~2026-12322-73: /* Herstellung */ Komma ergänzt

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Herstellung: Komma ergänzt

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{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel = ausblenden
| Kristallstruktur = Ja
| Andere Namen =
* SN
* SSN
* GPSSN
* HPSN
* HIPSN
* RBSN
| Summenformel = Si3N4
| CAS = {{CASRN|12033-89-5}}
| EG-Nummer = 234-796-8
| ECHA-ID = 100.031.620
| PubChem = 3084099
| ChemSpider =
| Beschreibung = schwach beigefarbener Feststoff<ref name="sigma" />
| Molare Masse = 140,28 g·[[mol]]−1
| Aggregat = fest
| Dichte = 3,44 g·cm−3<ref name="sigma" />
| Sublimationspunkt = 1900 [[Grad Celsius|°C]] (Sublimation)<ref name="alfa" />
| Löslichkeit = nahezu unlöslich in Wasser<ref name="alfa" />
| Quelle GHS-Kz = <ref name="sigma" />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|07}}
| GHS-Signalwort = Achtung
| H = {{H-Sätze|335}}
| EUH = {{EUH-Sätze|-}}
| P = {{P-Sätze|-}}
| Quelle P = <ref name="sigma" />
}}

[[Datei:Silicon nitride Si3N4 bearing balls 1–20 mm.jpg|mini|hochkant=1.3|Kugeln aus Siliziumnitrid]]

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

== Vorkommen ==
In der Natur ist Siliciumnitrid als seltenes [[Mineral]] [[Nierit]] bekannt, das bisher ausschließlich in [[Meteorit]]en gefunden wurde.<ref name="IMA-Liste-2019-09" /><ref name="Mindat" />

== Herstellung ==
Die Basis der Siliciumnitridkeramik bilden hochwertige Si3N4-Pulver. Diese entstehen z. B. über die Reaktion von reinem Silicium mit Stickstoff bei 1000 bis 1400 °C. Das Silicium wird zuvor aus Quarzsand (SiO2) gewonnen, meist durch Reduktion im Lichtbogen bei 2000 °C.<ref name="Linsmeier" />
Das Si3N4-Pulver wird dann in einem Gasdrucksinterofen bei einem Stickstoff (N2)-Überdruck von ca. 2000 bar [[Isostasie|isostatisch]] gesintert. Die hohen mechanischen Drücke sind im Herstellungsprozess dabei notwendig, um die Restporosität nahezu vollständig zu beseitigen.<ref name="Kollenberg" />

Das qualitative Endprodukt ist kubisches Siliciumnitrid mit einer Dichte bis zu 3,9 g/cm3, nach den bereits bekannten α- und β-Si3N4-Phasen tri- und hexagonaler Siliciumnitridformen von ≈3,2 g/cm3.<ref name="Dong2013" />

Die Materialeigenschaften einer weiteren [[Orthorhombisches Kristallsystem|orthorhombischen]] δ-Si3N4-Phase des Siliciumnitrid existieren derzeit nur im Modell.<ref name="Dong2013" /><ref name="Gromov" />

Eine relativ kostengünstige Variante ist niederdruckgesintertes Siliciumnitrid (SSN), das mittlere Biegefestigkeiten aufweist und aus dem sich großvolumige Bauteile, z. B. für die Metallurgie herstellen lassen. Das gasdruckgesinterte Siliciumnitrid (GPSSN) wird in einem Gasdrucksinterofen bei einem Stickstoff-Überdruck bis zu 100 bar gesintert. Dadurch entsteht ein leistungsfähiger Werkstoff für hohe mechanische Belastungen. Noch höhere Drücke bis zu 2.000 bar erfahren während des Sinterprozesses das heiß gepresste und das heiß isostatisch gepresste Siliciumnitrid (HPSN bzw. HIPSN). HPSN und HIPSN zeichnen sich durch noch höhere Festigkeiten im Vergleich zu GPSSN aus, da die hohen mechanischen Drücke im Herstellungsprozess die Restporosität nahezu vollständig beseitigen. Nachteilig sind die eingeschränkten Geometrien beim axial gepressten HPSN (mechanischer Pressstempel) sowie sehr hohe Prozesskosten beim HIPSN. Reaktionsgebundenes Siliciumnitrid (RBSN) wird nach einem völlig anderen Herstellungsprozess gefertigt. Hier wird alternativ zum hochpreisigen Si3N4-Pulver das vergleichsweise preiswerte Silicium-Pulver als Rohstoff verwendet, geformt und in Stickstoff-Atmosphäre bei Temperaturen von ca. 1.400 °C zu Si3N4 nitridiert, und zwar schwindungsfrei. Die resultierende Keramik weist gute mechanische Kennwerte auf, ist aber durch ihre sehr feine und offene Porosität hochtemperaturoxidationsempfindlich.<ref name="keramverband.de">Brevier Technische Keramik: [http://www.keramverband.de/brevier_dt/3/4/3/3_4_3_2.htm Brevier Technische Keramik], abgerufen am 8. September 2022</ref>

