光学系列新闻:我国大尺寸石英玻璃光学均匀性实现质的飞跃

2015年一季度中国建筑材料科学研究总院成功研发大尺寸石英玻璃产品，产品直径可达600毫米以上，光学均匀性达到2.1×10-6，填补国内空白，标志着我国大尺寸石英玻璃光学均匀性成功步入“2.0”时代，为自主研发更大尺寸高均匀石英玻璃产品奠定了技术基础。

　　光学均匀性即表征材料内部折射率不均匀的程度，若光学不均匀，则光通过介质后会发生相位差，可能导致光学系统无法实现预期的功能，甚至无法正常工作。作为各类高精尖光学系统必备的透镜材料，熔石英玻璃的光学均匀性直接影响光学系统的成像质量。从“九五”开始，中国建筑材料科学研究总院致力于高均匀石英玻璃新工艺、新技术、新装备和相关基础理论的研究，先后在“十五”期间在国内首创立式化学气相沉积工艺，使大尺寸、高均匀石英玻璃的制造成为可能；“十一五”期间实现直径300毫米口径光学均匀性3×10-6并可批量化生产；通过“十二五”科技攻关，光学均匀性从3×10-6到2×10-6实现了质的飞跃，形成全自主知识产权的成套技术和装备，2014年荣获建材行业科学技术发明类二等奖，带动行业进步，相关产品应用于高精度测绘相机系统等高新技术领域。

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《中国建材报》：中国建材总院：“做中国第一石英人”

来源：《中国建材报》2版 作者：王 慧 向在奎 发表时间：2015/6/17

　　2015年，中国建筑材料科学研究总院成功攻克光学均匀性2×10-6的大尺寸、高品质石英玻璃制备技术，填补了国内空白，标志着我国大尺寸石英玻璃光学均匀性成功步入“2.0”时代，实现了我国重大工程及高新技术领域关键材料国产化。这对于提高我国航天、航空、核技术、半导体、光学测试等领域装备水平，有着重要的意义，同时也为我国大尺寸石英玻璃制备提供了全新、高效、低成本制备技术，推动了石英玻璃行业的进步。

　　 “严谨、求实、团结、奋进”是中国建材总院石英人牢记心底的八个大字，从顾真安院士带领的老一辈科研人员，到如今王玉芬院长及她的科研团队，都秉承“技术创新、赶超国际”的理念，坚守“做中国第一石英人”的信念，怀揣“新常态”下的“石英梦”，推动我国石英玻璃行业技术发展，满足高端领域对高品质石英玻璃的需求，打破国外垄断，切实为提高我国高端装备水平打下坚实的材料基础。

　　石英玻璃——玻璃材料的“皇冠”

　　石英是自然界中大量存在的矿藏之一，化学成分为SiO2，在不同温度条件下具有多种变体：低于573℃，称其为α石英，具有压电效应；高于573℃，称其为β石英。其中纯净的、结晶完好的、透明的α石英又称之为水晶，是有固定晶形的晶体，自古以来备受人类宠爱，世界各国均将其列入宝石行列。

　　石英玻璃也是由单一的SiO2构成，但它是采用石英粉熔融或化学反应生成的玻璃，具有“长程无序、短程有序”的特性，属非晶态，SiO2纯度可达99.9999%。

　　相比于普通玻璃而言，石英玻璃具有更加优越的物理和化学性能，其作为重要材料被广泛应用于国民经济领域、国家重大专项工程和国防工业等领域的高端装备上。

　　太空飞行器、空间相机中应用的石英玻璃窗口、镜头能够在宇宙射线粒子辐照下不产生“色心”而变色，保证勘察、测绘的准确与有效性；硅片扩散、氧化、沉积、退火处理过程中，支撑架作为惟一与硅溶液直接接触的材料，对单晶硅的品质和成品率起着最关键的作用，高纯石英玻璃成为唯一可选用的材料，硅片酸洗过程中，石英玻璃花篮和石英玻璃清洗槽可不被腐蚀，耐酸抗碱；集成电路中扩散管的纯度、抗高温变形性能、几何尺寸和外观质量性能直接决定最终集成电路和器件的质量、成本和生产效率，经过大量的综合试验，只有石英玻璃满足所有要求；光掩膜基板的微观内质决定刻线的准确性，高品质石英玻璃的紫外高透过率及内部极高的均匀性可保证工作精度与准度。

　　机械强度高、化学稳定性好、光谱透过宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照和电绝缘等优良性能使石英玻璃当之无愧加冕玻璃材料的“皇冠”。

　　首创国内石英玻璃制造工艺

　　按照采用原料的不同，石英玻璃制造工艺主要分为两种：一是采用电熔、气炼、连熔等方法将天然结晶石英粉在高温下熔融制得；二是采用化学原料合成法制得，即硅化合物在氢氧焰中发生系列化学反应生成二氧化硅颗粒，聚集在一起形成块状石英玻璃。

　　前者由于采用天然石英粉做原料，生产出的石英玻璃纯度受到极大的局限，即便采用国外高纯石英粉作为原料，由于生产工艺的局限性，其制品的光谱特性、内质均匀性等也只能满足部分低端市场需求。

