氮(dan)(dan)化(hua)硼是(shi)我们都(dou)很熟悉的(de)一种(zhong)先进陶(tao)瓷材(cai)料，它有(you)六种(zhong)晶型(xing)，最常见的(de)是(shi)立方氮(dan)(dan)化(hua)硼(c-BN)及六方氮(dan)(dan)化(hua)硼(h-BN)，其中c-BN和金刚石(shi)类(lei)似(si)，主要用于制作(zuo)切割工具；h-BN是(shi)有(you)类(lei)似(si)石(shi)墨的(de)层状结构和晶格参(can)数的(de)白(bai)色(se)粉末，也被称为(wei)白(bai)石(shi)墨，具有(you)优秀(xiu)的(de)热导率和绝缘特性(xing)，因此是(shi)最受重视的(de)一种(zhong)晶型(xing)。
氮化硼粉体
不(bu)过就算同(tong)是六方晶系氮(dan)(dan)化硼，根据制备(bei)(bei)工艺的不(bu)同(tong)制品其实还能继续(xu)分出不(bu)同(tong)流派，一(yi)是采用无压烧(shao)(shao)结、热压烧(shao)(shao)结、热等静压烧(shao)(shao)结等高温(wen)烧(shao)(shao)结工艺制备(bei)(bei)的氮(dan)(dan)化硼陶(tao)瓷——目前一般认为热(re)压烧结是比较(jiao)理(li)想(xiang)的烧结方(fang)式，热(re)压法(fa)制(zhi)备(bei)的陶(tao)瓷因具有密(mi)度(du)高(gao)、强度(du)高(gao)，生产工艺(yi)成(cheng)熟等优点得到(dao)广泛应用(yong)；二是采用(yong)化(hua)学(xue)气相沉积技术制(zhi)备的(de)热解氮化硼(Pyrolytic Boron Nitride,PBN)。二者在使用(yong)上(shang)到底(di)有什么不同，我们就用(yong)热压氮化(hua)硼(peng)为与和热解氮化(hua)硼(peng)来(lai)对比一下(xia)。
1.热压氮化硼(peng)
热压氮(dan)化硼其实就是采(cai)用热(re)压烧结(jie)技术制(zhi)备(bei)的(de)陶瓷材料(liao)。其具体(ti)制(zhi)备(bei)流程(cheng)如下：将(jiang)干(gan)燥的(de)粉体(ti)填入特制(zhi)的(de)石(shi)墨模具内(nei)，采(cai)用双向或单(dan)向的(de)加(jia)压(ya)方式对模具进(jin)行单(dan)轴加(jia)压(ya)，同时(shi)在一(yi)定温度范(fan)围内(nei)加(jia)热，使成型和烧结(jie)同时(shi)进(jin)行。由于升温和加(jia)压(ya)同时(shi)进(jin)行，这种外加(jia)的(de)驱动力可以破坏(huai)片状h-BN的卡片支撑结构，促进h-BN晶粒的重排，同时有效地降低烧结温度和缩短烧结时间。
根据资料显示，热压氮化(hua)硼是一种(zhong)优良的(de)电绝(jue)缘(yuan)体，具有(you)极好的(de)润滑性(xing)(xing)及高温(wen)(wen)稳定性(xing)(xing)，即便在(zai)极高的(de)温(wen)(wen)度下，也能保(bao)持其(qi)润滑性(xing)(xing)和(he)惰性(xing)(xing)。氮化(hua)硼的(de)机械(xie)性(xing)(xing)相(xiang)对较(jiao)差(cha)，但具有(you)很高的(de)热容量，优异的(de)热传导(dao)性(xing)(xing)，出众的(de)介电强度和(he)易加工性(xing)(xing)。在(zai)惰性(xing)(xing)气氛(fen)中，氮化(hua)硼可以承受超过2000℃的(de)高温(wen)(wen)，因此是一种(zhong)理想的(de)高温(wen)(wen)导(dao)热绝(jue)缘(yuan)材料。
氮化硼陶瓷
