Силицид вольфрама

Дисилицид вольфрама (WSi₂) — бинарное неорганическое соединение вольфрама и кремния. По внешнему виду представляет собой порошок тёмно-серого цвета; монокристаллы имеют характерный серо-синий оттенок. В воде не растворяется. Выпускается по ТУ 6-09-03-376-74.

Состав и кристаллическая структура WSi₂

Равновесная модификация WSi₂ имеет тетрагональную кристаллическую решётку — структурный тип MoSi₂ (обозначение C11b, пространственная группа I4/mmm, параметры ячейки: a = 0,3211 нм, c = 0,7868 нм). Структура слоистая: слои атомов вольфрама и кремния чередуются вдоль кристаллографической оси c; каждый атом W координирован десятью атомами Si. Гексагональная модификация (тип C40) является метастабильной и образуется только при низких температурах или в тонкоплёночном состоянии.

По ТУ 6-09-03-376-74 (квалификация «Ч») нормируются следующие показатели:

Показатель	Норма
Массовая доля основного вещества (WSi₂)	не менее 96 %
Содержание свободного кремния	не более 0,5 %
Содержание железа	не более 0,05 %

Теоретическое массовое содержание кремния в чистом WSi₂ составляет ~23,4 %. Гарантийный срок хранения по ТУ — 3 года.

Физические свойства дисилицида вольфрама

Температура плавления и жаростойкость

Температура плавления WSi₂ — около 2160 °C, что определяет принадлежность соединения к классу высокоогнеупорных материалов. В условиях окислительной среды при высоких температурах на поверхности WSi₂ формируется защитная оксидная плёнка, обеспечивающая стойкость к дальнейшему окислению.

Плотность — 9,3 г/см³.

Твёрдость и механические характеристики

Твёрдость WSi₂ по Виккерсу составляет 12–15 ГПа. Это высокий показатель для керамических соединений, обеспечивающий удовлетворительную износостойкость в составе покрытий и композитов. Для сравнения: твёрдость карбида вольфрама WC составляет около 22–30 ГПа.

Электрические и химические свойства

Электропроводность

WSi₂ обладает металлическим типом электропроводности. Удельное электрическое сопротивление осаждённых тонких плёнок составляет 60–80 мкОм·см — значительно ниже, чем у поликристаллического кремния. Это свойство является определяющим для применения WSi₂ в микроэлектронике. При повышенном содержании атомов кремния в плёнке удельное сопротивление возрастает.

Химическая стойкость

WSi₂ не растворяется в воде и устойчив к большинству кислот при умеренных температурах. Разрушается смесью HF и концентрированной HNO₃ («царская водка с фтором»), а также реагирует с концентрированной HNO₃ и HF в отдельности, фтором и сильными окислителями. Разлагается в расплавах щелочей при доступе воздуха или в присутствии окислителей. Стойкость к кислороду при высоких температурах обеспечивается образованием защитной оксидной плёнки.

Применение дисилицида вольфрама

Жаростойкие покрытия

Основное промышленное применение порошка WSi₂ — получение защитных антиокислительных покрытий на изделиях из вольфрама и других тугоплавких металлов. Покрытие WSi₂ обеспечивает устойчивость на воздухе при температурах вплоть до ~2000 °C на вольфрамовых подложках. Технологии нанесения включают химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и плазменное напыление. WSi₂ также входит в состав многослойных защитных покрытий совместно с силицидами других тугоплавких металлов — подробнее о схожих материалах этого класса см. в описании борида вольфрама.

Микроэлектроника

В полупроводниковой промышленности WSi₂ применяется как проводящий материал затворного электрода и межсоединений. В «полицидной» структуре плёнка WSi₂ наносится поверх поликремниевых шин: это снижает суммарное сопротивление линии и увеличивает скорость передачи сигнала. Осаждение производится CVD-методом с использованием гексафторида вольфрама (WF₆) и силана или дихлорсилана. Осаждённая плёнка нестехиометрична и требует отжига для перевода в стехиометрическую форму с меньшим сопротивлением. WSi₂ также используется как барьерный слой между кремниевой подложкой и металлическими проводниками, а в МЭМС-технологиях — для изготовления микроразмерных цепей методом плазменного травления.

Высокотемпературные керамические композиты

WSi₂ вводят как добавку в керамику на основе дисилицида молибдена (MoSi₂–WSi₂ композиты): присутствие WSi₂ позволяет регулировать температуру спекания, коэффициент термического расширения и стойкость к окислению получаемого материала. Соотношение компонентов подбирается исходя из требований к конкретному изделию. Аналогичные высокоогнеупорные соединения на основе циркония представлены в разделе дисилицид циркония.

Форма поставки и хранение

Дисилицид вольфрама WSi₂ поставляется в виде порошка. Гранулометрический состав — от субмикронных и нанопорошковых фракций (используются в CVD и тонкоплёночных процессах) до фракций 45–150 мкм (плазменное напыление, спекание). Отгрузка возможна от нескольких сотен граммов до десятков килограммов. Хранить в герметичной таре в сухом месте, беречь от контакта с сильными кислотами и окислителями.