WO2002096799A2 - Silicon subnitride method for production and use of said subnitride - Google Patents

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WO2002096799A2
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Definitions

  • the invention relates to a new silicon subnitride, a process for its production and the use of the subnitride according to the invention.
  • Si 3 N 4 The best known and most widely used silicon nitride is Si 3 N 4 , which has a wide range of uses as a ceramic material due to its resistance to temperature changes, strength and corrosion resistance.
  • a hydrolysis-sensitive silicon mononitride (SiN) x is known, which forms when the polymer silicon imide [Si 2 (NH) 3 ] x , which is accessible from Si 2 CI 6 and NH 3 , is heated.
  • a compound with two-dimensional infinite silicon layers is used as the silicide, preferably SrSi 2 , BaSi 2 , CaSi 2 and alkali metal or alkaline earth metal silicides with two-dimensional Si structures. Suitable Si structures are described, for example, by J. Evers et al., Z. Naturforsch.
  • the silicon subnitride according to the invention has material properties that are unique to semiconductors.
  • it has areas with two-dimensional ⁇ silicon. It particularly preferably includes
  • Layer thickness of 5-7 A, preferably 6-7 A, on the other hand, a layer-like material, formed from several superimposed structures, as shown in Figure 1, can be formed.
  • x can have values from 1 to practically any size, preferably values of at least 50, more preferably at least 1,000 and most preferably have at least 10,000 and up to 10 30 , more preferably up to 10 23 and particularly preferably up to 10 10 .
  • the preferred two-dimensionally structured structure of the silicon subnitride Si 2 N according to the invention thus consists of neutral, uncharged layers of about 6 A thickness. Measurements of the dielectric material properties show a dielectric constant e of about 4-6. The optical bandgap of the connection was determined by the diffuse reflection measurement to be 1.5 ⁇ 0.2 eV and is therefore in the range of typical semiconductors.
  • the silicon subnitride according to the invention particularly preferably consists exclusively of the elements Si and N and is free of impurities, in particular free of carbon and oxygen.
  • the content of elements other than Si and N is preferred, in particular the oxygen content is ⁇ 1% by weight, more preferably ⁇ 0.1% by weight and most preferably 0.01% by weight.
  • the silicon subnitride can contain up to 0.001% by weight of hydrogen.
  • the invention further comprises a method for producing the silicon subnitride according to the invention described above, which is characterized in that a silicide, in particular calcium disilicide (CaSi 2 ), is reacted with an ammonium halide, in particular ammonium bromide (NH 4 Br).
  • a silicide in particular calcium disilicide (CaSi 2 )
  • an ammonium halide in particular ammonium bromide (NH 4 Br).
  • the content of impurities in the calcium disilicide used is preferably ⁇ 0.5% by weight, more preferably ⁇ 1% by weight, for oxygen
  • Nitrogen preferably ⁇ 0.5% by weight, more preferably ⁇ 1% by weight and for
  • Carbon preferably ⁇ 0.5% by weight, more preferably ⁇ 0.2% by weight and most preferably 0.1% by weight.
  • Other impurities are in the
  • Calcium disilicide preferably in a proportion of ⁇ 1% by weight, more preferably ⁇ 0.1% by weight.
  • Calcium disilicide is> 40.5% by weight, more preferably> 41% by weight and most preferably 41.5% by weight (the theoretical content of calcium in
  • Siiicium in the educt calcium disilicide is preferably> 57% by weight, more preferably> 57.5% by weight and most preferably> 58.1% by weight (the theoretical content of silicon in 100% pure calcium disilicide is
  • the ammonium bromide used preferably has a total impurity content of ⁇ 2% by weight, more preferably ⁇ 1% by weight.
  • the proportion of oxygen in the ammonium bromide is preferably ⁇ 1.8 wt.
  • the CaBr 2 formed in addition to the desired Si 2 N or another salt when using other starting materials can, if desired, from the
  • the CaBr 2 (or another by-product formed) is preferably removed from the solid reaction mixture Extraction, for example with an organic solvent such as acetone or by sublimation, especially in vacuo, largely or completely removed.
  • the method is particularly preferably carried out in the absence of oxygen and in the absence of moisture.
  • Excluding oxygen here means that the proportion of oxygen in the reaction medium is ⁇ 1% by weight, more preferably ⁇ 0.1% by weight.
  • Excluding moisture means in particular that the reaction medium contains ⁇ 1% by weight, more preferably ⁇ 0.1% by weight of water or water vapor.
  • the reaction is particularly preferably carried out under an inert gas, for example under an inert gas such as argon, or in a nitrogen atmosphere.
  • the reaction temperatures are preferably 1 150 ° C, more preferably> 200 ° C, even more preferably> 300 ° C and up to 900 ° C, more preferably up to 800 ° C, in particular up to 700 ° C and particularly preferably up to 500 ° C. Most preferably, the reaction is carried out at a reaction temperature of 330-370 ° C. It was found that in this temperature range the reaction takes place completely in a relatively short time ( ⁇ 0.5 hours).
  • phase-pure silicide for example calcium disilicide
  • calcium disilicide in the TR6 modification
  • identity is achieved after six silicon layers.
  • silicide for example calcium silicide
  • a silicide for example calcium silicide
  • a silicide in particular a calcium disilicide, which contains less than 0.1% by weight, preferably less than 0.01% by weight, of impurities, in particular impurities from C, N and 0.
  • ammonium halide such as, for example, ammonium bromide
  • a silicide such as, for example, calcium disilicide
  • the oxygen content (oxygen serves as a reference value for H 2 O) of the ammonium halide used according to the invention is in particular ⁇ 1% by weight, oxygen, more preferably 0 0.1% by weight, based on the weight of the ammonium halide used. Residual moisture or water can be removed from ammonium halide, in particular from ammonium bromide, for example by thermal sublimation and freezing out of the water obtained.
  • the starting components are pure, in particular that the silicide used, in particular calcium silicide, is free of oxygen and that the ammonium halide, in particular ammonimbromide used, is water-free, and that the reaction is carried out with the exclusion of oxygen and moisture.
  • the starting materials that is to say the silicide and the ammonium halide
  • the silicide and the ammonium halide can both be mixed, for example, in powder form and then reacted at elevated temperature.
  • the silicon subnitride according to the invention is obtained in powder form.
  • the silicide in crystal form, in particular as a single crystal, and the ammonium halide on the surface of the crystals réellesublimieren.
  • the silicon subnitride is then formed epitaxially on the crystal surfaces of the silicide, for example the calcium disilicide.
  • the silicon subnitride is formed in a topotactic reaction, i.e. in a reaction which leads to a material with structural orientations which, in connection with the crystal orientations in the starting product, i.e. in the silicide, in particular in the Calcium disilicide.
  • the individual ⁇ -silicon layers of silicide for example CaSi 2 , are found as two-dimensional layers of ⁇ -Si in the silicon subnitride according to the invention.
  • a silicide in particular of calcium disilicide
  • substrates are, for example, silicon surfaces, in particular silicon wafers.
  • Calcium disilicides can be applied to substrates by methods known to those skilled in the art (see e.g. J.F. Morar et al., Physical Review B 37 (1 988), 261 8-2621).
  • the silicon subnitride according to the invention is formed, starting from silicide layers, for example calcium disilicide layers, on substrates or from silicide single crystals, for example calcium disilicide single crystals, ordered layers of the silicon subnitride are obtained.
  • silicide powders for example calcium disilicide powders
  • an X-ray amorphous silicon subnitride is obtained as a highly disperse but essentially two-dimensionally ordered solid with a small particle size.
  • the silicon subnitride according to the invention exhibits semiconductor properties and a high dielectric constant. It can therefore be used in particular in applications in which these properties are advantageous.
  • the invention therefore also includes the use of the silicon subnitride according to the invention as a dielectric. Due to its high dielectric constant, the silicon subnitride can be used in particular as a dielectric for memory modules, for example as a SiON replacement. Another area of application for the silicon subnitrides according to the invention is as a gate, in particular in CMOS technology.
