Нитрид тантала

Нитрид тантала — общие сведения

Нитрид тантала можно заказать в любом количестве, оформив заявку на сайте

Нитрид тантала (формула TaN, молярная масса 194,95 г/моль, CAS 12033-62-4) — бинарное неорганическое соединение тантала и азота. В системе Ta–N существует несколько фаз с различной стехиометрией: от Ta₂N до Ta₃N₅, включая стехиометрический мононитрид TaN. Каждая фаза отличается кристаллической структурой, плотностью, твёрдостью и электрическими свойствами. В промышленности наиболее востребованы фазы ε-TaN (гексагональная, стабильная при нормальных условиях) и δ-TaN (кубическая, типа NaCl).

Порошок мононитрида тантала представляет собой тёмно-синие или чёрные кристаллы (фаза ε-TaN). Кубическая фаза δ-TaN имеет жёлто-зелёную окраску. Вещество не растворяется в воде. Медленно взаимодействует с плавиковой кислотой (HF), азотной кислотой (HNO₃) и царской водкой. Растворяется в расплаве гидроксида калия с выделением аммиака. При нагревании выше 2000 °C в вакууме выделяет азот.

Физико-химические свойства нитрида тантала

Свойства нитрида тантала существенно зависят от фазового состава. В таблице приведены характеристики двух основных модификаций — гексагональной ε-TaN и кубической δ-TaN.

Параметр	ε-TaN (гексагональная)	δ-TaN (кубическая, тип NaCl)
Пространственная группа	P6₃mc	Fm3̄m
Параметры решётки	a = 0,305 нм, c = 0,494 нм	a = 0,4336 нм
Плотность, г/см³	13,4–14,3	15,6
Температура плавления, °C	~3090	~2950
Микротвёрдость, кг/мм²	~1100	~3200
Теплопроводность, Вт/(м·К)	9,54	—
Удельное сопротивление, мкОм·см	128	—
Цвет кристаллов	Тёмно-синий, чёрный	Жёлто-зелёный

Гексагональная фаза ε-TaN является наиболее стабильной при нормальных условиях и атмосферном давлении. Кубическая δ-TaN — метастабильная фаза, формирующаяся при высоких температурах и давлениях; она обладает значительно более высокой твёрдостью. Именно δ-TaN проявляет сверхпроводящие свойства — переход в сверхпроводящее состояние происходит при температурах порядка 6–10 К в зависимости от стехиометрии и условий получения.

Химическая стойкость

Нитрид тантала относится к химически инертным соединениям. Основные особенности химического поведения порошка TaN:

В воде не растворяется. Устойчив к большинству разбавленных кислот. Медленно взаимодействует с концентрированной плавиковой кислотой (HF), азотной кислотой (HNO₃) и царской водкой. Растворяется в расплавах щелочей (KOH) с разложением и выделением аммиака. При нагревании свыше 2000 °C в вакууме или инертной атмосфере разлагается с выделением азота.

Термическая стабильность системы Ta–N зависит от фазы. Фаза Ta₅N₆ считается наиболее термически устойчивой, однако при нагревании в вакууме выше 2500 °C разлагается до Ta₂N. Последовательность фазовых превращений при нагревании обогащённого азотом материала: Ta₃N₅ → Ta₄N₅ → Ta₅N₆ → ε-TaN → Ta₂N.

Получение мононитрида тантала

Основной промышленный метод — прямое азотирование порошкообразного металлического тантала в токе азота или аммиака при температуре около 1100 °C без доступа кислорода и влаги. Возможно также получение в атмосфере крекированного аммиака (смесь N₂ + H₂).

Помимо прямого синтеза известны лабораторные методы: разложение пентанитрида тантала (Ta₃N₅) при сильном нагревании в атмосфере аммиака; пропускание смеси паров пентахлорида тантала (TaCl₅) с азотом над нагретой до 2500–2800 °C вольфрамовой проволокой.

В виде тонких плёнок нитрид тантала осаждают методами реактивного магнетронного распыления (ВЧ и постоянного тока), атомно-слоевого осаждения (ALD), химического осаждения из газовой фазы (CVD) и ионно-лучевого осаждения. Фазовый состав плёнки — от δ-TaN (кубическая) до Ta₂N (гексагональная) — зависит от парциального давления азота и параметров процесса.

Применение нитрида тантала в микроэлектронике

Тонкоплёночные резисторы — одно из основных применений TaN. Нитрид тантала обеспечивает высокую стабильность сопротивления во времени и при изменении температуры, низкий уровень шума и высокую точность номинала. Резисторы на основе TaN формируют влагостойкую пассивирующую оксидную плёнку, что является преимуществом перед резисторами на основе нихрома. Такие резисторы применяются в прецизионных аналоговых схемах, аэрокосмической и военной электронике, медицинских приборах.

Диффузионные барьерные слои — второе важнейшее применение. В технологии BEOL (back end of line) при изготовлении интегральных схем тонкие плёнки TaN наносят методом PVD между медными межсоединениями и диэлектрическими слоями. Барьер из TaN предотвращает диффузию атомов меди в диэлектрик, что критически важно для надёжности микросхем с топологическими нормами порядка 20 нм и менее.

По сравнению с нитридом титана (TiN) нитрид тантала является химически более перспективным барьерным материалом, поскольку легко формирует диэлектрическую фазу Ta₃N₅, обеспечивающую дополнительную изоляцию.

Другие области применения порошка TaN

Износостойкие и декоративные покрытия. Благодаря высокой твёрдости (до 3200 кг/мм² у кубической фазы) и химической инертности, тонкоплёночные покрытия из нитрида тантала наносят на режущий инструмент, штамповую оснастку и узлы, работающие в условиях интенсивного абразивного износа.

Добавка в твёрдые сплавы и керметы. Порошок TaN вводят в состав керметов (от 3 до 18 % по массе) для повышения твёрдости и жаростойкости композиции.

Высокотемпературные компоненты. Температура плавления мононитрида тантала (~3090 °C) позволяет использовать его в составе огнеупорных материалов и конструкционных элементов, эксплуатируемых при экстремальных температурах.

Мишени для магнетронного распыления. Порошок TaN используется для изготовления мишеней, применяемых при вакуумном осаждении тонких плёнок в электронной промышленности.

Формы поставки нитрида тантала

Нитрид тантала поставляется преимущественно в виде порошка различной степени чистоты и гранулометрического состава. Типичная чистота товарного порошка — 99,5 % (metals basis). Размер частиц подбирается в зависимости от назначения: для керметов — крупная фракция, для тонкоплёночного осаждения — субмикронная и нанопорошки.

Другие тугоплавкие соединения тантала, такие как карбид тантала и дисилицид тантала, также применяются в высокотемпературной технике и электронике и могут быть заказаны на сайте.