Interaction of water with quartz sand surfaces studied by in situ temperature dependent diffuse reflectance IR spectroscopy

Abstract

Kvartssand med høy renhet brukes som materiale for digler i produksjonen av monokrystallinske silisiumstøpeblokker. Støpeblokkene blir videre produsert til solceller i Czochralski (CZ)-prosessen. Hydroksyl- og vanninnholdet i kvartssand med høy renhet påvirker viskositeten til digelen. Lavere viskositet kan resultere i deformasjon av digelen når den blir holdt på lengre tid ved temperaturen i CZ-prosessen. Den lavere viskositeten gjør det lettere for bobler i digelen å ekspandere. Hvis boblene lekkes inn i silisiumsmelten under krystalltrekkingen kan krystalldefekter dannes.

Hovedformålet med denne masteroppgaven har vært å undersøke innholdet av hydroksylgrupper og vann i kvarts ved forskjellige temperaturer fra romtemperatur opp til 700°C. Dette ble gjort med Diffuse Reflection Infrared Fourier Transform (DRIFT) Spectroscopy. Et eksperimentelt oppsett ble utviklet for å utføre in situ oppvarmingsforsøk med kvartssand. Det eksperimentelle oppsettet besto av en oppvarmbar «diffuse reflection cell» med atmosfærisk kontroll plassert inne i den evakuerte delen av et FTIR spektrometer. Et prøvesett bestående av ni kvartssandetyper med forskjellig varmebehandling ble undersøkt. I tillegg ble det gjort adsorpsjonseksperimenter med varmebehandlet kvartssand.

Resultatene viste at vann i kvartssand reduseres med høyere temperatur under in situ oppvarming av kvartsandprøver. For å fjerne både vann og isolerte hydroksylgrupper, er en hypotese at en varmebehandling ved 700°C i 30 minutter er nødvendig. I begynnelsen, er reduksjonen av vann ledsaget med en økning av absorbsjon av isolerte OH grupper. En hypotese er at fjerning av disse gruppene krever en viss bevegelsesfrihet.

I tillegg ble adsorpsjonen av vann til kvartssand observert å være minst for kvartssand som ble varmet til 900°C i 24 timer eller mer. Dette korresponderer med at silanolgrupper bundet ved kvartssandoverflaten vil avta ved å øke temperaturen under varmebehandling. Dette gir færre adsorpsjonsentre.

High purity quartz sand is used as crucible material for use in the Czochralski (CZ) process for the production of monocrystalline silicon ingots. The content of hydroxyl groups and molecular water in the quartz sand affect the viscosity of the quartz crucible during the production. Lower viscosity can result in deformation of the crucible when held at the CZ process temperature. Lower viscosity also facilitates bubble expansion in the crucible. If bubbles leak into the silicon melt during the crystal pulling, they generate defects in the silicon ingot.

The main aim of this master thesis has been to investigate the structure of hydroxyl groups and water in quartz at different temperatures from room temperature up to 700°C by Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform (DRIFT) Spectroscopy. An experimental set-up was developed to perform in situ heating experiments with the quartz sand. The experimental set-up consisted of a heatable diffuse reflectance cell with atmospheric control inside the evacuated sample chamber of a FTIR spectrometer. A sample set consisting of nine quartz sand types with different thermal treatment was studied. Moisture adsorption experiments to heat treated quartz sand were performed as well.

Results during the in situ heating showed that the molecular water content with a spectral signature of liquid water in quartz sand decreases with increasing temperature. To remove both the liquid water and the isolated hydroxyl groups, a thermal treatment at 700°C for at least 30 min is needed. Initially, the decrease of molecular, liquid-like water is accompanied by an increase in absorbance of non-hydrogen bound OH groups. It is hypothesized that removal of these groups requires a certain lateral mobility.

The adsorption of water was observed to be minimal for the sand types which had been heat treated at 900°C for 24 h or more. This correspond with results found for the thermal treatment, where higher temperature gives a lower content of OH groups and thus fewer adsorption centres.