  • the silicon subnitride can be used as a nano-insulator layer, for example by directly applying a silicide layer applied to a silicon substrate or another semiconductor, e.g. Calcium disilicide layer, is made with ammonium halide. Since monolayers with a layer thickness of about 6-7 A already have the desired material properties, in particular a high dielectric constant, very small components can be obtained here.
  • silicon subnitride is as a semiconductor in a nano or subnano transistor.
  • the semiconductor layer usually used in such transistors which consists, for example, of silicon with a thickness of 800 ⁇ m, can be replaced here by a monolayer of Si 2 N, which contains a single layer of ⁇ silicon.
  • Si 2 N which contains a single layer of ⁇ silicon.
  • the method according to the invention can also be used for the passivation of surfaces, in particular silicon surfaces, such as silicon wafers.
  • the saturation occurs "dangling bonds" without the need to introduce carbon or any other metal. It is also advantageous that such a passivated surface can be converted directly to SiO 2 layers with water vapor.
  • the silicon subnitride according to the invention is also outstandingly suitable for the production of ceramic materials. It can be used in particular as a precursor or precursor material for Si-N ceramics.
  • the silicon subnitride according to the invention is sintered at elevated temperatures, in particular at temperatures> 900 ° C., more preferably> 1000 ° C. and preferably up to 2000 ° C., more preferably up to 1500 ° C.
  • the silicon subnitride, which is stable at room temperature, is thermally decomposed.
  • Si 3 N 4 in particular a- and / or ⁇ -Si 3 N 4 , and Si under a protective gas atmosphere, for example argon or another noble gas, while pure Si 3 N 4 is formed under a nitrogen atmosphere or nitrogen-containing atmosphere.
  • a protective gas atmosphere for example argon or another noble gas
  • Figure 1 shows the structure of a monolayer of the invention
  • Si 2 N Silicon subnitride Si 2 N.
  • the layer thickness is 5.7 ⁇ , whereby a monolayer of ⁇ -Si (yellow circles) is surrounded by a layer containing Si and N at the top and bottom.
  • the Si 2 N layers can be arranged in accordance with the sphalerite type (top) or the rootite type (bottom). Between Layers there is a van der Waals distance or greater distance.
  • FIG. 2 illustrates the topochemical reaction starting from calcium disilicide to Si 2 N according to the invention.
  • FIG. 3 shows SiN images of calcium disilicide (FIG. 3A) and the Si 2 N obtainable therefrom by treatment with ammonium bromide at 350 ° C. (FIG. 3B).
  • FIG. 3A shows SiN images of calcium disilicide
  • FIG. 3B shows Si 2 N obtainable therefrom by treatment with ammonium bromide at 350 ° C.
  • FIG. 4 shows the dielectric material properties of Si 2 N.
  • FIG. 5 shows the semiconductor properties of Si 2 N, percent reflection versus the wavelength being plotted in nm.
  • FIG. 6 shows DTA / TG investigations on the course of the reaction and on thermal processes at higher temperatures, starting from CaSi 2 and NH 4 Br under argon.
  • FIG. 7 shows DTA / TG investigations on the course of the reaction and on thermal processes at higher temperatures starting from CaSi 2 and NH 4 Br under nitrogen.
  • Figure 8 shows the thermal resistance of the silicon subnitride
  • Calcium disilicide was produced from the elements in the induction furnace (glass carbon crucible; 60 seconds, 1000 ° C.) in a phase-pure manner in the TR6 modification (see J. Evers, dissertation, LMU Kunststoff, 1974).
  • the content of impurities from C, N and O in the calcium disilicide obtained is in each case less than 0.1% by weight.
  • the CaSi 2 that we synthesized consists solely of the CaSi 2 -TR6 phase according to X-ray studies.
  • the results of the chemical analyzes show that the self-made CaSi 2 is free of impurities.
  • Table 2 Analysis results of self-synthesized CaSi 2
  • ammonium bromide is purified by thermal sublimation and freezing of the water obtained with liquid nitrogen until the oxygen content is ⁇ 1.5% by weight.
  • ammonium bromide puratronic ® from Merck is the cleanest commercially available NH 4 Br.
  • Table 3 shows the results of the oxygen analysis of commercially available and cleaned ammonium bromide. The oxygen content was reduced to 1% by repeated vacuum sublimation and freezing of the water in liquid nitrogen.
  • the starting materials thus produced were ground in a protective gas atmosphere in an argon box and ground to a homogeneous mixture by means of a vibration mill in an agate grinding jar.
  • the chemical reaction was carried out in a niobium crucible at 350 ° C for 0.5 hours.
  • the calcium bromide was separated off by continuous extraction with acetone for 8 hours under an argon atmosphere or by applying a vacuum, for example 10 -5 mbar for 5 days at 800 ° C.
  • a reaction with the reaction parameters described above can also be carried out on single crystals of calcimdisilicide with previously sublimed ammonium bromide.
  • the described reaction can also be carried out on layers of calcium disilicide epitaxially applied to substrates (e.g. ⁇ -Si).
  • the temperature range for the reaction of Si 2 N and for the thermal decomposition of Si 2 N was determined.

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Abstract

The invention relates to a novel silicon subnitride, to a method for the production thereof, and to the use of the inventive subnitride.

Description

SILICIUMSUBNITRID SILICIUMSUBNITRID
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein neues Siliciumsubnitrid, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Subnitrids.The invention relates to a new silicon subnitride, a process for its production and the use of the subnitride according to the invention.
Das bekannteste und am weitesten eingesetzte Siliciumnitrid ist Si3N4, welches aufgrund seiner Temperaturwechselbeständigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als Keramikwerkstoff vielfältige Anwendungen findet.The best known and most widely used silicon nitride is Si 3 N 4 , which has a wide range of uses as a ceramic material due to its resistance to temperature changes, strength and corrosion resistance.
Darüber hinaus ist ein Hydrolyse-empfindliches Siliciummononitrid (SiN)x bekannt, welches sich beim Erhitzen des aus Si2CI6 und NH3 zugänglichen Polymeren Siliciumimid [Si2(NH)3]x bildet.In addition, a hydrolysis-sensitive silicon mononitride (SiN) x is known, which forms when the polymer silicon imide [Si 2 (NH) 3 ] x , which is accessible from Si 2 CI 6 and NH 3 , is heated.
Weiterhin wurde in der Literatur die Herstellung von Trisiliciumnitrid (Si6N2)n durch Umsetzung von gepulvertem CaSi2 mit NH4Br bei einer Temperatur von 550 °C beschrieben (E. Hengge, Z. Anorg. Allg. Chemie. 31 5 ( 1 962), 298-304). Bei der in diesem Artikel beschriebenen Herstellungsweise unter Verwendung von üblichem, wasserhaltigem Ammoniumbromid wird jedoch kein reines Siliciumsubnitrid erhalten, sondern vielmehr Verbindungen, welche neben Silicum und Stickstoff auch noch Sauerstoff enthalten. Bei der gemäß Hengge durchgeführten Analytik wird jedoch Sauerstoff als Stickstoff eingeordnet, so dass die Gegenwart von Sauerstoff in dem Produkt nicht erkannt wurde.Furthermore, the production of trisilicon nitride (Si 6 N 2 ) n by reacting powdered CaSi 2 with NH 4 Br at a temperature of 550 ° C. has been described in the literature (E. Hengge, Z. Anorg. Allg. Chemie. 31 5 ( 1 962), 298-304). In the production method described in this article using conventional, water-containing ammonium bromide, however, no pure silicon subnitride is obtained, but rather compounds which also contain oxygen in addition to silicon and nitrogen. In the analysis carried out according to Hengge, however, oxygen is classified as nitrogen, so that the presence of oxygen in the product was not recognized.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Siliciumsubnitrid bereitzustellen, welches Halbleitereigenschaften aufweist und praktisch ausschließlich aus den Elementen Stickstoff und Silicium aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung eines Siliciumsubnitrids mit der Zusammensetzung Si2N.It was therefore an object of the present invention to provide a silicon subnitride which has semiconductor properties and is composed almost exclusively of the elements nitrogen and silicon. This object is achieved according to the invention by providing a silicon subnitride with the composition Si 2 N.
