必博娱乐668-必博娱乐平台登录官网-bbo668.net
 总院新闻
 集团新闻
 院企动态
 行业资讯
 媒体聚焦
 视频信息
 图片新闻
 通知公告
 专题专栏
 媒体聚焦  
 
《中国建材》:等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺及成果展示
    作者: 时间:2017-10-19 打印
     
 

来源:《中国建材》120页  作者:杜秀蓉  发表时间:2017年第9期

  超纯石英玻璃简介

  超纯石英玻璃是以等离子化学气相沉积(PlasmaChemical Vapor Deposition,简称PCVD)工艺制备石英玻璃,高纯四氯化硅(SiCl4,纯度99.9999%)为原料,无氢洁净等离子体焰为热源,制得的石英玻璃金属杂质含量小于1ppm,羟基(OH)含量小于5ppm,φ100mm口径内光学不均匀性小于2×10-6。行业中将PCVD 工艺制备的石英玻璃称为超纯石英玻璃或者Ⅳ类石英玻璃。由于其金属杂质、羟基含量低,在紫外、近红处均无明显吸收峰,190nm ~ 3200nm 光谱范围内透过率均大于80%(厚度10mm),故其是重要的光学元件材料之一;由于其玻璃结构中硅氧网络结构最为完整,因此具有高稳定性、高硬度、高弹性模量等力学性能,是制备惯性导航系统中高精度、高稳定力学敏感元件的首选材料;其还可用于制备高能激光透镜、高精密红外透镜、精密光学棱镜/ 透镜、深紫外光刻机掩模板、高稳定性力学振动器件等。

  PCVD 工艺制备石英玻璃发展历程

  中国建筑材料科学研究总院(以下简称“中国建材总院”)从2000 年开始PCVD 工艺制备超纯石英玻璃的研究,以中国工程院顾真安院士、石英行业领军人物王玉芬教授等为核心的高性能石英玻璃科研团队,通过自主创新、艰苦奋斗,克服了理论研究薄弱、装备落后、人才短缺等问题,率先实现了国内PCVD 工艺制备超纯石英玻璃零的突破,建立了国内第一条PCVD 工艺线。经过10 年的技术积累、设备升级、工艺优化,国内PCVD 工艺实现了装备水平、工艺技术、产品性能逐年提高的良性发展,解决了100kW 高频等离子发生器连续稳定工作的技术难题,实现了工艺装备由手动控制到自动控制的升级,成功实现了金属杂质含量小于5ppm,羟基(OH)含量小于5ppm 的超纯石英玻璃小批量生产。

  2010 年,在国家和中国建材总院的支持下,项目组重新布局规划建立了全新的工艺线;基于理论研究日益成熟和设备自动化程度提高,2010 ~ 2017 年间PCVD工艺取得了突飞猛进的发展,成功突破了200kW 高频等离子发生器制备的技术难题,开展了计算机数值模拟实现PCVD 工艺控制参数化,集成优化了PCVD 工艺装备实现第三代中央控制的装备系统;实现了金属杂质含量小于1ppm,羟基(OH)含量小于1ppm 的超纯石英玻璃批量生产,并开始研制超纯石英玻璃器件。

  预计到2020 年,将实现高品质超纯石英稳定批量生产,年产量达500kg ;达到美国康宁、德国贺利氏等一流企业同类石英玻璃的性能。并利用现有高频等离子技术、设备条件及加工技术开发新领域,如制备金刚石厚膜、硬脆材料精密加工等。

  PCVD 工艺研究现状

  目前美俄等发达国家已掌握了PCVD 工艺制备超纯石英玻璃技术,但详细的技术资料、工艺装置等均鲜有报道,并且产品对中国禁运。为打破美俄等国家对PCVD工艺技术封锁的壁垒,解决我国对关键材料的急需,中国建材总院17 年来致力于PCVD 工艺及装备的研究。

  PCVD 工艺装备系统由沉积系统、高频发生器、运动系统、原料供应系统、气体供应系统、在线监测系统、尾气处理系统7 个主要部分组成,其中沉积系统是石英玻璃形成和玻璃化的场所;高频发生器供应能量以保证沉积系统的持续高温;运动系统控制石英基体升降高度和旋转速度;原料供应系统输入SiCl4 ;在线监视系统监测显示沉积系统内石英基体形貌、温度、等离子焰状态等参数;尾气处理系统吸收Cl2 废气和SiO2 颗粒。

