[发明专利]制备高纯四氟化碳气体的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于一种制备氟化物气体的方法及设备，具体涉及一种用氟气 和高纯活性炭为原料制备高纯四氟化碳气体的方法及设备。

背景技术

四氟化碳是微电子工业中用量最大的等离子体蚀刻气体，广泛用于硅、 二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃及钨等薄膜材料的蚀刻，在电子器件表面清 洗、太阳能电池的生产、激光技术、低温制冷、气体绝缘、泄漏检测剂、 印刷电路生产中的去污剂、润滑剂及制动液等方面也有大量应用。

制备四氟化碳气体的方法有多种，主要有电解法、氟氯甲烷氟化法、 氢氟甲烷氟化法、氟碳合成法等。

电解法是将醋酸溶解于无水氢氟酸制成电解液，在电解液中加入适当 的添加剂(如氟化钾)以增强溶液的导电性，控制电解电压和电流密度， 则会在阳极生成四氟化碳及三氟甲烷等气体，阴极生成氢气。分离阳极气 体。

氟氯甲烷氟化法用氟氯甲烷与氟化氢进行气相反应来制备四氟化碳， 由于氟氯甲烷的氟化较相应的甲烷困难，因此反应多在有催化剂的条件下 进行，催化剂通常使用含Cr的化合物。

反应式：CF₃Cl+HF-→CF₄+HCl

氟氯甲烷氟化法的优点在于工艺简单，操作安全，设备投资低。但随 着氟里昂(CFC)和含氢氯氟烷烃(HCFC)的逐步禁用，该工艺的原料来 源受到限制，最终将停止使用。

氢氟甲烷氟化法在惰性气体保护下用氟气直接氟化氢氟甲烷来生产四 氟化碳。

反应式：CH₂F₂+2F₂-→CF₄+2HF

采用含氟量高的氢氟甲烷作原料不仅可节省氟气的用量，还有利于减 少反应放出的热量。为防止爆炸和积炭，反应在稀释气存在下进行，可取 的稀释气有氮气(N₂)、氟化氢(HF)和低级全氟烷烃等，若反应体系中 含有氧，则会生成含氧杂质，它们可与产品气形成共沸物，通过传统的精 馏方法难于分离。

氟碳合成法在抑爆剂存在下使碳与氟气反应来制备高纯四氟化碳，采 用氟化卤素作抑爆剂，特别是三氟化溴(BrF₃)。

反应式：C+2F₂+BrF₃-→CF₄

氟碳合成反应法的优点表现在原料易得，反应可控，产物纯度高，缺 点是采用氟化卤素作抑爆剂。

总之，上述方法在使用中存在较多缺陷，主要表现在：反应多在高温 下进行，易发生爆炸，且对设备腐蚀严重，原料价格昂贵，能耗大，产品 纯度和收率低。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一 种采用氟气与高纯活性碳直接合成法生产四氟化碳气体，经过除尘、水洗、 碱洗、气液分离、吸附和低温精馏，可以稳定地制备出高纯四氟化碳气体 的方法及设备。

本发明的制备高纯四氟化碳气体的方法包括以下步骤：

(i)氟气与高纯活性炭(炭含量≥90％)进行化学合成反应

氟气储罐1的压力为-0.02～0MPa，氟气储罐1内的氟气与预热到150～ 300℃的高纯活性炭在反应器4内进行直接合成反应，生成含有杂质六氟乙 烷(C₂F₆)和八氟丙烷(C₃F₈)的四氟化碳气体。

反应式：6C+9F₂-→CF₄+C₂F₆+C₃F₈

(ii)除尘

含有杂质的四氟化碳气体通过除尘器5去除固体物质；

(iii)水洗

除尘器5出来的四氟化碳气体进入水洗塔6进行水洗，除去易溶于水 的氟化氢、氟气；

(iv)碱洗

水洗塔6出来的四氟化碳气体进入碱洗塔7进行碱洗，除去微量的氟 化氢、二氧化碳等酸性杂质，碱液浓度为10～20％；

(v)气液分离

碱洗塔7出来的四氟化碳气体进入气液分离器8进行气液分离；

(vi)除水处理

气液分离器8出来的四氟化碳气体进入吸附塔9进行除水处理；

(vii)精馏