Überraschenderweise ist es gelungen, durch eine topochemische Reaktion ausgehend von einem Silicid mit zweidimensionaler Schichtstruktur insbesondere CaSi2 und einem Ammoniumhalogenid NH4X, mit X = F, Cl, Br oder J, bevorzugt NH4Br ein Siliciumsubnitrid der Summenformel Si2N darzustellen. Als Silicid wird insbesondere eine Verbindung mit zweidimensionalen unendlichen Silicium-Schichten eingesetzt, bevorzugt SrSi2, BaSi2, CaSi2 sowie Alkalimetall oder Erdalkalimetalisilicide mit zweidimensionalen Si-Strukturen. Geeignete Si-Strukturen sind z.B. bei J. Evers et al., Z. Naturforsch. B 34 (1 979), 358-359 und bei J. Evers et al., Angew. Chem 89 ( 1 977), 673-674 beschrieben. Die Strukturbestimmung des erhaltenen Materials stützt sich auf chemische Analysen (insbesondere H , C , O , N ) , Schwi ng u n gss pe ktro s ko p i e , N M R- D ate n , elektronenmikroskopische Untersuchungen, Röntgenbeugung und thermoanalytische Messungen.Surprisingly, a topochemical reaction based on a silicide with a two-dimensional layer structure, in particular CaSi 2 and an ammonium halide NH 4 X, with X = F, Cl, Br or J, preferably NH 4 Br, has made it possible to produce a silicon subnitride of the empirical formula Si 2 N. In particular, a compound with two-dimensional infinite silicon layers is used as the silicide, preferably SrSi 2 , BaSi 2 , CaSi 2 and alkali metal or alkaline earth metal silicides with two-dimensional Si structures. Suitable Si structures are described, for example, by J. Evers et al., Z. Naturforsch. B 34 (1 979), 358-359 and in J. Evers et al., Angew. Chem 89 (1 977), 673-674. The structure determination of the material obtained is based on chemical analyzes (in particular H, C, O, N), vibration and spectroscopy, NM R data, electron microscopic examinations, X-ray diffraction and thermoanalytical measurements.
Das erfindungsgemäße, Siliciumsubnitrid weist Materia[eigenschaften auf, die einzigartig für Halbleiter sind. Es weist insbesondere Bereiche mit zweidimensionalem σ-Silicium auf. Besonders bevorzugt umfasst esThe silicon subnitride according to the invention has material properties that are unique to semiconductors. In particular, it has areas with two-dimensional σ silicon. It particularly preferably includes
Struktureinheiten der Zusammensetzung Si°Si3 +N3", wie in Figur 1 dargestellt, worin ein zweidimensionaler α-Siliciumbereich undStructural units of the composition Si ° Si 3 + N 3 " , as shown in Figure 1, wherein a two-dimensional α-silicon region and
Stickstoffatome oberhalb und unterhalb der α-Siliciumschicht vorliegen. Die zweidimensionale α-Siliciumschicht wird somit durch N3" an den Ober- undThere are nitrogen atoms above and below the α-silicon layer. The two-dimensional α-silicon layer is thus by N 3 " on the top and
Unterseiten der Siliciumschichten abgesättigt bzw. neutralisiert. Während es möglich ist, Monolagen von (Si2N)x herzustellen, welche jeweils eineSaturated or neutralized undersides of the silicon layers. While it is possible to produce monolayers of (Si 2 N) x , each one
Schichtdicke von 5-7 A, bevorzugt 6-7 A aufweisen, kann andererseits auch ein schichtartiges Material, gebildet aus mehreren übereinander liegenden Strukturen, wie sie in Abbildung 1 gezeigt sind, gebildet werden. x kann dabei Werte von 1 bis praktisch beliebig groß, bevorzugt Werte von mindesten 50, mehr bevorzugt mindestens 1 000 und am meisten bevorzugt mindestens 10 000 und bis zu 1030, mehr bevorzugt bis zu 1023 und besonders bevorzugt bis zu 1010 aufweisen.Layer thickness of 5-7 A, preferably 6-7 A, on the other hand, a layer-like material, formed from several superimposed structures, as shown in Figure 1, can be formed. x can have values from 1 to practically any size, preferably values of at least 50, more preferably at least 1,000 and most preferably have at least 10,000 and up to 10 30 , more preferably up to 10 23 and particularly preferably up to 10 10 .
Die bevorzugte zweidimensio nal geord nete Stru ktu r d es erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrids Si2N besteht somit aus neutralen, ungeladenen Schichten von etwa 6 A Dicke. Messungen der dielektrischen Materialeigenschaften zeigen eine Dielektrizitätskonstante e von etwa 4-6. Die optische Bandlücke der Verbindung wurde über die diffuse Reflexionsmessung zu 1 ,5 ± 0,2 eV bestimmt und liegt somit im Bereich typischer Halbleiter.The preferred two-dimensionally structured structure of the silicon subnitride Si 2 N according to the invention thus consists of neutral, uncharged layers of about 6 A thickness. Measurements of the dielectric material properties show a dielectric constant e of about 4-6. The optical bandgap of the connection was determined by the diffuse reflection measurement to be 1.5 ± 0.2 eV and is therefore in the range of typical semiconductors.
Besonders bevorzugt besteht das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid ausschließlich aus den Elementen Si und N und ist frei von Verunreinigungen, insbesondere frei von Kohlenstoff und Sauerstoff. Bevorzugt beträgt der Gehalt an Elementen außer Si und N, insbesondere der Gehalt an Sauerstoff < 1 Gew. %, mehr bevorzugt < 0, 1 Gew. % und am meisten vorzugt 0,01 Gew. %. Das Siliciumsubnitrid kann bis zu 0,001 Gew. % Wasserstoff enthalten.The silicon subnitride according to the invention particularly preferably consists exclusively of the elements Si and N and is free of impurities, in particular free of carbon and oxygen. The content of elements other than Si and N is preferred, in particular the oxygen content is <1% by weight, more preferably <0.1% by weight and most preferably 0.01% by weight. The silicon subnitride can contain up to 0.001% by weight of hydrogen.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen oben beschriebenen Siliciumsubnitrids, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein Silicid, insbesondere Calciumdisilicid (CaSi2), mit einem Ammoniumhalogenid, insbesondere Ammoniumbromid (NH4Br) umsetzt. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch den Einsatz hochreiner sowie chemisch und strukturell charakterisierter Edukte bei der Umsetzung eines Silicids, insbesondere eines Silicids mit zweidimensionaler Schichtstruktur, wie etwa Calciumdisilicid mit einem Ammoniumhalogenid, insbesondere Ammoniumbromid, ein Siliciumnitrid der Summenformel Si2N hergestellt werden kann. Das erfingungsgemäße Siliciumsubnitrid wird insbesondere erhalten, wenn der Sauerstoffanteil sowie der Anteil an sonstigen Verunreinigungen in den Edukten ≤ 1 Gew. %, mehr bevorzugt <0,5 Gew. % und am meisten bevorzugt <0, 1 Gew. % beträgt.The invention further comprises a method for producing the silicon subnitride according to the invention described above, which is characterized in that a silicide, in particular calcium disilicide (CaSi 2 ), is reacted with an ammonium halide, in particular ammonium bromide (NH 4 Br). Surprisingly, it was found that by using high-purity and chemically and structurally characterized starting materials in the implementation of a silicide, in particular a silicide with a two-dimensional layer structure, such as calcium disilicide with an ammonium halide, in particular ammonium bromide, a silicon nitride of the empirical formula Si 2 N can be produced. The silicon subnitride according to the invention is obtained in particular if the oxygen content and the content of other Impurities in the starting materials is ≤ 1% by weight, more preferably <0.5% by weight and most preferably <0.1% by weight.
