نیترید بور پیرولیتی نگاهی به ماده‌ای که صنعت را متحول می‌کند

کاوشی بر روی مواد بوته نیترید بور پیرولیتی

بوته‌های نیترید بور پیرولیتی به دلیل عملکرد و خلوص بالا، شناخته شده هستند. در مقایسه با بوته‌های استاندارد نیترید بور، بوته‌های PBN از جهات زیادی متمایز هستند. این بوته‌ها مقاومت به خوردگی دارند، در دماهای بالاتر کار می‌کنند و در برابر اکسیداسیون مقاوم هستند.

در ادامه به بررسی PBN، فرآیند تولید و خواص آن می‌پردازیم.

بوته‌های نیترید بور پیرولیتی چیست؟

بوته‌های PBN مواد پیشرفته‌ای برای دماهای بالا با خلوص ۹۹.۹٪ هستند. آنها عموماً از طریق فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD) و تحت شرایط خلأ و دمای بالا تولید می‌شوند. در این فرآیند از آمونیاک و هالیدهای بور استفاده می‌شود.

بوته‌های PBN رسانای خوب گرما هستند و رسانایی حرارتی بالایی دارند. بوته‌های PBN در دمای اتاق غیرفعال می‌مانند. بوته‌های ساخته شده از BN همچنین مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون در دماهای زیر ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد دارند. (سرامیک نسوز کوره)

ساختار نیترید بور پیرولیتی

PBN با نام نیترید بور حاصل از CVD نیز شناخته می‌شود. این ماده سرامیکی معمولاً از طریق پیرولیز در دمای بالا تهیه می‌شود. همانطور که می‌دانیم، نیترید بور دو ساختار اصلی دارد: هگزاگونال و مکعبی. نیترید بور پیرولیتی همانند نیترید بور هگزاگونال (h-BN) با بی‌نظمی‌های کمتر در ساختار لایه‌ای خود است. تفاوت اصلی نیترید بور پیرولیتی در روش تولید آن است که از CVD استفاده می‌کند.

جدول خواص نیترید بور پیرولیتی

خواص و مقادیر معمول نیترید بور پیرولیتی برای درک بهتر در جدول زیر آورده شده است:

مقاومت در برابر شوک حرارتی PBN حتی در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز بسیار مهم است. این ماده نقطه تصعید (sublimation point) ندارد و در دمای ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد به بور و نیتروژن تجزیه می‌شود. نیترید بور پیرولیتی مقاومت الکتریکی بالاتری دارد و بنابراین عایق خوبی است. سطح آن تخلخل کمتری داشته و صافی و خاصیت عدم ترشوندگی (non-wettability) ارائه می‌دهد.

خواص بوته‌های نیترید بور پیرولیتی

خواص PBN به چهار دسته فیزیکی، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی تقسیم می‌شوند.

خواص فیزیکی بوته‌های PBN

• بوته‌های PBN قابلیت ماشین‌کاری عالی دارند و می‌توان از آنها برای ساخت اشکال مختلف استفاده کرد. (تولید قطعات سرامیکی سفارشی)
• چگالی آنها بین ۱.۹ تا ۲.۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب است.
• بوته‌های PBN دارای نفوذپذیری خوبی نسبت به هلیوم در حدود کمتر از 10⁻¹⁰ سانتی‌متر بر ثانیه هستند.
• بوته‌های PBN جذب رطوبت کمتری دارند و عملکرد خوبی در شرایط خلأ ارائه می‌دهند.

خواص حرارتی PBN

• آنها حتی پس از غوطه‌ور شدن در آب در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، مقاوم به ترک‌خوردگی هستند.
• بوته‌های PBN مقاومت حرارتی خوبی دارند.
• رسانایی حرارتی نیترید بور پیرولیتی بسته به نوع PBN در محدوده ۲ تا ۶۰ وات بر درجه سانتی‌گراد متغیر است.

خواص شیمیایی ماده PBN

• بوته‌های PBN عموماً از نظر شیمیایی خنثی هستند. آنها با اسیدها، قلیاها و مواد مذاب در دماهای بالا واکنش نمی‌دهند.
• در دمای اتاق، نیترید بور پیرولیتی اندکی دچار خوردگی می‌شود، اما در دماهای بالا خنثی و غیرواکنشی باقی می‌ماند.
• بر اساس طیف‌سنجی جرمی، خلوص PBN حدود ۹۹.۹۹٪ است.

