Wie berechnet man die Reinheit von Quarz (SiO₂)

Zu Beginn benötigen Sie einen GDMS-Bericht (Glimmentladungs-Massenspektrometrie). Dieser kann für eine vorläufige Schätzung der theoretischen Reinheit von Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet werden. Dabei sind jedoch die folgenden wichtigen Einschränkungen und Berechnungsmethoden zu beachten:

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GDMS-Bericht

1. Beispielmethode zur Schätzung der SiO₂-Reinheit

(1) Direkte Berechnungsmethode (Hauptbestandteil-Abzugsmethode)

Vermutung:
Der Hauptbestandteil des Quarzrohrs ist SiO₂, und alle anderen Elemente gelten als Verunreinigungen.

Formel:
SiO₂-Reinheit ≈ 100% - Σ (Gehalt an allen Verunreinigungselementen)

Berechnungsschritte:

1. Entnehmen Sie dem Bericht den Gehalt aller Verunreinigungselemente außer Sauerstoff und Silizium (in Gewichts-ppm).
2. Addieren Sie die Verunreinigungsgehalte, um den Gesamtgehalt an Verunreinigungen zu erhalten.
3. Der Gesamtprozentsatz der Verunreinigung (ppm ÷ 10.000) wird von 100% abgezogen.

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(2) Tatsächliche Berechnung (basierend auf Berichtsdaten)

Bestimmen Sie die Gesamtmenge der nachgewiesenen Verunreinigungen (Einheit: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + andere Obergrenzen (z. B. Fe <0,5, Cr <0,5...)

≈ 0,16 + 1,1 + 0,29 + 0,05 + 11 + 3,4 + 0,58 + 0,5 (Fe) + 0,5 (Cr) + 0,05 (Ni) + 0,1 (Cu) + 1 (Ca)

≈ 18,73 ppm (konservative Schätzung, berechnet anhand von Obergrenzen)

SiO₂ Reinheit:
100% - (18,73 ÷ 10.000) = 99.8127%

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(3) Berichtigungsfaktoren

• Unentdeckte Elemente: Elemente, die im Bericht mit "-" gekennzeichnet sind (z. B. Au, Hg usw.), können unterhalb der Nachweisgrenze des Geräts liegen, werden aber nicht zu den Gesamtverunreinigungen gezählt.
• Sauerstoffgehalt nicht quantifiziert: In dem Bericht wird Sauerstoff nur als "Hauptbestandteil" bezeichnet, aber im tatsächlichen SiO₂ macht Sauerstoff 53,2% der Zusammensetzung aus (eine Korrektur des stöchiometrischen Verhältnisses ist erforderlich).

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2. Reinheitsbewertung Schlussfolgerung

• Konservative Reinheit: ≥ 99,81% (berechnet anhand der Obergrenzen der mit GDMS nachgewiesenen Verunreinigungen)
• Der tatsächliche Reinheitsgrad kann höher sein: Wenn einige Elemente weit unter ihren oberen Grenzwerten liegen (z. B. Fe nur 0,1 ppm), könnte die Reinheit bis zu 99.9%.

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3. Wichtige Einschränkungen und Erwägungen

(1) Beschränkungen der GDMS-Methode

• Semi-quantitative Daten: So kann beispielsweise Fe <0,5 ppm in Wirklichkeit 0,1 ppm oder 0,01 ppm sein, was die Reinheitsberechnung erheblich beeinflussen kann.
• Fehlende Leuchtelemente: GDMS hat ein schwaches Nachweisvermögen für leichte Elemente wie C und H, was zu einer Unterschätzung der Gesamtverunreinigungen führen kann (z. B. Hydroxyl OH- nicht nachgewiesen).

(2) Vergleich mit Industriestandards

Material Klasse	Typische SiO₂-Reinheitsanforderung	Aus GDMS geschätzte Reinheit	Erfüllt die Norm
Quarz in Industriequalität	≥99.5%	99.81%	✅ Ja
Quarz für die Photovoltaik	≥99.9%	Knapp, aber unsicher	⚠ ICP-MS-Überprüfung erforderlich
Quarz in Halbleiterqualität	≥99.99%	Nicht erreicht	❌ Nein

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4. Anwendungsempfehlungen für das Material

• Industrielle/allgemeine Nutzung: Eine Reinheit von 99,8% ist ausreichend und kann direkt verwendet werden.
• Verwendung von Photovoltaik/Halbleitern:
  • Bestätigen Sie mit ICP-MS, ob kritische metallische Verunreinigungen (Fe, Na usw.) wirklich unter 0,1 ppm liegen.
  • Ergänzung durch FTIR-Tests zur Bestimmung des Hydroxylgehalts (OH- < 5 ppm).

Zusammenfassung:
Dieses Material gehört zu den hochreinen Quarzen in Industriequalität, erfüllt jedoch nicht die Anforderungen an die Halbleitergüte (4N5 oder 5N).

Entscheidungsgrundlage:
Wenn der Prozess des Kunden empfindlich auf Fe/Na-Verunreinigungen reagiert (z. B. PERC-Solarzellen), sollte der Überprüfung des tatsächlichen Verunreinigungsgrads Priorität eingeräumt werden.