　　化学合成法制得的石英玻璃纯度高（99.9999%）、尺寸大（1m以上）、光学均匀性高、透过光谱范围宽、透过率高。可采用的原料有硅烷、四氯化硅等。

　　中国建材总院是国内最早从事石英玻璃研发的单位，电熔、气炼、连熔等方法均起源于此。

　　20世纪70年代，随着全球多晶硅太阳能电池产业的飞速发展，我国多晶硅生产厂家曾一度达到20余家，厂家大多采用传统西门子法，生产技术水平低下，产生的有毒有害副产物四氯化硅，是多晶硅产量的10倍之多，当时尚无较好的处理办法。

　　1960年，顾真安带领团队在上海开展了利用化工区的工业废氢作为燃料进行石英玻璃相关技术的研发工作，了解到化工区的多晶硅副产物问题后，大胆地提出了循环制造的想法，巧妙地将多晶硅副产物四氯化硅与高品质石英玻璃的制造结合在一起。

　　无数个无眠的夜晚、多次的春节驻厂，老一辈科研人员的刻苦攻坚，造就了日后的辉煌。1974年，中国建材总院在国内首次开展了化学气相沉积合成石英玻璃的研究，生产出第一块合成石英玻璃。采用四氯化硅为原料，经过提纯和净化，在氢气和氧气的作用下，发生水解反应，生成SiO2。沿用天然石英粉熔融石英玻璃的操作方式，采用“卧式”沉积方法，即横向沉积（见图1）。

图1 传统卧式化学气相沉积法

　　由于此法采用敞口炉膛结构，炉内温度均匀性差、炉压受外界影响大、污染源多，造成沉积效率低且产品纯度低，难以制备超过Φ200mm的产品，且内部存在较大结构应力（>10nm/cm），光学均匀性较差（10-5），紫外光波段吸收大，无法满足更高使用要求。

　　2002年，顾真安带领王玉芬等人突破传统卧式CVD气相合成工艺，在国内首创立式CVD气相沉积工艺（见图2），使大尺寸、高均匀石英玻璃的制造成为可能。

图2 立式化学气相沉积法

　　此法将沉积方向由横向变为竖直，使得长时间熔制大石英玻璃砣成为可能；封闭式炉膛使炉膛内部的气流场不受外界气流影响，且避免了因外部污染物的掉落降低石英玻璃的品质。2003年，在发明了立式化学气相沉积炉的基础上又开发出了立式沉积炉、沉积用燃烧器等成套装备。

　　2004年，采用四氯化硅气相沉积合成的石英玻璃最大尺寸可达Φ400mm，全口径内无气泡、无杂点，Φ350mm口径光学均匀性可达2×10-6，达到俄罗斯同类产品水平，满足当时我国航天航空、核技术等领域的应用需求。

　　创新成果满足市场需求

　　“十二五”期间，我国航天飞行器、航空摄像机、卫星窗口透镜等对所用石英玻璃材料提出了更大尺寸、更高光学均匀性、更长耐宇宙射线辐照寿命等更为苛刻的要求；随着我国第6代～第8.5代TFT-LCD的快速发展与推进，对TFT-LCD用光罩合成石英玻璃基板材料的尺寸、微观缺陷控制技术等提出了更高要求；激光光路大口径石英玻璃基板反射镜的规格尺寸要求不断增大，由820mm×320mm向970mm×370mm、1400mm×400mm等方向发展，且需求量逐年增加。随着各行业、各领域的不断进步，要求高品质石英玻璃朝着“更大、更均匀、更精细”的方向发展，掌握制备关键技术，形成产业化，解决我国各领域对高品质石英玻璃的急需成为当务之急。

　　2008年，作为中国建材院石英领域新一代的接班人，王玉芬带领新一代科研人员突破了大尺寸、立式双灯合成石英玻璃沉积工艺技术，制备出Φ500mm、重量120kg的高质量石英玻璃砣，成功研制出Φ500mm×50mm大口径合成石英玻璃大板，光学均匀性达到4.8×10-6。
2012年，为扩大生产规模，进一步提高研发实力，王玉芬等又在浙江衢州搭建了高水平的石英玻璃研发平台，建设了年产5吨石英玻璃、20块大尺寸高品质石英玻璃的中试线，为熔制大尺寸、高品质石英玻璃砣提供条件，为石英玻璃生产技术带来质的飞跃。

　　在此基础上，中国建材总院取得了多项创新性成果，成为国内唯一可稳定小批量生产大尺寸（>Φ600mm）、高均匀（光学均匀性3～5×10-6）、高透过率（T350-800nm，10mm>92%）石英玻璃的研发单位。今年他们又成功研制光学均匀性2×10-6的大尺寸、高品质石英玻璃制备技术，填补了国内空白，标志着我国大尺寸石英玻璃光学均匀性成功步入“2.0”时代，为提高我国航天、航空、核技术、半导体、光学测试等领域装备水平，做出了重要贡献。