El fluoruro de tungsteno (VI) , también conocido como hexafluoruro de tungsteno , es un compuesto inorgánico con la fórmula W F 6 . Es un gas tóxico, corrosivo e incoloro, con una densidad de aproximadamente 13 g / L (aproximadamente 11 veces más pesado que el aire. [1] [2] [3] ) Es uno de los gases más densos conocidos en condiciones estándar. [4] El WF 6 se usa comúnmente en la industria de los semiconductores para formar películas de tungsteno, mediante el proceso de deposición de vapor químico . Esta capa se utiliza en una " interconexión " metálica de baja resistividad . [5]Es uno de los diecisiete hexafluoruros binarios conocidos .
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Nombres | |||
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Nombres IUPAC Hexafluoruro de tungsteno Fluoruro de tungsteno (VI) | |||
Identificadores | |||
Modelo 3D ( JSmol ) | |||
Tarjeta de información ECHA | 100.029.117 ![]() | ||
PubChem CID | |||
UNII | |||
Tablero CompTox ( EPA ) | |||
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Propiedades | |||
WF 6 | |||
Masa molar | 297,830 g / mol | ||
Apariencia | Gas incoloro | ||
Densidad | 12,4 g / l (gas) 4,56 g / cm 3 (−9 ° C, sólido) | ||
Punto de fusion | 2,3 ° C (36,1 ° F; 275,4 K) | ||
Punto de ebullición | 17,1 ° C (62,8 ° F; 290,2 K) | ||
Hidroliza | |||
−40.0 · 10 −6 cm 3 / mol | |||
Estructura | |||
Octaédrico | |||
cero | |||
Peligros | |||
Principales peligros | Tóxico, corrosivo; da HF en contacto con el agua | ||
punto de inflamabilidad | No es inflamable | ||
Compuestos relacionados | |||
Otros aniones | Hexabromuro de tungsteno Hexabromuro de tungsteno | ||
Otros cationes | Fluoruro de cromo (VI) Fluoruro de molibdeno (VI) | ||
Compuestos relacionados | Fluoruro de tungsteno (IV) Fluoruro de tungsteno (V) | ||
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |||
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Referencias de Infobox | |||
Propiedades
La molécula de WF 6 es octaédrica con el grupo de puntos de simetría de O h . Las distancias de enlace W-F son183,2 h . [6] Entre2,3 y 17 ° C , el hexafluoruro de tungsteno se condensa en un líquido amarillo pálido que tiene la densidad de3,44 g / cm 3 en15 ° C . A2,3 ° C se congela en un sólido blanco que tiene una estructura cristalina cúbica, la constante de celosía de 628 pm y la densidad calculada3,99 g / cm 3 . A−9 ° C esta estructura se transforma en un sólido ortorrómbico con las constantes de celosía de a =960,3 pm , b =871,3 pm , yc =504.4 pm , y la densidad de4,56 g / cm 3 . En esta fase, la distancia W-F es 181 pm, y los contactos intermoleculares más cercanos medios son312 pm . Mientras que el gas WF 6 es uno de los gases más densos, con una densidad superior a la del gas elemental más pesado radón (9,73 g / L), la densidad del WF 6 en estado líquido y sólido es bastante moderada. [7] La presión de vapor de WF 6 entre−70 y 17 ° C se pueden describir mediante la ecuación
- log 10 P = 4,55569 -1021.208/ T + 208,45,
donde P = presión de vapor ( bar ), T = temperatura (° C). [8] [9]
Síntesis
El hexafluoruro de tungsteno se produce comúnmente por la reacción exotérmica de gas flúor con polvo de tungsteno a una temperatura entre350 y 400 ° C : [10]
- W + 3 F 2 → WF 6
El producto gaseoso se separa del WOF 4 , una impureza común, por destilación. En una variación de la fluoración directa, el metal se coloca en un reactor calentado, ligeramente presurizado a 1,2 a 2,0 psi (8,3 a 13,8 kPa), con un flujo constante de WF 6 infundido con una pequeña cantidad de gas flúor . [11]
El gas flúor en el método anterior se puede sustituir por Cl F , ClF
3o Br F
3. Un procedimiento alternativo para producir fluoruro de tungsteno es hacer reaccionar trióxido de tungsteno (WO 3 ) con HF, BrF 3 o SF 4 . El fluoruro de tungsteno también se puede obtener mediante la conversión de hexacloruro de tungsteno : [4]
- WCl 6 + 6 HF → WF 6 + 6 HCl o
- WCl 6 + 2 AsF 3 → WF 6 + 2 AsCl 3 o
- WCl 6 + 3 SbF 5 → WF 6 + 3 SbF 3 Cl 2
Reacciones
En contacto con el agua, el hexafluoruro de tungsteno da fluoruro de hidrógeno (HF) y oxifluoruros de tungsteno, que eventualmente forman trióxido de tungsteno : [4]
- WF 6 + 3 H 2 O → WO 3 + 6 HF
A diferencia de otros fluoruros metálicos, el WF 6 no es un agente fluorante útil ni es un oxidante potente. Se puede reducir al WF 4 amarillo . [12]
Aplicaciones en la industria de semiconductores
La aplicación dominante del fluoruro de tungsteno se encuentra en la industria de los semiconductores, donde se usa ampliamente para depositar metal de tungsteno en un proceso de deposición de vapor químico . La expansión de la industria en las décadas de 1980 y 1990 resultó en un aumento del consumo de WF 6 , que se mantiene en alrededor de 200 toneladas por año en todo el mundo. El metal de tungsteno es atractivo debido a su estabilidad térmica y química relativamente alta, así como a su baja resistividad (5,6 µΩ · cm) y electromigración . WF 6 se ve favorecido sobre compuestos relacionados, como WCl 6 o WBr 6 , debido a su mayor presión de vapor que resulta en mayores tasas de deposición. Desde 1967, se han desarrollado y empleado dos rutas de deposición de WF 6 , descomposición térmica y reducción de hidrógeno. [13] La pureza requerida del gas WF 6 es bastante alta y varía entre 99,98% y 99,9995% según la aplicación. [4]
Las moléculas de WF 6 deben dividirse en el proceso de CVD. La descomposición generalmente se facilita mezclando WF 6 con hidrógeno, silano , germane , diborano , fosfina y gases relacionados que contienen hidrógeno.
