Siliciumnitrid

Siliciumnitrid (auch: Siliziumnitrid) ist eine chemische Verbindung, die als Bestandteil eines technischen Werkstoffs genutzt wird. Sie besteht aus den Elementen Silicium und Stickstoff, besitzt die Formel Si₃N₄ und gehört zur Stoffklasse der Nitride.

Kristallstruktur

Es tritt in drei Modifikationen (α-Si₃N₄, β-Si₃N₄ und γ-Si₃N₄) auf, die sich in ihrer Kristallstruktur unterscheiden.

Stickstoffatome sind blau, Siliciumatome grau dargestellt
trigonal α-Si₃N₄.
hexagonal β-Si₃N₄
kubisch γ-Si₃N₄

Technisches Siliciumnitrid ist eine Nichtoxid-Keramik, die in der Regel aus β-Siliciumnitridkristallen in einer glasig erstarrten Matrix besteht. Der Glasphasenanteil reduziert die Härte von Si₃N₄ im Vergleich zu Siliciumcarbid, ermöglicht aber die stängelige Umkristallisation der β-Siliciumnitridkristalle während des Sintervorgangs, was eine im Vergleich zu Siliciumcarbid und Borcarbid deutlich erhöhte Bruchzähigkeit bewirkt.

Verwendung

Die hohe Bruchzähigkeit in Kombination mit kleinen Defektgrößen verleiht Siliciumnitrid die höchste Festigkeit unter den ingenieurkeramischen Werkstoffen. Durch die Kombination von hoher Festigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und relativ kleinem Elastizitätsmodul eignet sich Si₃N₄-Keramik besonders für thermoschockbeanspruchte Bauteile, und wird zum Beispiel als Wendeschneidplatte für Eisengusswerkstoffe (unter anderem im unterbrochenen Schnitt) oder zur Handhabung von Aluminiumschmelzen eingesetzt. Siliciumnitridkeramiken sind bei geeigneter Wahl einer refraktären Glasphase (zum Beispiel durch den Zusatz von Yttriumoxid) für Einsatztemperaturen bis etwa 1300 °C geeignet. Als Werkstoff in Motoren hat sich Siliciumnitrid trotz hoher Anstrengungen in Forschung und Entwicklung in den letzten Jahrzehnten bisher nicht durchsetzen können. Siliciumnitrid wird außerdem als Sonderwerkstoff in der Lagertechnik für Hybridlager (Wälzkörper aus Si₃N₄) und Vollkeramiklager (Wälzkörper und Laufringe aus Si₃N₄) eingesetzt.

Eine besondere Anwendung sind Messspitzen (Cantilever), mit denen bei Rasterkraftmikroskopen Proben bis in den atomaren Bereich aufgelöst werden. Sie sind aus Siliciumwafern hergestellt und an ihrer Oberfläche durch eine Siliciumnitridschicht besonders widerstandsfähig gegen mechanischen Verschleiß gemacht.

Halbleitertechnik

In der Halbleitertechnik wird Siliciumnitrid als Isolations- oder Passivierungsmaterial bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet. Darüber hinaus wird es in vielen Prozessen als Maskierungs- und Stopmaterial genutzt, beispielsweise in der lokalen Oxidation von Silicium (LOCOS-Prozess) oder der chemisch-mechanischen Politur. Der Vorteil ist hier ein abweichendes chemisches Verhalten etwa gegenüber Ätzmitteln im Vergleich zum Standardmaterial Siliciumdioxid, das heißt, man nutzt Ätzmittel, die zwar Siliciumdioxid aber nicht Siliciumnitrid angreifen, oder umgekehrt. So wird Siliciumnitrid für gewöhnlich nasschemisch mit 85-prozentiger Phosphorsäure geätzt. Dabei werden für die Abscheidung von Siliciumnitridschichten im Wesentlichen zwei Methoden der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) genutzt: die Niederdruck-CVD (LPCVD) und die plasmaunterstützte CVD (PECVD).

Da die Gitterabstände von Silicium und Siliciumnitrid abweichen, kann es je nach Abscheidemethode zu Verspannungen der aufgebrachten Siliciumnitridschicht kommen. Insbesondere bei Nutzung der PECVD-Technik kann durch Einstellung der Prozessparameter so eine Verspannung minimiert werden.^[4] Des Weiteren wird Siliciumnitrid in der Photovoltaik als Antireflexionsschicht eingesetzt. Durch geringere Reflexionsverluste wird der Wirkungsgrad der Solarzellen bzw. -module gesteigert.

Synthese

Direkte Nitridierung mittels Reaktionsbinden:
$\mathrm {3\ Si+2\ N_{2}\longrightarrow \ Si_{3}N_{4}}$

Carbothermische Nitridierung:
$\mathrm {3\ SiO_{2}+6\ C+2\ N_{2}\longrightarrow \ Si_{3}N_{4}+6\ CO}$

Diimid-Synthese:
$\mathrm {SiCl_{4}+6\ NH_{3}\longrightarrow \ Si(NH)_{2}+4\ NH_{4}Cl}$

$\mathrm {3\ Si(NH)_{2}\longrightarrow \ Si_{3}N_{4}+2\ NH_{3}}$

Chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD bzw. PECVD) in der Mikrotechnik:
$\mathrm {3\ SiH_{4}+4\ NH_{3}\longrightarrow \ Si_{3}N_{4}+12\ H_{2}}$

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Datenblatt Silicon nitride bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 23. April 2011.
↑ ^2,0 ^2,1 Datenblatt Siliciumnitrid bei AlfaAesar, abgerufen am 2. Februar 2010 (JavaScript erforderlich).
↑ Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
↑ Abscheidung von Siliciumnitrid-Schichten Si₃N₄. Crystec Technology Trading GmbH, abgerufen am 19. April 2009.

Weblinks

[sigma-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Datenblatt Silicon nitride bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 23. April 2011.

[alfa-2] 2,0 ^2,1 Datenblatt Siliciumnitrid bei AlfaAesar, abgerufen am 2. Februar 2010 (JavaScript erforderlich).

[3] Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.

[4] Abscheidung von Siliciumnitrid-Schichten Si₃N₄. Crystec Technology Trading GmbH, abgerufen am 19. April 2009.

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