Volframhexafluorid
|
|||
|
|||
| Namn | |||
|---|---|---|---|
|
IUPAC-namn
Volframhexafluorid Volfram(VI)fluorid |
|||
| Identifierare | |||
|
3D-modell ( JSmol )
|
|||
| ECHA InfoCard | 100.029.117 | ||
|
PubChem CID
|
|||
| UNII | |||
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|||
|
|||
|
|||
| Egenskaper | |||
| WF 6 | |||
| Molar massa | 297,830 g/mol | ||
| Utseende | Färglös gas | ||
| Densitet |
12,4 g/L (gas) 4,56 g/cm 3 (−9 °C, fast) |
||
| Smältpunkt | 2,3 °C (36,1 °F; 275,4 K) | ||
| Kokpunkt | 17,1 °C (62,8 °F; 290,2 K) | ||
| Hydrolyserar | |||
| −40,0·10 −6 cm 3 /mol | |||
| Strukturera | |||
| Oktaedral | |||
| noll | |||
| Faror | |||
| Arbetsmiljö och hälsa (OHS/OSH): | |||
|
Huvudsakliga faror
|
Giftigt, frätande; ger HF vid kontakt med vatten | ||
| Flampunkt | Ej brandfarlig | ||
| Besläktade föreningar | |||
|
Andra anjoner
|
Volframhexaklorid Volframhexabromid |
||
|
Andra katjoner
|
Krom(VI)fluorid Molybden(VI)fluorid |
||
|
Besläktade föreningar
|
Volfram(IV)fluorid Volfram(V)fluorid |
||
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|||
Volfram(VI)fluorid , även känd som volframhexafluorid , är en oorganisk förening med formeln WF6 . Det är en giftig, frätande, färglös gas med en densitet på cirka 13 kg/m 3 (22 lb/cu yd) (ungefär 11 gånger tyngre än luft). Det är en av de tätaste kända gaserna under standardförhållanden. WF 6 används vanligtvis av halvledarindustrin för att bilda volframfilmer genom processen med kemisk ångavsättning . Detta skikt används i en metallisk " interconnect " med låg resistivitet . Det är en av sjutton kända binära hexafluorider .
Egenskaper
WF 6 - molekylen är oktaedrisk med symmetripunktgruppen Oh . W–F-bindningsavstånden är 183,2 pm . Mellan 2,3 och 17 °C kondenserar volframhexafluorid till en blekgul vätska med densiteten 3,44 g/cm 3 vid 15 °C . Vid 2,3 °C fryser det till ett vitt fast material med en kubisk kristallin struktur, gitterkonstanten på 628 pm och beräknad densitet 3,99 g/cm 3 . Vid −9 °C omvandlas denna struktur till ett ortorombiskt fast ämne med gitterkonstanterna a = 960,3 pm , b = 871,3 pm och c = 504,4 pm och densiteten 4,56 g/cm 3 . I denna fas är avståndet W–F 181 pm, och de genomsnittliga närmaste molekylära kontakterna är 312 pm . Medan WF 6- gas är en av de tätaste gaserna, med densiteten överstigande den för den tyngsta elementargasen radon (9,73 g/L), är densiteten för WF 6 i flytande och fast tillstånd ganska måttlig. Ångtrycket för WF 6 mellan −70 och 17 °C kan beskrivas med ekvationen
- log 10 P = 4,55569 − 1021,208 / T + 208,45 ,
där P = ångtryck ( bar ), T = temperatur (°C).
Syntes
Volframhexafluorid framställs vanligtvis genom den exotermiska reaktionen av fluorgas med volframpulver vid en temperatur mellan 350 och 400 °C :
- W + 3 F 2 → WF 6
Den gasformiga produkten separeras från WOF4, en vanlig förorening, genom destillation. I en variation av den direkta fluoreringen placeras metallen i en uppvärmd reaktor, lätt trycksatt till 1,2 till 2,0 psi (8,3 till 13,8 kPa), med ett konstant flöde av WF 6 infunderat med en liten mängd fluorgas .
Fluorgasen i ovanstående metod ClF3
kan ersättas Br F3
med ClF , eller . Ett alternativt förfarande för framställning av volframfluorid är att reagera volframtrioxid (WO 3 ) med HF, BrF 3 eller SF 4 . Volframfluorid kan också erhållas genom omvandling av volframhexaklorid :
- WCl 6 + 6 HF → WF 6 + 6 HCl eller
- WCl 6 + 2 AsF 3 → WF 6 + 2 AsCl 3 eller
- WCl 6 + 3 SbF 5 → WF 6 + 3 SbF 3 Cl 2
Reaktioner
Vid kontakt med vatten ger volframhexafluorid vätefluorid (HF) och volframoxifluorider, vilket slutligen bildar volframtrioxid :
- WF6 + 3 H2O → WO3 + 6 HF
Till skillnad från vissa andra metallfluorider är WF 6 inte ett användbart fluoreringsmedel och inte heller en kraftfull oxidant. Den kan reduceras till den gula WF 4 .