=== Synthese ===
* Direkte Nitridierung mittels [[Reaktionsbinden]]:
*: <math>\mathrm{3 \ Si + 2 \ N_2 \longrightarrow \ Si_3N_4}</math>

* Carbothermische Nitridierung:
*: <math>\mathrm{3 \ SiO_2 + 6 \ C + 2 \ N_2 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 6 \ CO}</math>

* [[Diimid]]-Synthese:
*: <math>\mathrm{SiCl_4 + 6 \ NH_3 \longrightarrow \ Si(NH)_2 + 4 \ NH_4Cl}</math>
*: <math>\mathrm{3 \ Si(NH)_2 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 2 \ NH_3}</math>

* [[Chemische Gasphasenabscheidung]] (LPCVD bzw. PECVD) in der Mikrotechnik:
*: <math>\mathrm{3 \ SiH_4 + 4 \ NH_3 \longrightarrow \ Si_3N_4 + 12 \ H_2}</math>

== Eigenschaften ==
Siliciumnitrid tritt in drei [[Polymorphie (Stoffeigenschaft)|Modifikationen]] (α-Si3N4, β-Si3N4 und γ-Si3N4) auf, die sich in ihrer [[Kristallstruktur]] unterscheiden.

<gallery caption="Stickstoffatome sind blau, Siliciumatome grau dargestellt" class="center">
ASi3N4.jpg|[[trigonal]] α-Si3N4
BSi3N4.jpg|[[hexagonal]] β-Si3N4
GammaSiN.jpg|[[Kubisches Kristallsystem|kubisch]] γ-Si3N4
</gallery>

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 Siliciumnitrid im Vergleich zu [[Siliciumcarbid]], ermöglicht aber die stängelige Umkristallisation der β-Siliciumnitridkristalle während des [[Sintern|Sintervorgangs]], was eine im Vergleich zu Siliciumcarbid und [[Borcarbid]] deutlich erhöhte Bruchzähigkeit bewirkt.


== Verwendung ==
Die hohe Bruchzähigkeit in Kombination mit kleinen Defektgrößen verleiht Siliciumnitrid eine der höchsten Festigkeiten unter den ingenieurkeramischen Werkstoffen. Durch die Kombination von hoher Festigkeit, niedrigem [[Wärmeausdehnungskoeffizient]]en und relativ großem [[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 [[Aluminium]]schmelzen eingesetzt.<ref name="ikts.fraunhofer.de">Fraunhofer IKTS: [https://www.ikts.fraunhofer.de/de/abteilungen/strukturkeramik/nichtoxidkeramik/nitrid_elektrisch_funktionelle_strukturkeramik/siliciumnitrid_si3n4_sialone.html Siliciumnitrid (Si3N4) und Sialone - Fraunhofer IKTS], abgerufen am 8. September 2022</ref><ref name="google.com">{{Patent|Land = EP|V-Nr = 2982462A2|Titel = Nitridgebundenes Siliziumnitrid Als Werkstoff Für Bauteile Der Aluminium-Giesserei|V-Datum =2016-02-10 |A-Datum = |Erfinder = Rolf Wagner}}</ref> Siliciumnitridkeramiken sind bei geeigneter Wahl eines Zusatzstoffes (zum Beispiel durch den Zusatz von [[Yttriumoxid]], Aluminiumoxid- oder Magnesiumoxid-Zusätzen) der in der Flüssigphase die Hohlräume ausfüllt, für Einsatztemperaturen bis über 1200 °C geeignet.<ref name="Metallografie">{{Literatur |Autor=Heinrich Oettel, Hermann Schumann |Titel=Metallografie: mit einer Einführung in die Keramografie |Verlag=John Wiley & Sons |Datum=2011 |ISBN=978-3-527-32257-2 |Seiten=886 |Online={{Google Buch |BuchID=FukdUcgDRUcC |Seite=886}}}}</ref> Als Werkstoff in Motoren hat sich Siliciumnitrid trotz hoher Anstrengungen in Forschung und Entwicklung in den letzten Jahrzehnten aus Kostengründen 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.<ref name="Silicatkeramik">{{Literatur |Autor=Hermann Salmang, Horst Scholze, Rainer Telle |Titel=Silicatkeramik, Feuerfeste Werkstoffe, Hochleistungskeramik und keramische Verbundwerkstoffe |Verlag=Walter de Gruyter GmbH & Co KG |Datum=2022 |ISBN=978-3-11-074241-1 |Seiten=268 |Online={{Google Buch |BuchID=TLB7EAAAQBAJ |Seite=268}}}}</ref>

