JP4166025B2 - 二フッ化カルボニルの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機合成試薬、半導体製造装置等のクリーニングガス、エッチングガス等に有用な二フッ化カルボニル(COF2)の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
二フッ化カルボニル(COF2)は、フッ素系ポリマーや各種フッ化物の合成原料として有用な物質であることが知られている。また、近年COF2は、半導体用CVD装置のクリーニングガスとして応用することも提案されている。この用途には、前者の用途と異なり、クリーニング反応の安定化の為に99%以上の高純度なCOF2が必要とされている。
【0003】
COF2の合成法としてはCOCl2をまず合成し、フッ化水素水溶液にアミンを加えた溶液あるいはアルカリ金属フッ化物を分散させたフッ化水素水溶液にCOCl2を吹き込む方法が知られている(特開昭54−158396号公報)。しかしながら、この方法は以下の問題を有しており高純度ガスを得ることが困難である。
【0004】
▲1▼CO2、COClF、COCl2、HCl、HF、Cl2などの多種の副生成物が生成するため高純度ガスが得られない。特にCO2濃度は、20%も含有されると述べられている。
▲2▼COF2の溶媒中で分解あるいは吸収されるため収率が70%前後と低く非効率的である。
▲3▼廃棄物としてHClなどの塩化物を大量に処理する必要がある。
【0005】
一方、COのF2による直接フッ素化法による合成も報告されているが、可燃性のCOと強力な支燃性ガスであるF2を混合するため爆発の危険性があることや不純物としてCF3OF、CF4が、主生成物として生成するなどの問題があった。このようなことから爆発あるいは燃焼の危険性が無く、高純度かつ高収率にCOF2を得ることができる製造法が求めらている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の問題点に鑑み鋭意検討の結果、CO、F2に加えて第3成分ガスとしてN2、Ar、He、Neなどの不活性ガスの中から選ばれる1種以上のガスを加え、これらを減圧下で流量制御しながら連続的に二フッ化カルボニルを製造する方法を見いだし、本発明に到達した。
【0007】
すなわち、本発明は、一酸化炭素とフッ素ガスとの反応により、連続的に二フッ化カルボニルを製造するに際し、N2、He、Ne、Arから選ばれる第3成分ガスを少なくとも1種以上添加し、動的状態でかつ減圧下でガスを流通させながら反応させることを特徴とする二フッ化カルボニルの製造方法で、さらには、二フッ化カルボニルを冷却トラップで捕捉した後、第3成分ガスもしくは未反応の一酸化炭素を含有した第3成分ガスを循環させることを特徴とする二フッ化カルボニルの製造方法を提供するものである。
【0008】
本発明において使用する第3成分ガスとしては、N2、Ar、He、Neの中から少なくとも1種以上を使用する。通常、爆発現象を抑えるには熱容量が大きいガスを使用することが有利と考えられている。本発明者らは、さらに、熱伝導度が高いガスを使用した方が燃焼爆発現象を抑制する効果が高いことを見出した。これら第3成分ガスの中で、Heは、この効果が大きく最も好ましいガスである。
【0009】
また、希釈に使用した第3成分ガスは、廃棄しても良いが、循環再利用するほうが環境面から好ましい。その製造フローの概念を図1に示した。
【0010】
本発明において、動的状態とは、原料並びに爆発抑制用第3成分ガスを連続的に反応器内部に導入すると共に生成物及び爆発抑制用第3成分ガスを排出して反応器から捕集器へと導く、すなわち流通状態で反応を行う状態を指す。
【0011】
本発明において、F2ガスとCOガスが混合するノズル近傍の温度は、500℃以下30℃より高温、さらに好ましくは300℃以下30℃以上が良い。500℃を越えると反応副生成物であるCF3OF、CF4の濃度増加が顕著になり好ましくなく、30℃より温度が高くならない場合は、反応の進行が遅く未反応のCOとF2が反応器後段の低温トラップ内で混合、濃縮し爆発するため好ましくない。また、反応管の外壁はできるだけ低温に保持した方が良く、−83℃以上100℃以下、更に好ましくは−40℃以上50℃以下に保持する方がよい。−83℃以下ではCOF2の沸点以下になり液化する可能性があるため好ましくない。
【0012】
反応圧力は、減圧下で行い、13kpa以上95kPa以下が好ましく、26kPa以上66kPa以下がより好ましい。13kPa未満では反応が起こり難く、95kPaを超えると爆発を避けるための組成領域が狭くなるため反応圧力、ガス流量の制御誤差が極端に狭くなるため好ましくない。
【0013】