Der Gehalt an Verunreinigungen im eigesetzten Calciumdisilicid beträgt für Sauerstoff bevorzugt < 0,5 Gew. %, mehr bevorzugt < 1 Gew. %, fürThe content of impurities in the calcium disilicide used is preferably <0.5% by weight, more preferably <1% by weight, for oxygen
Stickstoff bevorzugt <0,5 Gew. %, mehr bevorzugt ≤ 1 Gew. % und fürNitrogen preferably <0.5% by weight, more preferably ≤ 1% by weight and for
Kohlenstoff bevorzugt <0,5 Gew. %, mehr bevorzugt < 0,2 Gew. % und am meisten bevorzugt 0, 1 Gew. %. Weitere Verunreinigungen liegen imCarbon preferably <0.5% by weight, more preferably <0.2% by weight and most preferably 0.1% by weight. Other impurities are in the
Calciumdisilicid bevorzugt in einem Anteil von < 1 Gew. %, mehr bevorzugt < 0, 1 Gew. % vor. Der Gehalt an Calcium im EduktCalcium disilicide preferably in a proportion of <1% by weight, more preferably <0.1% by weight. The calcium content in the educt
Calciumdisilicid beträgt >40,5 Gew. %, mehr bevorzugt >41 Gew. % und meisten bevorzugt 41 ,5 Gew. % (der theoretische Gehalt an Calcium inCalcium disilicide is> 40.5% by weight, more preferably> 41% by weight and most preferably 41.5% by weight (the theoretical content of calcium in
1 00 % reinem Calciumdisilicid beträgt 41 ,7 Gew. %) . Der Gehalt an100% pure calcium disilicide is 41.7% by weight). The content of
Siiicium im Edukt Calciumdisilicid beträgt bevorzugt > 57 Gew. %, mehr bevorzugt > 57,5 Gew. % und am meisten bevorzugt > 58, 1 Gew. % (der theoretische Gehalt an Siiicium in 1 00 % reinem Calciumdisilicid beträgtSiiicium in the educt calcium disilicide is preferably> 57% by weight, more preferably> 57.5% by weight and most preferably> 58.1% by weight (the theoretical content of silicon in 100% pure calcium disilicide is
58,3 Gew. %).58.3% by weight).
Das eingesetzte Ammoniumbromid weist bevorzugt einen Gesamtgehalt an Verunreinigungen von < 2 Gew. %, mehr bevorzugt < 1 Gew. % auf. DerThe ammonium bromide used preferably has a total impurity content of <2% by weight, more preferably <1% by weight. The
Anteil an Sauerstoff im Ammoniumbromid beträgt bevorzugt < 1 ,8 Gew.The proportion of oxygen in the ammonium bromide is preferably <1.8 wt.
%, mehr bevorzugt 1 ,5 Gew. % und am meisten bevorzugt < 1 Gew. %.%, more preferably 1.5% by weight and most preferably <1% by weight.
Die Reaktion verläuft nach folgender Gleichung (beispielhaft dargestellt anhand der Umsetzung von Caliciumsilicid mit Ammoniumbromid) :The reaction proceeds according to the following equation (exemplified by the reaction of calcium silicide with ammonium bromide):
2 CaSi2 + 4 NH4Br → 2 Si2N + 2 CaBr2 + 2 NH3 t + 5 H2 t .2 CaSi 2 + 4 NH 4 Br → 2 Si 2 N + 2 CaBr 2 + 2 NH 3 t + 5 H 2 t.
Das neben dem gewünschten Si2N gebildete CaBr2 bzw. ein anderes Salz bei Verwendung anderer Edukte kann, falls gewünscht, aus demThe CaBr 2 formed in addition to the desired Si 2 N or another salt when using other starting materials can, if desired, from the
Reaktionsgemisch entfernt werden. Bevorzugt wird das CaBr2 (oder ein anderes gebildetes Nebenprodukt) aus dem festen Reaktionsgemisch durch Extraktion, beispielsweise mit einem organischen Lösungsmittel wie Aceton oder durch Sublimation, insbesondere im Vakuum, weitgehend oder vollständig entfernt.Reaction mixture are removed. The CaBr 2 (or another by-product formed) is preferably removed from the solid reaction mixture Extraction, for example with an organic solvent such as acetone or by sublimation, especially in vacuo, largely or completely removed.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter Ausschluss von Sauerstoff und unter Ausschluss von Feuchtigkeit durchgeführt. Unter Ausschluss von Sauerstoff bedeutet dabei, dass der Anteil von Sauerstoff in dem Reaktionsmedium < 1 Gw. %, mehr bevorzugt < 0, 1 Gew. % beträgt. Unter Ausschluss von Feuchtigkeit bedeutet insbesondere, dass das Reaktionsmedium < 1 Gew. %, mehr bevorzugt < 0, 1 Gew. % Wasser oder Wasserdampf enthält. Die Reaktion wird besonders bevorzugt unter Schutzgas, beispielsweise unter einem Edelgas, wie etwa Argon, oder in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.The method is particularly preferably carried out in the absence of oxygen and in the absence of moisture. Excluding oxygen here means that the proportion of oxygen in the reaction medium is <1% by weight, more preferably <0.1% by weight. Excluding moisture means in particular that the reaction medium contains <1% by weight, more preferably <0.1% by weight of water or water vapor. The reaction is particularly preferably carried out under an inert gas, for example under an inert gas such as argon, or in a nitrogen atmosphere.
Die Reaktionstemperaturen betragen bevorzugt ≥ 1 50° C, mehr bevorzugt > 200 °C, noch mehr bevorzugt > 300 °C und bis zu 900 °C, mehr bevorzugt bis zu 800 °C, insbesondere bis zu 700 °C und besonders bevorzugt bis zu 500 °C. Am meisten bevorzugt wird die Umsetzung bei einer Reaktionstemperatur von 330 - 370 °C durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass in diesem Temperaturbereich die Reaktion in relativ kurzer Zeit ( < 0,5 Stunden) bereits vollständig abläuft.The reaction temperatures are preferably 1 150 ° C, more preferably> 200 ° C, even more preferably> 300 ° C and up to 900 ° C, more preferably up to 800 ° C, in particular up to 700 ° C and particularly preferably up to 500 ° C. Most preferably, the reaction is carried out at a reaction temperature of 330-370 ° C. It was found that in this temperature range the reaction takes place completely in a relatively short time (<0.5 hours).
