中國粉體網(wǎng)訊  雜質(zhì)元素對高純石英產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，堿金屬、過渡金屬、Al及B等元素含量是高純石英原料的關(guān)鍵指標。雜質(zhì)元素的含量要求根據(jù)制備的石英玻璃用途不同而不同，但總的趨勢是越低越好。

光伏用高純石英砂各雜質(zhì)元素含量要求（單位：微克每克）

堿金屬元素

石英砂中的堿金屬元素主要包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)元素。這些元素在石英中易擴散，化學性活潑，比較容易去除，但是它們危害很大，這些元素在高溫下起著助熔劑的作用，使高溫玻璃出現(xiàn)失透，高溫變形等不良現(xiàn)象，對析晶起著催化作用，影響石英制品的熱穩(wěn)定性，還會影響石英玻璃的光學特性與熱學特性，降低半導體壽命，石英玻璃的介電系數(shù)和介電損失都會增大，而石英制品光的傳播速度和機械強度又都會降低。

降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點，增強石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。IOTA標準砂要求堿金屬元素總和2.4×10^-6，用于工藝管、硅片處理、石英塊、提單晶硅用的半導體坩堝所需高純石英要求其總和1.4×10^-6，CZ型坩堝要求其總和0.5×10^-6，而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高純石英砂要求其總和0.08×10^-6。

過渡金屬元素

石英砂中摻雜的過渡金屬元素主要有鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鎳(Ni)等元素，這些元素對石英制品的影響很大，微量的元素溶入硅熔體就能阻止導電性，對儀器的預見性和可靠性都起著負面作用，對石英制品客觀的影響就是產(chǎn)生色斑，或者引起高溫變色，降低光透過率。

在光纖應用中，會引起微觀不均勻、增加光纖損耗，甚至導致信號失真，但在半導體應用中，產(chǎn)品中微小含量的過渡金屬元素可以促進結(jié)晶生長。

硼鋁元素

硼元素(B)在石英砂中的含量與石英礦的地質(zhì)有直接的關(guān)系，B離子可以進入硅酸鹽分子的骨架，產(chǎn)生很強的化學鍵，而不是僅在含硼礦物中。B元素的超標對單晶硅的拉制有致命的影響，1x10^-6的B就可以使單晶硅的電阻大幅度降低。高純石英坩堝對B要求高，要求B元素含量＜0.04×10^-6。

鋁元素(Al)在石英砂中主要存在于長石、粘土及云母等雜質(zhì)礦物中。是石英砂中含量最多的雜質(zhì)元素，Al可以進入Si-O四面體結(jié)構(gòu)骨架中，將硅取代，形成Al-O結(jié)構(gòu)，Al³⁺取代Si⁴⁺后，為了平衡電荷，選用堿金屬元素甚至過渡金屬元素來補償電荷。而進入Si-O骨架的Al將不易除去。Al對半導體的影響不大，但是對于電光源用的石英玻璃有很大影響，由于AI在一定條件下可以使石英制品有色，對光譜通過率有影響，進而影響光效。IOTA標準砂要求Al元素含量(12~18)×10^-6。

非金屬元素

石英砂中的非金屬元素主要由氧(O)、氫(H)、氮(N)等元素。氧的主體是SiO₂，其他則以H₂O、N₂、O₂的形式存在。SiO₂中的Si-O鍵斷裂會產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會與OH或者H結(jié)合形成SiH或者SiOH基團，羥基是一種雜質(zhì)缺陷，同時又是一種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)缺陷。

羥基對石英及石英玻璃的性能都有很大影響，首先，羥基的存在降低了石英的化學穩(wěn)定性。其次，羥基使石英結(jié)構(gòu)的疏松度增加，密度減小，結(jié)合力下降，聲音在石英玻璃中的傳播速度也將減小。羥基還能降低石英的粘度，低溫時羥基的存在會使粘度降低得更明顯。此外，羥基還影響電子產(chǎn)品的純度，降低石英的軟化溫度，促進析出晶體，降低石英的折射率，影響石英玻璃的光學均勻性。

參考資料

張海啟等：高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學提純技術(shù)研究進展，中國地質(zhì)科學院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所

徐雯雯：高純石英粉制備工藝研究，中國海洋大學

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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