不同杂质元素对高纯石英产品质量有何影响?

2023-09-12

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杂质元素对高纯石英产品的质量影响很大,碱金属、过渡金属、Al及B等元素含量是高纯石英原料的关键指标。杂质元素的含量要求根据制备的石英玻璃用途不同而不同,但总的趋势是越低越好。

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光伏用高纯石英砂各杂质元素含量要求(单位:微克每克)

01碱金属元素

石英砂中的碱金属元素主要包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)元素。这些元素在石英中易扩散,化学性活泼,比较容易去除,但是它们危害很大,这些元素在高温下起着助熔剂的作用,使高温玻璃出现失透,高温变形等不良现象,对析晶起着催化作用,影响石英制品的热稳定性,还会影响石英玻璃的光学特性与热学特性,降低半导体寿命,石英玻璃的介电系数和介电损失都会增大,而石英制品光的传播速度和机械强度又都会降低。

降低碱金属元素的含量有利于提高高纯石英坩埚的软化点,增强石英坩埚的抗变形性,提高单晶的成品率。IOTA标准砂要求碱金属元素总和2.4×10-6,用于工艺管、硅片处理、石英块、提单晶硅用的半导体坩埚所需高纯石英要求其总和1.4×10-6,CZ型坩埚要求其总和0.5×10-6,而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高纯石英砂要求其总和0.08×10-6。

02过渡金属元素

石英砂中掺杂的过渡金属元素主要有铁(Fe)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)等元素,这些元素对石英制品的影响很大,微量的元素溶入硅熔体就能阻止导电性,对仪器的预见性和可靠性都起着负面作用,对石英制品客观的影响就是产生色斑,或者引起高温变色,降低光透过率。

在光纤应用中,会引起微观不均匀、增加光纤损耗,甚至导致信号失真,但在半导体应用中,产品中微小含量的过渡金属元素可以促进结晶生长。

03硼铝元素

硼元素(B)在石英砂中的含量与石英矿的地质有直接的关系,B离子可以进入硅酸盐分子的骨架,产生很强的化学键,而不是仅在含硼矿物中。B元素的超标对单晶硅的拉制有致命的影响,1x10-6的B就可以使单晶硅的电阻大幅度降低。高纯石英坩埚对B要求高,要求B元素含量<0.04×10-6。

铝元素(Al)在石英砂中主要存在于长石、粘土及云母等杂质矿物中。是石英砂中含量最多的杂质元素,Al可以进入Si-O四面体结构骨架中,将硅取代,形成Al-O结构,Al3+取代Si4+后,为了平衡电荷,选用碱金属元素甚至过渡金属元素来补偿电荷。而进入Si-O骨架的Al将不易除去。Al对半导体的影响不大,但是对于电光源用的石英玻璃有很大影响,由于Al在一定条件下可以使石英制品有色,对光谱通过率有影响,进而影响光效。IOTA标准砂要求Al元素含量(12~18)×10-6。

04非金属元素

石英砂中的非金属元素主要由氧(O)、氢(H)、氮(N)等元素。氧的主体是SiO2,其他则以H2O、N2、O2的形式存在。SiO2中的Si-O键断裂会产生缺陷,这些缺陷会与OH或者H结合形成SiH或者SiOH基团,羟基是一种杂质缺陷,同时又是一种网络结构缺陷。

羟基对石英及石英玻璃的性能都有很大影响,首先,羟基的存在降低了石英的化学稳定性。其次,羟基使石英结构的疏松度增加,密度减小,结合力下降,声音在石英玻璃中的传播速度也将减小。羟基还能降低石英的粘度,低温时羟基的存在会使粘度降低得更明显。此外,羟基还影响电子产品的纯度,降低石英的软化温度,促进析出晶体,降低石英的折射率,影响石英玻璃的光学均匀性。

参考资料

张海啟等:高纯石英中杂质特征及深度化学提纯技术研究进展,中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所

徐雯雯:高纯石英粉制备工艺研究,中国海洋大学

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