CN107533152A - 由硅材料构成的光学器件以及具有该光学器件的光学机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由硅材料构成的光学器件以及具有该光学器件的光学机器，本发明欲解决的课题是提供具有高红外线透过率且具有高硬度、由硅材料构成的光学器件以及具有所述光学器件的光学机器。本发明提供一种用于使红外线可透过的光学器件以及光学机器，其中，所述光学器件由氧浓度是1.0×10¹⁷atom/cm³以下、含碳浓度为1.0×10¹⁶～8.0×10¹⁸atom/cm³的硅材料构成，而所述光学机器具有所述光学器件，所述光学器件安装在红外线光路上。

Description

由硅材料构成的光学器件以及具有该光学器件的光学机器

【技术领域】

本发明涉及一种光学器件以及机器，特别是涉及一种由硅材料构成的光学器件以及具有该光学器件的光学机器。本发明基于在日本申请的特愿2015－91580，通过引用，其内容已包含在本说明书中。

【背景技术】

近年来，利用红外线的机器的开发活动增多。利用4～15微米(μm)波长范围红外线的红外线传感器等来开发光学机器的活动越来越活跃。现有技术中，可透过波长4～15μm的红外线的元器件中采用锗、硫族化物玻璃、硅等材料。其中，硅因为相对廉价故其可用来使红外线透过。

如果硅透镜中混入氧，将导致9μm波长附近的红外线透过率令人遗憾地下降。专利文献1公开了由含氧量10ppma以下的多晶硅凝固体构成的光学器件的制造方法。

【专利文献1】日本特开2010－163353号公报

【发明内容】

【发明要解决的课题】

由专利文献1可得的、含氧量10ppma以下的多晶硅凝固体能够提高红外线透过率。然而经本发明人的研究，发现该硅透镜硬度低且易破裂。故本发明的课题是提供一种红外线透过率高且硬度高、由硅材料构成的光学器件以及具有该光学器件的光学机器。

【解决课题的手段】

经本发明人等的锐意探讨，完成了如下内容的本发明。

[1]一种用于使红外线透过的光学器件，其由氧浓度在1.0×10¹⁷atom/cm³以下、含碳浓度为1.0×10¹⁶～8.0×10¹⁸atom/cm³的硅材料构成。

[2]如[1]的光学器件，其中，上述硅材料还包含有1.0×10¹⁴～1.0×10¹⁸atom/cm³浓度的硼。

[3]如[1]或者[2]的光学器件，其中，上述硅材料的9μm波长红外线的透过率在44％以上，奴普硬度在1190kg/mm²以上。

[4]一种光学机器，其具有安装在光路上、如[1]～[3]的红外线光学器件。

【发明效果】

根据本发明，可获得兼具高红外线透过率和高硬度的光学器件。具体来说，本发明可提供由硅材料构成、9μm的红外线透过率更高且奴普硬度更高的光学器件。

【具体实施方式】

在本发明中，「用于使红外线透过的光学器件」是指：其构成用来安装在光学装置等的红外线光路上的未安装元器件，或者如前所述构成、但已安装的元器件。对于该光学器件的形状并无特别限制，例如可呈各种透镜状，亦可呈板状。

根据本发明的光学器件由硅材料构成。硅材料是含有如后所述的微量成分的硅材料，其中以95质量％以上的硅为佳，以99质量％以上硅更佳，特别以由去除如后所述量的碳及氧而全部以硅构成尤其佳。对硅材料的形态并无特别限制，可以是单晶，亦可以是多晶。

硅材料中以尽可能不含氧为佳，尤以氧浓度1.0×10¹⁷atom/cm³以下为佳。氧浓度越低越好，尤以如后所述的测量法的检测极限以下者为佳。降低氧浓度的手段可例举：采用蓝宝石、碳、氮化硼等作为坩埚材质。

硅材料中含有规定量的碳。具体来说，硅材料中含碳浓度为1.0×10¹⁶～8.0×10¹⁸atom/cm³。调节碳浓度的方法可例举：在混合规定量的硅原料和碳粉后加热，使其熔融混合然后实施结晶化，或者用用碳材料坩埚在该坩埚内将硅原料熔融后实施结晶化。另外，由于在制造硅材料时从所用的夹具等有可能混入碳成份等因素，故碳粉的添加量未必能真实地反映硅材料中的碳浓度。即便如此，经数次试错，仍然可以估算出实现所求的碳浓度而应添加的碳粉量。

因硅材料中的碳浓度是上述范围且氧浓度低，故可兼顾硬度和使红外线透过率。

硅材料中的氧和碳的含量可用二次离子质谱法(下称「SIMS法」。)测量。SIMS法是一种表面计量法，其向固体的表面照射束状离子(一次离子)，用质量分析计检测该离子和固体表面因分子及原子层面的冲撞所产生的离子(二次离子)。SIMS法中氧浓度的检测下限是大约5.0×10¹⁵atom/cm³。

