El fluoruro de tungsteno (VI) , también conocido como hexafluoruro de tungsteno , es un compuesto inorgánico con la fórmula WF 6. Es un gas tóxico, corrosivo e incoloro, con una densidad de aproximadamente 13 kg/m 3 ( 22 lb/cu yd) (aproximadamente 11 veces más pesado que el aire). [2] [3] Es el único compuesto de metal de transición gaseoso conocido (o bloque d) y el gas más denso conocido a temperatura y presión ambiente estándar (298 K, 1 atm). [4] El WF 6 se usa comúnmente en la industria de semiconductores para formar películas de tungsteno, a través del proceso de deposición química de vapor . Esta capa se usa en una " interconexión " metálica de baja resistividad . [5] Es uno de los diecisiete hexafluoruros binarios conocidos .
La molécula WF 6 es octaédrica con el grupo puntual de simetría de O h . Las distancias de enlace W–F son183,2 pm . [6] EntreEntre 2,3 y 17 °C , el hexafluoruro de tungsteno se condensa en un líquido incoloro que tiene una densidad de3,44 g/ cm3 a15 °C . [7] A2,3 °C se congela formando un sólido blanco que tiene una estructura cristalina cúbica, una constante reticular de 628 pm y una densidad calculada.3,99 g/cm3 . A−9 °C esta estructura se transforma en un sólido ortorrómbico con constantes reticulares de a = 960,3 pm, b = 871,3 pm y c = 504,4 pm, y la densidad de4,56 g/cm 3 . En esta fase, la distancia W–F es de 181 pm y los contactos moleculares medios más cercanos son312 pm . Mientras que el gas WF 6 es uno de los gases más densos, con una densidad que excede la del gas elemental más pesado, el radón (9,73 g/L), la densidad del WF 6 en estado líquido y sólido es bastante moderada. [8] La presión de vapor del WF 6 entre−70 y 17 °C se pueden describir mediante la ecuación
donde P = presión de vapor ( bar ), T = temperatura (°C). [9] [10]
El hexafluoruro de tungsteno se produce comúnmente mediante la reacción exotérmica del gas flúor con polvo de tungsteno a una temperatura entre350 y 400 °C : [7]
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 ClF , ClF 3 o BrF 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 hexafluoruro de tungsteno también se puede obtener mediante la conversión de hexacloruro de tungsteno : [4]
En contacto con el agua , el hexafluoruro de tungsteno produce fluoruro de hidrógeno (HF) y oxifluoruros de tungsteno, formando finalmente trióxido de tungsteno : [4]
A diferencia de otros fluoruros metálicos, el WF 6 no es un agente fluorante útil ni tampoco un oxidante potente. Puede reducirse al WF 4 amarillo . [12]
WF 6 forma una variedad de aductos 1:1 y 1:2 con bases de Lewis , siendo algunos ejemplos WF 6 ( S(CH 3 ) 2 ), WF 6 (S(CH 3 ) 2 ) 2 , WF 6 ( P(CH 3 ) 3 ) y WF 6 ( py ) 2 . [13]
La aplicación dominante del fluoruro de tungsteno es en la industria de semiconductores, donde se utiliza ampliamente para depositar tungsteno metálico en un proceso de deposición química de vapor . La expansión de la industria en los años 1980 y 1990 resultó en el 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 a su muy baja electromigración . El WF 6 es preferido 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 , la descomposición térmica y la reducción de hidrógeno. [14] La pureza requerida del gas WF 6 es bastante alta y varía entre el 99,98% y el 99,9995% dependiendo de la aplicación. [4]
Las moléculas de WF6 deben dividirse en el proceso de CVD. La descomposición suele facilitarse mezclando WF6 con hidrógeno, silano , germano , diborano , fosfina y gases relacionados que contienen hidrógeno.
El WF 6 reacciona al entrar en contacto con un sustrato de silicio . [4] La descomposición del WF 6 en silicio depende de la temperatura:
Esta dependencia es crucial, ya que se consume el doble de silicio a temperaturas más altas. La deposición se produce de forma selectiva solo en Si puro, pero no en 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 las moléculas de WF 6 al sustrato de Si, que es el único catalizador de la descomposición molecular en este proceso. [4]
Si la deposición no se produce en una atmósfera inerte sino en una que contiene oxígeno (aire), entonces en lugar de tungsteno se produce una capa de óxido de tungsteno. [15]
El proceso de deposición se produce a temperaturas entre 300 y 800 °C y da lugar a la formación de vapores de fluoruro de hidrógeno :
La cristalinidad de las capas de tungsteno producidas se puede controlar modificando la relación WF6 / H2 y la temperatura del sustrato: las relaciones y temperaturas bajas dan como resultado cristales 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 corroe la mayoría de los materiales. Además, el tungsteno depositado muestra una mala adhesión al dióxido de silicio, que es el principal material de pasivación en la electrónica de semiconductores. Por lo tanto, el SiO2 debe cubrirse con una capa tampón adicional antes de la deposición del tungsteno. Por otro lado, el grabado con HF puede ser beneficioso para eliminar capas de impurezas no deseadas. [4]
Las características de la deposición de tungsteno a partir de WF6 / SiH4 son la alta velocidad, la buena adhesión y la uniformidad de la capa. Las desventajas son el riesgo de explosión y la alta sensibilidad de la velocidad de deposición y la morfología a los parámetros del proceso, como la relación de mezcla, la temperatura del sustrato, etc. Por lo tanto, el silano se utiliza comúnmente para crear una fina capa de nucleación de tungsteno. Luego se cambia a hidrógeno, que ralentiza la deposición y limpia la capa. [4]
La deposición de la mezcla WF6 / GeH4 es similar a la de WF6 / SiH4 , 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]
WF 6 se puede utilizar para la producción de carburo de tungsteno .
Como gas pesado, el WF6 puede utilizarse como amortiguador para controlar las reacciones gaseosas. Por ejemplo, ralentiza la química de la llama Ar/ O2 / H2 y reduce la temperatura de la llama. [16]
El hexafluoruro de tungsteno es un compuesto extremadamente corrosivo que ataca cualquier tejido. Debido a la formación de ácido fluorhídrico al reaccionar el WF 6 con la humedad, los recipientes de almacenamiento de WF 6 tienen juntas de teflón . [17]