Thermal analysis of the direct nitridation of silicon to Si₃N₄

Abstract

The direct nitridation of different silicon powders was investigated by thermogravimetry. The chemical composition of the final product, produced unter the optimum nitridation conditions, varied in the region between Si₃N_3.41 and Si₃N_3.93, depending on the basic material. The reasons for the incomplete nitridation ratio are discussed.

The nitridation was kinetically analyzed, and the activation energies of the nitridation reaction were determined. The mechanisms of the prereaction and the main reaction generally correspond to phase boundary reactions with different reaction orders.

Zusammenfassung

Die direkte Nitridierung von verschiedenen Siliciumpulvern wurde thermogravimetrisch verfolgt. Die chemische Zusammensetzung des unter optimalen Nitridierungsbedingungen hergestellten Endprodukts lag zwischen Si₃N_3,41 und Si₃N_3,93 in Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial. Die Gründe für die teilweise unvollständige Nitridierung werden diskutiert.

Die Kinetik der Nitridierung wurde analysiert, ihre Aktivierungsenergien wuvden bestimmt. Der Mechanismus sowohl der Vorwie auch der Hauptreaktion entspricht einer Phasengrenzreaktion mit unterschiedlichen Reaktionsordnungen.

Резюме

Методом ТГ изучено пр ямое азотирование различных порошков к ремния.

Химический состав ко нечного продукта азо тирования в зависимости от исход ного материала изменяется между Si₃N_3,41 и Si₃N_3,93. Обсуждены причины различного стехиоме трического состава образующихс я продуктов. Исследов ана кинетика реакций азотировани я и определены их энергии активации. Механизм как предвар ительной, так и основной реакци и, в общем, соответствует реакц ии на границе раздела фаз с различным порядком р еакций.