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技術(shù)文章

石英玻璃材料簡介

石英玻璃的形成是由于其熔體高溫黏度很高引起的結(jié)果。用于制作半導(dǎo)體、電光源器、半導(dǎo)通信裝置、激光器、光學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)室儀器、電學(xué)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和耐高溫耐腐蝕的化學(xué)儀器、化工、電子、冶金、建材以及國防等工業(yè),應(yīng)用十分廣泛。高純石英玻璃可制光導(dǎo)纖維。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,石英玻璃被廣泛的用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的各項(xiàng)工序中。比如,直拉法把多晶轉(zhuǎn)化成單晶硅;清洗時(shí)用的清洗槽;擴(kuò)散時(shí)用的擴(kuò)散管、刻槽舟;離子注入時(shí)用的鐘罩等等。

石英玻璃是一種只含二氧化硅單一成份的特種玻璃。由于種類、工藝、原料 的不同,國外常常叫做硅酸玻璃、石英玻璃、熔融石英、熔凝石英、合成熔融石英,以及沒有明確概念的透明、半透明、不透明石英等。我國統(tǒng)稱石英玻璃,多按工藝方法、用途及外觀來分類,如電熔透明石英玻璃、連熔石英玻璃、氣煉透明石英玻璃、合成石英玻璃、不透明石英玻璃、光學(xué)石英玻璃、半導(dǎo)體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習(xí)慣于用石英這樣一個(gè)簡單的詞匯來命名這種材料,這是絕對不妥的,因?yàn)?/span>石英是二氧化硅結(jié)晶態(tài)的一種通稱,它與玻璃態(tài)二氧化硅在理化性質(zhì)上是有區(qū)別的。

石英玻璃具有極低的熱膨脹系數(shù),高的耐溫性,極好的化學(xué)穩(wěn)定性,優(yōu)良的電絕緣性,低而穩(wěn)定的超聲延遲性能,最佳的透紫外光譜性能以及透可見光及近紅外光譜性能,并有著高于普通玻璃的機(jī)械性能。因此它是近代尖端技術(shù)中空間技術(shù)、原子能工業(yè)、國防裝備、自動化系統(tǒng),以及半導(dǎo)體、冶金、化工、電光源、通訊、輕工、建材等工業(yè)中不可缺少的優(yōu)良材料之一。

石英玻璃是用天然結(jié)晶石英(水晶或純的硅石),或合成硅烷經(jīng)高溫熔制而成。熔融后的產(chǎn)品具有極好的加工性能,在其高的粘度范圍內(nèi),可以將管和棒進(jìn)行有如普通玻璃細(xì)工一樣的熱加工,還可以用金剛石或碳化硅制成的磨具進(jìn)行高速機(jī)械加工,從而制成各種復(fù)雜形狀的儀器和特種制品。石英玻璃的性能主要取決于它的純度,其次是工藝過程或熱工制度。微量雜質(zhì)的存在將給石英玻璃的使用性能帶來重大的影響;同時(shí)由于工藝過程或熱工制度的稍有疏忽,將給外觀質(zhì)量帶來多種多樣的缺陷,產(chǎn)生大量的廢次產(chǎn)品。

純度是石英玻璃的重要指標(biāo),對理化性能和使用性能影響甚大,如失透性、高溫強(qiáng)度、軟化點(diǎn)、光的傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性、熒光特性等;此外,用于半導(dǎo)體工業(yè)的石英玻璃,對純度的要求更為苛刻,微量的雜質(zhì)將給半導(dǎo)體材料的電性能和壽命以及集成度帶來嚴(yán)重的影響。由于半導(dǎo)體材料的純度要求控制在ppb數(shù)量級以下,因此石英玻璃則應(yīng)控制在PPm數(shù)量級以適應(yīng)半導(dǎo)體工業(yè)的需要。B的分凝系數(shù)近于1,最難除掉,是最有害的雜質(zhì)之一,Cu、Fe、Ti等影響半導(dǎo)體的少子壽命,K、Na、Li是單晶材料產(chǎn)生微缺陷的有害雜質(zhì)。