Eine besondere Anwendung sind Messspitzen ([[Cantilever (Mikroskop)|Cantilever]]), mit denen bei [[Rasterkraftmikroskop]]en Proben bis in den atomaren Bereich aufgelöst werden.<ref>{{Literatur |Autor=Matthias Müller |Titel=Kraftmodulationsmikroskopie: Detektionsverhalten - Kontrastmechanismus - Anwendungen |Verlag=Cuvillier Verlag |Ort= |Datum=2005 |ISBN=978-3-86537-341-0 |Seiten= |Online={{Google Buch |BuchID=FTZk5VPI_xgC |Seite= |Hervorhebung=}}}}</ref> Sie sind aus Silicium[[Wafer|wafern]] hergestellt und an ihrer Oberfläche durch eine Siliciumnitridschicht besonders widerstandsfähig gegen mechanischen Verschleiß gemacht.

=== Halbleitertechnik ===
In der [[Halbleitertechnologie|Halbleitertechnik]] wird Siliciumnitrid als Isolations- oder Passivierungsmaterial bei der Herstellung [[Integrierte Schaltung|integrierter Schaltungen]] verwendet, in [[Charge-Trapping-Speicher]]n dient der Nichtleiter als Speicherschicht für gebundene elektrische Ladungen.<ref name="Harry J.M. Veendrick">{{Literatur |Autor=Harry J.M. Veendrick |Titel=Nanometer CMOS ICs |Verlag=Springer International Publishing |Datum=2017 |ISBN=978-3-319-47597-4 |Seiten=293 |Online={{Google Buch |BuchID=Lv_EDgAAQBAJ |Seite=293}}}}</ref> Darüber hinaus wird es in vielen Prozessen als Maskierungs- und Stopmaterial genutzt, beispielsweise in der lokalen Oxidation von Silicium ([[LOCOS-Prozess]]) oder der [[Chemisch-mechanische Politur|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 heißer 85-prozentiger [[Phosphorsäure]] geätzt.<ref name="Joachim Knoch">{{Literatur |Autor=Joachim Knoch |Titel=Nanoelectronics |Verlag=De Gruyter |Datum=2020 |ISBN=978-3-11-057555-2 |Seiten=2 |Online={{Google Buch |BuchID=H3cGEAAAQBAJ |Seite=2}}}}</ref> Des Weiteren wird Siliciumnitrid in der Photovoltaik als [[Antireflexionsschicht|Antireflex-]] und [[Passivierung]]sschicht eingesetzt. Durch geringere Reflexionsverluste wird der Wirkungsgrad der Solarzellen bzw. -module gesteigert.<ref>{{Literatur |Autor=Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg, Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner |Titel=Industrielle Anorganische Chemie |Verlag=John Wiley & Sons |Ort= |Datum=2013 |ISBN=978-3-527-64958-7 |Seiten= |Online={{Google Buch |BuchID=XZR4AAAAQBAJ |Seite=PT396 |Hervorhebung=Siliciumnitrid solarzellen}}}}</ref>

Die Abscheidung von Siliciumnitridschichten erfolgt im Wesentlichen mittels zweier Methoden der [[Chemische Gasphasenabscheidung|chemischen Gasphasenabscheidung]] (CVD): die Niederdruck-CVD ([[LPCVD]]) und die [[Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung|plasmaunterstützte CVD]] (PECVD). Die Eigenschaften dieser Schichten sind meist nicht identisch mit denen von „keramischen Siliciumnitrid“, so weisen sie in der Regel eine geringere Härte auf.
Zusätzlich kann es je nach Abscheidemethode zu Verspannungen der aufgebrachten Siliciumnitridschicht kommen, u. a. da die Gitterabstände und Temperaturkoeffizienten von Silicium und Siliciumnitrid abweichen. Insbesondere bei Nutzung der PECVD-Technik kann durch Einstellung der Prozessparameter so eine Verspannung minimiert werden.<ref name="Crystec" />

