通過(guò)變壓吸附純化三氟化氮的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及用于純化三氟化氮的基于吸附的方法，更特別地涉及通過(guò)變壓吸附從三氟化氮除去四氟化碳。
【背景技術(shù)】
[0002]三氟化氮(NF3)是具有多種工業(yè)應(yīng)用的氣體，特別是在顯示器、半導(dǎo)體和光伏器件的制造中。例如，即3通常用作硅晶片的等離子體蝕刻工藝中的蝕刻劑。NF3在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用的常見(jiàn)挑戰(zhàn)是四氟化碳(cf4)(典型的~匕生產(chǎn)工藝的常見(jiàn)副產(chǎn)物)的存在。例如，~匕通常通過(guò)氨與氟氣的反應(yīng)產(chǎn)生，其通常包括作為污染物的CF4，或者使用碳陽(yáng)極通過(guò)電解產(chǎn)生，其與所需的nf3—起產(chǎn)生cf4。cf4的存在可能不利地影響使用即3的過(guò)程。例如，由于cf4的存在，碳可能在使用即3的等離子體蝕刻過(guò)程中沉積。因此，希望的是在使用前純化NF3氣體以除去CF 4o

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的實(shí)施方式包括通過(guò)首先用第一體積的基本上由NF#P CF4組成的進(jìn)料氣體填充吸附柱直到吸附柱達(dá)到大于吸附柱初始?jí)毫Φ牡谝粔毫Χ兓姆?CF4)污染的三氟化氮(nf3)的方法，其中該吸附柱包括相對(duì)于cf4選擇性吸附nf3的吸附材料。該吸附材料吸附具有比進(jìn)料氣體更高濃度的nf3的一部分進(jìn)料氣體，其中吸附柱中進(jìn)料氣體的未吸附部分具有比進(jìn)料氣體更高濃度的cf4。然后從柱移除具有比進(jìn)料氣體更高濃度的cf4的第一產(chǎn)物氣體。然后從柱移除具有比進(jìn)料氣體更低濃度的CF4的第二產(chǎn)物氣體。在移除第二產(chǎn)物氣體后，柱處于低于第一壓力的第二壓力下。含有NF#P CF 4的清洗氣體可以用于幫助移除第一產(chǎn)物氣體，但該方法不包括在任何步驟使用任何實(shí)質(zhì)量的惰性載氣。吸附材料可以是沸石。
[0004]本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)一步包括用于分離即3和0?4的混合物的方法，其包括提供用相對(duì)于CF4tt先吸附NF3的吸附材料裝填的吸附柱，該柱包括進(jìn)料端和與進(jìn)料端相反的產(chǎn)物端，這兩者最初是關(guān)閉的；打開(kāi)吸附柱的進(jìn)料端；并使第一體積的NF#P CF4的進(jìn)料氣體流入吸附柱的進(jìn)料端直到吸附柱達(dá)到第一壓力，使得第一體積進(jìn)料氣體的一部分NF3被吸附材料吸附。然后打開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端，且第二體積的進(jìn)料氣體流入吸附柱的進(jìn)料端以在吸附柱內(nèi)維持第一壓力，同時(shí)具有比進(jìn)料氣體的CF4濃度更高的CF4濃度的第一產(chǎn)物離開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端。然后關(guān)閉柱的進(jìn)料端，以使得具有比進(jìn)料氣體的CF4濃度更低的CF4*度的第二產(chǎn)物離開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端直到吸附柱達(dá)到低于第一壓力的第二壓力。
[0005]本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)一步包括用于分離即3和0?4的混合物的方法，其包括提供用相對(duì)于0匕優(yōu)先吸附NF 3的吸附材料裝填的吸附柱，其包括進(jìn)料端和與進(jìn)料端相反的產(chǎn)物端，這兩者最初是封閉的；打開(kāi)吸附柱的進(jìn)料端；并使第一體積的包含即3和0?4的進(jìn)料氣體流入吸附柱的進(jìn)料端直到吸附柱達(dá)到第一壓力，使得第一體積進(jìn)料氣體的一部分~匕被吸附材料吸附。然后打開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端，以使得具有比進(jìn)料氣體的CF4濃度更高的CF,度的第一產(chǎn)物離開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端直到吸附柱達(dá)到低于第一壓力的第二壓力，且在吸附柱達(dá)到第二壓力后，具有比進(jìn)料氣體的CF4濃度更低的CF4濃度的第二產(chǎn)物離開(kāi)吸附柱的產(chǎn)物端直到吸附柱達(dá)到低于第二壓力的第三壓力。
【附圖說(shuō)明】
[0006]本發(fā)明最好從結(jié)合附圖閱讀的以下詳細(xì)說(shuō)明來(lái)理解。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，按照慣例，附圖的各種特征不是按比例的。相反，各種特征的尺寸為清楚起見(jiàn)任意地?cái)U(kuò)展或減小。附圖中包括的是以下圖:
