高純石英根據(jù)其含量不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同，其中含量為99.5%～99.99%為光源行業(yè)，含量高于99.99%用于高端光學(xué)器件、激光器件，含量為99.995%～99.9999%用于半導(dǎo)體、光伏等產(chǎn)業(yè)。
1、半導(dǎo)體行業(yè)
我國出臺了一系列的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《半導(dǎo)體用透明石英玻璃管》《半導(dǎo)體用透明石英玻璃器件》《半導(dǎo)體用透明石英玻璃棒》《太陽能電池硅片用石英舟》《太陽能電池硅片用石英玻璃擴(kuò)散管》。太陽能電池硅片用石英舟、石英玻璃擴(kuò)散管應(yīng)滿足T級產(chǎn)品的質(zhì)量要求。對于半導(dǎo)體坩堝，鋁含量應(yīng)更低，規(guī)定為小于1×10-5，其他金屬小于1×10-7，總雜質(zhì)不超過1.5×10-5。用于光伏行業(yè)的太陽能硅原料中硼和磷的含量一般應(yīng)在1×10-6范圍內(nèi)，因?yàn)檫@些元素最難去除，并對太陽能電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
芯片制造主要由單晶生長、晶圓加工制造、集成電路晶圓的生產(chǎn)以及后期封裝四個(gè)部分組成。單晶生長需要用到石英坩堝和石英器件。晶圓加工部分刻蝕、擴(kuò)散、氧化、退火等步驟中需要用到大量的輔材石英玻璃，如石英片、石英環(huán)、石英舟等高純度石英制品，其中擴(kuò)散步驟是在1000℃左右的石英爐管中將元素硼、磷等擴(kuò)散入硅片。石英坩堝的缺陷將極大影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，主要缺陷分為間隙氧缺陷與雜質(zhì)缺陷。間隙氧是傳統(tǒng)捷克拉斯基法的硅單晶中的主要雜質(zhì)，晶體含氧含量比相應(yīng)的熔體含氧濃度高出約1.3～1.4倍。石英坩堝的雜質(zhì)直接會影響坩堝的力學(xué)性能、電阻率分布、單晶的純度，當(dāng)鋁含量過高時(shí)，單晶純度將會降低；當(dāng)鈉、鉀等含量過高時(shí)，石英坩堝的熔點(diǎn)降低，高溫性能變差，雜質(zhì)過高還會使得石英坩堝在高溫下生成方石英，膨脹系數(shù)與體積的改變使得坩堝機(jī)械性能急劇下降，影響生產(chǎn)進(jìn)行。在追求更高的硅片性能時(shí)，輔材質(zhì)量與要求也將隨之提高，如擴(kuò)大石英坩堝的半徑、提高其純度、降低結(jié)構(gòu)缺陷等。
太陽能石英坩堝是光伏產(chǎn)業(yè)所用的消耗品，是拉大直徑單晶和多晶硅制品的消耗性容器，使用溫度大約1500℃并且使用次數(shù)只有一次，單晶硅中雜質(zhì)例如C、N、O等會嚴(yán)重影響電池的電學(xué)性能，而雜質(zhì)來源于硅原料、石英坩堝以及石墨加熱器件，通過石英坩堝表面涂覆Si3N4、CaCl2、SrCl2和BN可明顯減少其中的雜質(zhì)。與多晶硅電池相比，單晶硅生產(chǎn)成本高、效率高。陶明頓等將石英原料經(jīng)礦物提純后生產(chǎn)出用于半導(dǎo)體晶體生長的高純石英器件，SiO2含量≥99.998%，金屬雜質(zhì)總含量≤2×10-5，羥基含量≤2×10-6，1200℃下保溫24h變形率小于1.0%。
2、光纖行業(yè)
通信行業(yè)是“信息產(chǎn)業(yè)高速公路”，以高純石英制造的石英光纖作為信息的高速智能“管道”，將為工業(yè)4.0及互聯(lián)網(wǎng)+提供基礎(chǔ)保障。石英光纖廣泛用于通信領(lǐng)域、微電子和光電子器件領(lǐng)域，與電纜線或者銅線作為傳輸媒介相比，石英光纖具有更強(qiáng)的抗電磁波干擾能力、抗腐蝕能力、更優(yōu)異的頻帶寬和容量、資源損耗更少的特點(diǎn)。
