Falls Sie sich über die fünf wichtigsten Vorteile von Quarzglas und Quarzglas noch nicht im Klaren sind und mehr darüber erfahren möchten, sind Sie hier genau richtig. Quarzglas und Quarzglas kommen dort zum Einsatz, wo herkömmliches Glas den jeweiligen Arbeitsbedingungen nicht standhält. Diese Materialien basieren zwar auf derselben chemischen Struktur (SiO₂), unterscheiden sich aber in der Gewinnung und Verarbeitung des Rohmaterials.
Ingenieure betrachten sie bei der Materialauswahl üblicherweise gemeinsam, da sich ihre Eigenschaften stark überschneiden. Die Unterschiede (hauptsächlich im OH-Gehalt und den Kosten) sind zwar für bestimmte Anwendungen relevant, ändern aber nichts an den grundlegenden Vorteilen beider Materialien.
Dieser Artikel erläutert fünf der wichtigsten Eigenschaften, die dieses Material so beliebt machen. Jede Eigenschaft wird mit konkreten Zahlen und Anwendungsbeispielen untermauert, damit Sie entscheiden können, ob das Material für Ihr Bauteil geeignet ist.
5 Hauptvorteile von Quarzglas und Quarz
Wir kommen gleich zum spannenden Teil: Wir enthüllen die fünf Gründe, warum Unternehmer Quarzglas anderen transparenten Materialien vorziehen. Jeder dieser Gründe hängt mit der Atomstruktur von amorphem SiO₂ und den durch moderne Fertigungsverfahren erreichbaren Reinheitsgraden zusammen.
1. Nahezu keine Wärmeausdehnung
Die meisten Werkstoffe dehnen sich bei Erhitzung auf industrielle Prozesstemperaturen aus. Stahl dehnt sich um etwa 12 ppm pro Grad Celsius aus, die meisten technischen Gläser liegen im Bereich von 3 bis 9 ppm. Quarzglas und Quarzglas hingegen weisen eine Ausdehnung von etwa 0.5 ppm pro Grad Celsius auf, also etwa sechsmal weniger als Borosilikatglas.
Ein Bauteil aus Quarzglas kann den direkten Transfer von einem 1000°C heißen Ofen in Wasser mit Raumtemperatur überstehen, ohne zu reißen.
Geringe Expansion bedeutet in der Praxis zweierlei:
- Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen. Die aus Quarzglas gefertigten Wafer-Boote, die Siliziumsubstrate während eines 1000°C-Ofenzyklus aufnehmen, behalten ihre Abmessungen so genau, dass eine gleichbleibende Positionierung bei jedem Durchlauf gewährleistet ist.
- Temperaturwechselbeständigkeit. Ein Bauteil aus Quarzglas kann von Ofenhitze auf Kaltabschreckung wechseln, ohne zu reißen – eine Belastung, die fast jedes andere transparente Material zerbrechen würde.
Diese Kombination macht Quarzglas zur Standardwahl für quench-geprüfte Laborgeräte aus Glas und für Sichtfenster an Schnellthermoverarbeitungsanlagen in Halbleiterfabriken.
2. Ultrahohe chemische Reinheit
Normales Glas enthält einige Zusätze wie Kalzium und Natrium. Im Laufe der Zeit können geringe Mengen dieser Stoffe in Flüssigkeiten oder Prozessumgebungen gelangen, die mit dem Glas in Berührung kommen.
Am anderen Ende des Spektrums steht Quarzglas, das fast vollständig aus Siliziumdioxid besteht. Die meisten industriellen Qualitäten enthalten mindestens 99.99 % SiO₂, während synthetische Qualitäten für die Halbleiter- und Optikindustrie Verunreinigungen im ppm- oder sogar ppb-Bereich aufweisen können.
Diese hohe Reinheit bietet zwei wesentliche Vorteile:
- Geringeres Kontaminationsrisiko:Es stehen weniger Spurenmetalle zur Verfügung, die in Wafer, Chemikalien oder empfindliche Proben gelangen können.
