Оптические окна и линзы из кремния

Общие сведения

Кремний оптический, который мы производим, используется прежде всего для изготовления окон и линз для оптических систем, работающих в диапазоне длин волн от 1.2 до 7 мкм. Окна из кремния толщиной до 1 мм могут быть успешно использованы в так называемом втором «атмосферном окне» от 8 до 12 микрон.

С понятием «прозрачность» все более или менее интуитивно понятно — это способность вещества пропускать сквозь себя видимый свет. (Рис.)

Далее, рассмотрим понятие «окно прозрачности атмосферы». Воздух прозрачен, но не для всякого излучения. Атмосфера, как известно, состоит из смеси газов и разных частиц, находящихся в ней во взвешенном состояние. Если воздух чист и прозрачен, то днем мы видим все до горизонта, а ночью – звезды, планеты и Млечный путь. Почему же воздух для нас прозрачен? Наши глаза видят электромагнитные волны (фотоны) в диапазоне длин волн от λ ≈ 380 нм (фиолетовый цвет) до λ ≈ 760 нм (красный цвет). Энергия фотона фиолетового цвета Е_фот≈ 3,3 эВ, а энергия фотона красного цвета Е_фот≈ 1,65 эВ. Прозрачность воздуха означает, что фотонам (с энергиями в этом интервале) ничто не препятствуют лететь к нашим глазам. Другими словами, наша атмосфера не поглощает фотоны в видимой нашими глазами части спектра электромагнитных волн.

Но диапазоны сильного поглощения есть и вправо, и влево от видимого спектра – в частности, в интересующей нас ИК области. Сильно поглощают ИК излучение парниковые газы - метан, углекислый газ, водяной пар. Соответственно там, где поглощение идёт интенсивно, атмосфера непрозрачна, а там, где поглощения нет, - прозрачна (Рис.)

Монокристаллический кремний, не прозрачный в видимой области, обладает хорошей прозрачностью для излучения в диапазоне от l = 1,2 мкм до l ≈ 1000 мкм (за исключением диапазона от 9 до 20 мкм). Поэтому он является основным оптическим материалом для области спектра от 3 до 5 мкм. Область от 9 до 20 мкм имеет большое количество полос поглощения кислородом и кристаллической решеткой самого кремния.

Основные электрофизические параметры кремния представлены в табл. Свойства оптического кремния (Si):

Рис. Слева – стекло прозрачно в видимом диапазоне, непрозрачно в инфракрасном
Справа – кремний, непрозрачен в видимом диапазоне, прозрачен в инфракрасном

Рис. Области поглощения излучения в земной атмосфере

Рис. Прозрачность образца кремния толщиной 1 мм
в зависимости от длины волны

Отступление: тепловизор как произведение искусства

Напомним, что диапазон 3-5 мкм является наиболее используемым в тепловидении для регистрации объектов c высокой температурой. Тепловизор — это прибор, фиксирующий тепловое (инфракрасное) излучение предмета и преобразующее его в видимое для человеческого глаза. Кремний в таком канале играет ту же роль, что и стеклянная линза а видимом канале – фокусирует и направляет поток фотонов. (Рис.) Тепловизоры средневолнового диапазона ориентированы на излучение объектов с температурой от 300 до 960 градусов Цельсия и выше – это, например, раскаленный слиток металла, разогретая деталь электрощита или сопла двигателя летящего самолета.

Рис. Схема работы тепловизора

Рис. Тепловизоры – на входе канала стоит кремниевая линза

Рис. Тепловое изображение самолета в диапазоне 3−5 мкм c использованием кремниевой оптики

Какой оптический кремний является наилучшим для ИК-диапазона

С длинноволновой стороны края основной полосы коэффициент поглощения ά определяется поглощением излучения свободными носителями заряда. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при 300 K равняется 1,4×10¹⁰ см^-3, а удельное сопротивление ρ такого кремния равно 2,3×10⁵ Ом см. Реальные монокристаллы кремния содержат большое количество трудно отделяемых примесей бора и кислорода, которые приводят к увеличению ά вследствие повышения концентрации носителей заряда и их рассеяния на примесных центрах, а также к рассеянию излучения на кислородных комплексах.

