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果。用于制作半導體、電光源器、半導通信裝置、激光器、光學儀器、實驗室儀器、電學設備、醫(yī)療設備和耐高溫耐腐蝕的化學儀器、化工、電子、冶金、建材以及國防等工業(yè)，應用十分廣泛。高純石英玻璃可制光導纖維。

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

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、光學石英玻璃、半導體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習慣于用“石英”這樣一個簡單的詞匯來命名這種材料，這是絕對不妥的，因為“石英”是二氧化硅結晶態(tài)的一種通稱，它與玻璃態(tài)二氧化硅在理化性質上是有區(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械性能。因此它是近代尖端技術中空間技術、原子能工業(yè)、國防裝備、自動化系統(tǒng)，以及半導體、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，可以將管和棒進行有如普通玻璃細工一樣的熱加工，還可以用金剛石或碳化硅制成的磨具進行高速機械加工，從而制成各種復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。微量雜質的存在將給石英玻璃的使用性能帶來重大的影響；同時由于工藝過程或熱工制度的稍有疏忽，將給外觀質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，對理化性能和使用性能影響甚大，如失透性、高溫強度、軟化點、光的傳導、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、耐輻射性、熒光特性等；此外，用于半導體工業(yè)的石英玻璃，對純度的要求更為苛刻，微量的雜質將給半導體材料的電性能和壽命以及集成度帶來嚴重的影響。由于半導體材料的純度要求控制在ppb數(shù)量級以下，因此石英玻璃則應控制在PPm數(shù)量級以適應半導體工業(yè)的需要。B的分凝系數(shù)近于1,最難除掉，是最有害的雜質之一，Cu、Fe、Ti等影響半導體的少子壽命，K、Na、Li是單晶材料產(chǎn)生微缺陷的有害雜質。

失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一個固有缺陷，從熱力學觀點看，石英玻璃 的內能高于結晶態(tài)方石英，屬熱力學上不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)，當溫度高于1000℃時，SiO2 分子振動加速，經(jīng)一段較長時間的重新排列、定向便形成結晶。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℃析晶速度分別達到最大值。 析晶主要出現(xiàn)在表面，其次是內部缺陷處，原因是這些地方容易沾污，引起雜質離子的局部集聚，特別是堿離子（如K、Na、Li、Ca、Mg等）進入網(wǎng)絡后引起粘度降低，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，盡管析晶區(qū)不斷擴大，但體積變化并不明顯，仍可滿意地繼續(xù)使用，此時尚可減輕玻璃的塑性變形，使耐火度提高。當析晶產(chǎn)物冷卻到800℃時，則出現(xiàn)細小的龜裂網(wǎng)絡。繼續(xù)冷卻到200-275℃時，則出現(xiàn)方石英從高溫型到低溫型（即β-方石英→a-方石英）的結構變化，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穩(wěn)定性，這是因為后者由于氣泡的存在暴露在腐蝕液中的表面積增加所致。

石英玻璃的結構十分松弛，甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過網(wǎng)絡進行擴散，其中以鈉離子的擴散為最快。石英玻璃的這一性能對于使用者尤為重要，例如，半導體工業(yè)用石英玻璃作為高溫容器或擴散管時，由于半導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先經(jīng)過高溫和清潔處理，除掉鉀、鈉等堿性雜質，然后才能放入石英玻璃內使用。

石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過遠紫外光譜，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，化學熱穩(wěn)定性好，氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學玻璃媲美，所以它是在各種惡劣場合下工作具有高穩(wěn)定度光學系統(tǒng)的必不可少的光學材料。石英玻璃的結構，雜質含量，OH基因及NO、CO等含量是影響光譜透過率的主要因素，氧原子結合不良在0.24μ處則有吸收峰，含有OH基團的石英玻璃，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，由于氧結構缺陷，在0.24μ處有吸收峰，同時含有OH基團，所以紅外透過極低。用合成原料氣煉的高純光學石英玻璃是最好的透紫外材料，但在2.7μ處有嚴重的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石英玻璃，才能很好地透過從遠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.標準規(guī)定將試樣灼燒到1200℃后急速投到冷水中，反復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、天文和尖端技術中。

注意事項：

1.石英玻璃制品是貴重的材料，使用時必須輕拿輕放，十分小心；

2.各種石英玻璃都有一個最高使用溫度，使用時不應超過此溫度，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?？梢杂?/span>10%的氫氟酸或洗液浸泡，然后用高純水清洗或酒精處理。操作時應戴細線手套，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。但實際使用時，由于殘余應變和產(chǎn)品形狀不同，熱穩(wěn)定性有一定的差別，使用時應加以注意；

6.石英玻璃系酸性材料，高溫使用時嚴格避免同堿性物質（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晶性能。

主要性能