Trifluoruro de nitrógeno

El trifluoruro de nitrógeno es un compuesto inorgánico con la fórmula ( ${NF}_3$ ). Es un gas incoloro, no inflamable, tóxico y con un ligero olor a humedad. A diferencia del amoníaco, no es básico.

Se utiliza cada vez más en la fabricación de pantallas planas, dispositivos fotovoltaicos, LED y otros productos de microelectrónica. ( ${NF}_3$ ) es un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés) 17,200 veces mayor que el del ( ${CO}_2$ ) cuando se compara en un período de 100 años.

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Síntesis y reactividad

El trifluoruro de nitrógeno se puede preparar a partir de los elementos en presencia de una descarga eléctrica. En 1903, Otto Ruff preparó trifluoruro de nitrógeno mediante la electrólisis de una mezcla fundida de fluoruro de amonio y fluoruro de hidrógeno.

Es mucho menos reactivo que los otros trihaluros de nitrógeno, como el tricloruro de nitrógeno, tribromuro de nitrógeno y triyoduro de nitrógeno, todos los cuales son explosivos. Entre los trihaluros de nitrógeno, es el único con una entalpía de formación negativa.

En la actualidad, se prepara tanto por reacción directa de amoníaco y flúor como por una variación del método de Ruff. Se suministra en cilindros presurizados.

El ( ${NF}_3$ ) es ligeramente soluble en agua sin sufrir reacción química. No es básico y tiene un momento dipolar bajo de 0.2340 D. En contraste, el amoníaco es básico y altamente polar (1.47 D). Esta diferencia refleja las distintas electronegatividades del H frente al F.

De manera similar al dióxido de oxígeno, ( ${NF}_3$ ) es un oxidante potente pero lento. Oxida el cloruro de hidrógeno a cloro: 

$$2{NF}_3+6HCl\to 6HF+N_2+3{Cl}_2$$

Sin embargo, ataca (explosivamente) los compuestos orgánicos solo a altas temperaturas. En consecuencia, es compatible en condiciones estándar con varios plásticos, así como con acero y Monel. 

Por encima de los 200-300 °C, el ( ${NF}_3$ ) reacciona con metales, carbono y otros reactivos para producir tetrafluorohidrazina: 

$$2{NF}_3+Cu\to N_2{F}_4+{CuF}_2$$

El ( ${NF}_3$ ) reacciona con flúor y pentafluoruro de antimonio para producir la sal de tetrafluoroamonio: 

$${NF}_3+F_2+{SbF}_5\to {NF}_4^{+}{SbF}_6^{-}$$

El ( ${NF}_3$ ) y el ( $B_2{H}_6$ ) reaccionan vigorosamente incluso a temperaturas criogénicas para producir nitrógeno, trifluoruro de boro y ácido fluorhídrico.

Aplicaciones del trifluoruro de nitrógeno

Aplicaciones de alto volumen como la producción de memorias DRAM, la fabricación de pantallas planas y la producción a gran escala de células solares de película delgada utilizan ${NF}_3$. 

Grabado

El trifluoruro de nitrógeno se utiliza principalmente para eliminar silicio y compuestos de silicio durante la fabricación de dispositivos semiconductores como pantallas LCD, algunas células solares de película delgada y otros microelectrónicos. En estas aplicaciones, el ${NF}_3$ se descompone inicialmente dentro de un plasma.

Los radicales de flúor resultantes son los agentes activos que atacan el polisilicio, el nitruro de silicio y el óxido de silicio. También se pueden utilizar para eliminar siliciuro de tungsteno, tungsteno y ciertos otros metales.

Además de servir como agente de grabado en la fabricación de dispositivos, el ${NF}_3$ se utiliza ampliamente para limpiar cámaras PECVD. 

El ${NF}_3$ se disocia más fácilmente en una descarga de baja presión en comparación con los compuestos perfluorados (PFCs) y el hexafluoruro de azufre (${SF}_6$). La mayor abundancia de radicales libres cargados negativamente generados de esta manera puede generar mayores tasas de eliminación de silicio, y proporcionar otros beneficios del proceso, como menos contaminación residual y una menor carga neta en el dispositivo que se está fabricando.

Como un agente de grabado y limpieza algo más completamente consumido, el ( ${NF}_3$ ) también ha sido promovido como un sustituto ambientalmente preferible del ( ${SF}_6$ ) o de los PFCs, como el hexafluoroetano.

La eficiencia de utilización de los productos químicos aplicados en los procesos de plasma varía ampliamente entre equipos y aplicaciones. Una fracción considerable de los reactivos se desperdicia en la corriente de escape y finalmente puede ser emitida a la atmósfera.

