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、Na、Li、Ca、Mg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1/12～1/20.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