Минимальная концентрация кислорода в кремнии, реализованная при современной технологии выращивания, составляет 5×10¹⁵ см^-3. Удельное сопротивление такого кремния ρ = 100−200 Ом см.

Кроме того, в кремнии n-типа проводимости наблюдается дополнительное поглощение в области спектра 1,5−5 мкм с максимумом у λ= 2,3 мкм, обусловленное непрямыми внутризонными переходами электронов в зоне проводимости. При температуре 300 K сечение поглощения фотонов для таких переходов почти на порядок величины меньше сечения друдовского поглощения на свободных электронах и их вкладом в поглощение для кристаллов с концентрацией электронов менее 10¹⁷ см^-3 можно пренебречь. Однако, как следует из спектров поглощения кремния с примесью сурьмы, максимум поглощения у λ= 2,3 мкм растет с увеличением температуры быстрее, чем друдовское поглощение. Может оказаться, что полоса, которая не наблюдается при комнатной температуре, проявится при более высоких температурах.

Известно, что для качественной ИК оптики необходимы материалы с коэффициентом поглощения 10^-2 см^-1 ≤ ά ≤ 10^-1 см^-1. На практике кремний, применяемый в качестве оптической среды, сертифицируется по удельному сопротивлению и типу проводимости.
Если более подробно рассмотреть зависимость коэффициента поглощения в области 3−5 мкм от удельного сопротивления кристаллического кремния n- и p-типов проводимости (при комнатной температуре без учета внутризонных переходов и примесного поглощения), то выяснится, что монокристаллический кремний с ά ≤ 2×10^-2 и ρ > 1 Ом см, в котором примесное рассеяние носителей заряда незначительно, может быть рекомендован для применения в качестве оптической среды в спектральном диапазоне 3−5 мкм. Такой же коэффициент ослабления имеют реальные монокристаллы кремния n-типа с ρ > 3 Ом см и p-типа с ρ > 40 Ом см. Для оптических деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву при эксплуатации (например, обтекателей), предпочтительным является монокристаллический кремний p-типа.

Что мы делаем

Мы изготавливаем заготовки из монокристаллического кремния, для компонентов оптических приборов, работающих в диапазоне 3−5 мкм:

Оптические окна

Мы предлагаем заготовки для кремниевых элементов, работающих в оптическом и рентгеновском диапазонах.

Обеспечиваем качество, долговечность и эффективность Вашего производства.

Характеристики выпускаемого кремния:

n тип> 5;
5–50 Ом·см.

Мы используем собственный кремний оптический, выращенный у нас методом Чохральского (Cz-Si).

Выбор материала осуществляется вместе c заказчиком и зависит от рабочего диапазона длин волн, толщины элемента и специфики применения. Мы используем кристаллы кремния (в зависимости от технологии изготовления, типа проводимости и сопротивления), чтобы достичь наилучшего пропускания в требуемой области спектра.

Нам часто задают вопрос о пригодности кремния, выращенного методом Чохральского, для оптических применений. В общем случае, оптический кремний, выращенный методом Чохральского, является слабо легированным материалом (удельное сопротивление 20 - 40 Ом·см). Действительно, для ухода от полосы поглощения в области 8-10 мкм, кремний может быть изготовлен гораздо более дорогим методом бестигельной зонной плавки, что теоретически обеспечивает лучшую прозрачность в диапазоне выше 10 мкм. Такой высокоомный кремний имеет длинноволновую полосу пропускания в диапазоне 30 - 100 мкм.

Однако, в диапазоне от 3 до 5 микрон нет практически никакой разницы в пропускании материалов всех используемых типов и сопротивлений. Также все типы материалов имеют фононные пики абсорбции, обусловленные решеточным поглощением в диапазоне от 6.5 до 25 микрон. Кремний, выращенный методом Чохральского, имеет пики на длинах волн 5.8, 9.1 и 19.4 микрон, индуцированные кислородным поглощением.

