Os elementos de impureza têm um impacto significativo na qualidade dos produtos de quartzo de alta pureza, e o teor de metais alcalinos, metais de transição, elementos Al e B é um indicador chave de matérias-primas de quartzo de alta pureza. Os requisitos para o teor de elementos de impureza variam dependendo da finalidade do vidro de quartzo preparado, mas a tendência geral é que quanto menor, melhor.
Elemento de metal alcalino
Os elementos de metais alcalinos na areia de quartzo incluem principalmente elementos de lítio (Li), sódio (Na) e potássio (K). Esses elementos são facilmente difundidos e quimicamente ativos no quartzo, tornando-os relativamente fáceis de remover. No entanto, eles representam grandes danos. Em altas temperaturas, esses elementos atuam como fluxos, causando fenômenos ruins, como perda de transparência e deformação em alta temperatura em vidros de alta temperatura. Eles catalisam a cristalização, afetam a estabilidade térmica dos produtos de quartzo e também afetam as propriedades ópticas e térmicas do vidro de quartzo, reduzindo a vida útil dos semicondutores. O coeficiente dielétrico e a perda dielétrica do vidro de quartzo aumentarão, enquanto a velocidade de propagação e a resistência mecânica do a luz nos produtos de quartzo diminuirá.
A redução do conteúdo de elementos de metais alcalinos é benéfica para melhorar o ponto de amolecimento de cadinhos de quartzo de alta pureza, aumentando sua resistência à deformação e melhorando o rendimento de monocristais. A areia padrão IOTA requer um total de 2,4 elementos de metal alcalino × 10-6, o quartzo de alta pureza total necessário para cadinhos semicondutores usados para tubos de processo, processamento de wafer de silício, blocos de quartzo e extração de silício monocristalino é 1,4 × 10-6, CZ os cadinhos requerem um total de 0,5 × 10-6, e o total necessário para areia de quartzo de pureza ultra-alta usada para pastilhas de silício de 12 polegadas ou maiores é 0,08 × 10-6.
Elementos metálicos de transição
Os elementos de metais de transição dopados em areia de quartzo incluem principalmente ferro (Fe), zinco (Zn), cobre (Cu), cromo (Cr), manganês (Mn), níquel (Ni) e outros elementos. Esses elementos têm um impacto significativo nos produtos de quartzo, e os oligoelementos podem se dissolver no silício fundido para evitar a condutividade, o que prejudica a previsibilidade e a confiabilidade do instrumento. O impacto objetivo nos produtos de quartzo é produzir manchas coloridas ou causar descoloração em alta temperatura, reduzindo a transmitância da luz.
Em aplicações de fibra óptica, pode causar micro irregularidades, aumentar a perda de fibra e até mesmo levar à distorção do sinal. No entanto, em aplicações de semicondutores, o pequeno conteúdo de elementos de metais de transição no produto pode promover o crescimento de cristais.
Elemento de alumínio de boro
O teor do elemento boro (B) na areia de quartzo está diretamente relacionado à geologia do minério de quartzo. Os íons B podem entrar na estrutura das moléculas de silicato e gerar fortes ligações químicas, e não apenas em minerais contendo boro. A quantidade excessiva do elemento B tem um impacto fatal na trefilação do silício monocristalino, e um elemento 1×10-6 B pode reduzir significativamente a resistência do silício monocristalino. Cadinhos de quartzo de alta pureza exigem altos requisitos para B, com um conteúdo de elemento inferior a 0,04 × 10-6.
O elemento alumínio (Al) existe principalmente em minerais impuros, como feldspato, argila e mica na areia de quartzo. É o elemento de impureza mais abundante na areia de quartzo, e o Al pode entrar na estrutura tetraédrica Si-O para substituir o silício, formando uma estrutura Al-O. Depois que Al3+ substitui Si4+, elementos de metais alcalinos ou mesmo elementos de metais de transição são selecionados para compensar a carga e equilibrar a carga. O Al que entra no esqueleto de Si-O não será facilmente removido. O Al tem pouco efeito nos semicondutores, mas tem um impacto significativo no vidro de quartzo usado em fontes de luz elétrica. Como a IA pode colorir produtos de quartzo sob certas condições, ela afeta a transmitância espectral e, portanto, afeta a eficiência da luz. A areia padrão IOTA requer conteúdo de elemento Al (12-18) × 10-6.
Elementos não metálicos
Os elementos não metálicos da areia de quartzo são compostos principalmente de oxigênio (O), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e outros elementos. O principal corpo de oxigênio é o SiO2, enquanto outros existem na forma de H2O, N2 e O2. A fratura das ligações Si-O no SiO2 resultará em defeitos que se combinam com OH ou H para formar grupos SiH ou SiOH. Os grupos hidroxila são defeitos de impureza e defeitos estruturais de rede.
Os grupos hidroxila têm um impacto significativo nas propriedades do quartzo e do vidro de quartzo. Em primeiro lugar, a presença de grupos hidroxila reduz a estabilidade química do quartzo. Em segundo lugar, os grupos hidroxila aumentam a porosidade da estrutura do quartzo, reduzem a densidade, diminuem a força de ligação e reduzem a velocidade de propagação do som no vidro de quartzo. Os grupos hidroxila também podem reduzir a viscosidade do quartzo, e a presença de grupos hidroxila em baixas temperaturas pode causar uma diminuição mais significativa na viscosidade. Além disso, os grupos hidroxila também afetam a pureza dos produtos eletrônicos, reduzem a temperatura de amolecimento do quartzo, promovem a precipitação de cristais, reduzem o índice de refração do quartzo e afetam a uniformidade óptica do vidro de quartzo.
