
石英玻璃是二氧化硅單一組分的玻璃。這種玻璃硬度大可達(dá)莫氏七級,具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、耐熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性能良好,并能透過紫外線和紅外線。除氫氟酸、熱磷酸外,對一般酸有較好的耐酸性。按透明度分為透明和不透明兩大類。按純度分為高純、普通和摻雜三類。用水晶,硅石,硅化物為原料,經(jīng)高溫熔化或化學(xué)氣相沉積而成。熔制方法有電熔法、氣煉法等。
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)。本公司為半導(dǎo)體工業(yè)服務(wù)已有40余年的歷史,并始終致力于去除上述有害雜質(zhì)的研制工作。

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。有關(guān)使用石英玻璃時(shí)注意事項(xiàng)后面還要介紹。
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。