通过变压吸附纯化三氟化氮的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及用于纯化三氟化氮的基于吸附的方法，更特别地涉及通过变压吸附从三氟化氮除去四氟化碳。
【背景技术】
[0002]三氟化氮(NF3)是具有多种工业应用的气体，特别是在显示器、半导体和光伏器件的制造中。例如，即3通常用作硅晶片的等离子体蚀刻工艺中的蚀刻剂。NF3在工业过程中的应用的常见挑战是四氟化碳(cf4)(典型的~匕生产工艺的常见副产物)的存在。例如，~匕通常通过氨与氟气的反应产生，其通常包括作为污染物的CF4，或者使用碳阳极通过电解产生，其与所需的nf3—起产生cf4。cf4的存在可能不利地影响使用即3的过程。例如，由于cf4的存在，碳可能在使用即3的等离子体蚀刻过程中沉积。因此，希望的是在使用前纯化NF3气体以除去CF 4o
【发明内容】
[0003]本发明的实施方式包括通过首先用第一体积的基本上由NF#P CF4组成的进料气体填充吸附柱直到吸附柱达到大于吸附柱初始压力的第一压力而纯化四氟化碳(CF4)污染的三氟化氮(nf3)的方法，其中该吸附柱包括相对于cf4选择性吸附nf3的吸附材料。该吸附材料吸附具有比进料气体更高浓度的nf3的一部分进料气体，其中吸附柱中进料气体的未吸附部分具有比进料气体更高浓度的cf4。然后从柱移除具有比进料气体更高浓度的cf4的第一产物气体。然后从柱移除具有比进料气体更低浓度的CF4的第二产物气体。在移除第二产物气体后，柱处于低于第一压力的第二压力下。含有NF#P CF 4的清洗气体可以用于帮助移除第一产物气体，但该方法不包括在任何步骤使用任何实质量的惰性载气。吸附材料可以是沸石。
[0004]本发明的实施方式进一步包括用于分离即3和0?4的混合物的方法，其包括提供用相对于CF4tt先吸附NF3的吸附材料装填的吸附柱，该柱包括进料端和与进料端相反的产物端，这两者最初是关闭的；打开吸附柱的进料端；并使第一体积的NF#P CF4的进料气体流入吸附柱的进料端直到吸附柱达到第一压力，使得第一体积进料气体的一部分NF3被吸附材料吸附。然后打开吸附柱的产物端，且第二体积的进料气体流入吸附柱的进料端以在吸附柱内维持第一压力，同时具有比进料气体的CF4浓度更高的CF4浓度的第一产物离开吸附柱的产物端。然后关闭柱的进料端，以使得具有比进料气体的CF4浓度更低的CF4*度的第二产物离开吸附柱的产物端直到吸附柱达到低于第一压力的第二压力。
[0005]本发明的实施方式进一步包括用于分离即3和0?4的混合物的方法，其包括提供用相对于0匕优先吸附NF 3的吸附材料装填的吸附柱，其包括进料端和与进料端相反的产物端，这两者最初是封闭的；打开吸附柱的进料端；并使第一体积的包含即3和0?4的进料气体流入吸附柱的进料端直到吸附柱达到第一压力，使得第一体积进料气体的一部分~匕被吸附材料吸附。然后打开吸附柱的产物端，以使得具有比进料气体的CF4浓度更高的CF,度的第一产物离开吸附柱的产物端直到吸附柱达到低于第一压力的第二压力，且在吸附柱达到第二压力后，具有比进料气体的CF4浓度更低的CF4浓度的第二产物离开吸附柱的产物端直到吸附柱达到低于第二压力的第三压力。
【附图说明】
[0006]本发明最好从结合附图阅读的以下详细说明来理解。应当强调的是，按照惯例，附图的各种特征不是按比例的。相反，各种特征的尺寸为清楚起见任意地扩展或减小。附图中包括的是以下图:
[0007]图1描绘了根据本发明的示例实施方式用于将CF4污染的NF3进料气体分离成具有比进料气体更高浓度的CF4的第一 NF 3产物气体和具有比进料气体更低浓度的CF 4的第二 ~匕产物气体的设备的工艺流程图；