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn man phasenreines Silicid, z.B. Calciumdisilicid, einsetzt, insbesondere Calciumdisilicid in der TR6-Modifikation (vgl. J. Evers, Dissertation, LMU München, 1 974). In der TR6-Modifikation wird Identität nach sechs Siliciumschichten erreicht. Weiterhin ist es bevorzugt, ein Silicid, z.B. Calciumsilicid, in der TR3- Modifikation einzusetzen. Besonders bevorzugt wird ein Silicid, insbesondere ein Calciumdisilicid, eingesetzt, welches weniger als 0, 1 Gew. %, bevorzugt weniger als 0,01 Gew. % an Verunreinigungen, insbesondere an Verunreinigungen durch C, N und 0, enthält. Es wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die in herkömmlichem, kommerziell erhältlichem Ammoniumhalogenid, wie z.B. Ammoniumbromid, enthaltenen Spuren von Wasser dazu führen, dass bei der Umsetzung mit einem Silicid, wie z.B. Calciumdisilicid, eine Verbindung erhalten wird, welche die Elemente Si, N und O enthält und nicht das beschriebene Siliciumsubnitrid. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verf ah rens wi rd d as Ammo n i u mh al o g en i d , i n sbeso n d e re Ammoniumbromid, deshalb in reiner Form, insbesondere in wasserfreier Form, eingesetzt. Der Sauerstoffgehalt (Sauerstoff dient als Bezugsgröße für H2O) des erfindungsgemäß eingesetzten Ammoniumhalogenids, z.B. Ammoniumbromid, beträgt insbesondere < 1 Gew. %, Sauerstoff, mehr bevorzugt ≤0, 1 Gew. % Sauerstoff bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Ammoniumhalogenids. Die Entferung von Restfeuchtigkeit bzw. Wasser aus Ammoniumhalogenid, insbesondere aus Ammoniumbromid, kann beispielsweise über thermische Sublimation und Ausfrieren des erhaltenen Wassers erfolgen.Particularly good results are obtained if phase-pure silicide, for example calcium disilicide, is used, in particular calcium disilicide in the TR6 modification (cf. J. Evers, dissertation, LMU Munich, 1 974). In the TR6 modification, identity is achieved after six silicon layers. It is further preferred to use a silicide, for example calcium silicide, in the TR3 modification. It is particularly preferred to use a silicide, in particular a calcium disilicide, which contains less than 0.1% by weight, preferably less than 0.01% by weight, of impurities, in particular impurities from C, N and 0. It has been found in the context of the invention that the traces of water contained in conventional, commercially available ammonium halide, such as, for example, ammonium bromide, lead to a compound which, when reacted with a silicide, such as, for example, calcium disilicide, being obtained which contains the elements Si, Contains N and O and not the silicon subnitride described. To carry out the process according to the invention, the ammonia m al al en en, in particular ammonium bromide, is therefore used in pure form, in particular in anhydrous form. The oxygen content (oxygen serves as a reference value for H 2 O) of the ammonium halide used according to the invention, for example ammonium bromide, is in particular <1% by weight, oxygen, more preferably 0 0.1% by weight, based on the weight of the ammonium halide used. Residual moisture or water can be removed from ammonium halide, in particular from ammonium bromide, for example by thermal sublimation and freezing out of the water obtained.
Wesentlich für eine erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit die Reinheit der Ausgangskomponenten, insbesondere eine Sauerstofffreiheit des eingesetzten Silicids, insbesondere Calciumsilicids, und eine Wasserfreiheit des eingesetzten Ammoniumhalogenids, insbesondere Ammonimbromids, sowie eine Durchführung der Reaktion unter Sauerstoffausschluss und unter Feuchtigkeitsausschluss.It is therefore essential for the process according to the invention to be carried out successfully that the starting components are pure, in particular that the silicide used, in particular calcium silicide, is free of oxygen and that the ammonium halide, in particular ammonimbromide used, is water-free, and that the reaction is carried out with the exclusion of oxygen and moisture.
Zur Bildung des erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrids können die Ausgangsmaterialien, also das Silicid und das Ammoniumhalogenid, beispielsweise beide in pulverförmiger Form vermischt und dann unter erhöhter Temperatur umgesetzt werden. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid in Pulverform erhalten. Es ist aber auch möglich, das Silicid in Kristallform, insbesondere als Einkristall einzusetzen, und das Ammoniumhalogenid auf die Oberfläche der Kristalle aufzusublimieren. Bei Umsetzung bei erhöhten Temperaturen wird das Siliciumsubnitrid dann epitaktisch auf den Kristallflächen des Silicids, z.B. des Calciumdisilicids, gebildet. Auf diese Weise ist es möglich, geschichtetes Material, bestehend aus zweidimensional geordneten Strukturen des Siliciumsubnitrids mit einer Dicke von etwa 6-7 A pro Schicht und einem van der Waals-Abstand zwischen den Schichten zu erhalten. Sowohl bei der Herstellung aus Pulvern als auch bei der Herstellung aus Einkristallen wird das Siliciumsubnitrid in einer topotaktischen Reaktion gebildet, also in einer Reaktion, die zu einem Material mit Strukturorientierungen führt, welche im Zusammenhang mit den Kristallorientierungen im Ausgangsprodukt, also im Silicid, insbesondere im Calciumdisilicid, stehen. Insbesondere finden sich die einzelnen σ-Siliciumschichten des Silicids, z.B. des CaSi2, als zweidimensionale Schichten von σ-Si im erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrid wieder.To form the silicon subnitride according to the invention, the starting materials, that is to say the silicide and the ammonium halide, can both be mixed, for example, in powder form and then reacted at elevated temperature. In this way, the silicon subnitride according to the invention is obtained in powder form. However, it is also possible to use the silicide in crystal form, in particular as a single crystal, and the ammonium halide on the surface of the crystals aufzusublimieren. When reacting at elevated temperatures, the silicon subnitride is then formed epitaxially on the crystal surfaces of the silicide, for example the calcium disilicide. In this way it is possible to obtain layered material consisting of two-dimensionally ordered structures of silicon subnitride with a thickness of about 6-7 A per layer and a van der Waals distance between the layers. Both in the production from powders and in the production from single crystals, the silicon subnitride is formed in a topotactic reaction, i.e. in a reaction which leads to a material with structural orientations which, in connection with the crystal orientations in the starting product, i.e. in the silicide, in particular in the Calcium disilicide. In particular, the individual σ-silicon layers of silicide, for example CaSi 2 , are found as two-dimensional layers of σ-Si in the silicon subnitride according to the invention.
Weiterhin ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Reaktion an auf Substraten epitaktisch aufgebrachten Schichten eines Silicids, insbsondere von Calciumdisilicid durchzuführen. Geeignete Substrate sind beispielsweise Siliciumoberflächen, insbesondere Silicium-Waver. Das Aufbringen von Calciumdisiliciden auf Substrate kann nach dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden (vgl. z.B. J.F. Morar et al., Physical Review B 37 (1 988), 261 8-2621 ) .Furthermore, it is also possible to carry out the reaction according to the invention on layers of a silicide, in particular of calcium disilicide, epitaxially applied to substrates. Suitable substrates are, for example, silicon surfaces, in particular silicon wafers. Calcium disilicides can be applied to substrates by methods known to those skilled in the art (see e.g. J.F. Morar et al., Physical Review B 37 (1 988), 261 8-2621).
Bei Bildung des erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrids, ausgehend von Silicid-Schichten, z.B. Calciumdisilicid-Schichten, auf Substraten oder von Silicid-Einkristallen, z.B. von Calciumdisilicid-Einkristallen, werden geordnete Schichten des Siliciumsubnitrids erhalten. Bei Verwendung von Silicid-Pulvern, z.B. Calciumdisilicid-Pulvern, erhält man ein röntgenamorphes Siliciumsubnitrid als einen hochdispersen aber im Wesentlichen zweidimensional geordneten Festkörper mit kleiner Teilchengröße. Das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid zeigt Halbleitereigenschaften und eine hohe Dielektrizitätskonstante. Es kann deshalb insbesondere in Anwendungen eingesetzt werden, in denen diese Eigenschaften vorteilhaft sind.When the silicon subnitride according to the invention is formed, starting from silicide layers, for example calcium disilicide layers, on substrates or from silicide single crystals, for example calcium disilicide single crystals, ordered layers of the silicon subnitride are obtained. When using silicide powders, for example calcium disilicide powders, an X-ray amorphous silicon subnitride is obtained as a highly disperse but essentially two-dimensionally ordered solid with a small particle size. The silicon subnitride according to the invention exhibits semiconductor properties and a high dielectric constant. It can therefore be used in particular in applications in which these properties are advantageous.