根據(jù)制作材料不同，石英玻璃光纖可分為純石英玻璃光纖和摻雜石英光纖。摻雜石英光纖主要有稀土摻雜石英光纖、摻氟石英光纖和摻氮石英光纖等，稀土摻雜光纖具有良好的激光性能，摻氟石英光纖和摻氮石英光纖具有耐輻射性能，通過調(diào)整光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、折射率分布、摻雜工藝、預(yù)輻照處理、輻照后處理等，可以改善其抗空間輻射性能。因此，光纖不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的通信領(lǐng)域，還會應(yīng)用在特殊高能的輻射環(huán)境，如聚變反應(yīng)堆的內(nèi)部檢測、航空航天中高度分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的放大器、光纖陀螺的寬帶超級發(fā)光源、提供裂變反應(yīng)堆的信號的光纖激光器等。石英光纖的性能受到光纖材料的本征缺陷、摻雜缺陷和形貌損傷的影響，其中本征點(diǎn)缺陷如氧空位中心（ODC）、過氧鏈缺陷（POL）、色心、非橋氧缺陷中心（NBOHC）和過氧自由基（POR）等，摻雜缺陷如材料中引入金屬元素或者非金屬H、F元素等，形貌損傷是表面缺陷如微裂紋等。本征缺陷與溫度有關(guān)，摻雜缺陷與雜質(zhì)有關(guān)，雜質(zhì)引起的吸收損耗將會導(dǎo)致傳輸損耗大和傳輸效率低。因此提高石英光纖材料的純度，可提高其傳輸效率。除此之外，對光纖進(jìn)行表面涂層處理，可以極大提高石英光纖的光學(xué)性能、力學(xué)性能和抗腐蝕性能等。
3、光學(xué)、光源領(lǐng)域
光學(xué)石英玻璃具有耐高溫、耐腐蝕、膨脹率低等特點(diǎn)，被廣泛用于光學(xué)領(lǐng)域，高純石英玻璃用于生產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡透鏡和實(shí)驗(yàn)室光學(xué)設(shè)備、通信設(shè)備、衍射透鏡、投影顯示器、掃描設(shè)備和打印機(jī)的光學(xué)、激光、以及照相機(jī)和超平面電視屏幕、火焰控制設(shè)備等。
高功率激光驅(qū)動器是開展高能量的密度物理和激光約束聚變試驗(yàn)的必要器件，核心單位是終端光學(xué)組件，承擔(dān)著頻率轉(zhuǎn)換、聚焦、諧波分離等功能，終端光學(xué)組件都需要各種各樣的石英元件，包括各種透鏡、光束取樣光柵、連續(xù)相位板等。
電光源玻璃按照化學(xué)成分可分為鉀鈣玻璃、含鉛硅玻璃、含硼硅玻璃、含鋁硅玻璃和石英玻璃等，以高純度石英玻璃的為原料生產(chǎn)電光源產(chǎn)品有高壓汞燈、金屬鹵化物燈、鹵塢燈、氙基燈、汽車燈等，可以承受高溫，并提供高透射特性。為了保證石英玻璃管的質(zhì)量，需要減少羥基數(shù)量與原料中的雜質(zhì)含量，特別是降低原料的堿金屬離子，因?yàn)榱u基與堿金屬離子會降低玻璃的熱性能，每增加1×10-5羥基含量，將降低使用溫度0.5℃左右。對緊湊型熒光燈CFL和冷陰極突光燈CCFL以水銀作為點(diǎn)燈介質(zhì)，氧化鈉會與水銀發(fā)生反應(yīng)生成汞鈉齊，水銀消耗太多會降低使用壽命，因此，原材料中需要降低氧化鈉的含量。而目前的研發(fā)趨勢是低鈉無鉛玻璃，是綠色照明燈使用材料，有利于環(huán)境保護(hù)。
4、航空航天領(lǐng)域
石英陶瓷材料具有優(yōu)良的介電、熱學(xué)和力學(xué)等綜合性能，石英陶瓷可用在航天飛行器的隔熱材料、火箭發(fā)動機(jī)的噴嘴、頭部及前室等部位、導(dǎo)彈天線罩、在核燃料的基質(zhì)（SiO2-UO體系）和輻射屏蔽陶瓷材料。石英陶瓷天線罩需要具有良好的透波性能，保證電磁信號的正確傳輸，也需要耐熱、抗蝕等性能。
