中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在傳統(tǒng)認(rèn)知里，石英玻璃材料的制備似乎永遠(yuǎn)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(zhǎng)期成為半導(dǎo)體等高端領(lǐng)域的“卡脖子”隱患。
來(lái)源：神光光學(xué)
實(shí)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(huì)存在金屬雜質(zhì)含量高、氣泡多、光學(xué)均勻性較差的情況，1966年，美國(guó)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(nèi)關(guān)注和研究。
高純合成石英材料的制備方法
化學(xué)氣相沉積（CVD）法
化學(xué)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(xué)氣相沉積法
CVD合成石英玻璃的特性為金屬雜質(zhì)含量低、紫外透過率高、光學(xué)均勻性高、耐輻照性能優(yōu)越等，但由于原料高溫水解產(chǎn)生眾多水分，羥基含量一般在1‰以上。目前，國(guó)際上只有美國(guó)康寧、德國(guó)賀利氏等公司具備批量生產(chǎn)大尺寸高性能CVD工藝石英玻璃的能力。
等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）法
等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）工藝通過無(wú)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(yīng)，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(xué)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(zhì)和羥基含量低、全光譜透過性能優(yōu)越、光學(xué)均勻性高等特性，但工藝復(fù)雜、設(shè)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(gè)工序，包括SiO2粉末體的沉積和燒結(jié)，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(jìn)行燒結(jié)，其中可包含摻雜、脫水、脫氣等工序，最后實(shí)現(xiàn)玻璃化。
相比于直接法，間接合成法的優(yōu)勢(shì)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(shù)領(lǐng)域。
高純合成石英材料的應(yīng)用
半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域
在ArF光刻機(jī)（193nm）領(lǐng)域，合成石英玻璃材料作為照明系統(tǒng)和物鏡系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，要求具備超高純度、低羥基、高光學(xué)均勻性、抗輻照和高透過等特性。
光學(xué)系統(tǒng)是光刻機(jī)中最重要、最昂貴、最復(fù)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(jī)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成像的關(guān)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(lái)源：神光光學(xué)
光掩膜技術(shù)作為半導(dǎo)體技術(shù)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(xué)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(xué)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(zhǎng)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(shì)，且市場(chǎng)需求逐年遞增。半導(dǎo)體光掩模版用合成石英材料具有低金屬雜質(zhì)含量（高純）、紫外高透過率、高光學(xué)均勻性、低羥基含量、低應(yīng)力、雙折射及優(yōu)異的耐輻照性能等特點(diǎn)。
激光領(lǐng)域
來(lái)源：孫嘉勝.基于立式CVD合成工藝的石英玻璃制砣設(shè)備研究及改進(jìn)
石英玻璃作為一種寬禁帶光學(xué)材料，廣泛應(yīng)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(hù)罩等。在軍事上，作為激光系統(tǒng)實(shí)施毀傷的“炮彈”，高功率激光傳輸效率和出射激光光束的質(zhì)量是影響激光武器系統(tǒng)可靠性的關(guān)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(huì)吸收部分激光導(dǎo)致鏡面產(chǎn)生溫升，鏡面溫升產(chǎn)生的熱形變將影響光學(xué)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(xué)均勻性的超高純合成石英玻璃用于制作反射、透射光學(xué)元件。
光通信領(lǐng)域
與其他通信材料相比，石英光纖具有傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更快、信號(hào)損耗率更低、不受電磁信號(hào)影響等優(yōu)點(diǎn)，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(yù)制棒更是光纖光纜產(chǎn)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(lái)源：賀利氏
石英襯管和套管是光纖預(yù)制棒制備工藝過程中最常用的高端石英管材，目前國(guó)外石英襯管制備的主流技術(shù)是OVD化學(xué)合成工藝，德國(guó)Heraeus公司的OVD工藝技術(shù)在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先和壟斷地位。
航空航天領(lǐng)域
在航空航天和天文學(xué)領(lǐng)域中，要求反射光學(xué)元件具備高度輕量化的特性，并且能夠在溫度波動(dòng)時(shí)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(qiáng)度，超低膨脹合成玻璃是制備反射鏡的理想材料，可以應(yīng)對(duì)多種極端使用環(huán)境，在國(guó)防工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域具有不可替代的作用。
參考來(lái)源：
李承帥.大尺寸高均勻石英玻璃制備過程多物理場(chǎng)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(jìn)展
聶蘭艦.高純石英材料制品在半導(dǎo)體制程中的應(yīng)用
孫嘉勝.基于立式CVD合成工藝的石英玻璃制砣設(shè)備研究及改進(jìn)
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(guān)鍵制造工藝研究
谷巨明等.光纖預(yù)制棒用石英襯管和套管的制備技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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