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石英玻璃的纯度与失透性
发布时间:2017年06月13日    点击次数:    作者:石英仪器

    纯度是石英玻璃的重要指标,对理化性能和使用性能影响甚大,如失透性、高温强度、软化点、光的传导、热稳定性、化学稳定性、耐辐射性、荧光特性等;此外,用于半导体工业的石英玻璃,对纯度的要求更为苛刻,微量的杂质将给半导体材料的电性能和寿命以及集成度带来严重的影响。由于半导体材料的纯度要求控制在ppb数量级以下,因此石英玻璃则应控制在PPm数量级以适应半导体工业的需要。B的分凝系数近于1,最难除掉,是最有害的杂质之一,Cu、Fe、Ti等影响半导体的少子寿命,K、Na、Li是单晶材料产生微缺陷的有害杂质。本公司为半导体工业服务已有40余年的历史,并始终致力于去除上述有害杂质的研制工作。

 

  一、纯度

 

  石英玻璃的化学纯度

 

  名称 单位 ×10-4 %

 

  Al Fe Ca Mg Ti Cu Mn Ni Pb Sn Cr B K Na Li OH

 

  电熔石英玻璃

 

  32 2.0 1.5 1.5 2.08 0.2 0.27 0.2 0.2 <0.3 <0.3 0.2 2.12 5.31 <0.3 5

 

  气炼石英玻璃

 

  16 0.92 1.5 0.4 1.0 0.01 0.05 <0.3 <0.3 <0.3 <0.3 0.2 1.49 1.67 <0.3 400

 

  电弧石英玻璃

 

  10.4 0.3 0.6 0.3 1.35 0.05 <0.05 <0.3 <0.03 <0.03 <0.03 <0.1 0.7 1.0 1.0 27

 

  合成高纯石英玻璃

 

  0.37 0.31 0.27 0.04 0.03 0.03 0.01 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 0.02 0.5 0.5 <0.03 1200

 

  红外光学石英玻璃

 

  35 1.45 2.68 1.32 1.06 0.22 0.07 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 0.3 2.2 3 <0.3 5

 

  紫外光学石英玻璃

 

  3.9 0.4 3.5 1.2 0.45 0.1 0.02 0.06 0.04 0.02 0.03 0.1 0.5 1.5 0.05 1200

 

  不透明石英玻璃

 

  56 7.4 15.3 1.57 1.5 0.2 0.1

 

  二、失透性

 

  失透(又叫析晶性)是石英玻璃的一个固有缺陷,从热力学观点看,石英玻璃的内能高于结晶态方石英,属热力学上不稳定的亚稳态,当温度高于1000℃时,SiO2 分子振动加速,经一段较长时间的重新排列、定向便形成结晶。失透性是以晶核成长速度来表示的,不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分别达到最大值。

 

  析晶主要出现在表面,其次是内部缺陷处,原因是这些地方容易沾污,引起杂质离子的局部集聚,特别是碱离子(如K、Na、Li、Ca、Mg等)进入网络后引起粘度降低,促使失透加速。

 

  由于石英玻璃的热膨胀系数和比重同析晶产物β-方石英相近,所以在高温下连续使用时,尽管析晶区不断扩大,但体积变化并不明显,仍可满意地继续使用,此时尚可减轻玻璃的塑性变形,使耐火度提高。当析晶产物冷却到800℃时,则出现细小的龟裂网络。继续冷却到200-275℃时,则出现方石英从高温型到低温型(即β-方石英→a-方石英)的结构变化,并伴随着发生体积聚变,如果析晶层很深,则石英玻璃亦随之破裂。由于析晶常常出现在有杂质的地方,所以高温使用前的表面状态及周围耐火材料、气氛十分重要。

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