近些年來我國航空航天事業(yè)不斷發(fā)展，也為石英類新材料提供了新的重要關(guān)鍵應(yīng)用途徑，其中有代表性的一種，是近年來才得到長足發(fā)展的作為高溫合金零件鑄造的模型材料。為了提高發(fā)動機(jī)進(jìn)口端承溫性能，世界上許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將發(fā)動機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)從實(shí)心葉片改良成空心葉片，從原來的多晶粒改良成了現(xiàn)在的單晶粒葉片。各種類型的陶瓷輔材被發(fā)明并得到了廣泛運(yùn)用，保證了鑄造出的空心葉片內(nèi)部表面非常光滑、尺寸精度高、缺陷存在幾率低，提高了質(zhì)量水平，降低了不必要損失。在精密鑄造領(lǐng)域，熔融石英可以作為輔材原料制做陶瓷型芯、型殼和各種陶瓷輔材等。熔融石英具有抗蠕變能力強(qiáng)、易充型和脫除等特點(diǎn)，而且熔融石英價(jià)格比鋯石便宜，且密度低、雜質(zhì)低，因此相同體積的型殼所用的原材料的質(zhì)量小，成本更低。2001年美國耐火材料公司制造型殼的配方中含有大量石英，具體為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：鋁-硅系耐火材料55%，熔融石英30%，剛玉9%，鋯石6%。歐美發(fā)達(dá)國家空心葉片90%采用硅基陶瓷型芯，可以用來制造單晶空心葉片，使用溫度可以達(dá)到1650℃。
在氧化硅基陶瓷型芯的制備過程中，需要注意其體積變化，控制在1%以下最合適。否則，模具與型芯所要求的形狀規(guī)格差距太大，會降低成品率，影響葉片的形狀與尺寸，也會增加后續(xù)機(jī)械打磨的難度。從以下四個(gè)角度入手去調(diào)控硅基陶瓷型芯的性能：
?。?）原料的純度、粒度級配對型芯性能的影響。氧化硅基陶瓷型芯的原料為石英玻璃，其純度、粒度級配對型芯的高溫抗折、室溫強(qiáng)度、收縮率等性能均具有較大的影響。石英中雜質(zhì)（如鉀、鈉、鈣、鐵等）的含量需要控制在一定程度，否則會產(chǎn)生過多玻璃相，極大地降低型芯的高溫性能；
?。?）礦化劑與高溫添加劑對產(chǎn)品性能的影響。礦化劑在促進(jìn)燒結(jié)的同時(shí)能夠形成一定的高溫穩(wěn)定相，此外，加入一些耐高溫材料（如莫來石、硅酸鋯、氧化鋯等）同樣能夠明顯提升高溫性能；
?。?）燒結(jié)制度主要包括100～200℃排水蒸氣、300～400℃左右排蠟、600與900℃晶型轉(zhuǎn)變與1100～1200℃終燒四個(gè)階段。主要的燒成制度優(yōu)化研究工作集中在第四個(gè)溫度階段，通過調(diào)整終燒溫度與時(shí)間來調(diào)節(jié)高溫抗折、室溫強(qiáng)度、收縮率等性能。這是因?yàn)闊Y(jié)過程中方石英的含量可提高高溫性能，其含量主要受到終燒燒結(jié)制度的影響，方石英的熔點(diǎn)為1700℃左右，耐高溫性能好，但是在300℃左右，方石英會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化，因此過多的方石英會降低制品的室溫強(qiáng)度；
?。?）強(qiáng)化工藝對制品綜合性能的影響。方石英含量過多會造成制品室溫強(qiáng)度大幅度下降，需對其進(jìn)行室溫強(qiáng)化提高室溫強(qiáng)度。室溫強(qiáng)化是指通過調(diào)配合適的樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等），涂抹在制品表面降低表面微裂紋而增高其性能；預(yù)計(jì)通過強(qiáng)化處理處理，制品的室溫抗折與高溫抗折性能均可提高一倍。
資料來源：《歐陽靜,陳廣,梁力行,等.石英礦物資源的提純及在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)分析[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2021(06):35-45》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉(zhuǎn)載請注明出處！
|
