氮化硼是我們都很熟悉的一種先進陶瓷材料，它有六種晶型，最常見的是立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN)，其中c-BN和金剛石類似，主要用于制作切割工具；h-BN是有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的白色粉末，也被稱為白石墨，具有優(yōu)秀的熱導(dǎo)率和絕緣特性，因此是最受重視的一種晶型。

氮化硼粉體

不過就算同是六方晶系氮化硼，根據(jù)制備工藝的不同制品其實還能繼續(xù)分出不同流派，一是采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等高溫?zé)Y(jié)工藝制備的氮化硼陶瓷——目前一般認為熱壓燒結(jié)是比較理想的燒結(jié)方式，熱壓法制備的陶瓷因具有密度高、強度高，生產(chǎn)工藝成熟等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用；二是采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的熱解氮化硼(Pyrolytic Boron Nitride,PBN)。二者在使用上到底有什么不同，我們就用熱壓氮化硼為與和熱解氮化硼來對比一下。

1.熱壓氮化硼

熱壓氮化硼其實就是采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備的陶瓷材料。其具體制備流程如下：將干燥的粉體填入特制的石墨模具內(nèi)，采用雙向或單向的加壓方式對模具進行單軸加壓，同時在一定溫度范圍內(nèi)加熱，使成型和燒結(jié)同時進行。由于升溫和加壓同時進行，這種外加的驅(qū)動力可以破壞片狀h-BN的卡片支撐結(jié)構(gòu)，促進h-BN晶粒的重排，同時有效地降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間。

根據(jù)資料顯示，熱壓氮化硼是一種優(yōu)良的電絕緣體，具有極好的潤滑性及高溫穩(wěn)定性，即便在極高的溫度下，也能保持其潤滑性和惰性。氮化硼的機械性相對較差，但具有很高的熱容量，優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，出眾的介電強度和易加工性。在惰性氣氛中，氮化硼可以承受超過2000℃的高溫，因此是一種理想的高溫導(dǎo)熱絕緣材料。

氮化硼陶瓷

另外，熱壓氮化硼具有各向異性的特性，原子排列垂直于壓力方向時形成強鍵，表現(xiàn)出優(yōu)良的強度、熱學(xué)和電學(xué)特性。原子排列平行于壓力方向時形成弱鍵，表現(xiàn)出優(yōu)良的潤滑性。根據(jù)上述特性，利用氮化硼陶瓷優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，可用作熔化蒸發(fā)金屬的坩堝、舟皿、液態(tài)金屬輸送管、合成GaAs晶體的坩堝、火箭噴嘴、大功率器件基座、熔化金屬的管道、泵零件、鑄鋼模具、絕緣材料等。

2.熱解氮化硼

熱解氮化硼的制備工藝與前者有很大區(qū)別，是采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在高溫、高真空條件下，由氨和硼的鹵化物進行化學(xué)氣相沉積（CVD）而成，既可以沉積成PBN薄板材料，也可以直接沉積成管、環(huán)或薄壁容器等PBN最終產(chǎn)品。

這種通過高溫?zé)峤夥磻?yīng)制備的氮化硼，具有高純度、具有熱導(dǎo)率高、機械強度高、電絕緣性好且無毒等異性能、化學(xué)惰性以及優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能，使其成為元素提純、化合物及化合物半導(dǎo)體晶體生長的理想容器。主要應(yīng)用有 OLED蒸發(fā)單元、半導(dǎo)體單晶生長（VGF、LEC）坩堝、分子束外延（MBE）蒸發(fā)坩堝、MOCVD 加熱器、多晶合成舟、高溫、高真空設(shè)備絕緣板等。其具體的制備流程如下：

①A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣形成主流氣體進入化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)；

②A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣經(jīng)過擴散離開主流氣體向模芯表面擴散；

③擴散到模芯表面附近的A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣相互反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物C氮化硼擴散到達模芯表面；

④A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣反應(yīng)生成C氮化硼和副產(chǎn)物D氯化氫；

⑤副產(chǎn)物D氯化氫和表面吸附的反應(yīng)氣體A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣離開模芯表面向主流氣體擴散

