Примесные элементы оказывают существенное влияние на качество кварцевой продукции высокой чистоты, а содержание щелочных металлов, переходных металлов, элементов Al и B является ключевым показателем кварцевого сырья высокой чистоты. Требования к содержанию примесных элементов различаются в зависимости от назначения приготавливаемого кварцевого стекла, но общая тенденция такова: чем меньше, тем лучше.
Элемент щелочного металла
Элементы щелочных металлов в кварцевом песке в основном включают элементы лития (Li), натрия (Na) и калия (K). Эти элементы легко диффундируют и химически активны в кварце, что позволяет относительно легко их удалить. Однако они приносят большой вред. При высоких температурах эти элементы действуют как флюсы, вызывая такие негативные явления, как потеря прозрачности и высокотемпературная деформация высокотемпературного стекла. Они катализируют кристаллизацию, влияют на термическую стабильность кварцевых изделий, а также влияют на оптические и термические свойства кварцевого стекла, сокращая срок службы полупроводников. Диэлектрический коэффициент и диэлектрические потери кварцевого стекла возрастут, при этом скорость распространения и механическая прочность свет в кварцевых изделиях уменьшится.
Снижение содержания щелочных элементов благоприятно для повышения температуры размягчения кварцевых тиглей высокой чистоты, повышения их стойкости к деформации и увеличения выхода монокристаллов. Стандартный песок IOTA требует в общей сложности 2,4 элемента щелочного металла × 10-6, общее количество требуемого кварца высокой чистоты для полупроводниковых тиглей, используемых для технологических трубок, обработки кремниевых пластин, кварцевых блоков и извлечения монокристаллического кремния, составляет 1,4 × 10-6, CZ для тиглей требуется в общей сложности 0,5 × 10-6, а общая сумма, необходимая для кварцевого песка сверхвысокой чистоты, используемого для кремниевых пластин размером 12 дюймов или больше, составляет 0,08 × 10-6.
Переходные металлические элементы
Элементы переходных металлов, легированные в кварцевый песок, в основном включают железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni) и другие элементы. Эти элементы оказывают существенное влияние на кварцевые изделия, а микроэлементы могут растворяться в расплаве кремния, предотвращая проводимость, что ухудшает предсказуемость и надежность прибора. Объективное воздействие на кварцевые изделия заключается в появлении цветных пятен или высокотемпературном обесцвечивании, снижающем светопропускание.
В оптоволоконных приложениях это может вызвать микронеравномерность, увеличить потери в волокне и даже привести к искажению сигнала. Однако в полупроводниковых приложениях небольшое содержание элементов переходных металлов в продукте может способствовать росту кристаллов.
Бор-алюминиевый элемент
Содержание элемента бора (В) в кварцевом песке напрямую связано с геологией кварцевой руды. Ионы B могут проникать в каркас молекул силиката и образовывать прочные химические связи не только в борсодержащих минералах. Чрезмерное количество элемента B губительно влияет на вытяжку монокристаллического кремния, а элемент B 1×10-6 может значительно снизить сопротивление монокристаллического кремния. Кварцевые тигли высокой чистоты предъявляют высокие требования к В, при содержании элемента менее 0,04×10-6.
Элемент алюминия (Al) в основном присутствует в примесных минералах, таких как полевой шпат, глина и слюда в кварцевом песке. Это наиболее распространенный примесный элемент в кварцевом песке, и Al может входить в тетраэдрический каркас Si-O, заменяя кремний, образуя структуру Al-O. После того как Al3+ заменяет Si4+, элементы щелочных металлов или даже элементы переходных металлов выбираются для компенсации заряда, чтобы сбалансировать заряд. Al, попавший в скелет Si-O, будет нелегко удалить. Al мало влияет на полупроводники, но оказывает существенное влияние на кварцевое стекло, используемое для источников электрического света. Поскольку ИИ может окрашивать кварцевые изделия при определенных условиях, он влияет на спектральный коэффициент пропускания и, следовательно, на эффективность света. Стандартный песок IOTA требует содержания элементов Al (12-18) × 10-6.
Неметаллические элементы
Неметаллические элементы в кварцевом песке в основном состоят из кислорода (O), водорода (H), азота (N) и других элементов. Основная масса кислорода — SiO2, остальные существуют в виде H2O, N2 и O2. Разрыв связей Si-O в SiO2 приведет к образованию дефектов, которые в сочетании с OH или H образуют группы SiH или SiOH. Гидроксильные группы являются как примесными дефектами, так и дефектами сетчатой структуры.
Гидроксильные группы оказывают существенное влияние на свойства кварца и кварцевого стекла. Во-первых, наличие гидроксильных групп снижает химическую устойчивость кварца. Во-вторых, гидроксильные группы увеличивают пористость структуры кварца, уменьшают плотность, уменьшают силу связи и уменьшают скорость распространения звука в кварцевом стекле. Гидроксильные группы также могут снижать вязкость кварца, а наличие гидроксильных групп при низких температурах может вызвать более существенное снижение вязкости. Кроме того, гидроксильные группы также влияют на чистоту электронных продуктов, снижают температуру размягчения кварца, способствуют осаждению кристаллов, снижают показатель преломления кварца и влияют на оптическую однородность кварцевого стекла.
