleaning gas.
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