خواص الکتریکی بوته‌های نیترید بور پیرولیتی

• مقاومت حجمی (volume resistivity) بوته PBN در محدوده ³.1×10¹⁸ اهم سانتی‌متر است.
• مقاومت دی‌الکتریک آنها در دمای اتاق حدود ۵۶۰۰۰ ولت بر سانتی‌متر اندازه‌گیری شده است. ( سرامیک عایق الکتریکی ولتاژ بالا)

بوته‌های PBN چگونه ساخته می‌شوند؟

فرآیند ساخت بوته‌های PBN به عنوان رسوب‌دهی شیمیایی-هواشناسی (chemical-meteorological deposition) شناخته می‌شود. این فرآیند شامل واکنش در دمای بالای BCl₃ و NH₃ است. در این فرآیند از خلوص بالای BCl₃ و NH₃ با نسبت‌های مشخص برای تولید بوته PBN استفاده می‌شود. واکنش‌ها در یک محفظه فشرده‌سازی با دمای بالا و در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود.

واکنش شیمیایی برای تولید PBN به شرح زیر است: BCl₃ + NH₃ —> BN + 3HCl در طول این فرآیند، PBN هگزاگونال بر روی قالب گرافیتی سرد رسوب می‌کند. این فرآیند به عنوان رشد کریستالی-فلزی PBN شناخته می‌شود که در آن لایه انباشته شده به تدریج ضخیم‌تر می‌شود. این فرآیند همچنین با عنوان هسته‌زایی (nucleation) نیز شناخته می‌شود.

رشد PBN: فرآیند CVD

روش رسوب‌دهی بخار شیمیایی (CVD) برای تولید بوته PBN استفاده می‌شود. عوامل ساده در این روش شامل فرآیند، تجهیزات و اصل کار سیستم هستند. بخش پیچیده، عواملی هستند که بر فرآیند تأثیر می‌گذارند. سرعت بارگذاری مواد، هوای ورودی به سیستم و هندسه از دیگر عوامل هستند. عوامل تأثیرگذار دیگری نیز در فرآیند ساخت بوته PBN وجود دارند، مانند دما و فشار داخل کوره. محدوده دمایی انتخاب شده برای CVD حدود ۱۸۰۰ تا ۱۹۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار در حدود ۱ تا ۲ میلی‌متر جیوه حفظ می‌شود. به طور کلی، برای پوشش‌دهی PBN دمای پایین‌تر ترجیح داده می‌شود و برای ایجاد نقص (defects) از شرایط دمایی بالا استفاده می‌شود.

کاربردهای نیترید بور پیرولیتی

بوته‌های PBN ماده‌ای ایده‌آل برای رشد کریستال‌های نیمه‌رسانا هستند. همچنین از آنها برای خالص‌سازی عناصر استفاده می‌شود. برخی از نمونه‌های کلیدی بوته آنالیز حرارتی  در صنعت نیمه‌رسانا شامل رشد کریستال‌هایی مانند GaAs و InP است.

• رشد کریستال در صنایع نیمه‌رسانا به محیط‌های سخت‌گیرانه‌ای مانند خلوص محیط و ظرف و دمای بالاتر نیاز دارد. این امر بوته PBN را در این حوزه بسیار مورد تقاضا قرار می‌دهد.
• بوته‌های BN به طور گسترده در صنعت نیمه‌رسانا برای تولید کریستال‌ها با استفاده از روش LEC به کار می‌روند. روش دیگر مورد استفاده، روش بریجمن (Bridgman) است.
• بوته‌های PBN همچنین برای نیمه‌رساناهای III-V و II-VI ایده‌آل هستند.
• روش محبوب سنتز، اپیتکسی پرتو مولکولی (MBE) است. در اپیتکسی پرتو مولکولی، بوته PBN به عنوان منبعی برای نگهداری مواد برای تبخیر عمل می‌کند.
• همچنین از آنها در فرآیندهای تبخیر عناصر یا ترکیبات در OLED استفاده می‌شود.
• حلقه‌ها و ورق‌های PBN عمدتاً به عنوان عناصر پشتیبانی در OLED و سایر سنتزها به کار می‌روند.
• PBN همچنین یک ماده پوشش‌دهی خوب است که به طور معمول بر روی گرمکن‌های گرافیتی اعمال می‌شود. این کار از تبخیر اجزای فرار در دماهای بالاتر جلوگیری می‌کند.

