Volfrám-hexafluorid

Sablon:Chembox A volfrám-hexafluorid szervetlen vegyület, képlete Sablon:Chem. Mérgező, korrozív, színtelen gáz, mintegy 13 kg/m³ sűrűségű gáz (mintegy 11-szer sűrűbb a levegőnél). Az egyik legsűrűbb gáz standard körülmények közt. A Sablon:Chem-ot gyakran használják a félvezetőiparban volfrámfilmek létrehozásához gőzdepozícióval. Ez a réteg alacsony ellenállású fémes összekötő elemként működik. Egyike a 17 ismert biner hexafluoridnak.

Tulajdonságok

A Sablon:Chem-molekula oktaéderes, szimmetriacsoportja O_h. A W–F kötés hossza Sablon:Szám. 2,3–17 °C közt a volfrám-hexafluorid halványsárga folyadékká alakul, 15 °C-on 3,44 g/cm³ sűrűséggel. 2,3 °C-on fehér, szilárd anyaggá fagy, köbös kristályszerkezettel, rácsállandója 628 pm, sűrűsége 3,99 g/cm³. −9 °C-on ortorombos szilárd anyaggá válik, $a=960,3\text{pm},b=871,3\text{pm},c=504,4\text{pm}$ rácsállandókkal és 4,56 g/cm³ sűrűséggel. Ekkor a W–F kötés hossza 181 pm, az átlagos legközelebbi molekuláris érintkezések távolsága 312 pm. Bár a Sablon:Chem az egyik legsűrűbb gáz, a radonnál (9,73 g/l) is sűrűbb, szilárd és folyékony állapotban sűrűsége közepes. Gőznyomását −70 és 17 °C közt az alábbi egyenlet írja le:

$\text{lg}P=4,55569-\frac{1021,208}{T+208,45}$,

ahol P a gőznyomás barban, T a hőmérséklet °C-ban.

Előállítása

A volfrám-hexafluoridot gyakran fluor és volfrámpor reakciójával állítják elő 350 és 400 °C közt:

$\mathrm{W}{\phantom{A}}_3^{+}\mathrm{F}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6$

Ezt desztillációval leválasztják egy gyakori szennyezőanyagról, a [[volfrám(VI)-oxitetrafluorid|Sablon:Chem]]-ról. A közvetlen fluorozás egy változatában a fém hevített kamrába kerül 8,3-13,8 kPa nyomás alatt, állandó Sablon:Chem-árammal kis mennyiségű fluor mellett.

A fluort a fenti módszerben helyettesítheti ClF, [[klór-trifluorid|Sablon:Chem]] vagy [[bróm-trifluorid|Sablon:Chem]]. A volfrám-hexafluorid előállítható továbbá volfrám-trioxid (Sablon:Chem) hidrogén-fluoriddal, Sablon:Chem-dal vagy [[kén-tetrafluorid|Sablon:Chem]]-dal való reakciójával. Ezenkívül volfrám-hexaklorid átalakításával is kapható volfrám-hexafluorid:

$\mathrm{W}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{H}\mathrm{F}⟶\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$, vagy

$\mathrm{W}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_6+2\mathrm{A}\mathrm{s}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+2\mathrm{A}\mathrm{s}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3$, vagy

$\mathrm{W}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{S}\mathrm{b}\mathrm{F}{\phantom{A}}_5⟶\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{S}\mathrm{b}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$.

Reakciók

Vízzel érintkezve a volfrám-hexafluorid hidrogén-fluoridot és volfrám-oxifluoridokat ad, végül volfrám-trioxidot eredményezve:

$\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{W}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+6\mathrm{H}\mathrm{F}$

Néhány más fém-fluoriddal szemben a Sablon:Chem nem jó fluorozószer vagy erős oxidálószer. A sárga [[volfrám-tetrafluorid|Sablon:Chem]]-ra redukálható.

A Sablon:Chem számos 1:1 és 1:2 adduktumot képez Lewis-bázisokkal, például ilyenek a Sablon:Chem, a Sablon:Chem, a Sablon:Chem és a Sablon:Chem.

