Safsızlık elementleri, yüksek saflıkta kuvars ürünlerinin kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve alkali metaller, geçiş metalleri, Al ve B elementlerinin içeriği, yüksek saflıkta kuvars hammaddelerinin önemli bir göstergesidir. Safsızlık elementlerinin içeriğine ilişkin gereksinimler, hazırlanan kuvars camın amacına bağlı olarak değişir, ancak genel eğilim ne kadar düşükse o kadar iyi olmasıdır.
Alkali metal elementi
Kuvars kumundaki alkali metal elementler esas olarak lityum (Li), sodyum (Na) ve potasyum (K) elementlerini içerir. Bu elementler kuvarsta kolayca yayılır ve kimyasal olarak aktiftir, bu da onların uzaklaştırılmasını nispeten kolaylaştırır. Ancak büyük zararlar veriyorlar. Yüksek sıcaklıklarda, bu elementler akıcılık görevi görerek, yüksek sıcaklıktaki camda şeffaflığın kaybı ve yüksek sıcaklıkta deformasyon gibi kötü olaylara neden olur. Kristalleşmeyi katalize ederler, kuvars ürünlerinin termal stabilitesini etkilerler ve ayrıca kuvars camının optik ve termal özelliklerini etkileyerek yarı iletkenlerin ömrünü azaltırlar. Kuvars camının dielektrik katsayısı ve dielektrik kaybı artarken, yayılma hızı ve mekanik mukavemeti artar. Kuvars ürünlerde ışık azalacaktır.
Alkali metal elementlerinin içeriğinin azaltılması, yüksek saflıktaki kuvars potaların yumuşama noktasının iyileştirilmesi, deformasyon direncinin arttırılması ve tek kristallerin veriminin arttırılması açısından faydalıdır. IOTA standart kumu toplam 2,4 alkali metal element × 10-6 gerektirir; proses tüpleri, silikon levha işleme, kuvars bloklar ve monokristalin silikon ekstraksiyonu için kullanılan yarı iletken potalar için gereken toplam yüksek saflıkta kuvars 1,4 × 10-6, CZ'dir. Potalar toplam 0,5 × 10-6 gerektirir ve 12 inç veya daha büyük silikon plakalar için kullanılan ultra yüksek saflıkta kuvars kumu için gereken toplam 0,08 × 10-6'dır.
Geçiş metal elemanları
Kuvars kumuna katkılı geçiş metali elementleri esas olarak demir (Fe), çinko (Zn), bakır (Cu), krom (Cr), manganez (Mn), nikel (Ni) ve diğer elementleri içerir. Bu elementlerin kuvars ürünleri üzerinde önemli bir etkisi vardır ve iz elementler silikon eriyiğinin içinde çözünerek iletkenliği engelleyebilir, bu da cihazın öngörülebilirliğine ve güvenilirliğine zarar verir. Kuvars ürünler üzerindeki amaç, renk lekeleri oluşturmak veya yüksek sıcaklıkta renk bozulmasına neden olarak ışık geçirgenliğini azaltmaktır.
Fiber optik uygulamalarda mikro düzensizliklere neden olabilir, fiber kaybını artırabilir ve hatta sinyal bozulmasına yol açabilir. Ancak yarı iletken uygulamalarda, üründeki geçiş metali elementlerinin küçük içeriği kristal büyümesini destekleyebilir.
Bor alüminyum elemanı
Kuvars kumundaki bor elementinin (B) içeriği doğrudan kuvars cevherinin jeolojisi ile ilgilidir. B iyonları, yalnızca bor içeren minerallerde değil, silikat moleküllerinin çerçevesine girebilir ve güçlü kimyasal bağlar oluşturabilir. Aşırı miktarda B elementi, monokristalin silikonun çekilmesi üzerinde ölümcül bir etkiye sahiptir ve 1×10-6 B elementi, monokristalin silikonun direncini önemli ölçüde azaltabilir. Yüksek saflıkta kuvars potaları, 0,04 × 10-6'dan daha az element içeriğine sahip B için yüksek gereksinimler gerektirir.
Alüminyum elementi (Al) esas olarak kuvars kumundaki feldispat, kil ve mika gibi yabancı maddeler içeren minerallerde bulunur. Kuvars kumunda en bol bulunan yabancı madde elementidir ve Al, Si-O tetrahedral çerçevesine girerek silikonun yerini alabilir ve bir Al-O yapısı oluşturabilir. Al3+, Si4+'nın yerini aldıktan sonra, yükü dengelemek amacıyla alkali metal elementler ve hatta geçiş metal elementleri seçilir. Si-O iskeletine giren Al kolayca ortadan kaldırılmayacaktır. Al'ın yarı iletkenler üzerinde çok az etkisi vardır, ancak elektrikli ışık kaynaklarında kullanılan kuvars camı üzerinde önemli bir etkisi vardır. AI, kuvars ürünlerini belirli koşullar altında renklendirebildiğinden, spektral geçirgenliği ve dolayısıyla ışık verimliliğini etkiler. IOTA standart kumu Al element içeriği (12-18) × 10-6 gerektirir.
Metalik olmayan elementler
Kuvars kumundaki metalik olmayan elementler esas olarak oksijen (O), hidrojen (H), nitrojen (N) ve diğer elementlerden oluşur. Oksijenin ana gövdesi SiO2'dir, diğerleri ise H2O, N2 ve O2 formunda bulunur. SiO2'deki Si-O bağlarının kırılması, OH veya H ile birleşerek SiH veya SiOH grupları oluşturan kusurlara neden olacaktır. Hidroksil grupları hem safsızlık kusurları hem de ağ yapısal kusurlarıdır.
Hidroksil gruplarının kuvars ve kuvars camının özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır. İlk olarak, hidroksil gruplarının varlığı kuvarsın kimyasal stabilitesini azaltır. İkincisi, hidroksil grupları kuvars yapısının gözenekliliğini arttırır, yoğunluğu azaltır, bağlama kuvvetini azaltır ve kuvars camında sesin yayılma hızını azaltır. Hidroksil grupları ayrıca kuvarsın viskozitesini de azaltabilir ve düşük sıcaklıklarda hidroksil gruplarının varlığı viskozitede daha önemli bir azalmaya neden olabilir. Ek olarak, hidroksil grupları elektronik ürünlerin saflığını da etkiler, kuvarsın yumuşama sıcaklığını azaltır, kristal çökelmesini teşvik eder, kuvarsın kırılma indeksini azaltır ve kuvars camının optik tekdüzeliğini etkiler.
