Как рассчитать чистоту кварца (SiO₂) в кварцевых материалах

Для начала вам понадобится отчет GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry). С его помощью можно сделать предварительную оценку теоретической чистоты кремнезема (SiO₂). Однако следует обратить внимание на следующие основные ограничения и методы расчета:

---

Отчет GDMS

1. Пример метода оценки чистоты SiO₂

(1) Прямой метод расчета (метод вычитания основных компонентов)

Предположение:
Основным компонентом кварцевой трубки является SiO₂, а все остальные элементы считаются примесями.

Формула:
Чистота SiO₂ ≈ 100% - Σ (содержание всех примесных элементов)

Этапы расчета:

1. Извлеките из отчета содержание всех примесных элементов, кроме кислорода и кремния (в ppm по массе).
2. Суммируйте содержание примесей, чтобы получить общее содержание примесей.
3. Вычтите общий процент примесей (ppm ÷ 10 000) из 100%.

---

(2) Фактический расчет (на основе данных отчета)

Определите общее количество обнаруженных примесей (единицы измерения: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + другие верхние пределы (например, 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 стр. (консервативная оценка, рассчитанная с использованием верхних пределов)

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

---

(3) Поправочные коэффициенты

• Незамеченные элементы: Элементы, отмеченные в отчете знаком "-" (такие как Au, Hg и т.д.), могут находиться ниже предела обнаружения прибора, но не учитываются в общем количестве примесей.
• Содержание кислорода не определено: В отчете кислород отмечен только как "основной компонент", но в реальном SiO₂ кислород составляет 53,2% от его состава (требуется коррекция стехиометрического соотношения).

---

2. Оценка чистоты Заключение

• Консервативная чистота: ≥ 99,81% (рассчитано с использованием верхних пределов обнаруженных GDMS примесей)
• Фактическая чистота может быть выше: Если содержание некоторых элементов значительно ниже их верхних пределов (например, Fe составляет всего 0,1 ppm), чистота может достигать 99.9%.

---

3. Основные ограничения и соображения

(1) Ограничения метода GDMS

• Полуколичественные данные: Например, Fe <0,5 ppm на самом деле может составлять 0,1 ppm или 0,01 ppm, что может существенно повлиять на расчет чистоты.
• Недостающие элементы освещения: GDMS обладает слабой способностью к обнаружению легких элементов, таких как C и H, что может привести к недооценке общего количества примесей (например, гидроксил OH- не обнаружен).

(2) Сравнение с отраслевыми стандартами

Класс материала	Типичное требование к чистоте SiO₂	Оценка чистоты по данным GDMS	Соответствует стандарту
Кварц промышленного класса	≥99.5%	99.81%	✅ Да
Кварц фотоэлектрического класса	≥99.9%	Близко, но неопределенно	⚠ Необходима проверка ICP-MS
Кварц полупроводникового качества	≥99.99%	Не достигнуто	❌ Нет

---

4. Рекомендации по применению материала

• Промышленное/общее использование: Чистота 99,8% достаточна и может быть использована напрямую.
• Использование фотоэлектрических и полупроводниковых приборов:
  • Используйте ИСП-МС для подтверждения того, что содержание критических металлических примесей (Fe, Na и т.д.) действительно ниже 0,1 ppm.
  • Дополните его FTIR-тестированием для определения содержания гидроксила (OH- < 5 ppm).

Резюме:
Этот материал относится к высокочистым кварцам промышленного класса, но не отвечает требованиям полупроводникового класса (4N5 или 5N).

Основание для принятия решения:
Если технологический процесс заказчика чувствителен к загрязнению Fe/Na (например, солнечные элементы PERC), приоритет должен быть отдан проверке фактических уровней примесей.