失透(又叫析晶性)是石英玻璃的一個(gè)固有缺陷,從熱力學(xué)觀點(diǎn)看,石英玻璃 的內(nèi)能高于結(jié)晶態(tài)方石英,屬熱力學(xué)上不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài),當(dāng)溫度高于1000時(shí),SiO2 分子振動加速,經(jīng)一段較長時(shí)間的重新排列、定向便形成結(jié)晶。失透性是以晶核成長速度來表示的,不透明石英玻璃在1520、透明石英玻璃在1620析晶速度分別達(dá)到最大值。 析晶主要出現(xiàn)在表面,其次是內(nèi)部缺陷處,原因是這些地方容易沾污,引起雜質(zhì)離子的局部集聚,特別是堿離子(如K、NaLi、CaMg等)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后引起粘度降低,促使失透加速。 由于石英玻璃的熱膨脹系數(shù)和比重同析晶產(chǎn)物β-方石英相近,所以在高溫下連續(xù)使用時(shí),盡管析晶區(qū)不斷擴(kuò)大,但體積變化并不明顯,仍可滿意地繼續(xù)使用,此時(shí)尚可減輕玻璃的塑性變形,使耐火度提高。當(dāng)析晶產(chǎn)物冷卻到800時(shí),則出現(xiàn)細(xì)小的龜裂網(wǎng)絡(luò)。繼續(xù)冷卻到200-275時(shí),則出現(xiàn)方石英從高溫型到低溫型(即β-方石英→a-方石英)的結(jié)構(gòu)變化,并伴隨著發(fā)生體積聚變,如果析晶層很深,則石英玻璃亦隨之破裂。由于析晶常常出現(xiàn)在有雜質(zhì)的地方,所以高溫使用前的表面狀態(tài)及周圍耐火材料、氣氛十分重要。

石英玻璃屬酸性材料,除氫氟酸和熱磷酸外,對其它任何酸均表現(xiàn)為惰性,是最好的耐酸材料。在常溫下堿和鹽對石英玻璃的腐蝕程度也是極微的,因此不排除在這些試劑中使用石英玻璃。透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性,這是因?yàn)楹笳哂捎跉馀莸拇嬖诒┞对诟g液中的表面積增加所致。

石英玻璃的結(jié)構(gòu)十分松弛,甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)散,其中以鈉離子的擴(kuò)散為最快。石英玻璃的這一性能對于使用者尤為重要,例如,半導(dǎo)體工業(yè)用石英玻璃作為高溫容器或擴(kuò)散管時(shí),由于半導(dǎo)體材料要求很高的純度,所以要求與石英玻璃接觸的作為爐襯的耐火材料必須預(yù)先經(jīng)過高溫和清潔處理,除掉鉀、鈉等堿性雜質(zhì),然后才能放入石英玻璃內(nèi)使用。

石英玻璃的光學(xué)性能有其獨(dú)到之處,它既可以透過遠(yuǎn)紫外光譜,是所有透紫外材料最優(yōu)者,又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據(jù)需要,從185-3500mμ波段范圍內(nèi)任意選擇所需品種。由于石英玻璃耐高溫,熱膨脹系數(shù)極小,化學(xué)熱穩(wěn)定性好,氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學(xué)玻璃媲美,所以它是在各種惡劣場合下工作具有高穩(wěn)定度光學(xué)系統(tǒng)的必不可少的光學(xué)材料。石英玻璃的結(jié)構(gòu),雜質(zhì)含量,OH基因及NO、CO等含量是影響光譜透過率的主要因素,氧原子結(jié)合不良在0.24μ處則有吸收峰,含有OH基團(tuán)的石英玻璃,在2.7μ處由于分子振動將產(chǎn)生明顯的吸收峰,紫外透過率低主要是由于金屬雜質(zhì)多造成原子吸收光譜所致。 石英玻璃的光譜特性曲線 電熔石英玻璃是很好的透紅外材料,但由于雜質(zhì)的存在,紫外透過率低。氫氧焰熔制水晶所獲得的石英玻璃,由于氧結(jié)構(gòu)缺陷,在0.24μ處有吸收峰,同時(shí)含有OH基團(tuán),所以紅外透過極低。用合成原料氣煉的高純光學(xué)石英玻璃是最好的透紫外材料,但在2.7μ處有嚴(yán)重的OH吸收峰。只有用合成原料通過電熔或無氫火焰熔融而成的光學(xué)石英玻璃,才能很好地透過從遠(yuǎn)紫外到近紅外的連續(xù)光譜。

