[发明专利]一种三氟化氯的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种三氟化氯的制备方法及装置，适用于以它适用于以氟气和氯气为原料的、催化合成反应制备三氟化氯气体的工业化生产，属于精细化工领域。

背景技术

三氟化氯是已知化学性质最活泼的卤素氟化物，是一种能力极强的氟化剂。三氟化氯的沸点是11.5℃，在通常情况下是易于冷凝的气体，可以按需要选择气、液任一状态进行反应，这是一般氟化剂所不及的。许多金属氧化物和氯化物加热时与三氟化氯反应生成对应的氯化物，利用三氟化氯这一特性，可以制得许多重要的金属氟化物，尤其是可以用来分离和提纯稀有元素。随着半导体、液晶、太阳能和LED行业的快速发展，三氟化氯在其CVD室清洗工艺环节得到了广泛的应用，且需求量不断呈上升之势，三氟化氯已经成为IC行业的关键特种气体之一。

三氟化氯是一种重要的氟化剂，能替代元素氟进行许多反应，在工业领域可以用于如下用途：(1)三氟化氯与铀反应用于铀的分离提取；(2)作为氟化试剂用于有机物的氟化和金属氟化物的制备；(3)在航天与军事领域可以作为火箭或导弹的氧化性推进剂；(4)在半导体、液晶、太阳能和LED工业中，三氟化氯可用于CVD室的清洗。目前，三氟化氯最主要的用途是用于半导体、液晶、太阳能和LED行业，与其它含氟气体(如NF₃、C₂F₆和CF₄)不同，三氟化氯在室温下就能够与半导体材料进行反应，因此它可以清洗冷壁的CVD室，用三氟化氯进行清洗是一种化学刻蚀过程，不存在等离子体那样的高能离子轰击过程，对设备的损坏可以降到最低限度，同时三氟化氯清洗属于就地清洗过程，可以减少设备停机时间，还可以降低颗粒杂质的数量，并减少了操作人员的暴露时间。相比等离子裂解制氟的清洗工艺，三氟化氯清洗工艺简单而高效，且清洗效果更好。三氟化氯不存在明显的温室效应，因此其在半导体、液晶、太阳能和LED行业有着广阔的应用前景。

由于三氟化氯化学性质活泼，腐蚀性极强，对生产工艺条件的控制和设备的选材的要求极为苛刻，极大的限制了它的生产、应用。三氟化氯的制备方法最早由Ruff和Krug提出的，由氟气和氯气反应首先生成一氟化氯(式(1))，一氟化氯进一步与氟气反应生成三氟化氯(式(2))，反应分两步进行，需要经过两次的提纯分离过程。并且为了提高反应效率，第一步反应一般需要在400℃左右进行，这使得设备材料的选择更为苛刻。而用该方法一步合成三氟化氯时，反应效率较低，不适用于工业化生产。

Cl₂+F₂＝2ClF  (1)

ClF+F₂＝ClF₃  (2)

专利RU2223908报道了另一种制备三氟化氯的方法，该方法以固体金属氯化物(NaCl和/或CaCl₂)为原料与氟气反应生成氯气和一氟化氯(式(3)和/或式(4))，氯气和一氟化氯进一步与氟气反应生成三氟化氯(式(5))。该专利的优点是原料易得，缺点是涉及气固反应，反应器结构复杂，反应的转化率较低，且反应需要分步进行，涉及两次分离、提纯过程，工艺操作复杂。

3NaCl+2F₂＝3NaF+ClF+Cl₂  (3)

3CaCl₂+4F₂＝3CaF₂+2ClF+2Cl₂  (4)

ClF+Cl₂+4F₂＝3ClF₃  (5)

专利US2006006057报道了另一种制备三氟化氯的方法(式(6)～(9))，该方法以HCl和/或Cl₂为原料与F₂、NF₃或SF₆在等离子反应器中反应生成三氟化氯，并就地用于CVD室的清洗。该专利的优点是原料有较多的选择，缺点是反应器结构复杂，等离子体的温度太高，反应器的腔室材料难以耐受F₂、ClF₃的腐蚀，导致设备的损坏，该方法难以实现工业化的生产和使用。

Cl₂+2NF₃＝2ClF₃+N₂  (6)

3HCl+4NF₃＝3ClF₃+3HF+2N₂  (7)