石英玻璃是由二氧化硅单一组分所构成的工业用技术玻璃，拥有一系列特殊的物理和化学性能。由于其优异的理化性能，因而被应用于光学、光通讯、航空航天、半导体集成电路等高技术领域。随着高端光电技术领域对高纯石英玻璃的要求不断提高，本文在介绍一步法工艺特点的同时，也提出了两步法工艺及产品性能，从而实现更高品质石英玻璃的制备，满足高端光电市场的应用需求。
“一步法”石英玻璃制备工艺：（1）石英砂制备；（2）硅化物制备。将石英砂经过℃以上高温或者在等离子火焰下均匀熔化，形成一定尺寸规格的石英砣坯。石英砂虽然非常普遍，但是高纯度石英砂非常稀缺，且不同批次之间的石英砂的杂质含量波动性比较大，这些将严重影响石英玻璃的纯度、外观以及紫外通过率等，因此，无法满足高端光电领域中所需的品质要求。硅化物是指SiCl4、Si4O4（CH3）8等化合物，通过提纯后纯度可达99.%以上。一般采用合成工艺制备石英玻璃，主要有化学气相沉积工艺CVD、等离子化学气相沉积POD工艺两类。这种工艺方法所制备的石英玻璃纯度高，且具有良好的透过率与均匀性。
不同工艺条件下产品对比：以原料进行划分不同工艺下制备的产品性能也不同。表1列出了各工艺条件下产品的特点。
表1 不同条件下的石英玻璃的性能指标
从表1可见，原材料的品质直接决定了石英玻璃的光学性能。在同原材料、不同工艺条件下，石英玻璃中的羟基含量差异也很大。这主要是当采用氢氧焰制备时，由于无法避免制备工艺中化学反应所引入羟基问题，因此产品中的羟基含量与氢氧流量成正比。结合上述工艺特点，等离子工艺制备的石英玻璃性能最佳，但由于存在尺寸限制的弊端，无法进一步适合大尺寸石英玻璃基板的市场需求。
“两步法”气相沉积工艺：当采用气相沉积工艺制备粉末棒时，会产生大量的羟基和水分。其中H2O分子的细玻璃微粒置于干燥气氛中加热时，容易被消除，但是颗粒中的化学水Si-OH，特别是孤立存在的化学水很难通过物理方法去除，必须采用化学反应剂进行化学处理。为了解决羟基问题，将SiCl4、H2、O2火焰水解反应形成的低密度SiO2粉末棒放置于烧结炉内进行脱羟反应，反应式为：
其中，氯气Cl2或亚硫酰氯（SOCl2）作为脱水剂通入烧结炉。通过化学反应脱羟后，再将粉末棒进一步致密、玻璃化后，形成透明的石英玻璃。图1显示了脱羟温度与已致密化光棒中的残余OH-含量之间的关系。研究表明，脱羟温度对脱羟效果非常敏感，当脱羟温度达到℃时，可将OH-浓度减小到低于0.1×10-6的水平。在实际生产中，需要将炉温升高到℃以上，在Cl2氛围中，才能进入粉末中脱羟；若超出℃时，可能由于外表面已致密化而使得Cl2无法有效进入棒体，不利于有效脱羟，因此，应严格控制脱羟过程中的炉温变化。
图1 脱羟温度和OH离子含量的关系
通过优化“两步法”气相沉积与烧结技术，在保证光学均匀性的同时，也获得更低羟基含量的合成石英玻璃。将制备的合成石英玻璃进行退火、切割、研磨与抛光后，检测其透过率、羟基含量、光学均匀性以及应力双折射等指标。由两步法所制备的石英玻璃进行检测，结果表明：石英玻璃的羟基含量仅为0.06×10-6，光学均匀性为1.3×10-6，应力双折射率为1.3nm/cm，拥有良好的透过率，产品性能符合高端光电领域中光掩膜版用高纯石英玻璃基板的要求。
作者单位：中天科技精密材料有限公司
年第3期
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