另外，热压氮化硼具有各向异性的特性，原子排列垂直于压力方向时形成强键，表现出优良的强度、热学和电学特性。原子排列平行于压力方向时形成弱键，表现出优良的润滑性。根据上述特性，利用氮化硼陶瓷优良的化学稳定性，可用作熔化蒸发金属的坩埚、舟皿、液态金属输送管、合成GaAs晶体的坩埚、火箭喷嘴、大功率器件基座、熔化金属的管道、泵零件、铸钢模具、绝缘材料等。
2.热解氮化硼
热解氮化(hua)硼的制备工艺与前者有很大区别，是采用化学气相沉(chen)积技术，在(zai)高(gao)温、高(gao)真空条件下(xia)，由氨和硼的卤化(hua)物进行化(hua)学气相沉积（CVD）而成，既可以沉积成PBN薄板材料，也可以直接沉积成管、环或薄壁容器等PBN最终产品。
这种通过高(gao)温热解反应(ying)制备(bei)的氮化(hua)硼，具(ju)有高(gao)纯度(du)、具(ju)有热导率(lv)高(gao)、机械(xie)强度(du)高(gao)、电(dian)绝缘性(xing)(xing)(xing)好且无毒等异(yi)(yi)性(xing)(xing)(xing)能、化学惰性(xing)(xing)(xing)以及优异(yi)(yi)的(de)结(jie)构(gou)和性(xing)(xing)(xing)能，使其(qi)成为(wei)元素提(ti)纯、化合物及化合物半导体晶体生长的(de)理想(xiang)容器。主(zhu)要应用有 OLED蒸发单元、半导体单晶生长（VGF、LEC）坩埚、分子束外延（MBE）蒸发坩埚、MOCVD 加热器、多晶合成舟、高温、高真空设备绝缘板等。其具体的制备流程如下：
①A三氯化硼(peng)、氮(dan)气(qi)混(hun)合气(qi)和B氨(an)气(qi)形成主流气(qi)体(ti)(ti)进(jin)入化学气(qi)相(xiang)沉积炉内；
②A三(san)氯化硼(peng)、氮气(qi)(qi)混合气(qi)(qi)和B氨(an)气(qi)(qi)经过扩散离开主流气(qi)(qi)体(ti)向模芯(xin)表面扩散；
③扩散到模芯(xin)表面附近的(de)A三氯化(hua)硼(peng)、氮(dan)气混合气和B氨气相互反应，反应产物C氮(dan)化(hua)硼(peng)扩散到达(da)模芯(xin)表面；
④A三氯(lv)化硼(peng)、氮(dan)气混合气和B氨(an)气反应生成C氮(dan)化硼(peng)和副产物D氯(lv)化氢(qing)；
⑤副产物D氯化氢和表面吸附的反应气(qi)体(ti)A三氯化硼、氮气(qi)混合气(qi)和B氨气(qi)离开模芯表面向主流气(qi)体(ti)扩散
⑥副产(chan)物(wu)D氯化氢(qing)和B氨气(qi)(qi)相互反(fan)应生成氯化铵，高温下又分解(jie)为副产(chan)物(wu)D氯化氢(qing)和B氨气(qi)(qi)在主(zhu)流气(qi)(qi)体(ti)(ti)中扩散(san)；
⑦副产(chan)物D氯化氢和多余的(de)反应气(qi)(qi)体A三氯化硼(peng)、氮气(qi)(qi)混合气(qi)(qi)和B氨气(qi)(qi)随主(zhu)流(liu)气(qi)(qi)体排出化学气(qi)(qi)相沉积炉系统(tong)外。
热解氮化硼的主要特(te)点是纯度非(fei)常非(fei)常高(gao)，最高(gao)可(ke)达到(dao)99.999%以上（热压氮化硼通常只有约99%的纯度），造成这点的原因主要是它(ta)的制备过程无需添加任何烧结剂。也因此热解氮化(hua)硼(peng)有着许(xu)多独到的特(te)性，如(ru)极好的化(hua)学稳(wen)定性和(he)热稳(wen)定性，无孔隙，致密(mi)性好（其密(mi)度(du)(du)接近材料的理论(lun)密(mi)度(du)(du)值）等(deng)。
但是PBN跟热(re)压氮化硼相比有一个缺点(dian)就是成本更高（因为沉(chen)积速(su)度很慢），因此PBN制品都比较(jiao)昂(ang)贵(gui)。
两者应用性能对比
同属六方晶(jing)系的热(re)(re)解氮化硼其实和热(re)(re)压氮化硼在应用上(shang)有很多相通之处，如(ru)蒸发坩埚、熔炼坩埚、绝缘板等，不(bu)过实际应用时它们还是(shi)会因性能的不(bu)同而存在区别。比如(ru)说(shuo)PBN产品的总杂质通常<100 ppm，即纯度不低于99.99%。如此高的纯度，使得PBN坩埚更受半导体行业的青睐，可用作OLED蒸发单元、半导体单晶生长（VGF、LEC）坩埚等。而凭借高密度和纯度，PBN也是真空工艺中被广泛使用的材料，如高温、高真空设备绝缘板等。