Használata a félvezetőiparban

A volfrám-fluoridokat főképp a félvezetőiparban használják, ahol kémiai gőzdepozícióval való volfrámozásra használják. Az ipar növekedése az 1980-as és 1990-es években növelte a Sablon:Chem-fogyasztást, mely évente 200 tonna körül van. A volfrám a nagy hő- és kémiai stabilitása, valamint az alacsony ellenállása (5.6 μΩ·cm) és elektromigrációja miatt használatos. A Sablon:Chem-ot a hasonló vegyületeknél, például a Sablon:Chem-nál és a Sablon:Chem-nál gyakrabban használják magasabb gőznyomása miatt, mely jobb depozíciót ad. 1967-től két utat használnak, ezek a hőbontás és a hidrogénes redukció. A szükséges gáztisztaság nagyon magas, alkalmazástól függően 99,98%-tól 99,9995%-ig terjed.

A Sablon:Chem elbontandó a folyamatban, ezt hidrogénnel, szilánnal, germánnal, diboránnal, foszfinnal és hasonló hidrogéntartalmú gázokkal könnyítik.

Szilícium

A Sablon:Chem szilíciumszubsztráttal érintkezve reagál. Bomlása szilíciumon hőmérsékletfüggő:

400 °C alatt: $2\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{S}\mathrm{i}⟶2\mathrm{W}+3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}{\phantom{A}}_4$

400 °C felett: $\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{S}\mathrm{i}⟶\mathrm{W}+3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}{\phantom{A}}_2$

E hőmérsékletfüggés fontos, mivel magasabb hőmérsékleten kétszer annyi szilícium fogy. A reakció csak tiszta szilíciumon történik meg, szilícium-oxidokon vagy -nitrideken nem, így a reakció erősen érzékeny a szennyezésre vagy előkezelésre. A bomlás gyors, de 10-15 mikrométeres volfrámrétegnél telítődik. Ennek oka, hogy a volfrámréteg leállítja a Sablon:Chem-diffúziót a Si-szubsztrátra, mely a bomlást segítő egyetlen anyag.

Oxigéntartalmú környezetben történő bomláskor volfrám helyett volfrám-oxid réteg jön létre.

Hidrogén

Az átalakulás 300-800 °C közt megy végbe, hidrogén-fluorid keletkezésével:

$\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{W}+6\mathrm{H}\mathrm{F}$

A létrejövő volfrámrétegek kristályszerkezete irányítható a Sablon:Chem arány és a szubsztrát hőmérsékletének változtatásával: alacsony arányok, illetve hőmérsékletek (100) elrendezésű volfrámkristályokat, magasabb arányok vagy hőmérsékletek (111) elrendezést okoznak. A HF keletkezése egy hátrány, ugyanis a HF igen agresszív, és sok anyaggal reagál. Továbbá a keletkező volfrám kevéssé kapcsolódik a szilícium-dioxidhoz, a félvezető-elektronika fő passzivációs anyagához. Így a Sablon:Chem további pufferréteggel vonandó be a reakció előtt. Azonban a HF hasznos lehet a nem kívánt szennyeződések eltávolítására.

Szilán és germán

A volfrámozás fontos jellemzői Sablon:Chem rendszerben a nagy sebesség, a jó kapcsolódás és a rétegsimaság. Azonban robbanásveszélyes és a depozíciós sebesség és a morfológia a folyamat paramétereitől, például a keverési aránytól, a szubsztráthőmérséklettől stb. függ. Így a szilánt gyakran vékony nukleációs rétegekre használják, ezután hidrogénre cserélik, lassítva a depozíciót és tisztítva a réteget.

A Sablon:Chem keverék depozíciója hasonlít a Sablon:Chem keverékéhez, de a volfrámréteg akár 10-15% germániummal is szennyeződhet. Ez növeli az ellenállását 5-ről 200 μΩ·cm-re.

További alkalmazások

A Sablon:Chem volfrám-karbid-előállításra használható.

Mivel nehéz gáz, a Sablon:Chem gázreakció-irányító pufferként használható. Például lassítja az Ar/Sablon:Chem/Sablon:Chem láng reakciósebességét és hőmérsékletét.

Biztonság

A volfrám-hexafluorid rendkívül korrozív, bármely szövetet képes támadni. Mivel nedvességgel reagálva hidrogén-fluoridot hoz létre, a Sablon:Chem-tároló edényekhez Teflon tárolókat használnak.