文档介绍：化学汽相淀积制备碳化硼
Ali O. Sezer, . Brand *
美国内布拉斯加州林肯大学化工系埃弗里实验室236,林肯,NE68588-0126
摘要
碳化硼是一种重要的非金属材料,具有出色的硬度,优良的机械性能,热学和电
学性能。它的低密度,耐化学腐蚀性和中子俘获能力使得碳化硼成为一个有吸引力材料,应用于微电子,核,军事,航天和医疗方面。用化学气相沉积法可以得到各种碳化硼基材料
本文对近期化学汽相淀积法制备碳化硼的文献做了全面综述同时也涉及到这种材料的结构,性质和潜在的应用领域。并叙述了碳化硼沉积的理论模型和其实验过程的发展。从该论述可以得出在CVD制碳化硼这方面还有大量的研究需要去做。回顾已发表的论文,其中大部分是研究其性质和碳化硼相的生长速率。一些基于最小吉布斯自由能的热力学模型尝试着用于经典CVD体系。然而,这些模型往往不能代表实际的增长机制。关于其他CVD体系还没有显著的建模工作见诸报道,例如等离子增强化学气相沉积(PECVD),热丝化学气相沉积(HFCVD),同步辐射化学气相沉积(SRCVD)。还需要研究得出不同化学计量比的碳化硼的可靠热化学数据,以及对这样复杂体系的实际沉积反应机制需要建立模型。
关键词:碳化硼;化学汽相淀积;相图;晶体结构
1,介绍
碳化硼是一种重要的非金属材料,具有优异的物理化学性质。除了立方氮化硼,它是最硬的硼化物[1]。它的高熔点,高模量,强大的中子俘获能力,低密度,化学惰性, 优异的热学和电学性能使得碳化硼成为高科技应用领域的有力竞争者[2]。相比于其他耐火材料,如金刚石,碳化硅,氮化硼,氧化铝,投入了相对小的努力在研究和发展碳化硼沉积方法上。这一现象在近年来开始,由于对高质量碳化硼基材料的需求,特别是在微电子,核能,军事,航空和医药工业的需求[1,3]。塞维诺特在1990年发表了对碳化硼的一个全面的论述[4]。碳化硼的结构性质,工业和实验室制法,以及其应用领域都在这篇文章里论述了。用作电学的碳化硼薄膜和颗粒通常用化学气相沉积法沉积。但是塞维诺特的文章几乎没有谈到化学气相沉积碳化硼。我们的这篇综述涵盖了这一领域目前的发展水平,这一点对其他的研究者将会非常有用。
碳化硼在1883年由Joly最先制备[5],但是被称为“技术碳化硼”化学计量比BC,直到1934年才被发现[6]。对碳化硼微电子设备和高温热电偶的研究是从50年代开始的[7]。在几乎所有早期尝试制作电学硼化,由于该材料具有低电阻率,因此它们在微电子应用是有限的。自90年代初,在沉积方法的控制和优化方面已经取得了重大进展。CVD方法已经被广泛用于研究和发展高质量碳化硼产品。用减少硼酐,热压和无压烧结的方法可以得到工业规模的碳化硼产品[4,2,8]。热解有机物,物理气相沉积(PVD)[9,10],和化学气相沉积方法经常用来制备实验室碳化硼[4,11]。PVD方法通常比较昂贵,并且难以制备碳化硼。另一方面,CVD有更好的控制沉积,从而得到定义清楚的高纯单相碳化硼。从BC到BC这一范围内都存在稳定的单相碳化硼[11-13]。这个大的同质区域使得生产高科技应用的高质量定义清楚的的碳化硼变得困难。甚至用已经得到广泛认同的方法如CVD也是如此。尽管存在这个困难,CVD任然是沉积碳化硼的首选方法。经过20年的实验室CVD方法的研究,得到了许多制造不同化学计量比和性质的碳化硼工艺。在这篇文章里,我们将探讨CVD方法及其产品,同时为了对实验进行预判和设计碳化硼沉积体系尝试了为其建模。
2,碳化硼的结构和性质
,结构
碳化硼在碳含量为8%到20%这一大的同质范围内存在稳定的单相化合物[14-16]。最稳定的碳化硼结构是化学计量比为B13C,BC或BC,以及其他一些 接近BC的晶系[2,11-15,17,18]。正方相(BC,BC,BC,BC,BC)[18,19],和斜方相(BC)[2,20]都已经被确认,但这些都是亚稳结构,并且在冶金相图里没有考虑这些成分。通过实验观察碳化硼晶体的结构,有一些不确定的相如BC,BC,BC [2,18]。
菱方结构的碳化硼由共价键连接的12个原子组成的二十面体原子团簇和通过该菱方体的最长对角线上的由三个原子组成的链构成。富硼二十面体结构位于菱方体的顶端,如图1所示[13,14,16,21]。对这15个B原子和1个碳原子,晶体中有四种位置可供排列。因此碳原子和硼原子很容易互相替代,在二十面体和二十面体链之间。这就是为什么存在很多同质碳化硼的原因[2,11,16,21]。含碳20%的BC被广泛认同的结构是由B11C二十面体和C-BC二十面体间链组成。,另一方面,B13C2相由B12二十面体和直线状C-B-C二十面体间链组成,即(B12).CBC [2,14,15,22]。