- Hohe chemische Beständigkeit:Quarzglas bleibt gegenüber vielen Säuren und Industriechemikalien stabil, die normales Glas beschädigen können.
Es ist jedoch nicht gegen alle Chemikalien resistent:
- Fluorwasserstoffsäure greift Siliziumdioxid schnell anselbst bei relativ niedrigen Konzentrationen.
- Heiße alkalische Lösungen können die Oberfläche langsam auflösen.insbesondere wenn die Einwirkung über einen längeren Zeitraum anhält.
- Heiße Phosphorsäure kann ebenfalls Korrosion verursachen.und sollte vor der Verwendung gründlich geprüft werden.
Da Quarzglas hohe Reinheit mit guter chemischer Stabilität vereint, wird es häufig für Halbleiterprozessrohre, chemische Behälter und Laborteile verwendet, bei denen die Kontamination sehr gering bleiben muss.
3. Breites optisches Transmissionsspektrum vom tiefen UV- bis zum mittleren IR-Bereich.
Optisches Glas ist im sichtbaren Spektrum gut durchlässig, absorbiert jedoch unterhalb von etwa 350 nm im UV-Bereich und oberhalb von etwa 2.5 μm im IR-Bereich. Quarzglas erweitert beide Bereiche erheblich und ist von etwa 180 nm im tiefen UV-Bereich über den sichtbaren Bereich bis etwa 3.5 μm im mittleren IR-Bereich durchlässig.
Wichtigste Anwendungsbereiche:
- Tief-UV-Lithographie bei 193 nm, wobei jedes Linsen- und Spiegelsubstrat in einem Halbleiter-Stepper aus Quarzglas besteht.
- Die Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich erstreckt sich bis 3500 nm, wobei die genaue IR-Abschneidefrequenz vom OH-Gehalt (Hydroxylgruppe) abhängt.
- Optiken mit mehreren Wellenlängen, die sichtbares Licht für die Bildgebung und UV-Licht zur Fluoreszenzanregung durchlassen.
Quarzglas mit höherem OH-Gehalt weist eine stärkere Absorption im Bereich um 2.7 μm auf, während Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt weiter in den Infrarotbereich hineinreicht. Quarzvarianten werden für IR-Laseranwendungen spezifiziert, bei denen die OH-Abschneidegrenze relevant ist, während Quarzglas im UV-Bereich dominiert, wo der Vorteil der metallischen Reinheit stärker ins Gewicht fällt.
4. Starke elektrische Isolierung
Elektrischer Strom kann Quarzglas nicht ohne Weiteres durchdringen. Bei Raumtemperatur weisen reine Quarzglasproben spezifische Widerstände von nahezu 10¹⁸ Ohm-Zentimeter auf, wodurch das Material ein starker elektrischer Isolator ist.
Seine Dielektrizitätskonstante ist mit etwa 3.8 bis 4.0 ebenfalls relativ niedrig. Dadurch kann Quarzglas elektrische und Hochfrequenzsysteme tragen, ohne so viel elektrische Energie speichern zu müssen wie viele andere technische Keramiken.
Diese Eigenschaften machen es nützlich für:
- Vakuumdurchführungen, bei denen elektrische Leiter durch eine abgedichtete Kammer geführt werden müssen
- Plasmaanlagen, bei denen isolierende Teile in der Nähe von Hochspannungskomponenten angeordnet sind.
- Mikrowellen- und Hochfrequenzsysteme, bei denen geringe elektrische Verluste wichtig sind
- Hochleistungslampen, die transparente Gehäuse um eine elektrisch aktive Lichtquelle benötigen
Die Durchschlagsfestigkeit hängt von der Werkstoffgüte, dem Oberflächenzustand, der Dicke und dem Prüfverfahren ab. Typische Werte liegen im Bereich von einigen zehn Kilovolt pro Millimeter, nicht im Bereich von Hunderten.
Darüber hinaus beeinflussen auch Temperaturen die Leistung. Quarzglas bleibt zwar auch beim Erhitzen ein Isolator, sein spezifischer Widerstand sinkt jedoch mit steigender Temperatur. Ingenieure müssen daher die tatsächliche Betriebstemperatur und -spannung überprüfen und sich nicht allein auf Daten bei Raumtemperatur verlassen.