[0007]圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式用于將CF4污染的NF3進(jìn)料氣體分離成具有比進(jìn)料氣體更高濃度的CF4的第一 NF 3產(chǎn)物氣體和具有比進(jìn)料氣體更低濃度的CF 4的第二 ~匕產(chǎn)物氣體的設(shè)備的工藝流程圖；
[0008]圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式將CF4污染的NF3進(jìn)料氣體分離成具有比進(jìn)料氣體更高濃度的CF4的第一 NF 3產(chǎn)物氣體和具有比進(jìn)料氣體更低濃度的CF 4的第二 NF 3產(chǎn)物氣體的方法的流程圖；
[0009]圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式將第一產(chǎn)物氣體和第二產(chǎn)物氣體從吸附柱移除的條件的流程圖；
[0010]圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式將第一產(chǎn)物氣體和第二產(chǎn)物氣體從吸附柱移除的條件的流程圖；和
[0011]圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式將第一產(chǎn)物氣體和第二產(chǎn)物氣體從吸附柱移除的條件的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的實(shí)施方式包括使用變壓吸附將包括三氟化氮(NF3)和四氟化碳(CF4)的進(jìn)料氣體分離成兩種產(chǎn)物氣體的方法:具有比進(jìn)料氣體更高濃度的cf4的包括即3和第一產(chǎn)物氣體，和具有比進(jìn)料氣體更低濃度的CF4的包括NF 3和CF 4的第二產(chǎn)物氣體。如本說(shuō)明書(shū)中使用的，“變壓吸附”是指用于基于氣體組分在不同壓力(包括低于環(huán)境壓力的壓力)下對(duì)于吸附劑的相對(duì)親和力分離氣體混合物的任何方法，通常稱(chēng)為真空變壓吸附。
[0013]盡管分離NF#P 方法是已知的，但已知的方法具有通過(guò)本發(fā)明避免的多種缺點(diǎn)，包括，但不限于以下:第一，惰性載氣通常在整個(gè)純化過(guò)程中用于攜帶NF#P CF4進(jìn)料氣體，因而必需額外的處理以從純化的NF3產(chǎn)物氣體除去惰性載氣。第二，它們通常需要長(zhǎng)的純化時(shí)間，這限制了該方法在商業(yè)上的可行性。第三，它們通常產(chǎn)生含有大量的CF4而且還含有一定量的NF3的廢氣流。因?yàn)镹F3生產(chǎn)成本很高，理想的是回收盡可能多的作為商業(yè)上可用產(chǎn)品的NF3并因此不希望任何NF 3損失在廢氣流中。
[0014]本發(fā)明的實(shí)施方式不是從污染的~匕氣體除去廢氣流，而是通過(guò)使用變壓吸附工藝將CF4污染的NF 3氣體分離成具有較高濃度的CF 4的第一氣體和具有較低濃度的CF 4的第二氣體克服了這些缺陷，該第一氣體用于能夠耐受較高濃度的CF4的第一市場(chǎng)，和該第二氣體用于其應(yīng)用對(duì)于CF4高度敏感且因此需要高純即3的供應(yīng)的第二市場(chǎng)。結(jié)果，本發(fā)明的實(shí)施方式能夠產(chǎn)生具有所需純度的NF3氣體而基本上不浪費(fèi)任何NF3。本發(fā)明的實(shí)施方式也不需要使用惰性載氣，因而不需要從產(chǎn)物氣體除去惰性載氣的額外處理并降低成本。在一個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括首先用第一體積的基本上由nf3和四氟化碳(cf4)組成的進(jìn)料氣體填充包括相對(duì)于CF4選擇性吸附NF 3的吸附材料的吸附柱直到吸附柱達(dá)到大于吸附柱初始?jí)毫Φ牡谝粔毫Γ粡奈街瞥哂斜冗M(jìn)料氣體更高濃度的0匕的第一產(chǎn)物氣體；和在移除第一產(chǎn)物氣體后，從吸附柱移除具有比進(jìn)料氣體更低濃度的CF4的第二產(chǎn)物氣體。在移除第二產(chǎn)物氣體后，該柱具有低于第一壓力的第二壓力。
[0015]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)施方式純化主要包括NF#P CF 4的進(jìn)料氣體310。進(jìn)料氣體310的CF4*度范圍可以是，例如，大約20ppm-大約lOOOppm，盡管該方法也在該范圍以外的CF4濃度下工作。進(jìn)料氣體310也可以包含痕量的其它化合物，但這些化合物的濃度實(shí)質(zhì)上足夠低以至于不影響分離方法的運(yùn)行。進(jìn)料氣體310使用包括以能夠在第一壓力下相對(duì)于CF4選擇性吸附NF 3的吸附材料裝填的吸附柱(下面稱(chēng)為“柱”)200的設(shè)備100通過(guò)變壓吸附分離，其中NF3在低于第一壓力的第二壓力下從吸附材料解吸。NF3的選擇性吸附可以是基于平衡選擇性(其中NF3對(duì)于吸附材料具有比CF 4更高的親和力)、基于以NF 3和〇卩4之間相對(duì)吸附率(relative rates of adsorpt1n)為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)選擇性(kineticselectivity)或者基于平衡選擇性和動(dòng)力學(xué)選擇性?xún)烧?。平衡選擇性吸附材料優(yōu)先地包括金屬陽(yáng)離子交換的沸石以提供用于與NF3的分子偶極相互作用的高電荷密度中心。平衡選擇性吸附材料的