Die Erfindung umfasst deshalb auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrids als Dielektrikum. Das Siliciumsubnitrid kann aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante insbesondere als Dielektrikum für Speicherbausteine, beispielsweise als SiON-Ersatz, Verwendung finden. Ein weiteres Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäßen Siliciumsubnitride ist als Gater, insbesondere in der CMOS-Technik. Hier kann das Siliciumsubnitrid als Nano-Isolatorschicht eingesetzt werden, beispielsweise indem es direkt durch Umsetzung einer auf ein Siliciumsubstrat oder einen sonstigen Halbleiter aufgebrachten Silicid-Schicht, z.B. Calciumdisilicid-Schicht, mit Ammoniumhalogenid hergestellt wird. Da bereits Monolagen mit einer Schichtdicke von etwa 6-7 A die gewünschten Materialeigenschaften, insbesondere eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, können hier sehr kleine Bauteile erhalten werden.The invention therefore also includes the use of the silicon subnitride according to the invention as a dielectric. Due to its high dielectric constant, the silicon subnitride can be used in particular as a dielectric for memory modules, for example as a SiON replacement. Another area of application for the silicon subnitrides according to the invention is as a gate, in particular in CMOS technology. Here, the silicon subnitride can be used as a nano-insulator layer, for example by directly applying a silicide layer applied to a silicon substrate or another semiconductor, e.g. Calcium disilicide layer, is made with ammonium halide. Since monolayers with a layer thickness of about 6-7 A already have the desired material properties, in particular a high dielectric constant, very small components can be obtained here.
Ein weiteres Anwendungsgebietfür das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid ist als Halbleiter in einem nano- oder subnano-Transistor. Die Überlicherweise bei solchen Transistoren verwendete Halbleiterschicht, welche beispielsweise aus Siiicium mit einer Dicke von 800 μm besteht, kann hier durch eine Monolage von Si2N ersetzt werden, welche eine Einzelschicht von σ-Silicium enthält. Aus Stabilitätsgründen ist es auch möglich, die Siliciumsubnitridschicht auf ein nicht leitendes Substratmaterial aufzubringen.Another area of application for the silicon subnitride according to the invention is as a semiconductor in a nano or subnano transistor. The semiconductor layer usually used in such transistors, which consists, for example, of silicon with a thickness of 800 μm, can be replaced here by a monolayer of Si 2 N, which contains a single layer of σ silicon. For reasons of stability, it is also possible to apply the silicon subnitride layer to a non-conductive substrate material.
Daneben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Passivierung von Oberflächen, insbesondere von Siliciumoberflächen, wie etwa von Siliciumwavern, eingesetzt werden. Dabei erfolgt eine Absättigung der "dangling bonds", ohne dass Kohlenstoff oder ein anderes Metall eingebracht werden müsste. Vorteilhaft ist weiterhin, dass eine derart passivierte Oberfläche mit Wasserdampf direkt zu SiO2-Schichten umwandelbar ist.In addition, the method according to the invention can also be used for the passivation of surfaces, in particular silicon surfaces, such as silicon wafers. The saturation occurs "dangling bonds" without the need to introduce carbon or any other metal. It is also advantageous that such a passivated surface can be converted directly to SiO 2 layers with water vapor.
Während das Bulk-Material des erfindungsgemäßen Siliciumsubnitrids gegen feuchte Luft stabil ist, kann bei Behandlung mit Wasserdampf auf einfache Weise eine Umwandlung zu SiO2-Schichten durchgeführt werden.While the bulk material of the silicon subnitride according to the invention is stable to moist air, conversion to SiO 2 layers can be carried out in a simple manner when treated with water vapor.
Neben den Anwendungen in der Halbleitertechnik ist das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid auch zur Herstellung von Keramikmaterialien hervorragend geeignet. Es kann insbesondere als Precursor oder Vorläufermaterial für Si- N-Keramiken eingesetzt werden. Zur Bildung der Keramiken wird das erfindungsgemäße Siliciumsubnitrid bei erhöhten Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen > 900 °C, mehr bevorzugt > 1000 °C und bevorzugt bis zum 2000 °C, mehr bevorzugt bis zu 1 500 °C, gesintert. Dabei findet eine thermische Zersetzung des bei Raumtemperatur stabilen Siliciumsubnitrids statt. Diese führt unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Argon oder einem anderen Edelgas, zu Si3N4, insbesondere a- oder/und ß-Si3N4, und Si, während unter einer Stickstoff atmosphäre oder stickstoffhaltigen Atmosphäre reines Si3N4 gebildet wird.In addition to the applications in semiconductor technology, the silicon subnitride according to the invention is also outstandingly suitable for the production of ceramic materials. It can be used in particular as a precursor or precursor material for Si-N ceramics. To form the ceramics, the silicon subnitride according to the invention is sintered at elevated temperatures, in particular at temperatures> 900 ° C., more preferably> 1000 ° C. and preferably up to 2000 ° C., more preferably up to 1500 ° C. The silicon subnitride, which is stable at room temperature, is thermally decomposed. This leads to Si 3 N 4 , in particular a- and / or β-Si 3 N 4 , and Si under a protective gas atmosphere, for example argon or another noble gas, while pure Si 3 N 4 is formed under a nitrogen atmosphere or nitrogen-containing atmosphere.
Die Erfindung wird durch die beigefügten Figuren und die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert.The invention is further illustrated by the attached figures and the examples below.
Figur 1 zeigt die Struktur einer Monolage des erfindungsgemäßenFigure 1 shows the structure of a monolayer of the invention
Siliciumsubnitrids Si2N. Die Schichtdicke beträgt 5,7 Ä, wobei eine Monolage von σ-Si (gelbe Kreise) jeweils von einer Si- und N-haltigen Schicht oben und unten umgeben ist. Die Si2N-Schichten können gemäß dem Sphalerit-Typ (oben) oder dem Wurzit-Typ (unten) angeordnet sein. Zwischen den Schichten liegt ein van der Waals-Abstand oder größerer Abstand vor.Silicon subnitride Si 2 N. The layer thickness is 5.7 Å, whereby a monolayer of σ-Si (yellow circles) is surrounded by a layer containing Si and N at the top and bottom. The Si 2 N layers can be arranged in accordance with the sphalerite type (top) or the rootite type (bottom). Between Layers there is a van der Waals distance or greater distance.
Figur 2 veranschaulicht die topochemische Reaktion ausgehend von Calciumdisilicid zum erfindungsgemäßen Si2N.FIG. 2 illustrates the topochemical reaction starting from calcium disilicide to Si 2 N according to the invention.
Figur 3 zeigt SiN-Abbildungen von Calciumdisilicid (Figur 3A) sowie dem daraus durch Behandlung mit Ammoniumbromid bei 350°C erhältlichen Si2N (Figur 3B). Deutlich zu sehen ist der schichtartige Aufbau des Silciumsubnitrids.FIG. 3 shows SiN images of calcium disilicide (FIG. 3A) and the Si 2 N obtainable therefrom by treatment with ammonium bromide at 350 ° C. (FIG. 3B). The layered structure of the silicon subnitride can be clearly seen.
Figur 4 zeigt die dielektrischen Materialeigenschaften von Si2N.FIG. 4 shows the dielectric material properties of Si 2 N.
Figur 5 zeigt die Halbleitereigenschaften von Si2N, wobei Prozentreflektion gegen die Wellenlänge in nm aufgetragen ist.FIG. 5 shows the semiconductor properties of Si 2 N, percent reflection versus the wavelength being plotted in nm.
Figur 6 zeigt DTA/TG-Untersuchungen zum Reaktionsverlauf und zu thermischen Prozessen bei höheren Temperaturen ausgehend von CaSi2 und NH4Br unter Argon.FIG. 6 shows DTA / TG investigations on the course of the reaction and on thermal processes at higher temperatures, starting from CaSi 2 and NH 4 Br under argon.
Figur 7 zeigt DTA/TG-Untersuchungen zum Reaktionsverlauf und zu thermischen Prozessen bei höheren Temperaturenausgehend von CaSi2 und NH4Br unter Stickstoff.FIG. 7 shows DTA / TG investigations on the course of the reaction and on thermal processes at higher temperatures starting from CaSi 2 and NH 4 Br under nitrogen.