5. Beständigkeit gegen UV- und Strahlungsschäden
Längere Einwirkung von ultravioletter oder ionisierender Strahlung kann transparente Materialien langsam verdunkeln. Dies wird oft als Solarisation bezeichnet . Dabei verringert sich die Lichtdurchlässigkeit des Materials.
Quarzglas bietet im Allgemeinen einen besseren Schutz als normales Glas bei starker UV-Strahlung. Seine Beständigkeit und Wirksamkeit hängen jedoch von der Materialqualität, der Reinheit und der Art der Strahlung ab.
Standard-Quarzglas kann auch nach ausreichender Bestrahlung Transmissionsverluste aufweisen. Bei kontinuierlichen UV-Systemen trägt speziell behandeltes Material dazu bei, die Solarisation zu reduzieren und eine stabilere Lichtausbeute zu gewährleisten.
Ionisierende Strahlung stellt höhere Anforderungen. Denken Sie stets daran, dass hochenergetische Teilchen Defekte im Glas verursachen können. Beachten Sie daher immer die Schutzart entsprechend der erwarteten Dosis und der Arbeitswellenlänge.
Branchen, die von Quarzglas profitieren
In den meisten Fällen wird Quarzglas nicht aufgrund einer einzelnen Eigenschaft spezifiziert; vielmehr ist es das Zusammenspiel verschiedener Eigenschaften, das den Preis rechtfertigt. Zwei oder drei der oben genannten Vorteile müssen gleichzeitig gegeben sein, damit der Preisaufschlag gegenüber Borosilikatglas bei einer Bestellung Sinn ergibt. In den folgenden Branchen ist diese Rechnung aufgegangen.
Diese Vorteile sind besonders wichtig in der Halbleiterproduktion, der Optik, in Laboren und in der Luft- und Raumfahrt. In all diesen Fällen trägt Quarzglas dazu bei, dass die Anlagen auch unter anspruchsvollen Arbeitsbedingungen stabil, sauber und zuverlässig bleiben.
Industrielle Hochtemperaturverarbeitung
Erstens findet Quarzglas häufig Anwendung in der industriellen Hochtemperaturverarbeitung. Das Material eignet sich für Öfen und beheizte Produktionsanlagen, da es schnelle Temperaturwechsel gut verträgt und dabei formstabiler ist als gewöhnliches Glas.
Standard-Quarzglas kann für viele industrielle Systeme ausreichend sein. Synthetisches Quarzglas ist besser geeignet, wenn der Prozess auch eine höhere Reinheit oder eine sorgfältig kontrollierte optische Leistung erfordert.
Häufige Anwendungen in der industriellen Hochtemperaturverarbeitung
- Schaugläser für Öfen: Durchsichtige Fenster ermöglichten die Beobachtung der Metallverarbeitung, des Keramikbrennens und anderer Prozesse mit Hitzeeinwirkung.
- Thermoelement-Schutzhüllen: Schutzrohre, die Temperatursensoren in heißen oder reaktiven Umgebungen abschirmen.
- Pyrometerfenster: Optische Fenster, die Infrarot-Temperaturmessungen ermöglichen, ohne das Gerät öffnen zu müssen.
Eine längere Lebensdauer kann Wartungsarbeiten und Produktionsausfälle reduzieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Ofen vor Beginn der Reparaturarbeiten abkühlen muss, beispielsweise nach einem Fensteraustausch.
Halbleiterherstellung
Quarzglas findet in der Halbleiterproduktion breite Anwendung, da es auch bei hohen Temperaturen sauber und stabil bleibt. Bei Ofenprozessen muss das Material seine Form beibehalten, ohne Verunreinigungen aufzunehmen, die die Wafer beschädigen könnten.
Lithographiegeräte nutzen einen anderen Vorteil. Quarzglas kann tiefes UV-Licht bei 248 nm und 193 nm durchlassen und gleichzeitig den optischen Pfad bei wiederholter Belichtung stabil halten.