Обычно кремний, выращенный методом Чохральского, считается материалом для систем, работающих в средней ИК-области спектра от 3 до 5 микрон. Но фактически этот материал может использоваться в гораздо более широком диапазоне длин волн от 1.2 микрон до 100 микрон. Кроме того, решёточное поглощение, также как и кислородное поглощение, зависит от оптического пути луча внутри элемента (иными словами - от толщины элемента) и не зависит от сопротивления. Таким образом, толщина элемента является достаточно критичным параметром в диапазоне 6-25 микрон.

Для образца кремния, выращенного методом Чохральского, толщиной 5 мм среднее пропускание в диапазоне 8-10 микрон меньше 32% (для кремния, выращенного методом зонной плавки, около 38%) и только 18% в диапазоне 10-14 микрон (одинаково для кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского).

Однако, кремниевые окна толщиной менее, либо около 1 мм могут быть успешно использованы во втором «атмосферном окне» от 7 до 14 микрон. В этом диапазоне среднее пропускание окна из кремния, выращенного методом Чохральского, с толщиной 0.5 мм превышает 51%. В диапазоне длин волн, начиная с 21 микрона, нет разницы в пропускании между кремнием, выращенным методом Чохральского и методом зонной плавки с одинаковым сопротивлением и типом проводимости.

Рис. Заготовки для кремниевой оптики производства компании КРИТ

Другие компоненты специального назначения:

Светоделители из кремния
Оптические фильтры из кремния
Оптические зеркала из кремния

Рис. Установка для выращивания монокристаллов кремния диаметром до 310 мм
УВК-300 конструкции КРИТ

Детекторы

Линзы

Обтекатели

Рис. Слиток кремния, выращенный НПО КРИТ на установке УВК-300

Рис Концентрация кислорода в расплаве кремния и кристаллах кремния для различных типов нагревателей, используемых в НПО КРИТ.

Рис. Крупногабаритная заготовка оптического кремния пр-ва КРИТ

Известно, что за счет меньшей концентрации кислорода (10¹⁶ см^-3 вместо порядка 10¹⁸ см^-3 в кремнии, выращенном методом Чохральского) кремний, выращенный гораздо более дорогим методом зонной плавки, не имеет выраженных кислородных пиков и может использоваться для более критичных применений. Однако, c помощью различных технологических приемов можно снизить содержание кислорода в кремнии, выращенном методом Чохральского.

В настоящее время существуют дорогостоящие методы контроля уровня кислорода в CZ-кристалле кремния, такие как использование магнитов и т.п.

Мы используем и объединяем основные технологические подходы к снижению уровня кислорода при получении кремния по Чохральскому: контроль растворения кислорода в тигле и управление скоростью испарения на свободной поверхности расплава с помощью таких параметров, как скорость потока аргона и вращение затравки и тигля. Например, увеличение скорости потока аргона снижает концентрацию кислорода из-за усиленного испарения, в то время как корректировка положения уровня расплава относительно нагревателя влияет на растворение кислорода, при этом более низкие уровни расплава приводят к более высоким концентрациям. Мы также используем специальную конструкцию нагревателя для снижения и контроля концентрации кислорода во время процесса CZ без дополнительных затрат. (Рис.)

Максимальные размеры наших кристаллов, используемых для изготовления оптики:

Si, выращенный методом Чохральского - 310 мм;
Si, выращенный методом зонной плавки - 100 мм;

НПО «КРИТ» имеет необходимый опыт и запас материалов для быстрой поставки кристаллов и заготовок из оптического кремния, полученного методом Чохральского. Мы используем собственные установки для выращивания кристаллов и имеем широкие возможности для их последующей механической обработки.

Мы можем изготовить любые кристаллы вплоть до диаметра 310 мм и заготовки по чертежам заказчика. Если нужной вам продукции нет на наших обширных складах, то кристаллы кремния c необходимыми параметрами будут оперативно получены на нашем производстве под контролем собственного отдела технического контроля.

Свяжитесь с нами для заказа и консультации!

Оставить заявку

НПО «КРИТ» – Ваш надежный партнер!