Tillämpningar inom halvledarindustrin
Den dominerande tillämpningen av volframfluorid är i halvledarindustrin, där den används i stor utsträckning för att deponera volframmetall i en kemisk ångavsättningsprocess . Expansionen av industrin på 1980- och 1990-talen resulterade i en ökning av WF 6 -förbrukningen, som ligger kvar på cirka 200 ton per år över hela världen. Volframmetall är attraktiv på grund av dess relativt höga termiska och kemiska stabilitet, samt låga resistivitet (5,6 μΩ·cm) och mycket låga elektromigrering . WF 6 är att föredra framför besläktade föreningar, såsom WCl 6 eller WBr 6 , på grund av dess högre ångtryck vilket resulterar i högre avsättningshastigheter. Sedan 1967 har två WF 6- deponeringsvägar utvecklats och använts, termisk nedbrytning och väteminskning. Den erforderliga WF 6 -gasrenheten är ganska hög och varierar mellan 99,98 % och 99,9995 % beroende på applikation.
WF 6 -molekyler måste delas upp i CVD-processen. Nedbrytningen underlättas vanligtvis genom att blanda WF 6 med väte, silan , germane , diboran , fosfin och relaterade vätehaltiga gaser.
Kisel
WF 6 reagerar vid kontakt med ett kiselsubstrat . WF 6- nedbrytningen på kisel är temperaturberoende:
- 2 WF 6 + 3 Si → 2 W + 3 SiF 4 under 400 °C och
- WF 6 + 3 Si → W + 3 SiF 2 över 400 °C.
Detta beroende är avgörande, eftersom dubbelt så mycket kisel förbrukas vid högre temperaturer. Avsättningen sker selektivt endast på rent Si, men inte på kiseloxid eller nitrid, så reaktionen är mycket känslig för kontaminering eller substratförbehandling. Nedbrytningsreaktionen är snabb, men mättas när volframskiktets tjocklek når 10–15 mikrometer . Mättnaden uppstår eftersom volframskiktet stoppar diffusionen av WF 6 -molekyler till Si-substratet som är den enda katalysatorn för molekylär nedbrytning i denna process.
Om avsättningen inte sker i en inert utan i en syrehaltig atmosfär (luft) så bildas istället för volfram ett volframoxidskikt.
Väte
Deponeringsprocessen sker vid temperaturer mellan 300 och 800 °C och resulterar i bildning av vätefluoridångor :
- WF6 + 3 H2 - > W + 6 HF
Kristalliniteten hos de producerade volframskikten kan kontrolleras genom att ändra WF6 / H2 - förhållandet och substrattemperaturen: låga förhållanden och temperaturer resulterar i ( 100) orienterade volframkristalliter medan högre värden gynnar (111)-orienteringen. Bildandet av HF är en nackdel, eftersom HF-ångan är mycket aggressiv och etsar bort de flesta material. Det avsatta volframet uppvisar också dålig vidhäftning till kiseldioxiden som är det huvudsakliga passiveringsmaterialet i halvledarelektronik. Därför måste SiO 2 täckas med ett extra buffertskikt före volframavsättningen. Å andra sidan kan etsning med HF vara fördelaktigt för att avlägsna oönskade föroreningsskikt.
Silan och germane
De karakteristiska egenskaperna för volframavsättning från WF 6 /SiH 4 är hög hastighet, god vidhäftning och skiktjämnhet. Nackdelarna är explosionsrisk och hög känslighet för avsättningshastigheten och morfologin för processparametrarna, såsom blandningsförhållande, substrattemperatur, etc. Därför används silan vanligtvis för att skapa ett tunt kärnbildande lager av volfram. Det växlas sedan till väte, som saktar ner avsättningen och rensar upp lagret.
Deponering från WF 6 /GeH 4 -blandning liknar den från WF 6 /SiH 4 , men volframskiktet blir förorenat med relativt (jämfört med Si) tungt germanium upp till koncentrationer på 10–15 %. Detta ökar volframresistansen från cirka 5 till 200 μΩ·cm.
Andra applikationer
WF 6 kan användas för tillverkning av volframkarbid .
Som en tung gas kan WF 6 användas som en buffert för att kontrollera gasreaktioner. Till exempel saktar det ner kemin i Ar/O 2 /H 2 flamman och sänker flammans temperatur.
Säkerhet
Volframhexafluorid är en extremt frätande förening som angriper all vävnad. På grund av bildandet av fluorvätesyra vid reaktion av WF 6 med fukt, har WF 6 lagringskärl teflonpackningar .