Häufige Anwendungen in der Halbleiterfertigung
- Waferverarbeitung: Boote und Prozessrohre, die bei Hochtemperatur-Ofenzyklen verwendet werden.
- Lithografie: Linsen und optische Bauteile, die tief-UV-Licht auf den Wafer lenken.
- Plasmaanlagen: Sichtfenster, die es den Bedienern ermöglichen, die Kammer zu beobachten, ohne das Vakuum zu unterbrechen.
Geringfügige Abweichungen in Reinheit, Form oder optischer Qualität können eine gesamte Produktionscharge beeinträchtigen. Daher unterliegt Quarzglas in Halbleiterqualität üblicherweise strengen Material- und Maßanforderungen.
Sterilisation medizinischer Geräte
Als nächstes auf unserer Liste steht die Medizinbranche. Sterilisationsgeräte durchlaufen die gleichen, wiederholten Dampfzyklen oder werden mitunter sogar kontinuierlich mit UV-C-Licht bestrahlt. Die optischen oder Glasteile müssen dabei stabil bleiben, um eine Kontamination des sterilen Bereichs zu vermeiden.
Hochreines Quarzglas ist nützlich, da es weniger Elemente enthält, die in empfindliche medizinische oder pharmazeutische Prozesse gelangen könnten. Außerdem lässt es UV-C-Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm effizient durch, sofern die richtige Reinheitsklasse gewählt wird.
Häufige Anwendungen bei der Sterilisation von Medizinprodukten
- UV-C-Lampengehäuse: Röhren, die keimtötendes Licht in Luft- oder Wasseraufbereitungssysteme einleiten.
- Schaugläser für Autoklaven: Sichtfenster zur Beobachtung der Geräte während wiederholter Dampfsterilisationszyklen.
- Optik für medizinische Analysen: Optische Bauteile, die das Licht in Blutuntersuchungs- und Diagnosegeräten leiten.
Materialzertifikate und Produktionsaufzeichnungen sind in diesem Bereich oft von großer Bedeutung. Sie helfen den Herstellern, jedes Teil bis zu seiner Materialcharge zurückzuverfolgen und zu bestätigen, dass es die geforderte Qualitätsstufe erfüllt.
Luft- und Raumfahrtoptik
Optische Bauteile in der Luft- und Raumfahrt können im Betrieb starker Hitze, Vibrationen, UV-Strahlung und Strahlung ausgesetzt sein. Quarzglas eignet sich hierfür, da es auch bei schnellen Temperaturwechseln und langer Lichteinwirkung transparent bleibt.
Häufige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtoptik
- Beobachtungsinstrumente: Optische Systeme können UV- und sichtbares Licht für atmosphärische Messungen übertragen.
- Raumfahrzeugsysteme: Fenster und Linsen können über mehrere Jahre hinweg der UV-Strahlung der Sonne ausgesetzt sein.
- Laserausrüstung: Optische Fenster lassen hochenergetisches Licht durch und schützen gleichzeitig die dahinterliegenden Teile.
Die richtige Quarzglassorte hängt von der Wellenlänge und den Betriebsbedingungen ab. Materialreinheit und Hydroxylgehalt beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Optik über die Zeit.
Welche Lösung passt zu Ihrer Anwendung?
Die fünf oben genannten Vorteile gelten in ähnlichem Maße sowohl für Quarzglas als auch für Quarzglas. Die Wahl zwischen den beiden Materialien hängt in der Regel von den spezifischen Anwendungsanforderungen hinsichtlich OH-Gehalt und Kosten ab, wobei die Lieferzeit mitunter eine Rolle spielt.
Kurzanleitung:
- Quarzglas (synthetisch): höherer OH-Gehalt, besser geeignet für UV- und Halbleiteranwendungen, höhere Kosten pro kg.
- Quarzglas (aus natürlichem Quarz gewonnen): geringerer OH-Gehalt bei entsprechender Behandlung, besser geeignet für Infrarot- und Hochtemperaturanwendungen, niedrigere Kosten pro kg.
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