科普｜三氟化氮（NF3）的主要生产方法与应用- 大数跨境

中科富海

2023-02-01

三氟化氮（NF3）主要用途是用作氟化氢－氟化气高能化学激光器的氟源，在h2-O2 与F2之间反应能的有效部分（约25%）可以以激光辐射释放出，所 HF-OF激光器是化学激光器中最有希望的激光器。三氟化氮是微电子工业中一种优良的等离子蚀刻气体，对硅和氮化硅蚀刻，采用三氟化氮比四氟化碳和四氟化碳与氧气的混合气体有更高的蚀刻速率和选择性，而且对表面无污染，尤其是在厚度小于1.5um的集成电路材料的蚀刻中，三氟化氮具有非常优异的蚀刻速率和选择性，在被蚀刻物表面不留任何残留物，同时也是非常良好的清洗剂。随着纳米技术的发展和电子工业大规模的发展技术，它的需求量将日益增加。

一、三氟化氮（NF3主要生产方法
目前三氟化氮工业化生产主要有两条路线,一是合成法:将氟化氢铵在镍制反应器中加热,氟气、氮气和氨通过分布器进入反应器直接氟化反应。二是电解法:在一定温度下,电解熔融的氟化氢铵,电解过程中阳极产生三氟化氮,阴极产生氢气。我国三氟化氮生产厂家的生产方法为上述两种方法。

直接化合法
直接化合法生产NF3的反应分为三种方式:气-气反应、气-液反应、气-固反应。但是气-气反应即氟与氨气直接化合反应生成NF3的收率低(见CN100333993C、CN1213943C),并且工艺过程不易控制,所以工业上主要采用后两种方式(气-液反应与气-固反应)生产三氟化氮。国内外企业在中国申请或授权的关于三氟化氮制备方法的专利有14项。

电解法
工业上电解法生产NF3主要是电解熔融的NH4F·xHF。NF3的电解工艺已经比较成熟,一些国外公司均使用电解法生产NF3。在电解过程中,阳极生成F2。为了降低电解中生成的F2量及电解液挥发的HF量,电解液中NH4F电解反应比例需过量,NH4F和HF的物质的量比为1.1～ 1.5。电解温度大约为100～ 120℃(见CN1450202A),此温度不仅保证电解液中离子能够快速向电极移动,又保证气体能迅速脱离电极表面,快速溢出电解液。电解电压为6.7～ 7.2 V,电流密度大约为0.01～ 0.32 A/mm2。电解槽的生产能力与电解有效面积和电流密度密切相关,电流密度的大小直接影响NF3的产率,当电流密度小于0.01 A/mm2,Ni的沉积速率小,但NF3气体的产率也很小;电流密度大于0.32 A/mm2,虽然会提高NF3气体的产率,但电解温度不易控制,且容易发生爆炸,使电解过程不稳定、不安全(见CN1450202A)。为了提高电解槽的电流效率,在电解过程中向阳极底部鼓入惰性气体,促使电解液的流动,这样可使电流效率提高10%左右(见JP2000104186)。

二、三氟化氮（NF3）的主要应用

IC方面：由于作为半导体工业中气体清洗剂的全氟烃(PFC)对环境有害,近年来有逐渐被三氟化氮(NF3)取代之势。了解更多电子特气请关注微信gasgroup使用NF3作为化学蒸气沉积(CVD)箱清洗剂,与全氟烃相比,可减少污染物排放量约90%,且可显著提高清洗速度,从而可提高清洗设备能力约30%。

LCD方面：NF3还可用作蚀刻剂,也用于液晶显示器(LCD)的加工。为此,近年来NF3需求量急剧增长,90年代中期全球年用量不到46t, 2013年为5100吨。为满足日益增长的需求,世界各生产商均在积极扩大生产能力,预计每年将继续增长约15%。但是三氟化氮(NF3)的GWP值高达10 800,今后的发展可能会为此受到一定的限制。

太阳能电池：NF3作为蚀刻和清洗气体也在太阳能电池制造行业广泛应用。

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