中國粉體網訊  在傳統(tǒng)認知里，石英玻璃材料的制備似乎永遠繞不開高純石英砂——這種礦物曾被視為行業(yè)命脈，卻也因純度限制和資源壟斷，長期成為半導體等高端領域的“卡脖子”隱患。

來源：神光光學

實際上，受限于石英砂原材料的純度和熔制方法，天然石英玻璃材料會存在金屬雜質含量高、氣泡多、光學均勻性較差的情況，1966年，美國康寧公司發(fā)明了利用高頻等離子體代替氫氧火焰氣相合成石英玻璃的方法，此后，不依賴石英砂制備高純石英材料的方法逐漸被業(yè)內關注和研究。

高純合成石英材料的制備方法

化學氣相沉積（CVD）法

化學氣相沉積工藝是指以SiCl₄等含硅化合物為原材料，在氫氧焰中高溫水解或氧化生成SiO₂微粒，沉積在基體表面形成高純合成石英玻璃。

化學氣相沉積法

CVD合成石英玻璃的特性為金屬雜質含量低、紫外透過率高、光學均勻性高、耐輻照性能優(yōu)越等，但由于原料高溫水解產生眾多水分，羥基含量一般在1‰以上。目前，國際上只有美國康寧、德國賀利氏等公司具備批量生產大尺寸高性能CVD工藝石英玻璃的能力。

等離子體化學氣相沉積（PCVD）法

等離子體化學氣相沉積（PCVD）工藝通過無氫潔凈電感耦合高頻等離子體火焰代替氫氧焰作為熱源形成高溫氣氛。載料氣體將高純SiCl₄原料代入等離子體火焰發(fā)生熱解氧化反應，生成的SiO₂微粒沉積在基桿上熔融呈玻璃態(tài)得到透明的石英玻璃。

等離子體化學氣相沉積合成石英玻璃裝置示意圖

PCVD工藝合成的石英玻璃具有金屬雜質和羥基含量低、全光譜透過性能優(yōu)越、光學均勻性高等特性，但工藝復雜、設備要求高、成本高。

間接合成法

CVD和PCVD等工藝都屬于“直接法”，即在高溫下由原材料直接制得石英玻璃，也稱為“一步法”工藝。間接合成法是將此過程劃分為兩個工序，包括SiO₂粉末體的沉積和燒結，因此也稱為“兩步法”工藝。粉末體沉積的溫度環(huán)境比CVD工藝低很多，形成的是低密度的SiO₂粉末體。之后將粉末體進行燒結，其中可包含摻雜、脫水、脫氣等工序，最后實現玻璃化。

相比于直接法，間接合成法的優(yōu)勢在于沉積速度快、成本低、易摻雜和脫羥，適合深紫外透過、高抗激光損傷石英玻璃的制造，可用于光刻和激光技術領域。

高純合成石英材料的應用

半導體光刻領域

在ArF光刻機（193nm）領域，合成石英玻璃材料作為照明系統(tǒng)和物鏡系統(tǒng)的關鍵材料，要求具備超高純度、低羥基、高光學均勻性、抗輻照和高透過等特性。

光學系統(tǒng)是光刻機中最重要、最昂貴、最復雜的核心部件之一，包括投影物鏡和照明系統(tǒng)兩大核心組成部分。投影物鏡作為光刻機中實現精準成像的關鍵部件，它的主要作用是將掩膜圖形按照一定縮放比例成像到硅片上。折射式投影物鏡鏡頭的材料大多采用低吸收合成石英玻璃。

光掩膜基板

來源：神光光學

光掩膜技術作為半導體技術中的重要組成部分，其制作材料包含玻璃基板、鍍鉻膜層、光刻膠、光學膜等，其中玻璃基板為主要的原材料。玻璃基板多使用石英玻璃基板和鈉鈣玻璃基板，石英玻璃基板的主體為石英玻璃，其光學透過率高，熱膨脹率低，光譜特性優(yōu)良，相比鈉鈣玻璃具有更高的硬度和更長的使用壽命，適用于高精度光掩膜基板的制造。因此，石英玻璃在光掩膜基板的材料選擇中更具備優(yōu)勢，且市場需求逐年遞增。半導體光掩模版用合成石英材料具有低金屬雜質含量（高純）、紫外高透過率、高光學均勻性、低羥基含量、低應力、雙折射及優(yōu)異的耐輻照性能等特點。

激光領域

來源：孫嘉勝.基于立式CVD合成工藝的石英玻璃制砣設備研究及改進

石英玻璃作為一種寬禁帶光學材料，廣泛應用于紫外波段的高功率激光期間作為聚焦鏡、分光鏡以及防護罩等。在軍事上，作為激光系統(tǒng)實施毀傷的“炮彈”，高功率激光傳輸效率和出射激光光束的質量是影響激光武器系統(tǒng)可靠性的關鍵因素。在高功率激光傳輸光路中，反射鏡基底和透射窗口會吸收部分激光導致鏡面產生溫升，鏡面溫升產生的熱形變將影響光學系統(tǒng)精度繼而影響到激光武器系統(tǒng)的性能和可靠性。因此，激光系統(tǒng)需使用具有低吸收、高光學均勻性的超高純合成石英玻璃用于制作反射、透射光學元件。

光通信領域

與其他通信材料相比，石英光纖具有傳輸距離更遠、速度更快、信號損耗率更低、不受電磁信號影響等優(yōu)點，可以更好、更快地滿足信息發(fā)送與接收需求。因此，石英光纖成為目前通信光纖的主流。其中，光纖預制棒更是光纖光纜產業(yè)鏈中附加值最高的一環(huán)，也是光纖工藝中最重要的部分。

來源：賀利氏

石英襯管和套管是光纖預制棒制備工藝過程中最常用的高端石英管材，目前國外石英襯管制備的主流技術是OVD化學合成工藝，德國Heraeus公司的OVD工藝技術在這一領域處于領先和壟斷地位。

航空航天領域

在航空航天和天文學領域中，要求反射光學元件具備高度輕量化的特性，并且能夠在溫度波動時保持其面形精確度。鑒于卓越的熱穩(wěn)定性、良好的可焊接性能和極高的抗變形強度，超低膨脹合成玻璃是制備反射鏡的理想材料，可以應對多種極端使用環(huán)境，在國防工業(yè)、航空航天等領域具有不可替代的作用。

參考來源：

李承帥.大尺寸高均勻石英玻璃制備過程多物理場研究及工藝優(yōu)化

孫緋.低吸收高均勻合成石英玻璃研究進展

聶蘭艦.高純石英材料制品在半導體制程中的應用

孫嘉勝.基于立式CVD合成工藝的石英玻璃制砣設備研究及改進

陳婭麗.光掩膜石英玻璃基板的制造工藝概述

張寒等.超低膨脹合成石英玻璃關鍵制造工藝研究

谷巨明等.光纖預制棒用石英襯管和套管的制備技術及發(fā)展趨勢

（中國粉體網編輯整理/初末）

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