Moderne C-, N-, B- und andere nichtoxidische Hightech-Feuerfestmaterialien, wie z. B. atmosphärisch druckgesintertes Siliciumcarbid, sind weit verbreitet, wirtschaftlich und können als Schmirgel oder Feuerfestsand bezeichnet werden. Reines Siliciumcarbid ist ein farbloser, transparenter Kristall. Doch welche Materialstruktur und Eigenschaften weist Siliciumcarbid auf?
Gesintertes Siliciumcarbid unter atmosphärischem Druck
Materialstruktur von unter atmosphärischem Druck gesintertem Siliciumcarbid:
Das in der Industrie verwendete atmosphärisch gesinterte Siliciumcarbid ist je nach Art und Menge der Verunreinigungen hellgelb, grün, blau oder schwarz. Reinheit und Transparenz variieren. Die Siliciumcarbid-Kristallstruktur wird in sechseckiges oder rautenförmiges Plutoniumcarbid und kubisches Plutoniumcarbid unterteilt. Plutoniumcarbid bildet aufgrund der unterschiedlichen Stapelfolge von Kohlenstoff- und Siliciumatomen in der Kristallstruktur verschiedene Deformationen aus; es wurden über 70 verschiedene Deformationen identifiziert. β-Siliciumcarbid wandelt sich oberhalb von 2100 °C in α-Siliciumcarbid um. Die industrielle Herstellung von Siliciumcarbid erfolgt durch Raffination mit hochwertigem Quarzsand und Petrolkoks in einem Widerstandsofen. Die raffinierten Siliciumcarbidblöcke werden zerkleinert, säure- und basengereinigt, magnetisch separiert, gesiebt oder mit Wasser selektiert, um Produkte mit unterschiedlichen Korngrößen zu erhalten.
Materialeigenschaften von unter atmosphärischem Druck gesintertem Siliciumcarbid:
Siliciumcarbid zeichnet sich durch gute chemische Stabilität, Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Verschleißfestigkeit aus und findet daher neben abrasiven Anwendungen vielfältige Verwendung: Beispielsweise wird Siliciumcarbidpulver in einem speziellen Verfahren auf die Innenwand von Turbinenlaufrädern oder Zylinderblöcken aufgebracht, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert und die Lebensdauer um das Ein- bis Zweifache verlängert werden kann. Hergestellt aus hitzebeständigen, kleinen, leichten und hochfesten Hochleistungswerkstoffen, bietet es eine sehr gute Energieeffizienz. Niedrigwertiges Siliciumcarbid (mit einem SiC-Gehalt von ca. 85 %) ist ein hervorragendes Desoxidationsmittel, das die Stahlerzeugungsgeschwindigkeit erhöht und die chemische Zusammensetzung leicht steuert, um die Stahlqualität zu verbessern. Darüber hinaus findet atmosphärisch druckgesintertes Siliciumcarbid breite Anwendung bei der Herstellung von elektrischen Bauteilen aus Siliciumkohlenstoffstäben.
Siliciumcarbid ist sehr hart. Seine Morsehärte beträgt 9,5 und liegt damit an zweiter Stelle hinter dem härtesten Diamanten (10). Es ist ein Halbleiter mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und ist bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig. Siliciumcarbid existiert in mindestens 70 Kristallformen. Plutonium-Siliciumcarbid ist ein häufiges Isomer, das sich bei Temperaturen über 2000 °C bildet und eine hexagonale Kristallstruktur (ähnlich der Wurtzit-Struktur) aufweist. Gesintertes Siliciumcarbid unter Atmosphärendruck
Anwendung von Siliciumcarbid in der Halbleiterindustrie
Die Wertschöpfungskette der Siliziumkarbid-Halbleiterindustrie umfasst im Wesentlichen hochreines Siliziumkarbidpulver, Einkristallsubstrate, Epitaxieschichten, Leistungskomponenten, Modulgehäuse und Endgeräteanwendungen.
1. Einkristallsubstrat: Einkristallsubstrate dienen als Trägermaterial für Halbleiter, leitfähiges Material und Substrat für das epitaktische Wachstum. Zu den gängigen Züchtungsverfahren für SiC-Einkristalle zählen das physikalische Dampftransferverfahren (PVT-Verfahren), das Flüssigphasenverfahren (LPE-Verfahren) und das Hochtemperatur-CVD-Verfahren (HTCVD-Verfahren). Gesintertes Siliciumcarbid wird unter Atmosphärendruck hergestellt.
2. Epitaxiale Schicht: Siliziumkarbid-Epitaxieschichten, Siliziumkarbid-Einkristallfilme (Epitaxieschichten) mit der gleichen Kristallorientierung wie das Substrat stellen bestimmte Anforderungen an das Siliziumkarbidsubstrat. In der Praxis werden Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke fast ausschließlich in Epitaxieschichten hergestellt, wobei der Siliziumchip selbst lediglich als Substrat dient, einschließlich des Substrats für GaN-Epitaxieschichten.
3. Hochreines Siliciumcarbidpulver Hochreines Siliciumcarbidpulver ist das Rohmaterial für das Wachstum von Siliciumcarbid-Einkristallen mittels PVT-Verfahren, und die Reinheit des Produkts beeinflusst direkt die Wachstumsqualität und die elektrischen Eigenschaften der Siliciumcarbid-Einkristalle.
4. Das Leistungsbauelement ist ein Breitband-Leistungsbauelement aus Siliziumkarbid, das sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Frequenzbeständigkeit und hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Je nach Betriebsart besteht das SiC-Leistungsbauelement im Wesentlichen aus einer Leistungsdiode und einem Leistungsschalter.
5. Terminal: In Halbleiteranwendungen der dritten Generation bieten Siliziumkarbid-Halbleiter den Vorteil, komplementär zu Galliumnitrid-Halbleitern zu sein. Aufgrund des hohen Wirkungsgrads, der geringen Wärmeentwicklung, des geringen Gewichts und weiterer Vorteile von SiC-Bauelementen steigt die Nachfrage der nachgelagerten Industrie kontinuierlich, und es zeichnet sich ein Trend zur Ablösung von SiO₂-Bauelementen ab.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juni 2023