较佳地，硅材料中进一步含硼，以进一步提高9μm波长红外线的透过率且进一步提高奴普硬度。硅材料所包含的硼浓度以1.0×10¹⁴～1.0×10¹⁸atom/cm³为佳，1.0×10¹⁴～5.0×10¹⁷atom/cm³更佳，而以1.0×10¹⁴～1.0×10¹⁷atom/cm³尤其佳。通过采用该范围，尤其能够在高水平上兼顾硅元器件中9μm波长红外线的透过率的提升效果和奴普硬度的提升效果。

关于添加硼的方法，可以直接含有硼粉末，亦可先用硼粉末制备含硼硅单晶后，用所得的含硼硅单晶制备硅材料。在后述的实施例中将进一步具体地说明该预先制造含硼硅单晶方法。通过预先制造含硼硅单晶，能够更容易调节硼的添加量。

可用上述二次离子质谱法(SIMS法)测量硅材料中的硼含量。另外，也可用辉光放电质谱法测量硼含量。辉光放电质谱法是指：在氩气环境中将试样作为阴极而激发辉光放电，在等离子内使试样表面发生溅射，用质量分析计测量离子化的结构元素的方法。

至于获得所求形状的光学器件的硅材料的制造方法并无特别限制，可适当参照硅材料加工方法的相关公知技术。例如，可利用CZ法(柴氏拉晶法)、FZ法(浮运法)、挤压成形法、模具整形法等制造硅锭，并通过适当切片、削磨所得的硅锭以获得所求形状的光学器件。在取得硅锭时，作为原料的多晶硅呈熔融状态为佳，此时在使碳粉共存时如考虑上述浓度范围，便可调节所得硅材料的碳浓度。另外，如采用蓝宝石、碳、氮化硼等作为坩埚材料的材质则可使氧浓度减至极低。

在上述方法中，利用CZ法制造尤其佳。CZ法作为硅锭制造方法得到了广泛开发，其大致被分类为所谓拉晶法，亦即将晶种浸渍到熔融于坩埚内的硅原料后提升的方法。当取得所述熔融的硅原料时，如上所述添加规定量的碳原料(碳粉等)后与硅原料同时熔融为佳。较佳地，将晶种浸渍于以碳原料共存的状态熔融的硅原料中，在旋转晶种的同时拉升从而使圆柱状的单晶垂悬于晶种生长，便可获得硅锭。

可将如上获得的硅材料用做光学器件加工成所求的形状。构成本发明的光学器件的硅材料具有卓越的红外线透过率，尤其较佳地，其对于9μm波长红外线的透过率在44％以上。可用傅立叶变换型红外分光装置(FT－IR装置)测量透过度。

构成本发明的光学器件的硅材料具有高硬度，其奴普硬度较地佳是1170kg/mm²以上，更佳地是1180kg/mm²以上，尤其更佳地是1190kg/mm²以上，而以1200kg/mm²以上最佳。可用微奴普硬度计及微小硬度计等测量奴普硬度。至于奴普硬度，可用四角锥状的钻石以一定的力对薄片状或板状的试样施压，根据所生成凹陷的深度算出奴普硬度。

本发明的光学器件的形状并无特别限制，例如可以是各种透镜状，亦可以是板状。如光学器件是透镜状，既可直接使用，亦可研磨透镜的表面后使用。通过研磨可形成更精密的玻璃透镜。

可在玻璃透镜的表面配置防反射膜(AR涂层)。通过配置防反射膜可防止光反射，从而实现更卓越的透过率。

板状光学器件用于例如远红外线摄像机用透镜材料以及远红外线传感器的窗材等用途。

本发明的另一种实施方式是在红外线光路上安装有上述本发明的光学器件的光学机器。此类光学机器可举远红外线摄像机、热红外成像等，但非局限于此等。

【实施例】

以下例举实施例，对本发明进行更加详细的说明。但本发明并非局限于这些实施例。

(实施例1～4，比较例1～3)真空下、在高纯度氮化硼坩埚(内径170mmφ)中，向块状硅多晶2000g添加后述规定量的碳粉，在温度1550℃下熔融以获得硅融液。将获得的硅融液置于1400℃下，并与硅晶种接触从而进行种子附着。其后，首先使硅种子结晶以2转/分的转速、1.5mm/分的提升速度提升，将与硅种子结晶同样粗的硅结晶在硅融液中生长至约40mm的长度。接着，以20转/分的转速、1.0mm/分的提升速度生长硅结晶(直径70mmφ×100mm)。如此获得硅晶锭。

在上述制造中所添加的碳粉量如下。

实施例1：0.2×10^－2g 实施例2：1.4×10^－2g

实施例3：2.4×10^－2g 实施例4：3.0×10^－2g

比较例1：0.5×10^－3g 比较例2：3.4×10^－2g

比较例3：0(未添加)

