中国粉体网讯 在传统认知里，石英玻璃材料的制备似乎永远绕不开高纯石英砂——这种矿物曾被视为行业命脉，却也因纯度限制和资源垄断，长期成为半导体等高端领域的“卡脖子”隐患。
来源：神光光学
实际上，受限于石英砂原材料的纯度和熔制方法，天然石英玻璃材料会存在金属杂质含量高、气泡多、光学均匀性较差的情况，1966年，美国康宁公司发明了利用高频等离子体代替氢氧火焰气相合成石英玻璃的方法，此后，不依赖石英砂制备高纯石英材料的方法逐渐被业内关注和研究。
高纯合成石英材料的制备方法
化学气相沉积（CVD）法
化学气相沉积工艺是指以SiCl4等含硅化合物为原材料，在氢氧焰中高温水解或氧化生成SiO2微粒，沉积在基体表面形成高纯合成石英玻璃。
化学气相沉积法
CVD合成石英玻璃的特性为金属杂质含量低、紫外透过率高、光学均匀性高、耐辐照性能优越等，但由于原料高温水解产生众多水分，羟基含量一般在1‰以上。目前，国际上只有美国康宁、德国贺利氏等公司具备批量生产大尺寸高性能CVD工艺石英玻璃的能力。
等离子体化学气相沉积（PCVD）法
等离子体化学气相沉积（PCVD）工艺通过无氢洁净电感耦合高频等离子体火焰代替氢氧焰作为热源形成高温气氛。载料气体将高纯SiCl4原料代入等离子体火焰发生热解氧化反应，生成的SiO2微粒沉积在基杆上熔融呈玻璃态得到透明的石英玻璃。
等离子体化学气相沉积合成石英玻璃装置示意图
PCVD工艺合成的石英玻璃具有金属杂质和羟基含量低、全光谱透过性能优越、光学均匀性高等特性，但工艺复杂、设备要求高、成本高。
间接合成法
CVD和PCVD等工艺都属于“直接法”，即在高温下由原材料直接制得石英玻璃，也称为“一步法”工艺。间接合成法是将此过程划分为两个工序，包括SiO2粉末体的沉积和烧结，因此也称为“两步法”工艺。粉末体沉积的温度环境比CVD工艺低很多，形成的是低密度的SiO2粉末体。之后将粉末体进行烧结，其中可包含掺杂、脱水、脱气等工序，最后实现玻璃化。
相比于直接法，间接合成法的优势在于沉积速度快、成本低、易掺杂和脱羟，适合深紫外透过、高抗激光损伤石英玻璃的制造，可用于光刻和激光技术领域。
高纯合成石英材料的应用
半导体光刻领域
在ArF光刻机（193nm）领域，合成石英玻璃材料作为照明系统和物镜系统的关键材料，要求具备超高纯度、低羟基、高光学均匀性、抗辐照和高透过等特性。
光学系统是光刻机中最重要、最昂贵、最复杂的核心部件之一，包括投影物镜和照明系统两大核心组成部分。投影物镜作为光刻机中实现精准成像的关键部件，它的主要作用是将掩膜图形按照一定缩放比例成像到硅片上。折射式投影物镜镜头的材料大多采用低吸收合成石英玻璃。
光掩膜基板
来源：神光光学
光掩膜技术作为半导体技术中的重要组成部分，其制作材料包含玻璃基板、镀铬膜层、光刻胶、光学膜等，其中玻璃基板为主要的原材料。玻璃基板多使用石英玻璃基板和钠钙玻璃基板，石英玻璃基板的主体为石英玻璃，其光学透过率高，热膨胀率低，光谱特性优良，相比钠钙玻璃具有更高的硬度和更长的使用寿命，适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选择中更具备优势，且市场需求逐年递增。半导体光掩模版用合成石英材料具有低金属杂质含量（高纯）、紫外高透过率、高光学均匀性、低羟基含量、低应力、双折射及优异的耐辐照性能等特点。
激光领域
来源：孙嘉胜.基于立式CVD合成工艺的石英玻璃制砣设备研究及改进
石英玻璃作为一种宽禁带光学材料，广泛应用于紫外波段的高功率激光期间作为聚焦镜、分光镜以及防护罩等。在军事上，作为激光系统实施毁伤的“炮弹”，高功率激光传输效率和出射激光光束的质量是影响激光武器系统可靠性的关键因素。在高功率激光传输光路中，反射镜基底和透射窗口会吸收部分激光导致镜面产生温升，镜面温升产生的热形变将影响光学系统精度继而影响到激光武器系统的性能和可靠性。因此，激光系统需使用具有低吸收、高光学均匀性的超高纯合成石英玻璃用于制作反射、透射光学元件。
光通信领域
与其他通信材料相比，石英光纤具有传输距离更远、速度更快、信号损耗率更低、不受电磁信号影响等优点，可以更好、更快地满足信息发送与接收需求。因此，石英光纤成为目前通信光纤的主流。其中，光纤预制棒更是光纤光缆产业链中附加值最高的一环，也是光纤工艺中最重要的部分。
来源：贺利氏
石英衬管和套管是光纤预制棒制备工艺过程中最常用的高端石英管材，目前国外石英衬管制备的主流技术是OVD化学合成工艺，德国Heraeus公司的OVD工艺技术在这一领域处于领先和垄断地位。
航空航天领域
在航空航天和天文学领域中，要求反射光学元件具备高度轻量化的特性，并且能够在温度波动时保持其面形精确度。鉴于卓越的热稳定性、良好的可焊接性能和极高的抗变形强度，超低膨胀合成玻璃是制备反射镜的理想材料，可以应对多种极端使用环境，在国防工业、航空航天等领域具有不可替代的作用。
参考来源：
李承帅.大尺寸高均匀石英玻璃制备过程多物理场研究及工艺优化
孙绯.低吸收高均匀合成石英玻璃研究进展
聂兰舰.高纯石英材料制品在半导体制程中的应用
孙嘉胜.基于立式CVD合成工艺的石英玻璃制砣设备研究及改进
陈娅丽.光掩膜石英玻璃基板的制造工艺概述
张寒等.超低膨胀合成石英玻璃关键制造工艺研究
谷巨明等.光纤预制棒用石英衬管和套管的制备技术及发展趋势
（中国粉体网编辑整理/初末）
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