== Weblinks ==
* {{Internetquelle
|url=http://www.keramverband.de/brevier_dt/3/4/3/3_4_3_2.htm
|titel=Brevier Technische Keramik – Nitride
|werk=keramverband.de
|datum=2018-06-04
|abruf=2019-10-01}}
* {{Internetquelle
|url=http://technical-ceramics.3mdeutschland.de/de/werkstoffe/3m-silicon-nitride.html
|titel=Eigenschaften von Siliciumnitrid (Si3N4)
|werk=technical-ceramics.3mdeutschland.de
|hrsg= [[3M Technical Ceramics]]
|abruf=2019-10-01}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="alfa">
{{Alfa|40379|Abruf=2021-05-22}}
</ref>
<ref name="Crystec">
{{Internetquelle
|url=https://www.crystec.com/kllnitrd.htm
|titel=Abscheidung von Siliciumnitrid-Schichten Si3N4
|werk=crystec.com
|hrsg=Crystec Technology Trading GmbH
|datum=2018-12-18
|abruf=2019-10-01}}
</ref>
<ref name="Dong2013">
{{Literatur
|Autor=Chen Dong
|Titel=Investigations of high-pressure and high-temperature behaviors of the newly-discovered willemite-II and post-phenacite silicon nitrides
|Sammelwerk=Chinese Physics B
|Band=22
|Nummer=12
|Datum=2013-12
|Seiten=1–6
|Online= [https://cpb.iphy.ac.cn/fileup/PDF/2013-12-126301.pdf cpb.iphy.ac.cn]
|Format=PDF
|KBytes=307
|Abruf=2019-10-01
|DOI=10.1088/1674-1056/22/12/126301}}
</ref>
<ref name="Gromov">
{{Literatur
|Autor=Alexander A. Gromov, Liudmila N. Chukhlomina
|Titel=Nitride Ceramics
|Verlag=Wiley-VCH
|Ort=Weinheim
|Datum=2015
|ISBN=978-3-527-33755-2
|Seiten=196
|Sprache=en
|Online={{Google Buch |BuchID=_0YJBgAAQBAJ |Seite=196}}}}
</ref>
<ref name="IMA-Liste-2019-09">{{Internetquelle |autor=Malcolm Back, William D. Birch, Michel Blondieau und andere |url=http://cnmnc.main.jp/IMA_Master_List_%282019-09%29.pdf |titel=The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: September 2019 |werk=cnmnc.main.jp |hrsg=IMA/CNMNC, Marco Pasero |datum=2019-09 |format=PDF 2672 kB |sprache=en |offline=ja |archiv-url=https://web.archive.org/web/20190920212433/http://cnmnc.main.jp/IMA_Master_List_(2019-09).pdf |archiv-datum=2019-09-20 |archiv-bot= |abruf=2019-10-01}}</ref>
<ref name="Kollenberg">
{{Literatur
|Autor=Wolfgang Kollenberg
|Titel=Technische Keramik: Grundlagen-Werkstoffe-Verfahrenstechnik
|Verlag=Vulkan
|Ort=Essen
|Datum=2004
|ISBN=3-8027-2927-7}}
</ref>
<ref name="Linsmeier">
{{Literatur
|Autor=Klaus-Dieter Linsmeier
|Titel=Handbuch Technische Keramik
|Auflage=2., überarbeitete und erweiterte
|Verlag=Süddeutscher Verlag onpact
|Ort=München
|Datum=2010
|ISBN=3-937889-97-3
|Seiten=16
|Online= [https://de.slideshare.net/MelanieGl/ca-handbuch-technischekeramik de.slideshare.net]
|Abruf=2019-10-01}}
</ref>
<ref name="Mindat">
{{Internetquelle
|url=https://www.mindat.org/min-7193.html#autoanchor14
|titel=Localities for Nierite
|werk=mindat.org
|hrsg=Hudson Institute of Mineralogy
|sprache=en
|abruf=2019-10-01}}
</ref>
<ref name="sigma">
{{Sigma-Aldrich|SIGMA|S1023|Name=Silicon nitride|Abruf=2021-05-22}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Nitrid]]
[[Kategorie:Siliciumverbindung]]
[[Kategorie:Nicht-Oxidkeramik]]
[[Kategorie:Werkzeugwerkstoff]]
[[Kategorie:Beschichtungswerkstoff]]
[[Kategorie:Werkstoff der Halbleiterelektronik]]

Siliciumnitrid - Versionsgeschichte

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