中國粉體網(wǎng)訊  石英中主要的雜質(zhì)元素有 Al、Fe、Cr、Cu、Ca、Mg、Li、Na、K、Ti、P、B、H、O、N等。按照元素種類可分為堿金屬、過渡金屬、非金屬、Al，B及P等元素，其含量是高純石英原料的關(guān)鍵指標(biāo)。不過，不同的雜質(zhì)元素對(duì)高純石英產(chǎn)品質(zhì)量的影響不同，但總的趨勢(shì)是越低越好。

堿金屬元素

堿金屬元素Li、K、Na能降低石英玻璃的使用溫度和機(jī)械強(qiáng)度，在高溫下對(duì)石英玻璃的析晶起催化作用，導(dǎo)致石英玻璃出現(xiàn)失透、高溫變形等現(xiàn)象；降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點(diǎn)，增強(qiáng)石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。

IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求堿金屬元素總和低于2.4x10-6，用于工藝管、硅片處理、石英塊、提單晶硅用的半導(dǎo)體坩堝所需高純石英要求其總和<1.4x10-6，CZ型坩堝要求其總和<0.5x10-6，而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高純石英砂要求其總和<0.08x10-6。

過渡金屬元素

過渡金屬元素 Cr、Cu、Fe可以使石英玻璃產(chǎn)生色斑或引起石英玻璃的高溫變色，影響光透過率，降低儀器的可靠性和穩(wěn)定性能，在光纖應(yīng)用中，會(huì)引起微觀不均勻、增加光纖損耗，甚至導(dǎo)致信號(hào)失真，但在半導(dǎo)體應(yīng)用中，產(chǎn)品中微小含量的過渡金屬元素可以促進(jìn)結(jié)晶生長。

Al、P、B

Al進(jìn)入石英晶格，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，影響石英制品的導(dǎo)電性，同時(shí)，增強(qiáng)了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。少量的AI不會(huì)影響到高純石英產(chǎn)品的質(zhì)量，IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求Al元素含量(12~18)x10^-6，但光導(dǎo)纖維中微量的Al便會(huì)降低石英玻璃的光傳導(dǎo)。

P元素的存在會(huì)嚴(yán)重影響單晶硅的拉制，故高純石英坩堝對(duì)P要求高，要求P元素含量<0.04x10^-6。

硼元素(B)在石英砂中的含量與石英礦的地質(zhì)有直接的關(guān)系，B離子可以進(jìn)入硅酸鹽分子的骨架，產(chǎn)生很強(qiáng)的化學(xué)鍵，而不是僅在含硼礦物中。B元素的超標(biāo)對(duì)單晶硅的拉制有致命的影響，1x10^-6的B就可以使單晶硅的電阻大幅度降低。高純石英坩堝對(duì)B要求高，要求B元素含量＜0.04×10^-6。

非金屬元素

石英砂中的非金屬元素主要由氧(O)、氫(H)、氮(N)等元素。氧的主體是SiO₂，其他則以H₂O、N₂、O₂的形式存在。SiO₂中的Si-O鍵斷裂會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會(huì)與OH或者H結(jié)合形成SiH或者SiOH基團(tuán)，羥基是一種雜質(zhì)缺陷，同時(shí)又是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺陷。

羥基對(duì)石英及石英玻璃的性能都有很大影響，首先，羥基的存在降低了石英的化學(xué)穩(wěn)定性。其次，羥基使石英結(jié)構(gòu)的疏松度增加，密度減小，結(jié)合力下降，聲音在石英玻璃中的傳播速度也將減小。羥基還能降低石英的粘度，低溫時(shí)羥基的存在會(huì)使粘度降低得更明顯。此外，羥基還影響電子產(chǎn)品的純度，降低石英的軟化溫度，促進(jìn)析出晶體，降低石英的折射率，影響石英玻璃的光學(xué)均勻性。

其他

用作半導(dǎo)體和電光源產(chǎn)業(yè)的石英玻璃，鋁、鈉、鉀、鈣、鎂和重金屬元素含量要盡可能低，否則就會(huì)影響到這些材料的耐高溫和高絕緣性能。

而用在精密光學(xué)中的石英，則要求鐵、鉻、鎳、鈦等重金屬元素含量不能過高，否則就會(huì)影響透光性。

參考資料

張海啟等：高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學(xué)提純技術(shù)研究進(jìn)展，中國地質(zhì)科學(xué)院

鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所徐雯雯：高純石英粉制備工藝研究，中國海洋大學(xué)

中國粉體網(wǎng)：不同雜質(zhì)元素對(duì)高純石英產(chǎn)品質(zhì)量有何影響？

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思） 

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