Les éléments d'impuretés ont un impact significatif sur la qualité des produits à base de quartz de haute pureté, et la teneur en métaux alcalins, métaux de transition, éléments Al et B est un indicateur clé des matières premières de quartz de haute pureté. Les exigences relatives à la teneur en éléments d'impuretés varient en fonction de la destination du verre de quartz préparé, mais la tendance générale est que plus elle est faible, mieux c'est.
Élément métallique alcalin
Les éléments métalliques alcalins contenus dans le sable de quartz comprennent principalement les éléments lithium (Li), sodium (Na) et potassium (K). Ces éléments se diffusent facilement et sont chimiquement actifs dans le quartz, ce qui les rend relativement faciles à éliminer. Cependant, ils causent de graves dommages. À haute température, ces éléments agissent comme des flux, provoquant de mauvais phénomènes tels qu'une perte de transparence et une déformation à haute température du verre à haute température. Ils catalysent la cristallisation, affectent la stabilité thermique des produits à quartz et affectent également les propriétés optiques et thermiques du verre de quartz, réduisant ainsi la durée de vie des semi-conducteurs. Le coefficient diélectrique et la perte diélectrique du verre de quartz augmenteront, tandis que la vitesse de propagation et la résistance mécanique de la lumière dans les produits à quartz diminuera.
La réduction de la teneur en éléments métalliques alcalins est bénéfique pour améliorer le point de ramollissement des creusets en quartz de haute pureté, améliorer leur résistance à la déformation et améliorer le rendement des monocristaux. Le sable standard IOTA nécessite un total de 2,4 éléments de métaux alcalins × 10-6, le quartz de haute pureté total requis pour les creusets semi-conducteurs utilisés pour les tubes de traitement, le traitement des plaquettes de silicium, les blocs de quartz et l'extraction de silicium monocristallin est de 1,4 × 10-6, CZ les creusets nécessitent un total de 0,5 × 10-6, et le total requis pour le sable de quartz de très haute pureté utilisé pour les tranches de silicium de 12 pouces ou plus est de 0,08 × 10-6.
Éléments métalliques de transition
Les éléments de métaux de transition dopés dans le sable de quartz comprennent principalement le fer (Fe), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), le chrome (Cr), le manganèse (Mn), le nickel (Ni) et d'autres éléments. Ces éléments ont un impact significatif sur les produits à base de quartz et des oligo-éléments peuvent se dissoudre dans le silicium fondu pour empêcher la conductivité, ce qui nuit à la prévisibilité et à la fiabilité de l'instrument. L’impact objectif sur les produits à base de quartz est de produire des taches de couleur ou de provoquer une décoloration à haute température, réduisant ainsi la transmission de la lumière.
Dans les applications de fibre optique, cela peut provoquer des micro-irrégularités, augmenter la perte de fibre et même conduire à une distorsion du signal. Cependant, dans les applications de semi-conducteurs, la faible teneur en éléments métalliques de transition dans le produit peut favoriser la croissance cristalline.
Élément en aluminium et bore
La teneur en élément bore (B) du sable de quartz est directement liée à la géologie du minerai de quartz. Les ions B peuvent pénétrer dans la structure des molécules de silicate et générer des liaisons chimiques fortes, plutôt que uniquement dans les minéraux contenant du bore. La quantité excessive d'élément B a un impact fatal sur l'étirage du silicium monocristallin, et un élément B 1 × 10-6 peut réduire considérablement la résistance du silicium monocristallin. Les creusets en quartz de haute pureté nécessitent des exigences élevées en matière de B, avec une teneur en éléments inférieure à 0,04 × 10-6.
L’élément aluminium (Al) existe principalement dans les minéraux impuretés tels que le feldspath, l’argile et le mica du sable de quartz. C'est l'élément d'impureté le plus abondant dans le sable de quartz, et Al peut entrer dans la structure tétraédrique Si-O pour remplacer le silicium, formant ainsi une structure Al-O. Après que Al3+ ait remplacé Si4+, des éléments métalliques alcalins ou même des éléments métalliques de transition sont sélectionnés pour compenser la charge afin d'équilibrer la charge. L'Al entrant dans le squelette Si-O ne sera pas facilement éliminé. L'aluminium a peu d'effet sur les semi-conducteurs, mais il a un impact significatif sur le verre de quartz utilisé pour les sources de lumière électrique. Étant donné que l’IA peut colorer les produits à quartz dans certaines conditions, elle affecte la transmission spectrale et donc l’efficacité lumineuse. Le sable standard IOTA nécessite une teneur en éléments Al (12-18) × 10-6.
Éléments non métalliques
Les éléments non métalliques du sable de quartz sont principalement composés d'oxygène (O), d'hydrogène (H), d'azote (N) et d'autres éléments. Le corps principal de l’oxygène est SiO2, tandis que d’autres existent sous forme de H2O, N2 et O2. La rupture des liaisons Si-O dans SiO2 entraînera des défauts qui se combineront avec OH ou H pour former des groupes SiH ou SiOH. Les groupes hydroxyle sont à la fois des défauts d’impuretés et des défauts structurels du réseau.
Les groupes hydroxyle ont un impact significatif sur les propriétés du quartz et du verre de quartz. Premièrement, la présence de groupes hydroxyles réduit la stabilité chimique du quartz. Deuxièmement, les groupes hydroxyle augmentent la porosité de la structure du quartz, réduisent la densité, diminuent la force de liaison et réduisent la vitesse de propagation du son dans le verre de quartz. Les groupes hydroxyles peuvent également réduire la viscosité du quartz, et la présence de groupes hydroxyles à basse température peut entraîner une diminution plus significative de la viscosité. De plus, les groupes hydroxyle affectent également la pureté des produits électroniques, réduisent la température de ramollissement du quartz, favorisent la précipitation des cristaux, réduisent l'indice de réfraction du quartz et affectent l'uniformité optique du verre de quartz.
