Eigenschaften von Quarzglas

Auf den ersten Blick erscheint Quarzglas sehr einfach, sowohl chemisch als auch strukturell, da es aus einer einzigen Oxidkomponente (Siliziumdioxid – SiO₂) besteht.

Chemische Struktur

Siliziumdioxid ist in der gesamten Erdkruste zu finden. Allerdings weist nur ein kleiner Teil eine ausreichende Reinheit (> 99,98%) auf, um als Rohstoff für Quarzglas geeignet zu sein. Sand am Strand besteht ebenfalls aus SiO₂, ist aber nicht für den Einsatz in der Halbleiterindustrie geeignet.

Struktur von Quarz und synthetischem Quarzglas

In der Quarzglasstruktur sind alle Atome mit mindestens zwei anderen verbunden. Zusammen mit der Stärke der chemischen Bindung von Silizium und Sauerstoff (Si-O) verleiht Quarzglas eine hohe Temperaturstabilität und chemische Beständigkeit. Aber die Struktur ist auch ziemlich offen mit weiten Zwischenräumen zwischen den Struktureinheiten. Dies erklärt die höhere Gasdurchlässigkeit und den wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Quarzglas im Vergleich zu anderen Materialien.

Synthetisches Siliziumdioxid, das durch Flammenhydrolyse von Siliziumtetrachlorid hergestellt wird, kann einen hohen (> 1000 ppm) oder sehr niedrigen Hydroxylgehalt aufweisen, je nachdem, ob ein Heißchlorierungsschritt zu dessen Entfernung durchgeführt wird. Der Hydroxylgehalt kann so hoch sein, weil die bei der Hydrolysereaktion entstehenden Siliziumdioxidteilchen extrem fein sind und daher eine enorme Oberfläche haben, die in der Lage ist, die in der Flamme vorhandene Feuchtigkeit zu absorbieren.

Die wichtigsten Eigenschaften von elektrisch geschmolzenen Materialien sind der niedrige Hydroxylgehalt und die geringeren Entglasungsraten. Der niedrige Hydroxylgehalt erhöht die Infrarot-Transparenz und die Viskosität. Die höhere Viskosität führt zu einer höheren maximalen Einsatztemperatur und hilft, die Entglasung zu verhindern. Die Entglasung wird auch durch die neutrale/reduzierende Atmosphäre während des Schmelzvorgangs gehemmt. Dadurch gerät das Material in einen leichten Sauerstoffmangel, was dazu beiträgt, die Entglasung einzudämmen.

Die hohe Beständigkeit von Quarzglas gegenüber Elementen und Verbindungen ist ein weiterer Vorteil für High-End-Anwendungen. Quarzglas ist hervorragend beständig gegen Wasser, Salzlösungen und Säuren. Es wird nur von Flusssäure und Phosphorsäure angegriffen. Oxidfreie Metalle, mit Ausnahme von Alkalien und Erdalkalien, reagieren nicht mit natürlichem oder synthetischem Quarzglas.

Quarzglas ist empfindlich gegenüber allen Alkali- und Erdalkaliverbindungen, da schon geringe Spuren von ihnen bei hohen Temperaturen die Entglasung beschleunigen. Es ist immer ratsam, Fingerabdrücke, die Spuren von Alkalien enthalten, vor dem Erhitzen mit Alkohol von Quarzglas zu entfernen.

Eine der attraktivsten Eigenschaften von Quarzglas ist sein sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient CTE (Coefficient of Thermal Expansion). Der durchschnittliche CTE-Wert für Quarzglas bei etwa 5,0 × 10 ^-7/ °C liegt um ein Vielfaches niedriger als bei anderen gängigen Materialien. Um dies zu verdeutlichen, stellen Sie sich vor, dass 1 m³ Blöcke aus rostfreiem Stahl, Borosilikatglas und Quarzglas in einen Ofen gelegt und auf 500 °C erhitzt werden. Das Volumen des Edelstahlblocks würde um mehr als 28 Liter und das des Borosilikatblocks um 5 Liter zunehmen. Der Quarzblock würde sich um weniger als einen Liter ausdehnen. Diese geringe Ausdehnung ermöglicht es dem Material, sehr starken Temperaturschocks standzuhalten.

Es ist möglich, dünne Quarzglaspartikel bei über 1000 °C durch Eintauchen in kaltes Wasser schnell abzuschrecken, ohne dass sie brechen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die Temperaturwechselbeständigkeit von anderen Faktoren als Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE abhängt, z.B. von der Oberflächenbeschaffenheit (die die Festigkeit bestimmt) und der Geometrie. Die verschiedenen Arten von natürlichem und synthetischem Quarzglas haben nahezu identische Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE und können daher ohne zusätzliches Risiko eines thermisch bedingten Bruchs miteinander verbunden werden.

Mechanische Eigenschaften, Festigkeit und Zuverlässigkeit

Die theoretische Zugfestigkeit von Quarzglas beträgt über 10E6 psi (ca. 68.950 bar). Leider liegt die in der Praxis beobachtete Stärke immer weit unter diesem Wert. Der Grund dafür ist, dass die praktische Festigkeit von Glas extrinsisch bestimmt wird und nicht wie eine intrinsische Eigenschaft wie die Dichte ausschließlich auf die Chemie und die atomare Struktur zurückzuführen ist. Es ist die Oberflächenqualität in Kombination mit Designüberlegungen und chemischen Einflüssen der Atmosphäre (insbesondere Wasserdampf), die letztendlich die Festigkeit und Zuverlässigkeit eines fertigen Quarzglases bestimmen. Aufgrund der Spannungskonzentration an Oberflächenfehlern tritt das Versagen meist auf Zug und nicht auf Druck auf.

