Si3N4

Kristallstruktur
Keine Kristallstruktur vorhanden
Allgemeines
Name	Siliciumnitrid
Andere Namen	SN SSN GPSSN HPSN HIPSN RBSN
Verhältnisformel	Si3N4
CAS-Nummer	12033-89-5
Kurzbeschreibung	schwach beigefarbener Feststoff[1]
Eigenschaften
Molare Masse	140,28 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	3,44 g·cm−3[1]
Schmelzpunkt	1900 °C Sublimation[2]
Löslichkeit	unlöslich in Wasser
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1] Reizend (Xi) R- und S-Sätze R: 37 S: 22-24/25
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

Eigenschaften

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

Verwendung

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 stengelige Umkristallisation der β-Siliciumnitridkristalle während des Sintervorgangs, was eine im Vergleich zu Siliciumcarbid und Borcarbid deutlich erhöhte Bruchzähigkeit bewirkt. 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.

Daneben existieren zahlreiche auf Siliciumnitrid basierende Sonderlösungen. So werden beispielsweise die Messspitzen (Cantilever), mit denen bei Rasterkraftmikroskopen Proben bis in den atomaren Bereich aufgelöst werden, aus Siliciumwafern hergestellt und an ihrer Oberfläche durch eine Siliciumnitridschicht besonders widerstandsfähig gegen mechanischen Verschleiß gemacht.

In der Halbleitertechnik wird Siliciumnitrid als Isolations-oder Passivierungsmaterial bei der Herstellung integrierten Schaltungen verwendet. Darüber hinaus wird Silicumnitrid in vielen Prozessen als Maskierungs- und Stopmaterial genutzt, beispielsweise in der lokalen Oxidation von Silicium (LOCOS-Prozess) oder der chemisch-mechanischen Politur. Vorteil ist ein abweichendes chemisches Verhalten beispielsweise gegenüber verschiedenen Ätzmitteln im Vergleich zum Standardmaterial Siliciumdioxid, das heißt, man nutzt Ätzmittel die zwar Siliciumdioxid aber nicht Siliciumnitrid angreifen (bzw. umgekehrt). So wird Siliciumnitrid für gewöhnlich nasschemisch mit 85-%er Phosphorsäure geätzt. Dabei werden für die für die Abscheidung von Siliciumnitridschichten im Wesentlichen zwei Methoden der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) genutzt: die LPCVD- (Niederdruck CVD) und die PECVD-Abscheidung. 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.^[3]

Synthese

• Direkte Nitridierung:

  $\mathrm{3 \ Si + 2 \ N_2 \longrightarrow \ Si_3N_4}$

• Carbothermische Nitridierung:

  $\mathrm{3 \ SiO_2 + 6 \ C + 2 \ N_2 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 6 \ CO}$

• Diimid-Synthese:

  $\mathrm{SiCl_4 + 6 \ NH_3 \longrightarrow \ Si(NH)_2 + 4 \ NH_4Cl}$

  $\mathrm{3 \ Si(NH)_2 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 2 \ NH_3}$

• Chemische Gasphasenabscheidung (Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) bzw. Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)) in der Mikrotechnik:

  $\mathrm{3 \ SiH_4 + 4 \ NH_3 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 12 \ H_2}$

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Sicherheitsdatenblatt Sigma-Aldrich
2. ↑ Sicherheitsdatenblatt Alfa-Aesar
3. ↑ Abscheidung von Siliciumnitrid-Schichten Si₃N₄. Crystec Technology Trading GmbH. Abgerufen am 19 Apr. 2009.

Weblinks

• http://www.rauschert.com/TK/de/werkstoffe/sini.html Siliziumnitrid
• http://www.keramverband.de/brevier_dt/3/4/3/3_4_3_2.htm
• http://www.esk.com/en/materials/silicon-nitride-si3n4.html
• http://www.tu-darmstadt.de/fb/ms/fg/df/Si3N4Keramiken.pdf