Figur 8 zeigt die thermische Beständigkeit des Siliciumsubnitrids anFigure 8 shows the thermal resistance of the silicon subnitride
Luft. Beispiele:Air. Examples:
Beispiel 1 Synthese von Si2NExample 1 Synthesis of Si 2 N
1.1. Reindarstellunq der Edukte1.1. Pure presentation of the educts
Calciumdisilicid wurde aus den Elementen im Induktionsofen (Glaskohlenstofftiegel; 60 Sekunden, 1000 °C) phasenrein in der TR6- Modifikation hergestellt (vgl. J. Evers, Dissertation, LMU München, 1974). Der Gehalt an Verunreinigungen durch C, N und O im erhaltenen Calciumdisilicid liegt jeweils unter 0,1 Gew. %.Calcium disilicide was produced from the elements in the induction furnace (glass carbon crucible; 60 seconds, 1000 ° C.) in a phase-pure manner in the TR6 modification (see J. Evers, dissertation, LMU Munich, 1974). The content of impurities from C, N and O in the calcium disilicide obtained is in each case less than 0.1% by weight.
Kommerziell erhältliches Calciumdisilicid enthält neben Sauerstoffverunreinigungen (Tabelle 1 ) meist noch die Randphasen Siiicium und Caiciummonosilicid sowie gegebenenfalls TaSi2 (dieses stammt vermutlich vom Tiegelmaterial).Commercially available calcium disilicide usually contains, in addition to oxygen impurities (Table 1), the peripheral phases Siiicium and Caiciummonosilicid as well as possibly TaSi 2 (this presumably comes from the crucible material).
Tabelle 1 : Sauerstoffanalysen von kommerziell erhältlichem CaSi2 (Trägergasheißextraktion, LECO TC 436 DR)Table 1: Oxygen analyzes of commercially available CaSi 2 (carrier gas hot extraction, LECO TC 436 DR)
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Das von uns selbst synthetisierte CaSi2 besteht nach röntgenografischen Untersuchungen ausschließlich aus der Phase CaSi2-TR6. Die Ergebnisse der chemischen Analysen (Tabelle 2) zeigen, dass das selbst hergestellte CaSi2 frei von Verunreinigungen ist. Tabelle 2: Analysenergebnisse von selbst synthetisiertem CaSi2 The CaSi 2 that we synthesized consists solely of the CaSi 2 -TR6 phase according to X-ray studies. The results of the chemical analyzes (Table 2) show that the self-made CaSi 2 is free of impurities. Table 2: Analysis results of self-synthesized CaSi 2
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* Nachweisgrenze der Messung; θ Trägergasheißextraktion; ® Analysatoren der Fa. LECO* Detection limit of the measurement; θ carrier gas hot extraction; ® analyzers from LECO
Ammoniumbromid wird vor der Verwendung in Glasampullen über thermische Sublimation und Ausfrieren des erhaltenen Wassers mit flüssigem Stickstoff gereinigt, bis der Sauerstoffgehalt < 1 ,5 Gew. % beträgt.Before use in glass ampoules, ammonium bromide is purified by thermal sublimation and freezing of the water obtained with liquid nitrogen until the oxygen content is <1.5% by weight.
Das Ammoniumbromid puratronic® der Firma Merck ist das sauberste kommerziell erhältliche NH4Br. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Sauerstoffanalyse von käuflichem und nachgereinigtem Ammoniumbromid angegeben. Durch mehrmalige Vakuumsublimation und Ausfrieren des Wassers in flüssigem Stickstoff konnte der Sauerstoffgehalt auf 1 % gesenkt werden.The ammonium bromide puratronic ® from Merck is the cleanest commercially available NH 4 Br. Table 3 shows the results of the oxygen analysis of commercially available and cleaned ammonium bromide. The oxygen content was reduced to 1% by repeated vacuum sublimation and freezing of the water in liquid nitrogen.
Tabelle 3: Sauerstoffanalysen von NH4Br (Trägergasheißextraktion, LECO TC 436 DR)
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Table 3: Oxygen analyzes of NH 4 Br (carrier gas hot extraction, LECO TC 436 DR)
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1 .2 Umsetzung zu SUN1 .2 implementation to SUN
Die so hergestellten Ausgangsstoffe wurden unter Schutzgasatmosphäre in einer Argon-Box gemörsert und mittels Vibrationsmühle in einem Achat- Mahlbecher zu einem homogenen Gemisch vermählen. Die chemische Reaktion wurde in einem Niob-Tiegel bei 350 °C für 0,5 Stunden durchgeführt. Die Abtrennung des Calciumbromlds erfolgte durch kontinuierliche Extraktion mit Aceton für 8 Stunden unter Argon- Atmosphäre oder durch Anlegen von Vakuum, beispielsweise 1 0"5 mbar für 5 Tage bei 800 °C.The starting materials thus produced were ground in a protective gas atmosphere in an argon box and ground to a homogeneous mixture by means of a vibration mill in an agate grinding jar. The chemical reaction was carried out in a niobium crucible at 350 ° C for 0.5 hours. The calcium bromide was separated off by continuous extraction with acetone for 8 hours under an argon atmosphere or by applying a vacuum, for example 10 -5 mbar for 5 days at 800 ° C.
Es wurde ein röntgenamorphes pulverförmiges Siliciumsubnitrid erhalten.An X-ray amorphous powdered silicon subnitride was obtained.
Eine Umsetzung mit den oben beschriebenen Reaktionsparametern kann auch an Einkristallen von Calcimdisilicid mit zuvor aufsublimiertem Ammoniumbromid durchgeführt werden. Die beschriebene Reaktion kann auch an auf Substraten (z.B. α-Si) epitaktisch aufgebrachten Schichten von Calciumdisilicid durchgeführt werden.A reaction with the reaction parameters described above can also be carried out on single crystals of calcimdisilicide with previously sublimed ammonium bromide. The described reaction can also be carried out on layers of calcium disilicide epitaxially applied to substrates (e.g. α-Si).
1 .3 Analyse des Produkts1 .3 Analysis of the product
Im Unterschied zu der Arbeit von Hengge (Z. Anorg. Allg. Chem. 31 5 ( 1 962), 298-304) wurde im Rahmen unserer Untersuchungen der Sauerstoffgehalt des festen Reaktionsproduktes direkt bestimmt. Dieser hat einen entscheidenden Einfluss auf die tatsächliche Summenforme! und die rechnerische Zusammensetzung des Siliciumsubnitrids. Vergleichend sind Analysenergebnisse eines Reaktionsproduktes aus kommerziell erhältlichen Edukten und aus von uns selbst hergestellten Edukten dargestellt (Tabelle 4) . Die der Reaktion zugrunde liegenden Gleichungen ( 1 , nach Hengge) und (2, nach eigenen Untersuchungen) lauten wie folgt:In contrast to the work of Hengge (Z. Anorg. Allg. Chem. 31 5 (1 962), 298-304), the oxygen content of the solid reaction product was determined directly in our investigations. This has a decisive influence on the actual total form! and the computational composition of the silicon subnitride. For comparison, analysis results of a reaction product from commercially available starting materials and from starting materials manufactured by us are shown (table 4). The equations underlying the reaction (1, according to Hengge) and (2, according to our own investigations) are as follows:
( 1 ) 3 CaSi2 + 6 NH4Br ^°l^ 2 (Si3N) + 3 CaBr2 + 4 NH3 T + 6 H2 T(1) 3 CaSi 2 + 6 NH 4 Br ^ ° l ^ 2 ( S i 3 N) + 3 CaBr 2 + 4 NH 3 T + 6 H 2 T
(2) 3 CaSi2 + 6 NH4Br ^Ξ- 3 (Si2N) + 3 CaBr2 + 3 NH3 T + 7,5 H2 T(2) 3 CaSi 2 + 6 NH 4 Br ^ Ξ- 3 (Si 2 N) + 3 CaBr 2 + 3 NH 3 T + 7.5 H 2 T
Die beiden Reaktionsgleichungen ( 1 ) und (2) unterscheiden sich nicht auf der Seite der Edukte. Für die Analysenergebnisse der Reaktionsprodukte sind von Hengge keine Fehler angegeben worden. Dies resultiert daraus, dass der Sauerstoff gehalt nicht berücksichtigt wird.The two reaction equations (1) and (2) do not differ on the educt side. No errors were reported by Hengge for the analysis results of the reaction products. This results from the fact that the oxygen content is not taken into account.
