Los elementos impuros tienen un impacto significativo en la calidad de los productos de cuarzo de alta pureza, y el contenido de metales alcalinos, metales de transición, elementos Al y B es un indicador clave de las materias primas de cuarzo de alta pureza. Los requisitos para el contenido de impurezas varían según el propósito del vidrio de cuarzo preparado, pero la tendencia general es que cuanto más bajo, mejor.
Elemento de metal alcalino
Los elementos de metales alcalinos en la arena de cuarzo incluyen principalmente elementos de litio (Li), sodio (Na) y potasio (K). Estos elementos se difunden fácilmente y son químicamente activos en el cuarzo, lo que los hace relativamente fáciles de eliminar. Sin embargo, suponen un gran daño. A altas temperaturas, estos elementos actúan como fundentes, provocando malos fenómenos como la pérdida de transparencia y la deformación a alta temperatura en el vidrio a alta temperatura. Catalizan la cristalización, afectan la estabilidad térmica de los productos de cuarzo y también afectan las propiedades ópticas y térmicas del vidrio de cuarzo, reduciendo la vida útil de los semiconductores. El coeficiente dieléctrico y la pérdida dieléctrica del vidrio de cuarzo aumentarán, mientras que la velocidad de propagación y la resistencia mecánica de La luz en los productos de cuarzo disminuirá.
Reducir el contenido de elementos de metales alcalinos es beneficioso para mejorar el punto de reblandecimiento de los crisoles de cuarzo de alta pureza, mejorar su resistencia a la deformación y mejorar el rendimiento de los monocristales. La arena estándar de IOTA requiere un total de 2,4 elementos de metales alcalinos × 10-6, el cuarzo de alta pureza total requerido para crisoles semiconductores utilizados para tubos de proceso, procesamiento de obleas de silicio, bloques de cuarzo y extracción de silicio monocristalino es 1,4 × 10-6, CZ Los crisoles requieren un total de 0,5 × 10-6, y el total requerido para la arena de cuarzo de pureza ultra alta utilizada para obleas de silicio de 12 pulgadas o más es 0,08 × 10-6.
Elementos de metales de transición
Los elementos de metales de transición dopados con arena de cuarzo incluyen principalmente hierro (Fe), zinc (Zn), cobre (Cu), cromo (Cr), manganeso (Mn), níquel (Ni) y otros elementos. Estos elementos tienen un impacto significativo en los productos de cuarzo y los oligoelementos pueden disolverse en el silicio fundido para evitar la conductividad, lo que perjudica la previsibilidad y confiabilidad del instrumento. El impacto objetivo sobre los productos de cuarzo es producir manchas de color o causar decoloración a alta temperatura, reduciendo la transmitancia de la luz.
En aplicaciones de fibra óptica, puede causar microdesigualdades, aumentar la pérdida de fibra e incluso provocar distorsión de la señal. Sin embargo, en aplicaciones de semiconductores, el pequeño contenido de elementos de metales de transición en el producto puede promover el crecimiento de cristales.
Elemento de aluminio de boro
El contenido del elemento boro (B) en la arena de cuarzo está directamente relacionado con la geología del mineral de cuarzo. Los iones B pueden entrar en la estructura de las moléculas de silicato y generar fuertes enlaces químicos, y no sólo en minerales que contienen boro. Una cantidad excesiva de elemento B tiene un impacto fatal en la extracción del silicio monocristalino, y un elemento B de 1×10-6 puede reducir significativamente la resistencia del silicio monocristalino. Los crisoles de cuarzo de alta pureza requieren altos requisitos de B, con un contenido de elementos inferior a 0,04 × 10-6.
El elemento aluminio (Al) existe principalmente en minerales impuros como feldespato, arcilla y mica en arena de cuarzo. Es el elemento impureza más abundante en la arena de cuarzo, y el Al puede ingresar a la estructura tetraédrica de Si-O para reemplazar al silicio, formando una estructura de Al-O. Después de que Al3+ reemplaza al Si4+, se seleccionan elementos de metales alcalinos o incluso elementos de metales de transición para compensar la carga y equilibrar la carga. El Al que ingresa al esqueleto de Si-O no se eliminará fácilmente. El Al tiene poco efecto sobre los semiconductores, pero tiene un impacto significativo sobre el vidrio de cuarzo utilizado para fuentes de luz eléctrica. Debido a que la IA puede colorear productos de cuarzo bajo ciertas condiciones, afecta la transmitancia espectral y, por lo tanto, afecta la eficiencia de la luz. La arena estándar de IOTA requiere un contenido de elementos Al (12-18) × 10-6.
Elementos no metálicos
Los elementos no metálicos de la arena de cuarzo están compuestos principalmente de oxígeno (O), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y otros elementos. La principal masa de oxígeno es el SiO2, mientras que otros existen en forma de H2O, N2 y O2. La fractura de los enlaces Si-O en SiO2 dará como resultado defectos que se combinan con OH o H para formar grupos SiH o SiOH. Los grupos hidroxilo son tanto defectos de impurezas como defectos estructurales de la red.
Los grupos hidroxilo tienen un impacto significativo en las propiedades del cuarzo y del vidrio de cuarzo. En primer lugar, la presencia de grupos hidroxilo reduce la estabilidad química del cuarzo. En segundo lugar, los grupos hidroxilo aumentan la porosidad de la estructura del cuarzo, reducen la densidad, disminuyen la fuerza de unión y reducen la velocidad de propagación del sonido en el vidrio de cuarzo. Los grupos hidroxilo también pueden reducir la viscosidad del cuarzo, y la presencia de grupos hidroxilo a bajas temperaturas puede provocar una disminución más significativa de la viscosidad. Además, los grupos hidroxilo también afectan la pureza de los productos electrónicos, reducen la temperatura de ablandamiento del cuarzo, promueven la precipitación de cristales, reducen el índice de refracción del cuarzo y afectan la uniformidad óptica del vidrio de cuarzo.