本発明おいて、使用する反応器の概念図の1例を図2に示した。製造装置は2重管構造になっており内管からCOあるいはF2あるいはこれらの第3成分混合ガスを流通させ、外管からは内管に流通させたガスが、COを含むガスで有ればF2を含むガスを、内管に流通させたガスが、F2を含むガスで有ればCOを含むガスを流通させれば良い。
【0014】
混合するガスの分圧は、F2、COは好ましくは26kPa以下、より好ましくは13kPa以下、第3成分ガスは13kPa以上が好ましい。F2とCOの分圧下限値並びに第3成分ガスの上限値は必要な製造速度並びに反応効率から未反応分がトラップ内で濃縮されない範囲で適宜選択すればよい。
【0015】
混合するF2とCOの比率は、1:1が好ましいが、CF4等の副生成物の生成量を抑制するためにはCOが過剰な条件が好ましく、CO/F≧1.1/1がより好ましい。
【0016】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【0017】
比較例1
内容積20Lの攪拌機付き攪拌槽にCOを40kPa封入し、次にF2を導入した。F2導入と同時にガス導入管近傍で爆発音(破裂音)がした。F2の導入と停止の操作を連続的に行い、F2の導入により圧力が上昇するまで導入を行った(導入終了時の全圧68kPa)。(攪拌1000rpm)
該ガスをサンプリングし、GC−MS分析を行ったところ多量のCF4を約7%、CO2を8%、CF3OFを0.9%も含有していた。深冷法により除去が困難なCO2を多量に含有しており、かつ爆発の危険性が伴うことから封入法(静的状態)では高純度COF2を安全に製造することは不可能と考えられる。
【0018】
実施例1〜8
1/2インチ反応管内に内径1/8インチのノズルを挿入し、100%COとHeの混合ガスを内管から、F2を外管からMFCで流量を制御させながら混合した。表1に実験条件と得られたガスの不純物濃度、純度、フッ素ベースの収率を示した。80%以上の高収率で純度99%以上のCOF2が合成可能であった。
【0019】
【表1】
【0020】
実施例9
圧力80kPaで25A反応管内に内径1/4インチの吹き出しノゾルを差し込み、25A管に200SCCMでF2を、1/4インチ管から200SCCMのCOと2000SCCMのHeを混合して流通させた。その結果、F2ベースの収率97%でCOF2が得られた。なお、不純物濃度は、CO2:2500ppm、CF4:60ppm、CF3OF:6600ppmであり、99%純度のCOF2が得られた。なお、吹き出しノズルを3/8インチ、1/8インチ、1/16インチに変えても同様の結果が得られた。
【0021】
実施例10
実施例9で用いた反応器の内管のみを1/16インチに変更し、95kPaで25A管に600SCCMのF2を、1/16インチ管から660SCCMのCOと6000SCCMのHeを流通させたところF2ベースの気体状生成物の捕集効率(粗収率)は98%であった。なお、110℃〜140℃で揮発してくる気体を除去した後に得られた反応生成物中のCOF2以外の不純物濃度はCO2:740ppm、CF4:75ppm、CF3OF:180ppmであった。また、該反応の際に余剰のCOは、液体窒素トラップを通過後、循環ポンプで反応器入り口側に戻し、マスフローコントローラで流量制御しながら再度反応に利用した。また、ボンベから供給されるCOは、循環により流通してくるCOとHe混合ガス中のCO濃度を流量に換算し、その値から不足した必要流量を追加流通させた。同様の実験を80kPa、60kPa、50kPaでも行ったがほぼ同様の結果が得られた。また、内管から流通させるガスをF2とHe、外管(25A管)から流通させるガスをCOに変えたが同様の結果が得られた。
【0022】
【発明の効果】
本発明の方法により、高純度でかつ高収率で、生産性よくCOF2を製造方法することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使用した製造装置のフロー概念図を示す。
【図2】本発明で使用した反応器の概略図を示す。
Claims (2)
- 一酸化炭素とフッ素ガスとの反応により、連続的に二フッ化カルボニルを製造するに際し、N2、He、Ne、Arから選ばれる第3成分ガスを少なくとも1種以上添加し、動的状態でかつ減圧下でガスを流通させながら反応させることを特徴とする二フッ化カルボニルの製造方法。
- 請求項1記載の方法により二フッ化カルボニルを製造するに際し、二フッ化カルボニルを冷却トラップで捕捉した後、第3成分ガスもしくは未反応の一酸化炭素を含有した第3成分ガスを循環させることを特徴とする請求項1記載の二フッ化カルボニルの製造方法。
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