انواع بوته‌های نیترید بور پیرولیتی

• بوته PBN برای OLED: همانطور که از نام آن پیداست، این بوته‌ها در رسوب‌دهی OLED استفاده می‌شوند. آنها عملکردی در دمای بالا، خنثی بودن شیمیایی و پایداری حرارتی بالایی دارند. کاربرد: صنایع فلزی و نیمه‌رسانا.
• بوته PBN برای MBE: بوته MBE برای فرآیند اپیتکسی پرتو مولکولی استفاده می‌شود. خواص PBN مانند خنثی بودن و پایداری حرارتی مزیت‌هایی هستند. این بوته‌ها مانع از انتشار گازها در طول واکنش‌های شیمیایی می‌شوند.
• بوته‌های نیترید بور پیرولیتی برای VGF: این بوته‌ها برای سنتز GaAs، Ge و غیره استفاده می‌شوند. بوته‌های PBN بر پایه VGF، دماهای بالا را تحمل کرده و رشد کنترل‌شده کریستال‌ها را ارائه می‌دهند. این امر به کاهش نقص‌ها و بهبود یکنواختی کمک می‌کند.
• بوته LEC BN: رشد GaAs و InP عمدتاً با استفاده از بوته BN به روش LEC انجام می‌شود. روش مورد استفاده، فرآیند چوکِرالِسکی کپسوله‌شده مایع (Liquid Encapsulated Czochralski) است. بوته‌های PBN LEC از نظر شیمیایی پایدار و مقاوم به خوردگی هستند. آنها در برابر فرسایش توسط مواد کپسوله‌کننده آسیب‌پذیر نیستند و استخراج آهسته فلزات به صورت تک‌کریستال را تضمین می‌کنند.

جمع‌بندی

بوته‌های PBN بدون شک یک ماده سرامیکی ( تولیدکننده قطعات سرامیکی) پیشرفته با تأثیر زیادی بر صنعت نیمه‌رسانا هستند. قابلیت ماشین‌کاری و خواص حرارتی، شیمیایی و فیزیکی رقابتی آنها، این بوته‌ها را به گزینه‌ای بهتر در صنایع دقیق تبدیل کرده است. بوته‌های PBN اغلب با مشخصات و هندسه‌های متمایز در دسترس هستند و انتخاب مناسب آنها، کاربردشان را تضمین می‌کند.

سوالات متداول

1. بوته PBN دقیقاً چه تفاوتی با بوته‌های استاندارد نیترید بور (BN) دارد؟ بوته‌های PBN از طریق فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD) تولید می‌شوند که باعث ایجاد یک ماده بسیار خالص (تا ۹۹.۹۹٪) با ساختار لایه‌ای و متراکم می‌شود. این ساختار به PBN پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی بهتری نسبت به بوته‌های BN تولید شده با روش‌های سنتی (فشاری) می‌دهد، که معمولاً دارای خلوص و تراکم کمتری هستند.

2. حداکثر دمایی که بوته‌های PBN می‌توانند تحمل کنند چقدر است؟ بوته‌های PBN پایداری حرارتی فوق‌العاده‌ای دارند. آن‌ها می‌توانند در محیط خلأ تا ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و در محیط خنثی تا ۲۱۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. با این حال، در محیط‌های حاوی اکسیژن (هوا)، حداکثر دمای قابل تحمل آن‌ها به حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد محدود می‌شود.

3. آیا PBN یک ماده عایق الکتریکی است؟ بله، PBN یک عایق الکتریکی بسیار خوب محسوب می‌شود. مقاومت الکتریکی بالا و مقاومت دی‌الکتریک عالی آن باعث می‌شود که برای کاربردهایی که نیاز به عایق‌بندی الکتریکی در دماهای بالا دارند، ایده‌آل باشد.

4. کاربرد اصلی بوته‌های PBN چیست؟ کاربرد اصلی بوته‌های PBN در صنایع پیشرفته است، به ویژه در صنعت نیمه‌رسانا. از آن‌ها به طور گسترده برای رشد کریستال‌های نیمه‌رسانا مانند GaAs و InP و همچنین در فرآیندهای تبخیر در تولید صفحه‌نمایش‌های OLED استفاده می‌شود. خلوص بالای آن‌ها تضمین می‌کند که فرآیندهای حساس تولید دچار آلودگی نشوند.