(实施例5～7)真空下、在高纯度氮化硼坩埚(内径170mmφ)中，向块状硅多晶2000g添加0.149g硼，在温度1550℃下熔融以获得硅融液。将获得的硅融液置于1400℃下，并与硅晶种接触从而进行种子附着。其后，首先使硅种子结晶以2转/分的转速、1.5mm/分的提升速度提升，将与硅种子结晶同样粗的硅结晶在硅融液中生长至约40mm的长度。接着，以20转/分的转速、1.0mm/分的提升速度生长硅结晶(直径70mmφ×100mm)。如此获得硅晶锭。将所得锭用线锯切片得到样品晶圆后，用辉光放电质谱装置(VG Elemental社制造，VG－9000)测量晶圆面内的硼浓度后确认是100ppm。如此得到含硼(100ppm)的硅单晶。

除上述外，真空下、在高纯度氮化硼坩埚(内径170mmφ)中，向块状硅多晶2000g添加2.4×10^－2g的碳粉，进一步添加规定量的上述所得的含硼(100ppm)硅单晶，在温度1550℃下熔融以获得硅融液。将获得的硅融液置于1400℃下，并与硅晶种接触从而进行种子附着。其后，首先使硅种子结晶以2转/分的转速、1.5mm/分的提升速度提升，将与硅种子结晶同样粗的硅结晶在硅融液中生长至约40mm的长度。接着，以20转/分的转速、1.0mm/分的提升速度生长硅结晶(直径70mmφ×100mm)。如此获得硅晶锭。

上述制造中添加的含硼(100ppm)硅单晶的量如下。

实施例5：6.1×10^－2g 实施例6：1.8×10^－1g

实施例7：6.1g

(比较例4)真空下、在石英坩埚(内径170mmφ)中，向块状硅多晶2000g添加2.4×10^－2g的碳粉，在温度1550℃下熔融以获得硅融液。将获得的硅融液置于1400℃下，并与硅晶种接触从而进行种子附着。其后，首先使硅种子结晶以2转/分的转速、1.5mm/分的提升速度提升，将与硅种子结晶同样粗的硅结晶在硅融液中生长至约40mm的长度。接着，以20转/分的转速、1.0mm/分的提升速度生长硅结晶(直径70mmφ×100mm)。如此获得硅晶锭。

(测量氧浓度、碳浓度)用线锯从各实施例和比较例的锭切片得到样品晶圆，用SIMS(CAMECA社制)测量晶圆面内的氧浓度、碳浓度以及硼浓度。

(测量奴普硬度)用微小硬度计(松泽精机制，MXT50)在温度25℃、湿度50％的条件下测量奴普硬度。具体来说，用线锯从各实施例和比较例的锭切片得到样品晶圆，向样品晶圆的表面施压负重100g的压子15秒钟，测量压痕的对角线长，据此算出奴普硬度。

(测量透过率)用线锯从各实施例和比较例的锭切片得到样品晶圆，研磨表面使算术平均粗度Ra达到1nm以下、厚度1mm，后用FT－IR装置采用FT－IR(傅立叶变换型红外吸收)法在9μm波长下对晶圆中心进行测量。

测量结果如下。其中，

C1为氧浓度(10¹⁶atom/cm³)，

C2为碳浓度(10¹⁶atom/cm³)，

C3为硼浓度(10¹⁴atom/cm³)，

N为奴普硬度(kg/mm²)，

T为透过率(％)。

如上所述，在实施例中获得兼具高透过率及高奴普硬度的硅晶圆。如果能得到上述晶圆，本行业人士便可用该晶圆并采用挤压法及研磨法等例示的种种加工方法制造卓越的透镜及窗材等的光学器件，更进一步制造嵌入彼等光学器件的光学机器。

以上详细说明了本发明的例示的实施方式。在不超出本发明的精神和范围的条件下能够进行种种改变及追加。是故上述仅仅是例示，其并非用以局限本发明的范围。

Claims (8)

1.一种用于使红外线可透过的光学器件，其特征在于，包括由氧浓度在1.0×10¹⁷atom/cm³以下、含碳浓度为1.0×10¹⁶～8.0×10¹⁸atom/cm³的硅材料构成。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述硅材料还包含有1.0×10¹⁴～1.0×10¹⁸atom/cm³浓度的硼。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述硅材料的9μm波长红外线的透过率在44％以上，奴普硬度在1190kg/mm²以上。

4.根据权利要求2所述的光学器件，其特征在于，所述硅材料的9μm波长红外线的透过率在44％以上，奴普硬度在1190kg/mm²以上。

5.一种光学机器，其特征在于，包括具有安装在红外线光路、如权利要求1所述的光学器件。

6.根据权利要求5所述的光学机器，其特征在于，所述硅材料还包含有1.0×10¹⁴～1.0×10¹⁸atom/cm³浓度的硼。

7.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述硅材料的9μm波长红外线的透过率在44％以上，奴普硬度在1190kg/mm²以上。

8.根据权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述硅材料的9μm波长红外线的透过率在44％以上，奴普硬度在1190kg/mm²以上。