Kuidas arvutada kvartsi materjalide ränidioksiidi (SiO₂) puhtust

Alustamiseks vajate GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry) aruannet. Seda saab kasutada ränidioksiidi (SiO₂) teoreetilise puhtuse esialgse hinnangu andmiseks. Siiski tuleb arvestada järgmiste peamiste piirangute ja arvutusmeetoditega:

---

GDMS aruanne

1. SiO₂ puhtuse hindamise näidismeetod

(1) Otsene arvutusmeetod (põhikomponentide mahaarvamise meetod)

Eeldus:
Kvartsitoru põhikomponent on SiO₂ ja kõiki teisi elemente peetakse lisanditeks.

Valem:
SiO₂ puhtus ≈ 100% - Σ (kõigi lisandite sisaldus)

Arvutussammud:

1. Aruandest tuleb välja võtta kõikide lisandite, välja arvatud hapniku ja räni, sisaldus (ppm massiprotsentides).
2. Lisandite sisaldus liidetakse kokku, et saada summaarne lisandi sisaldus.
3. Lisandi 100%-st lahutatakse summaarne lisandite protsent (ppm ÷ 10 000).

---

(2) Tegelik arvutus (aruande andmete alusel)

Määrake tuvastatud lisandite üldkogus (ühik: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + muud ülempiirid (nt 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 (konservatiivne hinnang, arvutatud ülemiste piirväärtuste alusel)

SiO₂ Puhtus:
100% - (18,73 ÷ 10,000) = 99.8127%

---

(3) Parandustegurid

• Tuvastamata elemendid: Aruandes "-"-ga märgitud elemendid (nt Au, Hg jne) võivad olla allpool seadme avastamispiiri, kuid neid ei arvestata lisandeid kokku.
• Hapnikusisaldus ei ole kvantifitseeritud: Aruandes on hapnik märgitud ainult "põhikomponendiks", kuid tegelikus SiO₂-s moodustab hapnik 53,2% selle koostisest (vaja on stöhhiomeetrilise suhte korrigeerimist).

---

2. Puhtuse hindamine Järeldus

• Konservatiivne puhtus: ≥ 99,81% (arvutatud GDMS-meetodil tuvastatud lisandite ülemiste piiride alusel)
• Tegelik puhtus võib olla suurem: Kui mõned elemendid on tunduvalt allpool nende ülempiiri (nt Fe on ainult 0,1 ppm), võib puhtus olla kuni 99.9%.

---

3. Peamised piirangud ja kaalutlused

(1) GDMS-meetodi piirangud

• Poolkvalitatiivsed andmed: Näiteks Fe <0,5 ppm võib tegelikult olla 0,1 ppm või 0,01 ppm, mis võib oluliselt mõjutada puhtuse arvutamist.
• Puuduvad valguselemendid: GDMS on nõrgalt võimeline tuvastama kergeid elemente, nagu C ja H, mis võib viia kogu lisandi alahindamiseni (nt hüdroksüül OH- ei ole tuvastatud).

(2) Võrdlus tööstusstandarditega

Materjali klass	Tüüpiline SiO₂ puhtusnõue	GDMSi hinnanguline puhtus	Vastab standardile
Tööstuslik kvarts	≥99.5%	99.81%	✅ Jah
Fotogalvaaniline kvarts	≥99.9%	Lähedane, kuid ebakindel	⚠ ICP-MS kontrollimine vajalik
Pooljuhtide kvaliteediga kvarts	≥99.99%	Ei ole saavutatud	❌ Ei

---

4. Materjali rakendussoovitused

• Tööstuslik/üldkasutus: Puhtus 99,8% on piisav ja seda võib otse kasutada.
• Fotogalvaaniline/pooljuhtide kasutamine:
  • Kasutage ICP-MS-i, et kinnitada, kas kriitilised metallilised lisandid (Fe, Na jne) on tõesti alla 0,1 ppm.
  • Täiendatakse FTIR-uuringutega, et määrata hüdroksüülisisaldus (OH- < 5 ppm).

Kokkuvõte:
See materjal kuulub kõrge puhtusastmega tööstusliku kvartsiga, kuid ei vasta pooljuhtide kvaliteediklassi nõuetele (4N5 või 5N).

Otsuse alus:
Kui kliendi protsess on tundlik Fe/Na saaste suhtes (nt PERC-päikeseelemendid), tuleks esmajärjekorras kontrollida tegelikku lisandite taset.