Los sistemas modernos de reducción de emisiones pueden disminuir sustancialmente las emisiones atmosféricas. El ( ${NF}_3$ ) no ha estado sujeto a restricciones de uso significativas.

El informe anual de producción, consumo y emisiones de desechos de ${NF}_3$ por parte de grandes fabricantes ha sido requerido en muchos países industrializados en respuesta al crecimiento atmosférico observado y al Protocolo de Kioto.

El gas de flúor altamente tóxico ($F_2$ ), flúor diatómico) es un sustituto neutro para el clima del trifluoruro de nitrógeno en algunas aplicaciones de fabricación. Requiere precauciones más estrictas de manejo y seguridad, especialmente para proteger al personal de fabricación.

El trifluoruro de nitrógeno también se utiliza en láseres de fluoruro de hidrógeno y de fluoruro de deuterio, que son tipos de láseres químicos. En este caso, se prefiere al gas de flúor debido a sus propiedades de manejo más convenientes.

El trifluoruro de nitrógeno como gas de efecto invernadero

El GWP del ( ${NF}_3$ ) es superado solo por el ( ${SF}_6$ ) dentro del grupo de gases de efecto invernadero reconocidos por Kioto, y el ( ${NF}_3$ ) se incluyó en dicho grupo a partir de 2013 con el inicio del segundo período de compromiso del Protocolo de Kioto. Tiene una vida atmosférica estimada de 740 años, aunque otros estudios sugieren una vida ligeramente más corta de 550 años (y un GWP correspondiente de 16,800).

El ( ${NF}_3$ ) ha sido medido por el Experimento Global de Gases Atmosféricos Avanzados (AGAGE) en la atmósfera inferior (troposfera) en estaciones de todo el mundo. Las abundancias se dan como fracciones molares mensuales promedio libres de contaminación, en partes por trillón.

Desde 1992, cuando se producían menos de 100 toneladas, la producción creció a un estimado de 4000 toneladas en 2007 y se proyecta que aumentará significativamente. Se espera que la producción mundial de ${NF}_3$ alcance las 8000 toneladas anuales para 2010.

Con mucho, el mayor productor mundial de ( ${NF}_3$ ) es la empresa estadounidense de gases industriales y productos químicos Air Products & Chemicals. Se estima que el 2% del ( ${NF}_3$ ) producido se libera a la atmósfera.

La concentración atmosférica máxima proyectada es inferior a 0.16 partes por trillón (ppt) por volumen, lo que proporcionará menos de 0.001 Wm(${}^{-2}$) de forzamiento de IR. La concentración troposférica global media de ${NF}_3$ ha aumentado de aproximadamente 0.02 ppt en 1980 a 0.86 ppt en 2011, con una tasa de aumento de 0.095 ppt por año, o aproximadamente 11% por año, con un gradiente interhemisférico consistente con emisiones que ocurren predominantemente en el hemisferio norte, como se esperaba.

Esta tasa de aumento en 2011 corresponde a unas emisiones globales de ${NF}_3$ de 1200 toneladas métricas anuales, o alrededor del 10% de las estimaciones de producción global de ${NF}_3$. Este porcentaje es significativamente más alto que el estimado por la industria, lo que refuerza el caso para inventariar la producción de ${NF}_3 y regular sus emisiones.

El UNFCCC, dentro del contexto del Protocolo de Kioto, decidió incluir el trifluoruro de nitrógeno en el segundo período de cumplimiento del Protocolo de Kioto, que comienza en 2012 y termina entre 2017 o 2020. En consecuencia, el Protocolo de Gases de Efecto Invernadero WBCSD/WRI está enmendando todos sus estándares (corporativos, de productos y Alcance 3) para cubrir también el ${NF}_3$.

Seguridad

El contacto con la piel con ${NF}_3$ no es peligroso y es un irritante relativamente menor para las membranas mucosas y los ojos.

Es un irritante pulmonar con una toxicidad considerablemente menor que los óxidos de nitrógeno, y la sobreexposición por inhalación provoca la conversión de la hemoglobina en sangre a metahemoglobina, lo que puede conducir a la condición de metahemoglobinemia.

El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) especifica que la concentración que es inmediatamente peligrosa para la vida o la salud (valor IDLH) es de 1000 ppm.

Para más información Physical Properties for Nitrogen Trifluoride

• Ensayo a la llama
• Trifluoruro de cloro
• Fluoroformo
• Innovaciones Químicas: Transformando el Presente y Moldeando el Futuro
• Aislamiento del nitrógeno