热解氮化硼材料制备方法以及性能研究

广东化工2020年第7期·48·
第47卷总第417期
热解氮化硼材料制备方法以及性能研究
余明1,3，胡丹1,3，朱刘2,3，胡智向2,3
(1．广东先导先进材料股份有限公司，广东清远511517；
2．国家稀散金属工程技术研发中心，广东清远511517；3．广东先导稀材股份有限公司，广东清远511517)
Preparation and Properties of Pyrolysis Boron Nitride Materials
Yu Ming 1,3,Hu Dan 1,3,Zhu Liu 2,3,Hu Zhixiang 2,3
(1.Vital advanced Materials Co.,Ltd.,Qingyuan 5115I7；2.National Engineering &Technology Research Center of Scattered Metals,Qingyuan
511517；3.First Materials Co.,Ltd.,Qingyuan 511517,China)
Abstract:This paper mainly introduces the preparation method of pyrolytic boron nitride materials,systematically introduces the deposition mechanism of pyrolytic boron nitride prepared by chemical vapor deposition method,analyzes the deposition mechanism and reaction mechanism of pyrolytic boron nitride,and simply tests the properties of pyrolytic boron nitride materials.
Keywords:Pyrolysis boron nitride ；Chemical vapor deposition ；Preparation ；Sedimentary mechanism ；Reaction mechanism ；performance
热解氮化硼是一种通过化学气相沉积法通过高温热解反应制备获得的一种氮化硼，在20世纪70年代发展起来的一种新型无机非金属材料，具有高纯度、具有热导率高、机械强度高、电绝缘性好且无毒等异性能、化学惰性以及优异的结构和性能使其成为元素提纯、化合物及化合物半导体晶体生长的理想容器[1-2]，近年来，半导体行业蓬勃发展，GaAs 单晶、MBE 、OLED 等技术迫切需求大量规格化、多品种化，高质量的PBN 坩埚。

目前，PBN 已经广泛地应用在了航空航天、电子器件、化工生产、冶金制造、医疗器械等各个领域[3]。

1热解氮化硼材料制备原理和工艺
1.1制备原理
国内外针对PBN 制备工艺与性能做了大量研究[4-8]，本文将采用用气相沉积技术，将三氯化硼(BCl 3)、氨气(NH 3)和保护气体(N 2
、Ar)，按照一定的比例混合送入高温反应炉内，控制反应压力100~200Pa ，反应温度1600~2000℃范围内选取，气体受热分解，生成的BN 在模芯上沉积，反应方程式如下：
BCl 3+NH 3=BN+3HCl
根据模芯的需求，可选择不同材料(如石墨)，可做成不同形状，生成的PBN 将覆盖在模芯上，脱模后去下来的就是PBN 产品(如坩埚、平板等)。

1.2制备工艺
图1热解氮化硼生长示意图
Fig.1
Pyrolysis boron nitride growth schematic diagram
从图1中可以看出热解氮化硼在生长过程中经过以下步骤：(1)A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气形成主流气体进入化学气相沉积炉内；
(2)A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气经过扩散离开主流气体
向模芯表面扩散；
(3)扩散到模芯表面附近的A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气相互反应，反应产物C 氮化硼扩散到达模芯表面；
(4)A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气反应生成C 氮化硼和副产物D 氯化氢；
(5)副产物D 氯化氢和表面吸附的反应气体A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气离开模芯表面想主流气体扩散
(6)副产物D 氯化氢和B 氨气相互反应生成氯化铵，高温下又分解为副产物D 氯化氢和
B
氨气在主流气体中扩散；
(7)副产物D 氯化氢和多余的反应气体A 三氯化硼、氮气混合气和B 氨气随主流气体排出化学气相沉积炉系统外。

化学气相沉积炉是整个化学气相沉积系统的关键，直接影响材料生长以及材料性能。

除了化学气相沉积炉，该生产装置还包括以下部分：电控系统、气路系统、真空系统、水冷系统、报警装置、尾气吸收系统以及除尘装置。

2PBN 材料性能
按照上述工艺，实验得出PBN 材料，经简单测试得出以下物理以及化学性能。

2.1在显微镜下观察，表面有瘤泡状凸起，对材料的断面微观形貌进行了测试(图2)，可以看处PBN 材料层状堆叠完整有序，层间距均匀。

图2PBN 材料断面SEM 形貌
Fig.2SEM morphology of PBN material section
[收稿日期]2020-03-17
[作者简介]
余明(1990-)，男，江西抚州人，毕业于山东理工大学，应用化学专业。

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2.2物理性质
热解氮化硼是一种白色、无毒、无孔隙、易加工的高纯材料(图3)。

抗热震性好，在力学、热学、电学等等性能上有着明显的各向异性。

有关性能测试如表1
：
图3PBN 材料GDMS Fig.3PBN GDMS 表1PBN 性能参数
Tab.1PBN performance parameters
主要参数单位数值密度g/cm 3 2.0~2.2抗张强度Mpa 110抗弯强度MPa 170热导率W/m ℃"a"60
"c"2
电阻率
Ω·cm
2×10
15
2.3化学性质
将PBN 材料浸在水、硫酸、盐酸、氢氟酸、硝酸、王水、氢氧化钠溶液中，称重测得如图4。

3结束语
从各个实验测试中发现，化学气相沉积所制得的PBN 材料具有很高纯度、较好的化学稳定性，极好的“a ”向热传导。

让它成为理想的半导体化合物生长容器，为了满足市场对不同形状、不同尺寸以及性能更优的PBN 材料，其生产设备与工艺参数等相匹配的问题还需要不断研究。

图4PBN 材料化学性质测试
Fig.4
Chemical properties of PBN materials
参考文献
[1]许力，白朔，吴峻峰，等．热解氮化硼[C]．第八届全国新型炭材料学术研讨会论文集，中国：广西，2007：91-99．[2]赵凤鸣．热解氮化硼坩埚材料生长与性能．半导体情报，1991，06：88-91．[3]美国联合碳化公司，现代工艺合成材料-热解氮化硼(PBN)7745资料室译(1975)．
[4]S Le Gallet ，G Chollon ，F Rebillat ，A Guette ，et al ．Microstructural and microtextural investigations of boron nitride deposited from BCl 3–NH 3–H 2gas mixtures ．Journal of the European Ceramic Society ，2004，24(1)：33-44．[5]Yu Cheng ，Xiaowei Yin ，Yongsheng Liu ，et al ．BN coatings prepared by low pressure chemical vapor deposition using boron trichloride-ammonia-hydrogen-argon mixture gases ．Surface&Coatings Technology ，2010，204(16-17)：2797-2802．[6]Qiu D J ．Investigation on the microstructure and optical properties of c -axis oriented nanocrystalline hexagonal BN films fabricated by hot-filament chemical vapor deposition ．Thin Solid Films ，2005，484(1-2)：90-93．[7]Jow-Lay Huang ，Chien-Hsiun Pan ，Ding-Fwu Lii ．Investigation of the BN films prepared by low pressure chemical vapor deposition ．Surface &Coatings Technology ，1999，122(2-3)：166-175．
[8]温廷琏，李文兰，李世椿．化学气相沉积制备的氮化硼．硅酸盐学报，1980，8(4)：351-356．
(本文文献格式：余明，胡丹，朱刘，等．热解氮化硼材料制备方法以及性能研究[J]．广东化工，2020，47(7)：48-49)。