Mit anderen Worten: „Zuverlässigkeit hängt vom Zufall ab“.

Man könnte dies auch als die Wahrscheinlichkeit bezeichnen, dass das Teil einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird, die größer ist als die Stärke der vorhandenen Risse. Diese Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit hat zur Folge, dass die Zuverlässigkeit mit zunehmender Größe des Glasartikels abnimmt. Wenn die Anzahl der im Einsatz befindlichen Teile steigt, erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler auftritt.

Der Zustand der Oberfläche ist sehr wichtig. So sind beispielsweise bearbeitete Oberflächen tendenziell schwächer als feuerpolierte. Außerdem sind ältere Oberflächen in der Regel schwächer als jüngere, weil sie Staub, Feuchtigkeit oder allgemeiner Abnutzung ausgesetzt sind. Diese Faktoren müssen beim Vergleich der Stärken verschiedener „Marken“ von Quarzglas sorgfältig berücksichtigt werden.

Der Grund dafür ist, dass sich diese Tests in der Realität oft nur als Vergleiche der Oberflächenqualität erweisen, die sich aus der Probenvorbereitung ergeben, wobei kleine Unterschiede leicht die Unterschiede in der intrinsischen Festigkeit überdecken.

Ein kontrolliertes Wärmemanagement und die Aufrechterhaltung hoher Temperaturen sind in vielen industriellen Verfahren, insbesondere in der Halbleiterindustrie, von entscheidender Bedeutung.

Quarzglas ist ein guter elektrischer Isolator, der auch bei hohen Temperaturen einen hohen Widerstand und hervorragende Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Die große Bandlücke in der elektronischen Struktur der Silizium-Sauerstoff-Bindung führt dazu, dass die elektrische Leitung auf den Strom beschränkt ist, der von mobilen ionischen Verunreinigungen getragen wird. Da der Gehalt an diesen Verunreinigungen sehr gering ist, ist der elektrische Widerstand entsprechend hoch.

Da die Ionenleitung mit dem Diffusionskoeffizienten der Ionenträger zusammenhängt, ist auch der spezifische Widerstand stark exponentiell von der Temperatur abhängig. Im Gegensatz zu typischen Leitern wie Metallen nimmt der spezifische Widerstand also mit steigender Temperatur ab.

Die Dielektrizitätskonstante von Quarzglas hat einen Wert von etwa 4, der deutlich niedriger ist als der anderer Gläser. Dieser Wert ändert sich über einen weiten Frequenzbereich kaum. Der Grund für die niedrige Dielektrizitätskonstante ist wiederum das Fehlen hochgeladener mobiler Ionen, aber auch die Steifigkeit des Silizium-Sauerstoff-Netzwerks, das der Struktur eine sehr geringe Polarisierbarkeit verleiht.

Da es eine sehr geringe Absorption bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich aufweist (der Cutoff liegt bei etwa 160 nm für eine Dicke von 1 mm), wird synthetisches Quarzglas für Linsen in Hochenergie-Laseranwendungen und als Cladding-Material für ultraviolette Lichtquellen wie Excimer- oder Deuteriumleuchten verwendet. Je nach den genauen Versuchsbedingungen, wie Wellenlänge, Energiedichte und Spitzenintensitäten bei gepulsten Laseranwendungen, können verschiedene Arten von Schäden am Glas auftreten.

Bei sehr hohen Laserintensitäten, kann Photoionisation und Plasmagenerierung lokal an bestimmten Stellen des Glases stattfinden. Diese mechanische Beschädigung tritt typischerweise an der Vorder- oder Rückseite des optischen Elements auf. Eine verwandte Art der mechanischen Beschädigung, die auftreten kann, ist die Erzeugung von feinen Mikrokanälen innerhalb des Glases entlang der Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls.

Zusätzlich zu diesen sichtbaren Schadensphänomenen kann ein subtilerer Schädigungsmechanismus stattfinden, da Fehlerzentren (manchmal auch als Farbzentren bezeichnet) in einem photochemischen Verfahren bei der Bestrahlung des Glases erzeugt werden. Diese Zentren verursachen Absorption bei charakteristischen Wellenlängen. Beispiele sind das E' Zentrum mit einem Absorptionsmaximum bei 215 nm und das nicht überbrückbare Sauerstoffloch (NBOH)-Zentrum bei 265 nm. Das NBOH-Loch emittiert auch rote Fluoreszenz bei etwa 650 nm, wenn es in seiner Absorptionsbande angeregt wird. Diese Defekte interagieren auch mit dem gelösten Wasserstoff im Glas. Wasserstoff kann E'-Zentren passivieren, um SiH-Gruppen zu bilden, und NBOH-Zentren, um SiOH-Gruppen zu bilden, wodurch der Transmissionsverlust bei den Absorptionswellenlängen dieser Defekte gemildert wird. Daher wird die Wasserstoffkonzentration während des Produktionsverfahrens oft genau kontrolliert und im Analyselabor mittels Raman-Spektroskopie gemessen.

Eine dritte Art von Schäden, die auftreten können, ist eine Änderung des Brechungsindexes des Quarzglases aufgrund der Umstrukturierung des Glasnetzwerks bei der Bestrahlung. Je nach Art des Quarzglases und der Bestrahlungsbedingungen kann der Brechungsindex entweder zunehmen (sogenannte Verdichtung) oder abnehmen (Verdünnung).