SiC-Einkristall ist ein Verbindungshalbleitermaterial der Gruppe IV-IV, das aus den beiden Elementen Si und C im stöchiometrischen Verhältnis 1:1 besteht. Seine Härte wird nur von Diamant übertroffen.
Die Kohlenstoffreduktionsmethode von Siliciumdioxid zur Herstellung von SiC basiert im Wesentlichen auf der folgenden chemischen Reaktionsformel:
Der Reaktionsprozess der Kohlenstoffreduktion von Siliciumdioxid ist relativ komplex, wobei die Reaktionstemperatur das Endprodukt direkt beeinflusst.
Bei der Herstellung von Siliciumcarbid werden die Rohstoffe zunächst in einen Widerstandsofen gegeben. Dieser besteht aus zwei Endwänden, einer Graphitelektrode in der Mitte und dem Ofenkern, der die beiden Elektroden verbindet. Am Rand des Ofenkerns werden zunächst die reaktionsbeteiligten Rohstoffe und anschließend die Wärmespeichermaterialien platziert. Sobald der Schmelzprozess beginnt, wird der Widerstandsofen eingeschaltet und die Temperatur steigt auf 2600 bis 2700 Grad Celsius. Elektrische Wärmeenergie wird über die Oberfläche des Ofenkerns auf die Charge übertragen und erhitzt diese allmählich. Sobald die Temperatur der Charge 1450 Grad Celsius übersteigt, findet eine chemische Reaktion statt, bei der Siliciumcarbid und Kohlenmonoxidgas entstehen. Mit fortschreitendem Schmelzprozess dehnt sich der Hochtemperaturbereich in der Charge aus, und die Menge des erzeugten Siliciumcarbids nimmt zu. Im Ofen bildet sich kontinuierlich Siliciumcarbid, und durch Verdampfung und Bewegung wachsen die Kristalle allmählich und bilden schließlich zylindrische Kristalle.
Aufgrund der hohen Temperatur von über 2600 Grad Celsius beginnt sich ein Teil der inneren Kristallwand zu zersetzen. Das dabei entstehende Silizium rekombiniert mit dem Kohlenstoff im Ausgangsmaterial zu neuem Siliziumkarbid.
Sobald die chemische Reaktion von Siliciumcarbid (SiC) abgeschlossen und der Ofen abgekühlt ist, kann der nächste Schritt beginnen. Zunächst werden die Ofenwände demontiert. Anschließend werden die Rohstoffe im Ofen schichtweise sortiert und geordnet. Die sortierten Rohstoffe werden zerkleinert, um das gewünschte Granulat zu erhalten. Danach werden Verunreinigungen durch Waschen mit Wasser oder Reinigung mit Säure- und Laugenlösungen sowie durch Magnetscheidung und andere Verfahren entfernt. Die gereinigten Rohstoffe werden getrocknet und erneut gesiebt. Schließlich erhält man reines Siliciumcarbidpulver. Bei Bedarf kann dieses Pulver je nach Anwendungszweck weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Formen oder Feinmahlen, um feineres Siliciumcarbidpulver zu erhalten.
Die einzelnen Schritte sind wie folgt:
(1) Rohstoffe
Grünes Siliciumcarbid-Mikropulver wird durch Zerkleinern von gröberem grünem Siliciumcarbid hergestellt. Die chemische Zusammensetzung des Siliciumcarbids sollte über 99 % liegen, der Gehalt an freiem Kohlenstoff und Eisenoxid unter 0,2 %.
(2) Kaputt
Zur Zerkleinerung von Siliciumcarbid-Sand zu feinem Pulver werden in China derzeit zwei Methoden angewendet: die intermittierende Nasszerkleinerung in einer Kugelmühle und die Zerkleinerung mit einer Luftstrom-Pulvermühle.
(3) Magnetische Trennung
Unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Zerkleinerung von Siliciumcarbidpulver zu feinem Pulver kommen üblicherweise die Nassmagnetabscheidung und die mechanische Magnetabscheidung zum Einsatz. Dies liegt daran, dass bei der Nassmagnetabscheidung kein Staub entsteht, die magnetischen Materialien vollständig abgetrennt werden und das Produkt nach der Magnetabscheidung weniger Eisen enthält. Zudem wird weniger Siliciumcarbidpulver von den magnetischen Materialien abgeführt.
(4) Wassertrennung
Das Grundprinzip der Wassertrennungsmethode besteht darin, die unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten von Siliciumcarbidpartikeln mit unterschiedlichen Durchmessern in Wasser zur Partikelgrößensortierung zu nutzen.
(5) Ultraschallprüfung
Mit der Entwicklung der Ultraschalltechnologie findet diese auch breite Anwendung bei der Ultraschallsiebung von Mikropulvern. Sie kann im Wesentlichen Siebprobleme wie starke Adsorption, leichte Agglomeration, hohe statische Elektrizität, hohe Feinheit, hohe Dichte und geringes spezifisches Gewicht lösen.
(6) Qualitätsprüfung
Die Qualitätsprüfung von Mikropulvern umfasst die chemische Zusammensetzung, die Partikelgrößenverteilung und weitere Parameter. Informationen zu Prüfmethoden und Qualitätsstandards finden Sie in den „Technischen Bedingungen für Siliciumcarbid“.
(7) Schleifstaubproduktion
Nachdem das Mikropulver gruppiert und gesiebt wurde, kann der Materialkopf zur Herstellung von Mahlpulver verwendet werden. Die Herstellung von Mahlpulver reduziert Abfall und verlängert die Produktkette.
Veröffentlichungsdatum: 13. Mai 2024