⑥副產(chǎn)物D氯化氫和B氨氣相互反應(yīng)生成氯化銨，高溫下又分解為副產(chǎn)物D氯化氫和B氨氣在主流氣體中擴散；

⑦副產(chǎn)物D氯化氫和多余的反應(yīng)氣體A三氯化硼、氮氣混合氣和B氨氣隨主流氣體排出化學(xué)氣相沉積爐系統(tǒng)外。

熱解氮化硼的主要特點是純度非常非常高，最高可達到99.999%以上（熱壓氮化硼通常只有約99%的純度），造成這點的原因主要是它的制備過程無需添加任何燒結(jié)劑。也因此熱解氮化硼有著許多獨到的特性，如極好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，無孔隙，致密性好（其密度接近材料的理論密度值）等。

但是PBN跟熱壓氮化硼相比有一個缺點就是成本更高（因為沉積速度很慢），因此PBN制品都比較昂貴。

兩者應(yīng)用性能對比

同屬六方晶系的熱解氮化硼其實和熱壓氮化硼在應(yīng)用上有很多相通之處，如蒸發(fā)坩堝、熔煉坩堝、絕緣板等，不過實際應(yīng)用時它們還是會因性能的不同而存在區(qū)別。比如說PBN產(chǎn)品的總雜質(zhì)通常<100 ppm，即純度不低于99.99%。如此高的純度，使得PBN坩堝更受半導(dǎo)體行業(yè)的青睞，可用作OLED蒸發(fā)單元、半導(dǎo)體單晶生長（VGF、LEC）坩堝等。而憑借高密度和純度，PBN也是真空工藝中被廣泛使用的材料，如高溫、高真空設(shè)備絕緣板等。

熱解氮化硼VGF坩堝（來源：北京博宇半導(dǎo)體）

還有一點值得注意的是，CVD工藝還會賦予PBN幾乎完美的層狀結(jié)構(gòu)，如下圖。從而導(dǎo)致各向異性的熱導(dǎo)率——在沉積方向（a向）和垂直于沉積面方向（C向）上的熱導(dǎo)率相差20倍左右，使其成為制造晶體生長坩堝的理想材料。因此在GaAs晶體生長領(lǐng)域，PBN坩堝也是一個很受歡迎的選擇。

PBN材料斷面SEM形貌：可以觀察到，PBN呈現(xiàn)出堆垛層錯，從而導(dǎo)致其平均層間距要大于理論的層間距。由于PBN在沉積過程中沿C軸方向生長，因此會表現(xiàn)出高度的層面取向，擇優(yōu)取向方向為C軸。

不過在有些應(yīng)用上，也要考慮成本是否劃得來。比如說熔煉金屬，雖說PBN坩堝致密度高，無氣孔，因此熔融狀態(tài)的金屬很難滲入坩堝壁內(nèi)，當用小坩堝熔煉鈦及其合金時，甚至在隨爐冷卻至室溫的情況下也極易倒出，且并不會粘結(jié)。不過正如前面所提，PBN價格昂貴且一般造型小巧，因為哪怕使用PBN坩堝有更好的效果，工業(yè)生產(chǎn)上一般也不會這么“奢侈”。

另外，熱壓氮化硼也不是就沒有優(yōu)勢了。首先它易于加工，更容易根據(jù)需求加工得到所需形狀和尺寸；其次它更具成本效益，更適合作高溫爐絕緣部件、熱電偶保護管、熔融金屬用坩堝或模具、非晶制帶噴嘴及粉末金屬霧化噴嘴等高溫組件；最后熱壓氮化硼的制作工藝近年來也是進步連連，目前已經(jīng)有部分熱壓氮化硼陶瓷可用于替代PBN，但實現(xiàn)它的重要前提是控制粉體原料中包括氧、硅、鋁等雜質(zhì)含量，其中又以氧含量為主。

氮化硼噴嘴（來源：賽瑞特）

總而言之，熱解氮化硼和熱壓氮化硼其實各有各的優(yōu)勢，在應(yīng)用時要根據(jù)自身的需求選擇。小編才疏學(xué)淺，若有遺漏或錯誤，也歡迎各位在下方評論區(qū)留言指正，謝謝！

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