[0008]图2描绘了根据本发明的示例实施方式将CF4污染的NF3进料气体分离成具有比进料气体更高浓度的CF4的第一 NF 3产物气体和具有比进料气体更低浓度的CF 4的第二 NF 3产物气体的方法的流程图；
[0009]图3描绘了根据本发明的示例实施方式将第一产物气体和第二产物气体从吸附柱移除的条件的流程图；
[0010]图4描绘了根据本发明的示例实施方式将第一产物气体和第二产物气体从吸附柱移除的条件的流程图；和
[0011]图5描绘了根据本发明的示例实施方式将第一产物气体和第二产物气体从吸附柱移除的条件的流程图。
【具体实施方式】
[0012]本发明的实施方式包括使用变压吸附将包括三氟化氮(NF3)和四氟化碳(CF4)的进料气体分离成两种产物气体的方法:具有比进料气体更高浓度的cf4的包括即3和第一产物气体，和具有比进料气体更低浓度的CF4的包括NF 3和CF 4的第二产物气体。如本说明书中使用的，“变压吸附”是指用于基于气体组分在不同压力(包括低于环境压力的压力)下对于吸附剂的相对亲和力分离气体混合物的任何方法，通常称为真空变压吸附。
[0013]尽管分离NF#P 方法是已知的，但已知的方法具有通过本发明避免的多种缺点，包括，但不限于以下:第一，惰性载气通常在整个纯化过程中用于携带NF#P CF4进料气体，因而必需额外的处理以从纯化的NF3产物气体除去惰性载气。第二，它们通常需要长的纯化时间，这限制了该方法在商业上的可行性。第三，它们通常产生含有大量的CF4而且还含有一定量的NF3的废气流。因为NF3生产成本很高，理想的是回收尽可能多的作为商业上可用产品的NF3并因此不希望任何NF 3损失在废气流中。
[0014]本发明的实施方式不是从污染的~匕气体除去废气流，而是通过使用变压吸附工艺将CF4污染的NF 3气体分离成具有较高浓度的CF 4的第一气体和具有较低浓度的CF 4的第二气体克服了这些缺陷，该第一气体用于能够耐受较高浓度的CF4的第一市场，和该第二气体用于其应用对于CF4高度敏感且因此需要高纯即3的供应的第二市场。结果，本发明的实施方式能够产生具有所需纯度的NF3气体而基本上不浪费任何NF3。本发明的实施方式也不需要使用惰性载气，因而不需要从产物气体除去惰性载气的额外处理并降低成本。在一个实施方式中，该方法包括首先用第一体积的基本上由nf3和四氟化碳(cf4)组成的进料气体填充包括相对于CF4选择性吸附NF 3的吸附材料的吸附柱直到吸附柱达到大于吸附柱初始压力的第一压力；从吸附柱移除具有比进料气体更高浓度的0匕的第一产物气体；和在移除第一产物气体后，从吸附柱移除具有比进料气体更低浓度的CF4的第二产物气体。在移除第二产物气体后，该柱具有低于第一压力的第二压力。
[0015]参照图1，本发明的实施方式纯化主要包括NF#P CF 4的进料气体310。进料气体310的CF4*度范围可以是，例如，大约20ppm-大约lOOOppm，尽管该方法也在该范围以外的CF4浓度下工作。进料气体310也可以包含痕量的其它化合物，但这些化合物的浓度实质上足够低以至于不影响分离方法的运行。进料气体310使用包括以能够在第一压力下相对于CF4选择性吸附NF 3的吸附材料装填的吸附柱(下面称为“柱”)200的设备100通过变压吸附分离，其中NF3在低于第一压力的第二压力下从吸附材料解吸。NF3的选择性吸附可以是基于平衡选择性(其中NF3对于吸附材料具有比CF 4更高的亲和力)、基于以NF 3和〇卩4之间相对吸附率(relative rates of adsorpt1n)为基础的动力学选择性(kineticselectivity)或者基于平衡选择性和动力学选择性两者。平衡选择性吸附材料优先地包括金属阳离子交换的沸石以提供用于与NF3的分子偶极相互作用的高电荷密度中心。平衡选择性吸附材料的