Термическое разложение тетранитрида трикремния в атмосферах аргона и водорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 666.762.93

Термическое разложение тетранитрида трикремния в атмосферах аргона и водорода

Н.Дж. Саалиева,

В.С. Энгельшт,

В.П. Макаров

Проведен термодинамический анализ разложения тетранитрида трикремния (Si3N4) в атмосферах аргона (Ar) и водорода (Н2). Давление газа Р менялось от 0.01 до 10 МПа. Температура конца разложения возрастала с увеличением давления, причем росла линейно с lgP, и изменялась в диапазоне 17002160К для (Ar) и 15401935К для водорода (Н2) при указанном изменении давления.

Теоретическое исследование термического разложения нитрида кремния (Si3N4) в атмосфере азота при Р=0.01; 0.03; 0.1; 0.3; 1; 3; 10 МПа проводилось в работе 1 в чистой газовой атмосфере. В частности, получено, что разложение Si3N4 в атмосфере азота (Р=0.01 МПа) начинается при 1860К, по реакции Si3N4 k*Si +2 N2, т.е. с образованием конденсированного кремния (k*Si) и выделением азота (N2) , газовые компоненты кремния (Si, Si2, Si3,SiN) составляют малую долю. Удивителен тот факт, что диапазон температур разложения Si3N4 в азоте составляет всего два градуса 1. Данная работа посвящена исследованию термической устойчивости k*Si3N4 в атмосферах аргона и водорода путем моделирования на IBM.

Методика исследования.

Оценка температуры разложения проводилась на основании расчета с помощью программного комплекса AСTRA - 4/pc 2, алгоритм которого включает термодинамический метод определения характеристик произвольных гетерогенных систем, основанный на принципе максимума энтропии. Программа AСTRA - 4/pc позволяет получить информацию о газовых и конденсированных компонентах. Расчет по программе AСTRA - 4/pc требует задания компонентов исходной среды и два условия равновесия.

В наших расчетах задавались два термодинамических параметра: температура и давление, исходная среда: 1) тетранитрид трикремния (10% Si3N4) и аргон (90% Ar); 2) тетранитрид трикремния (10% Si3N4) и водород (90% Н2). Давление смеси задавались величинами: Р= 0.01; 0.03; 0.1; 0.3; 1; 3; 10 МПа. Температура варьировалась от Т=300К до полного разложения Si3N4 (17002160К) для аргона (Ar) и (15401935К) для водорода (Н2).

Необходимые для термодинамического анализа термодинамические функции и энтальпии образования k*Si3N4 и k*Si введены в программу AСTRA - 4/pc из справочника 2.

Результаты расчета.

Аргон. В табл.1 приведен мольный состав () компонентов смеси при температуре конца разложения в аргоне

Таблица 1

Как видно из табл.1. главными продуктами разложения являются k*Si и N2, газовые компоненты кремния (Si, Si2, SiN) составляют малую долю. Заметна тенденция медленного увеличения концентрации паров SiN с ростом давления и уменьшения концентрации Si, Si2. Здесь одновременно проявляется действие как роста давления, так и повышения температуры разложения.

На рис.1 приведены мольные компоненты исходного k*Si3N4 и k*Si в окрестности температуры разложения (Ar). Для примера даны результаты при давлениях Р=0.01; 0.1; 10 МПа. При других давлениях картина аналогична.

Рис.1. Мольные доли k*Si3N4 и k*Si как функции температуры при давлениях аргона, указанных на рисунке

В табл. 2 приведены температура начала разложения Т₀, температура Т_0.1, когда разложилось 10% Si3N4; температура Т_1/3, когда разложилась 1/3 Si3N4, температура Т _1/2 , когда разложилась половина Si3N4 и температура конца разложения Т_к . Эти же результаты показаны на рис.2.

Таблица 2

Рис.2. Температуры разложения нитрида кремния (Si3N4) в зависимости от давления аргона (Ar). Пояснения в тексте

Из табл.2 и рис.2 видно следующее. Разложение Si3N4 в аргоне отличается от разложения в азоте тем, что оно начинается при 1500К1900К в исследуемом диапазоне давлений аргона (в азоте 18602430К). Диапазон температур от начала до конца разложения довольно широк 200К, тогда как в азоте два градуса.

Зависимость температуры конца разложения нитрида кремния от давления аргона может быть аппроксимирована прямой линией: T_k=2000+150lgP;

Водород. В табл.2 приведен мольный состав () компонентов смеси при температуре конца разложения в водороде.

Таблица 3

Из табл.3 видно, что главными продуктами разложения являются k*Si и N2, а газовые компоненты кремния (Si, Si2,, SiN, SiH, SiH4) составляют малую долю. С увеличением давления концентрация паров Si, Si2, меняется немонотонно, достигая максимума при Р= 0,10,3 МПа. Концентрация паров SiN, SiH, SiH4 и NH3 монотонно возрастает с увеличением давления.

На рис.3 приведены мольные компоненты исходного k*Si3N4 и k*Si в окрестности температуры разложения (Н2). Для примера даны результаты при давлениях Р=0.01; 0.1; 10 МПа. При других давлениях картина аналогична.

Рис.3. Мольные доли k*Si3N4 и k*Si как функции температуры при давлениях водорода, указанных на рисунке.

В табл. 4 приведены температура начала разложения Т₀, температура Т_0.1, когда разложилось 10% Si3N4; температура Т_1/3, когда разложилась 1/3 Si3N4, температура

Т _1/2 , когда разложилась половина Si3N4 и температура конца разложения Т_к . Эти же результаты показаны на рис.4.

Таблица 4

Рис.4. Температуры разложения нитрида кремния (Si3N4) в зависимости от давления водорода (Н2). Пояснения в тексте

Из табл.4 и рис.4 видно следующее . Разложение Si3N4 в водороде отличается от разложения в азоте тем, что оно начинается при 1350К1540К в исследуемом диапазоне давлений водорода ( в азоте 18602430К). Диапазон температур от начала до конца разложения составляет 200К, тогда как в азоте два градуса.

Зависимость температуры конца разложения нитрида кремния от давления водорода (Н2) может быть аппроксимирована прямой линией:

T_k=1800+130lgP;

При разложении нитрида кремния (Si3N4) в атмосферах аргона и водорода основными компонентами являются конденсированный кремний (k*Si) и азот (N2), газовые компоненты кремния (Si, Si2, SiN, SiH, SiH4) составляют малую долю.

1. Термодинамическая устойчивость нитрида кремния (Si3N4) в водороде (Н2) меньше, чем в аргоне (Ar), а в аргоне меньше, чем в азоте (N2). С увеличением давления (Р= 0.0110 МПа)термодинамическая устойчивость нитрида кремния возрастает по линейному закону:

в водороде ; Т_к =1540К 1935К;

в аргоне ; Т_к = 1700К 2160К;

в азоте ; Т_к = 1860К до 2430К.

Диапазон температур от начала до конца разложения в аргоне и водороде составляет 200К, тогда как в азоте - два градуса.

термодинамический разложение тетранитрид

Литература

1. Саалиева Н.Дж., Энгельшт В.С., Макаров В.П. Термическое разложение тетранитрида кремния в атмосфере азота.

2. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (АСТРА.4/рс). М.:МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994-50с.

3. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: в 4-х т. / Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. - М.: Наука, 1982.

Размещено на Allbest.ru