Tabelle 4: Ergebnisse der chemischen Analysen der Reaktionsprodukte (Si, Ca: lCP-AES nach Hochdruck-Mikrowellenaufschluss; O/N Trägergasheißextraktion)Table 4: Results of the chemical analyzes of the reaction products (Si, Ca: lCP-AES after high-pressure microwave digestion; O / N carrier gas hot extraction)
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Der Gehalt und das rechnerische Verhältnis der Elemente Calcium, Siiicium und Brom ist in beiden Reaktionsprodukten konstant. In herkömmlich präpariertem Siliciumsubnitrid wird die Menge des enthaltenen Sauerstoffs ( 1 ,4 %) bei Präparation gemäß dieser Erfindung durch Stickstoff ersetzt, . Dabei wird der Sauerstoff, der direkt an Silicium gebunden ist, an dieser Stelle durch Stickstoff ersetzt. Die daraus folgende Masse-Zunahme des Stickstoff von 3,4 % auf 4,9 % führt zu einer Änderung des Si/N- Verhältnisses von 3: 1 nach 2: 1 .The content and the calculated ratio of the elements calcium, silicon and bromine are constant in both reaction products. In conventional prepared silicon subnitride, the amount of oxygen (1.4%) contained in the preparation according to this invention is replaced by nitrogen,. At this point, the oxygen that is directly bound to silicon is replaced by nitrogen. The resulting increase in mass of nitrogen from 3.4% to 4.9% leads to a change in the Si / N ratio from 3: 1 to 2: 1.
1 .4 Temperaturbereich1 .4 temperature range
Es wurde der Temperaturbereich für die Reaktion von Si2N sowie für die thermische Zersetzung von Si2N bestimmt.The temperature range for the reaction of Si 2 N and for the thermal decomposition of Si 2 N was determined.
Anhand thermoanaiytischer Untersuchungen ist zu erkennen, dass die Reaktion bei 1 50° C beginnt und bei etwa 350° C abgeschlossen ist (Figuren 6 und 7). Die thermische Zersetzung/Umwandlung von Si2N beginnt in Inertgasatmosphäre bei etwa 900° C (Figuren 6 und 7). An Luft ist Si2N bis etwa 800° C stabil (Figur 8). On the basis of thermal analysis tests it can be seen that the reaction begins at 150 ° C. and is completed at approximately 350 ° C. (FIGS. 6 and 7). The thermal decomposition / conversion of Si 2 N begins in an inert gas atmosphere at about 900 ° C (Figures 6 and 7). Si 2 N is stable in air up to about 800 ° C. (FIG. 8).

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Siliciumsubnitrid der Zusammensetzung Si2N.1 . Silicon subnitride with the composition Si 2 N.
2. Siliciumsubnitrid nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es Bereiche mit zweidimensionalen Strukturelementen aus -Si umfasst.2. Silicon subnitride according to claim 1, characterized in that it comprises areas with two-dimensional structural elements made of -Si.
3. Siliciumsubnitrid nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es Struktureinheiten Si°Si3 + N3" umfasst, worin ein zweidimensionaler σ-Si-Bereich und N-Atome oberhalb und unterhalb der -Si-Schicht vorliegen.3. Silicon subnitride according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises structural units Si ° Si 3 + N 3 " , in which a two-dimensional σ-Si region and N atoms are present above and below the -Si layer.
4. Siliciumsubnitrid nach den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gehalt an Sauerstoff von < 1 Gew % aufweist.4. Silicon subnitride according to the preceding claims, characterized in that it has an oxygen content of <1% by weight.
5. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumsubnitrids nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Silicid, insbesondere ein Silicid mit zweidimensionalen Si-Schichten, mit einem Ammoniumhalogenid umsetzt.5. A process for producing a silicon subnitride according to one of claims 1 to 4, characterized in that a silicide, in particular a silicide with two-dimensional Si layers, is reacted with an ammonium halide.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man Calciumdisilicid mit Ammoniumbromid umsetzt. 6. The method according to claim 5, characterized in that calcium disilicide is reacted with ammonium bromide.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man Silicid mit einem Gehalt an Sauerstoff um < 0, 1 Gew. % und Ammoniumhalogenid mit einem Gehalt an Wasser von < 1 Gew. % einsetzt.7. The method according to claim 6, characterized in that silicide with an oxygen content of <0.1 wt.% And ammonium halide with a water content of <1 wt.% Is used.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umsetzung gebildetes Salz, insbesondere Calciumbromid, durch Extraktion oder Sublimation von dem8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that salt formed in the reaction, in particular calcium bromide, by extraction or sublimation of the
Siliciumsubnitrid abgetrennt wird.Silicon subnitride is separated.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung bei einer Temperatur von > 1 50 °C bis9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the reaction at a temperature of> 1 50 ° C to
< 900 °C durchgeführt wird.<900 ° C is carried out.
1 0. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung unter Sauerstoffausschluss und unter1 0. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the reaction with the exclusion of oxygen and under
Feuchtigkeitsausschluss durchgeführt wird.Exclusion of moisture is carried out.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silicid in TR6-Modifikation eingesetzt wird.1 1. Method according to one of claims 5 to 1 0, characterized in that a silicide in TR6 modification is used.
1 2. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Silicid, insbesondere Calciumdisilicid als Pulver, kristallförmig, als Einkristall oder/und als Schicht auf einem Substrat eingesetzt wird. 1 2. The method according to any one of claims 5 to 1 1, characterized in that the silicide, in particular calcium disilicide as a powder, is used in crystal form, as a single crystal and / or as a layer on a substrate.
3. Siliciumsubnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 1 2 in Form eines Pulvers.3. Silicon subnitride according to one of claims 1 to 4 or obtainable according to one of claims 5 to 1 2 in the form of a powder.
4. Siliciumsubnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 in Form eines Formkörpers, insbesondere in Form einer auf einem Substrat befindlichen Schicht.4. Silicon subnitride according to one of claims 1 to 4 or obtainable according to one of claims 5 to 1 1 in the form of a shaped body, in particular in the form of a layer located on a substrate.
5. Verwendung eines Siliciumsubnitrids nach einem Ansprüche 1 bis 4 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 als Halbleiter, als Dielektrikum, zur Passivierung von Oberflächen, insbesondere von5. Use of a silicon subnitride according to one of claims 1 to 4 or obtainable according to one of claims 5 to 1 1 as a semiconductor, as a dielectric, for passivating surfaces, in particular from
Silicium-Oberflächen, in einem Sub-Nano-Transistor, als nano-Silicon surfaces, in a sub-nano transistor, as nano-
Isolatorschicht oder/und als Gater.Insulator layer and / or as a gate.
6. Verwendung eines Siliciumsubnitrids nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 zur6. Use of a silicon subnitride according to one of claims 1 to 4 or obtainable according to one of claims 5 to 1 1 for
Herstellung von Keramikmaterialien.Manufacture of ceramic materials.
7. Verwendung nach Anspruch 1 6 als Precursor für Silicium-Stickstoff- Keramiken.7. Use according to claim 1 6 as a precursor for silicon-nitrogen ceramics.
8. Verwendung nach Anspruch 1 6 als Precursor für Silicium-Stickstof - Beschichtungen. 8. Use according to claim 1 6 as a precursor for silicon nitrogen coatings.
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