Silicio
WF 6 reacciona al entrar en contacto con un sustrato de silicio . [4] La descomposición de WF 6 en silicio depende de la temperatura:
- 2 WF 6 + 3 Si → 2 W + 3 SiF 4 por debajo de 400 ° C y
- WF 6 + 3 Si → W + 3 SiF 2 por encima de 400 ° C.
Esta dependencia es crucial, ya que se consume el doble de silicio a temperaturas más altas. La deposición se produce de forma selectiva sólo sobre Si puro, pero no sobre óxido o nitruro de silicio, por lo que la reacción es muy sensible a la contaminación o al pretratamiento del sustrato. La reacción de descomposición es rápida, pero se satura cuando el espesor de la capa de tungsteno alcanza los 10-15 micrómetros . La saturación se produce porque la capa de tungsteno detiene la difusión de moléculas de WF 6 al sustrato de Si, que es el único catalizador de descomposición molecular en este proceso. [4]
Si la deposición no ocurre en una atmósfera inerte sino en una que contiene oxígeno (aire), en lugar de tungsteno, se produce una capa de óxido de tungsteno. [14]
Hidrógeno
El proceso de deposición ocurre a temperaturas entre 300 y 800 ° C y resulta en la formación de vapores de ácido fluorhídrico :
- WF 6 + 3 H 2 → W + 6 HF
La cristalinidad de las capas de tungsteno producidas se puede controlar alterando la relación WF 6 / H 2 y la temperatura del sustrato: las relaciones y temperaturas bajas dan como resultado cristalitos de tungsteno orientados (100) mientras que los valores más altos favorecen la orientación (111). La formación de HF es un inconveniente, ya que el vapor de HF es muy agresivo y elimina la mayoría de los materiales. Además, el tungsteno depositado muestra una escasa adhesión al dióxido de silicio, que es el principal material de pasivación en la electrónica de semiconductores. Por lo tanto, el SiO 2 debe cubrirse con una capa amortiguadora adicional antes de la deposición de tungsteno. Por otro lado, el grabado por HF puede ser beneficioso para eliminar capas de impurezas no deseadas. [4]
Silano y germane
Los rasgos característicos de la deposición de tungsteno del WF 6 / SiH 4 son alta velocidad, buena adherencia y suavidad de capa. Los inconvenientes son el peligro de explosión y la alta sensibilidad de la tasa de deposición y la morfología a los parámetros del proceso, como la proporción de mezcla, la temperatura del sustrato, etc. Por lo tanto, el silano se usa comúnmente para crear una capa delgada de nucleación de tungsteno. Luego se cambia a hidrógeno, que ralentiza la deposición y limpia la capa. [4]
La deposición de la mezcla WF 6 / GeH 4 es similar a la de WF 6 / SiH 4 , pero la capa de tungsteno se contamina con germanio relativamente pesado (en comparación con el Si) hasta concentraciones de 10-15%. Esto aumenta la resistencia del tungsteno de aproximadamente 5 a 200 µΩ · cm. [4]
Otras aplicaciones
WF 6 se puede utilizar para la producción de carburo de tungsteno .
Como gas pesado, WF 6 se puede utilizar como tampón para controlar las reacciones de los gases. Por ejemplo, ralentiza la química de la llama Ar / O 2 / H 2 y reduce la temperatura de la llama. [15]
Seguridad
El hexafluoruro de tungsteno es un compuesto extremadamente corrosivo que ataca cualquier tejido. Debido a la formación de ácido fluorhídrico tras la reacción de WF 6 con la humedad, los recipientes de almacenamiento de WF 6 tienen juntas de teflón . [dieciséis]
Referencias
- ↑ Roucan, J.-P .; Noël-Dutriaux, M.-C. Proprietes Physiques des Composes Mineraux . Ed. Técnicas Ingénieur. pag. 138.
- ^ Gráfico de gas (enlace muerto el 3 de septiembre de 2019)
- ^ "MSDS de hexafluoruro de tungsteno" (PDF) .[ enlace muerto permanente ]
- ^ a b c d e f g h yo Lassner, E .; Schubert, W.-D. (1999). Tungsteno: propiedades, química, tecnología del elemento, aleaciones y compuestos químicos . Saltador. págs. 111, 168. ISBN 0-306-45053-4.
- ^ "Deposición de vapor químico de siliciuro de tungsteno y tungsteno" . Fundamentos de CVD . TimeDomain CVD.
- ^ Lide, DR, ed. (2005). Manual CRC de Química y Física (86ª ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.pag. 4-93.
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- ^ http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7783826&Mask=4&Type=ANTOINE&Plot=on
- ^ Sacerdote, HF; Swinehert, CF (1950). "Fluoruros de metales anhidros". En Audrieth, LF (ed.). Síntesis inorgánica . 3 . Wiley-Interscience. págs. 171-183. doi : 10.1002 / 9780470132340.ch47 . ISBN 978-0-470-13162-6.
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