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Fallstudie: Graphittiegel für SiC Synthese

Vom Mischen bis zur Synthese - Ein Tiegel für den gesamten Prozess

In der Halbleiterfertigung zählt jedes Detail: Die Herstellung von Siliziumcarbid (SiC) stellt besonders hohe Anforderungen an Reinheit, Prozessstabilität und Energieeffizienz. Produzenten und Forschungseinrichtungen arbeiten daher stetig daran, ihre Syntheseprozesse zu optimieren. Nicht zuletzt, weil kleinste Verunreinigungen die elektrische Leitfähigkeit des Endprodukts beeinträchtigen können.

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Hintergrund

Siliziumcarbid wird in der Halbleiterindustrie als Hochleistungsmaterial geschätzt, etwa für Leistungselektronik und Hochtemperaturanwendungen. Eine Methode der SiC Herstellung ist der direkte Syntheseprozess aus einem stöchiometrischen Pulvergemisch aus Silizium und Kohlenstoff bei Temperaturen über 2000 °C, meist unter Vakuum oder Inertgas und in Graphittiegeln.
Die Branche steht dabei vor typischen Herausforderungen: hohe Energieverbräuche, komplexe Prozessführung und der Anspruch, absolute Reinheit sicherzustellen. Gleichzeitig beeinflussen Materialqualität und Design der eingesetzten Graphitkomponenten maßgeblich den Erfolg der Synthese.

Überblick

Branche:

Halbleiterfertigung, Technische Keramik

Verfahren:

Direkte Synthese von Siliziumcarbid (SiC)

Lösung:

Maßgeschneiderter Graphittiegel mit integriertem Deckelsystem und Filtereinsätzen

Leistungen:

Beratung, Engineering , technische Dokumentation, Fertigung

Ergebnis:

· Reines SiC-Endprodukt ohne Verunreinigungen

· Kein Pulververlust und saubere Anlage

· Wegfall des Umfüllschritts (effizienteres Handling)

· Verbesserte Prozesssicherheit und Energieeffizienz

Die Herausforderung

Im konkreten Anwendungsfall arbeitete ein Forschungsinstitut im Bereich technischer Keramiken mit einem offenen Synthesetiegel, der beim Prozess unter Vakuum betrieben wurde. Dabei kam es regelmäßig zu Problemen:

Verunreinigungen im Endprodukt durch Fremdatome wie Eisen oder Bor, die die elektrischen Eigenschaften des SiC verschlechtern
Kontamination der Anlage, da beim Evakuieren Pulverpartikel aus dem offenen Tiegel austraten und sich im Reaktor absetzen.
Aufwendiges Handling, weil das Pulver zunächst in einem separaten Mischbehälter vermengt und anschließend in den Synthesetiegel umgefüllt werden musste.

Diese Faktoren führten zu erhöhtem Aufwand, potenziellen Ausschüssen und einer eingeschränkten Prozesssicherheit.

Die konkrete Aufgabe: Optimierung des Synthesetiegels

Ziel war es, einen Graphittiegel zu entwickeln, der sowohl das Mischen als auch die Synthese des SiC in einem einzigen Behälter ermöglicht – und dabei die Reinheit des Prozesses sicherstellt.
Graphite Materials übernahm dabei das Engineering , von der Konzeptentwicklung bis zur Ausführung. Gemeinsam mit dem Kunden entstand ein neues Tiegeldesign mit integriertem Deckelsystem, das mehrere Funktionen vereint:

Sicheres Evakuieren trotz Deckel: Spezielle Filtereinsätze im Deckel erlauben die Druckabsenkung, ohne dass Pulver austritt.
Zielgerichtete Sicherheitsmechanik: Sollte sich während der Evakuierung ein Filtereinsatz zusetzen, wird eine mögliche Rissbildung gezielt in den Deckelbereich geleitet. Ein Austreten des Pulvers in die Anlage wird verhindert.
Reinheitssteigerung: Alle Tiegelkomponenten werden thermisch nachgereinigt, um Verunreinigungen durch metallische Fremdatome auszuschließen.

Prozessergebnisse

Durch den Einsatz des neuen Tiegelkonzepts konnte der gesamte Syntheseprozess deutlich effizienter und sauberer gestaltet werden. Das SiC-Endprodukt wird nun frei von Verunreinigungen hergestellt, während der Arbeitsablauf vereinfacht und das Risiko einer Anlagenkontamination minimiert wurde.