氮化硅的合成方法及加工

合成方法

可在1300-1400°C的条件下用单质硅和氮气直接进行 化合反应 得到氮化硅：

3 Si(s) + 2N2(g) →Si3N4(s)

也可用 二亚胺 合成

SiCl4(l) + 6NH3(g) →Si(NH)2(s) + 4NH4Cl(s)    在0 °C的条件下3Si(NH)2(s) →Si3N4(s) +N2(g) + 3H2(g)    在1000 °C的条件下

或用 碳热还原反应 在1400-1450°C的氮气气氛下合成：

3SiO2(s) + 6 C(s) + 2N2(g) →Si3N4(s) + 6 CO(g)

对单质硅的粉末进行渗氮处理的合成方法是在二十世纪50年代随着对氮化硅的重新“发现”而开发出来的。也是第一种用于大量生产氮化硅粉末的方法。但如果使用的硅原料纯度低会使得生产出的氮化硅含有杂质硅酸盐和铁。用二胺分解法合成的氮化硅是无定形态的，需要进一步在1400-1500°C的氮气下做退火处理才能将之转化为晶态粉末，目前二胺分解法在重要性方面是仅次于渗氮法的商品化生产氮化硅的方法。 碳热还原反应 是制造氮化硅的最简单途径也是工业上制造氮化硅粉末最符合成本效益的手段。

电子级的氮化硅薄膜是通过 化学气相沉积 或者 等离子体增强化学气相沉积技术 制造的: [1]

3SiH4(g) + 4NH3(g) →Si3N4(s) + 12H2(g)3SiCl4(g) + 4NH3(g) →Si3N4(s) + 12 HCl(g)3SiCl2H2(g) + 4NH3(g) →Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6H2(g)

如果要在半导体基材上沉积氮化硅，有两种方法可供使用： [1]

利用低压化学气相沉积技术在相对较高的温度下利用垂直或水平管式炉进行。 [2]

等离子体增强化学气相沉积技术在温度相对较低的真空条件下进行。

氮化硅的晶胞参数与单质硅不同。因此根据沉积方法的不同，生成的氮化硅薄膜会有产生 张力 或 应力 。特别是当使用等离子体增强化学气相沉积技术时，能通过调节沉积参数来减少张力。 [3]

先利用 溶胶凝胶法 制备出二氧化硅，然后同时利用 碳热还原法 和氮化对其中包含特细碳粒子的 硅胶 进行处理后得到氮化硅纳米线。硅胶中的特细碳粒子是由葡萄糖在1200-1350°C分解产生的。合成过程中涉及的反应可能是： [4]

SiO2(s) + C(s) → SiO(g) + CO(g)    3 SiO(g) + 2N2(g) + 3 CO(g) →Si3N4(s) + 3CO2(g)    或3 SiO(g) + 2N2(g) + 3 C(s) →Si3N4(s) + 3 CO(g)

加工方法

作为粒状材料的氮化硅是很难加工的——不能把它加热到它的熔点1850°C以上，因为超过这个温度氮化硅发生分解成硅和氮气。因此用传统的热压烧结技术是有问题的。把氮化硅粉末粘合起来可通过添加一些其他物质比如烧结助剂或粘合剂诱导氮化硅在较低的温度下发生一定程度的液相烧结后粘合成块状材料。 [5] 但由于需要添加粘合剂或烧结助剂，所以这种方法会在制出的块状材料中引入杂质。使用放电等离子烧结是另一种可以制备更纯净大块材料的方法，对压实的粉末在非常短的时间内（几秒中）进行电流脉冲，用这种方法能在1500-1700°C的温度下得到紧实致密的氮化硅块状物。 [6] [7]

参考资料：

^ 跳转至：12.0 12.1 Yoshio Nishi, Robert Doering. Handbook of semiconductor manufacturing technology . CRC Press. 2000: 324–325. ISBN 0-8247-8783-8 .

^ Comparison of vertical and horizontal tube furnaces in the semiconductor industry . [2009-06-06].

^ deposition of silicon nitride layers . [2009-06-06].

^ Ghosh Chaudhuri, MahuaDey, RajibMitra, Manoj KDas, Gopes CMukherjee, Siddhartha. A novel method for synthesis of α-Si3N4 nanowires by sol–gel route . Sci. Technol. Adv. Mater. 2008, 9 (1): 015002. Bibcode:2008STAdM...9a5002G . doi:10.1088/1468-6996/9/1/015002 .

^ Silicon Nitride – An Overview . [2009-06-06].

^ Nishimura, ToshiyukiXu, XinKimoto, KojiHirosaki, NaotoTanaka, Hidehiko. Fabrication of silicon nitride nanoceramics—Powder preparation and sintering: A review . Sci. Technol. Adv. Mater. 2007, 8(7–8): 635. Bibcode:2007STAdM...8..635N . doi:10.1016/j.stam.2007.08.006 .

^ Peng, H. Spark Plasma Sintering of Si3N4-Based Ceramics – PhD thesis . Stockholm University. 2004 [2009-06-06].

维基百科搬运 zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AE%E5%8C%96%E7%9F%BD#cite_note-9

如果想了解这些知识首先要知道半导体制造中最重要的最基础的是PN结，晶体管、MOS管都是以此为基础制造出来的。而p作为掺杂剂，用于形成n型半导体。二氧化硅主要是做掩蔽膜。氮化硅本身就是半导体，既可以做掩蔽膜又可以做异质结，作为第三代半导体，它有很大的发展潜力

二者理想的接触势垒为0.49V仅供参考，请楼主自行验算：α-Si3N4的亲和能（导带Ec到真空能级E0的能量差）为2.1eV....However,experimentalstudiesofSi3N4showedthatelectronaffinityinthesefilmsisaslargeas2.1eV.... http://apl.aip.org/res...Authorized=no...α-氮化硅是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度达5.3eV.... http://www.chvacuum.co...m/121681.html由以上两条可知，α-Si3N4的费米能级位于E0下方4.74eV（即：2.1+5.3/2eV)而铝的功函数为4.25eV（即铝的费米能级位于真空能级E0下方4.25eV）根据上述结果，可知铝和α-Si3N4的费米能级相差0.49eV，则其接触势垒为0.49V实际的氮化硅质量不同，其费米能级位置也略有差异，而铝和氮化硅的界面态影响也会有，所以实际的接触势垒可能与0.49V有偏差。

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