石英玻璃的熱膨脹系數(shù)小,為5.5×10-7/,只有普通玻璃的1/121/20.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將試樣灼燒到1200后急速投到冷水中,反復(fù)三次以上不允許炸裂。石英玻璃加入適量鈦元素后還可做成零膨脹系數(shù)的材料,在激光技術(shù)、天文和尖端技術(shù)中。

注意事項(xiàng):

1.
石英玻璃制品是貴重的材料,使用時(shí)必須輕拿輕放,十分小心;

2.各種石英玻璃都有一個(gè)最高使用溫度,使用時(shí)不應(yīng)超過此溫度,否則會析晶或軟化變形;

3.需高溫使用的石英玻璃,使用前必須擦拭干凈。可以用10%的氫氟酸或洗液浸泡,然后用高純水清洗或酒精處理。操作時(shí)應(yīng)戴細(xì)線手套,不允許用手直接觸及石英玻璃;

4.高溫下允許連續(xù)使用石英玻璃制品,這對延長石英玻璃的壽命和提高耐溫性能是有好處的。反之,高溫下間歇使用石英玻璃制品,其使用次數(shù)是有限的;

5.石英玻璃材質(zhì)雖具有極高的熱穩(wěn)定性,可以經(jīng)受劇烈的溫差驟變。但實(shí)際使用時(shí),由于殘余應(yīng)變和產(chǎn)品形狀不同,熱穩(wěn)定性有一定的差別,使用時(shí)應(yīng)加以注意;

6.石英玻璃系酸性材料,高溫使用時(shí)嚴(yán)格避免同堿性物質(zhì)(如水玻璃、石棉、鉀鈉的化合物等)接觸,否則將大大降低其抗結(jié)晶性能。

主要性能

不同的性能

參數(shù)

JGS1

JGS2

JGS3

尺寸

<Φ200mm

<Φ300mm

<Φ200mm

透過范圍
(
透過比)

0.17~2.10um
(Tavg>90%)

0.26~2.10um
(Tavg>85%)

0.25~3.50um
(Tavg>85%)

調(diào)制解調(diào)器容量

1200 ppm

150 ppm

5 ppm

熒光度 (ex 254nm)

Virtually Free

Strong v-b

Strong V-B

雜質(zhì)容量

5 ppm

20-40 ppm

40-50 ppm

應(yīng)力雙折射

2-4 nm/cm

4-6 nm/cm

4-10 nm/cm

熔融法

Synthetic CVD

Oxy-hydrogen melting

Electrical melting

應(yīng)用

Laser substrate: Window, lens, prism, mirror...

Semiconductor and high temperature window

IR substrate

相同的性能

密度

2.20g/cm3

阿貝系數(shù)

67.6

折射率 (nd) 588nm

1.4586

波長 (um)

折射率 (n)

波長 (um)

折射率 (n)

0.200

1.55051

1.000

1.45042

0.220

1.52845

1.064

1.44962

0.250

1.50745

1.100

1.44920

0.300

1.48779

1.200

1.44805

0.320

1.48274

1.300

1.44692

0.360

1.47529

1.500

1.4462

0.400

1.47012

1.600

1.44342

0.450

1.46557

1.700

1.44217

0.488

1.46302

1.800

1.44087

0.500

1.46233

1.900

1.43951

0.550

1.46008

2.000

1.43809

0.588

1.45860

2.200

1.43501

0.600

1.45804

2.400

1.43163

0.633

1.45702

2.600

1.42789

0.650

1.45653

2.800

1.42377

0.700

1.45529

3.000

1.41925

0.750

1.45424

3.200

1.41427

0.800

1.45332

3.370

1.40990

0.850

1.45250

3.507

1.40566

0.900

1.45175

3.707

1.39936

 






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