热解氮化硼VGF坩埚（来源(yuan)：北京博宇(yu)半导体(ti)(ti)）
还有一点值得注意的是，CVD工(gong)艺还会赋予PBN几乎完美的层状(zhuang)结构，如下图(tu)。从而(er)导(dao)致各向(xiang)(xiang)异性(xing)的热(re)(re)导(dao)率——在(zai)沉积方向(xiang)(xiang)（a向(xiang)(xiang)）和垂直(zhi)于沉积面方向(xiang)(xiang)（C向(xiang)(xiang)）上的热(re)(re)导(dao)率相差20倍(bei)左右，使其成为制造晶体生长坩(gan)埚(guo)的理想材料(liao)。因此在(zai)GaAs晶体生长领域，PBN坩(gan)埚(guo)也是一个很受欢迎的选择(ze)。
PBN材料断面SEM形貌：可以观察(cha)到，PBN呈现出堆垛(duo)层(ceng)错(cuo)，从而导致其平均层(ceng)间(jian)距要(yao)大于理论(lun)的(de)层(ceng)间(jian)距。由于PBN在沉积过程中沿C轴方(fang)(fang)向(xiang)生长(zhang)，因(yin)此(ci)会表现出高度(du)的(de)层(ceng)面取向(xiang)，择优取向(xiang)方(fang)(fang)向(xiang)为C轴。
不(bu)(bu)过在有(you)些应用(yong)(yong)(yong)上，也(ye)要考虑成本(ben)是否(fou)划得(de)来。比如说(shuo)熔炼金(jin)(jin)属，虽说(shuo)PBN坩埚(guo)致密度高，无气孔，因此熔融状态的金(jin)(jin)属很难(nan)渗(shen)入坩埚(guo)壁内，当用(yong)(yong)(yong)小(xiao)坩埚(guo)熔炼钛及其(qi)合金(jin)(jin)时，甚(shen)至在随炉冷却至室(shi)温的情况(kuang)下也(ye)极易倒出，且并不(bu)(bu)会粘结。不(bu)(bu)过正如前面所提，PBN价格昂贵且一般造型(xing)小(xiao)巧(qiao)，因为哪怕使用(yong)(yong)(yong)PBN坩埚(guo)有(you)更好的效(xiao)果(guo)，工业生(sheng)产上一般也(ye)不(bu)(bu)会这(zhei)么“奢侈”。
另外(wai)，热(re)(re)压(ya)氮化硼也不是(shi)就没有(you)优势(shi)了。首先它易于(yu)加工(gong)，更容易根据需求(qiu)加工(gong)得到所需形(xing)状和尺(chi)寸；其次(ci)它更具(ju)成(cheng)本效益(yi)，更适(shi)合(he)作高(gao)温(wen)炉绝缘部(bu)件、热(re)(re)电(dian)偶保(bao)护管、熔融金属(shu)用坩埚或模具(ju)、非(fei)晶制带(dai)喷嘴及粉末金属(shu)雾化喷嘴等(deng)高(gao)温(wen)组件；最(zui)后热(re)(re)压(ya)氮化硼的制作工(gong)艺近年(nian)来也是(shi)进步连连，目前已经有(you)部(bu)分热(re)(re)压(ya)氮化硼陶瓷可(ke)用于(yu)替代PBN，但实现它的重要前提是(shi)控(kong)制粉体原料(liao)中包括氧、硅、铝等(deng)杂质含量，其中又以氧含量为主。
氮(dan)化硼喷(pen)嘴(zui)（来(lai)源：赛瑞特）
总而言之，热(re)解氮化硼和(he)热(re)压氮化硼其实各(ge)有各(ge)的(de)(de)优势，在应用时要根据(ju)自(zi)身的(de)(de)需求选择(ze)。小(xiao)编才(cai)疏学浅，若(ruo)有遗漏或错误，也欢迎各(ge)位在下(xia)方评论区留言指(zhi)正，谢谢！
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