  上述系统具有如下特点。①控制精细化:对原料供应、气体流量的控制更加精细可调,以满足各种实验生产参数;加载在线高温摄像系统、温度传感器,可实现对温度、流场等工况的实时监测;配备形位传感器,对沉积过程中石英玻璃体的形状大小进行监测。②设备自动化:建立了多通道状反馈- 调节系统,可在中控计算机上实现对原料、气体流量的在线调节,对温度、位置的调节等。③系统集成化:将高频系统、原料系统、运动系统、监测系统等全部集成至中控计算机,开发了相应的控制软件和及时响应机制,实现了一人多机的控制和及时自动调节的能力。

  理论研究方面,通过计算机数值模拟对沉积时的温度场、气流场、料场进行了参数化处理,对提高超纯石英玻璃熔制效率和质量发挥了关键作用;完善了PCVD工艺高温下石英玻璃熔融、玻璃化过程,推导出了石英玻璃沉积速率方程,为建立超纯石英玻璃沉积模型奠定了基础;此外针对超纯石英玻璃结构缺陷、稳定性、三维结构一致性等开展了科学研究,提出了超纯石英玻璃结构缺陷检测方法、稳定化处理技术以及三维结构一致性增强技术。

  PCVD 工艺在国内取得了显著成绩,中国建材总院将以工艺更稳定、装备更先进、产品更优化为目标,继续努力,助推PCVD 工艺发展迈上新台阶。

  成果展示

  中国建材总院是目前国内唯一掌握PCVD 工艺制备超纯石英玻璃技术的单位,经过多年积累发展,在理论基础、工艺装备、技术水平等方面均取得了长足进步,申请发明专利14 篇,发表学术论文近10 篇,培养博士研究生2 名、硕士研究生5 名,并且形成了集科研、生产、加工、检测为一体的超纯石英玻璃研发平台,其中表面/亚表面零缺陷石英玻璃抛光、异型器件加工等成绩斐然。

  1. 高稳定石英玻璃原材料

  PCVD 工艺制备的超纯石英玻璃金属杂质、羟基含量低,硅氧网络结构完整,经过特殊的稳定化处理后,具有长期高稳定特性;现主要用于加工惯导力学器件,实现长期稳定服役。

  2. 表面/ 亚表面零缺陷石英玻璃抛光片

  具备成熟的超精密双面研磨、抛光技术,可加工出平面度< 0.1um,平行度< 0.3um,表面粗糙度< 0.6nm的石英玻璃抛光片,并且氢氟酸刻蚀后表面无任何划伤、麻点等缺陷,冷加工尺寸精度高达±2um。

  3. 石英玻璃摆片

  具有成熟的石英摆片加工、测试线,采用上述表面/ 亚表面零缺陷石英玻璃抛光片进行激光刻图、酸刻蚀加工制得石英摆片,激光成型尺寸精度±5um,刻蚀精度±20um,挠性梁厚度一致性小于2um。并且自主研发国内首套针对摆片频率、几何参数、下摆量的测试设备,可对石英摆片进行振动频率、凸台高度、挠性梁厚度、下摆量测量。

  4. 石英玻璃精密异型器件

  针对石英玻璃薄壁壳体、抛光盲孔、复杂图形等异形件的加工,技术手段成熟,加工精度高。

  知识产权

  关于PCVD 超纯石英玻璃制备及制品方向,从2005年申请第一篇专利开始,至今已申请16 篇专利(见表1),其中发明专利13 篇,实用新型专利3 篇。专利主要围绕材料制备、制品加工、性能检测3 个方面进行了布局,为中国建材总院持续占领行业制高点,保持国内唯一性,追赶国际先进奠定了夯实的技术基础。

  此外,近3 年在国内外各期刊发表的学术论文(见表2)总计9 篇,其中SCI/EI 收录4 篇。基于多篇学术论文发表、会议交流,为PCVD 工艺发展注入了新活力,扩大了超纯石英玻璃应用领域,提升了中国建材总院在行业内的知名度。

  历经17 年的不懈努力,中国建材总院突破了超纯石英玻璃制备、加工、表征等技术壁垒,形成了目前国内唯一一个集科研、生产、加工、检测为一体的超纯石英玻璃研发平台;研发的超纯石英玻璃广泛应用于惯导、高能激光、精密光学等领域。随着超纯石英玻璃市场需求日益增大,对其性能也相应提出更高要求,近3 年内超纯石英玻璃的发展趋势为:更大尺寸(φ300mm)、更低杂质羟基含量、更少结构缺陷(三维均匀)。以此为方向,中国建材总院PCVD 科研团队将秉承创新促发展、实干出真知的理念,助推PCVD工艺发展迈上新台阶。