石英玻璃凭借其极低的热膨胀系数、优异的耐高温性、化学稳定性以及卓越的光谱透过性能，在光学、光电子、航天航空等高科技领域占据着不可替代的地位。随着技术的发展，传统化学气相沉积（CVD）法制备的石英玻璃已难以满足高端领域对材料纯度和性能的严苛要求，而等离子体化学气相沉积（PCVD）技术的出现，为高性能石英玻璃的合成提供了全新解决方案。

技术原理与实验体系

等离子体化学气相沉积法以高频感应耦合等离子体为热源，通过气体电离形成的高温等离子体火焰，实现石英玻璃的气相沉积合成。其核心反应过程是将气态硅源（如四氯化硅，SiCl₄）通过载气送入等离子体火焰中，在高温下与氧气发生化学反应。

生成的二氧化硅（SiO₂）在基体表面沉积并逐步形成石英玻璃。

实验系统主要由高频振荡器、水冷铜感应线圈、气体控制系统、沉积基体及温度 / 光谱检测装置组成。其中，工作气体的选择是影响沉积效果的关键因素，包括两种核心气体：

• 电离气体（工作气体 1）：直接参与等离子体形成，影响火焰特性和电离程度；

• 冷却保护气体（工作气体 2）：主要用于保护设备、调节火焰形态，对电离过程影响较小。

工作气体对等离子体特性的影响

实验中分别采用氧气（O₂）和空气作为工作气体，系统研究了其对等离子体火焰长度和基体温度的影响，结果显示：

• 当电离气体和保护气体均为氧气时，等离子体火焰长度为 12 cm，基体温度约 1300℃；

• 当两种气体均为空气时，火焰长度显著增至 24 cm，基体温度升至 1840℃。

这一差异源于气体的电离能特性：空气中含有的氮气（N₂）、氧气（O₂）及微量稀有气体（如 Ar）的电离能不同，稀有气体的低电离能使其优先电离，产生的电子进一步碰撞其他分子，增强整体电离程度，从而形成更长的火焰和更高的温度。相比之下，氧气的电离能较高，电离效率较低，导致火焰较短、温度较低。

对石英玻璃性能的影响

高温和长火焰为气相沉积提供了更优条件：

• 光学透过率：以空气为工作气体时，合成的石英玻璃在 190 nm 紫外波长处的透过率可达 84%，远超传统方法制备的产品；

• 羟基含量：通过红外光谱检测，2730 nm 处的羟基（-OH）吸收峰计算显示，其含量低至 3.5×10⁻⁶，有效避免了羟基对短波透光性的干扰，满足全光谱透过要求。

技术优势与应用前景

与传统 CVD 技术相比，等离子体化学气相沉积法的核心优势体现在：

• 高温沉积环境：1840℃的基体温度可确保反应充分进行，减少杂质残留，提升材料纯度；
• 精确可控性：通过调节工作气体种类和流量，可精准控制等离子体火焰特性，实现对石英玻璃微观结构的调控；
• 高性能指标：制备的石英玻璃在深紫外波段（190 nm）透光性优异，羟基含量极低，完全满足航天、光刻等高端领域对 “全光谱透过” 的需求。

目前，该技术已在高功率激光装置、紫外光学仪器、航天遥感设备等领域展现出巨大应用潜力，未来通过进一步优化气体配比和沉积工艺，有望实现更高性能石英玻璃的批量制备。

来源：晶格半导体